專利名稱：在橫向地沿著工件的z方向上變速運動的加工微結(jié)構(gòu)的刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造微復(fù)制結(jié)構(gòu)的微復(fù)制工具的金剛石加工。
背景技術(shù)：
加工技術(shù)可用于制造諸如微復(fù)制工具之類的各種各樣的工件。微復(fù)制 工具通常用于擠出工藝、注塑成型工藝、壓花工藝、澆注工藝等，從而形 成微復(fù)制結(jié)構(gòu)。微復(fù)制結(jié)構(gòu)可能包含光學(xué)膜、研磨膜、粘合劑膜、具有自 配合外形的機械緊固件、或具有尺寸相對較小(例如小于約1000微米的尺 寸)的微復(fù)制特征的任何模制或擠出部件。也可以采用其它不同的方法制成該微結(jié)構(gòu)。例如，可通過澆鑄和固化 工藝將母模工具的結(jié)構(gòu)從母模工具轉(zhuǎn)移到由聚合材料制成的帶材或織物之 類的其它介質(zhì)上，以形成生產(chǎn)工具；然后使用這一生產(chǎn)工具制造微復(fù)制結(jié) 構(gòu)。可使用諸如電鑄之類的其它方法復(fù)制該母模工具。制造導(dǎo)光薄膜的另 一備選方法是直接切削或加工透明材料，以形成適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
其它技術(shù)包括化學(xué)蝕刻、噴丸處理或其它隨機表面改性技術(shù)。然而， 這些技術(shù)通常不能形成獲得合適的光漫射特性所需的輪廓清晰的精確的微 結(jié)構(gòu)和特征寬度，而使用本發(fā)明方法的刀具可以獲得這種合適的光漫射特 性。具體地講，由于化學(xué)蝕刻、噴丸處理和其它隨機表面改性技術(shù)固有的 不精確性和不可重復(fù)性，所以這些方法不能生產(chǎn)高精度的重復(fù)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
第一刀具組件包括刀架和構(gòu)造為連接到刀架上并且與控制器電通信的 致動器。連接到致動器上的刀頭可相對于待切削的工件運動。所述致動器 對刀頭在橫向地沿著所述工件的Z方向上的運動提供可變控制，同時使刀 頭在朝向所述工件的X方向上的位置保持基本不變，以便有選擇地切削工 件。
第二刀具組件包括能夠橫向地沿待切削工件運動的刀架和構(gòu)造為連接 到刀架上并且與控制器電通信的致動器，所述致動器包括壓電堆。連接到 壓電堆上的刀頭可相對于待切削的工件運動。所述致動器對刀頭在橫向地
沿著所述工件的z方向上的運動提供可變控制，同時使刀頭在朝向所述工 件的x方向上的位置保持基本不變，以便有選擇地切削工件，從而在工件
中加工微結(jié)構(gòu)。


附圖被并入本說明書并且構(gòu)成其整體組成部分，并且結(jié)合具體實施方
式闡明本發(fā)明的優(yōu)點和原理。在附圖中
圖1為在工件中制成微結(jié)構(gòu)的刀具系統(tǒng)的示意圖2為示出用于刀具的坐標系的示意圖3為用于刀具中的示例性PZT堆的示意圖；圖4A為用于刀具中的快速Z致動器的俯視圖； 圖4B為快速Z致動器的后視圖； 圖4C為快速Z致動器的前視圖4D和4E為快速Z致動器的側(cè)視圖4F為快速Z致動器的透視圖5A為與快速Z致動器一起使用的刀頭的側(cè)視圖5B為刀頭的俯視圖5C為刀頭的仰視圖5D為刀頭的前視圖6為概念性示出可使用包括快速Z致動器的刀具系統(tǒng)制成的微結(jié)構(gòu)
的示意圖。
具體實施方式
刀具系統(tǒng)
在已公布的PCT專利申請W000/48037中描述了常規(guī)金剛石車削技術(shù)。 在這些方法中使用的用于制成光學(xué)薄膜或其它薄膜的裝置可包括快速伺服 刀架。如W000/48037中公開的，快速伺服刀架(FTS)為被稱為PZT堆的 固態(tài)壓電(PZT)裝置，它快速調(diào)整連接到所述PZT堆上的刀具的位置。如 下面詳細描述的，F(xiàn)TS使刀具可以在坐標系內(nèi)的多個方向上做高精確度的 高速運動。
