飞切加工国外介绍.docx

日本北见工业大学（Kitami Institute of Technology）采用三种不同切削形状的刀具：V形切削刀具、维式压头（Vickers indenter）和球型压头（spherical indenter）进行了石英玻璃的单点飞切和纳米压痕试验，来研究石英玻璃在塑性加工过程中的弹性和塑性特性。结果显示，石英玻璃的特性受刀具形状的影响。其中，V形切削刀具对于去除（removing）石英玻璃材料最有效，其次依次是维式压头（Vickers indenter）和球型压头（spherical indenter）。1 东京大学（Institute of Astronomy），日本京都产业大学Department of Physics,Kyoto Sangyo University)，日本太空与宇航科学研究所（Institute of Space and Astronautical Science），日本名古屋大学（Nagoya University）与美国洛伦兹利佛莫尔国家研究所(Lawrence Livermore National Laboratory)为了解决中红外高分辨率光谱仪（MIR high-resolution spectrograph）在太空观测应用中的所占体积过大的难题，提出了采用中红外硒化锌浸没光栅（MIR immersion grating）的办法。研究发现，硒化锌浸没光栅（ZnSe immersion grating）在近红外和中红外的波长区域内有很高的折射率（约为2.45），和较低的内部衰减，为高分辨率光谱仪的广泛应用提供了可能。1415其中，美国洛伦兹利佛莫尔国家研究所可以在硒化锌的平面基体上加工出间距为30微米的沟槽，沟槽表面不规则度（surface irregularity）小于/8（=632nm）,表面粗糙度小于5nm，随机间距误差(random pitch error)小于3nm，如下图1所示。表1为硒化锌浸没光栅的参数指标和实际加工结果。23图1 硒化锌浸没光栅日本大阪大学（Osaka University，Japan）为了研究玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP)的磨削机理，应用锥形（conical tool）和金字塔形（ pyramid tool）单点金刚石刀具飞切GFRP。经实验研究表明（1）锥形刀具的切削力比金字塔形的刀具切削力更大，GFRP的纤维角度（fiber angles）对切削力没有影响。（2）切槽状态受刀具几何形状影响。（3）平行于纤维方向切削时，在玻璃纤维上会有细小裂缝（fine cracks）。从其他纤维角度切削时，会有玻璃纤维脱落。通过对碎片的观察，碎片的形成与刀具的几何形状和工件上玻璃纤维角度有关。4图2 浸没光栅与在扫描式电子显微镜下的微观图5表1 硒化锌浸没光栅的参数指标和实际加工结果韩国机械与材料研究所（Korea Institute of Machinery and Materials）与智能机器系统研究中心（Intelligent Machine Systems Research Center）研究证明单点金刚石刀具加工钢时，刀具过度的磨损是减少刀具使用寿命的主要因素。而刀具的磨损，主要是因为在高温高压的切屑过程中的各种化学反应造成的。如氧化、石墨化及碳化物的形成等。而如飞切与磨削等断续加工方法能有效地减少切削过程中刀具与钢铁工件的接触时间，减少化学反应,进而达到减少刀具磨损的目的。从图3中可知，连续加工过程中，在切削的开始阶段，削切温度会迅速上升，很快达到相对稳定的最大温度。而此温度对于切削钢元件过高，会导致过度的刀具磨损。而在断续加工过程中，刀尖的切削温度在与零件的切削过程（real-cut）和非切削过程(air-cut)中循环变化。在非切削过程中，刀具与工件无接触，刀尖温度便会降低。金刚石刀具与钢元件之间的化学反应便会显著减小。断续加工过程中，通过减小刀具的切削长度（cutting length）或提高切削速度，可以减少刀具与元件的接触时间。试验中，机床为超精密五轴机床（ULC-100C(H3)）; Toshiba Machine Co., Tokyo, Japan).如图4 所示。图5为机床切削后得到的钢元件微观图。6图3 断续削切加工中，刀具边缘温度曲线图4超精密五轴机床（ULC-100C(H3)）图5 加工后的成形凸面韩国光电子技术研究所(Korea Photonics Technology Institute)与韩国国立全南大学（South Chonnam National University）应用飞切方式加工出具有两个非轴对称非球面的F-Theta透镜模芯（lens mold core），并测量了模芯的形状精度（form accuracy），如图1所示。应用注塑模具的方法（injection molding method）生产出的可塑型F-theta透镜（plastic F-Theta），其X轴方向的形状精度为0.179m，Y轴方向的形状精度为0.181m。通过对模制F-theta透镜的测量，其X轴方向的形状精度为0.226m，Y轴方向的形状精度为0.165m。这些数据证明应用飞切加工出的模芯达到了商业产品的标准，能充分满足实际规格要求。F-theta透镜及其模芯如图6所示。7图6 F-theta透镜及其模芯（F-theta lens and Mold core）韩国工业技术研究所(Korea Institute of Industrial Technology) 研究了飞切超精密加工斜多边形铝合金材料。为了能够加工出面型精度（profile accuracy）Ra/10（=632nm）,表面粗糙度Rmax10nm的铝合金镜面，利用单点金刚石刀具进行了参数（刀具转速与切削深度）试验，并分析了刀具磨损情况。8 比利时微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）研究了通过采用飞切工艺修整（cut)铜和硅的微凸面（micro-bump），来研究提高凸块的接触（contact）的效果，有效地解决了微间距的铜/硅固态扩散粘结（fine pitch solid state diffusion bonding）的问题。飞切能使表面不均匀度很高的微凸面（micro-bump）具有很好的固态扩散粘结性能。