探讨单点金刚石切削技术在微结构加工中的应用

探讨单点金刚石切削技术在微结构加工中的应用吕江龙 摘要：单点金刚石切削（single point diamond turning，简称SPDT）是一种使用纳米金刚石刀具进行加工的生产过程。而纳米单晶金刚石刀具具有刃口锋利、可反复成形和耐磨性高等特点。该方法能够使微米至亚微米级制造组件的形状精度和表面粗糙度控制在纳米级的范围内。单点金刚石切削优异的表面成形质量和面形精度，使该技术被广泛地应用于制造各种精密机械和光学部件。目前，微结构自由曲面的加工已达到微纳切削。通过典型微结构自由曲面的加工及测量的应用进行举例说明；介绍我国在超精密加工机床领域内的研制情况，展望超精密切削技术未来发展趋势。关键词：单点金刚石切削 微结构自由曲面 超精密加工 Abstract: Single-point diamond turning (SPDT) is a machining process that making use of a monocrystal diamond tool which possesses nanometric edge sharpness, forming reproducibility and wearing resistance. The process is capable of producing components with micrometer to submicrometre form accuracy and surface roughness in the nanometre range. The superior surface finish and form accuracy of SPDF allow the technology to be adopted widely for the manufacture of a variety of precision mechanical and optical parts. At present, the microstructure of freeform surface machining has reached micro-nano cutting. Case studies on the fabrication and characterization of typical microstructured freeform surface is presented. The development of ultra-precision machining equipment in China and the future trends in the machining and measurement of microstructured freeform surfaces are discussed.Key words: Single-point diamond turning Microstructured freeform surface Ultra-precision maching 前言 超精密机床在加工具有亚微米形状精度、纳米表面粗糙度的精准表面过程中起着至关作用。20世纪60年代前，只有简单几何形状的表面，如平面、柱面和球面，才能加工到表面粗糙。随后1962年，美国的Union Cardie公司首先开发了一台超精密半球面加工设备，可以加工直径101.6mm的铝合金半球表面到镜面效果（形状精度0.6um，表面粗糙度25 nm）。这也是首次步入微米尺度的加工过程。之后在20世纪70年代，中小尺度超精密加工设备先后出现，包括美国Moore公司的M-18AG、Pneumo公司的MS-325、荷兰Phillips公司的Colath等。这些数控非球面车床配备金刚石刀具，可加工工件到形状精度0.30.5um，表面粗糙度到10nm。1975年后，日本着重开发大负荷、特殊超精密加工机床（如磁性平板车削机床）。1996年韩国生产出非球面超精密金刚石车床，可以加工最大直径达640mm的工件，进给分辨率0.01um。所加工的铜质工件表面粗糙度可达30nm。在中国，2003年制造出非球面超精密金刚石车床，可加工形状精度PV值达0.228um，表面粗糙度7.8nm。