一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法技术

本发明专利技术的劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，包括刀具几何模型的建立、刀具力学模型的建立。属于刀具参数设计领域，本发明专利技术的目的在于提出一种劈型光栅刻划刀具参数化力学模型建立的方法，解决现有光栅刻划技术存在的刀具几何参数设计的不确定性及繁琐过程，提高光栅刻划效率，减低刀具成本，并填补国内外劈型刀具几何参数化力学模型建立方法的空白。本发明专利技术针对光栅刻划刀具的受力特性研究，建立一种劈型光栅刻划刀具参数化力学模型是一项重要的光栅刻划制造基础理论工作，也是光栅铝膜弹塑性成形规律及光栅挤压成形机理研究的前提条件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光栅刻划制造
，具体涉及一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法。
技术介绍
通常机械刻划光栅是劈型刀刃通过光学基底上的金属镀层挤压、擦光过程，将镀层表面加工成型为周期性非对称V型刻槽的过程，且整个加工工艺过程中不产生切屑，如图1所示。由于光栅刻划刀架是十字弹性铰链结构，且刀具工作区域是一个非对称几何形状，在光栅刻划过程刀具受力状态比较复杂，如果刀具几何形状设计不合理，就会产生一定的使刀具转动的扭矩，这个扭矩可能将刻线变成断断续续的波纹线，从而导致光栅刻划的失败。另外，传统的光栅刻划刀具设计方法主要以试刻划为主，即首先利用经验获得的刀具几何形状，进行试刻划光栅——检测槽形——修改刀具参数——再刻划——再检测得重复的过程，至到光栅槽形达到要求为止，工作量大，效率低，对刀具的损耗也大。目前为止，未查阅到指导光栅刻划刀具设计的理论及光栅刻划刀具几何模型建立相关国内外文献资料。鉴于此，针对光栅刻划刀具的受力特性研究，建立一种劈型光栅刻划刀具参数化力学模型是一项重要的光栅刻划制造基础理论工作，也是光栅铝膜弹塑性成形规律及光栅挤压成形机理研究的前提条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，解决现有光栅刻划技术存在的刀具几何参数设计的不确定性及繁琐过程，提高光栅刻划效率，减低刀具成本，并填补国内外劈型刀具几何参数化力学模型建立方法的空白。为实现上述目的，本专利技术的一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法包括刀具几何模型的建立、刀具力学模型的建立；(1)劈型刀具几何模型的建立金刚石劈型刀具的形状呈尖劈形(正视呈非对称“∨”型)，刀尖夹角通常选择在80°～120°之间，刀刃呈直线形，刀主刃一端按一定角度倒角，最终由三个面按一定角度相交而成一个主刃与两个侧刃，且这三条刃相较于一点。在劈型刀具光栅刻划过程中，刻槽槽形及表面质量，除了刻划工艺、铝膜参数及刀具质量外，主要由刻划刀刀具几何参数决定。劈型刀具的几何参数主要有定向角(D)、非定向角(F)、倒角(H)，其各关键部位的名称及分布情况、刻划工作方向及坐标关系见图2。图2(b)中金刚石劈型刀具在X-Z平面上，与X轴成一小角度(E)的刀刃线为主刃，其余两个为侧刃，主刃右后侧的为定向面侧刃，左后侧的为非定向面侧刃。刀尖点处于坐标原点O上，E为刀具俯仰角。基于劈型刀具特殊的几何形状，首先绘制刀具在水平横截面上的几何形状，如图3。在这个横截面上自然形成一个三角形△ABC，其三个角度分别为α、β、λ，其中λ等于λ1，λ2之和，即α+β+λ＝180(1)λ＝λ1+λ2(2)在劈型刀具几何建模过程中，先将α设为变量，D、F、H、λ、h(GO＝h)、b(AC＝b)为给定值(见图4)，劈型刀具的其他几何参数可通过计算获得。