专利名称：在朝向工件的x方向和横向地沿着工件的z方向上变速独立运动的加工微结构的刀具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造微复制结构的微复制工具的金刚石加工。
背景技术：
加工技术可用于制造诸如微复制工具之类的各种各样的工件。微复制 工具通常用于挤出工艺、注塑成型工艺、压花工艺、浇注工艺等，从而形 成微复制结构。微复制型结构可能包括光学膜、研磨膜、粘合剂膜、具有 自配合外形的机械紧固件、或具有尺寸相对较小(例如小于约1000微米的 尺寸)的微复制特征的任何模制部件或挤出部件。也可以采用其它各种方法制成所述微结构。例如，可通过浇铸和固化 工艺将母模工具的结构从母模工具转移到诸如聚合材料带材或织物之类的 其它介质上以形成生产工具；然后使用这一生产工具制造微复制结构。可使用诸如电铸之类的其它方法复制该母模工具。制造导光薄膜的另一备选 方法是直接切削或加工透明材料以形成适当的结构。其它技术包括化学蚀刻、喷砂处理、或其它随机表面改性技术。然 而，这些技术通常不能形成获得合适光漫射特性所需的轮廓清晰的、精确 的微结构和特征宽度，而使用本发明方法的刀具可以获得这种合适的光漫 射特性。具体地讲，由于化学蚀刻、喷丸处理和其它随机表面改性技术固 有的不精确性和不可重复性，所以这些方法不能生产高精度的重复结构。发明内容第一刀具组件包括刀架和致动器，该致动器被构造为连接到刀架上， 并且与控制器进行电通信。连接到致动器上的刀头被安装为相对于待切削的工件运动。该致动器对刀头在朝向工件的X方向以及横向地沿着工件的 z方向上的运动提供独立和可变的控制，以便有选择地切削工件。第二刀具组件包括刀架和致动器，所述刀架能够沿待切削的工件横向 运动，所述致动器被构造为连接到刀架上并且与控制器电通信，所述致动 器包括压电堆。连接到压电堆上的刀头被安装为相对于待切削的工件运动。该致动器对刀头在朝向工件的X方向以及横向地沿着工件的Z方向上 的运动提供独立和可变的控制，以便有选择地切削工件，从而在工件中形 成微结构。
附图被并入本说明书并且构成其一部分，并且与具体实施方式
一起阐 明本发明的优点和原理。在附图中图1为在工件中制成微结构的刀具系统的示意图； 图2为示出用于刀具的坐标系的示意图；图3为用于刀具的示例性PZT堆的示意图；图4A为刀头座的透视图；图4B为用于保持刀头的刀头座的前视图4C为刀头座的侧视图4D为刀头座的俯视图5A为刀头的透视图5B为刀头的前视图5C为刀头的仰视图5D为刀头的侧视图6A为用于刀具中的X-Z致动器的俯视剖视图6B为示出PZT堆在X-Z致动器内的位置的侧面剖视图6C为X-Z致动器的前视图6D为X-Z致动器的后视图6E为X-Z致动器的俯视图6F和6G为X-Z致动器的侧视图6H为X-Z致动器的透视图7A为用于安装X-Z致动器的两个PZT堆的桨状物的透视图； 图7B为用于安装X-Z致动器的两个PZT堆的桨状物的俯视图； 图7C为用于安装X-Z致动器的两个PZT堆的桨状物的前视图； 图7D为用于安装X-Z致动器的两个PZT堆的桨状物的侧视图； 图7E为示出两个PZT堆安装在X-Z致动器的桨状物上的透视图；和 图8为概念性示出可使用包括X-Z致动器的刀具系统制成的微结构的 示意图。
具体实施方式
刀具系统
在已公开的PCT专利申请W0 00/48037中描述了常规金刚石车削技 术。在这些方法中使用的用于制成光学薄膜或其它薄膜的装置可包括快速 伺服刀架。如W0 00/48037中所公开的，快速伺服刀架(FTS)为被称为 PZT堆的固态压电(PZT)装置，PZT堆快速调整连接到所述PZT堆上的刀 具的位置。如下面详细描述的，FTS使刀具可以在坐标系内的多个方向上 做高精确度的高速运动。图1为在工件中制造微结构的刀具系统10的示意图；微结构可包括位 于制品表面上的、凹入制品表面的或从制品表面凸起的任何类型、形状以 及尺寸的结构。例如，使用本说明书描述的致动器和系统制造的微结构可