一般，电镀的铜和锡微凸面的平均粗糙度分别为200nm和500nm，铜的微凸面峰谷（peak-to-valley）的高度差为900nm，锡的微凸面最大可达到2000nm。而飞切加工能使铜和锡微凸面的峰谷的高度差减少到200nm以下。图7为飞切加工后的铜和锡的微凸面，可以看出表面非常光滑。经测试，铜微凸面的平均粗糙度由450nm减小到3nm。图8为飞切后微凸面在扫描式电子显微镜下的粘接表面。9图7 粘接前的铜（左）和锡（右）微凸面（bumps)图8 飞切后微凸面在扫描式电子显微镜下的粘接表面美国俄克拉荷马州立大学机械与航空工程学院（School of Mechanical and Aerospace Engineering, Oklahoma State University）与德国工业材料技术研究所（Stiftung Institut fr Werkstofftechnik，Germany）通过使用不同几何形状刀具的飞切方法研究了基于甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（methacryloxypropyltrimethoxysilane，MATMS）和磷酸钛锆（zirconium (IV) tetra n-propoxide，ZTP）的混合溶胶-凝胶涂层（hybrid sol-gel coatings）喷涂在复杂反射式光学元件（如微小透镜阵列、菲涅尔透镜和棱柱曲面）的铝基底（aluminum substrates）上的加工特性。图9为V型刀具，刀具前角为-10，刀尖半径为3mm，坡口角度（included angle）为70；图10为电子显微镜下的金刚石刀具图像。图11左图为金刚石刀具飞切加ZTP/MATMS涂层在光学显微镜下的显微图，右图为在原子力显微镜下的图像。10图9为V型刀具图10 电子显微镜下的金刚石刀具图像图11 左图ZTP/MATMS涂层在光学显微镜下的显微图，右图为在原子力显微镜下的图像美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）进行了提高金属表面动态测量质量（dynamic surface-property Measurements）的方法的研究。加工工件分别为直径为40mm,高为2mm的圆柱体Al-1100（退火，99.99%+纯度）和锡（99.99%+纯度），应用飞切对表面进行修整（finish），飞切加工后的表面为三角形沟槽状（triangular grooves），平均表面粗糙度为0.813m，如图12、13所示。11图12 铝元件及放大100倍的沟槽形状图13 锡元件放大50倍及放大100倍的沟槽形状德国夫琅禾费生产技术研究所（Fraunhofer Institute for Production Technology）应用被动校正策略（passive alignment strategies）来测量飞切加工后的微米级精度的工件，并进行了V沟槽结构超精密加工技术的研究。12 并利用飞切加工技术进行超精密切削，得到了可用于光学器件上的，用于注塑加工的具有微槽结构的模具，制造的单晶金刚石矩形飞刀的宽度仅有120微米。图14 夫琅禾费生产技术研究所飞切加工的微槽结构德国不莱梅大学在铝元件上应用单点金刚石飞切加工出高度为240m的微金字塔结构，并在无氧高导电性铜上加工出了衍射光栅。图15为德国不莱梅大学飞切加工出的多棱形无电镀镍。图15 德国不莱梅大学飞切加工出的多棱形无电镀镍日本的FANUC 公司应用飞切能够加工出间距为1m，表面粗糙度为纳米级的光栅（如图16a)；锥形末端的V沟槽结构（如图b）；表面粗糙度最大值为60nm， 轮廓为1mm 的面具（如图c)。13图16实例：（a）纳米级的光栅，（b）V沟槽结构，（c）轮廓为1mm 的面具美国莱法尔斯特(Refhite)公司用单晶金刚石飞切加工出的照明用的泛光灯结构，如图17所示。13图17 照明用的泛光灯结构应用飞切加工出的磨具制造出的金字塔阵列，用于道路标志的粘合塑料薄膜（adhesive plastic sheet），如图18所示。13图18 金字塔阵列及应用日本长冈技术科学大学（nagaoka university of technology）研究了具有超声波辅助飞切加工高级陶瓷（advanced ceramics），该陶瓷主要应用于制造玻璃镜片的磨具热压机（hot-press dies）。试验表明，飞切能够实现硬脆材料可塑性的浅加工（shallow machining），超声波辅助加工能增大工件表面关键部位的切削深度。 两者的结合，能大大提高加工高级陶瓷的精密加工效率，且与传统的飞切加工方式相比，能减少刀具的破裂和提高加工陶瓷的表面质量。16 美国莱斯大学（Rice University）与莱斯量子研究所（Rice Quantum Institute）应用飞切方法，提出了一种新的设计和制造称为图像映射光谱仪（image mapping spectrometer,IMS,见图19）的紧凑型大尺寸图像映射器（compact largeformat image mappers）的方法。17图19 IMS系统的基本构造该图像映射器为具有285个微镜面，25个倾斜角度（tilts) (5x tilts, 5 y tilts)的高精度多角度（multiple-tilt）微小型镜片阵列，其几何图形见图20，设计参数见表2。图20 图像映射器的几何图形表2 图像映射器的设计参数表试验中，对切削刀具进行了设计，并在精密四轴（X; Y;Z;C）金刚石加工机床上飞切加工出独特的图像映射器元件，如图21所示。试验表明，飞切方法能够大大减少加工制造的时间，并保证其加工特性。该图像映射器在X方向和Y方向均小于1 mrad（毫弧度），每个微镜面的平均表面粗糙度为5.3nm。