随着新材料的发展，以及切削工具的改进， 从20世纪70年代开始，超精密加工技术已成为制造精密零部件和精密光学的有力手段1。到20世纪80年代，超精密加工技术已成功用于生产影印机的硒鼓，激光扫面仪的反射镜，计算机磁盘等，这些部件具有亚微米的形状精度和纳米级别的表面粗糙度。根据加工精度，加工过程基本上可以划分为常规加工，精密加工以及超精密加工。超精密加工的形状精度是常规加工精度的100倍，而表面粗糙度是1000倍。超精密加工代表了迄今加工技术的最高发展阶段。如何划分加工过程是随着技术发展水平不同而改变的。例如，过去认为是精密加工现在可能被认为是常规加工。著名的Taniguchi曲线描述了过去60年加工精度的发展2。现在的超精密加工精度已经在纳米级别。图1描述了TANIGUCHI预测的加工精度的发展趋势。目前，一个为多数人所接受的关于加工精度的观点是，精密加工是指加工形状精度为1.00.1um，表面粗糙度为0.1000.025um，而超精密加工的形状精度优于0.1um，表面粗糙度优于0.025um。依此，超精密也被称为微纳加工。图1 TANIGUCHI预测的加工精度趋势1单点金刚石切削 单点金刚石切削（Single point diamond turning，SPDT）早在20世纪50年代出现，用以加工一些软质金属材料如铝、铜及其合金。光刻技术曾主导着微结构工业产品，但通常仪局限于二维结构，这些微结构的纵横比也比较小。采用金刚石切削加工技术，具有以下优点：可生成真正的三维轮廓外形；可加工一系列材料实现良好的表面质量；具有生成各种纵横比微结构表面的能力。因此，目前，超精密单点金刚石切削技术被广泛用来加工生成各种微结构表面。如图2所示，通过不同超精密加工方式，如车削、铣削、快刀伺服、插切以及刨切等生成的微结构曲面。图2超精密切削加工生成各类微结构表面1.1超精密单点金刚石切削原理理想状态下，采用圆弧刃单点金刚石刀具进行超精密撤销加工时，在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷，它们之间的距离，就是所谓的理论残留高度或者理论粗糙度（如图a）。在实际超精密切削塑性金属时，主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属，切削层在前刀面的挤压作用下发生剪切滑移和塑性变形，然后形成切屑沿前刀面流出(如图b)。前刀面的形状直接影响塑性变形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之间的摩擦特性，并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量形成显著影响。主切削刃是前刀面和后刀面的交线。实际上前刀面和后刀面的交线不可能为理想直线，而是一微观交接的曲线。该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面相交成交线的平均曲率半径来反映，称其为刃口半径。切削时刃前区的应力状态十分复杂，应力集中造成金属中位错集中，导致金属产生塑性变形和滑移分离，一部分金属成为切屑沿前刀面流出，另一部分金属经后刀面熨压留在已加工表面。因为两部分金属运动方向不同，必然使刀具刃口前金属呈拉伸状态，拉应力使刃前区金属的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金属产生滑移分离。刃口半径越小，应力越集中，变形越容易，切削力越小，加工表面质量越好3。另外，切削层金属被通过分流点O且平行于已加工表面的分流线分为两部分，分流线以上的材料沿前刀面流出，分流线以下的塑性变形层被O点以下的刀刃熨压后成为已加工表面。经过熨压以后，刀刃下方的材料产生严重的压缩变形，对已加工表面质量产生直接的影响。（a ）理论残留高度 （b）切削原理图3 点金刚石切削原理示意图1.2影响单点金刚石切削表面质量的因素在单点金刚石切削过程中，产生的切削颗粒尺寸远小于传统加工的废屑，有时会漂浮在空气中，人体长期吸入后会对健康产生严重影响；因此，在单点金刚石切削车间，需要有科学的空气过滤系统，不间断地净化室内空气，以保证空气的质量和操作人员的身体健康室内温度也会对零件的加工质量产生严重影响4。对横表面截面为80mm 的锗单晶圆柱体进行切削试验。