具有1000微米节距、100微米节距、1微米节距、或甚至约200纳米的亚 光学波长(nm)节距。提供这些尺寸仅为示例性目的，使用本说明书描述 的致动器和系统制成的微结构可以具有使用该系统可加工的范围内的任何 尺寸。
利用计算机12控制系统10。计算机12包括例如下列元件存储一个 或多个应用程序16的存储器14;提供非易失性信息存储的第二存储器
18;接收信息或命令的输入装置20;运行存储在存储器16或第二存储器
18中、或来自另一个来源的应用程序的处理器22;输出视频信息的显示装
置24;以及以用于音频信息的扬声器或用于信息硬拷贝的打印机之类的其
它形式输出信息的输出装置26。
利用刀头44对工件54执行切削加工。在工件54通过诸如计算机12 控制的电动机之类的驱动器和编码器56转动的同时，致动器38控制刀头 44的运动。在此实例中，示出的工件54为诸如硬铜辊之类的辊形式的； 然而，工件也可以是平面形式的和利用其它材料加工的。例如，作为选 择，工件可由铝、镍、钢或塑料(例如，丙烯酸树脂)制成。例如，使用 的具体材料可以取决于所需的具体应用，例如使用己加工的工件制成各种 薄膜。致动器38和下文所述的致动器可由例如不锈钢或其它材料制成。
致动器38可拆卸地连接到刀架36上，刀架又被安装在轨道32上。刀 架36和致动器38被构造成在轨道32上可沿箭头40和42所示的X方向和 Z方向运动。计算机12经由一个或多个放大器30与刀架36和致动器38 电连接。当用作控制器时，计算机12控制刀架36在轨道32上的运动并通 过致动器38控制刀头44的运动，以便加工工件54。如果致动器包括多个 PZT堆，那么它可以使用分开的放大器独立控制每个PZT堆，所述PZT堆 用于独立地控制连接在堆上的刀头的运动。如下面详细说明的，计算机12 可利用函数发生器28向致动器38提供波形，以便在工件54中加工各种微 结构。通过不同部件的协调运动完成工件54的加工。具体地讲，在计算机 12的控制下，该系统可以通过刀架36的运动协调并控制致动器38的运 动，同时协调并控制工件在C方向的运动以及刀头44在X方向、Y方向和 Z方向中一个或多个方向的运动，这些坐标将在下面说明。所述系统通常 使刀架36在Z方向做匀速运动，但也可以使刀架36做变速运动。通常刀 架36和刀头44的运动均与工件54在C方向的运动(如线条53表示的旋 转运动)同步。可以利用例如在计算机12的软件、硬件或其组合中执行的 数字控制技术或数字控制器(NC)控制所有那些运动。
工件54加工完之后可用于制成在多种用途中使用的具有相应微结构的 薄膜。这些薄膜的实例包括光学薄膜、摩擦控制薄膜以及微型紧固件或其 它机械微结构化部件。通常使用涂层工艺制成所述薄膜，在涂层工艺中， 将粘稠状态的材料涂布在工件上，使其至少部分固化，然后移除。固化材 料构成的薄膜将具有与工件中的结构基本上相反的结构。例如，工件中的 凹进部产生所得薄膜中的凸起部。
通过管线48和50利用冷却液46控制刀架36和致动器38的温度。温 度控制单元52可以使冷却液在流经刀架36和致动器38循环的同时保持基 本恒定的温度。温度控制单元52可以是提供流体温度控制的任何装置。冷 却液可以是油产品，例如低粘度油。温度控制单元52和冷却液贮箱46可 包括使流体流过刀架36和致动器38循环的泵，并且通常还包括使流体散 热的冷却系统以使流体基本上保持恒温。使流体循环并提供流体温度控制 的冷却和泵系统在本领域是已知的。在某些实施例中，为了使工件中要加 工的材料的表面温度保持基本恒定，也可以将冷却液施加于工件54。
