连续或断续切削型快速刀具伺服装置中的使用一个或多个机加工刀头的刀具的制作方法

专利名称：连续或断续切削型快速刀具伺服装置中的使用一个或多个机加工刀头的刀具的制作方法
连续或断续切削型快速刀具伺服装置中的使用 一个或多个机加工刀头的刀具
背景技术：
机加工技术可用于制造诸如微复制工具之类的多种工件。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。所述微复制结构可以包括光学薄膜、研磨薄膜、粘合剂薄膜、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)的微复制结构的任何模制或挤出部件。
也可采用多种其它方法制成微结构。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巻材之类的其它介
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。可以使 用其它方法(例如电铸)来复制所述母模工具。制造导光薄膜的另一备选 方法是直接切削或机加工透明材料，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。

发明内容
根据本发明的第一刀具组件包括刀架和致动器，所述致动器被构造为 用于连接到刀架并与控制器进行电通信。具有至少一个微结构的刀头被连 接到所述致动器并且被装配为相对于待切削工件运动，并且所述致动器使 所述刀头在进入和离开所述工件的X方向上运动。在切削所述工件期间， 所述刀头与所述工件不连续地接触，并且在切削所述工件期间的至少一部 分期间，所述刀头上的所述微结构与所述工件接触。
根据本发明的第二刀具组件包括刀架和致动器，所述致动器被构造为 用于连接到刀架并与控制器进行电通信。具有至少一个微结构的刀头被连 接到所述致动器并且被装配为相对于待切削工件运动，并且所述致动器使 所述刀头在进入和离开所述工件的X方向上运动。在切削所述工件期间，
5所述刀头与所述工件连续地接触，并且在切削所述工件期间的至少一部分 期间，所述刀头上的所述微结构与所述工件接触。
作为另外一种选择，所述第一和第二刀具组件可以包括被布置为彼此 接近并且同时切削所述工件的多个刀头。这些多个刀头中的每一个都可以 可选地具有至少一个微结构。


附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，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为在工件中形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为断续切削型FTS致动器的俯视剖视图6B为示出PZT堆在致动器中的位置的前剖视图6C为致动器的前视图； 图6D为致动器的后视图； 图6E为致动器的俯视图6F和6G为致动器的侧视图6H为致动器的透视图7A为示出断续切削的示意图，其中进入工件的入锥角基本上等于离 开工件的出锥角；图7B为示出断续切削的示意图，进入工件的入锥角小于离开工件的出
锥角；
图7C为示出断续切削的示意图，进入工件的入锥角大于离开工件的出 锥角；
图8为概念性地示出可使用具有断续切削FTS致动器的所述刀具系统 制造的微结构的示意图。
图9A为机加工刀头的透视图； 图9B为机加工刀头的前视图9C为机加工刀头的仰视图9D为机加工刀头的侧视图10A为具有机加工刀头和非机加工刀头的多头工具的侧视图； 图10B为具有多个机加工刀头的多头工具的侧视图11A和11B分别为概念性地示出微结构的侧视图和透视图，所述微 结构可以使用具有FTS致动器的刀具系统制造，所述FTS致动器具有至少 一个机加工刀头；以及
图12A和12B分别为概念性地示出微结构的侧视图和透视图，所述微 结构可以使用具有断续切削FTS致动器的刀具系统制造，所述FTS致动器 具有至少一个机加工刀头。
具体实施方式
刀具系统
常规的金刚石车削技术在巳公开的PCT专利申请W0 00/48037中有所 描述，该PCT专利申请的全文以引用的方式并入本文。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工具。如W0 00/48037中所公开的，快速工具伺服装置(FTS)是被称为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各个方向做高精确度的高速运 动。
