專利名稱：制造微型復(fù)制工具的多金剛石切削工具組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在制造微型復(fù)制結(jié)構(gòu)中使用的微型復(fù)制工具的金剛石機械加工。
背景技術(shù)：
金剛石加工技術(shù)可用來制造諸如微型復(fù)制工具等廣泛品種的工件。微型復(fù)制工具一般使用在擠壓工藝、注射模塑工藝、壓紋工藝、鑄造工藝之類，以制造微型復(fù)制結(jié)構(gòu)。微型復(fù)制結(jié)構(gòu)可包括光學(xué)薄膜、研磨薄膜、粘合薄膜、具有自配合輪廓的機械緊固件、或任何具有相對較小尺寸及微型復(fù)制特征的模塑或擠壓零件，諸如尺寸小于大約1000微米者。
微型復(fù)制工具包括皮帶、鑄造滾筒、注塑模型、擠壓或壓紋工具等等。微型復(fù)制工具可以用金剛石加工工藝制造，其中采用切削工具組件切割凹槽或在微型復(fù)制工具中具有的其它特征。采用切削工具組件制造微型復(fù)制工具的過程成本很高并且花費時間。
發(fā)明概要總之，本發(fā)明指向包括多個金剛石的切削工具組件。具有多個金剛石的切削工具組件可用在制造微型復(fù)制工具或其它工件中。具體地說，切削工具組件的多個金剛石可用來對于組件制造一次切削行程中在微型復(fù)制工具上建立多條凹槽或其它特征。由于具備在一次切削行程中形成多個特征的能力，具有多個金剛石的切削工具組件可以減少生產(chǎn)時間和/或創(chuàng)造更加復(fù)雜的式樣。
切削工具組件可包括安裝結(jié)構(gòu)和多個裝在安裝結(jié)構(gòu)上的工具柄。各工具柄可限定用來作為切削工具組件切削尖端的尖端。工具柄的金剛石切削尖端可以精確地形成對應(yīng)于在微型復(fù)制工具中要求制造的凹槽或特征。此外工具柄可精確地定位在安裝結(jié)構(gòu)中，使不同金剛石的尖端位置互相間隔離開一個或多個節(jié)距。相應(yīng)地，切削工具組件的不同金剛石尖端可對應(yīng)于在微型復(fù)制工具中要求制造的凹槽或特征并具有由金剛石尖端切削位置所限定的節(jié)距間隔。
通過利用在同一組件中多個金剛石切削尖端，微型復(fù)制工具的制造可以改進或簡化。具體地說，可以用較少切削工具組件的切削行程在復(fù)制工具上切割出凹槽，這樣可減少工具成本。例如，如果切削工具組件包括兩個金剛石，在切削工具上需要切割凹槽的行程數(shù)目可以減少一半。
此外，在某些實施例中，不同金剛石尖端可以限定將要在微型復(fù)制工具上制造的不同特征。在那種情況，可以避免使用不同切削工具組件制造兩個或多個物理上顯著不同特征的需要，而可以用單獨的組件代替在微型復(fù)制工具上制造兩個或更多物理上明顯不同的特征。這樣的技術(shù)可改進微型復(fù)制工具的質(zhì)量并且減少相關(guān)微型復(fù)制工具制造的時間和成本，這依次又可有效地減少相關(guān)微型復(fù)制結(jié)構(gòu)最終制造成本。
這些和其它實施例附加細節(jié)將在以下附圖和描述中提出。其它特征、目的和優(yōu)點將從描述和附圖和從權(quán)利要求中變得明顯。
附圖簡要說明

圖1為配置用于飛刀切削的多金剛石切削工具組件的頂視圖；圖2為配置用于切入或螺紋切削的多金剛石切削工具組件的頂視圖；圖3為配置用于飛刀切削的多金剛石切削工具組件一個實施例更加詳細的頂視剖面圖；圖4和5為配置用于切入或螺紋切削的多金剛石切削工具組件實施例更加詳細的頂視剖面圖；圖6為圖5中闡明的實施例正視圖；圖7為在制造微型復(fù)制工具中同時切削兩個凹槽的多金剛石飛刀切削工具組件的概念化立體圖；圖8為在制造微型復(fù)制工具中同時切削兩個凹槽的多金剛石切入或螺紋切削工具組件的概念化立體圖；圖9為多金剛石切入或螺紋切削工具組件另一頂視圖；圖10為飛刀切削工具組件另一頂視圖；圖11A-11C為闡明多金剛石切削工具組件切割工件上凹槽，和可以在工件上形成的最終凹槽及突出部分各種頂視剖面圖；圖12A-12D為闡明多金剛石切削工具組件切割工件上凹槽，和可以在工件上形成的最終凹槽及突出部分附加頂視剖面圖；
圖13為可以在多金剛石切削工具組件上采用的金剛石立體圖；圖14-27為闡明按照本發(fā)明各種實施例的切削工具組件附加的頂視剖面圖。
具體的實施方式本發(fā)明指向包括多個金剛石的切削工具組件。切削工具組件可用來制造微型復(fù)制工具或其他工件。具體地說，切削工具組件可用來在微型復(fù)制工具的制造中用切削工具組件一個單獨切削行程切割出多個凹槽或其它特征。如此，相關(guān)微型復(fù)制工具制造的切削時間可以減少，或者在給定的時間周期內(nèi)可形成更加復(fù)雜的圖案。這樣，與微型復(fù)制結(jié)構(gòu)相關(guān)的最終制造生產(chǎn)周期可以減少，并且生產(chǎn)過程可以簡化。此外，在某些實施例中，不同的金剛石可限定在微型復(fù)制工具中需要制造的不同特征。在這樣情況，可以避免采用顯著不同的切削工具組件，而可以用一個單獨多面切削工具組件代替在微型復(fù)制工具中制造兩個或更多物理上顯著不同特征。