图2为示出用于诸如系统10之类的刀具的坐标系的示意图。该坐标系 示出刀头62相对于工件64的运动。刀头62可以与刀头44相对应，并且 通常被连接到刀头座60上，所述刀头座连接到致动器上。在该示例性实施 例中，坐标系包括X方向66、 Y方向68和Z方向70。 X方向66指沿基本 上垂直于工件64的方向的运动。Y方向68指沿横过工件64的方向的运 动，例如沿基本上平行于工件64的旋转平面的方向的运动。Z方向70指 在横向地沿着工件64的方向上的运动，例如在基本上垂直于工件64的旋 转平面的方向上的运动。也如图1所示，工件的旋转方向被称为C方向。如果工件不是辊形式，而是平面形式的，那么Y方向和Z方向就指在沿基 本上垂直于X方向的方向横过工件的互相垂直的方向上的运动。
系统10可用于高精度的高速加工。这一类型的加工必须考虑诸如部件
的协调速度和工件材料之类的多种参数。例如，通常必须与工件材料的热 稳定性和特性一起考虑给定体积待加工金属的比能。在下列参考文献中描
述了有关力口工的切肖'J参数Machining Data Handbook ， Library of Congress Catalog Card No. 66-60051 ， Second Edition ( 1972 ); Edward Trent and Paul Wright, Metal Cutting, Fourth Edition, Butterworth-Heinemann ， ISBN 0-7506-7069-X ( 2000 ) ; Zhang Jin-Hua， Theory and Technique of Precision Cutting, Pergamon Press, ISBN 0-08-035891-8 ( 1991 ); 以及M. K. Krueger等人，New Technology in Metalworking Fluids and Grinding Wheels Achieves Tenfold Improvement in Grinding Performance ， Coolant/Lubricants for Metal Cutting and Grinding Conference, Chicago, Illinois, U. S. A. ， June 7， 2000。 PZT堆、刀头座和刀头
图3为用于刀具的示例性PZT堆72的示意图。PZT堆用于使与其相连 的刀头运动和根据PZT效应运行，这在本领域是已知的。根据PZT效应， 施加到某类材料的电场将使其沿一个轴线伸展，并沿另一轴线收縮。PZT 堆通常包括包封在壳体84内并且安装在基板86上的多个材料74、 76和 78。在这一示例性实施例中，材料是具有PZT效应的陶瓷材料。仅出于示 例性目的而示出三个盘状物74、 76和78，可以根据例如具体实施例的需 要使用任何数目的盘状物或其它材料、以及任何类别的形状的材料。柱88 粘附在盘状物上，并从壳体84伸出。例如，可以利用任何PZT材料制造所 述盘状物，诸如混合的、压制的和烧结的钛酸钡、锆酸铅或钛酸铅材料以 及以所列材料为基体的材料。其中一种PZT材料可得自Kinetic Ceramics ， Inc. ， 26240 Industrial Blvd. ， Hayward ， CA94545 ， U.S.A。例如，也可以利用磁致伸缩材料制造所述盘状物。
