专利名称：用于制造微复制工具的对准的多金刚石切削工具组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于形成微复制结构的微复制工具的金刚石加工。
背景技术：
金刚石加工技术可用于制造微复制工具等各种工件。微复制工具常用 于挤出工艺、注塑成型工艺、压花工艺、浇注工艺等以形成微复制结构。 微复制结构可包括光学膜、研磨膜、粘合剂膜、具有自配合外形的机械紧
固件，或具有相对较小尺寸(如小于约iooo微米的尺寸)的微复制结构的
任何模制或挤出部件。
微复制工具包括浇注带、浇注辊、注射模具、挤出或压花工具等等。 可通过金刚石加工工艺制造微复制工具，该工艺采用切削工具组件在微复 制工具中切出槽或其它结构。采用切削工具组件制造微复制工具的工艺成 本高且耗时。
发明内容
一般来讲，本发明涉及具有沿切削方向对准的多个金刚石的切削工具 组件。具有沿切削方向对准的多个金刚石的该切削工具组件可用于制造微 复制工具或其它工件。特别是，在切削工具组件的一道切削过程中，可利 用切削工具组件的多个金刚石在微复制工具中形成通过多次切削产生的深 槽、多结构槽或其它结构。由于具有多个金刚石的切削工具组件具有在一 道切削中形成多结构槽的能力，因此可縮短生产时间和/或形成更复杂的图
该切削工具组件可包括安装结构和安装在该安装结构内的多个刀柄。 每个刀柄可限定用作切削工具组件的切削刀头的金刚石刀头。可精确形成 刀柄的金刚石切削刀头，以使其对应于要在微复制工具中形成的槽的子结 构。此外，刀柄可在安装结构中精确对准并布置在不同高度，以便能够在微复制工具中切出每个深度或结构。因此，切削工具组件的不同金刚石刀 头可对应于要在微复制工具中形成的槽的不同子结构。
在一个实施例中，本发明提供了一种切削工具组件，该组件包括安 装结构；安装在该安装结构中的第一刀柄，该第一刀柄限定第一金刚石刀
头，该第一金刚石刀头限定小于lmm的宽度；以及安装在该安装结构中的
第二刀柄，该第二刀柄限定第二金刚石刀头，该第二金刚石刀头限定小于
lmm的宽度，其中第一和第二刀柄布置在安装结构中，以使得第一和第二 金刚石刀头在切削工具组件的切削方向上的对准公差小于10微米。
在另一个实施例中，本发明提供了一种方法，该方法包括:将第一刀柄 安装在安装结构中，该第一刀柄限定第一金刚石刀头，该第一金刚石刀头 限定小于lmm的宽度；将第二刀柄安装在该安装结构中，该第二刀柄限定 第二金刚石刀头，该第二金刚石刀头限定小于lmm的宽度；并且在安装结 构中对准第一和第二刀柄，以使得第一和第二金刚石刀头在第一和第二金 刚石刀头的切削方向上的对准公差小于io微米。
在一个可选实施例中，本发明提供了一种包括安装结构和安装在该安 装结构中的刀柄的切削工具组件，其中刀柄限定第一金刚石刀头和第二金 刚石刀头，所述第一金刚石刀头限定小于lmm的宽度，所述第二金刚石刀 头限定小于lmm的宽度，并且第一和第二金刚石刀头在切削工具组件的切 削方向上是对准的。
通过在同一组件内使用多个对准的金刚石切削刀头，可改进或简化微 复制工具的制造。特别是，可以减少切削工具组件在微复制工具内切出深 槽所需的切削道数，因此可降低切削成本。例如，如果切削工具组件包括 两个金刚石，则第一个金刚石可以用来形成槽，第二个金刚石可以用来加 深槽。在微复制工具内切出深槽所需的切削道数可减少一半。
此外，在一些实施例中，不同的金刚石刀头可以限定不同的子结构并 在微复制工具上形成复杂的槽。在这种情况下，可以避免使用不同的切削 工具组件来形成槽的两个或更多个截然不同的结构，相反，可使用单个组 件在微复制工具中形成槽的两个或更多个截然不同的子结构。这种技术可 以提高微复制工具的质量，并减少与制造微复制工具相关的时间和成本， 继而可以显著降低与最终形成微复制结构相关的成本。每个金刚石刀头的对准公差小于1微米，这样能够使多个对准的金刚石切削刀头形成没有明 显变化的多结构槽。
在下面的附图和描述中介绍了上述及其它实施例的更多细节。从具体 描述、附图和权利要求书中可以充分理解其它特征、目的和优点。
图1是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的俯视图。
图2是构造为用于横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切削工具组件
、图 是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的一个实施例的更详 细的俯视剖视图。
图4是构造为用于横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切削工具组件 的一个实施例的更详细的侧面剖视图。
图5是在制造微复制工具的过程中切削一个槽的多金刚石飞切工具组 件的概念透视图。
图6是在制造微复制工具的过程中切削一个槽的多金刚石横向进给切
削或螺纹切削工具组件的概念透视图。
图7是多金刚石横向进给切削或螺纹切削工具组件的另一个侧视图。
图8A和8B是多刀头单金刚石切削工具组件的可选实施例。
图9A和9B是不同的横截面侧视图，示出了在工件中切出深槽的两个
不同的多金刚石切削工具组件，以及可在工件中形成的深槽。
图IO是横截面俯视图，示出了在工件中切出槽的多金刚石切削工具组
