超精切削微納成形刀具的特點與應用

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發表于 2008-10-23 22:23:46 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

近年來，隨著使用機床的發展，超精切削用金剛石刀具的應用范圍也在不斷擴展。該刀具的傳統應用領域主要是激光反射鏡、紅外透鏡的加工，以及用于制作類似DVD信號檢出探頭透鏡的塑料透鏡注射模的加工。此外，近年來超精三維輪廓加工用銑刀已應用于微加工機床和生物醫學領域。本文介紹了當今世界上最小的微納米級成形刀具，特別是半徑僅為30微米的球頭立銑刀，它們能滿足上述加工要求。
金剛石作為切削刀具材料具有最優異的性能（如它的硬度、熱導性以及鋒利刃口的成形性）。超精金剛石切削刀具就利用了這些特點和性能，它們可以實現新型光電零部件加工工藝中甚至最高精度的成形加工能力。
近年來，在光學微電子設備市場上，隨著裝備小型化和高性能化的發展趨勢，對基于超精金剛石刀具的微切削加工需求越來越大。在光學裝置用塑料零件的金屬模具加工中，要求達到亞微米級的成形精度和納米級的表面粗糙度。此外，加工對象不僅僅有平面和圓柱面，也有三維曲面形狀，并要求達到微米級精度。
為了滿足這些需求，我們開發了世界上最小級別的超精密金剛石切削刀具（UPC微納成形刀具）。本文將介紹我們制造的UPC（超精切削刀具）的性能，以及在三維形狀微加工中的應用。
UPC超精金剛石切削刀具的性能
超精金剛石切削刀具采用單晶金剛石作為刀具材料。由于利用了金剛石材料的優異特性，切削刃非常鋒利和耐用，可將超精加工機床的運動精確復映到被加工工件材料上，因此可用于高精度三維形狀和鏡面表面的加工。
尺寸范圍從亞微米到納米級的超微細切削要求達到以下切削條件：①鋒利的切削刃，刀尖圓弧半徑達到10納米左右；②切削刃的光潔度要求達到1納米的水平。刀尖圓弧半徑越小，切削深度也就越小，切屑的切削和去除過程才能平穩進行而不會損壞加工表面，此外，因工件彈性變形而導致的切削厚度變化也越小，從而可實現高精密切削加工。UPC刀具的切削刃圓弧可達到50納米或更小。
如果刀具輪廓的精加工表面完全復映到工件上，則刀具切削刃的粗糙度將決定加工表面的粗糙度。因此，切削刃的光潔程度和形狀精度就變得異常重要。就UPC-R而言，我們已經達到了等于或小于50納米的世界最高精度。為實現這樣的切削性能，我們自行開發了專有的高精度測量系統。此外，應用金剛石拋光系統、采用科學方法選擇金剛石及其晶格方向也是十分必要和不可或缺的。通過應用這些專有技術，我們開發出了世界上最小級別的、用于三維微成形加工的超精密金剛石切削刀具——UPC微納成形刀具。
UPC微納成形刀具
迄今為止，三維微成形加工通常是指微機械加工以及半導體制造技術（如光刻加工法、離子束加工法等）。這些加工方法有其不足之處，如難以獲得光滑的曲面，這是由它們的成形特點所決定的，因為傾斜平面和曲面都是通過步進逼近而成形的。與此相反，基于超精金剛石切削刀具的三維微成形加工的切削和成形過程都是由鋒利的切削刃來完成的，因此能夠獲得光滑的傾斜平面或曲面。此外，我們的刀具還具有經改進了的特性，如具有非常高的形狀精度。另外一個優點是增加了材料的選擇范圍。
由于具有以上特點，近年來對這種刀具的需求一直在不斷增長，它不僅用于光電基礎零部件的加工，而且在微機電系統（MEMS）、微機械以及生物醫學領域都有需求。我們已經成功開發了3種類型的微納成形刀具，以下將介紹其成形加工實例。
UPC納米矩形立銑刀
納米矩形立銑刀用于超細自由曲面槽型的成形加工。我們已經開發出世界上最小級別的、回轉半徑僅為φ30µm的單晶金剛石立銑刀。如上所述，納米立銑刀的刀尖是通過對單晶金剛石進行超精拋光加工而制成的，切削刃非常銳利、平直和耐磨。這種刀具預期可應用于光學元件、醫療芯片以及微機械零件等包含三維曲線的槽型加工。
UPC納米矩形立銑刀成形加工實例
使用納米立銑刀和回轉半徑200µm的刀具對模具進行三維銑削加工而形成超細槽的加工實例清楚表明，成形刀具的運動通過刀具被精確復映到被加工工件上，而且沒有形成任何毛刺。槽底表面粗糙度（P－V值）達到了101nm。
UPC納米球頭立銑刀
在與IT（信息技術）相關的行業領域中，用于高速大容量信息的基礎元件發展很快。其中一種技術就是微透鏡陣列。該陣列結構由一系列按三維尺度集成的凸透鏡和凹透鏡組合而成。近年來，該透鏡陣列被應用于光通訊和液晶投影屏。我們開發的UPC納米球頭立銑刀可用于實現三維透鏡表面和自由曲率表面的加工（如加工制造微透鏡陣列的模具）。
我們已經開發出世界上最小級別的刀尖圓弧尺寸（R＝30µm），并能制造出達到世界最高水平的切削刃圓弧輪廓度（50nm刀尖）。利用這種刀具，就有可能實現具有納米精度的三維形狀成形加工。
UPC納米球頭立銑刀加工實例
用納米球頭立銑刀銑削加工三維型面的成形加工實例可以證實，利用半徑R=300µm的納米球頭立銑刀，能夠成形加工出具有極高球形度的球面和無毛刺的高精度表面。用表面形貌測量儀器測量陣列模具上一個微球窩的形狀精度，它的P-V值（峰－峰值）為166nm。
UPC納米切槽刀（超細槽切削刀具）
以上介紹的兩種納米立銑刀都是用于銑削加工，而納米切槽刀則是采用剃削和飛切方式在工件成形表面加工出超細直線槽。我們已經加工出了世界最小級別的5µm槽寬。該刀具最具代表性的應用是對全息光學元件（HOE）的模具進行成形加工。該光學元件是一個偏振分光鏡，它借助于具有一組槽間距達微米級的超細槽的透鏡產生光的衍射現象，從而實現光譜的任意分解和匯聚。若干光學透鏡的光學作用合成為一個全息光學元件（HOE）。以前這些光學元件都是采用半導體加工技術（如光刻法）來制造，但采用該方法加工時，原本應為直角槽的底部邊緣被圓角化；加工深槽時，由于槽的成形過程被分解為多次分步成形，因此會產生水平差異，而這些水平差異會降低光的利用率。
與該加工方法不同，采用納米切槽刀加工出的模具成形制造的塑料全息光學元件（HOE）具有更好的形狀精度和表面粗糙度。此外，該方法還具有加工效率高的優勢。隨著近年來光電技術的發展，對更小的超細槽成形加工的需求仍在不斷增加。
結論
本文介紹了UPC微納成形刀具的特點和基于機械加工的三維微成形加工實例。在采用金剛石切削刀具的三維微細成形加工中，刀尖形狀被高精度地復映到被加工工件上。毫無疑問，在表面成形加工技術的應用上，未來的市場將會對納米尺度加工精度提出更高的要求。
超精密成形加工機床的運動性能、控制技術以及在加工環境條件下的精度等正在不斷改進與提高，因此，我們將致力于進一步提高金剛石切削刀具的精度并使其小型化。