超振动对光栅结构形成的影响及其在结构设计中的应用外文翻译资料

 2023-09-25 04:09

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超振动对光栅结构形成的影响及其在结构设计中的应用

摘要:结构着色是利用周期性纳米结构与可见光之间的光学相互作用来产生彩虹色或非彩虹色,是近年来研究的热点。人工结构颜色的绘制性能取决于纳米制造能力和结构精度。本文提出了一种新颖的椭圆振动变形方法,用于周期可控光栅结构的快速生成,该方法可作为反射光栅来呈现彩虹结构的色彩效果。首先,对不同椭圆振动轨迹对光栅结构形成的影响进行了理论分析和实验验证。其次,论证了基于光栅形成的结构着色;研究了颜色效应与光栅轮廓的关系。具体地说,在振动辅助加工中常用的不同椭圆轨迹是由一种新提出的非共振振动刀具产生的,用于周期性光栅结构的产生。建立了考虑刀具振动轨迹和刀具几何形状的光栅轮廓线预测分析模型。结果表明,光栅结构的方向和周期距离可以精确控制,而截面形状对振动轨迹有很强的依赖性。结果表明,倾斜椭圆轨迹与至少3mu;m振动振幅的切削深度(DOC)方向有利于高纵横比的一代光栅结构。医生振动振幅不足(小于3micro;m)导致减少芯片有效厚度和不稳定的塑料芯片去除。弹性恢复效应显著,并使理想光栅结构的形成恶化。在此基础上,对不同刀具振动轨迹下产生的彩虹色效果进行了分析和比较。感生颜色的色相和亮度是由产生的光栅结构的周期距离和截面轮廓独立决定的。提出的非共振振动变形方法在现有纳米制造工艺的基础上,为实现结构色彩提供了一种新的制造方法。

关键词:非谐振振动工具;振动辅助加工;结构色

1. 引言

除了使用颜料或染料改变物体的表观颜色外,还演示了微/纳米结构为通过操纵WAV来调整物体颜色提供了新的手段。 与长度相关的可见光谱反射率[1]。当结构的特征尺寸为时,将引入微/纳米结构与可见光之间的光学相互作用。 下至微米或纳米范围,可与可见光的波长相媲美。例如,当结构的特征大小位于亚波长范围时,入射可见光会激发金属表面传导电子的振动,并引入等离子体颜色[2]。质体颜色的吸引力在于高品质的金枪鱼。 性能,超越了衍射极限的颜色分辨率,角度无关的颜色,并有潜力的下一代无颜料印刷技术[3]。此外,干涉和衍射 在可见光上也可以引入结构着色[4]。不同波长的光,或者说颜色,会被衍射或反射到不同的方向,这是彩虹结构的颜色效应。

基于上述光学相互作用的结构颜色的绘制性能往往取决于制备的纳米结构的加工能力和精度。多亏了最近的进展 在纳米制造和表征技术中,飞秒激光烧蚀、电子束和聚焦离子束光刻等许多新的制造方法已经成为不可缺少的工艺。 用于进一步提高结构颜色的性能。Kumar等人[5]通过制备周期的银金等离子体,在衍射极限处实现了全彩色印刷。采用电子束光刻技术在背反射器上方构造。程等人[6]利用具有完美光吸收的等离子体元表面来获得高分辨率a的结构颜色。 聚焦离子束(FIB)光刻的Nd饱和。然而,由于电子束和fib光刻工艺复杂,成本高,不适合于进一步的工业应用。此外,Dusser[7]等人采用飞秒激光烧蚀产生激光诱导的周期性表面结构(LIPSS),引入光学衍射效应。东方通过调整飞秒激光束的偏振度,可以精确地控制LIPSS,使彩色图像的绘制具有全调色板的结构色彩。然而,高斯超快激光束的能量分布限制了LIPSSs截面轮廓的可控性,这不可避免地限制了LIPSS对结构颜色衍射微调的渲染能力。

本文介绍了一种新颖的椭圆振动切割方法,用于快速生成周期性可控光栅结构,使其在铝表面呈现出彩虹色。根据得到的刀具振动轨迹和刀具几何形状,建立了光栅结构的数学模型。研究发现DOC中的相移和振动幅值,椭圆轨迹的选取对确定产生的光栅结构的高宽比起着关键作用。实验研究了相移和DOC振动的影响、振幅对光栅结构形成的影响。利用不同椭圆轨迹设计所产生的不同光栅结构,不同布理的彩色和生动的颜色,已成功地证明了密封性。提出的振动辅助制造方法在光学装饰、彩色标记、防伪等结构着色领域具有潜在的应用前景技术[7、8]。

