一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法技术

本发明专利技术公开了一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括：一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障其粗糙度小于10nm；二，得到平面飞切加工的工件后，将飞刀换成尖刀，重新设定低频振动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，并启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，振动周期完成会在工件表面上会加工出一个结构色的几何图元，直接加工出的微沟槽形成的结构色图案质量和效果好，操作简单且加工效率高。

A Low Frequency Vibration-Assisted Flying-Cutting Method for Machining Structural Color Patterns

The invention discloses a method of low-frequency vibration-assisted flying-cutting to process structural color patterns. The processing device based on CNC machine tool and low-frequency vibration table includes: 1. Workpiece is clamped on low-frequency vibration table, and the reference height, cutting depth, X-direction feed speed and Z-direction feed amount of low-frequency vibration table are set to rotate the flying cutter and adjust the work. Ultra-precision surface flattening is carried out to ensure that the roughness of the workpiece is less than 10 nm. Secondly, after the workpiece is machined by plane flying, the flying knife is replaced by a sharp knife, and the reference height, nominal cutting depth and X-direction feed of the low-frequency shaking table are reset. The spindle of the cutter head is activated to rotate the sharp knife at high speed and feed along Z direction, and start up. Low-frequency shaking table makes the workpiece vibrate at low frequency in Y direction perpendicular to the workpiece surface according to the set vibration waveform. When the vibration period is completed, a geometric element of structural color will be machined on the workpiece surface. The structure color pattern formed by the micro-groove directly machined has good quality and effect, and the operation is simple and the processing efficiency is high.

