近年來，隨著使用
機床的發(fā)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(tǒng)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(yī)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。
Wm_-T]#_ g8y Zc}4 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。
[_Z3v ,vt, < O&s 'A[ 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(fā)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。
QKQy)g r?7 ^@ 為了滿足這些需求，我們開發(fā)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。
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. UPC超精金剛石切削刀具的性能
LYv2ll`XP c6.|; 4 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。
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CGr>X 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(wěn)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(xiàn)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。
i^ Q^F 5j %jhby? 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(jīng)達到了等于或小于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，應用金剛石拋光系統(tǒng)、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(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。
sj2+|> 5 O*$#C;c UPC微納成形刀具
V#Eq74ic ZgtOy|?| 迄今為止，三維微成形加工通常是指微
機械加工以及
半導體制造技術（如光刻加工法、離子束加工法等）。這些加工方法有其不足之處，如難以獲得光滑的曲面，這是由它們的成形特點所決定的，因為傾斜平面和曲面都是通過步進逼近而成形的。與此相反，基于超精金剛石切削刀具的三維微成形加工的切削和成形過程都是由鋒利的切削刃來完成的，因此能夠獲得光滑的傾斜平面或曲面。此外，我們的刀具還具有經(jīng)改進了的特性，如具有非常高的形狀精度。另外一個優(yōu)點是增加了材料的選擇范圍。
]RJ2`x f IFe[3mB5 由于具有以上特點，近年來對這種刀具的需求一直在不斷增長，它不僅用于光電基礎零部件的加工，而且在微機電系統(tǒng)（MEMS）、微機械以及生物醫(yī)學領域都有需求。我們已經(jīng)成功開發(fā)了3種類型的微納成形刀具，以下將介紹其成形加工實例。
kS>j!U(%d /);6 j,x UPC納米矩形立銑刀
p+Xz9A" [a2/`ywdV 納米矩形立銑刀用于超細自由曲面槽型的成形加工。我們已經(jīng)開發(fā)出世界上最小級別的、回轉半徑僅為φ30µm的單晶金剛石立銑刀。如上所述，納米立銑刀的刀尖是通過對單晶金剛石進行超精拋光加工而制成的，切削刃非常銳利、平直和耐磨。這種刀具預期可應用于光學元件、醫(yī)療芯片以及微機械零件等包含三維曲線的槽型加工。
5sRNqTIr O4{ &B@! UPC納米矩形立銑刀成形加工實例
3/ D fsv =W?c1EPLCx 使用納米立銑刀和回轉半徑200µm的刀具對模具進行三維
銑削加工而形成超細槽的加工實例清楚表明，成形刀具的運動通過刀具被精確復映到被加工工件上，而且沒有形成任何毛刺。槽底表面粗糙度（P－V值）達到了101nm。
TM 9>r :j' wlJ_, wA UPC納米球頭立銑刀
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W5j ]d0Dd")n 在與IT（信息技術）相關的行業(yè)領域中，用于高速大容量信息的基礎元件發(fā)展很快。其中一種技術就是微透鏡陣列。該陣列結構由一系列按三維尺度集成的凸透鏡和凹透鏡組合而成。近年來，該透鏡陣列被應用于光通訊和
液晶投影屏。我們開發(fā)的UPC納米球頭立銑刀可用于實現(xiàn)三維透鏡表面和自由曲率表面的加工（如加工制造微透鏡陣列的模具）。
m`|+_{4[n qH$p]+Rk 5 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。
?hO*~w;UU| Ek:u[Uw\ UPC納米球頭立銑刀加工實例
NGxuwHIQ8 l[gL(p "W 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。
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