一种抗粘减磨超精密模具、加工系统及方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种抗粘减磨超精密模具、加工系统及方法。

背景技术

模具是制造业的重要基础工艺装备，主要用于高效大批量生产工业产品中的有关零部件和制件，是装备制造业的重要组成部分。模具批量生产的制件具有高效率、高一致性、低耗能耗材、精度和复杂程度较高等优点，因而被广泛的运用于机械、电子、汽车、航空、航天、军工、医疗、生物、能源等行业。目前，模具制造水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一。

微型复杂结构器件，如微型复杂结构光学元件，因其特殊的几何特征，而具有多种光学功能，可以实现传统光学元件难以完成的功能，在现代光学技术发展中具有重要应用价值。目前，微型复杂结构光学元件的制造方法主要以单点金刚石切削加工、光刻技术和LIGA 技术为主。单点金刚石切削具有较高的加工精度，但是由于玻璃材料在常温下属于脆性材料，因此一次切削进给量非常小，且加工一致性难以保证，不适合批量生产; 光刻技术和LIGA 技术虽然能够完成特征尺寸很小、表面质量很高的微纳结构加工，但该工艺受到生产效率及工艺稳定性的限制，不能很好的满足行业需求。

光学元件模压成形技术在近年来逐渐得到了重视，该技术是指在高温下对模具施加一定的压力从而将模具表面特定的结构复制到受热软化的光学元件表面上，再经退火冷却固化，得到理想的微型复杂结构光学元件。该技术可以实现光学元件的大批量、高效率制造，由于加工过程中不涉及材料的去除，因此能够大幅度减少原材料消耗，降低制造成本，被认为是光学元件制造最有效方法之一。

其中，模压成形技术通常在高温下（500-1500℃）进行。目前，由于光学元件的面形精度和表面质量由模具决定，因此现有的模压成形过程中对模具的表面质量要求较高，需要满足模具表面无划痕、破碎、裂纹等缺陷，并且为无任何结构的光滑或超光滑表面。然而，模具表面在高温下易与熔化的光学元件发生粘连，从而降低了模具表面质量和使用寿命，增加了生产成本。此外，在加热-冷却的温度循环和合模-脱模的压力循环作用下，模具会出现热疲劳和应力疲劳，而模具材料的疲劳容易造成模具的磨损与失效。所谓模具磨损，是指在成形过程中，模具工作部分由于高温、高压作用下产生的正常变钝现象。模具破损是指模具发生大的变形或表面有脱落现象产生，导致模具不能正常使用的现象，模具破损一般是由于高温高压作用使微结构产生了塑性流动而丧失成形能力。

同时，近些年来，耐高温超硬材料碳化钨、碳化硅等已经而成为模压成形技术所用模具的主要材料，但是对该超硬材料模具的加工中依然面临许多难题。首先，使用机械去除的方法在这些硬材料表面加工结构阵列效率非常低，有些结构甚至不能加工；其次，由于微细结构阵列尺寸极小化的特点，一旦加工过程中出现瑕疵就无法修复，间接增加了微型复杂结构光学元件的制造成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种抗粘减磨超精密模具、加工系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种抗粘减磨超精密模具，模具的工作面为超光滑表面，所述的超光滑表面上具有纳米织构。

相比于常规的表面无缺陷或无任何织构的光滑或超光滑模具，本发明在超光滑模具表面加工了周期性或规则排布的纳米织构，本发明提出的纳米织构可以提高模具表面硬度，降低模具表面压强，从而改善模具的抗沾减磨性能。本发明提出的织构尺寸为纳米量级，在高温下融化的光学元件由于尺寸效应无法流入纳米织构中，因此超光滑模具表面的纳米织构不会转移到光学元件表面，光学元件的表面质量和面型精度不会受到纳米织构的影响。