圖1為在工件中制造微結(jié)構(gòu)的刀具系統(tǒng)10的示意圖。微結(jié)構(gòu)可包括位 于制品表面上的、凹入制品表面的或從制品表面凸起的任何類型、形狀以 及尺寸的結(jié)構(gòu)。例如，使用本說明書描述的致動器和系統(tǒng)制造的微結(jié)構(gòu)可 具有1000微米節(jié)距、100微米節(jié)距、1微米節(jié)距、或甚至約200納米的亞 光學(xué)波長(nm)節(jié)距。提供這些尺寸僅出于示例性目的，使用本說明書描 述的致動器和系統(tǒng)制成的微結(jié)構(gòu)可以具有使用該系統(tǒng)可加工的范圍內(nèi)的任 何尺寸。
利用計算機12控制系統(tǒng)10。計算機12包括例如下列元件存儲一個 或多個應(yīng)用程序16的存儲器14;提供非易失性信息存儲的第二存儲器 18;接收信息或命令的輸入裝置20;運行存儲在存儲器16或第二存儲器18中、或來自另一個來源的應(yīng)用程序的處理器22;輸出視頻信息顯示的顯 示裝置24;以及以用于音頻信息的揚聲器或用于信息硬拷貝的打印機之類
的其它形式輸出信息的輸出裝置26。
利用刀頭44對工件54執(zhí)行切削加工。在工件54通過諸如計算機12 控制的電動機之類的驅(qū)動器和編碼器56轉(zhuǎn)動的同時，致動器38控制刀頭 44的運動。在此實例中，示出的工件54為諸如硬銅輥之類的輥形式的； 然而，工件也可以是平面形式的和利用其它加工材料。例如，作為另外一 種選擇，工件可由鋁、鎳、鋼或塑料(例如，丙烯酸樹脂)制成。例如， 使用的具體材料可以取決于所需的具體應(yīng)用，例如使用已加工的工件制成 各種薄膜。致動器38和下文描述的致動器可由例如不銹鋼或其它材料制 成。
致動器38可拆卸地連接到刀架36上，刀架又被安裝在軌道32上。刀 架36和致動器38構(gòu)造成在軌道32上可沿箭頭40和42所示的X方向和Z 方向的兩個方向運動。計算機12經(jīng)由一個或多個放大器30與刀架36和致 動器38電連接。當用作控制器時，在加工工件54時，計算機12控制刀架 36沿軌道32的運動并通過致動器38控制刀頭44的運動。如果致動器包 括多個PZT堆，那么它可以使用分開的放大器獨立控制每個PZT堆，所述 PZT堆用于獨立地控制連接在PZT堆上的刀頭的運動。如下面詳細說明 的，計算機12可利用函數(shù)發(fā)生器28向致動器38提供波形，以便在工件 54中加工各種微結(jié)構(gòu)。
通過不同部件的協(xié)調(diào)運動完成工件54的加工。具體地講，在計算機 12的控制下，該系統(tǒng)可以通過刀架36的運動協(xié)調(diào)并控制致動器38的運 動，同時協(xié)調(diào)并控制工件在C方向的運動以及刀頭44在X方向、Y方向和 Z方向中的一個或多個方向上的運動，這些坐標將在下面說明。所述系統(tǒng) 通常使刀架36在Z方向做勻速運動，但也可以使刀架36做變速運動。通 常刀架36和刀頭44的運動均與工件54在C方向的運動(如線條53表示 的旋轉(zhuǎn)運動)同步?？梢岳美缭谟嬎銠C12的軟件、硬件或其組合中執(zhí) 行的數(shù)字控制技術(shù)或數(shù)字控制器(NC)控制所有這些運動。
工件54加工完以后可用于制成在多種用途中使用的具有相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的 薄膜。這些薄膜的實例包括光學(xué)薄膜、摩擦控制薄膜以及微型緊固件或其它機械微結(jié)構(gòu)化部件。通常使用涂層工藝制成所述薄膜，在涂層工藝中， 將粘稠狀態(tài)的材料涂布在工件上，使其至少部分固化，然后移除。固化材 料構(gòu)成的薄膜將具有與工件中的結(jié)構(gòu)基本上相反的結(jié)構(gòu)。例如，工件中的 凹進部產(chǎn)生所得薄膜中的凸起部。通過管線48和50利用冷卻液46控制刀架36和致動器38的溫度。溫 度控制單元52可以使冷卻液在流經(jīng)刀架36和致動器38循環(huán)時保持基本恒 定的溫度。溫度控制單元52可以是提供流體溫度控制的任何裝置。冷卻液 可以是油產(chǎn)品，例如低粘度油。溫度控制單元52和冷卻液貯箱46可包括 使流體流過刀架36和致動器38循環(huán)的泵，并且通常還包括從流體散熱的 冷卻系統(tǒng)，從而使流體基本上保持恒溫。使流體循環(huán)并提供流體溫度控制 的冷卻系統(tǒng)和泵系統(tǒng)在本領(lǐng)域是已知的。