件，以及在工件中形成的槽和凸起。
图ll是横截面俯视图，示出了由多金刚石切削工具组件在工件中形成
的槽和凸起。
图12是可用于多金刚石切削工具组件中的金刚石的透视图。 图13-18是另外的横截面俯视图，示出了根据本发明的各种实施例的 多金刚石切削工具组件。
图19和20是多金刚石飞切转子的概念透视图。图21是构造为用于飞切的多金刚石切削工具组件的俯视图，其中刀柄 与旋转轴线平行地安装。
具体实施例方式
图1是切削工具组件10的俯视图，该组件包括安装在安装结构20中 的两个刀柄12和16。切削工具组件10构造为用于飞切，其中组件10绕 轴线24旋转。例如，组件10可安装到传动轴22上，而传动轴可由切削机 (未示出)的马达驱动以旋转组件10。安装结构20可以包括用来固定刀 柄12和16的结构，刀柄12和16分别包括金刚石刀头14和18。刀柄12 和16可由金属或复合材料制成，金刚石可通过基本上永久性的固定机理固 定到刀柄12和16上。此外，安装结构20可具有能够与传动轴22相连的 结构。
为了将金刚石固定在刀柄12和16中以限定金刚石刀头14和18，可 使用基本上永久性的固定机理(如硬钎焊、软钎焊、环氧树脂等粘合剂等 等)。然后通过临时固定机理(如一个或多个螺栓、夹具或固定螺钉)将 带有金刚石刀头14和18的刀柄12和16安装到安装结构20中。作为另外 一种选择，可使用硬钎焊、软钎焊、环氧树脂之类的粘合剂或其它更永久 性的固定机理将刀柄12和16固定到安装结构20中。在任何情况下，使用 具有定位控制和定位反馈的工具调整显微镜都可确保将刀柄12和16布置 在安装结构20中，以使得金刚石刀头14和18以高效制造微复制工具所需 的精度相对于彼此布置在一定高度上。在一些情况下，对准的刀头14和 18可布置在相同高度上。由于金刚石刀头14和18的形状不同，因此第二 刀头18可形成与刀头14形成的结构不同的结构。
安装结构20可具有允许切削工具组件10插入金刚石切削机的形状。 此外，金刚石切削机可是构造为用于飞切的金刚石车削机，其中切削工具 组件通过传动轴22被驱动而绕轴线旋转。
刀柄12和16各自的金刚石刀头14禾P 18分别限定了独立的切削机 构，该机构限定了在工件(诸如要制造的微复制工具)中产生的槽的深度 或槽的独特结构。槽代表了由刀头14和18在工件上的同一线性位置形成 的任何结构组合。例如，第一金刚石刀头14可形成一个槽，然后可由金刚石刀头18来加深该槽或在该槽内形成一个子结构。金刚石刀头18的增加 的高度能够在工件表面中进一步形成更深的切口或子结构。当本文中将形 成的槽称为多结构槽时，该槽可包括一个以上的结构。深度由一个以上的 刀头形成的槽称为深槽。在一些情况下，槽可是较深的切口和子结构的组 合。在其它实施例中，金刚石刀头18可形成与金刚石刀头14所形成的槽 重叠的子结构。在任何情况下，多结构槽都必须由工件内的一条连续边缘 构成。工件可由铜、镍、铝、塑料(如丙烯酸树脂)或能够加工的任何材 料制成。
在图l所示的实施例中，切削工具组件IO包括两个刀柄12和16，每 个刀柄具有一个金刚石刀头14和18，但也可根据本发明原理使用带金刚 石刀头的额外刀柄。此外，可以将下所述原理加以推广，以用于每个金刚 石限定一个以上切削刀头的金刚石。
如图1所示，刀柄12和16被布置在安装结构20中，以使得金刚石刀 头14和金刚石刀头18在平行于切削方向的同一平面内对准。采用这种布 置时，刀头14和18将在贯穿工件的几道连续切削中共同形成同一个槽。
金刚石刀头14和18相对于轴线24的垂直位置可不同。金刚石刀头 14高出安装结构20表面的高度被定义为Hl，金刚石刀头18高出安装结构 20表面的高度被定义为H2。 Hl与H2的差值反映了金刚石刀头18在金刚 石刀头14所形成的深度Dl基础上进一步切入工件的深度D2。深度D2可 小于10微米。在图1所示实施例中，H2大于Hl。然而，在其它实施例 中，H1可等于H2。当H1与H2相等时，刀头18可具有不同于刀头14的形 状，以在槽内形成子结构。作为另外一种选择，金刚石刀头18也可仅仅跟 随金刚石刀头14的切削路径，并清理金刚石刀头14留下的任何区域。
图2是一个构造为用于横向进给切削或螺纹切削的多金刚石切削工具 组件的侧视图。在进行横向进给切削时，切削工具组件26在限定位置处切 入移动的工件中并停留一定时间，然后移动到其它位置以切出各种槽。螺 纹切削与横向进给切削类似。然而，在进行螺纹切削时，切削工具组件26 进入移动的工件中并停留更长时间，以切出长螺纹槽。切削工具组件26也 可用于划线切削或划线，在这种情况下，切削工具组件26非常缓慢地划过 工件。类似图1中的组件10，图2中的切削工具组件26包括固定在安装结 构36中的多个刀柄28和32。为了将金刚石固定在刀柄28和32中以限定 金刚石刀头30和34，可使用基本上永久性的固定机理(如硬钎焊、软钎 焊、环氧树脂等粘合剂，等等)。然后通过临时固定机理(如一个或多个 螺栓、夹具或固定螺钉)将带有金刚石刀头30和34的刀柄28和32安装 到安装结构36中。作为另外一种选择，可使用硬钎焊、软钎焊、环氧树脂 之类的粘合剂或另一种更永久性的固定机理将刀柄28和32固定到安装结 构36中。
