超微细形状加工用刀具
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加工光盘拾波镜片模具的UPC刀具

用UPC刀具对模具进行超精密切削加工正朝着高精度和更加微的加工方向发展。从CD到CD-ROM、MD、DVD,不断发展的光盘种类所需要的拾波镜片模具也不断精密化,因此,加工此类模具的UPC刀具也在不断改进。
随着拾波用非球面镜片塑料化和高精度化的进展,要求加工模具(非电解镀镍材料)的刀具切削刃的轮廓精度(不圆度)必须具有非常高的精度。现在已开始出一种UPC-R刀具,其圆弧切削刃的轮廓精度为50nm(0.05μm,工作范围90°)。这种车刀是为超精密切削加工开发的专用刀具,配用于CNC多轴超精密车床。
随着光盘制品不断向小形化发展,镜片也日趋小型化,曲率也日益减小。UPC刀具的刀尖圆弧半径也由R1.0mm减小至R0.1mm,为获得锋利的切削刃,刀尖角也降至40°以下。

刀尖圆弧半径为R5μm的UPC-R车刀

随着DVD的问世,为了生产DVD和CD可共用的零件,光学系统更加复杂,镜片也更加微小,包含镜片在内的光学元件数量随之减少。为了将复杂的光学元件功能集中在1个光学元件上,便产生了利用衍射效应的全息元件。
DVD和CD(含CD-ROM)盘面信号的位置各不相同,因此,用来读出信号的激光的焦点聚焦位置也不同,通过镜片将不同位置的两个焦点聚集在一起。具有此种功能的镜片叫做双焦点全息镜片,其中,在非球面镜片位置聚焦一个焦点,通过该非球面镜片上刻制的衍射栅所生成的衍射光,聚焦另一个焦点。加工这种镜片模具的刀具必须具有高精度圆弧切削刃,以便在使用该模具加工非球面镜片时,能够保持极高的轮廓精度。加工微细全息衍射栅时,要求刀具必须具有非常锋利的切削刃。现在已开发出能够满足此种要求的UPC-R刀具,其刀尖圆弧半径为R5μm。当UPC-R刀具刀尖圆弧半径较大,在加工微米级衍射栅时,衍射栅沟槽部位呈现出圆弧形,其光学性能将大为减弱;当刀尖圆弧半径减小至5μm时,加工出的衍射栅沟槽便非常精密,其光学性能大为提高。另外,R5μm的圆弧切削刃轮廓精度达到50nm,这种高精度切削刃通过超高精度机床,可加工出精度极高的非球面形状,其光学性能完全能够达到标准所要求的水平。如要进一步提高双焦镜片的光学性能,则应开发出刀尖圆弧更小(如R1μm)的刀具。

加工5μm沟槽的UPC-T车刀

DVD这类产品不仅要求双焦点,而且要求图象、信息高密度化和高精度化,正向着小型化、多功能化发展,因此,其光学系统也更加复杂。此种将复杂光学系统集成化的元件称为HOE(Holographic Optical Element)。
在HOE上刻制有许多微米级间隔的细槽,利用光衍射现象,将10余个镜片等光学元件的功能集成在一个HOE上。变更间距和深度,便可自由进行光的分度、偏转和形状的变换。
这些光学元件的加工,过去大都用半导体加工时所采用的光刻蚀技术,但光刻技术所加工出的沟槽底部为圆形,深槽则要分数次刻蚀,因此,常常出现刻蚀不均匀情况,这将降低光的利用率。为解决这一难题,现已开发出一种UPC-T车刀,这种刀具可进行微米级超细沟槽的精密切削加工。
刃尖宽度为5μm的UPC-T车刀,其矩形部位的切深可达10μm。用这种刀具可加工间距为5μm的平行槽。加工时刀具固定,规定切深,工件沿单一方向作直线运动即可完成加工。加工条件为:被加工材料:非电解镀镍模具;机床:超精密CNC车床;刀具:长度8~35L,刃宽5μm;工艺参数:进给速度:1m/min,切削深度:1μm,切削液:电加工用润滑油(雾状冷却)。在这样的条件下,采用UPC刀具加工矩形槽,可获得刻蚀加工无法达到的矩形槽精度。另外,利用UPC刀具加工的模具所生产的塑料光学元件,具有优异的光学性能。
本文作者:杜渐(编译)
原载:《工具展望》2004年第2期
上载于:2007-4-14 15:48:58

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