在某些實施例中，為了使工件中 要加工的材料的表面溫度保持基本恒定，也可以將冷卻液施加于工件54。圖2為示出用于諸如系統(tǒng)10之類的刀具的坐標系示意圖。該坐標系示 出刀頭62相對于工件64的運動。刀頭62可以與刀頭44相對應(yīng)，并且通 常被連接到刀頭座60上，所述刀頭座連接到致動器上。在這一示例性實施 例中，坐標系包括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的方向的運動。Y方向68指沿橫過工件64的方向的運 動，例如沿基本上平行于工件64的旋轉(zhuǎn)平面的方向的運動。Z方向70指 在橫向地沿著工件64的方向上的運動，例如在基本上垂直于工件64的旋 轉(zhuǎn)平面的方向上的運動。也如圖1所示，工件的旋轉(zhuǎn)方向被稱為C方向。 如果工件不是輥形式，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方向的方向橫過工件的互相垂直的方向上的運動。系統(tǒng)10可用于高精度的高速加工。這一類型的加工必須考慮諸如部件 的協(xié)調(diào)速度和工件材料之類的多種參數(shù)。例如，通常必須與工件材料的熱 穩(wěn)定性和特性一起考慮給定體積的待加工金屬的比能。在下列參考文獻中 描述了有關(guān)加工的切削參數(shù)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, Perg腿on 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/LAibricants for Metal Cutting and Grinding Conference ， Chicago ， Illinois ， U. S. A. ， June 7， 2000。 PZT堆
圖3為用于刀具的示例性PZT堆72的圖。PZT堆用于使與其相連的刀 頭運動和根據(jù)PZT效應(yīng)運行，這在本領(lǐng)域是已知的。根據(jù)PZT效應(yīng)，施加 到某類材料的電場將使其沿一個軸線伸展，并沿另一軸線收縮。PZT堆通 常包括包封在殼體84內(nèi)、并且安裝在基板86上的多個材料74、 76和 78。在這一示例性實施例中，材料是具有PZT效應(yīng)的陶瓷材料。僅出于示 例性目的而示出三個盤狀物74、 76和78，例如可以根據(jù)具體實施例的需 要使用任何數(shù)目的盤狀物或其它材料、以及任何類別的形狀的材料。柱88 粘附在盤狀物上，并從殼體84中伸出。例如可以利用任何PZT材料制造所 述盤狀物，諸如混合的、壓制的和燒結(jié)的鈦酸鋇、鋯酸鉛或鈦酸鉛材料以 及以所列材料為基體的材料。其中一種PZT材料可得自Kinetic Ceramics ， Inc.26240 Industrial Blvd. ， Hayward ， CA 94545 ， U.S. A)。例如，也可以利用磁致伸縮材料制造所述盤狀物。
如線條80和82所示的盤狀物74、 76和78的電連接為這些盤狀物提 供電場，以使柱88運動。由于PZT效應(yīng)以及根據(jù)施加的電場類型，可以使 柱88進行精確和微小的運動，例如幾微米以內(nèi)的運動。另外，裝有柱88 的PZT堆72的端部可緊靠一個或多個貝氏墊圈安裝，所述墊圈可以為PZT 堆預(yù)加負荷。貝氏墊圈具有一定的柔韌性，以允許柱88及與柱88連接的 刀頭運動。位于下述致動器中的每個PZT堆也可以結(jié)合有用于預(yù)加負荷的 貝氏墊圈，或者作為另外一種選擇，結(jié)合有緊靠每個PZT堆安裝的用于為 PZT堆預(yù)加負荷的任何裝置。
快速Z致動器