切削工具組件可包括安裝結(jié)構(gòu)，和多個裝在安裝結(jié)構(gòu)上的工具柄。各工具柄限定一個獨特的金剛石尖端，而不同的尖端可對應(yīng)于需要在微型復(fù)制工具上制造的不同凹槽或特征。切削工具組件可采取不同構(gòu)形，依據(jù)其是否設(shè)計用于飛刀或切入或螺紋切削而定。
在工具柄上金剛石尖端可用研磨技術(shù)、磨削技術(shù)、或聚焦離子束銑削過程形成。也將描述金剛石尖端的各種形狀和尺寸，這些可能在制造不同微型復(fù)制工具中有用。具體地說，聚焦離子束銑削過程可用來使金剛石尖端所要求形狀在極端精度上完美無缺。
切削工具組件的不同工具柄可利用顯微定位技術(shù)裝在安裝結(jié)構(gòu)上。例如，該技術(shù)可以采用具有定位控制的工具顯微鏡?？刹捎蔑@微鏡識別和測量金剛石尖端之間互相位置，使工具柄可以正確地定位在安裝結(jié)構(gòu)上。可以設(shè)置定位反饋以便使金剛石尖端的位置量化，例如以數(shù)字讀出、模擬讀出、圖形顯示等形式。反饋可用來精確地在安裝結(jié)構(gòu)上定位不同的工具柄。一旦定位完成，工具柄可通過任何適當固定機構(gòu)固定在安裝結(jié)構(gòu)上。這樣，工具并可如此定位在安裝結(jié)構(gòu)上，使第一金剛石尖端的切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置一個限定的距離。該限定的距離可對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)，并且可以精確到小于大約10微米容差以內(nèi)。
使用顯微鏡和定位反饋精確地使多工具柄定位在安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)可保證金剛石尖端互相放置在微型復(fù)制工具有效切削要求的容差范圍以內(nèi)。具體地說，定位在小于10微米的容差位置以內(nèi)，并且更佳地可獲得小于1微米以內(nèi)。此外，像在此描述一樣，利用工具顯微鏡可以使金剛石尖端位置互相放置達到在0.5微米精度的容差范圍以內(nèi)。對于有效地制造可以用來制造廣泛品種的微型復(fù)制結(jié)構(gòu)(諸如微型復(fù)制光學(xué)薄膜、微型復(fù)制機械緊固件、微型復(fù)制研磨薄膜、微型復(fù)制粘合薄膜之類)的微型復(fù)制工具而言，這樣的精度是必要的。
在組件中制造具有多金剛石的切削工具組件可通過減少需要在微型復(fù)制工具上制造凹槽切削行程數(shù)目而可改進和簡化微型復(fù)制工具的制造。這樣的簡化可有效地減少與微型復(fù)制結(jié)構(gòu)最終制造相關(guān)的成本。
圖1為包括裝在安裝結(jié)構(gòu)14上的兩個工具柄12和13的切削工具組件10。切削工具組件10配置成為用于飛刀切削，其中組件10圍繞軸線15旋轉(zhuǎn)。例如，組件10可裝在驅(qū)動軸16上，該軸被機械(未示)馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)組件10。安裝結(jié)構(gòu)14可包括夾持具有金剛石尖端的工具柄12及13的構(gòu)造。柄12、13可用金屬或復(fù)合材料形成，而金剛石可通過基本上永久固定機構(gòu)固定在柄12、13上。此外，安裝結(jié)構(gòu)14可包括能夠固定在驅(qū)動軸上的特征。
為使金剛石固定在工具柄上并從而限定金剛石尖端17、18，可以采用基本上永久固定機構(gòu)諸如銅焊、錫焊、類似環(huán)氧樹脂等粘合劑之類。帶有金剛石尖端的工具柄12、13然后可通過諸如一個或多個螺栓、夾鉗或止頭螺釘?shù)扰R時固定機構(gòu)裝在安裝結(jié)構(gòu)14上?？商娲兀梢圆捎没旧嫌谰霉潭C構(gòu)諸如銅焊、錫焊、類似環(huán)氧樹脂等粘合劑之類使工具柄固定在安裝結(jié)構(gòu)14上。任何情況下，使用工具顯微鏡和定位反饋能夠保證工具柄12及13定位在安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，使金剛石尖端17、18互相以微型復(fù)制工具有效制造所需要的精度定位。安裝結(jié)構(gòu)14可具有容許切削工具組件10插入金剛石加工機械的形狀。再說，金剛石加工機械可以是配置成為用于飛刀切削的金剛石車床，其中切削工具組件通過驅(qū)動軸圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。
各工具柄12及13的金剛石尖端17及18各自限定一個單獨的切削機構(gòu)，它限定在被制造的微型復(fù)制工具上的諸如凹糟的工件獨特特征的制造。在圖1中闡明的實施例中，切削工具組件10包括兩個工具柄12、13，各具有一個金剛石尖端17及18，雖然按照本發(fā)明原理可以采用附加的帶有金剛石尖端的工具柄。此外，以下描述的原理可延伸到采用限定每一金剛石多于一個切削尖端的金剛石。
