金剛石刀具的圓柱母光柵微加工基礎(chǔ)研究

兀 偉，陳津平，徐宗偉，劉 婷，曹克雄，李萬(wàn)里

金剛石刀具的圓柱母光柵微加工基礎(chǔ)研究

兀 偉1,2，陳津平1,2，徐宗偉1,2，劉 婷1,2，曹克雄1,2，李萬(wàn)里1,2

(1. 天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；
2. 天津市微納制造技術(shù)工程中心，天津 300072)

精密長(zhǎng)光柵作為高檔數(shù)控機(jī)床中的核心部件，其制造能力和精度直接影響著數(shù)控機(jī)床的制造水平．針對(duì)納米滾壓印技術(shù)制備長(zhǎng)光柵中的核心部件即圓柱母光柵的制造開(kāi)展了深入研究，探討了母光柵刻劃用金剛石刀具的聚焦離子束(FIB)制備技術(shù)，以及微刻劃過(guò)程中切削參數(shù)對(duì)圓柱母光柵加工質(zhì)量的影響規(guī)律．研究發(fā)現(xiàn)，聚焦離子束加工單晶金剛石材料時(shí)會(huì)存在溝道效應(yīng)，影響所制備的金剛石刀具及其加工母光柵的形狀精度．從改善離子束束流分布的均勻性、FIB加工參數(shù)優(yōu)化等角度建立了有效克服FIB加工溝道效應(yīng)的方法．通過(guò)DEFORM有限元模擬實(shí)驗(yàn)和超精密母光柵刻劃實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化金剛石刀具刀尖角和微刻劃加工速度，研究了抑制母光柵加工中微尺度毛刺的有效方法，最終獲得了高精度母光柵刻劃結(jié)果．

微納制造；聚焦離子束；微刻劃；金剛石刀具；溝道效應(yīng)

隨著航空航天、半導(dǎo)體技術(shù)、微型機(jī)械、光通訊等的發(fā)展，對(duì)更高精度尺寸、形狀加工的要求愈加強(qiáng)烈，推動(dòng)了微納加工技術(shù)不斷發(fā)展[1].,針對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的高精度加工面臨如高精度切削刀具制備、微刻劃加工工藝的機(jī)理研究、微加工過(guò)程中誤差分析等諸多方面的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量研究工作[2].

微溝槽陣列結(jié)構(gòu)的高精度具有重要的應(yīng)用價(jià)值．中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的巴音賀希格等利用擠壓鋁膜的加工方法，獲得了長(zhǎng)焦距凹面金屬光柵，其衍射效率達(dá)到97%[3]．日本Yan教授課題組對(duì)電鍍鎳磷合金[3]、單晶硅[4-5]、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅[6]等不同平面基底材料的微尺度V型溝槽刻劃加工工藝做了系統(tǒng)深入的研究，包括對(duì)刻劃后的亞表面損傷問(wèn)題、刻劃過(guò)程中對(duì)刀具的磨損、提高刻劃質(zhì)量的多步法刻劃方法以及其機(jī)理的有限元模擬研究等．徐宗偉等[7]研究了在H62黃銅圓柱上整圈加工V型槽工藝方法，發(fā)現(xiàn)影響加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素是材料的均一性，毛刺出現(xiàn)頻率最高的是在兩種材料的拼接處．切削過(guò)程越接近自由切削，其排屑越順暢，加工表面質(zhì)量就會(huì)越好．此外，還具體分析了加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的各種誤差及優(yōu)化的方法．Kim等[8]和周京博等[9]研究了超聲頻率和運(yùn)行軌跡等對(duì)V溝槽切削加工質(zhì)量的影響，從切屑形成的角度分析了切削機(jī)理，制造了V溝槽橢圓超聲振動(dòng)切削設(shè)備，并從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)其性能進(jìn)行了分析.