圖4A-4F為示例性快速Z致動器90的視圖。術(shù)語"快速Z致動器"指 使刀頭在大致Z方向上運動以加工工件的任何類型的致動器或其它裝置。 圖4A為快速Z致動器90的俯視圖。圖4B為快速Z致動器90的后視圖。圖4C為快速Z致動器90的前視圖。圖4D和4E為快速Z致動器90的側(cè)視 圖。圖4F為快速Z致動器90的透視圖。為了清楚起見，在圖4B-4F中移 除了快速Z致動器90的一些細節(jié)。如圖4A-4F所示，快速Z致動器90包括主體92，所述主體包括安裝 部分91。例如，使用緊固件將PZT堆98固定在安裝部分91和板100之 間。刀頭102連接到板100上，從而PZT堆98橫向連接，使得啟動PZT堆 98可以引起刀頭102在如箭頭106所示的Z方向上運動。PZT堆98可以使 用如圖3所示的示例性PZT堆72。板100可以采用例如用于為PZT堆98 預(yù)加負荷的一個或多個貝氏墊圈。主體92還包括用于例如通過螺栓將主體安裝到刀架36上的兩對孔94 和96，從而在計算機12的控制下加工工件54。電連接104將信號傳遞給 PZT堆98以對其進行控制。如圖4A所示，例如可以如上所述通過使冷卻 液穿過孔99進入口93、 95和97中的至少一個，并從口 93、 95和97中的 (未用作入口的)至少一個流出的方法控制主體92的溫度。傳輸冷卻液流 經(jīng)主體92的孔99可以包括任何具體形狀或構(gòu)造，并且也可以包括任何數(shù) 量的入口和出口。圖5A-5D為更詳細示出刀頭102的視圖。圖5A為刀頭102的側(cè)視圖。 圖5B為刀頭102的俯視圖。圖5C為刀頭102的仰視圖。圖5D為刀頭102 的前視圖。如圖5A-5D所示，刀頭102包括部分108，該部分具有用于將 其安裝到板100上的孔110。刀頭102還包括保持切削部分114的前端楔 形部分112?？梢圆捎美缦铝幸环N或多種材料制成部分108:燒結(jié)的碳化 物、氮化硅、碳化硅、鋼或鈦。優(yōu)選將剛性和輕質(zhì)材料用于部分108。例 如，切削部分114可以采用金剛石塊制成，可以使用諸如粘合劑、硬釬 焊、軟釬焊或其它方式將所述切削部分114固定在部分108上。圖6為概念性示出可使用包括快速Z致動器的刀具系統(tǒng)制成的微結(jié)構(gòu) 的示意圖。如圖6所示，制品120包含頂面122和底面124。頂面122包 含如線條126所示的微結(jié)構(gòu)，并且可以按照如下方法制成那些微結(jié)構(gòu)， 即使用上述致動器加工工件，然后使用所述工件采用涂層技術(shù)制成薄膜 或制品。在一些實施例中，在制造微結(jié)構(gòu)時，致動器98可以20-30kHz運 行，但也可采用其它頻率。盡管已結(jié)合示例性實施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當理解，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的多個修改形式都是顯而易見的，本專利申請旨在涵蓋它們的任何修改或變化。例如，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，刀架、致動器和刀頭可以使用各種類型的材料和構(gòu)造。本發(fā)明應(yīng)當僅受限于權(quán)利要 求書及其等同物。
權(quán)利要求
1. 一種刀具組件，包括刀架；致動器，其被構(gòu)造為連接到所述刀架上并與控制器電通信；以及刀頭，所述刀頭連接到所述致動器上并被安裝為相對于待切削工件運動，其中所述致動器對所述刀頭在橫向地沿著所述工件的Z方向上的運動提供可變控制，同時使刀頭在朝向所述工件的X方向上的位置保持基本不變，以便有選擇地切削所述工件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述致動器包括與所述刀頭 相連并且與所述控制器電連接的用于控制所述刀頭的運動的壓電 堆。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述致動器包括傳輸流體的 口，所述流體流經(jīng)所述致動器以冷卻所述致動器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的刀具組件，還包括與所述壓電堆相連的用于 為所述壓電堆預(yù)加負荷的一個或多個墊圈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述致動器包括控制所述刀 頭在Z方向的運動的放大器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的刀具組件，其中所述刀頭與所述壓電堆橫向 相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述刀架被構(gòu)造為使所述致 動器在沿所述工件的Z方向上以基本恒定的速度運動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的刀具組件，其中所述致動器被構(gòu)造為可拆卸 地連接到所述刀架的柱上。
