CN102758226B - 一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，包括以下步骤：（1）首先用高硬度金属圆柱体或表面具有导电介质的圆柱状陶瓷作为辊压印模具基体；（2）在模具基体表面涂覆一层光刻胶，然后曝光、显影在辊子上形成整周栅线的光刻胶掩蔽；（3）以光刻过的辊压印模具基体作为电铸原模，使用圆柱精密电铸工艺在该辊压印模具基体表面的金属/导电层裸露处(光刻胶栅线微结构凹腔)沉积金属栅线微结构，然后去除光刻胶栅线微结构，保留精密电铸形成的栅线微结构。使用本发明方法，能够在辊压印模具的金属基体上沉积金属化的光栅栅线，所制造的辊压印模具，具有栅距均匀和栅线槽形一致性好的优点，有效保证了辊压印模具的制造精度。

Description

一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法

技术领域

本发明涉及微细制造领域中的精密电铸技术领域，特别涉及一种机床用长光栅辊压印模具的精密电铸加工方法。

技术背景

随着科学技术的进步，以数控机床为核心的制造装备水平成为一个国家制造业水平高低的衡量标准。机床用长光栅(以下简称光栅)，作为数控机床的基础性、关键性位置检测元件，其精度和可靠性直接影响着机床所加工零件的精度，在机械制造领域的应用越来越广泛。

目前主流的光栅制造方法是通过光刻工艺制造高精度的母光栅，再以其为母版进行光刻或翻模复制，工艺步骤繁复，精度损失大，而且受制于光刻技术限制，难于实现大尺度超长的母光栅制造，在超大行程的位置检测中只能够采用多栅尺拼接的方式，增加了安装与调试难度。

辊压印工艺作为一种高效率、低成本的纳米压印光刻技术，能够利用辊压印模具(即母光栅)上连续无接缝的光栅线纹图形，在机械力的作用下，连续复制光栅，可实现超长光栅的制备，具备连续生产，高产能，低成本的技术优势。

与众多纳米压印技术一样，母光栅的制造一直是制约辊压印制造光栅工艺进行产业化的重要因素。传统的辊压印模具的制造方法主要有两种：

(1).采用超精密加工技术，利用刀具在圆柱型辊压印模具基体表面进行刻划，辅以超精密的分度机构，能够在圆柱型辊压印模具基体上制造出均匀栅距的母光栅栅线。但这种方法加工效率较低，往往需要耗费数周时间才能完成一只辊压印模具的制造，更为严重的是，数目甚大的栅线刻划，对刀具的磨损极为严重，难以保证加工先后槽型的一致性，使得母光栅加工的精度无法得到保证。

(2).使用圆柱曝光工艺在辊压印模具基体表面的光刻胶上制作均匀栅距的母光栅栅线，再利用湿法刻蚀工艺，以光刻胶为掩膜，在辊压印模具基体上制造出母光栅栅线。与刀具刻划法相比，其优势在于，在形成光刻胶图形过程中，不会产生因刀具磨损而造成栅线槽形不均匀的现象。然而，由于辊压印工艺是一种依赖压力的机械微复型方法，要求辊压印模具基体必须有足够的硬度与刚性，一般会选择金属材料，如铜、不锈钢，众所周知，金属材料由于其金相组织分布的不均匀，在湿法刻蚀中，面对微米级的线宽，各向腐蚀速率不易控制，因此很难保证栅线槽形腐蚀的一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机床用长光栅辊压印模具的精密电铸加工方法，该方法使用经过圆柱曝光、显影的辊压印模具基体作为电铸母模，在其表面的光刻胶上的光栅栅线凹槽中沉积金属材料，作为剥离光刻胶后光栅栅线。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，包括以下步骤：

1）辊压印模具基材制造：选择表面导电的柱状体为辊压印模具基材，即辊子；

2）电铸原模的制作：用提拉法在辊子表面涂覆光刻阻蚀胶，然后用紫外光对辊子进行整周曝光，将掩模板上的栅线图形复型到辊子表面光刻胶上面，接着对辊子进行显影处理，去掉被曝光部分或未被曝光部分的光刻胶，从而形成一个表面均布有光刻胶栅线微结构的辊子模具，它将作为精密电铸原模；

3）精密电铸制作辊压印模具：将表面具有光刻胶栅线微结构的电铸原模作为阴极，装有金属的钛蓝作为阳极，将阴阳极置于电铸液中进行电铸，电铸原模表面光刻胶栅线微结构凹槽中将会沉积形成金属的栅线微结构，最后去除电铸原模表面的光刻胶栅线微结构，保留电铸形成的金属栅线微结构在辊子表面，从而形成用来压印光栅尺的辊压印模具。

本发明进一步的改进在于：步骤1）中辊压印模具基材为金属铜或殷钢辊子，或者是非金属材料通过沉积金属层来制作导电层而形成的辊子；所述辊子直径为Φ50~200mm；高度为50~200mm，表面粗糙度<50nm,圆柱度及同心度<1μm。