隨著超精密加工應(yīng)用需求的不斷發(fā)展和增加，對(duì)微型刀具的制備技術(shù)提出了更高的要求．微型刀具的切削刃形狀精度將直接影響被加工工件的形狀精度和表面質(zhì)量．刀具輪廓質(zhì)量低會(huì)影響被加工件的表面質(zhì)量[9]．例如在慣性約束、激光核聚變裝置中應(yīng)用的各類(lèi)反射鏡等光學(xué)零件表面的加工精度將直接影響到各路高能激光的散射和透射程度，如KDP晶體倍頻轉(zhuǎn)換器等零件，其面形精度小于λ/6、表面粗糙度RMS小于5,nm時(shí)，透射率才能達(dá)到使用要求[10]．在光柵母模的制造過(guò)程中，若微刀具表面存在微觀凹槽，將不可避免地會(huì)被復(fù)制到被加工工件上．

聚焦離子束(focused ion beam，F(xiàn)IB)作為一種新興的微納制造技術(shù)，在微型刀具制造中具有精度高、形狀可控性好、無(wú)加工引入損傷等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注．2000年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用聚焦離子束技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型刀具的制備研究．利用聚焦離子束銑削加工出微槽車(chē)刀，刀具的刃口半徑約為40,nm，尺寸為15～100,μm，刀具的材料包括單晶金剛石、硬質(zhì)合金和高速鋼，刀面形狀呈矩形、三角形和梯形等．典型的切削實(shí)驗(yàn)表明，1把寬度為13,μm的微型車(chē)刀能夠在全長(zhǎng)200,mm的鋁件上切出深度為4,μm的螺旋槽[11]．2008年新加坡制造技術(shù)研究院也在微刀具的制備和切削實(shí)驗(yàn)方面做了大量工作，利用聚焦離子束制備出刃長(zhǎng)25,μm的直線刃微型切削刀具，并用此刀具進(jìn)行了大量的切削實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)材料中的不均勻硬質(zhì)點(diǎn)是影響切削表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素[12]．2012年Sun等[13]利用聚焦離子束制備出多齒結(jié)構(gòu)納米周期金剛石刀具，相較于傳統(tǒng)的加工方法，可以大大提高納米結(jié)構(gòu)陣列的加工效率．

高檔數(shù)控機(jī)床用長(zhǎng)光柵是數(shù)控機(jī)床中的核心件，其制備精度直接影響數(shù)控機(jī)床的加工精度．利用納米滾壓印技術(shù)有望解決高檔數(shù)控機(jī)床用高精度長(zhǎng)光柵的制備難題，而用于滾壓印的圓柱母光柵是該制備方法的核心和關(guān)鍵部件．本文重點(diǎn)對(duì)基于聚焦離子束制造技術(shù)進(jìn)行金剛石刀具的高精度制造以及圓柱母光柵刀具微刻劃進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)研究．

1 金剛石刀具FIB制造研究

1.1 金剛石刀具FIB/SEM系統(tǒng)加工與表征研究

圖1所示為在刀具圓弧出現(xiàn)微小偏差時(shí)，對(duì)加工工件輪廓造成影響的示意．

圖1 刀尖圓弧半徑對(duì)加工質(zhì)量的影響Fig.1Influence of the nose radius on the machining surface quality

聚焦離子束加工技術(shù)是利用液態(tài)高能鎵離子轟擊樣品達(dá)到材料去除和加工的一種超精密加工方法[14]．由于其材料去除是原子量級(jí)，在微刀具制備中減少了崩刃的可能，因此可獲得極小的刃口半徑．對(duì)于金剛石材料，利用FIB加工可以獲得20,nm以下的刃口半徑．高質(zhì)量的刃口半徑提高了刀具的切削性能、減小切削力，且對(duì)加工過(guò)程中毛刺的抑制起到重要作用．聚焦離子束加工微刀具的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于制備刀具過(guò)程中可以靈活調(diào)整刀具位置并在線觀測(cè)，因此相對(duì)于磨削加工可以制備出形狀更復(fù)雜、功能更多樣的微型刀具[15]，如圖2所示．

