衍射光栅机械刻划技术
王金雨++王子涛
[摘 要]本文通过研究衍射光栅机械刻划成槽过程的影响因素，建立了衍射光栅机械刻划成槽过程的数学模型，并且运用Deform3D软件对成槽过程进行了模拟仿真得到了机械刻划时铝膜材料的流动规律和光栅槽形的应力分布情况，并且为衍射光栅机械刻划槽形控制和刻划工艺的深入研究提供了理论依据。
[关键词]衍射光栅；机械刻划；Deform3D；应力分布
中图分类号：TG63 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0094-01
1 引言
衍射光栅是一种利用光栅铝膜表面上的特定槽形进行衍射分光的重要光学元件，是光谱仪、高功率激光器等仪器的核心元件，在工业、国防、医疗、科研等方面的使用十分广泛[1]。制备衍射光栅常用的方法有机械刻划法、全息复制法等。所谓的机械刻划法是指利用金刚石刻刀的一次性走刀对光栅铝膜进行多线顺序刻划—挤压—成槽的一种复合成形加工方法。并且机械刻划法在制备大面积、低刻线密度、高精度的原刻母版衍射光栅方面具有不可替代的优势。由于衍射光栅是一种极为精密的光学元件，在实际制备的过程中，容易受到机床振动、刻划速度等方面的影响而造成光栅铝膜报废，所以采用计算机仿真软件对机械刻划过程进行模拟仿真对于研究机械刻划光栅的成槽工艺具有重要意义[2]。
2 衍射光栅机械刻划过程数学模型
在衍射光栅机械刻划过程中，金刚石刀具在刀架的驱动下压入金属铝膜中，并将铝膜材料沿着金刚石刀具的主刻划刃方向劈开，被劈开的材料在金刚石刀具定向面和非定向面的摩擦挤压租用下向两侧堆积，最终形成三角形槽形，这一过程包括了犁切、挤压、隆起和成槽四个方面的工艺[3]。衍射光栅的主要参数包括光栅闪耀波长λ、闪耀级次、光栅闪耀角θ所以可以求得光栅常数为：
（2.1）
利用光栅槽深的求解公式，就可以求出理论刻划深度。
（2.2）
根据金属塑性成形理论来研究金刚石刻刀压入光栅铝膜之后到成槽阶段的情况，以直线近似代替两侧铝膜突起的自由面。设刀具表面压力为，摩擦剪应力，所以可以得到压入深度的方程为：
（2.3）
通过得到的机械刻划过程的数学模型，可以反应出机械刻划过程相关参数和光栅铝膜材料的变化过程[4]。
3 衍射光栅机械刻划仿真分析
DEFORM有限元分析方法主要用于分析金属成形过程中材料的三维流动问题，为实际的工艺生产过程提供准确的仿真参数。采用DEFORM有限元仿真软件我们可以计算加工过程中的变形力、验算工模具强度，并可通过数值模拟得到金属的变形规律、材料流动特性、应力应变的分布规律，为合理的工艺方案的制定提供依据。
首先利用CATIA软件简建立简化的金刚石刀具和光栅铝膜三维实体模型。铝膜实体模型尺寸设为0.2mm×0.1mm×0.7mm，参照刻划实验时刻刀加载力为8克所产生的落刀深度，并根据试刻调整时的刀具安装参数来确定软件环境下刻刀与铝膜实体模型的相对位置，最后将实体模型导入DEFORM3D软件中[5]。
有限元模型中假设刻划刀为刚体，选用四面体单元进行铝膜的有限元网格划分，刀具与铝膜相互接触作用时，可利用DEFORM3D软件自带的网格重划分功能进行成槽的网格自动生成。最后设定模型的弹塑性体求解模式，施加速度驱动进行多步求解。得到的仿真结果如图1所示。
对铝膜材料的机械刻划仿真结果进行分析，总结出其应力分布情况，如图2（a）所示，刻划过程中刻刀两侧材料所受应力呈逐渐增大的趋势，当刀具离开材料后，应力开始逐渐减少，且槽底有应力集中的现象。
为了能更好的对材料内部流动应力的分布情况可刻划工艺参数对槽型的，通过Deform-3D对刻划过程进行应力拓扑分析，如图2（b）所示，当金刚石刻刀刚接触到铝膜材料时，铝膜材料因为受到金刚石刻刀的挤压作用而产生应力变化，铝膜材料上的应力由刻刀挤压处向四周蔓延逐渐减少，且刃口处出现应力集中现象，随着金刚石刻刀不断向前进给，金刚石刻刀会在铝膜材料刻划出一段槽形后，此时我们可以看出在刀具刻划过后区域处的应力开始释放，且刻划刃处应力较大但成三角形状分布，这主要是由于刻刀在进行刻划时应力的扩展是需要一个过程的，因此在當刀尖处进给到一个新的材料区域时仅在其附近产生应力集中现象[6]。
4 结论
本文通过建立衍射光栅机械刻划过程的数学模型，并且运用Deform-3D软件对光栅机械刻划过程进行了模拟仿真，得到了机械刻划时铝膜材料的流动规律和光栅槽形的应力分布情况。给出了光栅刻划参数对刃下区材料成形、槽形两侧凸峰隆起和光栅槽底角的重要作用，揭示了槽形误差的产生机理和机械刻划衍射光栅过程中铝膜的弹塑性变形特征，为衍射光栅机械刻划工艺的深入研究提供了理论依据。
参考文献
[1] 刘莉.光栅应用发展现状[J].长沙大学学报，2009，23（05）：23-27.[2017-10-13].
[2] 丁卫涛，黄元申，张大伟等.中阶梯光栅刻划误差要求分析[J].光电工程.2013，40（9）：68-75.
[3] J. F.Verrill. Diffraction grating ruling tool alignment by analysis of traced groove profile[J]. Journal of Physics E： Scientific Instruments.1975，8（6）：522-525.
[4] 雷玉成，汪建敏，贾志宏.金属材料成型原理[M].北京：化学工业出版社，2006：128～213.
[5] 王立涛.关于航空框类结构件铣削加工残余应力和变形机理的研究[D].浙江大学.2003.
[6] 武凯，何宁，姜澄宇等，APDL在立铣受力变形分析中的应用[J].机械科学与技术.2002，21（6）：885-887.
作者简介
王金雨（1992—），男，汉族，山东临沂市人，机械硕士，单位：长春理工大学，专业：机械工程，研究方向：精密、超精密加工。
