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圆柱母光栅精密微刻划研究

作　者: 李龚浩
导　师: 徐宗伟
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 微刻划聚焦离子束微型V沟槽毛刺金相
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

长光栅作为高档数控机床检测用精密光栅位置检测元件，其制造精度直接决定了国家高精密机床制造的水平。利用纳米滚压印技术实现超高精度长光栅的制造是一种可行且高效的技术。本文以母光栅滚压印模具的制造以及模具制造所用刀具的FIB（Focused Ion beam）加工与修锐为依托进行课题展开。分别对微刻划刀具的FIB制造方法、母光栅微刻划加工工艺的优化设计、微刻划过程中机理探究三个主要方面进行了深入研究。刻划刀具的FIB制造方法方面，为了满足滚压印光栅制造及应用需求，利用聚焦离子束纳米制造技术，设计并制造了三角形、梯形等不同几何形状的锋利刃口微刀具，都取得了良好的刻划效果。圆柱母光栅微刻划方面，为了满足不同特征结构（0.5μm~20μm周期）的母光栅微刻划制造需求，提出了利用切屑的形态变化而推断切削过程中切削干涉现象对刻划质量的影响的方法，基于此方法提出了两种提高微刻划表面质量的方法。分别是提高刀具前刀面张角的方法和多步法，有效实现了微加工毛刺的抑制。通过大量的刻划实验，针对不同的周期参数，我们得到了在各个尺度下适用的多步法加工参数，发现针对不同的第一步刻划深度，第二步刻划深度在第一步的0.33~0.5倍时能得到最优的刻划质量。通过综合考虑加工效率、刻划质量、压印效果等多种因素，对刻划刀具进行了优化设计和制造，实现了直径110mm的圆柱母光栅的20μm、10μm和4μm周期的整圈高精度微刻划研究。对于10μm周期，刻划总条数为万条以上，连续刻划时间为62小时，4μm光栅周期的平均偏差为10nm以下，实现母光栅的首尾拼接误差小于500nm。在微刻划理论方面，通过在刻划过程中对不同周期刻划的实验我们发现，H62黄铜材料在微刻划研究中存在显著的尺寸效应：当周期从20μm减小到10μm时相同的刻划参数下刻划质量会显著提高，但是10μm到2μm的周期减小过程中质量则没有明显的改善，在周期小于2μm时反而出现了明显的毛刺成片出现的现象。对于这种现象，我们通过EDS能谱分析和离子束成像等显微表征方法，得出黄铜的金相分布问题是影响微小周期下影响刻划质量的主要因素。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 微型沟槽阵列功能器件的应用与制造  8-15
    1.1.1 微型 V 沟槽的应用  8-12
    1.1.2 微型 V 沟槽的加工工艺  12-15
  1.2 微型刀具制造现状  15-16
  1.3 课题背景  16-18
第二章 FIB 制备刀具  18-29
  2.1 离子束系统的基本原理与分类  18-21
    2.1.1 聚焦离子束加工基本原理  18-20
    2.1.2 聚焦离子束系统的分类  20-21
  2.2 FIB 制备刀具的优势  21-23
  2.3 FIB 制备金刚石刀具过程  23-27
    2.3.1 刀具制备的影响因素与前期处理  23-24
    2.3.2 主要参数的选取  24-25
    2.3.3 FIB 加工主要工艺优化方式  25-27
  2.4 FIB 对刀具加工结果  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章实验系统的搭建  29-39
  3.1 加工系统  29-35
    3.1.1 微刻划加工系统  29-35
    3.1.2 金刚石刀具加工系统  35
  3.2 观察系统  35-36
  3.3 实验材料以及预实验设计  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章微栅距母光栅的制造工艺优化方法  39-51
  4.1 影响表面质量的主要因素  39-40
  4.2 前刀面张角对刻划质量的影响  40-42
    4.2.1 从切屑的形态分析增大前刀面张角改善刻划质量原理  40-42
    4.2.2 前刀面张角的选取与刻划质量优化结果  42
  4.3 多步法对刻划质量的影响  42-46
    4.3.1 从切屑的形态分析多步法改善刻划质量原理  43-44
    4.3.2 多步法的选取与刻划质量优化结果  44-46
  4.4 其他刻划工艺优化方法  46-48
    4.4.1 1122 多步法与 1212 多步法  46-47
    4.4.2 出入刀与进退刀工艺参数的优化  47-48
  4.5 刻划加工结果  48-50
  4.6 本章小结  50-51
第五章母光栅表面刻划机理  51-63
  5.1 切屑形态角度对切削过程进行分析  51-56
    5.1.1 切屑干涉现象及原理  51-52
    5.1.2 切屑形态变化过程  52-53
    5.1.3 切削过程的有限元模拟  53-56
  5.2 微尺度下刻划机理的深入研究  56-62
    5.2.1 更微小尺度下切削质量变化趋势  56-57
    5.2.2 更微小尺度下毛刺聚集问题与两种原因假设  57
    5.2.3 微尺度下 V 沟槽表面质量问题的原理分析  57-62
  5.3 本章小结  62-63
第六章总结与展望  63-65
参考文献  65-68
发表论文和参加科研情况说明  68-69
致谢  69

圆柱母光栅精密微刻划研究

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