在FIB加工微型刀具過(guò)程中，刀具與聚焦離子束的相對(duì)位置會(huì)直接影響刀具輪廓精度和刃口鋒利程度．由于聚焦離子束在加工過(guò)程中能量呈高斯分布，造成加工中靠近離子束位置出現(xiàn)展寬效應(yīng)[16]，如圖3(a)所示．所以為保證獲得最鋒利的刀具刃口，在FIB加工過(guò)程中采取將待加工刃口遠(yuǎn)離離子束方向的方法，加工順序分別為前刀面、側(cè)后刀面和后刀面，如圖3(b)所示．

圖2 FIB/SEM雙束系統(tǒng)示意Fig.2 Scheme of FIB/SEM system

圖3 離子束加工原理和微刀具加工流程Fig.3 Illustration of FIB milling process and micro tool fabrication

利用FIB/SEM雙束系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)微刀具和雙束系統(tǒng)的相對(duì)位置，利用SEM高分辨觀測(cè)可以實(shí)現(xiàn)制造刀具結(jié)果的在線檢測(cè)，如刃口半徑、刃形精度，從而監(jiān)控加工質(zhì)量，這是雙束系統(tǒng)加工微刀具的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)．

傳統(tǒng)的刃口半徑測(cè)量方法包括利用AFM測(cè)量和SEM截面測(cè)量．AFM測(cè)量精度高，但其屬于離線操作且操作復(fù)雜，AFM針尖與刃口對(duì)準(zhǔn)困難，且在納米量級(jí)刃口半徑測(cè)量中需考慮AFM探針展寬對(duì)測(cè)量的影響．SEM截面測(cè)量是利用FIB將刀具刃口做剖面，然后用SEM觀察刃口半徑，其優(yōu)勢(shì)是測(cè)量準(zhǔn)確性高，但測(cè)量具有破壞性，使得微刀具后續(xù)無(wú)法使用．本研究采用調(diào)整刀具刃口位置的方法，將刀具刃口與SEM觀察方向平行，從而獲得在線的無(wú)損檢測(cè)刃口半徑結(jié)果，見(jiàn)圖4(a)．從圖4(b)的觀測(cè)結(jié)果可以看出，利用FIB制備的微型刀具，其刃口半徑可以小于20,nm，在提高加工質(zhì)量上起到了關(guān)鍵作用．

圖4 SEM測(cè)量微刀具刃口半徑結(jié)果Fig.4 Cutting edge radius measured by SEM

1.2 金剛石材料特性對(duì)FIB加工影響的研究

1.2.1 FIB加工能量均化研究

聚焦離子束銑削是通過(guò)FIB系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是一個(gè)數(shù)字掃描過(guò)程，其原理見(jiàn)圖5(a)．FIB對(duì)基底材料進(jìn)行銑削加工時(shí)，按照被定義加工圖形上的像素點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，在每個(gè)像素點(diǎn)上停留的時(shí)間由預(yù)先設(shè)置的駐留時(shí)間決定，ps,,x表示沿著掃描線方向相鄰像素間的間隔，ps,,y表示垂直掃描線方向上相鄰像素間的間隔，df表示聚焦離子束的直徑．

圖5 FIB逐點(diǎn)銑削加工及束流的重疊百分比Fig.5 FIB milling schematics and beam overlap

根據(jù)研究證明，聚焦離子束的強(qiáng)度分布可以近似為一個(gè)高斯分布[17]，設(shè)此高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ．圖5是在沿著掃描線以及穿過(guò)掃描線方向上離子通量分布的三維輪廓，其中圖5(b)是ps,,x/σ、ps,,y/σ取不同值時(shí)對(duì)應(yīng)的三維離子通量分布．當(dāng)ps,,x/σ、ps,,y/σ均減小到1.5時(shí)，可以獲得穩(wěn)定的離子束強(qiáng)度分布．通常將離子束強(qiáng)度分布的半峰全寬(FMHM)定義為FIB的直徑(df)，對(duì)于高斯束，F(xiàn)MHM等于2.35,σ，即df＝2.35,σ．因此，當(dāng)ps/σ＝1.5時(shí)，ps/df＝0.637．由此可知，為了在FIB銑削加工中獲得均勻強(qiáng)度的離子束流，像素間隔與束流直徑的比值應(yīng)小于等于0.637，對(duì)應(yīng)FIB的束流重疊百分比應(yīng)大于36.3%．