如圖1所闡明，工具柄12及13如此定位在安裝結(jié)構(gòu)14上，使工具柄12的尖端17切削位置處于從工具柄13的尖端18位置限定的距離。具體地說，限定位置可對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)。一般說來，名詞“節(jié)距”本文中涉及在工件上需要制造兩相鄰特征之間的距離。如圖1所示，距離Y＝X*(節(jié)距)，式中X為整數(shù)。距離Y有時也稱作節(jié)距，例如切削工具組件10的節(jié)距，雖然為清晰起見這樣的術(shù)語一般在本文中避免。換言之，除非另有規(guī)定，名詞“節(jié)距”當在此使用時保留作為在工件上需要制造的兩相鄰特征之間的距離。當整數(shù)選擇為一時，距離Y將等于工件上各特征的距離。
工具柄12及13如此定位在安裝結(jié)構(gòu)14上，使工具柄12的金剛石尖端17切削位置為從工具柄13的金剛石尖端18切削位置節(jié)距間隔的整數(shù)。更具體地說，金剛石尖端17、18可以互相定位在小于10微米的容差位置以內(nèi)，或小于1微米以內(nèi)，以致達到0.5微米精度級的容差。這樣的精度設(shè)置對于用來制造諸如微型復(fù)制光學(xué)薄膜、微型復(fù)制機械緊固件、微型復(fù)制研磨薄膜、微型復(fù)制粘合薄膜之類的微型復(fù)制結(jié)構(gòu)的微型復(fù)制工具有效制造是合適的。依據(jù)需要制造微型復(fù)制工具的尺寸，節(jié)距間隔可小于大約5000微米，小于大約1000微米，小于大約500微米，小于大約200微米，小于大約100微米，小于大約50微米，小于大約10微米，小于大約5微米，小于大約1微米，和接近金剛石尖端17、18間隔0.5微米的容差。
圖2為配置用于切入或螺紋切削的多金剛石切削工具組件的頂視圖。在切入切削中，在移動到其它位置切割各種凹槽或特征之前，切削工具組件20在限定的位置上切入運動中工件中一定的時間間隔。螺紋切削相似于切入切削。不過在螺紋切削中，切削工具組件20較長時期地放入運動中的工件中以便切割長螺紋凹槽。切削工具組件20也可用來劃線或劃直線，此時切削工具組件20非常緩慢地移動通過工件。
如同圖1中的組件10，圖2的切削工具組件20包括固定在安裝結(jié)構(gòu)24內(nèi)的多個工具柄22及23。為固定金剛石在工具柄22、23上并從而限定金剛石尖端28、29，可以采用諸如銅焊、錫焊、諸如環(huán)氧樹脂之類的粘合劑等等基本上永久性固定機構(gòu)。帶有金剛石尖端28、29的工具柄22、23然后可以通過諸如一個或多個螺栓、夾鉗或止頭螺釘?shù)扰R時固定機構(gòu)裝在安裝結(jié)構(gòu)24上?？商娲?，可以采用基本上永久固定機構(gòu)諸如銅焊、錫焊、類似環(huán)氧樹脂等粘合劑之類使工具柄22、23固定在安裝結(jié)構(gòu)24上。
采用帶有定位反饋的工具顯微鏡可保證工具柄22及23的金剛石尖端28、29以微型復(fù)制工具有效加工所需要的精度定位在安裝結(jié)構(gòu)24內(nèi)。安裝結(jié)構(gòu)24可具有容許切削工具組件20插入配置用于切入切削、螺紋切削、劃線或劃直線的金剛石加工機械。
圖3為配置用于飛刀切削多金剛石切削工具組件的一個實施例更加詳細的頂視剖面圖。圖4和5為配置用于切入或螺紋切削的多金剛石切削工具組件實施例更加詳細的頂視剖面圖。圖6為圖5中闡明的實施例正視圖。在每一情況中，安裝結(jié)構(gòu)14、24A、24B可包括一個或多個接受各自工具柄的區(qū)域35A、35B、35C、35D(合稱為區(qū)域35)。區(qū)域35可少許大于各自的工具柄以便保證工具柄可在區(qū)域內(nèi)活動而在工具柄固定在位置上以前正確地使金剛石尖端定位。如果需要可以在區(qū)域35內(nèi)設(shè)置一個或多個隔塊41(圖4)。
為使工具柄12、13或22、23定位在各自安裝結(jié)構(gòu)14、24、24A或24B內(nèi)，可以采用工具顯微鏡。例如從明尼蘇達州Fryer的Company of Edina商業(yè)上可買到的尼康工具制造商的顯微鏡包括用于測量工具柄金剛石切削尖端互相之間微型距離的控制刻度盤。此外可以設(shè)置位置反饋并且用Quadra Chex 2000數(shù)字讀出器量化，該讀出器可從新罕布什爾州曼徹斯特的Metronics Inc.商業(yè)上買到，以便保證變量Y限定在微型復(fù)制工具有效制造需要的精度范圍內(nèi)。使用尼康工具制造商的顯微鏡和Quadra Chex 2000數(shù)字讀出器可測量在安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)工具柄的精確對準情況，使相關(guān)工具柄的金剛石尖端互相定位在0.5微米精度級的容差內(nèi)。
