刀具偏置飞刀切削加工直槽类微纳结构阵列

微结构阵列能够大幅增强光伏组件如太阳能导光板等的光学性能，被广泛应用于仿生、生物医药、航天和国防等领域。微结构阵列的尺寸及分布对光学特性的影响受到广泛关注。其加工方式主要分为机械加工和非机械加工两大类。目前，较非机械加工而言，机械加工方法更适合制造微结构阵列。其中，单点金刚石切削是铝、铜和部分脆性材料等非铁基材料加工时非常有效的手段。得益于金刚石刀具纳米级刀刃，被加工材料表面质量光亮如镜，因而单点金刚石切削被广泛应用于高精度陀螺仪、激光反射镜、微透镜阵列和各种光学元件的加工制备。

 光学微结构阵列中的直槽类，如微沟槽、金字塔和三棱锥等几何形态的阵列，以其独特的光学特性被广泛使用。加工此类微结构阵列一般需要超精密加工设备多个线性轴的协同，当缺少某一个方向的线性轴（如Y轴）时将限制此类结构的准确加工。

针对这一挑战，深圳大学机电与控制工程学院张国庆老师课题组成功开发出一种全新的刀具偏置飞刀切削（Offset-fly-cutting-servo，OFCS）加工系统，在商用精密加工设备普通配置条件下（三轴，X、Z和C轴）即可加工出直槽类微纳结构阵列。所谓飞刀切削（Fly-cutting），原理是将刀具径向安装在圆柱形的刀盘前端上，再将刀盘安装在车床主轴上随主轴高速旋转,故称为“飞刀”。工件则安装在工作台上随工作台进行直线进给，从而实现切削过程。文章建立了一套刀具轨迹线性补偿的数学模型。通过设计方案（图式），切削实验加工出微沟槽、微金字塔和微三棱锥阵列。其后，对比了设计图案的面形态与实际加工后的测量结果，并进行分析。理论与实验结果显示二者微结构阵列的匹配度很好，微结构面形误差的均方根偏差值小于1微米。由此验证了所提出的刀具偏置飞刀切削对加工微纳结构阵列是一种行之有效的加工方法。

这一创新加工方法，解决了传统机床布局，加工不了直槽类微纳结构阵列的难题，也为其他复杂微结构阵列加工提供了理论参考。该成果发表在2021年的Journal of Materials Processing Technology 期刊上，并被全球著名科技媒体机构“工程进展（Advances in Engineering）遴选为关键科学论文（key Scientific Article）[1]。

该文中对于实验加工后的微沟槽、微金字塔和微三棱锥的几何特征的观察（图 8，依照原文图例序号）与三维面形的定量测量(图9 – 13)，大量使用了的布鲁克白光干涉仪设备（Bruker Contour GT-X  Elite）。在分析部分，作者直接对比了理论模拟面形与实测三维面形的二维轮廓线，并进行差值计算分析。摘录结果如下。

上列结果充分证明无论一个方向、正交二个方向、亦或是交错三个方向而言，实际加工面形与理论模拟面形保持高度一致。

事实上，张国庆老师课题组利用布鲁克白光干涉仪在超精密加工测量领域研究成果突出。除了上文对被加工面三维面形和二维轮廓定量精确测量外，还被用于加工表面微观不平整形成机制研究[2]，面形误差测量[3]和工件中心微结构成形[4]研究等。

本文相关链接：

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116900

Bruker Contour GT白光干涉显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/3d-optical-microscopes.html

参考文献

[1] https://advanceseng.com/novel-tool-offset-fly-cutting-straight-groove-type-micro-structure-arrays/

[2] Chen Y., Xiong J., Zhang G.*. Generation mechanism of irregular microstructures on the machined surface in single-point diamond turning[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 113, 2701–2714.

[3] Dai Y., Jiang J., Zhang G.*, et al. Forced-based tool deviation induced form error identification in single-point diamond turning of optical spherical surfaces[J]. Precision Engineering, 2021, 72: 83-94.

[4] Zhang G., Dai Y.*, Lai Z.. A novel force-based two-dimensional tool centre error identification method in single-point diamond turning[J]. Precision Engineering, 2021, 70: 92-109.