超精切削微纳成形刀具的特点与应用
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近年来,随着使用机床的发展,超精切削用金刚石刀具的应用范围也在不断扩展。该刀具的传统应用领域主要是激光反射镜、红外透镜的加工,以及用于制作类似DVD信号检出探头透镜的塑料透镜注射模的加工。此外,近年来超精三维轮廓加工用铣刀已应用于微加工机床和生物医学领域。本文介绍了当今世界上最小的微纳米级成形刀具,特别是半径仅为30微米的球头立铣刀,它们能满足上述加工要求。
金刚石作为切削刀具材料具有最优异的性能(如它的硬度、热导性以及锋利刃口的成形性)。超精金刚石切削刀具就利用了这些特点和性能,它们可以实现新型光电零部件加工工艺中甚至最高精度的成形加工能力。
近年来,在光学微电子设备市场上,随着装备小型化和高性能化的发展趋势,对基于超精金刚石刀具的微切削加工需求越来越大。在光学装置用塑料零件的金属模具加工中,要求达到亚微米级的成形精度和纳米级的表面粗糙度。此外,加工对象不仅仅有平面和圆柱面,也有三维曲面形状,并要求达到微米级精度。
为了满足这些需求,我们开发了世界上最小级别的超精密金刚石切削刀具(UPC微纳成形刀具)。本文将介绍我们制造的UPC(超精切削刀具)的性能,以及在三维形状微加工中的应用。

图1 超精金刚石切削刀具(UPC)

图2 UPC的切削刃

UPC超精金刚石切削刀具的性能

超精金刚石切削刀具(图1)采用单晶金刚石作为刀具材料。由于利用了金刚石材料的优异特性,切削刃非常锋利和耐用,可将超精加工机床的运动精确复映到被加工工件材料上,因此可用于高精度三维形状和镜面表面的加工。
尺寸范围从亚微米到纳米级的超微细切削要求达到以下切削条件:①锋利的切削刃,刀尖圆弧半径达到10纳米左右;②切削刃的光洁度要求达到1纳米的水平。刀尖圆弧半径越小,切削深度也就越小,切屑的切削和去除过程才能平稳进行而不会损坏加工表面,此外,因工件弹性变形而导致的切削厚度变化也越小,从而可实现高精密切削加工。图2为UPC刀具的刃口照片,其切削刃圆弧可达到50纳米或更小。
如果刀具轮廓的精加工表面完全复映到工件上,则刀具切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。因此,切削刃的光洁程度和形状精度就变得异常重要。图3显示了UPC-R圆弧切削刃型刀具的切削刃轮廓度。就UPC-R而言,我们已经达到了等于或小于50纳米的世界最高精度。为实现这样的切削性能,我们自行开发了专有的高精度测量系统。此外,应用金刚石抛光系统、采用科学方法选择金刚石及其晶格方向也是十分必要和不可或缺的。通过应用这些专有技术,我们开发出了世界上最小级别的、用于三维微成形加工的超精密金刚石切削刀具——UPC微纳成形刀具。

图3 圆弧刃形UPC-R刀具的切削刃

UPC微纳成形刀具

迄今为止,三维微成形加工通常是指微机械加工以及半导体制造技术(如光刻加工法、离子束加工法等)。这些加工方法有其不足之处,如难以获得光滑的曲面,这是由它们的成形特点所决定的,因为倾斜平面和曲面都是通过步进逼近而成形的。与此相反,基于超精金刚石切削刀具的三维微成形加工的切削和成形过程都是由锋利的切削刃来完成的,因此能够获得光滑的倾斜平面或曲面。此外,我们的刀具还具有经改进了的特性,如具有非常高的形状精度。另外一个优点是增加了材料的选择范围。
由于具有以上特点,近年来对这种刀具的需求一直在不断增长,它不仅用于光电基础零部件的加工,而且在微机电系统(MEMS)、微机械以及生物医学领域都有需求。我们已经成功开发了3种类型的微纳成形刀具,以下将介绍其成形加工实例。