图1为在工件内制造微结构的刀具系统10的示意图。微结构可以包括 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，甚至约200纳米(nm) 的亚光学波长节距。作为另外一种选择，在其它实施例中，微结构的节距 可大于1000微米，这与其切削方法无关。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造的微结构可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 器14，其用于存储一个或多个应用程序16;第二存储器18，其提供非易 失性信息存储；输入装置20，其用于接收信息或命令；处理器22，其用于 执行存储在存储器14或第二存储器18中的、或来自另一个来源的应用程 序；显示装置24，其用于输出视频信息显示；以及输出装置26，其用于以 其它形式输出信息，例如用于输出音频信息的扬声器或用于输出信息硬拷 贝的打印机。
利用刀头44对工件54执行切削加工。在使用驱动器和编码器56 (例 如由计算机12控制的电动机)转动工件54时，致动器38控制刀头44的 运动。在此实例中，工件54被显示为辊形的；然而，工件也可以是平面形 式的。可以使用可加工的任何材料；例如，可利用铝、镍、铜、黄铜、钢 或塑料(例如，丙烯酸树脂)制成工件。要使用的具体材料可以取决于 (例如)具体的期望应用，例如使用加工好的工件制备的各种薄膜。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，刀架又被安装到轨道32上。刀 架36和致动器38构造为可在轨道32上沿箭头42所示的X方向和箭头40 所示的Z方向运动。计算机12通过一个或多个放大器30与刀架36和致动 器38电连接。当作为控制器使用时，计算机12控制刀架36沿轨道32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 具有多个PZT堆，它就可以使用分开的放大器以便分别控制每个PZT堆， 所述PZT堆用于独立地控制连接在其上的刀头的运动。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。通过各种部件的协调运动完成工件54的机加工。具体地讲，在计算机 12的控制下，该系统可通过刀架36的运动协调和控制致动器38的运动， 同时协调和控制工件在C方向53上的运动以及刀头44在X方向、Y方向 和Z方向中的一个或多个方向的运动，这些坐标将在下面说明。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。刀架36 和刀头44的运动通常与工件54在C方向的运动(如由线条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)控制所有这些运动。
工件的切削可以包括连续和不连续的切削运动。对于辊形的工件，切 削可包括环绕或围绕辊的螺旋型切削(有时称为螺纹切削)或单个圆切 削。对于平面形式的工件，切削可包括在工件上的或围绕工件的螺旋型切 削或单个圆切削。还可以采用X切削，这种切削涉及接近直线的切削形 式，其中金刚石刀头可横向进出工件，但是刀架的整体运动是直线的。切 削也可包括这些运动类型的组合。
在加工完成之后，工件54可用于制备用在多种应用中的具有相应微结 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元件。通常使用涂层工艺制备薄膜，其中将粘稠状态 的聚合材料施加到工件上，使其至少部分固化，然后移除。由固化聚合物 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 的凹陷导致所得薄膜中的凸起。加工完成后，工件54还可用于制造具有与 刀具中的分立元件或微结构相对应的分立元件或微结构的其它制品。
通过管路48和50使用冷却流体控制刀架36和致动器38的温度。温 度控制单元52能够使冷却流体在循环流过刀架36和致动器38的同时保持 基本恒定的温度。温度控制单元52可以是用于控制流体温度的任何装置。 冷却流体可以是油产品，例如低粘度油。温度控制单元52和冷却流体的贮 存器46可包括使流体循环流过刀架36和致动器38的泵，并且通常还包括 使流体散热的冷却系统，以使流体保持基本恒定的温度。使流体循环并对 其提供温度控制的冷却系统和泵系统在本领域是己知的。在某些实施例 中，为使要在工件中加工的材料的表面温度保持基本恒定，也可以将冷却 流体施加到工件54。图2为示出刀具(例如系统10)坐标系的示意图。该坐标系示出了刀
头62相对于工件64的运动。刀头62可以与刀头44相同，并且通常连接 到与致动器相连的刀头座60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是指沿基本上垂直于工件64的方向 的运动。Y方向68是指沿横过工件64的方向的运动，例如沿着基本上垂 直于工件64的旋转轴线的方向的运动。Z方向70是指在横向地沿着工件 64的方向上的运动，例如在基本上平行于工件64的旋转轴线的方向上的 运动。工件的旋转称为C方向，如在图1和图2中用箭头53表示的方向。 如果工件不是辊形，而是平面形式的，那么Y方向和Z方向就是指沿基本 上垂直于X方向的方向横过工件的互相垂直方向上的运动。平面形式的工 件可包括(例如)由平面材料制成的转盘或任何其它构造。
