采用弹性工艺系统在回转曲面上加工微纳结构的新方法研究

随着纳米技术的发展,纳米精度复杂微纳结构功能表面在民用及军事领域有着越来越广泛的应用。然而目前的微纳米加工方法还不能够在回转曲面如微球、微轴的表面上加工跨尺度的纳米精度微结构，因此亟需研究新原理的纳米加工方法。本项目提出采用基于原子力显微镜原理的弹性工艺系统在回转曲面上加工微纳结构的新方法的研究课题。在分析弹性工艺系统依靠控制刀具作用工件上的力进行纳米加工的原理基础上，建立在回转曲面上加工纳米精度微纳结构的新原理的加工装置，解决弹性工艺系统加工模型建立、工件刚度与刀具系统刚度匹配、加工深度精确控制、加工工艺流程、加工工艺参数优化等关键问题，实现在曲面如微轴、微球表面上的毫米尺度、纳米精度的微结构加工。本课题的研究为纳米制造技术发展中在曲面上微纳结构的加工提供新的理论和方法，并为国家重大工程的需求提供技术保障，具有重要的理论意义和良好的应用前景。

针对目前微纳米加工技术还不能够在回转曲面上加工出跨尺度的纳米精度微结构，因此本项目提出了一种基于原子力显微镜（AFM）的弹性工艺系统在回转曲面上加工微纳结构的新方法。采用AFM进行纳米机械加工与传统超精密机床加工过程的不同之处在于用于加工的AFM探针系统是弹性系统，通过控制探针作用于表面上的力来控制加工深度；而传统的超精密机床则是通过控制刀具和刀具之间的位移实现加工的。因此，本项目首先围绕弹性微刀具工艺系统加工微纳结构的加工机制开展研究：建立了单条沟槽单次刻划、多次刻划加工力与加工深度的模型，通过实验验证得到采用该模型可以达到理论设定深度与实际加工深度小于10%的加工精度；以微梁类零件代替微球、微轴等弱刚度零件，获得了工件与刀具刚度和变形的匹配关系；分析了AFM弹性随动工艺系统的跟踪特性以及其减小系统精度对加工误差的影响，实现了毫米尺度微纳结构的加工，为回转曲面类零件上纳米结构的加工提供了理论支撑。第二，本项目采用高精度气浮轴系、精密移动工作台以及商业化AFM纳米加工头，建立了基于AFM弹性工艺系统的5轴纳米加工装置，该装置可以实现回转曲面上近270°以内区域的纳米结构的高精度加工；分析了零件偏心误差对回转曲面上纳米结构加工精度的影响规律，进而提出了基于光学显微成像辅助的微球精密调心方法，该方法可实现1mm直径的微球小于3-5 μm的调心精度，且调节过程2~3分钟，极大地提高了微球的调心精度和调整效率。第三，开展采用弹性工艺系统加工跨尺度微纳结构的加工工艺研究，包括揭示了加工跨尺度结构过程中探针磨损规律，并提出了单条沟槽往返两次加工以及变载荷加工两种减小探针磨损影响的方法；提出了AFM扫描陶管带动探针刀具作单方向扫描运动、精密工作台或气浮轴系做一维移动或者转动，实现宽度、深度可控的跨尺度微沟槽结构的加工方法；采用优化的加工工艺参数，在微小球面上加工了纳米线阵列、纳米凹坑阵列、纳米凹槽的加工，并通过更换软悬臂的方式，对加工的结构实现了在位检测。本课题的研究为纳米制造技术发展中在曲面上微纳结构的加工提供新的理论和方法，具有重要的理论意义和良好的应用前景。