设AB＝c，BC＝a，CO＝e，CG＝L，GP3＝L1，GP4＝L2，ha(Gd1＝ha)，hb(Gd2＝hb)，根据以上参数相互之间的几何关系可获得(3)～(6)表达式，并将其整理后可得公式(7)。利用公式(2)、(7)可直接计算获得λ1和λ2值。sin(λ1)＝ha/L(3)ha＝h/tan(D)(4)sin(λ2)＝hb/L(5)hb＝h/tan(F)(6)sin(λ1)tan(D)＝sin(λ2)tan(F)(7)将λ1等代入公式(8)～(12)，依次计算得到L、E、L1、A1、β等参数：L＝h/sin(λ1)tan(D)(8)tan(E)＝h/L(9)L1＝acos(λ1)-L(10)tan(A1)＝h/L1(11)α+β+λ＝180(12)根据三角形正弦公式(13)、(14)，可获得劈型刀具横截面上的边长与角度关系式，并设劈型刀具三个面的面积分别为SABO＝SH，SBCO＝Sd，SAOC＝Sf，得其计算公式为(15)～(17)，根据劈型刀具三个面的面积在X-Y平面上的投影及三角形面积公式，可获得公式(18)，最终将公式(13)～(18)组成方程组，解出a的值。c/sin(λ)＝a/sin(α)(13)b/sin(β)＝a/sin(α)(14)SH=ch2sin(H)---(15)]]>Sd=ah2sin(D)---(16)]]>Sf=bh2sin(F)---(17)]]>p(p-a)(p-b)(p-c)=Sdcos(D)+Sfcos(F)+SHcos(H)---(18)]]>(其中p=12(a+b+c)]]>)设Bp3＝s1，Ap4＝s2，并将a，b，λ1，λ2等参数代入公式(19)～(24)，依次计算得到L2、A2、s1、s2、B1、B2等参数：L2＝acos(λ2)-L(19)tan(A2)＝h/L2(20)s1＝asin(λ1)(21)s2＝bsin(λ2)(22)tan(B1)＝h/s2(23)tan(B2)＝h/s2(24)(2)劈型刀具力学模型的建立当劈型刀具刻划光栅时，在X、Y及Z方向均受到铝膜的变形阻力。在前面建立的劈型刀具几何模型的基础上，设ppa为定向面上作用的正应力，tta为定向面上作用的切应力，如图5。正应力ppa与三个坐标轴的夹角分别为xa，ya，za，同理，非定向面上作用的正应力为ppb，非定向面上作用的切应力为ttb。设各面上的正应力和切应力分别等于(其中Hn为铝膜硬度值447MPa)。ppa＝ppb＝pp＝0.6×Hn(25)qqa＝qqb＝tt＝Hn/5.65(26)从图5中看出za＝D，通过公式(27)可以得出xa，再通过公式(28)可得ya，同理，zb＝F，从公式(29)和(30)得出xb，yb。cos(xa)＝hcos(D)/L(27)cos2(xa)+cos2(ya)+cos2(za)＝1(28)cos(xb)＝hcos(F)/L(29)cos2(xb)+cos2(yb)+cos2(zb)＝1(30)设Sdx为Sd在Y-Z平面上的投影，Sdy为Sd在X-Z平面上的投影，Sdz为Sd在X-Y平面上的投影，同理设非定向面的投影面积(即Sfx，Sfy，Sfz)其计算公式为：Sdx＝Sdsin(xa)(31)Sdy＝Sdsin(ya)(32)Sdz＝Sdsin(za)(33)Sfy＝Sfsin(xb)(34)Sfx＝Sfsin(yb)(35)Sfz＝Sfsin(zb)(36)设正应力的X方向的分应力分别为pxa，pxb，正应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，通过劈型刀具的各几何参数及其几何关系，建立参数化的刀具几何模型；进而，在参数化的刀具几何模型的基础上，根据刀具在光栅刻划过程中的工作方式，建立劈型光栅刻划刀具参数化力学模型。

【技术特征摘要】
1.一种劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，通过劈型刀具的各几何参数及其几何关系，建立参数化的刀具几何模型；
进而，在参数化的刀具几何模型的基础上，根据刀具在光栅刻划过程中的工作方式，建
