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

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(yōu)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(fù)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(xì)切削要求達(dá)到以下切削條件：①鋒利的切削刃，刀尖圓弧半徑達(dá)到10納米左右；②切削刃的光潔度要求達(dá)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(wěn)進(jìn)行而不會損壞加工表面，此外，因工件彈性變形而導(dǎo)致的切削厚度變化也越小，從而可實現(xiàn)高精密切削加工。UPC刀具的切削刃圓弧可達(dá)到50納米或更小。

    如果刀具輪廓的精加工表面完全復(fù)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(jīng)達(dá)到了等于或小于50納米的世界最高精度。為實現(xiàn)這樣的切削性能，我們自行開發(fā)了專有的高精度測量系統(tǒng)。此外，應(yīng)用金剛石拋光系統(tǒng)、采用科學(xué)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(yīng)用這些專有技術(shù)，我們開發(fā)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(dǎo)體制造技術(shù)（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(jìn)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(jīng)改進(jìn)了的特性，如具有非常高的形狀精度。另外一個優(yōu)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(chǔ)零部件的加工，而且在微機電系統(tǒng)（MEMS）、微機械以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都有需求。我們已經(jīng)成功開發(fā)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(xì)自由曲面槽型的成形加工。我們已經(jīng)開發(fā)出世界上最小級別的、回轉(zhuǎn)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(jìn)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(yù)期可應(yīng)用于光學(xué)元件、醫(yī)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(zhuǎn)半徑200μm的刀具對模具進(jìn)行三維銑削加工而形成超細(xì)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(fù)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(dá)到了101nm。

UPC納米球頭立銑刀

    在與IT（信息技術(shù)）相關(guān)的行業(yè)領(lǐng)域中，用于高速大容量信息的基礎(chǔ)元件發(fā)展很快。其中一種技術(shù)就是微透鏡陣列。該陣列結(jié)構(gòu)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(yīng)用于光通訊和液晶投影屏。我們開發(fā)的UPC納米球頭立銑刀可用于實現(xiàn)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(jīng)開發(fā)出世界上最小級別的刀尖圓弧尺寸（R＝30μm），并能制造出達(dá)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(xiàn)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(xì)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(xì)直線槽。我們已經(jīng)加工出了世界最小級別的5μm槽寬。該刀具最具代表性的應(yīng)用是對全息光學(xué)元件（HOE）的模具進(jìn)行成形加工。該光學(xué)元件是一個偏振分光鏡，它借助于具有一組槽間距達(dá)微米級的超細(xì)槽的透鏡產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，從而實現(xiàn)光譜的任意分解和匯聚。若干光學(xué)透鏡的光學(xué)作用合成為一個全息光學(xué)元件（HOE）。以前這些光學(xué)元件都是采用半導(dǎo)體加工技術(shù)（如光刻法）來制造，但采用該方法加工時，原本應(yīng)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(chǎn)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(xué)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(yōu)勢。隨著近年來光電技術(shù)的發(fā)展，對更小的超細(xì)槽成形加工的需求仍在不斷增加。

    金剛石作為切削刀具材料具有最優(yōu)異的性能（如它的硬度、熱導(dǎo)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(xiàn)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。

    在光學(xué)裝置用塑料零件的金屬模具加工中，要求達(dá)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(dá)到微米級精度。