使用具有定位反馈的工具调整显微镜可确保以高效加工微复制工具所 需的精度将刀柄28和32的金刚石刀头30和34布置在安装结构36中。安 装结构36可具有允许切削工具组件26插入金刚石切削机内的形状，所述 金刚石切削机构造为用于横向进给切削、螺纹切削或划线切削或划线。
与图1类似，刀柄28和32的金刚石刀头30和34分别限定了独立的 切削机构，该机构限定了在工件(诸如要制造的微复制工具)中形成更深 的槽或槽的独特子结构。槽代表了由刀头30和34在工件上的同一线性位 置形成的槽和子结构的任何组合。例如，金刚石刀头30可形成一个槽，然 后可由金刚石刀头34在该槽内形成一个子结构，或者仅仅是加深由刀头 30形成的槽。金刚石刀头34的增加的高度能够进一步向工件表面内形成 槽或子结构。本文将带有子结构的槽称为多结构槽，而将由多个深度形成 的槽称为深槽。在其它实施例中，金刚石刀头34可形成与金刚石刀头30 所形成的槽重叠的子结构。在任何情况下，多结构槽或深槽都必须由工件 内的形成槽的侧部轮廓的连续边缘构成。
在图2所示的实施例中，切削工具组件26包括两个刀柄28和32，每 个刀柄有一个金刚石刀头30和34，但根据本发明的原理也可使用带金刚 石刀头的额外刀柄。此外，可以将下所述原理加以推广，以用于每个金刚 石限定多个切削刀头的金刚石。
如图2所示，刀柄28和32被布置在安装结构36中，以使得金刚石刀 头30和34在平行于切削方向的同一平面内对准。采用这种布置时，刀头 30和34将在贯穿工件的几道连续切削中共同形成同一个槽。工件可由 铜、镍、铝、塑料(如丙烯酸树脂)或能够加工的任何材料制成。金刚石刀头30和34相对于安装结构36的表面的垂直位置可以不同。 金刚石刀头30高出安装结构36表面的高度被定义为Hl，金刚石刀头34 高出安装结构表面的高度被定义为H2。 HI与H2的差值反映了金刚石刀头 34在金刚石刀头30所形成的深度Dl基础上进一步切入工件的深度D2。深 度D2可小于10微米。在图2所示实施例中，H2大于H1。然而，在其它实 施例中，H1可等于H2。当H1与H2相等时，刀头34可具有不同于刀头30 的形状，以在槽内形成子结构。作为另外一种选择，金刚石刀头34也可仅 仅跟随在金刚石刀头30的切削路径并清理金刚石刀头30留下的任何区 域。
图3是构造为用于飞切的切削工具组件10的更详细的俯视剖视图。安 装结构20具有容纳各自刀柄12和16的区域38和40。区域38和40略大 于各自的刀柄12和16，以确保刀柄可在该区域内移动，从而在刀柄固定 就位前正确定位金刚石刀头。在一些实施例中，可以在区域38或40内放 置一个或多个垫片，以正确定位刀柄12和16。
为了在安装结构20中定位刀柄12和16，可使用工具调整显微镜。可 用显微镜来确定和测量金刚石刀头相对于彼此的位置，以使得刀柄在安装 结构中正确定位。可提供定位反馈来量化金刚石刀头的定位，例如以数字 读数、模拟读数、图形显示或类似方式提供反馈。可用反馈来在安装结构 中精确定位不同的刀柄。例如，可从Fryer Company (Edina， Minnesota) 商购获得的Nikon Tool Maker's Microscope具有用于显微测量刀柄的金 刚石切削刀头相对于彼此的距离的控制表盘。此外，可从Metronics Inc. (Manchester, New Hampshire)商购获得的Quadra Chex 2000数字读数装
置可提供和量化定位反馈，从而确保金刚石刀头14和18以高效制造微复 制工具所需的精度对准并定位在适当的高度。使用Nikon Tool Maker's
Microscope和Quadra Chex 2000数字读数装置可测量刀柄12和16在安 装结构中的对准精确度，以使得与刀柄相连的金刚石刀头相对于彼此的位 置公差在大约0.5微米内。
特别是，使金刚石刀头的对准公差小于io微米，更优选的是希望小于 1微米，以制造可用于加工光学薄膜、机械紧固件、研磨膜、粘合剂膜等 物品的高效微复制工具。在横向和竖直方向均可实现这种微定位，以使金刚石刀头彼此正确对准以便形成一个槽，并使金刚石刀头在竖直方向上彼 此正确对准以确保各刀头处于所需切削高度处，从而形成深度正确的槽。 横向定位和竖直定位均可以达到本文所述的公差范围内。在使用数字读数 的显微镜下进行正确定位后，可通过一个或多个螺栓、夹具或固定螺钉将 刀柄12和16固定在安装结构中。作为另外一种选择，也可使用硬钎焊、 软钎焊、环氧树脂等粘合剂或任何其它固定机理。
图4是构造为用于横向进给切削或螺纹切削的切削工具组件26的更详 细的侧面剖视图。安装结构36具有容纳刀柄28和32的区域42。区域42 略大于刀柄28和32，以确保刀柄可在该区域内移动，从而在刀柄固定就 位前正确定位金刚石刀头。还可以在区域42内放置一个或多个垫片44， 以正确定位刀柄12和16。
在一些实施例中，安装结构36可具有一个以上的用来容纳刀柄的区域 42。例如，可以将每个刀柄布置在各自区域内，或者可以用任何数量的区 域来容纳多个刀柄，以切出与每个刀柄有关的槽或子结构。