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多种参 数，例如元件的协调速度和工件材料。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的待加工金属的比能量。有关加工的切削参数在下 面的参考文献中有所描述，这些专利均以引用方式并入本文Machining Data Handbook, Library of Congress Catalog Card No. 66-60051， Second Edition (1972)(《加工数据手册第二版》，国会图书馆目录卡片 编号No. 66-60051，第二版(1972)) ; Edward Trent and Paul Wright, Metal Cutting, Fourth Edition, Butterworth-Heinemann， ISBN 0_ 7506-7069-X (2000)(《金属切削》，第四版，作者Edward Trent和 Paul Wright,出版商Butterworth-Heinemann，国际标准图书编号 ISBN 0-7506-7069-X (2000)) ; Zhang Jin-Hua， Theory and Technique of Precision Cutting, Perg扁n Press, ISBN 0-08-035891-8 (1991) (《精密切削的理论与技术》，作者Zhang Jin-Hua，出版商Pergamon Press,国际标准图书编号ISBN 0-08-035891-8 (1991));以及M. K. Krueger et al. ， New Technology in Metalworking Fluids and GrindingWheelsAchievesTenfoldImprovementin Grinding Performance ， Coolant/Lubricants for Metal Cutting and Grinding Conference, Chicago, Illinois, U.S.A., June 7， 2000 (《金属力口工液 新技术和磨轮在磨削性能方面获得十倍改善-金属切削和磨削使用的冷却剂/润滑剂公会》，作者Krueger等人，美国伊利诺斯州芝加哥，2000年6 月7曰)。
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堆根据本领域中已 知的PZT效应运行，用于使与其相连的刀头运动。根据PZT效应，施加到 某些类型材料的电场会使这些材料沿一条轴线伸展，并且沿另一条轴线收 縮。PZT堆通常包括包封在壳体84内并装配在基板86上的多个材料74、 76和78。在该示例性实施例中，材料是易受PZT效应影响的陶瓷材料。仅 以示例性目的示出三个盘状物74、 76和78，但也可以根据(例如)具体 实施例的要求使用任何数目的盘状物或其它材料，以及任何类型的形状的 材料。柱88附着在盘状物上，并从壳体84中伸出。可以采用任何PZT材 料制造盘状物，例如混合的、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。也可采用(例如)磁致伸縮材料制造 盘状物。
如线条80和82所示的盘状物74、 76和78的电连接件为这些盘状物 提供电场，以使柱88运动。由于PZT效应并且基于所施加的电场类型，可 以使柱88进行精确而细微(例如在几微米内)的运动。另外，可以将具有 柱88的PZT堆72的端部紧靠一个或多个贝氏垫圈装配，所述垫圈为PZT 堆提供预加负荷。贝氏垫圈具有一定的柔韧性，以使得柱88和与其连接的 刀头可以运动。
图4A-4D为示例性刀头座90的视图，如下文所述，所述刀头座装配到 PZT堆的柱88上，以便由致动器进行控制。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包括平面的后表面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装配到PZT 堆的柱上。楔形表面98用于装配加工工件的刀头。在该示例性实施例中， 刀头座90包括平面表面，从而在装配到PZT堆上时，通过提供更大的接触 表面积而增强其装配稳定性，并且刀头座包括楔形前表面，从而减少其质量。可利用粘合剂、硬钎焊、软钎焊、紧固件(例如螺栓)或其它方法将
刀头座90装配在PZT堆的柱88上。
可以根据(例如)具体实施例的要求使用其它构造的刀头座。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。刀头座