具體地說，達到金剛石尖端的對準程度在小于10微米的容差內(nèi)，和更佳地小于1微米，對于制造可以用來制造光學(xué)薄膜、機械緊固件、研磨薄膜、粘合薄膜之類有效的微型復(fù)制工具是適合的。該微型定位在橫向和垂直方向均可達到，使金剛石尖端正確地橫向互相定位而限定要求的節(jié)距，并且垂直地互相定位而保證對于各尖端要求的切削高度。橫向和垂直定位均可達到在這里描述的容差以內(nèi)。一旦利用數(shù)字讀出器在工具顯微鏡下正確地定位，工具柄可以通過一個或多個螺栓、夾鉗或止頭螺釘固定在安裝結(jié)構(gòu)上?？商娲?，可以采用諸如銅焊、錫焊、類似環(huán)氧樹脂等粘合劑之類固定機構(gòu)。
圖7和8為在制造微型復(fù)制工具72A(圖7)或72B(圖8)過程中用來同時切削兩個凹槽的多金剛石切削工具組件10和20的概念化立體圖。在圖7和8的例子中，各微型復(fù)制工具72包括鑄造滾筒，雖然諸如鑄造皮帶、注塑模型、擠壓或壓紋工具或其它工件的微型復(fù)制工具也可以用切削工具組件10或切削工具組件20制造。如圖7所示，切削工具組件10可固定在驅(qū)動軸16上，該軸附著在馬達(未示)上而使切削工具組件10圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。切削工具組件10也可相對于微型復(fù)制工具72A在橫向運動(如箭頭所示)。與此同時，切削工具組件72A可圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。當切削工具組件10被轉(zhuǎn)動時，金剛石尖端18和17以交替方式切入微型復(fù)制工具72A。相應(yīng)地，在切削工具組件10的單獨一次切削行程中沿微型復(fù)制工具72A形成兩條凹槽。
如圖8中所示，切削工具組件20可固定在金剛石加工機械74上，這樣使切削工具組件20相對于微型復(fù)制工具72B定位，并且移動切削工具組件20，例如橫向地(如箭頭所示)相對于微型復(fù)制工具72B。與此同時，微型復(fù)制工具72B圍繞軸線旋轉(zhuǎn)。金剛石加工機械74可配置成為移動切削工具組件20通過切入或螺紋切削技術(shù)進入旋轉(zhuǎn)的微型復(fù)制工具72B以便在微型復(fù)制工具72B上切割凹槽?？商娲?，金剛石加工機械74可配置成為用于劃線或劃直線，其中切削工具組件20非常緩慢地移動通過工件。在任何情況下，可以在工件上切割凹槽和形成突出部分。例如，在擠壓過程中，所形成的凹槽和突出部分可限定使用微型復(fù)制工具72A(圖7)或72B(圖8)制造微型復(fù)制結(jié)構(gòu)的最終形狀?？商娲?，形成的凹槽和突出部分可通過在不是微型復(fù)制工具的工件中材料的移動而形成特征。此外，可在切削工具組件20和接受切削工具組件的機械74之間采用快速工具伺服系統(tǒng)。例如，快速工具伺服系統(tǒng)可使切削工具組件20振動以便在微型復(fù)制工具72B中制造特殊微型結(jié)構(gòu)。
由于切削工具組件10、20提供多個工具柄，并因此即多個金剛石尖端，只需要較少的切削工具組件的行程在微型復(fù)制工具上切割凹槽。這可以減少生產(chǎn)成本和加速與微型復(fù)制工具制造相關(guān)的生產(chǎn)周期。有些情況制造一個工件有時需要幾個小時，如果不是幾天。在切削工具組件10、20中綜合兩個或更多的金剛石切削尖端以便同時切割凹槽可以減少生產(chǎn)周期到那些時間的幾分之一。
例如，如果切削工具組件包括兩個各限定一個金剛石切削尖端的工具柄(如圖7和8所示)，需要在微型復(fù)制工具72中切割凹槽的形成行程數(shù)目可減少到相對于包括一個單獨工具柄組件的一半。附加的工具柄可以相似方式進一步增加效益。還有，可以在所有或一個金剛石上形成多個尖端，這樣可以增加相似的生產(chǎn)率效益。減少制造微型復(fù)制工具72的相關(guān)成本依次可有效地減少與微型復(fù)制結(jié)構(gòu)最終制造的相關(guān)成本。
工具柄12、13、或22、23的金剛石尖端也可有多種尺寸。尖端的尺寸可由圖9所示一個或多個變數(shù)限定，包括切削高度(H)、切削寬度(W)和以上定義的變數(shù)(Y)。切削高度(H)限定金剛石在工件中可切割的最大深度，并且可以稱作切削深度。切削寬度(W)可定義為平均切削寬度，或如圖9所標識，尖端的最大切削寬度。變數(shù)(Y)涉及相鄰尖端之間的距離，并定義為節(jié)距間隔的整數(shù)。另一用來定義切削尖端尺寸的數(shù)量稱作長寬比。長寬比為高度(H)對于寬度(W)之比。用聚焦離子束銑切過程制造的金剛石尖端可獲得各種高度、寬度、節(jié)距和長寬比。
例如，高度(H)和/或?qū)挾?W)可以形成為小于大約500微米，小于大約200微米，小于大約100微米，小于大約50微米，小于大約10微米，小于大約5微米，小于大約1.0微米。此外，變數(shù)Y可定義為小于大約5000微米，小于大約1000微米，小于大約500微米，小于大約100微米，小于大約50微米，小于大約10微米，小于大約5微米，小于大約.0微米，并可接近大約0.5微米容差。在某些情況，如可在圖10(和圖5和6)中看到，距離Y可小于工具柄的寬度，和甚至小于相關(guān)金剛石尖端切削寬度。