但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，僅達(dá)到上述條件，金剛石材料仍無(wú)法獲得平滑表面．在大束流的情況下，其增大束流的重疊百分比，表面溝槽改善非常微弱，如圖6(a)、(b)對(duì)比所示(加工束流均為1,nA)，綠色箭頭代表離子束加工方向，紅色箭頭所指區(qū)域?yàn)殡x子束加工區(qū)域，其中圖6(a)重疊百分比為50%，沿離子束加工方向表面出現(xiàn)溝槽，圖6(b)重疊百分比為90%，已加工表面仍然存在微溝槽．經(jīng)過(guò)大量的工藝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有將FIB束流減小至0.1,nA及以下，在保證重疊百分比大于等于50%的情況下，可以得到光滑平整的表面，如圖6(c)所示．由此表明，要在金剛石刀具表面上獲得平滑銑削，對(duì)束流能量的均一性提出了更嚴(yán)格的要求．

圖6 不同束流和重疊百分比下FIB加工結(jié)果對(duì)比Fig.6 Results milled by FIB under different beam currents and overlaps

1.2.2 FIB束流形貌分析

為進(jìn)一步分析FIB參數(shù)對(duì)金剛石加工的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)研究分析了不同束流在加工金剛石材料上的點(diǎn)陣加工結(jié)果．通過(guò)加工圓孔的方法描繪不同束流的展寬效果，然后利用FIB將其做縱向剖面觀察，如圖7所示．圖8為不同束流下圓孔截面的SEM圖像，表1為不同束流截面形貌數(shù)據(jù)．

圖7 FIB加工點(diǎn)陣及縱向剖面示意Fig.7 Dots array milled by FIB on diamond and illustration of dots configuration cross-section

圖8 不同束流下圓孔截面形貌的SEM圖像Fig.8 SEM images of the dots fabricated by different beam currents

從圖8中可以看出，隨著束流的增加，其加工出的圓孔角度不斷增大，而深度變化不明顯．在0.1,nA的情況下，其張角為33.8°，傾斜角度為16.9°，如圖8(c)所示；當(dāng)束流為1,nA時(shí)，其張角為68.4°，傾斜角為34.2°，如圖8(a)所示；0.3,nA時(shí)其傾斜角度介于二者之間，如圖8(b)所示．大張角說(shuō)明束流存在更為明顯的展寬，相應(yīng)地，其束流的不均一性會(huì)更突出，使得加工表面更容易出現(xiàn)不均勻的溝槽狀形貌．不同束流的截面分析證明，在大束流加工時(shí)，離子束能量分散、均一性差，而小束流由于其均一性好，因此更容易獲得理想的金剛石加工表面．

表1 不同束流截面形貌數(shù)據(jù)Tab.1 Morphology data of the cross-section by different beam currents