如线条80和82所示的盘状物74、 76和78的电连接为这些盘状物提 供电场，以使柱88运动。由于PZT效应以及根据施加的电场类型，可以使柱88进行精确和微小的运动，例如几微米以内的运动。另外，包括柱88 的PZT堆72的端部可紧靠一个或多个贝氏垫圈安装，所述垫圈用于为PZT 堆预加负荷。贝氏垫圈具有一定的柔韧性，以使柱88及与其连接的刀头可 以运动。位于下述致动器中的每个PZT堆也可以装有用于预加负荷的贝氏 垫圈，或者作为另外一种选择，装有安装在每个PZT堆上的用于为PZT堆 预加负荷的任何装置。图4A-4D为示例性刀头座90的视图，如下文所述，所述刀头座将被安 装在PZT堆的柱88上，以接受致动器的控制。图4A为刀头座90的透视 图。图4B为刀头座90的前视图。图4C为刀头座90的侧视图。图4D为刀 头座90的俯视图。如图4A-4D所示，刀头座90包括平坦的后表面92、楔形的前表面94 和具有倾斜或楔形侧面的凸出表面98。孔96用于将刀头座90安装在PZT 堆的柱上。楔形表面98用于安装加工工件的刀头。在这一示例性实施例 中，刀头座90包括平坦表面，从而在安装到PZT堆上时，通过提供更大的 接触表面积而增强其安装稳定性；并且该刀头座包括楔形的前表面，从而 减轻其质量。利用粘合剂、硬钎焊、软钎焊、诸如螺栓之类的紧固件，或 用其它方法将刀头座90安装在PZT堆的柱88上。例如根据具体实施例的要求，也可使用其它的刀头座构造。术语"刀 头座"旨在包括用于保持加工工件的刀头的任何类型的结构。可以采用例 如下列一种或多种材料制造刀头座90:烧结的碳化物、氮化硅、碳化硅、 钢或钛。优选将刚性和轻质材料用于刀头座90。图5A-5D为示例性刀头100的视图，通过使用诸如粘合剂、硬钎焊、 软钎焊或其它方式将所述刀头固定到刀头座90的表面98上。图5A为刀头 100的透视图。图5B为刀头100的前视图。图5C为刀头100的仰视图。 图5D为刀头100的侧视图。如图5A-5D所示，刀头100包括侧面104、楔 形或倾斜的前表面106和用于将刀头固定到刀头座90的表面98上的底面 102。在致动器控制下，利用刀头100的前部105加工工件。可以利用例如 金刚石块作为刀头90。X-Z致动器图6A-6H为示例性X-Z致动器110的视图。术语"X-Z致动器"指使 刀头大致在X方向和Z方向两个方向上运动以加工工件的任何类型的致动 器或其它装置。图6A为X-Z致动器110的俯视剖视图。图6B为示出PZT 堆在X-Z致动器110内的位置的侧面剖视图。图6C为X-Z致动器110的前 视图。图6D为X-Z致动器110的后视图。图6E为X-Z致动器110的俯视 图。图6F和6G为X-Z致动器110的侧视图。图6H为X-Z致动器110的透 视图。为了清楚起见，在图6C-6H中移除了X-Z致动器110的一些细节。
如图6A-6H所示，X-Z致动器IIO包括主体112，所述主体能够保持X 方向的PZT堆118和Z方向的PZT堆116。 PZT堆118和116连接到具有刀 头的刀头座136上，用于使刀头分别在如箭头138和140所示的X方向和 Z方向运动。PZT堆118和116可以是如图3所示的示例性PZT堆72。刀 头座136和位于刀头座136上的刀头可以是如图4A-4D所示的刀头座和如 图5A-5D所示的刀头。主体112还包括两个孔114和115，所述孔用于例 如利用螺栓将主体安装到刀架36上，从而在计算机12控制下加工工件 54。
PZT堆118和116牢固地安装在主体112中，以获得精确控制刀头的 运动所需的稳定性。通过诸如导轨120和122之类的导轨将PZT堆118固 定在主体112中，通过诸如导轨124和126之类的导轨将PZT堆116固定 在主体112中。优选可以通过沿导轨滑动PZT堆118和116的方法从主体 112取出PZT堆，并可以利用螺栓或其它紧固件将PZT堆在主体112中固 定在位。PZT堆118禾CI 116分别包括用于从计算机12接收信号的电连接 130和134。 PZT堆118和116的端盖分别包括口 128和132，这些口用于 从贮存器46接收诸如油之类的冷却液，使冷却液围绕PZT堆循环并将冷却 液送回贮存器46，从而保持对冷却液的温度控制。主体112可包括引导冷 却液流经PZT堆118和116周围的合适的通道，并且可以利用温度控制单 元52内的泵或其它装置循环冷却液。