为了在安装结构36中定位刀柄28和32，可使用类似于图3中显微镜 的工具调整显微镜。例如，可从Fryer Company (Edina， Minnesota)商购 获得的Nikon Tool Maker's Microscope具有用于显微测量刀柄上金刚石 切削刀头相对于彼此的距离的控制表盘。此外，可从Metronics Inc. (Manchester, New Hampshire)商购获得的Quadra Chex 2000数字读数装 置可提供和量化位置反馈，从而确保金刚石刀头30和34以高效制造微复 制工具所需的精度对准并处于适当的高度。使用Nikon Tool Maker's Microscope和Quadra Chex 2000数字读数装置可测量刀柄28和32在安 装结构内的对准精确度，以使得与刀柄相连的金刚石刀头相对于彼此的位 置公差在大约0.5微米内。
特别是，使金刚石刀头的对准公差小于10微米，更优选的是希望小于 1微米，以制造可用于加工光学薄膜、机械紧固件、研磨膜、粘合剂膜等 物品的高效微复制工具。在横向和竖直方向均可实现这种微定位，使得金 刚石刀头相对于彼此正确对准以形成一个槽，并且使得金刚石刀头相对于 彼此竖直对准以确保各刀头处于所需的切削高度处，从而形成深度正确的 槽。横向定位和竖直定位均可以达到本文所述的公差水平范围内。在使用数字读数的显微镜下进行正确定位后，可通过一个或多个螺栓、夹具或固
定螺钉将刀柄28和32固定在安装结构中。作为另外一种选择，也可使用 硬钎焊、软钎焊、环氧树脂等粘合剂或任何其它固定机理。
图5是在制造微复制工具46过程中用于切出槽的多金刚石飞切工具组 件10的概念透视图。在图5的实施例中，各微复制工具46包括一个浇注 辊，但也可以使用切削工具组件10制造其它微复制工具，如浇注带、注射 模具、挤出或压花工具或其它工件。切削工具组件10可以固定到传动轴 22上，传动轴与马达(未示出)相连以绕轴线24旋转切削工具组件10。 切削工具组件10也可以相对于微复制工具46横向移动(如水平箭头所 示)。同时，微复制工具46可以绕轴线24旋转。当切削工具组件10旋转 时，金刚石刀头14和18交替切入微复制工具46。因此，切削工具组件IO 沿微复制工具46切削一道即形成一个槽。在其它实施例中，微复制工具 46可以是平面或其它非圆柱形工件。此外，还可以通过仅移动工具46或 同时移动工具46和切削工具组件10来制造微复制工具46。
由于切削工具组件10具有多个刀柄12和16，因而具有多个金刚石刀 头14和18，因此在微复制工具46上切出槽所需的切削道数也更少。该槽 可以是深槽或多结构槽。切削工具组件10的一些实施例可包括两个以上刀 柄和两个以上金刚石刀头。多个金刚石刀头可以降低制造成本并縮短与制 造微复制工具相关的生产周期。在一些情况下，工件的制造时间即使没有 几天，也有几小时。将两个或更多个金刚石切削刀头合并在用来切削槽的 一个切削工具组件10内，可将生产周期縮短至上述时间的几分之一。此 外，使用多个刀头来制造工件也降低了对每个刀头的热稳定性要求。刀头 经过工件时会发热变形。如果出现这种情况，则每个刀头以后切出的切口 的尺寸将与之前的切口不同。而当采用多个刀头时，每个刀头可能不会升 温变形，也就不会切出尺寸不同的槽。作为另外一种选择，多个刀头也可 以让切削速度足够快，以使得刀头尺寸来不及变形。
例如，如果切削工具组件包括两个刀柄，每个刀柄均限定一个金刚石 刀头(如图5所示)，则与包括单个刀柄的组件相比，在微复制工具46中 切出槽所需的道数会减少一半。更多刀柄可以类似方式带来更多有益效 果。此外，还可以在一个或两个金刚石上形成多个刀头，这样也同样会提高生产率。降低与微复制工具46制造相关的成本，又可以有效降低与最终 形成微复制结构相关的成本。
图6是在微复制工具的制造过程中切出多结构槽的多金刚石横向进给 切削或螺纹切削工具组件26的概念透视图。为了便于展示，所示金刚石刀 头30未接触微复制工具48。在操作中，金刚石刀头30和金刚石刀头34 会如本文所述那样接触微复制工具48。如图6所示，可以将切削工具组件 26固定到金刚石切削机50中，切削机可相对于微复制工具48定位切削工 具组件26，并例如使切削工具组件26相对于微复制工具48横向移动(如 水平箭头所示)。同时，微复制工具48可以绕轴线旋转。金刚石切削机 50可以被构造成利用横向进给切削或螺纹切削技术将切削工具组件26送 入旋转的微复制工具48，以便在微复制工具48中切出槽。作为另外一种 选择，金刚石切削机50可以构造为用于划线切削或划线，在这种情况下， 切削工具组件26非常缓慢地划过工件。在任何情况下，均可切出深槽或多 结构槽，并可在工件上形成凸起。在其它实施例中，微复制工具48可以是 平面的或其它非圆柱形的工件。此外，还可以通过仅移动工具48或同时移 动工具48和切削工具组件26来制造微复制工具48。
槽和凸起可限定在挤出工艺等过程中用微复制工具48形成的微复制结 构的最终形状。作为另外一种选择，形成的槽和凸起可以通过移动工件中 的材料而非微复制工具来形成其它结构。此外，可在切削工具组件26与容 纳切削工具组件的切削机50之间使用快速刀具伺服系统。例如，快速刀具 伺服系统可振动切削工具组件26，以在微复制工具48内形成特定的微观 结构。