立劈型光栅刻划刀具参数化力学模型。
2.根据权利要求1中所述的劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，其特征在于，劈型刀具
几何模型的建立具体包括以下步骤：
金刚石劈型刀具在X-Z平面上，与X轴成一小角度的刀刃线为主刃，其余两个为侧刃，主
刃右后侧的为定向面侧刃，左后侧的为非定向面侧刃；刀尖点处于坐标原点O上，E为刀具俯
仰角；
基于劈型刀具特殊的几何形状，首先绘制刀具在水平横截面上的几何形状；在这个横
截面上自然形成一个三角形△ABC，其三个角度分别为α、β、λ，其中λ等于λ1，λ2之和，即
α+β+λ＝180(1)
λ＝λ1+λ2(2)
在劈型刀具几何建模过程中，先将α设为变量，D、F、H、λ、h(GO＝h)、b(AC＝b)为给定值，
劈型刀具的其他几何参数可通过计算获得；设AB＝c，BC＝a，CO＝e，CG＝L，GP3＝L1，GP4＝
L2，ha(Gd1＝ha)，hb(Gd2＝hb)，根据以上参数相互之间的几何关系可获得(3)～(6)表达式，
并将其整理后可得公式(7)；利用公式(2)、(7)可直接计算获得λ1和λ2值；
sin(λ1)＝ha/L(3)
ha＝h/tan(D)(4)
sin(λ2)＝hb/L(5)
hb＝h/tan(F)(6)
sin(λ1)tan(D)＝sin(λ2)tan(F)(7)
将λ1等代入公式(8)～(12)，依次计算得到L、E、L1、A1、β等参数：
L＝h/sin(λ1)tan(D)(8)
tan(E)＝h/L(9)
L1＝acos(λ1)-L(10)
tan(A1)＝h/L1(11)
α+β+λ＝180(12)
根据三角形正弦公式(13)、(14)，可获得劈型刀具横截面上的边长与角度关系式，并设
劈型刀具三个面的面积分别为SABO＝SH，SBCO＝Sd，SAOC＝Sf，得其计算公式为(15)～(17)，根
据劈型刀具三个面的面积在X-Y平面上的投影及三角形面积公式，可获得公式(18)，最终将
公式(13)～(18)组成方程组，解出a的值；
c/sin(λ)＝a/sin(α)(13)
b/sin(β)＝a/sin(α)(14)
SH=ch2sin(H)---(15)]]>Sd=ah2sin(D)---(16)]]>Sf=bh2sin(F)---(17)]]>p(p-a)(p-b)(p-c)=Sdcos(D)+Sfcos(F)+SHcos(H)---(18)]]>其中p=12(a+b+c);]]>设Bp3＝s1，Ap4＝s2，并将a，b，λ1，λ2等参数代入公式(19)～(24)，依次计算得到L2、A2、
s1、s2、B1、B2参数：
L2＝acos(λ2)-L(19)
tan(A2)＝h/L2(20)
s1＝asin(λ1)(21)
s2＝bsin(λ2)(22)
tan(B1)＝h/s2(23)
tan(B2)＝h/s2(24)。
3.根据权利要求1中所述的劈型光栅刻划刀具参数化设计方法，其特征在于，劈型刀具
力学模型的建立具体包括以下步骤：
当劈型刀具刻划光栅时，在X、Y及Z方向均受到铝膜的变形阻力；在前面建立的劈型刀
具几何模型的基础上，设ppa为定向面上作用的正应力，tta为定向面上作用的切应力；正应
力ppa与三个坐标轴的夹角分别为xa，ya，za，同理，非定向面上作用的正应力为ppb，非定向面
上作用的切应力为ttb；设各面上的正应力和切应力分别等于：
ppa＝ppb＝pp＝0.6×Hn(25)
qqa＝qqb＝tt＝Hn/5.65(26)
za＝D，通过公式(27)可以得出xa，再通过公式(28)可得ya，同理，zb＝F，从公式(29)和
(30)得出xb，yb；

【专利技术属性】
技术研发人员：吉日嘎兰图，张善文，李晓天，巴音贺希格，齐向东，唐玉国，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22