作为进一步的技术方案，当模具的工作面为平面时，位于同一面上的纳米织构的间距相等。

作为进一步的技术方案，当模具的工作面为弧形时，位于同一工作面上的纳米织构的弧度相等。

作为进一步的技术方案，抗粘减磨超精密模具，包括上模和下模，上模工作面的纳米织构与下模工作面上的纳米织构的间距相等。

作为进一步的技术方案，在抗粘减磨超精密模具的工作面表面还镀有一层膜。

第二方面，本发明还提供了一种抗粘减磨超精密模具的加工方法，如下：

步骤1获得超光滑表面的模具；

步骤2在模具表面制备纳米织构。

第三方面，本发明还提供了一种用于加工光学元件的超精密模具，包括上模、下模；所述的上模、下模的工作面为超光滑表面，所述的超光滑表面上具有纳米织构；所述的下模固定在加热腔上或者加热腔内；所述模具熔点大于光学元件的熔点；加热腔内的温度大于光学元件的熔点且小于模具的熔点。

第四方面，本发明还提供了一种利用所述的抗粘减磨超精密模具加工光学元件的方法，如下：

将抗粘减磨超精密模具的下模固定在加热腔内；

在下模上方放置待加工光学元件；

将抗粘减磨超精密模具的上模固定在光学元件上方；

对加热腔进行加热、保温、冷却，获得光学元件。

第五方面，本发明还提供了一种抗粘减磨超精密模具的加工系统，包括飞秒激光器、空间光调制器、反射镜、二向色镜和物镜；所述的飞秒激光器产生用于加工的激光；所述的空间光调制器对所述的光场进行调整，调整后的激光依次经过反射镜、二向色镜以及物镜后，作用到被加工模具的表面，在被加工模具的表面形成纳米织构。

作为进一步的技术方案，抗粘减磨超精密模具的加工系统还包括相机，其设置在二向色镜一侧，用于观察工件表面形貌。

第六方面，利用所述的抗粘减磨超精密模具的加工系统加工周期性等弧长纳米织构模具的方法，其特征在于；建立复杂曲面的参数方程和相应的坐标系；确定单次激光加工织构的数量以及纳米织构间的弧长；计算两两织构之间弧长的水平投影长度，将投影长度代入空间光调制器，并对飞秒激光光场进行调整；利用调整后的激光加工曲面模具，即可获得周期性等弧长纳米织构。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明打破了常规的模具设计思路，本发明在模具的超光滑表面上加工纳米织构，由于纳米织构的尺寸极小，因此可以保证高温条件下融化的被加工元件无法流进尺寸较小的纳米织构中，因此超精密模具表面的纳米织构不会转移到元件表面，使得模压后的元件拥有较高的表面质量和面型精度。

2. 本发明的模具织构区域会出现硬度增加的现象，因此加工纳米织构会提高模具的硬度，改善其耐磨性能；同时，纳米织构增加了模具受力面积，降低了模具表面压强，可以提高模具抗粘接能力，并进一步改善其耐磨性能。

3.本发明提出的超光滑表面和纳米织构复合的光学模具加工方法，通过超精密磨削和抛光技术获得超光滑表面的模具后，采用飞秒激光加工方法或者聚焦离子束或电子束在模具表面制备纳米织构，在不影响模具的性能以及模压后光学元件表面质量和面型精度的前提下，利用纳米织构降低高温下模具与光学元件的粘接以及模具的磨损。

4.本发明提出的等弧长加工方法，可以实现曲面模具表面一次性多个具有统一间距阵列结构的加工，大大提高织构的加工效率，并进一步改善模具表面抗沾减磨性能，延长模具使用寿命。

5.本发明提出了一种模具表面纳米织构的加工系统，通过空间光调制器对飞秒激光光斑的定向调制，可以在模具表面获得多种形状结构的纳米结构，从而实现模具表面极小化结构的高效加工，降低生产成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，其中，附图中模具的尺寸为毫米量级以上，模具表面的纳米织构仅为纳米量级，为了表示纳米织构的形状以及结构特点，对纳米织构均进行了放大处理，实际的纳米结构面积（尺寸）在模具表面所占的比例非常小。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是实施例1中公开的梯形截面的抗粘减磨超精密模具示意图；