本发明进一步的改进在于：所述非金属材料为陶瓷或石英玻璃。

本发明进一步的改进在于：步骤2）中涂覆的光刻阻蚀胶为正性光刻阻蚀胶或负性光刻阻蚀胶；经曝光后的辊子表面光刻胶栅线微结构的周期为500nm~100um，栅线槽的深宽比<1：5。

本发明进一步的改进在于：正性光刻阻蚀胶为EPG533，负性光刻阻蚀胶为SU8。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中阳极钛蓝中的金属为镍或镍钴合金。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中，将装有金属的钛蓝作为阳极环形均布在阴极周围，作为阴极的电铸原模则在环形中央，电铸过程中阴极的电铸原模在伺服电机带动下做周转运动。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中，电铸液采用氨基磺酸盐溶液，硼酸为溶液pH缓冲剂；电铸液温度范围为35~60℃，pH值范围为3~5，电流密度范围为0.5~20A/dm²。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中采用丙酮或酒精去除辊压印模具表面的光刻胶栅线微结构。

本发明进一步的改进在于：所述加工方法还包括以下步骤：

4）光栅尺胚的制作：选用陶瓷、玻璃、金属钢带或铜带作为光栅尺胚基材，在光栅尺胚基材表面沉积一层金属薄膜；

5）用辊压印模具压印光栅尺：采用辊对辊压印成型方法，将光栅尺胚放置于辊压印模具与支撑辊之间，辊压印过程中，辊压印模具的外圆周与水平运动的光栅尺胚相接触并在光栅尺胚上施加辊压力；辊压印模具回转时外周的线速度与光栅尺胚水平运动速度一致，从而在光栅尺胚上形成均匀的微结构。

本发明进一步的改进在于：步骤5)中支撑辊通过气缸控制它与辊压印模具间的压力；光栅尺胚基材与辊压印模具做同步平面运动的圆周线速度为0.1~5m/min；辊压印模具辊压压力为0.05-0.4Mpa。

步骤4）中沉积的金属层为铝、铜等塑性较好的材料，以便微结构的复型；

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明采用精密电铸技术和纳米压印技术，将经过整周曝光且表面均布光刻胶栅线微结构的辊子作为电铸原模进行精密电铸，最终得到了一个表面均布金属栅线微结构的辊压印模具。利用此模具进行纳米压印，将辊压印模具上精密电铸形成的金属栅线微结构转移至光栅尺胚表面，由于辊压印模具表面是金属的栅线微结构，而且它是圆柱形状，因此模具具有良好的耐磨性和尺寸精度，通过其连续的回转运动就能压印出超长光栅尺。这种模具制作和光栅尺压印成型方法，不仅降低了模具制作成本和周期，提高了模具耐磨性和微结构尺寸精度，而且利用辊压印模具的回转运动可实现超长光栅尺的连续、低成本制造。

微细电铸工艺因其沉积速度可控，具有快速加工能力，而且节约资源，精确度高，应用面广，可以制作用其他加工方法无法完成的制品；使用本发明所公开的工艺方法，能够在辊压印模具的金属基体上沉积金属化的光栅栅线，所制造的辊压印模具，具有栅距均匀和栅线槽形一致性好的优点，有效保证了辊压印模具的制造精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明方法的示意图；

图2为本发明方法所制备的辊压印模具制备长光栅的示意图；

在图1、2中，1为电铸原模，2为光栅微结构，3为金属光栅微结构，4为辊压印模具，5为支撑辊，6为光栅尺胚基底，7为辊压印微结构。

图3和图4是精密电铸制作辊压印模具的示意图。

在图3、4中，8为阴极导线，9为阳极导线，10为环形金属导体，11为电机，12为绝缘板，13为导体棒，1为电铸原模，15为阳极钛蓝，16为镍或镍钴合金的球状体，17为电铸液。

图5是压印长光栅尺过程示意图。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施实例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明公开一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，具体实施方式是通过下述步骤来实现的；该方法包括以下步骤：

1）辊压印模具基材制造：选择表面导电的柱状体为辊压印模具基材，其表面粗糙度<50nm,圆柱度及同心度<1μm。通过精密电铸最终在基材表面形成金属栅线微结构；辊压印模具基材材料可以选择金属铜、殷钢等导电材料，也可是陶瓷、石英玻璃等非金属材料通过沉积金属层来制作导电层；基材直径为Φ50~200mm；高度为50~200mm；

2）电铸原模的制作：用提拉法在辊子表面涂覆光刻阻蚀胶，然后用紫外光对辊子进行整周曝光，将掩模板上的栅线图形复型到辊子表面光刻胶上面，接着对辊子进行显影处理，去掉被曝光部分或未被曝光部分的光刻胶，从而形成一个表面均布有光刻胶栅线微结构的辊子模具，它将作为精密电铸原模；涂覆的光刻阻蚀胶为正性光刻阻蚀胶（如EPG533等），或负性光刻阻蚀胶（如SU8等）；经曝光后的辊子表面光刻胶栅线微结构的周期为500nm~100um，栅线槽深根据其栅距，取其深宽比<1：5，即栅线槽深100nm~20μm。