  1. 工艺原理

摘要提出振动辅助加工是为了满足硬切削材料高性能加工的需要,提高了加工表面质量,延长了刀具寿命,提高了成形精度。与传统的切削工艺[9-11]相比,张[12]等人成功地利用振幅控制的椭圆vIB在淬硬钢上精确加工高宽比纳米结构。 配给切割。张等人[13]研究了椭圆振动切削中混合微织构的产生机理,提出了一种减少加工e的轨迹补偿算法。椭圆振动切削在其他工作中被推广到制造周期性的微/纳米结构[14-17]。基于振动工具的工作模式,振动辅助织构 G可分为两类,即共振变形系统和非共振变形系统。一方面,二维共振变形系统利用了Th的耦合谐振模式。e系统产生超声椭圆刀具轨迹在耦合谐振频率[18-20]。尽管共振振动系统提供了更高的产生周期共振频率的效率。它对刀具振动轨迹的控制有限,工作频率固定。另一方面,非共振变形系统的工作频率低于第一共振频率t。他构造并解耦了二维工具运动,可以在工作空间内生成任意的刀具轨迹,并精确地控制轨迹的幅值和方向。本文以非共振振动变形系统为研究对象,研究了振动轨迹对光栅形成和结构颜色的影响。

    1. 非共振振动工具

作者已经开发了一种高带宽非共振工具来交付所需的刀具轨迹,如图1所示,两个压电叠层执行器(PSA)垂直放置,为桥式柔性铰链提供输入位移。柔性铰链将输入位移传递并放大到附着在末端执行器上的单晶金刚石(SCD)镶件上。该设备的几何形状经过精心设计,可保证工作带宽达到7khz。工具的工作空间轨迹有菱形形状和两个对角线等于10mu;m。

激励信号与输出位移的关系如下:

(1)

其中,左和右压电驱动器施加的驱动信号。安培位移放大率与柔性铰链几何尺寸有关;是所用PSA的压电常数;是与PSA刚度和输入有关的柔性铰链的刚度常数。

2.2 光栅结构的形成及色彩效果

如果将正弦激励信号应用于两个PSAs,在切削过程中,

图1所示。非共振振动刀具及刀具轨迹重叠引起的光栅形成原理图

刀尖处的振动响应如下:

(2)

其中AKIT和ADOC是切割方向和深度方向上的振动振幅.另外,v是名义切削速度,f是振动频率,是t之间的相移。他向两个方向移动使用等式1、通过调整两种驱动信号,可以产生各种形状和倾角的椭圆轨迹。由于重叠生成的刀具轨迹,周期性的加工标记,或者说光栅结构,将留在成品表面。如图2所示,有序光栅结构的方向如下 摆在切削方向上,而周期距离和光栅宽度则由下列方程给出:

(3)

图2所示。光栅结构几何形状及其与刀具振动轨迹的关系。

其中v是名义切削速度;R是切削插入件的头部半径;doc是最大实际切割深度。

一旦将光栅结构的周期距离设置在可见光或近红外光谱范围内,这种光栅结构将表现为反射衍射光栅,并引入彩虹。 颜色效应。在一定的光照和观察条件下,视色的色调由基本光栅方程决定:

(4)

通过设计光栅间距,例如调整刀具振动频率或n,可以获得特定视角下衍射光的所需波长,或者说颜色。

此外,衍射结构颜色的亮度与各个衍射方向的光强有关。即使在光栅间距不变的情况下,仅通过改变生成光栅结构的高度就可以实现衍射效率的调整,从而实现对诱导结构颜色色相和亮度的独立控制。大纵横比的周期光栅结构具有更高的衍射效率和更明亮的色彩效果。光栅高度的数学表达式为:

(5)

其中是与椭圆轨道的形状和倾角有关的临界参数,可以通过求解下列方程得到 (6)

图3说明了DOC中不同振动振幅下理论光栅高度和相移与切削方向关系的三个典型例子。 可见,在不同的振动幅值条件下,光栅高度对相移有很强的依赖性。当相移接近t时,高度将急剧减小到90°,椭圆轨迹的主轴垂直于切削方向。光栅高度曲线如3图所示 :

图3所示光栅的理论高度和相移之间的关系在不同振动振幅在DOC和切削方向假设v / f = 1mu;m间隔距离。

图4所示。衍射谱和光周期光栅结构的强度分布假设入射角()的0°,1的衍射订单(K)和1mu;m的间隔距离(d)。

图3相对于90°的相位角是对称的,表明椭圆轨道的倾斜方向(无论是向或远离标称切削方向)都是不对称的。不影响光栅高度,此外,DOC和切削方向振动幅值的变化将同时改变关键参数()的值。因此,在固定相移条件下,不同振动振幅下的振动高度无明显差异。然而,随着t的增加,有效的未切割切屑厚度将呈线性增加。 振动振幅。未切割的切屑厚度有一个临界值,低于这个临界值,最小的切屑厚度效应将对芯片的产生很大的抑制作用。光栅h的相关性 因此,八对振动振幅将是相当非线性的。最后,由于刀具侧面的干涉和产生光栅结构,光栅高度被盖住,如图1。对于图3所示的计算结果,刀具间隙角取为20°。