如图6所示，由于切削工具组件26具有多个刀柄28和32，因而具有 多个金刚石刀头30和34，因此在微复制工具48中切出深槽或多结构槽所 需要的切削道数也更少。切削工具组件26的一些实施例可包括两个以上刀 柄和两个以上金刚石刀头。多个金刚石刀头可以降低制造成本并縮短与制 造微复制工具相关的生产周期。在一些情况下，工件的制造时间即使没有 几天，也有几小时。将两个或更多个金刚石切削刀头合并在用来切削槽的 一个切削工具组件26内，可将生产周期縮短至上述时间的几分之一。此 外，使用多个刀头来制造工件也降低了对每个刀头的热稳定性要求。当刀头经过工件时会发热变形。如果出现这种情况，则每个刀头以后切出的切 口的尺寸将与之前的切口不同。而当采用多个刀头时，每个刀头可能不会 升温变形，也就不会切出尺寸不同的槽。作为另外一种选择，多个刀头也 可以让切削速度足够快，以使得刀头尺寸来不及变形。
例如，如果切削工具组件包括两个刀柄，每个刀柄均限定一个金刚石
刀头(如图6所示)，那么与包括单个刀柄的组件相比，在微复制工具48 内切出槽所需的道数会减少一半。更多刀柄可以类似方式带来更多有益效 果。此外，还可以在一个或两个金刚石上形成多个刀头，这也同样会提高 生产率(参见图8A和8B)。降低与微复制工具48的制造相关的成本又可 以有效降低与最终形成微复制结构相关的成本。
图7是多金刚石横向进给切削或螺纹切削工具组件的另一个侧视图。 在切削工具组件10中，当对组件10的描述涉及到刀柄12和16以及金刚 石刀头14和18时，可用到关于刀柄28和32以及金刚石刀头30和34所 描述的尺寸。在图7的实例中，刀柄28和32的金刚石刀头30和34也可 采用多种尺寸。刀头尺寸可以由图7所示的一个或多个变量限定，包括切 削高度(H)、切削宽度(W)和高度差(D)。切削高度(H)限定了金刚石能够切 入工件的最大深度，也可称为切削深度。切削宽度(W)可被定义为平均切削 宽度或如图7所示的刀头最大切削宽度。变量(D)是指金刚石刀头34所切 削的下一结构的深度。另一个可用来限定切削刀头尺寸的量称为纵横比。 纵横比是指高度(H)与宽度(W)的比率。采用聚焦离子束铣削工艺加工的金 刚石刀头可获得各种高度、宽度、节距和纵横比。
例如，形成的高度(H)和/或宽度(W)可小于约1000微米、小于约500 微米、小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约10微 米、小于约1.0微米或小于约0.1微米。另外，变量(D)可限定为小于约 1000微米、小于约500微米、小于约200微米、小于约100微米、小于约 50微米、小于约10微米、小于约5微米、小于约1.0微米，并且可接近 0.5微米的公差。在一些情况下，距离(D)可能小于金刚石刀头的高度 (H)。纵横比可限定为大于约1:5、大于约1:2、大于约1:1、大于约2:1或 大于约5:1。也可以使用聚焦离子束铣削工艺获得更大或更小的纵横比。 这些不同的形状和尺寸可有利于不同应用。
聚焦离子束铣削是指向金刚石发射加速离子(如镓离子)以铣削金刚 石原子的工艺，有时也称为烧蚀。加速的镓离子可以一个原子一个原子地 移除金刚石中的原子。也可以利用采用水蒸汽的蒸汽增强技术来改进聚焦 离子束铣削工艺。 一种合适的聚焦离子束铣床是可从FEI Inc. (Portland, Oregon)商购获得的9500型Micrion。 一般来讲，可采用聚焦离子束铣削 工艺来加工与要形成的深度或结构对应的精密金刚石刀头。 一家可以用于 加工一个或多个离子束铣削金刚石的聚焦离子束铣削服务的示例性供应商 是Materials Analytical Services (Raleigh, North Carolina)。
聚焦离子束铣削工艺通常非常昂贵。因此，为降低与多刀头金刚石的 制造相关的成本，希望金刚石刀头在进入聚焦离子束铣削工序之前，首先 对要用离子束铣削的金刚石刀头进行初始处理。例如，可以使用成本较低 廉的技术(如研磨或磨削)去除金刚石刀头的大部分。聚焦离子束铣削工 艺可确保获得上面列出的一个或多个尺寸或结构。此外，在进行聚焦离子 束铣削之前对金刚石刀头进行初始处理，可縮短形成经过离子束铣削的最 终金刚石刀头所需的聚焦离子束铣削时间。研磨是指用松散的研磨剂从金 刚石上去除材料的工艺，而磨削是指用固定在介质或基底中的研磨剂从金 刚石上去除材料的工艺。
图8A和8B是多刀头单金刚石切削工具组件的可选实施例。在图8A所 示实例中，切削工具组件52基本上类似于切削工具组件26。然而，该切 削工具组件利用多刀头金刚石56和刀柄54代替具有两个刀柄和两个单刀 头的金刚石。利用本文所述技术将刀柄54安装在安装结构60上。切削工 具组件52通过沿箭头方向移动而在工件中形成多结构槽。
多刀头金刚石56包括平坦的第一刀头和较高的第二刀头，以形成两个 结构。第一刀头与第二刀头之间没有间隙。可按本文关于两个独立金刚石 刀头所述的方法将金刚石56制成不同的形状和尺寸。
图8B所示为一个可选多刀头金刚石。切削工具组件62包括安装结构 70、刀柄64和多刀头金刚石66。金刚石66包括较低的第一刀头和较高的第二刀头，两个刀头之间有间隙。中间的间隙可以有利于减少金刚石发热 或让材料越过较低的第一刀头。其它形状的金刚石66也在本发明的范围之 内。
诸如多刀头金刚石56 (图8A)或66 (图8B)之类的多刀头金刚石可 以有利于形成深槽或多结构槽。由于固定多个金刚石刀头所需的刀柄减 少，因此也可以减少制造微复制工具过程中的时间、成本和定位误差。此 外，在组装过程中，可以使刀头的对准公差达到不受人为误差影响的非常 小的公差。对于某些微复制结构所需的精密多结构槽来说，多刀头金刚石 可能比多个独立的对准的金刚石刀头更为可取。