1.2.3 金剛石材料特性對(duì)FIB加工的影響

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，要想獲得平滑的加工表面質(zhì)量，只考慮束流的重疊百分比是不夠的，束流均一性也同樣重要．此外，金剛石材料的特性也顯著影響FIB加工參數(shù)的設(shè)置．天然金剛石屬于立方晶系，常見(jiàn)晶型為8面體和12面體，碳原子以致密的sp3雜化形式存在，常溫下晶格常數(shù)為0.356,683,nm，碳原子最小層間距為0.154,45,nm，其最大特點(diǎn)是共價(jià)鍵之間鍵能較大，材料致密．在聚焦離子束加工晶體材料時(shí)，當(dāng)入射離子方向與主晶軸方向夾角很小時(shí)，大部分入射離子會(huì)沿晶軸方向注入材料內(nèi)部，產(chǎn)生的反沖原子減少，此現(xiàn)象稱(chēng)為溝道效應(yīng)，如圖9所示[18].由于溝道效應(yīng)的存在，導(dǎo)致晶體材料金剛石刀具表面FIB加工效率不同，進(jìn)而使得刀具表面粗糙度增加．當(dāng)形成切削刃的2個(gè)刀面都不夠平滑時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響微刀具的刃形精度，如圖10所示．因此，選擇展寬小、能量更集中的小束流有助于克服加工中可能產(chǎn)生的溝道效應(yīng)，獲得刃形精度高的微型刀具．圖11為不同加工束流下，金剛石刀具局部加工質(zhì)量的對(duì)比，可以看出，使用0.1,nA束流加工的表面粗糙度明顯好于大束流時(shí)的加工結(jié)果．

因此，在金剛石刀具FIB加工中，可以先通過(guò)1,nA以上的大束流進(jìn)行“粗加工”，最后通過(guò)0.1,nA左右的小束流進(jìn)行“精修加工”．

圖10 微刀具刃口波紋對(duì)加工的影響Fig.10Effects of the micro tool edge ripples on the machining quality

圖9 離子溝道效應(yīng)示意Fig.9 Schematic diagram of ion channeling effect

圖11 不同束流下加工微刀具表面質(zhì)量的SEM圖像Fig.11SEM images for micro tools fabricated by different beam currents

2 微刻劃實(shí)驗(yàn)

隨著應(yīng)用需求的不斷增加，高檔數(shù)控機(jī)床用長(zhǎng)光柵的周期不斷減?。诳虅澇叨瓤s小至數(shù)十微米甚至納米量級(jí)時(shí)，微機(jī)械加工中的表面毛刺問(wèn)題變得尤為突出，對(duì)微溝槽的影響已不能忽略．為了保證滾壓印圓柱母光柵微尺度加工質(zhì)量，需要綜合考慮微型刀具的參數(shù)和優(yōu)化刻劃工藝參數(shù)．本文通過(guò)有限元模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同刻劃速度和刀尖角度對(duì)母光柵加工質(zhì)量的影響規(guī)律．

2.1 微溝槽刻劃毛刺的有限元仿真分析

在光柵母模的制造過(guò)程中，毛刺是嚴(yán)重影響加工質(zhì)量的因素．本研究采用金屬加工三維仿真軟件DEFORM-3D對(duì)金剛石刀具刻劃微溝槽時(shí)產(chǎn)生的毛刺進(jìn)行有限元仿真分析．

為了研究刀具形狀和切削速度對(duì)毛刺形態(tài)的影響，本研究設(shè)計(jì)了刀尖角為30°、60°、90°和120°的三角形溝槽刀具，刀具前角為7°，后角為15°．刻劃周期均為10,μm，切深隨著三角形溝槽頂角的角度變化而變化．

利用DEFORM對(duì)稱(chēng)面的功能，可以將工件簡(jiǎn)化為原來(lái)大小的一半以節(jié)省計(jì)算量．將裝配好的圖形文件保存導(dǎo)入到DEFORM-3D中．模型材料選取DEFORM自帶的H62黃銅(C2600銅)的塑形材料模型．由于工件某些區(qū)域變形和受力不大，為減少計(jì)算時(shí)間，將網(wǎng)格重畫(huà)，劃分為75,245個(gè)四面體網(wǎng)格．仿真時(shí)工件的4個(gè)非接觸面用作對(duì)稱(chēng)面邊界條件，對(duì)各個(gè)接觸對(duì)進(jìn)行設(shè)定．有限元模擬中切削速度分別為100,mm/min、200,mm/min、400,mm/min和800,mm/min，如圖12所示．