長寬比可以限定為大于大約1∶5，大于大約1∶2，大于大約1∶1，大于大約2∶1，或大于大約5∶1。較大或較小的長寬比可以用聚焦離子束銑削獲得。不同的形狀和尺寸對于各種應(yīng)用有利。
聚焦離子束銑削涉及一種加工過程，其中離子，諸如鎵離子，加速趨向金剛石以便銑去金剛石中的原子(有時稱作燒蝕)。鎵離子的加速可以逐個地從金剛石除去原子。采用水蒸汽的蒸汽增強技術(shù)也可改善聚焦離子束銑削過程。一種適當?shù)木劢闺x子束銑床是Micron型9500，商業(yè)上可從俄勒岡州波特蘭的FEI Inc.買到。一般地說，聚焦離子束銑削可以用來制造對應(yīng)于要求制造特征的精確尖端金剛石。可以提供制造一個或更多離子束銑削金剛石的離子束銑削服務(wù)的一個代表性供應(yīng)商是北卡羅來納州Rayleigh的Materials AnalyticalServices。
聚焦離子束銑削一般非常昂貴。因此，為減少相關(guān)多尖端金剛石制造的成本，最好把要求離子束銑削的金剛石尖端在金剛石尖端提交聚焦離子束銑削加工以前先初步加工處理。例如，較少花費的技術(shù)，諸如研磨或磨削可以用來除去金剛石尖端上相當大的部分。聚焦離子束銑削過程可保證獲得以上列出的一個或更多的尺寸或特征。還有，通過在聚焦離子束銑削以前初步加工金剛石尖端，需要制造最終聚焦離子束銑削金剛石尖端的聚焦離子束銑削時間工作量可以減少。研磨涉及一種利用松散的研磨劑從金剛石除去材料的過程，而磨削涉及一種利用固定在介質(zhì)或基底上的研磨劑除去材料的過程。
圖11A-11C為闡明切削工具組件110切割工件112上凹槽的頂視剖面圖。在圖11A-11C的例子中，以上量化的距離(Y)將等于節(jié)距。換言之，以上定義的整數(shù)(X)將等于1，如此成為Y＝(X)*(節(jié)距)，當X＝1時，Y＝節(jié)距。
具體地說，圖11A為闡明多金剛石切削工具組件110切割工件112上第一組凹槽的頂視剖面圖，而圖11B為闡明多金剛石切削工具組件110切割工件112上第二組凹槽的頂視剖面圖。圖11C為闡明切削工具組件110在二次行程以后建成的工件頂視圖。工件112可對應(yīng)于如以上描述的微型復(fù)制工具，雖然本發(fā)明不一定局限于這一方面。一種相似的技術(shù)可用配置為飛刀切削的工具實行，其中Y＝節(jié)距。
圖12A-12D為闡明多金剛石切削工具組件120切割工件122上凹槽的頂視剖面圖。在圖12A-12D的例子中，以上定義的整數(shù)(X)將等于3，如此成為Y＝(X)*(節(jié)距)，當X＝3時，Y＝3*節(jié)距。
具體地說，圖12A為闡明切削工具組件120切割工件122上第一組凹槽的頂視剖面圖，圖12B為闡明切削工具組件120切割工件122上第二組凹槽的頂視剖面圖，而圖12C為闡明切削工具組件120切割工件122第三組凹槽的頂視剖面圖。圖12D為闡明切削工具組件120在三次行程以后建成的工件122頂視圖。再說，工件122可對應(yīng)于如以上描述的微型復(fù)制工具，雖然本發(fā)明不一定局限于這一方面。同樣，一種相似的技術(shù)可用配置為飛刀切削的工具實行，其中Y＝3*節(jié)距。
圖13為可以固定在工具柄上而然后用在切削工具組件中的金剛石130的立體圖。金剛石130可對應(yīng)于以上描述的任何金剛石尖端17、18、27、28。如圖13所示，金剛石130可限定由至少3個表面(S1-S3)所限定的切削尖端132。表面S1、S2及S3可由磨削或研磨技術(shù)制造，并且由聚焦離子束銑削技術(shù)加以完善。
圖14-27為按照本發(fā)明各種實施例切削工具組件的頂視圖。圖14、16、18、20、22、24和26闡明配置用于切入切削、螺紋切削、劃線或劃直線的組件，而圖15、17、19、21、23、25和27闡明配置用于飛刀切削的組件。通過圖14-27的例子可見，在各工具柄的金剛石尖端可形成多種的形狀和尺寸。
例如，如圖14和15，工具柄141-144的金剛石尖端145-148可基本上限定矩形。如圖16和17所示，工具柄161-164的金剛石尖端165-168可限定帶有平頂?shù)腻F形。在這種情況，由金剛石尖端165-168所限定的側(cè)壁可以如此逐漸變細，使金剛石尖端165-168可以限定具有平頂?shù)慕鹱炙?。由金剛石尖?65-168限定的側(cè)壁可以形成相對于安裝結(jié)構(gòu)169、170的鈍角。