可利用本文所述技术制造多刀头金刚石56和66。这些技术包括但不 限于聚焦离子束铣削、研磨或磨削。在其它实施例中，可以按本文关于多 个独立的金刚石所述的方法使用带两个以上刀头、略微偏移的刀头和形状 不规则的刀头的多刀头金刚石来加工槽。
图9A和9B是不同的横截面侧视图，示出了在工件中切出槽的两个不 同多金刚石切削工具组件，以及可在工件中形成的槽。图9A示出了切削工 具组件26，该组件利用金刚石刀头30和34在微复制工具72中切出深槽 71。当金刚石刀头30和34沿箭头方向在微复制工具72上移动时，形成了 最终深度为D的槽71。深度D是从微复制工具72上移除的材料的累计深 度。槽71也可以是多结构槽。
当切削工具组件10用于飞切工艺时，可形成类似的槽。当组件10绕 工件旋转时，金刚石刀头14与金刚石刀头30的功能类似，金刚石刀头18 则与金刚石刀头34的功能类似。可以使用更多刀头来形成具有更多结构的 槽，例如图9B所示的槽。
图9B示出了在微复制工具92中形成深槽91的工艺。切削工具组件 73包括刀柄74、 78、 82和86，它们分别带有对准的金刚石刀头76、 80、 84和88。类似于组件10或26，每个刀柄74、 78、 82和86都安装在安装 结构90上。组件73在切削时沿箭头方向移动。切削工具组件73加工出最 终深度为D的具有四个结构的槽91。可以使用具有更多或更少的对准的金 刚石刀头在微复制工具92中形成更多或更少的结构。在其它实施例中，可以使用不同形状的金刚石刀头，或者可以在组件73中使用一个或多个多刀 头金刚石。槽91可以是多结构槽。
图IO是一个横截面俯视图，示出了在工件中切出槽的多金刚石切削工 具组件，以及在工件中形成的槽和凸起。图10可以代表采用包括飞切、横 向进给切削或螺纹切削在内的任何技术形成的多结构槽。图IO是沿切削工 具组件94相对于微复制工具96的切削方向的示例性视图。
当切削工具组件94经过微复制工具96时，切削工具组件的一道切削 即形成深槽98。槽98未显示槽98的每个深度，但虚线指示出在第一金刚 石刀头切削微复制工具96之后所形成的槽的形状。
在一些实施例中，组件94的刀头具有不同形状。例如，第二刀头可切 出只改变槽98的一侧的子结构。在这种情况下，槽98的一侧仍然具有由 第一刀头所形成的形状，而槽98的另一侧则发生变化，以匹配与第二刀头 有关的子结构。虚线的至少某些部分将构成槽98边缘的一部分。还可以形 成更多结构，如图11所示。
图11是一个横截面俯视图，示出了由多金刚石切削工具组件在工件中 形成的槽102和104及凸起。在微复制工具100中切出两个多结构槽102 和104。槽102用虚线显示了对应于刀头的每个深度。虚线表明，在相关 切削工具组件的一道切削中，四个金刚石刀头形成了槽102。槽104也是 按照类似槽102的方式形成的，它显示了不带虚线的最终的槽，以显示槽 的每个结构。更多或更少的金刚石刀头可以产生具有不同深度和形状的 槽，具体取决于用于形成槽的金刚石刀头。
图12是可固定到刀柄中并随后用于切削工具组件中的金刚石106的透 视图。金刚石106可与上述金刚石刀头14、 18、 30或34中的任何一个相 对应。如图12所示，金刚石106可以限定由至少三个表面(S1-S3)限定的 切削刀头108。表面Sl、 S2和S3可以采用磨削或研磨技术形成，并可以 采用聚焦离子束铣削技术进行精加工。
图13-20是另外的俯视图，示出了根据本发明的各种实施例的多金刚 石切削工具组件。图13、 15、 17和19显示了构造为用于横向进给切削、 螺纹切削或划线切削的组件，而图14、 16、 18和20显示了构造为用于飞切的组件。从图13-20的实例可以看出，可将各刀柄中的金刚石刀头做成 任何形状和尺寸。
例如，如图13和14所示，刀柄110、 114、 120和124的金刚石刀头 112、 116、 122和126可以限定大致矩形的形状。刀头112和122切出深 度为Dl的槽，刀头116和126分别随后将槽的深度加深至D2。如图15和 16所示，刀柄150、 154、 160和164的金刚石刀头152、 156、 162和166 限定了不同的刀头形状，以加工复杂的槽或多结构槽。刀头152和162形 成深度为Dl的方形槽，刀头156和166随后在该槽内形成深度为D2的倒 锥形子结构。如上所述，子结构的深度D2可以小于或等于深度Dl。其它 形状也可以形成多结构槽。例如，刀头156和166的一侧上可以有钝角， 以便在初始方形槽的一侧上形成子结构。
如图17和18所示，刀柄170和174 (图17)与180和184 (图18) 的不同金刚石刀头172、 176、 182和186可以限定不同的形状和尺寸。换 句话讲，分别由第一刀柄170和180限定的第一金刚石刀头172和182的 形状，可以完全不同于分别由第二刀柄174和184限定的第二金刚石刀头 176和186的形状。这种构造对形成光学膜可能尤其有用。在这种情况 下，在微复制工具内所形成的多结构槽可限定要在光学膜中形成的复杂结 构光学特性。具有各种其它形状的其它金刚石可以增加类似的有益效果。 例如，第一金刚石刀头可以切出一个允许第二金刚石刀头进入的槽，以形 成最终完成微复制工具中的所需槽的子结构。刀头172和182切出包括倾 斜侧壁的槽，刀头176和186在倾斜侧壁中切出阶梯状的子结构。