在上述分析的基础上,通过调整所使用的椭圆振动轨迹,可以得到具有可控截面轮廓的周期光栅结构,从而使其产生。具有可控亮度的衍射结构颜色,用E描述了具有一定间距的光栅结构的空间衍射谱(l在380~760 nm之间)。 q.(4)视衍射结构颜色呈现角度相关效应,并遵循可见光谱的颜色序列。而每个衍射方向的光强, 它决定了衍射色的亮度,随着光栅高度的增加而增加。如果入射白光垂直于光栅表面,则相对强度分布 不同的观测角度由下列方程[21]。

(7)

图4给出了不同高度光栅结构的衍射谱和相应的光强分布,并作了比较。

  1. 实验装置

实验装置如图5所示。对铝合金工件(Al 6061)进行了预抛光,为后续着色工艺提供了镜面光洁度。然后它粘在一个 倾斜调整阶段使用紫外线粘合剂。采用倾斜阶段,以确保工件平行于切割和横向进给方向。它被集成到航空上 技术的三轴阶段,它设置横切进给(Y轴)和深度切削(Z轴)在切削过程中。该阶段的分辨率可达1nm,重复性可达75 nm。该非共振振动工具被连接到一个航空技术的线性驱动器与基地块。线性驱动器作为切削轴,在着色过程中提供切削运动(X轴)。此外,还在非共振刀具上安装了一个直径为500mu;m的商业单晶金刚石镶件进行切削加工。耙和间隙角SCD插入度分别为0°和20°。

图5所示。实验设置。

该非共振振动工具由两个离散压电堆驱动,自由行程为7mu;m,最大阻塞力为800 N。 一种数据采集卡,应用于压电堆叠后,由两个压电放大器放大。对切削深度和切削方向的振动性能进行了监测。 两个电容位移传感器。用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对着色后的表面形貌进行了研究。 模式。衍射颜色是通过安装在100毫米数码单反相机上的数码单反相机拍摄的微距镜头。

图6所示。测量工具的振动轨迹,在削减()和切刀屑厚度方向振动振幅()一起都是2mu;m轨迹,II, III。第四轨迹, = = 3mu;m一起。

相机安装了100毫米的宏镜头。此外,还采用了一种商用的平行白光LED光源。 加工样品。入射角可调,以控制摄像机拍摄的反射光的波长,该反射光垂直于样品浪花。 王牌。在测试光照条件下,用白纸对摄像机的白平衡进行了标定。每一次拍摄的曝光和光圈设置相同,以便准确评估。结构颜色的亮度。

  1. 结果和讨论

作者的宝贵工作[22]证明了所提出的振动辅助方法的高效率,该方法使用了一个振动频率为28 kHz的共振振动工具。由于超声波的振动频率,它可以在一秒钟内产生近28000个微/纳米结构。本文的目的是研究椭圆轨迹对 光栅结构形成实验中采用的振动频率为1 kHz。本文的研究成果可为谐振腔的刀具轨迹优化设计提供参考。 振动切削刀具在今后的工作中。因此,第一次产生了三个不同相移和相同振动振幅的椭圆轨迹,如图6所示。帕斯 前三个刀具轨迹的E位移分别为90°、45°和135°,而振动幅值在DOC和切削方向均为2mu;m。然后讨论了振动幅值之间的关系。 利用第四刀具轨迹研究了ES和光栅结构的形成,其振动幅值在DOC和切削方向上均为3mu;m,相移为135°。

在着色过程中,采用的名义切削速度为1.0mm/s,横切速度为25mu;m,名义切削深度为-1mu;m。每组实验 织构面积为0.8mmtimes;0.5mm,加工时间为24秒。本文给出了不同椭圆轨迹加工的织构区域表面形貌的扫描电镜图像。 图7.除了具有垂直椭圆轨迹的第一区域外,我们还观察到了垂直于切割方向的高周期光栅结构。 图7(B)至图7(D),对应于工具轨迹II、III和IV。光栅结构的周期距离均在1mu;m左右,与Eq的预测一致。3.虽然分布 不同椭圆轨迹诱导产生的光栅结构相似,光栅截面分布有显着性差异。横截面高度 用AFM测量的ES(不加滤波器)在图7中绘制。基于方程的光栅理论高度。5和方程。6,并测量了纹理区5个不同地点的平均高度a It表1列出比较。值得注意的是,在DOC和切削方向上振动振幅的增加将同时改变关键参数的值 (),如第2.2节所述。因此,Ⅳ轨迹的计算光栅高度比轨迹Ⅲ的计算结果要小。

如我们所见,对于前三种刀具轨迹,利用工具轨迹II和III获得的光栅高度非常接近,并且大于从第一刀具轨迹得到的光栅高度。理论c 计算表明光栅高度随相移角的变化趋势相似。然而,测量的高度值远小于理论计算结果。 表明最小切屑厚度效应和弹性恢复具有显着性。事实上,在微细切削过程中,微细/纳米结构的精确形成 确保未切割的切屑厚度超过最小切屑厚度,在此情况下,原始切削过程将转向犁或犁/剪切组合工艺[18]。应付TH 在振动辅助加工中刀具的往复运动,有效的未切削切屑厚度不断变化

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