试验目的是探求在超精密加工过程中，切削深度ap和进给量f对表面粗糙度的影响。当切削速度V不变，切削深度ap=20um，进给量f=10um/r和切削深度ap=10um，进给量f=10um/r时绘制的曲线如图（c）所示；当切削速度V不变，切削深度ap=20um，进给量f=10um/r和切削深度ap=20um，进给量f=5um/r时绘制的曲线如图（d）所示。（c） （d）图4表面粗糙度对比图由此可见，在单点金刚石切削中，同样遵从普通切削的规律。当进给量增大时， 表面粗糙度的变化呈规律性增大，即差值相对稳定；当切削深度增大时，表面粗糙度的变化虽然明显增大，但不呈现稳定的差值趋势。同时可以看出，曲线起始位置的表面粗糙度通常会比较大，在同一个横截面上不断地改变切削参数造成的。由于每次更换切削参数后，刀具会重新接触零件，此时会产生微小的振动；因此，初始表面粗糙度值会偏大，但随后便趋于稳定。1.3刀具磨损对被切削材料表面粗糙度的影响以车削加工无氧铜，单晶硅，铝合金为例分析切削过程中刀具磨损对被加工材料表面粗糙度的影响并绘制三种材料的表面粗糙度值随加工时间的变化趋势。图5表面粗糙度值随加工时间的变化趋势对比三条曲线可以发现：在经过一段加工时间后粗糙度均突然增大，然后又开始平稳地线性增加；其不同之处在于，单晶硅经20min后表面粗糙度急速上升，而铝合金和无氧铜则在加工更长一段时间后才出现表面粗糙度急速上升；单晶硅在切削 80 min以后表面粗糙度再次急剧增大，说明加工表面质量下降；而铝合金和无氧铜在加工过程中表面粗糙度的变化较为平缓，表明加工表面质量缓慢恶化。由此可见金刚石车刀在切削单晶硅、铝合金和无氧铜时，经过不同的加工时间后，加工表面质量都会出现不同程度的恶化，这是由于刀具磨损所致5。2. 微工程技术简介根据德国学者BRINKSMEIER等的研究，微小部件的加工可分为两个方面：微系统技术（Micro-system technologies，MST），以及微工程技术（Micro-engineering technology，MET）。微系统技术包括微机电系统（Micro-electro-mechanical system，MEMS）以及由MEMS延伸出的微光机电系统（Micro-optic-electro-mechanical-system，MOEMS）产品及设备。MEMS表面通常是一个微小化系统，可包含感测、处理或致动等各种功能。而微工程技术则包括微机械部件、微模具以及微结构面。这些微结构面具有确定形式，特别是具有特定设计的功能性纹理结构，且具有高纵横比的微细特征。这些微结构曲面有时候也被称为纹理曲面或工程曲面。不同于传统球面、非球面等这些回转对成的曲面，近年来，微结构自由曲面越来越多的被采用，用以实现特定光学等功能，以及提高系统性能，精简系统结构。微结构包括微棱镜阵列、微柱面槽、正弦波微槽、微V形槽等7。这些微结构广泛应用于光机电产品中，如应用于显示器上的光学增亮膜微结构，抗眩保护膜的雾面膜微结构，用于三维（Three dimensional，3D）影像的3D光栅膜微结构，发光二极管（Light emitting diode，LED）显示器的导光膜，一些用于LED照明的透镜阵列，以及防窥膜微结构。这些微结构可通过紫外光（Ultraviolet，UV）压印结构滚轮的压制来实现。微槽结构也广泛应用于其他光学产品中，如新型裸眼3D显示器里采用的微柱面槽，显示器导光板的V形槽，用于手机及投影仪的微结构镜头，微沟槽光纤耦合器、分光器等。2.1微结构自由曲面的超精密单点金刚石切削技术随着微结构曲面的广泛应用，对应的超精密加工技术也得到了迅速发展及关注。文献资料显示，国内外已采用多种方法加工实现微结构表面，如激光加工技术、LIGA技术、微细磨削技术、光刻蚀加工、粒子束或电子束加工和微电解加工等。然而，机械加工如超精密单点金刚石切削技术，在表面粗糙度、形状精度控制以及加工效率方面的优势，目前在微结构曲面加工中仍具有举足轻重的作用。 金刚石车削通过快刀伺服（Fast tool servo，FTS）加工可生成微结构曲面8。FTS是一种机械电子装置，通常用较短的行程加工高频的表面。这种装置更常用在光学微结构如微镜阵列、结构型自由曲面，以及加工短偏离回转对称面且需要高效生产的隐形眼镜行业。这些FTS系统通常可实现金刚石车削从70um到500um深度的表面微结构。