图19和20是多金刚石飞切转子的概念透视图。在图19的实施例中， 飞切系统190包括用来制造微复制工具的设备。基座206用来支撑平移台 198、马达192和飞切转子200。刀柄202包括用来切削微复制工具的金刚 石刀头。显微镜194包括用来精确安装刀柄202并将其与要添加到转子 200上的其它刀柄正确对准的物镜196。转子200绕贯穿转子中心的轴线 204旋转。
通过与转子200相连的定位球(未示出)相对于底座206保持转子 200和轴线204的中心。定位球让使用者能够限定轴线204在底座204上 的位置，以控制安装在转子200中的刀柄的切削操作。在转子200上提供了一个旋转微调装置，以在不调节显微镜的情况下将刀柄缓慢移入显微镜 的视野中。利用测角计台将每个刀柄旋转到相对于转子200的正确角度对
准位置。此外，还可提供一个精密的挠性平台，以在一个x-y平面内的两 个自由度上移动每个刀柄，从而将每个刀柄正确地布置在转子200中。该 方法可允许在不移动平移台198的情况下将每个刀柄202布置在转子200 中。
完成定位之后，即可将显微镜194移开以使其不妨碍转子200。在一 些实施例中，刀柄202可安装为垂直于转子200或平行于轴204。每个刀 柄都可以通过粘合剂、固定螺钉或其它固定机理连接到转子200上。还可 使用安全销(如图20所示)将每个刀柄固定就位。
在转子200上安装了所需数量的刀柄之后，即可在转子上添加额外的 粗调和微调平衡物，以在高速旋转时平衡转子。如果所需刀柄少于六个， 可以用代用配重代替刀柄202。代用配重也可以用于进行平衡微调。这样 可恰当地定位转子以制造微复制工具。刀柄202可以包括本文所述的任何 金刚石刀头或多金刚石刀头。
如图20所示，转子200包括六个刀柄座206。转子200在概念上类似 于切削工具组件10。每个刀柄座都包括刀柄208、金刚石刀头210、后支 承212、前支承214和安全销216。螺钉218将转子200安装到马达192 (图19)上。
后支承212和前支承214由螺钉固定就位，但可以采用任何类型的固 定装置。安全销216插在刀柄208的凹槽内，以使刀柄208在旋转过程中 保持固定在转子200上。所示后支承212与刀柄208的较大面积接触以支 撑刀柄208，防止刀柄208在切削过程中弯曲。尽管金刚石刀头210看上 去与转子200中的所有其它金刚石刀头相似，但每个金刚石的形状可以不 同。此外，金刚石刀头距离转子200的高度可以不同，以便在微复制工具 上切出不同结构的槽。
在其它实施例中，转子200可包括少至一个多刀头金刚石，或如图20 所示六个以上对准的金刚石刀头。根据制造微复制工具的需要，转子200 能够固定更多或更少的刀柄座。作为另外一种选择，在使用转子200时， 不必在每个刀柄座中都装有刀柄。在这种情况下，空刀柄座可用来平衡转子200。可以使用偶数或奇数个刀柄座的任何组合。在一些实施例中，一
些刀柄可包括一个金刚石刀头，而在同一转子上的其它刀柄可包括多刀头
金刚石。可以通过在转子200上增减配重螺钉来平衡转子的旋转。
转子200可由多种材料制成。所述材料应该具有高刚度和高抗疲劳 性。这类材料可包括但不限于铝、钢、不锈钢、钛或可允许转子200执行 其上述功能的任何金属合金。在可选实施例中，也可以使用高密度塑料或 复合材料制成转子200。与转子200配合使用的部件(诸如刀柄208、后支 承212和前支承214)也可以由与转子200类似的材料制成。
图21是飞切工具220的一个可选实施例的俯视图。类似于图1的切削 工具组件io，图21的切削工具组件220包括至少两个金刚石刀头，例如 刀柄222的金刚石刀头224和刀柄226的金刚石刀头228。刀柄222和226 安装为平行于轴232或垂直于安装表面230。此外，金刚石刀头224和228 径向对准，以使得在轴232旋转时，每个金刚石刀头沿着同一径向路线移 动。所得的深槽或多结构槽可能是微复制工具中的一个圆。
金刚石刀头224和228可以安装在不同高度上以形成深槽，或具有不 同形状以形成多结构槽。所得的圆形槽可以在任何工件中形成。在一些实 施例中，每一个刀柄222和226都可以限定一个金刚石中的两个或更多个 刀头，以形成深槽或多结构槽。飞切工具220可以包括本文所述的任何其 它结构。
已经描述了多个实施例。例如，己经描述了在金刚石切削机中使用的 对准的多金刚石切削工具组件。但是，在不背离以下权利要求的范围的情 况下，可对上述各实施方式做出各种改进。例如，可使用切削工具组件在 其它类型的工件(如除微复制工具之外的工件)中切出槽或其它结构。因 此，其它具体实施方式
和实施例均在以下权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种切削工具组件，包括安装结构；安装在所述安装结构内的第一刀柄，所述第一刀柄限定第一金刚石刀头，该第一金刚石刀头限定小于1mm的宽度；以及安装在所述安装结构内的第二刀柄，所述第二刀柄限定第二金刚石刀头，该第二金刚石刀头限定小于1mm的宽度，其中所述第一和第二刀柄布置在所述安装结构内，以使所述第一和第二金刚石刀头在所述切削工具组件的切削方向上的对准公差小于10微米。
2. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一金刚石刀头在 工件内形成深度为Dl的槽，所述第二金刚石刀头形成深度为D2的 更深的槽。
3. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一金刚石刀头在 工件内形成深度为Dl的槽，所述第二金刚石刀头在所述槽内形成深 度为D2的子结构。
4. 根据权利要求3所述的切削工具组件，其中所述深度D2小于或等于 所述深度D1。
5. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一金刚石刀头和 所述第二金刚石刀头中的至少一个限定小于100微米的宽度。
6. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述第一金刚石刀头的 切削高度相对于所述第一金刚石刀头的切削宽度的纵横比大于约 1:1。
7. 根据权利要求1所述的切削工具组件，其中所述切削工具组件是飞 切组件，该飞切组件构造为绕垂直于所述第一和第二金刚石刀头的 切削方向的轴线旋转。
8. 根据权利要求7所述的切削工具组件，其中所述第一和第二刀柄沿 着平行于与所述第一和第二金刚石刀头的切削方向垂直的轴线的方 向延伸。
9. 根据权利要求7所述的切削工具组件，其中所述飞切组件包括多个 狭槽，所述狭槽用来容纳所述第一和第二刀柄。
10. —种方法，包括将第一刀柄安装在安装结构中，所述第一刀柄限定第一金刚石刀头，该第一金刚石刀头限定小于lmra的宽度；并将第二刀柄安装在安装结构中，所述第二刀柄限定第二金刚石刀头，该第二金刚石刀头限定小于lmm的宽度；以及 对准所述安装结构内的所述第一和第二刀柄，以使得所述第一和第 二金刚石刀头在所述第一和第二金刚石刀头的切削方向上的对准公 差小于IO微米。
11. 根据权利要求10所述的方法，还包括将所述第一金刚石刀头布置到 高于所述安装结构的高度Hl，并将所述第二金刚石刀头布置到高于 所述安装结构的高度H2。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中高度Hl与高度H2的差值小于 100微米。
13. 根据权利要求10所述的方法，其中所述第一金刚石刀头在工件中形 成深度为Dl的槽，所述第二金刚石刀头形成深度为D2的更深的槽。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述第一金刚石刀头在工件中形 成深度为Dl的槽，所述第二金刚石刀头在所述槽内形成深度为D2 的子结构。
15. 根据权利要求10所述的方法，其中所述安装结构是飞切组件，该飞 切组件构造为绕垂直于所述第一和第二金刚石刀头的切削方向的轴 线旋转。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括将分别限定金刚石刀头的多个 刀柄中的每个刀柄安装在所述飞切组件的多个狭槽中的一个狭槽内。
17. 根据权利要求10所述的方法，还包括根据定位反馈在工具调整显微 镜下调节所述第一和第二刀柄中的至少一个刀柄相对于彼此的位置。
18. 根据权利要求10所述的方法，还包括 用测角计旋转所述第一和第二刀柄中的至少一个刀柄，以使所述刀 柄相对于所述安装结构角度对准；以及用精密的挠性平台在一个平面内平移所述第一和第二刀柄中的至少 一个刀柄，以相对于安装结构定位所述刀柄。
19. 一种切削工具组件，包括 安装结构；以及安装在所述安装结构内的刀柄，所述刀柄限定第一金刚石刀头和第 二金刚石刀头，所述第一金刚石刀头限定小于lmm的宽度，所述第 二金刚石刀头限定小于lmm的宽度；并且其中所述第一和第二金刚石刀头在所述切削工具组件的切削方向上 对准。
20. 根据权利要求19所述的切削工具组件，其中所述第一金刚石刀头在 工件中形成深度为Dl的槽，所述第二金刚石刀头在所述槽内形成深 度为D2的子结构。
21. 根据权利要求19所述的切削工具组件，其中所述第一和第二金刚石 刀头中的至少一个金刚石刀头限定小于100微米的宽度。
22. 根据权利要求19所述的切削工具组件，其中所述第一和第二金刚石 刀头的对准公差小于10微米。
全文摘要
本发明涉及一种用来在微复制工具中形成槽的切削工具组件。所述切削工具组件包括安装结构和在所述安装结构中对准的多个金刚石，所述金刚石的对准公差小于10微米。例如，可将带有第一和第二金刚石刀头的第一和第二刀柄布置在所述安装结构中，以使得所述第一金刚石刀头的切削位置与所述第二金刚石刀头的切削位置相同。然而，所述第二金刚石刀头距所述安装结构的限定距离可比所述第一金刚石刀头距所述安装结构的限定距离更远，或者所述第二金刚石刀头可具有不同于所述第一金刚石刀头的形状。这样，所述第一金刚石刀头可在工件内切出槽，并且所述第二金刚石刀头可以在所述槽中切出子结构以形成多结构槽。
文档编号B23B27/20GK101291764SQ200680038531
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月13日 优先权日2005年10月19日
发明者戴尔·L·埃内斯, 查尔斯·N·德沃尔, 珍妮弗·L·特赖斯, 艾伦·B·坎贝尔 申请人:3M创新有限公司