CN109311095A - 微加工方法、模具制造方法和微加工设备 - Google Patents

Abstract

为了提供一种可以以高速和高精确度在工件的表面上执行微加工的微加工方法、模具制造方法和微加工设备。本发明使用下述微加工设备100：该微加工设备100包括切削刃110和用于使切削刃110沿第一方向K1摆动的摆动单元120。使得切削刃110的平均切削方向J1与第一方向K1之间形成的角度在20°至120°的范围。使得由于切削刃110沿第一方向K1振动而将凹入部和突出部机加工在工件WP1的表面中。

Description

微加工方法、模具制造方法和微加工设备

技术领域

本说明书的技术涉及适于在工件的表面上形成微小的凹入部和突出部的微加工方法、模具制造方法和微加工设备。

背景技术

超细表面结构可以用于(1)可润湿性控制技术、(2)抗反射技术和(3)减摩技术。即，可以通过在材料的表面上形成微小的凹入部和突部来制造疏水部件、抗反射部件或滑动部件。

例如，专利文献1公开了下述技术：在基板上形成薄膜、在薄膜上形成金属的岛状形状的微小颗粒、以及通过使用活性气体并使用岛形形状的微小颗粒作为掩膜来刻蚀不存在岛形形状的微小颗粒的区域(专利文献1的段落[0023]至[0026]、[0030]至[0034]、以及图1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：

日本专利申请特开(专利公开)No.2008-143162

发明内容

本发明要解决的问题

然而，专利文献1的技术存在以下问题。如专利文献1的图2(b)中所示，岛形形状微小颗粒的尺寸是不均匀的。另外，微小颗粒之间的间隙的尺寸也是不均匀的。因此，在一些情况下，微小的凹入部和突出部的控制可能是困难的。这将导致产生不能呈现期望性能的产品。即，产品的产量不是很高。

鉴于上述问题，研发了通过使用切削工具来形成周期性的槽的技术。然而，在这种情况下，槽通常形成在槽挨着槽的基部。因此，需要大量的工时来形成微小的凹入部和突出部。

已经实现本说明书中公开的技术以解决常规技术的上述问题。本说明书中公开的技术的目的是提供一种可以以高速在工件的表面上执行精确的微加工的微加工方法、模具制造方法和微加工设备。

解决问题的方法

根据第一方面的微加工方法使用包括切削工具和用于使切削工具沿第一方向振动的超声波振动单元的机加工设备。另外，将在切削工具的平均切削方向与第一方向之间形成的角度设定成落在20°至120°的范围内。由于由正振动的切削工具进行的机加工而在工件的表面上形成凹入部和突出部。

这种机加工方法可以在工件的表面上形成规则的凹入部和突出部。另外，机加工的速度是足够高的。因此，可以适当地制造疏水部件、抗反射部件、滑动部件等。

本发明的效果

在本说明中，提供了一种可以以高速在工件的表面上执行精确的微加工的微加工方法、模具制造方法和微加工设备。

附图说明

[图1]示意性地示出了根据第一实施方式的微加工设备的结构。

[图2]示出了切削工具与振动方向(第一方向K1)之间的关系。

[图3]示出了切削工具与工件的表面之间的关系的第一视图。

[图4]示出了切削工具与工件的表面之间的关系的第二视图。

[图5]示出了由切削工具沿一个方向对工件的表面进行机加工的情况的视图。

[图6]示出了根据第一实施方式的改型的微加工设备的切削工具的第一视图。

[图7]示出了根据第一实施方式的另一改型的微加工设备的切削工具的第二视图。

[图8]示出了机加工之后的工件的表面的显微照片。

[图9]示出了机加工之后的工件的表面的照片。

实施本发明的方式

现在将参照附图通过作为示例的微加工方法、模具制造方法和微加工设备对具体实施方式进行描述。

(第一实施方式)

1.微加工设备

1-1.微加工设备的基本结构

图1是示意性地示出了本实施方式的微加工设备100的结构的视图。如图1中所示，微加工设备100包括切削工具110、振动单元120和工作台130。微加工设备100通过在使用振动单元120使切削工具110沿第一方向K1振动的同时沿平均切削方向J1对工件WP1进行机加工。

平均切削方向J1是振动的切削工具110相对于工件WP1移动的平均位置所沿的方向。振动的切削工具110的平均位置是切削工具110的振动的振幅的中心。如之后将描述的，当第一方向(振动方向)K1投射在工件WP1上时，所投射的第一方向K1平行于平均切削方向J1。