图2是实施例1中公开的三角形锯齿截面的抗粘减磨超精密模具示意图；

图3是实施例1中公开的抗粘减磨超精密曲面模具示意图；

图4是实施例1中公开的镀膜后的抗粘减磨超精密模具；

图5是实施例2中公开的抗粘减磨超精密模具加工示意图；

图6是实施例3中公开的纳米织构曲面模具模压过程示意图；

图7是实施例3中公开的纳米织构梯形截面模具模压过程示意图；

图8 是实施例3中公开的纳米织构三角形截面模具模压过程示意图；

图9 是实施例3中公开的纳米织构模具表面镀膜示意图；

图中：1 CCD相机、2 反射镜、3飞秒激光器、4 空间光调制器、5 反射镜、6 二向色镜、7 物镜、8 纳米织构、9 模具、10 上模、11 光学元件、12 下模、13 镀膜。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

名词解释：本发明中“超精密模具”的形状精度为亚微米级，表面粗糙度≤10nm；“超光滑表面”的表面粗糙度≤1nm；“纳米织构”是指织构的尺寸在纳米级。

本发明中的纳米织构，也可以被称为周期性纳米结构。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，本实施例提供了多种抗粘减磨超精密模具，模具的工作面为超光滑表面，超光滑表面上具有纳米织构，其中工作面的形状可以是平面也可以是曲面，如图1所示，为梯形截面的抗粘减磨超精密模具示意图，在梯形截面的抗粘减磨超精密模具工作面上加工有若干圆坑式的纳米织构；如图2所示，为三角形锯齿截面的抗粘减磨超精密模具示意图；在三角形截面的抗粘减磨超精密模具工作面上加工有若干如水滴状的纳米织构；如图3所示，图3为抗粘减磨超精密曲面模具示意图；在曲面的抗粘减磨超精密模具工作面上加工有若干圆坑式的纳米织构。

本实施例提出的抗粘减磨超精密模具打破了常规的模具设计思路，在超精密加工领域，为了保证加工件的精度，一般要求模具表面越光滑越好，而本申请则打破了常规的思路，提出在模具的超光滑表面上加工纳米织构，由于纳米织构的尺寸极小，因此可以保证高温条件下融化的被加工元件无法流进尺寸较小的纳米织构中，因此超精密模具表面的纳米织构不会转移到元件表面，使得模压后的元件拥有较高的表面质量和面型精度。

本实施例中模具的纳米织构区域会出现硬度增加的现象，因此加工纳米织构会提高模具的硬度，改善其耐磨性能；同时，纳米织构增加了模具受力面积，降低了模具表面压强，可以提高模具抗粘接能力，并进一步改善其耐磨性能。

为了进一步发挥纳米织构减粘抗磨的性能，工件表面上的纳米织构需保持统一的间距；即当模具的工作面为平面时，位于同一面上的纳米织构的间距相等，如图1所示，其工作面为多个高低设置的平面，位于同一平面上的纳米织构的间距相等，位于不同平面上的纳米织构的间距可以相等，也可以不相等，具体根据实际加工要求进行设置。如图2所示，其工作面为多个斜面，位于同一个斜面上的纳米织构的间距相等，位于不同斜面上的纳米织构的间距可以相等，也可以不相等；当模具的工作面为曲面时，位于整个工作面上的纳米织构的弧度相等，具体的如图3所示，模具的工作面为一个连续的曲面，位于整个工作面上的纳米织构的弧度相等。

更为具体的，抗粘减磨超精密模具，包括上模和下模，上模工作面的纳米织构与下模工作面上的纳米织构的间距相等，或者不等，具体根据实际需要进行设置即可。

进一步的，抗粘减磨超精密模具的材料主要包括镍磷合金，玻璃碳，碳化硅，碳化钨，单晶硅，模具钢，石英玻璃，铜镍合金，聚甲基丙烯酸甲酯等，其中，经超精密磨削和抛光后的模具表面粗糙度≤1nm。

更进一步的，本实施例中的模具表面的纳米织构可以是直线沟槽、交叉沟槽和周期性圆坑等；在图6所示的模具中，模具表面加工的就是直线沟槽，交叉沟槽是由两个不同方向的直线沟槽交叉形成，周期性圆坑是指在模具表面形成多个独立的坑，坑的形状为半圆形、或者半球形、弧形等；至于各种沟槽的具体尺寸，一般要求如下：