圖12 在不同切削速度下刀尖角為60°的刀具切削仿真的毛刺示意Fig.12 DEFORM FEA simulations for burr formation by using tool with tip angle of 60° under different cutting speeds

可以清楚地看到，當(dāng)切削速度為100,mm/min時(shí)，毛刺的高度最高．毛刺的統(tǒng)計(jì)如圖13所示，切削速度由100,mm/min變?yōu)?00,mm/min的過(guò)程中，毛刺明顯減小；切削速度大于200,mm/min，毛刺高度的變化趨于平緩．切削速度的提高有助于促進(jìn)材料去除，同時(shí)有效提高加工效率．

圖1360 °刀尖角刀具在不同切削速度下毛刺高度仿真結(jié)果Fig.13Simulation of burr height by using tool with tip angle of 60° under different cutting speeds

此外，為了進(jìn)一步減弱毛刺對(duì)加工的影響，模擬研究了不同刀尖角對(duì)加工質(zhì)量的影響．在模擬中，刀尖角為60°的刀具切削H62黃銅時(shí)，有明顯的毛刺；當(dāng)?shù)都饨亲優(yōu)?0°時(shí)，毛刺的高度就會(huì)大大減??；當(dāng)?shù)都饨菫?20°和150°時(shí)，毛刺現(xiàn)象幾乎不存在．毛刺高度的統(tǒng)計(jì)如圖14所示，隨著前刀面刀尖角的增加，毛刺高度有著明顯減小的趨勢(shì)，120°的刀具可以基本滿足沒(méi)有毛刺的加工要求．

圖14 不同刀尖角時(shí)毛刺高度模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.14Simulation of burr height under different micro tool shapes

圖15所示為放大切削部位的仿真結(jié)果．可以看出，刀尖角為60°時(shí)，刀具切削時(shí)屬于顯著的非自由切削，有著較大的材料去除量、切屑干涉，會(huì)產(chǎn)生較大的毛刺，不利于提高加工質(zhì)量．刀尖角為120°的刀具切削時(shí)更接近于自由切削，有著較小的材料去除量、第二剪切區(qū)，毛刺產(chǎn)生明顯減少．由此可知，刀尖角增大非常有利于提高工件的表面質(zhì)量，尤其是有利于減少毛刺．

圖15 溝槽刻劃時(shí)等效應(yīng)力分布狀態(tài)Fig.15 Distribution of equivalent stress in groove carve process

2.2 微刻劃超精密加工實(shí)驗(yàn)

通過(guò)優(yōu)化FIB加工刀具時(shí)的參數(shù)，制備出具有不同刀尖角的三角形刀具，如圖16所示．利用制備的不同刀具進(jìn)行了不同切削速度下H62黃銅的刻劃質(zhì)量研究．圖17為60°刀尖角微型刀具不同切削速度的加工結(jié)果，分別是100,mm/min、200,mm/min和400,mm/min．從SEM整體圖像中可以看到當(dāng)切削速度提高到400,mm/min時(shí)，其加工質(zhì)量已經(jīng)可以滿足納米壓印的要求．所以在保證加工質(zhì)量的情況下，選擇加工效率更高的400,mm/min．

圖16 刀尖角分別為60°、90°和120°的微型刀具Fig.16 Micro tools with tip angle of 60°，90° and 120°

利用刀尖角為60°、90°和120°的三角形刀具，在400,mm/min的切削速度下分別對(duì)H62黃銅進(jìn)行切削．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，證明刀面刀尖角是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它對(duì)工件表面的加工質(zhì)量有很大影響，直接影響著毛刺大?。畧D18所示為前刀面刀尖角為60°、90°和120°的刀具切削H62黃銅時(shí)表面質(zhì)量對(duì)比，可以看到刀尖角為120°的刀具幾乎沒(méi)有毛刺，工件表面的加工質(zhì)量隨著刀尖角的增大而提高，毛刺也相應(yīng)地減小．