图6B为示出PZT堆118在主体112中的位置的侧面剖视图，图中未示 出PZT堆118的端盖。主体112的每个孔内均可包括用于PZT堆的多根导 轨，以将PZT堆牢固地保持在位。例如，为了在将PZT堆118安装在主体 112中时将PZT堆牢固地保持在位，导轨120、 122、 142和144环绕在PZT堆118周围。连接到PZT堆118上的端盖可容纳螺栓或其它紧固件，以将 PZT堆固定到导轨120、 122、 142和144中的一个或多个上，并且端盖还 可将PZT堆118密封在主体112中，以便使冷却液围绕PZT堆118循环。 可采用类似的方式安装PZT堆116。 PZT堆116和118都可以包括一个或多 个贝氏垫圈，所述垫圈位于PZT堆和刀头座136之间，用于对PZT堆预加 负荷。
图7A-7D示出了用于将致动器116和118固定到刀头座136上的桨状 物150。图7A为桨状物150的透视图。图7B为桨状物150的俯视图。图 7C为桨状物150的前视图。图7D为桨状物150的侧视图。图7E为示出两 个PZT堆安装在桨状物150上的透视图。如图7A-7D所示，桨状物150包 括环形部分156和152，其中，环形部分156的一个表面固定在用于Z方 向控制的PZT堆116上；环形部分152的一个表面固定在用于X方向控制 的PZT堆118上。在这一实施例中，环形部分152和156分别包括孔154 和158。孔154可用于通过例如紧固件将桨状物150固定到PZT堆118和 刀头座136上。优选地由钛制成桨状物150，作为另外一种选择，也可以 由其它材料制成桨状物150。例如，作为另外一种选择，可由铝制成桨状 物150。选择用于制造桨状物150的材料的考虑因素包括例如材料的强度 与重量比。如图7E所示，可通过使用粘合剂、硬钎焊、软钎焊或其它方式 将致动器116和118固定到桨状物150上。
图8为概念性示出可使用具有X-Z致动器的刀具系统制成的微结构的 示意图。如图8所示，制品160包括顶面162和底面164。顶面162包括 如线条166所示的微结构，并且可以用如下方法制成那些微结构，即使 用上述致动器加工工件，然后使用该工件采用涂层技术制成薄膜或制品。
虽然已结合示例性实施例描述本发明，但应当理解，对本领域的技术 人员来说，许多修改形式是显而易见的，本专利申请旨在涵盖其任何修改 或变化。例如，在不脱离本发明范围的前提下，刀架、致动器和刀头可以 使用各种类型的材料和构造。本发明应当仅受限于权利要求书及其等同 物。
权利要求
1. 一种刀具组件，包括刀架；致动器，其被构造为连接到所述刀架上并与控制器电通信；和刀头，其连接到所述致动器上并被安装为相对于待切削工件运动，其中所述致动器对所述刀头在朝向所述工件的X方向以及横向地沿着所述工件的Z方向上的运动提供独立和可变控制，以便有选择地切削所述工件。
2. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述致动器包括与所述刀头 相连并且与所述控制器电连接的用于控制所述刀头的运动的一对压 电堆。
3. 根据权利要求2所述的刀具组件，还包括用于将所述一对压电堆连 接到所述刀头上的桨状物。
4. 根据权利要求3所述的刀具组件，其中所述桨状物由钛材料构成。
5. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述致动器包括传输流体的 口，所述流体流经所述致动器以冷却所述致动器。
6. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述致动器包括第一放大器 和第二放大器，所述第一放大器用于控制所述刀头在所述X方向的 运动，并且所述第二放大器用于控制所述刀头在所述Z方向的运 动。