直线沟槽或者交叉沟槽形的纳米织构，其沟槽的宽度≤100nm，深度≤50nm；周期性圆坑形的纳米织构，圆坑的直径≤100nm，深度≤50nm；同时，在直线沟槽和周期性圆坑纳米织构中，沟槽和圆坑间距可以为100-500nm。

进一步的，纳米织构的模具工作面表面还可以进行镀膜，如图4所示，通过镀膜可以进一步提升模具抗沾减磨性能，同时，织构化的表面能够提升模具表面与镀膜材料的结合强度，改善镀膜效果。具体的，镀膜的厚度可以为10-20nm；镀膜的材料一般包括三种，三种材料任选其一即可，具体的包括：（1）金属或贵金属合金膜，如 Pt-Ir、Ir-Re合金；（2）陶瓷膜，如TaN、TiAIN和CrWN；（3）碳基膜，如类金刚石（DLC）。

实施例2

本实施例还提供了一种抗粘减磨超精密模具的加工方法，步骤1获得超光滑表面的模具；步骤2在模具表面制备纳米织构；具体的，先通过超精密磨削和抛光方法获得超光滑表面的模具后，再采用飞秒激光加工方法或者聚焦离子束或电子束在模具表面制备纳米织构。

进一步的，由于超精密磨削和抛光方法是采用现有加工方法进行的，因此在此不进行赘述了。

进一步的，上述的飞秒激光技术可以加工平面和曲面的模具；聚焦离子束或电子束主要加工平面模具。

本实施例中重点描述一下飞秒激光加工方法，其中飞秒激光加工方法采用的加工系统如图5所示，其包括飞秒激光器3、空间光调制器4、反射镜2、反射镜5、二向色镜6、物镜7和CCD相机1组成。飞秒激光器3产生用于加工的激光，进入空间光调制器4，其可对激光光场进行调整，而后激光经过反射镜2、反射镜5二向色镜6以及物镜7，作用到物体表面，从而实现工件的加工。通过利用空间光调制器4对激光振幅、相位、偏振态和相干性等的调制，可以获得平行直线阵列、交叉直线阵列和圆环阵列等多种形状的光场分布。采用调制后的激光对曲面模具进行加工时，相比于传统激光加工中的单点或逐条直线沟槽加工，本系统一次性可以加工多个圆形凹坑、直线沟槽或者交叉沟槽等不同形状的纳米织构，大大增加了加工面积，提升了激光加工效率。

二向色镜6用于光谱分光，可以选择性的透过或反射一定波长的激光。本系统用的飞秒激光波长为800纳米，为了实现激光透过、可见光反射的功能，选择800nm及以上波长可透过、800nm以下波长不可透过的二向色镜6。

CCD相机1用于观察工件表面形貌。物体表面的可见光经过二向色镜6后反射到CCD相机1，可以实现工件加工前后以及加工过程中表面形貌的观察，便于激光对焦以及工件表面形貌分析。

采用飞秒激光在模具表面加工纳米织构，从而改善模具的抗粘接以及抗磨损性能。空间光调制器可以改变激光光场的分布，从而一次性加工多个圆形凹坑、直线沟槽或者交叉沟槽等不同形状的纳米织构。

为了进一步发挥纳米织构减粘抗磨的性能，工件表面上的织构需保持统一的间距。通过空间光调制器生成周期性激光光场，可以在梯形截面模具以及三角形截面模具表面进行统一间距纳米织构的加工。由于圆弧截面模具具有一定的曲率，因此空间光调制器生成的周期性光场无法在其表面加工出统一间距的纳米织构。

下面针对曲面模具表面等弧长周期性纳米织构的加工方法，进行详细说明，包括以下步骤：

首先，建立复杂曲面的参数方程，建立相应的坐标系，复杂曲面截面的方程一般如下所示：

式（1）中，R表示顶点半径，K表示圆锥系数，均为曲面模具的本征参数。

其次，确定单次激光加工织构的数量以及织构间的距离（即弧长），如图4所示，使得弧长l

式（2）和（3）中，θ

因此可以求出直线bd的长度，即弧ab在y方向的投影，如下式所示：

同理，可求得弧bc在y方面的投影长度d

在曲面模具表面完成纳米织构的种类、数量以及间隔的设计后，采用该方法计算两两织构之间的弧长在y方向上的投影长度，将该长度代入空间光调制器，并对飞秒激光光场进行调整。利用调整后的激光加工曲面模具，即可获得周期性等弧长纳米织构。