圖17 60°刀具不同切削速度下加工照片F(xiàn)ig.17Surface qualities by using tool with tip angle of 60° under different cutting speeds

圖18 刀尖角為 60°、90°、120°刀具微刻劃的表面質(zhì)量Fig.18Surface qualities by using tools with tip angle of 60°，90° and 120°

因金剛石刀具刀尖角的增大，增加了壓印填充的難度，導(dǎo)致光柵衍射效率的降低，因此可結(jié)合仿真結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，有效獲得滿足滾壓印需求的最佳刀具參數(shù)選擇．

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床用長(zhǎng)光柵母模制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入研究．在FIB制備微型刀具過(guò)程中，不僅束流的搭接會(huì)影響刀具質(zhì)量，其束流的選擇也直接影響刀具的形狀精度．其根本原因是針對(duì)金剛石這種鍵能高的材料，低束流的聚焦離子束能獲得更均勻的加工能量束，從而獲得形狀精度更高的微型刀具．在微刻劃加工過(guò)程中，刻劃的速度和刀具的刀尖角是影響刻劃中毛刺的重要因素，選擇合理的刻劃速度既需要保證加工精度，又要保證更高的加工效率. 通過(guò)DEFORM模擬和超精密刻劃實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，400,mm/min的切削速度和120°刀尖角可以獲得理想的加工效果．本文的研究為圓柱母光柵的微加工制造提供了重要的技術(shù)支撐．

參考文獻(xiàn)：

［1］ 楊玉虎，張 潔，許立新. RV 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2013，46(7)：623-628.

Yang Yuhu，Zhang Jie，Xu Lixin. Precision analysis of RV transmission mechanism[J]. Journal of Tianjin University: Science and Technology，2013，46(7)：623-628(in Chinese).

［2］ 徐飛飛，張效棟，房豐洲. 金剛石刀具單點(diǎn)切削單晶硅加工表面特性[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2013，11(6)：485-491.

Xu Feifei，Zhang Xiaodong，F(xiàn)ang Fengzhou. Characterization of single point diamond machined singlecrystal silicon[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2013，11(6)：485-491(in Chinese).

［3］ Yan J，Oowada T，Zhou T，et al. Precision machining of microstructures on electroless-plated NiP surface for molding glass components[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009，209(10)：4802-4808.

［4］ Yan J，Asami T，Harada H，et al. Fundamental investigation of subsurface damage in single crystalline silicon caused by diamond machining[J]. Precision Engineering，2009，33(4)：378-386.

［5］ Yan Jiwang，Syoji Katsuo，Tamaki Jun’ichi. Some observations on the wear of diamond tools in ultraprecision cutting of single-crystal silicon[J]. Wear，2003，255(7/8/9/10/11/12)：1380-1387.

［6］ Yan Jiwang，Zhang Zhiyu，Kuriyagawa Tsunemoto. Mechanism for material removal in diamond turning of reaction-bonded silicon carbide[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2009，49(5)：366-374.

［7］ 徐宗偉，李龔浩，兀 偉，等. 滾壓印圓柱母光柵的微刻劃制造[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2013，11(6)：473-478.

Xu Zongwei，Li Gonghao，Wu Wei，et al. Precise micro fabrication of roller grating template[J]. Nanotechnology and Precision Engineering，2013，11(6)：473-478(in Chinese).

［8］ Kim G D，Loh B G. Characteristics of elliptical vibration cutting in micro-V grooving with variations in the elliptical cutting locus and excitation frequency[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2008，18(2)：025002.

［9］ 周京博，李增強(qiáng)，王亞奇，等. 微圓弧金剛石刀具刀尖圓弧的測(cè)量及評(píng)價(jià)[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2013，11(4)：334-340.

Zhou Jingbo, Li Zengqiang, Wang Yaqi，et al. Tool tip arc measurement and characterization of micro arc diamond tools[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2013，11(4)：334-340(in Chinese).