【技术实现步骤摘要】
一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法
本专利技术涉及结构色加工方法的
，特别是涉及一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法。
技术介绍
在自然界中，很多生物的外壳、表皮因为存在着微纳结构，在无任何色素涂覆时仅在自然光照下就能呈现出特定的颜色，这种由于微纳结构与入射光相互作用而引起的反射、散射、干涉等光学现象产生的颜色被称为结构色。近年来由于颜色鲜艳不易褪色、低污染等优点，关于结构色的研究逐渐受到重视。将结构色运用到特定图案的构成一直是研究的热点和难点，首先是纳米尺度微纳结构的制造通常无法同时满足高质量和高效率的问题，其次是如何用微纳结构拼成一个规则的图案。在结构色图案的生成方面，常用的技术是飞秒激光加工技术。飞秒激光只有几飞秒到几百飞秒的宽度，但是其峰值功率很高，通过物镜聚焦后功率密度更大。当聚焦后的高能量的飞秒激光作用在材料表面时会瞬间去除光斑处的材料。当飞秒激光的斑点足够小时，就可以加工出微纳结构。配合三维位移平台，飞秒加工可以实现特定图案的微纳结构阵列，这些图案与光之间的相互作用也会出现结构色。通过改变光斑的大小以控制微结构的尺寸，进而加工出的图案不同区域与光相互作用显示不同的颜色。飞秒激光加工微纳结构，其光斑形貌为椭球形，纵向的分辨率小于横向的分辨率，加工过程中存在着微爆炸等现象导致表面质量差，加工出的结构色图案显示效果不好。提高加工质量需要经过退火或者化学腐蚀，但工艺太过繁琐。此外，飞秒激光加工微纳结构阵列时是通过逐点串行进行的，在加工大面积的微结构时效率不高，能量消耗大且造价昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使直接加工出的微沟槽质量好，形成结构色图案的显色效果好，操作简单且加工效率高。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供了一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工和结构色图案加工两个步骤，具体为：步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；步骤二，得到平面飞切加工过的工件后，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定低频振动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，低频振动台完成一个振动周期，在工件表面上会加工出一个结构色的几何图元。优选的，所述飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀或三角形刀。优选的，所述步骤一中所述X向进给速度为300mm/min，所述Z向进给量为10μm，刀盘主轴的转速为3000r/min。优选的，所述步骤二中所述Z向进给速度为0.9-2.4mm/min，所述名义切削深度为0.2-2μm，改变所述Z向进给速度能够改变所述几何图元中纳米级微沟槽的间距，所述纳米级微沟槽的深度由中间向两端逐渐变小。优选的，所述低频振动台低频振动的频率小于10Hz，振幅为0.5μm。优选的，所述步骤二中所述振动波形为简谐波、三角波或者锯齿波中的一种，改变所述振动波形能够改变所述几何图元的形状。优选的，改变低频振动台低频振动的零点偏离量能够改变所述几何图元的大小。优选的，还包括步骤三，通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，完成一列或多列的结构色几何图元，所述几何图元拼接形成结构色图案。优选的，所述步骤二中的所述尖刀为单点金刚石刀具，且所述尖刀的切削轨迹为弧线形。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：本专利技术的低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，所加工的几何图元的形状通过改变低频振动的波形来调控，大小通过控制切削深度来控制，颜色通过改变轴向进给速度进而控制纳米结构来控制，能直接加工出高质量的微沟槽，形成结构色图案显色效果好，操作简单，加工效率高。对于大面积的多彩色图案可以通过控走刀和加工参数达到加工要求，对于复杂形状通过数控编程可以实现高效高质量加工，且此方法属于机械加工技术，在能耗方面相对于其他方法会大大减小。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法的工艺流程图；图2为本专利技术低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法的结构示意图；图3为本专利技术中单个结构色的几何图元内部结构示意图；图4为本专利技术单个结构色的几何图元外观示意图；其中：1-工件，2-尖刀，3-几何图元。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，以解决现有技术存在的问题，使直接加工出的微沟槽质量好，形成结构色图案的显色效果好，操作简单且加工效率高。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。如图1至图4所示：本实施例提供了一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工和结构色图案加工两个步骤，具体为：步骤一，工件1装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件1的表面进行超精密表面切平加工，保障工件1表面的粗糙度在10nm以内。其中，步骤一中X向进给速度为300mm/min，Z向进给量为10μm，刀盘主轴的转速为3000r/min。步骤二，得到平面飞切加工过的工件1后，切换刀具，将飞刀换成尖刀2，重新设定低频振动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀2高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件1在垂直于工件1表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，低频振动台完成一个振动周期，在工件1表面上会加工出一个结构色的几何图元3。飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，尖刀2为90度尖刀、梯形刀、方形刀或三角形刀。步骤二中的尖刀2为单点金刚石刀具，且尖刀2的切削轨迹为弧线形。步骤二中Z向进给速度为0.9-2.4mm/min，名义切削深度为0.2-2μm，改变Z向进给速度能够改变几何图元3中纳米级微沟槽的间距，纳米级微沟槽的深度由中间向两端逐渐变小。低频振动台低频振动的频率小于10Hz，振幅为0.5μm。步骤二中振动波形为简谐波、三角波或者锯齿波中的一种，改变振动波形能够改变几何图元3的形状。单个结构色的几何图元3是由一列列不同深度、不同长度的微沟槽邻接组成的，几何图元3的形状由低频振动台振动的波形决定的，其中，简谐波对应的几何图元3形状是椭圆，三角波对应的几何图元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，其特征在于：基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工和结构色图案加工两个步骤，具体为：步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；步骤二，得到平面飞切加工过的工件后，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定低频振动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，低频振动台完成一个振动周期，在工件表面上会加工出一个结构色的几何图元。

【技术特征摘要】
1.一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，其特征在于：基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工和结构色图案加工两个步骤，具体为：步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；步骤二，得到平面飞切加工过的工件后，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定低频振动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，低频振动台完成一个振动周期，在工件表面上会加工出一个结构色的几何图元。2.根据权利要求1所述的低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，其特征在于：所述飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀或三角形刀。3.根据权利要求1所述的低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法，其特征在于：所述步骤一中所述X向进给速度为300mm/min，所述Z向进给量为10μm，刀盘主轴的转速为3000r/min。4.根据权利要求1所述的低频振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：周天丰，贺裕鹏，董晓彬，梁志强，刘志兵，焦黎，解丽静，王西彬，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11