90可采用(例如)下列一种或多种材料制造烧结的碳化物、氮化硅、碳
化硅、钢、钛、金刚石、或人造金刚石材料。优选地采用刚性轻质材料制
造刀头座90。
图5A-5D为示例性刀头100的视图，通过使用(例如)粘合剂、硬钎 焊、软钎焊或其它方法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、楔形和倾斜的前表面106和用于将刀头固定到刀头座90的表面98上 的底面102。在致动器的控制下，利用刀头100的前部105加工工件。刀 头100可采用(例如)金刚石块制成。
断续切削FTS致动器
在切削期间，利用断续切削FTS致动器使刀头与工件不连续地接触， 以制造小型微结构，从而形成不相邻的微结构。这些结构可用来制造薄膜 光导、微流体结构、分段粘合剂、磨料制品、光学扩散片、高对比度光学 屏幕、光重定向薄膜、抗反射结构、光混合膜和装饰薄膜。
致动器可以具有其它优点。例如，制造小到肉眼不可见的结构。例 如，这类结构减少了对液晶显示器中用于隐藏光提取结构的扩散片的需 要。在光导上方使用交叉的BEF (增强亮度)薄膜也会产生光混合作用， 这种光混合作用与这些小型结构一起消除了对扩散层的需要。另一个优点 是可制成线形或圆形的光提取结构。例如，线形的光提取结构可与常规的 冷阴极荧光灯(CCFL)光源结合使用。圆形的光提取结构可以形成在中心点 位于通常放置LED的位置处的圆弧上。另一个优点涉及编程和结构布局， 其中所有结构均无需如同连续的凹槽一样地沿单根线布置。可通过布置沿 着结构的间距、与结构正交的间距以及深度，来确定性地调整光提取结构 的面密度。此外，可优选地通过选择切削面的角度或半角来形成光提取角 度。
12例如，这些结构的深度可以在0至35微米的范围内，并且更典型地在 0至15微米的范围内。对于辊形的工件，利用工件围绕C轴旋转的每分钟 转数(RPM)、 FTS的响应时间以及输入FTS的波形来控制任何单个结构的长 度。例如，可将结构长度控制在1至200微米。对于螺旋型切削，也可以 将与凹槽正交的间距(节距)编程为1至1000微米。如下面所示，制造这 些结构的刀头将锥入(taper in)和锥出(taper out)材料，由此形成结 构，结构的形状由RPM、 FTS的响应时间和输入FTS的波形、心轴编码器的 分辨率和金刚石刀头的间隙角(例如，最大值为45度)控制。间隙角可包 括刀头的刀面角。结构可具有任何类型的三维形状，例如对称的、非对称 的、半-半球状的、棱柱形的和半椭球形的形状。
图6A-6H为用于实现断续切削微复制系统和工艺的示例性致动器110 的视图。术语"致动器"指使得刀头基本上在X方向运动以加工工件的任 何类型的致动器或其它装置。图6A为致动器110的俯视剖视图。图6B为 示出PZT堆在致动器110中的位置的前剖视图。图6C为致动器110的前视 图。图6D为致动器110的后视图。图6E为致动器110的俯视图。图6F和 6G为致动器110的侧视图。图6H为致动器110的透视图。为了清楚起 见，图6C-6H中去掉了致动器110的一些细节。
如图6A-6H所示，致动器110包括能够保持X方向PZT堆118的主体 112。将PZT堆118连接到装有刀头135的刀头座136上，以使刀头在如箭 头138所示的X方向运动。PZT堆118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135可以采用如图4A-4D所示 的刀头座和如图5A-5D所示的刀头。主体112还包括两个小孔114和 115，这两个小孔用于利用例如螺栓将主体可拆卸地装配到刀架36上，从 而在计算机12控制下加工工件54。
PZT堆118牢固地装配在主体112上，以得到精确控制刀头135运动 所需的稳定性。在该实例中，刀头135上的金刚石是相对于竖直面偏移45 度的金刚石，但可以使用其它类型的金刚石。例如，刀头可为V型的(对 称或非对称)、圆头的、扁平的或曲面刀具。由于不连续的(非相邻的) 结构是在金刚石车床上切削出来的，因此它们可为线形或圆形的。此外，由于结构不连续，因此它们甚至不需要沿单条线或单个圆圈布置。它们可 伪随机地散布。
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。可优选地通过沿轨道滑动PZT堆118的方法从主体112取出PZT堆 118，并且可以利用螺栓或其它紧固件将PZT堆118在主体112中固定就 位。PZT堆118包括用于接收来自计算机12的信号的电连接件130。 PZT 堆118的端盖包括口 128，该口用于接收来自贮存器46的冷却流体(例如 油)，使冷却流体围绕PZT堆循环并通过口 132将冷却流体输送回贮存器 46，以保持对PZT堆的温度控制。主体112可包括用于引导冷却流体流经 PZT堆118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 它装置使冷却流体循环。