图4 纳米立铣刀的刀尖与铅笔芯对比

UPC纳米矩形立铣刀

纳米矩形立铣刀用于超细自由曲面槽型的成形加工。我们已经开发出世界上最小级别的、回转半径仅为Ø30µm的单晶金刚石立铣刀。图4是直径Ø30µm的纳米矩形立铣刀的刀尖照片,图片下方为直径0.5mm的活动铅笔芯。与笔芯比较,立铣刀明显要细得多。如上所述,纳米立铣刀的刀尖是通过对单晶金刚石进行超精抛光加工而制成的,切削刃非常锐利、平直和耐磨。这种刀具预期可应用于光学元件、医疗芯片以及微机械零件等包含三维曲线的槽型加工。

UPC纳米矩形立铣刀成形加工实例

图5为使用纳米立铣刀和回转半径200µm的刀具对模具进行三维铣削加工而形成超细槽的加工实例。正如图中清楚表明的那样,成形刀具的运动通过刀具被精确复映到被加工工件上,而且没有形成任何毛刺。图6所示为槽底表面粗糙度。槽底表面粗糙度(P-V值)达到了101nm。

图5 模具成形加工以及在无氧铜表面加工形成的微槽

图6 槽底表面粗糙度测量结果

图7 R50µm纳米球头立铣刀的切削刃

UPC纳米球头立铣刀

在与IT(信息技术)相关的行业领域中,用于高速大容量信息的基础元件发展很快。其中一种技术就是微透镜阵列。该阵列结构由一系列按三维尺度集成的凸透镜和凹透镜组合而成。近年来,该透镜阵列被应用于光通讯和液晶投影屏。我们开发的UPC纳米球头立铣刀可用于实现三维透镜表面和自由曲率表面的加工(如加工制造微透镜阵列的模具)。
图7为UPC纳米球头立铣刀的刀尖照片。我们已经开发出世界上最小级别的刀尖圆弧尺寸(R=30µm),并能制造出达到世界最高水平的切削刃圆弧轮廓度(50nm刀尖)。利用这种刀具,就有可能实现具有纳米精度的三维形状成形加工。

UPC纳米球头立铣刀加工实例

图8为用纳米球头立铣刀铣削加工三维型面的成形加工实例(图中右部为间距400µm的微透镜阵列)。可以证实,利用半径R=300µm的纳米球头立铣刀,能够成形加工出具有极高球形度的球面和无毛刺的高精度表面。图9用表面形貌测量仪器测量阵列模具上一个微球窝的形状精度,它的P-V值(峰-峰值)为166nm。

图8 模具成形加工以及在无氧铜表面加工形成的微蜂窝

图9 微蜂窝的表面粗糙度测量结果

图10 纳米切槽具

图11 HOE(左)和金属模具成形加工(右)示意图

UPC纳米切槽刀(超细槽切削刀具)

以上介绍的两种纳米立铣刀都是用于铣削加工,而纳米切槽刀则是采用剃削和飞切方式在工件成形表面加工出超细直线槽。我们已经加工出了世界最小级别的5µm槽宽(图10)。该刀具最具代表性的应用是对全息光学元件(HOE)的模具进行成形加工。该光学元件是一个偏振分光镜,它借助于具有一组槽间距达微米级的超细槽的透镜产生光的衍射现象,从而实现光谱的任意分解和汇聚。若干光学透镜的光学作用合成为一个全息光学元件(HOE),其形状如图11所示。以前这些光学元件都是采用半导体加工技术(如光刻法)来制造,但采用该方法加工时,原本应为直角槽的底部边缘被圆角化;加工深槽时,由于槽的成形过程被分解为多次分步成形,因此会产生水平差异,而这些水平差异会降低光的利用率。
与该加工方法不同,采用纳米切槽刀加工出的模具成形制造的塑料全息光学元件(HOE)具有更好的形状精度和表面粗糙度。此外,该方法还具有加工效率高的优势。随着近年来光电技术的发展,对更小的超细槽成形加工的需求仍在不断增加。

结论

本文介绍了UPC微纳成形刀具的特点和基于机械加工的三维微成形加工实例。在采用金刚石切削刀具的三维微细成形加工中,刀尖形状被高精度地复映到被加工工件上。毫无疑问,在表面成形加工技术的应用上,未来的市场将会对纳米尺度加工精度提出更高的要求。
超精密成形加工机床的运动性能、控制技术以及在加工环境条件下的精度等正在不断改进与提高,因此,我们将致力于进一步提高金刚石切削刀具的精度并使其小型化。
本文作者:谢华锟(译)
原载:《工具展望》2007年第5期
上载于:2008-11-25 9:28:32

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