9. 一種切削工件的方法，包括 提供刀架；提供致動器，所述制動器被構(gòu)造為連接到所述刀架上并與控制器電 通信；將刀頭安放在所述致動器中，以使所述刀頭相對于待切削工件運 動；并且構(gòu)造所述致動器，使所述致動器對所述刀頭在橫向地沿著所述工件 的Z方向上的運動提供可變控制，同時使刀頭在朝向所述工件的X 方向上的位置保持基本不變，以便有選擇地切削所述工件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中構(gòu)造所述致動器的步驟包括使用 壓電堆控制所述刀頭的運動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括使用流體冷卻所述致動器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括使用一個或多個墊圈為所述壓 電堆預(yù)加負荷。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中構(gòu)造所述致動器的步驟包括使用 放大器控制所述刀頭在Z方向的運動。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將所述刀頭橫向安裝在所述壓 電堆上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中提供刀架的步驟包括使所述致動 器沿所述工件的Z方向以基本恒定的速度運動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括將所述致動器可拆卸地連接到 所述刀架的柱上。
17. —種刀具組件，其包括 能夠沿待切削工件橫向運動的刀架；致動器，所述致動器被構(gòu)造為連接到所述刀架上，并且與控制器電 通信，所述致動器包括壓電堆；以及刀頭，所述刀頭連接到所述致動器中的所述壓電堆上并安裝為相對 于所述待切削工件運動，其中，所述致動器對所述刀頭在橫向地沿 著所述工件的Z方向上的運動提供可變控制，同時使所述刀頭在朝 向所述工件的X方向上的位置保持基本恒定，以便有選擇地切削工 件，從而在所述工件中加工微結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的刀具組件，還包括與所述壓電堆相連的用于 為所述壓電堆預(yù)加負荷的一個或多個墊圈。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的刀具組件，其中所述致動器被構(gòu)造為可拆卸 地連接到所述刀架的柱上。
20. —種制造微結(jié)構(gòu)化制品的方法，包括制造加工的工件，包括 提供刀架；提供致動器，所述制動器被構(gòu)造為連接到所述刀架上并與控制器 電通信；將刀頭安放在所述致動器中，以使所述刀頭相對于待切削工件運 動；以及配置所述致動器，使所述致動器對所述刀頭在橫向地沿著所述工件的Z方向上的運動提供可變控制，同時使所述刀頭在垂直于所 述工件的X方向上的位置基本恒定，以便有選擇地切削所述工 件；將材料涂敷在所述加工的工件上，使所述材料基本上與所述加工工件的表面一致；并且從所述加工的工件上移除所述材料。
全文摘要
一種包括能夠沿待切削工件橫向運動的刀架和裝有刀頭的致動器的刀具組件。所述致動器對用于在所述工件上形成微結(jié)構(gòu)的所述刀頭在橫向地沿著所述工件的Z方向上的運動提供可變控制，同時使所述刀頭在垂直于所述工件的X方向的位置保持基本恒定。
文檔編號B81B5/00GK101304841SQ200680042206
公開日2008年11月12日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者丹尼爾·S·沃茨, 戴爾·L·埃內(nèi)斯, 艾倫·B·坎貝爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司