17图21图像映射器的几何图形图22（a） 应用飞切加工出的具有250个微镜面的图像映射器（image mapper） （b）图像映射器侧面图，可看出微表面排列非常整齐参考文献：1 Takahiro Takechi, Junichi Tamaki, Akihiko Kubo and A.M.M. Sharif Uliah. Elastic and Plastic Behaviors in Ductile-Regime Machining Process of Quartz Glass. Advaced Material Research Vols. 126-128(2010) pp 2335-2402 Yuji Ikeda, Naoto Kobayashi, Paul J. Kuzmenko, Steve L. Little, Chikako Yasui, Sohei Kondo, Hiroyuki Mito, Kenshi Nakanishi, and Yuki Sarugaku. Fabrication and current optical performance of a large diamond-machined ZnSe immerse on grating. Modern Technologies in Space- and Ground-based Telescopes and Instrumentation. 20103 Yuji Ikeda. Naoto Kobayashi. Paul J. Kuzmenko. Hitoshi Tokoro. Zinc sulfide and zinc selenide immersion gratings for astronomical high-resolution spectroscopy: evaluation of internal attenuation of bulk materials in the short near-infrared region . Optical Engineering. August 2009/Vol.4 Hanasaki, Shinsaku. Fujiwara, Junsuke. Tashiro, Tetsuya. Grinding mechanism of GFRP. Proceedings of the Fifth International Conference on Progress of Machining Technology, Beijing, CHINA; 16-20 Sept. 2000. pp. 364-369. 20005 Y. Ikeda, N. Kobayashi, P. J. Kuzmenko, S. L. Little, C. Yasui, S. Kondo, A. Minami, K. MotoharaDiamond-machined ZnSe immersion grating for NIR high-resolution spectroscopy . SPIE Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and Instrumentation. Marseille, France. June 23, 2008 through June 28, 20086 YoungChan Song, Kentaro Nezu, Chun-Hong Park and Toshimichi Moriwaki. Tool wear control in single-crystal diamond cutting of steel by using the ultra-intermittent cutting method. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 20097Dong-Kil LEE, Young-Su YANG, Sang-Suk KIM. Development of a F-Theta Lens for a Laser Scanning Unit. Journal of the Korean Physical Society, Vol. 53, No.5, November 2008. pp .252725308 Soon-Sub Park, Ho-Jae Lee, Ki-Young Lee, Yeon Hwang. A study on manufacturing technology for an inclined polygon mirror. Journal of Materials Processing Technology 187188 (2007) 56599 W. Zhang, P. Limaye, R. Agarwal, P. Soussan. Surface Planarization of Cu/Sn Micro-bump and its Application in Fine Pitch Cu/Sn Solid State. 2010 12th Electronics Packaging Technology Conference10 W. DATCHARY, D.A. LUCCA and D. GRIMME High Precision Diamond Machining of Hybrid Sol-Gel Coatings. Journal of Sol-Gel Science and Technology 35, 245251,200511 M. B. Zellner, W. Vogan McNeil, G. T. Gray, D. C. Huerta, N. S. King. Surface preparation methods to enhance dynamic surface property measurements of shocked metal surfaces. J. Appl. Phys. 103, 083521 (2008); doi: 10.1063/1.290610712 Christian Brecher, Martin Weinzierl and Sven Lange. Development of passive alignment techniques for the assembly of hybrid microsystem. 3rd International Precision Assembly Seminar. Feb 19-21, 200613 M. A. Davies, C. J. Evans, S. R. Patterson, R. Vohra, B. C. Bergner. Application of precision diamond machining to the manufacture of micro-photonics components.14 Kobayashi, Naoto. Iked