如圖18和19所示，工具柄181-184的金剛石尖端185-188限定底切的側(cè)壁。換言之，由金剛石185-188限定的側(cè)壁可形成相對于安裝結(jié)構(gòu)189-190表面的銳角。如圖20-21所示，工具柄201及202(圖20)和211及212(圖21)的不同金剛石尖端203、204、205、206可限定不同的形狀和尺寸。換言之，由第一工具柄201、211限定的第一金剛石尖端203、205的形狀可基本上不同于由第二工具柄限定的第二金剛石尖端204、206的形狀。這樣的配置具體地對于制造光學(xué)薄膜有用。在這種情況，由第一工具柄201、211限定的金剛石尖端203、205可在光學(xué)薄膜中限定要求制造的第一特性，而由第二工具柄202、212限定的第二金剛石尖端204、206可在光學(xué)薄膜中限定要求制造的第二特性。采取各種其它形狀的附加金剛石可以增加相似效益。例如，如圖22和23所示，可以在安裝結(jié)構(gòu)224、234中定位3個或更多工具柄221、222、223(圖22)、231、232、233(圖23)以便限定3個或更多金剛石尖端同時在工具的一次單獨的行程中切割凹槽。在其它用途中，如這里描述固定兩個或更多金剛石，并然后用來切割同一凹槽，例如，在工具的隨后行程中用不同金剛石制作更深的切割。換言之，在柄中的第一金剛石可切削較淺的凹槽，而在第二次行程中柄中的第二金剛石切削同一凹槽到更深的深度。也可以在這樣的隨后行程中切割其它形狀。
如在圖24-27中可以看到，工具柄241、242(圖24)；251、252(圖25)；261、262(圖26)；或271、272(圖27)之一或二者可以形成為限定每金剛石為多個尖端的金剛石。具體地說，如圖所示，工具柄242、252、261、262、271及272上形成多尖端金剛石。例如，如在待批和共同轉(zhuǎn)讓的標題為“帶多尖端金剛石的金剛石工具”，Bryan等登記于2002年5月29日，美國專利申請No.10/159,925中所描述的多尖端離子束銑削金剛石可以按照本披露文件原理使用。美國專利申請No.10/159,925中整個內(nèi)容綜合在此作為參考。這些和其它金剛石的形成對于各種應(yīng)用可能是合適的。相應(yīng)地，本發(fā)明的這些和其它變化也在權(quán)利要求范圍以內(nèi)。
已經(jīng)描述一些實施例。例如，多金剛石切削工具組件已經(jīng)在金剛石加工機械使用中描述。不過，可以對以上描述的實施例進行各種變型而并不偏離以下權(quán)利要求的范圍。例如，切削工具組件可以用來在其它類型的工件上切割凹槽或其它特征，例如不同于微型復(fù)制工具的工件。相應(yīng)地，其它實際應(yīng)用和實施例均在下列權(quán)利要求范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種切削工具組件，包括安裝結(jié)構(gòu)；第一工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)上，第一工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第一凹槽的第一金剛石尖端；和第二工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)上，第二工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第二凹槽的第二金剛石尖端，其中第一和第二工具柄如此定位在安裝結(jié)構(gòu)上，使第一金剛石尖端切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置的限定的距離上，該限定的距離精確到大約10微米的容差以內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，該限定的距離對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)，其中各節(jié)距間隔定義需要在工件上制造的兩個相鄰特征之間的距離。
3.如權(quán)利要求2所述的切削工具組件，其特征在于，第一和第二工具柄如此定位在安裝結(jié)構(gòu)上，使第一金剛石尖端切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置的大約一個節(jié)距間隔。
4.如權(quán)利要求2所述的切削工具組件，其特征在于，節(jié)距間隔小于大約1000微米。
5.如權(quán)利要求4所述的切削工具組件，其特征在于，節(jié)距間隔小于大約100微米。
6.如權(quán)利要求5所述的切削工具組件，其特征在于，節(jié)距間隔小于大約10微米。
7.如權(quán)利要求6所述的切削工具組件，其特征在于，節(jié)距間隔小于大約1微米。
8.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，第一金剛石尖端切削高度相對于第一金剛石尖端切削寬度的長寬比大于大約1比1。
9.如權(quán)利要求8所述的切削工具組件，其特征在于，長寬比大于大約2比1。
10.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，第一和第二金剛石尖端限定切削寬度為小于大約200微米。