7. 根据权利要求2所述的刀具组件，还包括连接到所述压电堆的用于 为所述压电堆预加负荷的垫圈。
8. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述刀架被构造为使所述致 动器在沿所述工件的Z方向上以基本恒定的速度运动。
9. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述致动器被构造为可拆卸 地连接到所述刀架的柱上。
10. —种切削工件的方法，包括 提供刀架；提供致动器，所述致动器构造为连接至所述刀架上并与控制器电通信；将刀头安放在所述致动器中，使所述刀头相对于待切削工件运动； 和构造所述致动器，使致动器对所述刀头在朝向工件的X方向以及横 向地沿着所述工件的Z方向上的运动提供独立和可变的控制，以便 有选择地切削所述工件。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述构造致动器的步骤包括利用 一对压电堆控制所述刀头的运动。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括利用桨状物将所述一对压电堆 连接到所述刀头上。
13. 根据权利要求10所述的方法，还包括用流体冷却所述致动器。
14. 根据权利要求10所述的方法，其中所述构造致动器的步骤包括利 用第一放大器控制所述刀头在所述X方向的运动，利用第二放大器 控制所述刀头在所述Z方向的运动。
15. 根据权利要求11所述的方法，还包括利用垫圈为所述压电堆预加负 荷。
16. 根据权利要求10所述的方法，其中所述提供刀架的步骤包括使所述 致动器在沿所述工件的Z方向上以基本恒定的速度运动。
17. 根据权利要求10所述的方法，还包括将所述致动器可拆卸地连接到 所述刀架的柱上。
18. —种刀具组件，包括刀架，其能够沿待切削工件横向运动；致动器，其被构造为连接至所述刀架上并与控制器电通信，所述致 动器包括压电堆；和刀头，其连接到所述致动器中的所述压电堆上并被安装为相对于待 切削工件运动，其中，所述致动器对所述刀头在朝向所述工件的X 方向以及横向地沿着所述工件的Z方向上的运动提供独立和可变的 控制，以便有选择地切削所述工件，从而在所述工件中制造微结 构。
19. 根据权利要求18所述的刀具组件，其中所述致动器包括传输流体的口，所述流体流经所述致动器以冷却所述致动器。
20. 根据权利要求18所述的刀具组件，其中所述致动器被构造为可拆卸 地连接到所述刀架的柱上。
21. —种制造微结构化制品的方法，包括 制作加工的工件，包括提供刀架；提供致动器，所述致动器被构造为连接至所述刀架上并与控制器电通信；将刀头安放在所述致动器中，以使所述刀头相对于所述待切削工 件运动；禾口构造所述致动器，使其对所述刀头在朝向所述工件的X方向以及 横向地沿着所述工件的Z方向上的运动提供独立和可变的控制， 以便有选择地切削所述工件，从而制造所述加工的工件；将材料施加在所述加工的工件上，使所述材料基本上与所述加工的工件的表面一致；和从所述加工的工件移除所述材料。
全文摘要
一种具有刀架和致动器的刀具组件，所述刀架能够沿待切削工件横向运动，所述致动器带有刀头。所述致动器对所述刀头在朝向所述工件的X方向以及横向地沿着所述工件的Z方向上的运动提供独立和可变的控制，以便有选择地切削所述工件，从而在所述工件中制造微结构。
文档编号B23Q15/013GK101304839SQ200680042108
公开日2008年11月12日 申请日期2006年10月30日 优先权日2005年11月15日
发明者丹尼尔·S·沃茨, 戴尔·L·埃内斯, 艾伦·B·坎贝尔 申请人:3M创新有限公司