［10］ 袁哲俊，王先逵. 精密和超精密加工技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

Yuan Zhejun，Wang Xiankui. Precision and Ultraprecision Machining Technologies[M]. Beijing：China Machine Press，1999(in Chinese).

［11］ Adamsa D P，Vasileb M J，Krishnan A S M. Microgrooving and microthreading tools for fabricating curvilinear features[J]. Precision Engineering，2000，24(4)：347-356.

［12］ Ding X，Lim G C，Cheng C K，et al. Fabrication of a micro-size diamond tool using a focused ion beam [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2008，18(7)：075017.

［13］ Sun J，Luo X，Chang W，et al. Fabrication of periodic nanostructures by single-point diamond turning with focused ion beam built tool tips[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2012，22(11)：115014.

［14］ 徐宗偉，房豐洲，張少婧，等. 基于聚焦離子束銑削的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)制備[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，42(1)：91-94.

Xu Zongwei，F(xiàn)ang Fengzhou，Zhang Shaojing，et al. Fabrication of complicated micronano structures using focused ion beam milling method [J]. Journal of Tianjin University，2009，42(1)：91-94(in Chinese).

［15］ Xu Zongwei，F(xiàn)ang Fengzhou，Zhang Shaojing，et al. Fabrication of micro DOE using micro tools shaped with focused ion beam[J]. Optics Express，2010，18(8)：8025-8032.

［16］ 張少婧，徐宗偉，房豐洲，等. 基于聚焦離子束銑削技術(shù)的微刀具制備[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(5)：469-472.

Zhang Shaojing，Xu Zongwei，F(xiàn)ang Fengzhou，et al. Fabrication of micro tool using focused ion beam milling technique [J]. Journal of Tianjin University，2010，43(5)：469-472(in Chinese).

［17］ Harriott L R. Beam-size measurements in focused ion beam systems[J]. Journal of Vacuum Science & Technology A，1990，8(2)：899-901.

［18］ 曹德新. 溝道效應(yīng)及其應(yīng)用[J]. 核技術(shù)，1983(3)：68-73.

Cao Dexin. Channeling effect and its application [J]. Nuclear Technology，1983(3)：68-73 (in Chinese).

（責(zé)任編輯：趙艷靜）

Fundamental Research on Cyclindrical Grating Template Micromachining with Diamond Cutting Tool

Wu Wei1,2，Chen Jinping1,2，Xu Zongwei1,2，Liu Ting1,2，Cao Kexiong1,2，Li Wanli1,2
(1. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Centre of MicroNano Manufacturing Technology，Tianjin 300072，China)

Large-scale micro-pitch grating is the core device of high precision computer numerical control(CNC) machine tools，and its manufacture capacity and accuracy directly affects the level of manufactured CNC machine tools. In this paper，the basic research was conducted for manufacturing the cylindrical grating template which is the core device in roller nanoimprint technology. The key process in the fabrication of micro diamond tools with focused ion beam(FIB)and the impacts of chosen parameters in ultra-precision machining on the quality of cylindrical grating template were studied. It is found that the anisotropy of diamond material would cause channeling effect which would degrade the shape precision of both diamond tools and the template. In order to conquer the ion channeling effect，the methods for improving the ion beam homogeneity and optimizing the parameters in FIB fabrication were studied in detail. By DEFORM finite element modeling simulation and ultra-precision machining experiments，high precision cylindrical grating template without micro-burr was achieved by optimizing the tip angle of diamond tools and machining speed.

micro/nano manufacturing；focused ion beam；micro-cutting；diamond cutting tool；channeling effect

TG51；TG63；TH162

A

0493-2137(2015)05-0455-08

10.11784/tdxbz201402025

2014-02-20；

2014-07-14.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB706700)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275559，50935001)；中物院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KF13008).

兀 偉（1985— ），男，博士研究生．

徐宗偉，zongweixu@163.com.

時(shí)間：2014-09-03. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20140903.1012.002.html.