11.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，金剛石尖端中至少一個限定基本上為直的側(cè)壁。
12.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，金剛石尖端中至少一個限定為底切的側(cè)壁。
13.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，金剛石尖端中至少一個限定一側(cè)壁，該側(cè)壁相對于安裝結(jié)構(gòu)的鄰近表面形成一鈍角。
14.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，切削工具組件配置成為圍繞垂直于金剛石尖端切削方向的軸線旋轉(zhuǎn)的飛刀組件，其中第一和第二工具柄裝在安裝結(jié)構(gòu)相對的兩側(cè)面上。
15.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，限定的距離小于與第一及第二工具柄的任一個相關(guān)的寬度。
16.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，第一和第二工具柄裝在安裝結(jié)構(gòu)同一側(cè)面上。
17.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，還包括用于把第一工具柄相對于第二工具柄固定在安裝結(jié)構(gòu)上的固定機構(gòu)。
18.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，第一金剛石尖端的形狀基本上不同于第二金剛石尖端的形狀。
19.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，第一和第二金剛石尖端的形狀可在對應(yīng)于需要在微型復(fù)制結(jié)構(gòu)中制造的特征的微型復(fù)制工具中制造凹槽。
20.如權(quán)利要求19所述的切削工具組件，其特征在于，微型復(fù)制結(jié)構(gòu)包括限定自配合輪廓的機械緊固件。
21.如權(quán)利要求19所述的切削工具組件，其特征在于，微型復(fù)制結(jié)構(gòu)包括光學(xué)薄膜。
22.如權(quán)利要求21所述的切削工具組件，其特征在于，第一金剛石尖端的形狀基本上不同于第二金剛石尖端的形狀，而其中第一金剛石尖端限定在光學(xué)薄膜中要求制造的第一光學(xué)特性和第二金剛石尖端限定在光學(xué)薄膜中要求制造的第二光學(xué)特性。
23.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，還包括裝在安裝結(jié)構(gòu)中的第三工具柄，第三工具柄限定對應(yīng)于在工件上要求制造的第三凹槽的第三金剛石尖端，其中第三尖端的切削位置是離開第二金剛石尖端切削位置的第二限定的距離，該第二限定的距離精確到小于大約10微米的容差以內(nèi)。
24.如權(quán)利要求1所述的切削工具組件，其特征在于，限定的距離精確到小于大約1微米的容差內(nèi)。
25.一種用于在工件中制造凹槽的金剛石加工機械，包括切削工具組件，該切削工具組件包括安裝結(jié)構(gòu)；第一工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)中，第一工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第一凹槽的第一金剛石尖端；和第二工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)上，第二工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第二凹槽的第二金剛石尖端，其中第一和第二工具柄如此定位在安裝結(jié)構(gòu)上，使第一金剛石尖端切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置的限定的距離上，該限定的距離精確到小于大約10微米的容差；和一個裝置，接受切削工具組件并且控制切削工具組件相對于工件的定位。
26.如權(quán)利要求25所述的金剛石加工機械，其特征在于，該機械為飛刀切削機械，它使切削工具組件圍繞軸線旋轉(zhuǎn)，和其中該裝置包括聯(lián)結(jié)安裝結(jié)構(gòu)到馬達上的驅(qū)動鏈。