图6B为前剖视图，示出了PZT堆118在主体112中的位置，其中未示 出PZT堆118的端盖。主体112的每个孔内均可包括用于将PZT堆牢固地 保持就位的多根导轨。例如，导轨120、 122、 142和144包围PZT堆 118，以便在将PZT堆118装配在主体112中时将PZT堆118牢固地保持就 位。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中的一根或多根上，并且端盖还可将PZT 堆118密封在主体112中，以使冷却流体围绕PZT堆118循环。PZT堆118 可包括位于PZT堆118与刀头座136之间的用于为PZT堆预加负荷的一个 或多个贝氏垫圈。
图7A-7C示出了使用上文所述的示例性致动器和系统对工件进行断续 切削加工。具体地讲，图7A-7C示出了使用可变的刀头入锥角(taper-in angle)和出锥角(taper-out angle)，并且可使用(例如)上文确定的 参数控制这些角。图7A-7C分别示出了在利用不同的入锥角和出锥角切削 工件之前和之后的工件的实例。用入A表示入锥角，用A^表示出锥角。术 语入锥角和出锥角分别表示加工期间刀头进入工件和离开工件的角度。入 锥角和出锥角不必与刀头穿过工件移动时的角度一致；相反，它们是指刀 头接触和离开工件时的角度。在图7A-7C中，刀头和工件可以是(例如) 上文的系统和部件。
14图7A为示出断续切削150的示意图，其中进入工件153的入锥角基本 上等于离开工件的出锥角。如图7A所示，刀头151进入工件153的入锥角 152基本上等于出锥角154 ( X A^ X J 。刀头151进入工件153的持续时间 决定了所得微结构的长度L(156)。在使用基本上相等的入锥角和出锥角的 情况下，通过利用刀头从工件中移除材料可形成基本上对称的微结构 158。可重复此过程以制造其它微结构，例如以距离D(162)分开的微结构 160。
图7B为示出断续切削的示意图，其中进入工件167的入锥角小于离开 工件的出锥角。如图7B所示，刀头165进入工件167的入锥角166小于出 锥角168(入入<入*)。刀头165在工件167内的停留时间决定了所得微结 构的长度170。使用小于出锥角的入锥角，通过利用刀头从工件中移除材 料可形成非对称的微结构，例如微结构172。可重复此过程制造其它微结 构，例如以距离176分开的微结构174。
图7C为示出断续切削的示意图，其中进入工件181的入锥角大于离开 工件的出锥角。如图7C所示，刀头179进入工件181的入锥角180大于出 锥角182(入入>^出)。刀头179在工件181内的停留时间决定了所得微结 构的长度184。使用大于出锥角的入锥角，通过利用刀头从工件中移除材 料可形成非对称的微结构，例如微结构186。可重复此过程制造其它微结 构，例如以距离190分开的微结构188。
在图7A-7C中，用于表示入锥角和出锥角的虚线(152、 154、 166、 168、 180、 182)旨在概念性地示出刀头进入和离开工件的角度实例。切削 工件时，刀头可以以任何具体类型的路径运动，例如直线路径、弯曲路 径、包括直线运动和弯曲运动的组合路径、或由具体函数限定的路径。可 选择刀头的路径以优化诸如完成工件切削的总时间等切削参数。
图8为概念性地示出微结构的示意图，微结构的制造方法可为使用 具有断续切削FTS致动器的刀具系统制造机加工工件，然后使用此工件制 造结构化薄膜。如图8所示，制品200包括顶面202和底面204。顶面202 包括断续切削的凸起微结构，例如结构206、 208和210，这些微结构的制 造方法可为使用上文的致动器和系统加工工件，然后使用此工件利用涂 层技术制造薄膜或制品。在该实例中，每个微结构都具有长度L，顺序切削的微结构以距离D分开，相邻的微结构以节距P分开。采用这些参数的 实例见上文。
机加工刀头
图9A-9D为示例性机加工刀头220的视图，例如通过使用粘合剂、硬 钎焊、软钎焊或其它方法将该刀头固定到刀头座90的表面98上。图9A为 刀头220的透视图。图9B为刀头220的前视图。图9C为刀头220的仰视 图。图9D为刀头220的侧视图。如图9A-9D所示，刀头220包括侧面 224、楔形和倾斜的前表面226、以及用于将刀头固定到刀头座90的表面 98上的底面222。例如通过使用上述系统，在致动器的控制下使用刀头 220的前部225加工工件。刀头220是机加工的，因为其在前部225上还 具有微结构(例如，凹槽)221和223，并且微结构221和223也用于加工 工件。机加工刀头中的微结构可具有上文确定的那些示例性形状和尺寸中 的一种或多种。