3）精密电铸制作辊压印模具：将表面具有光刻胶栅线微结构的电铸原模作为阴极，装有镍或镍钴合金的钛蓝作为阳极，将阴阳极置于电铸液（电铸液采用氨基磺酸盐溶液，硼酸为溶液pH缓冲剂；）中，控制电铸液温度为35~60℃和pH值为3~5，然后在阴、阳极加电流，电流密度范围为0.5~20A/dm²；电铸原模表面光刻胶栅线微结构之间将会沉积形成金属的栅线微结构，最后去除电铸原模表面的光刻胶栅线微结构（用丙酮或酒精去除辊压印模具表面的光刻胶栅线微结构），保留电铸形成的金属栅线微结构在辊子表面，从而形成用来压印光栅尺的辊压印模具。装有金属的钛蓝作为阳极环形均布在阴极周围，作为阴极的电铸原模则在环形中央，为保证镀层均匀性，电铸过程中阴极的电铸原模在伺服电机带动下做周转运动。

4）光栅尺胚的制作：选用陶瓷、玻璃、金属钢带或铜带作为光栅尺胚基材，基材表面沉积金属材料层；

5）用辊压印模具压印光栅尺：采用辊对辊压印成型方法，将光栅尺胚正确安装在辊压系统上，辊压印模具与光栅尺胚相接触并在光栅尺胚上施加一定的辊压力。辊压印过程中，保证辊压印模具的外圆周与水平运动的光栅尺胚相接触，控制辊压印模具回转时外周的线速度与光栅尺胚水平运动速度一致，避免辊压印模具与光栅尺胚之间发生相对滑动，从而在光栅尺胚上形成均匀的微结构。支撑辊通过气缸控制它与辊压印模具间的压力；光栅尺胚基材与辊压印模具做同步平面运动的圆周线速度范围为0.1~5m/min；辊压印模具辊压压力为0.05-0.4Mpa。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)辊压印模具基材的制造：选择表面导电的柱状体为辊压印模具基材，即辊子； 

2)电铸原模的制作：用提拉法在辊子表面涂覆光刻阻蚀胶，然后用紫外光对辊子进行整周曝光，将掩模板上的栅线图形复型到辊子表面光刻胶上面，接着对辊子进行显影处理，去掉被曝光部分或未被曝光部分的光刻胶，从而形成一个表面均布有光刻胶栅线微结构的辊子模具，它将作为精密电铸原模； 

3)精密电铸制作辊压印模具：将表面具有光刻胶栅线微结构的电铸原模作为阴极，装有金属的钛蓝作为阳极，将阴阳极置于电铸液中进行电铸，电铸原模表面光刻胶栅线微结构凹槽中将会沉积形成金属的栅线微结构，最后去除电铸原模表面的光刻胶栅线微结构，保留电铸形成的金属栅线微结构在辊子表面，从而形成用来压印光栅尺的辊压印模具； 

步骤1)中辊压印模具基材为金属铜或殷钢辊子，或者是非金属材料通过沉积金属层来制作导电层而形成的辊子；所述辊子直径为Φ50～200mm；高度为50～200mm，经抛光加工后，其表面粗糙度<50nm,圆柱度<1μm； 

步骤2)中涂覆的光刻阻蚀胶为正性光刻阻蚀胶或负性光刻阻蚀胶；经曝光后的辊子表面光刻胶栅线微结构的周期为500nm～100um，栅线槽的深宽比<1：5； 

步骤3)中，电铸液采用氨基磺酸盐溶液，硼酸为溶液pH缓冲剂；电铸液温度范围为35～60℃，pH值范围为3～5，电流密度范围为0.5～20A/dm²； 

步骤3)中阳极钛蓝中的金属为镍或镍钴合金； 

步骤3)中，将装有金属的钛蓝作为阳极环形均布在阴极周围，作为阴极的电铸原模则在环形中央，电铸过程中阴极的电铸原模在伺服电机带动下做周转运动； 

步骤3)中采用丙酮或酒精去除辊压印模具表面的光刻胶栅线微结构。 

2.按照权利要求1所述的一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，其特征在于，所述加工方法还包括以下步骤： 

4)光栅尺胚的制作：选用陶瓷、玻璃、金属钢带或铜带作为光栅尺胚基材，在光栅尺胚基材表面沉积一层金属薄膜； 

5)用辊压印模具压印光栅尺：采用辊对辊压印成型方法，将光栅尺胚放置于辊压印模具与支撑辊之间，辊压印过程中，辊压印模具的外圆周与水平运动的光栅尺胚相接触并在光栅尺胚上施加辊压力；辊压印模具回转时外周的线速度与光栅尺胚水平运动速度一致，从而在光栅尺胚上形成均匀的微结构。 

3.按照权利要求2所述的一种机床用长光栅辊压印模具精密电铸加工方法，其特征在于，步骤5)中支撑辊通过气缸控制它与辊压印模具间的压力；光栅尺胚基材与辊压印模具做同步平面运动的圆周线速度为0.1～5m/min；辊压印模具辊压压力为0.05-0.4MPa。