实施例3

本实施例提供了一种用于加工光学元件的加工系统及方法，采用高温模压成形的系统及方法进行批量制造光学元件，其中，系统包括实施例1中公开的抗粘减磨超精密模具；更为具体的，用于加工光学元件的加工系统包括上模、下模；上模、下模的工作面为超光滑表面，超光滑表面上具有纳米织构；下模固定在加热腔上或者加热腔内；模具熔点大于光学元件的熔点；加热腔内的温度大于光学元件的熔点且小于模具的熔点。其中上模和下模的具体结构与实施例1基本相同，在此不进行赘述了。

具体的加工方法如下：

首先，将带有纳米织构的模具下模12固定在高温加热腔内或者加热腔上，而后在其上方放置待加工光学元件11，最后将同样带有纳米织构的模具上模10固定在光学元件上方，对加热腔进行加热、保温、冷却等一系列操作后，即可获得一定形状尺寸的光学元件。

其中，光学元件11与模具的熔点不同，在模压成形加工过程中，加热腔内的温度需要大于光学元件的熔点，小于模具的熔点。模压过程中，光学元件受热软化，材料发生流动，从而填充到模具特定的结构内。填充时，材料与模具表面发生接触，在高温、往复以及表面相互作用下，模具表面会出现粘接破损以及摩擦磨损现象，从而进一步影响模具以及成形后光学元件的面形精度。通过在模具表面加工纳米织构，包括直线沟槽、交叉沟槽和周期性圆坑等，可以有效的增加材料与模具的接触面积，使得接触面上的压强减小，从而降低了模压过程中的粘接作用以及模具的磨损。同时，模具表面加工纳米织构的区域会出现硬度增加的现象，从而提升了模具表面硬度，可以进一步降低模具的磨损，延长模具寿命，提高生产效率。

本实施例中，因高温融化的光学元件无法填充（流入）到尺寸较小的纳米织构中，因此光学元件仅会通过模压成形技术获得特定截面（梯形、三角形或其他复杂形状截面）的结构，而超光滑模具表面的纳米织构不会转移到光学元件表面，因此纳米织构不会影响模压后光学元件的表面质量和面型精度。

本实施例中，模具上模10和模具下模具12的材料主要包括镍磷合金，玻璃碳，碳化硅，碳化钨，单晶硅，模具钢，石英玻璃，铜镍合金，聚甲基丙烯酸甲酯等，其中，经超精密磨削和抛光后的模具表面粗糙度≤1nm。

本实施例中，模具上模10和模具下模具12表面的纳米织构主要包括直线沟槽、交叉沟槽和周期性圆坑等。其中，对于沟槽纳米织构，沟槽的宽度沟槽的宽度≤100nm，深度≤50nm；对于圆坑纳米织构，圆坑的直径≤100nm，深度≤50nm。同时，在直线沟槽和周期性圆坑纳米织构中，沟槽和圆坑间距可以为100-500nm。

本实施例中，采用离子溅射法在加工完纳米织构的模具表面进行镀膜13，如图9所示；通过镀膜可以进一步提升模具抗沾减磨性能，同时，织构化的表面能够提升模具表面与镀膜材料的结合强度，改善镀膜效果。其中，镀膜的厚度为10-20nm；镀膜的材料主要包括三种：（1）金属或贵金属合金膜，如 Pt-Ir、Ir-Re合金；（2）陶瓷膜，如TaN、TiAIN和CrWN；（3）碳基膜，如类金刚石（DLC），三种材料选着其中一种即可。

上述加工方法，在不影响模具的性能以及模压后光学元件表面质量和面型精度的前提下，利用纳米织构降低高温下模具与光学元件的粘接以及模具的磨损。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。