[发明专利]一种低频振动辅助飞切加工结构色图案的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及结构色加工方法的技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明提供了如下方案：

本发明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。