27.一種切削工具組件，包括安裝結(jié)構(gòu)；第一工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)上，第一工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第一凹槽的第一金剛石尖端；第二工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)上，第二工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第二凹槽的第二金剛石尖端；和一裝置，用于把第一和第二工具柄裝在安裝結(jié)構(gòu)中，使第一金剛石尖端切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置限定的距離上，該限定的距離精確到小于大約10微米的容差。
28.一種飛刀切削工具組件，配置成為圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)以便在微型復(fù)制工具中切割凹槽，包括安裝結(jié)構(gòu)；第一工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)的第一側(cè)面，第一工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第一凹槽的第一金剛石尖端；和第二工具柄，裝在安裝結(jié)構(gòu)的與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面，第二工具柄限定對應(yīng)于要求在工件上制造的第二凹槽的第二金剛石尖端，其中第一和第二工具柄如此定位在安裝結(jié)構(gòu)上，使第一金剛石尖端切削位置處于離開第二金剛石尖端切削位置的限定的距離上，該限定的距離精確到小于大約10微米的容差。
29.如權(quán)利要求28所述的飛刀切削工具組件，其特征在于，限定的距離小于與第一和第二工具柄的任一個相關(guān)的寬度。
30.如權(quán)利要求28所述的飛刀切削工具組件，其特征在于，限定的距離對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)，其中節(jié)距間隔限定在工件中要求制造的兩個相鄰特征之間的距離。
31.如權(quán)利要求30所述的飛刀切削工具組件，其特征在于，第一和第二工具柄如此定位在安裝結(jié)構(gòu)中，使第一金剛石尖端的切削位置離開第二金剛石尖端切削位置大約一個節(jié)距間隔。
32.如權(quán)利要求28所述的飛刀切削工具組件，其特征在于，第一金剛石尖端的形狀基本上不同于第二金剛石尖端的形狀。
33.如權(quán)利要求28所述的飛刀切削工具組件，其特征在于，限定的距離精確到小于大約1微米的容差內(nèi)。
34.一種方法，包括限定微型復(fù)制工具的節(jié)距間隔；利用在安裝結(jié)構(gòu)中第一和第二工具柄的定位制造切削工具組件，使與第一工具柄相關(guān)的第一金剛石尖端切削位置為離開與第二工具柄相關(guān)的第二金剛石尖端的切削位置的限定的距離，該限定的距離對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)，其中該限定的距離精確到小于大約10微米容差以內(nèi)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括用切削工具組件制造微型復(fù)制工具。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括用微型復(fù)制工具制造微型復(fù)制結(jié)構(gòu)。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，定位第一和第二工具柄包括響應(yīng)定位反饋在加工顯微鏡下調(diào)整工具柄互相之間的位置。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，限定的距離精確到小于大約1微米的容差以內(nèi)。
全文摘要
在一種實施例中，描述用于在微型復(fù)制工具(72a)中制造凹槽的切削工具組件(10)。該切削工具組件(10)包括安裝結(jié)構(gòu)(14)和裝在安裝結(jié)構(gòu)(14)中多個金剛石(12、 13)。例如，具有第一(17)和第二(18)金剛石尖端的第一和第二工具柄可定位在安裝結(jié)構(gòu)(14)中，使第一工具柄金剛石尖端切削位置處于離開第二工具柄金剛石尖端切削位置的限定的距離。限定的距離(y)可對應(yīng)于節(jié)距間隔的整數(shù)(x)，并且可精確到小于10微米的容差以內(nèi)。
文檔編號B23B29/24GK1681639SQ03821198
公開日2005年10月12日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月10日
發(fā)明者W·J·布賴恩, N·D·休厄爾, J·E·可萊門斯, G·E·史來柯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司