在FTS加工过程中，刀具轨迹软件使用C程序或位图图像来描述所要加工的工件形貌。具有数字信号处理器（Digital signal processor，DSP）的外置计算机利用在主轴上的高分辨率角度反馈，以及机床移动轴的线性位置反馈，实现实时计算刀具位置。图6所示为快刀伺服辅助金刚石车削加工微透镜阵列模芯，快刀伺服切削方向沿Z轴方向，同时，金刚石刀具沿X轴向进给，完成微透镜阵列的加工过程。图6 快刀伺服辅助金刚石车削加工微透镜阵列模芯 3BD及CBHD的光学读取镜头轮廓加工与DVD、CD相比，蓝光光碟(Blu-ray disc，BD)和中国蓝光高清光盘(China blue high-definition，CBHD)采用提高光学读取分辨率，直接减小信息符尺寸的方法，实现提高光盘存储容量的目的。图7所示为兼容BD及CBHD的光学读取镜头的轮廓设计。加工这类具有微细结构的轮廓具有一定的技术困难性，因所需加工的台阶非常微小，(如0.29um高的台阶)，而金刚石刀具又具有一定的刀尖半径和角度，所加工的复合轮廓表面与设计轮廓面会有一定的偏差。因此，需要根据光学效果来修正刀具加工轨迹，实现具有微细结构的光学读取镜头。基于自由曲面、衍射光学原理及单点金刚石超精密加工技术，分别优化设计并加工了BD兼容CBHD、BD兼容DVD和CD以及BD兼容CBHD、DVD和CD的光学读取物镜。通过在非球面基底上叠加衍射结构技术，实现兼容物镜在读取BD、CBHD、DVD和CD光盘时，数值孔径分别达到0.85、0.65、0.65和0.51的要求，并摆脱对额外光阑或液晶开关的依赖，真正意义上实现单物镜兼容读取多种光盘的设计理念和方案。通过超精密单点金刚石车床(Nanoform200，Precitech，美国)，采用刀尖半径为5um的圆弧金刚石车刀，实现加工深度约为2um衍射微结构的加工，同时搭建了兼容物镜加工质量测试试验平台。图7 兼容BD及CBHD光学读取镜头设计及加工示意图 BD、CBHD、DVD和CD光学读取系统中，使用的光源，即半导体激光器的波长分别为405nm、405nm、650nm和780nm。因此为了在同一光路系统中实现多种光盘的兼容读取，设计了三波长激光器的兼容读取光路系统以及光路中的核心兼容光学元件，聚焦光斑和高频信号网眼测试结果如图8所示，验证了兼容光路、物镜设计的可行性和自适应加工补偿算法研究的有效性。图8 聚焦光斑图4微结构自由曲面加工机床的研制微结构超精密加工技术的研究热点之一，就是微结构自由曲面微纳加工设备的研发，包括超精密关键功能零部件的研制。近年来我国一些研究机构及高等院校在此也作了大量的研究工作，如北京机床研究所、北京航空精密机械研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、长春光机所、国防科学技术大学、天津大学等，并取得了一定的进展及成果。其中，北京机床研究所研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，其研制的NAM-800型纳米数控车床加工表面粗糙度可达25nm，形状精度在10nm范围；北京航空精密机械研究所研制的Nanosys300超精密复合加工系统具有车削、磨削、飞切(铣削)等多种加工功能，可实现超平面等形状零件的纳米级超精密镜面加工；清华大学研制的大口径光学镜面超精密加工机床，实现了在硬铝和无氧铜材料上分别加工出了面形精度0.5、表面粗糙度5nm的400mm口径球面和面形精度0.5um、表面粗糙度8nm的100mm口径非球形面。而哈尔滨工业大学则研制出了加工KDP晶体大平面的超精密铣床。微纳制造设备的成形依赖着相关关键功能部件的实现，而大多数核心功能部件受到西方主流国家的限制，成为微纳制造设备实现的技术瓶颈9。这些关键功能零部件包括：宏微复合导轨、快刀伺服器、静压导轨、超精密数控系统，以及精密绝对式光栅尺等。图9所示即为所开发的宏微复合导轨设计图，主要组成部分包括伺服电动机、丝杠导轨宏动平台、压电陶瓷、柔性放大机构微动平台、精密光栅尺等。图9 宏微复合导轨1伺服电动机2丝杠导轨宏动平台3压电陶瓷4柔性放大机构微动平台 5精密光栅尺5展望与总结 随着经济技术的发展, 我国金刚石超精密加工技术需求和应用一定会越来越广。我国必须立足自身 、及时跟踪国外相关先进