刀头220可采用例如金刚石块制成。可优选地通过离子铣削法制造微 结构221和223以及机加工刀头上的其它微结构。制造刀头上的微结构的 其它技术包括微放电加工、磨削、研磨、烧蚀或其它方法，以在刀头中产 生刻痕或结构。作为另外一种选择，可以用常规方式研磨金刚石，并且将 其精确地结合在一起，以制造具有微结构化结构的宏观工具。出于示例性 目的，在刀头的每一侧上仅显示一个微结构；刀头可具有任何数目的微结 构，并且这些微结构可具有任何形状、尺寸和构造。作为凹陷微结构的另 外一种选择，机加工刀头可具有凸出微结构、或凹陷微结构和凸出微结构 的组合。
可以在刀头座(例如刀头座90)上装配一个以上的刀头，以加工工 件。在这些实施例中，多个刀头加工工件，从而在工件中基本上同时地制 造出多个微结构，例如，平行的微结构化凹槽或其它结构。图10A为具有 机加工刀头和非机加工刀头的示例性多头工具230的侧视图。多头工具 230包括非机加工刀头234和具有微结构238的机加工刀头236。刀头234 和刀头236装配在诸如刀头座90的表面98等基座232上，并且可使用 (例如)粘合剂、硬钎焊、软钎焊或其它方法装配。刀头234和236之间的距离240确定了使用多头工具230加工的相应微结构的节距，其中微结 构与刀头236对应，刀头236具有在其内加工出的其它微结构。
图10B为具有多个机加工刀头的多头工具242的侧视图。多头工具 242包括具有微结构248的机加工刀头246和具有微结构252的另一个机 加工刀头250。刀头246和250装配在诸如刀头座90的表面98等基座244 上，并且可使用例如粘合剂、硬钎焊、软钎焊或其它方法装配。刀头246 和250之间的距离254确定了使用多头工具242加工的相应微结构的节 距，其中微结构与刀头246和250对应，刀头246和250中的每一个分别 具有在其内加工出的、对应于微结构248和252的其它微结构。
在图IOA和图10B中，出于示例性目的，仅示出了两个刀头；多头工 具可具有任何数目的刀头。多个刀头在加工后可以具有相同或不同的微结 构，并且这些各个微结构可以具有上文所确定的那些示例性形状和尺寸中 的一种或多种。多头工具中刀头之间的距离(节距240和254)可以包括 1000微米节距、100微米节距、1微米节距，甚至约200纳米(nm)的亚光 学波长节距。作为另外一种选择，在其它实施例中，多头工具中刀头之间 的节距可以大于1000微米。在具有两个以上刀头的多头工具中，相邻刀头 之间的节距可以相同或不同。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具有使用系统可加工的范围内的任 何尺寸。
如上所述，可以使用任何机加工刀头或多头工具加工工件54，并且机 加工工件可用于制造薄膜。例如，可以使用上述系统和工艺以连续切削或 断续切削的方式对工件进行机加工。图11A和11B分别为概念性地示出微 结构的侧视图和透视图，微结构可以使用具有FTS致动器的刀具系统制 造，所述FTS致动器具有至少一个机加工刀头。如图11A和图11B所示， 工件260具有连续机加工的微结构262 (例如，凹槽)，微结构262中具 有机加工微结构263和微结构264 (例如，脊)，这些机加工微结构由相 应机加工刀头中的微结构形成。
图12A和12B分别为概念性地示出微结构的侧视图和透视图，所述微 结构可以使用具有断续切削FTS致动器的刀具系统制造，FTS致动器具有 至少一个机加工刀头。如图12A和12B所示，工件270具有不连续(断续切削的)机加工微结构272 (例如，不与其它机加工结构邻接的结构)，
微结构中具有机加工微结构273和微结构274 (例如，脊)，这些机加工 微结构由相应机加工刀头中的微结构形成。如上所述以及如图7A-7C所 示，使用一个或多个机加工刀头的断续切削可改变刀头进入和离开工件的 出锥角和入锥角。
如上所述，然后可将工件260和工件270用于涂层技术中，以制造具 有与工件260和工件270的微结构相对应的相反微结构的薄膜或其它制 n卩o
使用上述机加工刀头来制造微复制制品(例如薄膜)，可以提供多种 有利的或期望的结构。例如，可将其用于光照方向的光管理应用、柔化截 光角、伪批量楔式提取，或者在现有结构上产生装饰效果(例如在断续切 削小透镜上的彩虹效果)。另外，较大宏观结构上的微结构可为重定向光 提供另外的自由度。
虽然己结合示例性实施例描述了本发明，但应当理解的是，对本领域 的技术人员来说，本发明的多种修改形式都是显而易见的，本专利申请旨 在包括任何修改或变化。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 求书及其等于物。
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并与控制器电通信；以及刀头，其具有至少一个微结构，所述刀头连接到所述致动器并且被装配为相对于待切削的工件运动，所述致动器使所述刀头在进入和离开所述工件的X方向上运动，其中，在切削所述工件期间，所述刀头与所述工件不连续地接触，并且在切削所述工件期间中的至少一部分期间，所述刀头上的所述微结构与所述工件接触。
2. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述刀头中的所述微结构包 括凹槽。
3. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中在切削所述工件期间，所述 刀头进入所述工件的入锥角基本上等于所述刀头离开所述工件的出 锥角。
4. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中在切削所述工件期间，所述 刀头进入所述工件的入锥角小于所述刀头离开所述工件的出锥角。
5. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中在切削所述工件期间，所述 刀头进入所述工件的入锥角大于所述刀头离开所述工件的出锥角。
6. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述致动器包括输送流经所 述致动器的用于冷却所述致动器的流体的口 。
7. 根据权利要求1所述的刀具组件，还包括设置在所述刀头附近的至 少一个另外的刀头，其中在切削所述工件期间中的至少一部分期 间，所述刀头和所述另外的刀头同时与所述工件接触。
8. 根据权利要求7所述的刀具组件，其中所述另外的刀头具有至少一 个微结构，并且在切削所述工件期间中的至少一部分期间，所述另 外的刀头上的所述微结构与所述工件接触。
9. 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。
10. 根据权利要求1所述的刀具组件，其中所述工件由以下材料中的一 种组成铝、镍、铜、黄铜、钢或塑料。
11. 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并与控制器电通信；以及 刀头，其具有至少一个微结构，所述刀头连接到所述致动器并且被 装配为相对于待切削的工件运动，所述致动器使所述刀头在进入和离开所述工件的X方向上运动，其中，在切削所述工件期间，所述刀头与所述工件连续地接触，并 且在切削所述工件期间的至少一部分期间，所述刀头上的所述微结 构与所述工件接触。
12. 根据权利要求11所述的刀具组件，其中所述刀头中的所述微结构包括凹槽。
13. 根据权利要求11所述的刀具组件，其中所述致动器包括输送流经所述致动器的用于冷却所述致动器的流体的口。
14. 根据权利要求11所述的刀具组件，还包括设置在所述刀头附近的至 少一个另外的刀头，其中在切削所述工件期间的至少一部分期间， 所述刀头和所述另外的刀头同时与所述工件接触。
15. 根据权利要求14所述的刀具组件，其中所述另外的刀头具有至少一 个微结构，并且在切削所述工件期间的至少一部分期间，所述另外 的刀头上的所述微结构与所述工件接触。
16. 根据权利要求11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。
17. 根据权利要求11所述的刀具组件，其中所述工件由以下材料中的一 种組成铝、镍、铜、黄铜、钢或塑料。
18. —种切削工件的方法，所述方法包括提供刀架；提供致动器，所述致动器被构造为连接到所述刀架并与控制器电通 信；使具有至少一个微结构的刀头位于所述致动器中，以便相对于待切 削的工件运动；以及构造所述致动器，以使所述刀头在进入和离开所述工件的X方向上 运动以便切削所述工件，并且通过所述控制器向所述致动器提供信 号，使得在切削所述工件期间的至少一部分期间，所述刀头上的所 述微结构与所述工件接触。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括在切削所述工件期间，保持 所述刀头与所述工件连续地接触。
20. 根据权利要求18所述的方法，还包括在切削所述工件期间，保持 所述刀头与所述工件不连续地接触，并且在切削所述工件期间，改 变所述刀头进入所述工件的入锥角和所述刀头离开所述工件的出锥 角。
全文摘要
一种刀具组件，包括刀架和致动器，所述刀架能够沿待切削工件横向运动，所述致动器具有至少一个机加工刀头并且可以具有其它刀头。所述致动器控制所述刀头沿进入和离开所述工件的X方向运动，从而在所述工件中制造连续或不连续的微结构。所述机加工刀头在微结构内提供微结构。所述机加工工件可用于制造微结构化制品，例如具有不相邻的小透镜的薄膜。
文档编号B23Q15/00GK101432096SQ200780015569
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年5月10日
发明者戴尔·L·埃内斯, 艾伦·B·坎贝尔, 马克·E·加迪纳 申请人:3M创新有限公司