切削工具110在工件WP1的表面上形成微小的凹入部和突出部。例如，切削工具110是金刚石刀具。切削工具110的宽度例如是20μm至2000μm。切削工具110的宽度指的是切削工具110的参与实际切削的一部分的切削刃宽度。例如，在切削工具110的宽度为50μm的情况下，由于振动一个循环而在工件WP1上形成宽度等于50μm或更小的一个槽。切削工具110的宽度仅为一个示例，并且切削工具110可以具有落在上述范围外的宽度。

振动单元120是用于使切削工具110沿第一方向K1振动的超声波振动单元。如图1中所示，振动单元120使切削工具110沿第一方向K1往复运动。即，振动单元120沿纵向方向摆动。例如，振动单元120是螺栓夹持的兰杰文振子(langevin-type transducer)(BLT)。振动单元120可以是用于使振幅扩大的接合至BLT的角状件。振动单元120可以是任何其他类型的振动设备。

当切削工具110对工件WP1进行机加工时，工作台130输送工件WP1。工作台130使工件WP1沿与平均切削方向J1相反的方向移动。因此，工件WP1由切削工具110沿平均切削方向J1逐渐进行机加工。

1-2.构件的相互关系

此处，为了方便描述，平均切削方向J1被限定为是x轴上的正方向。实际上，由于振动单元120的平均位置对设备而言是固定的，因此工件WP1沿着x轴上的负方向被输送。在本实施方式中，当切削工具110的切削刃宽度的方向投射在x-y平面上时，切削工具110的投射在x-y平面上的切削刃宽度的方向平行于y轴的方向、即平行于y轴方向。在本实施方式中，第一方向K1在x-z平面中。即，当第一方向K1投射在x-y平面上时，投射在x-y平面上的第一方向K1平行于x轴的方向、即平行于x轴方向(平均切削方向J1)。

如图1中所示，切削工具110的平均切削方向J1与第一方向(振动方向)K1以角度θ相交。即，第一方向K1与x轴方向之间形成的角度是θ。第一方向K1与z轴的方向(即，z轴方向)之间形成的角度为90°-θ。平均切削方向J1与第一方向K1两者都在x-z平面中。

在微加工设备100中，切削工具110的平均切削方向J1与第一方向K1之间形成的角度θ为20°至120°。优选地，角度θ为35°至85°。更优选地，角度θ为45°至70°。

2.机加工方法

接下来，将对通过使用微加工设备100对工件进行机加工的方法进行描述。

图2是示出了切削工具110与其振动方向之间的关系的视图。微加工设备100的平均切削速度满足下述表达式：

v·cosα<2πaf·cos(θ+α) (1)

其中，

v：平均切削速度

a：超声波振动的半振幅

f：超声波振动的频率

θ：切削工具的平均切削方向与第一方向之间形成的角度

α：在包括切削工具的平均切削方向和第一方向的平面中所看到的切削工具的前角(当前角为正时，切削刃是尖的，以及当前角为负时，切削刃是钝的)。

特别地，图2中的前角α是负的。

另外，平均切削速度满足下述表达式：

λ＝v/f (2)

其中，λ：凹入部与突出部的间距。此处，平均切削速度指的是切削工具110的振动的振幅的中心移动的速度。

期望的是，振动单元120的半振幅足够大使得满足表达式(1)。优选的是，振动单元120具有在设备中不发生任何问题的范围内的高振动频率。这是因为如通过表达式(2)所示的：振动单元120的振动频率越高，可设定的平均切削速度就越高。优选地，振动单元120的振动频率落在例如100Hz至100MHz的范围。更优选地，振动单元120的振动频率大于等于17kHz，这大于听得见的范围。

2πaf·cos(θ+α)表示振动单元120使切削工具110在与前刀面正交的方向上摆动的速度。v·cosα表示平均切削速度v的在与前刀面正交的方向上的分量。在这种机加工条件下，通过使用振动的切削工具110在工件WP1的表面上形成微小的凹入部和突出部。

特别地，角度θ可以大于90°。在角度θ大于后角ξ的情况下，倾斜表面——前刀面由于先前的振动被移送(transferred)至该倾斜表面——可能扭曲。然而，塑性变形的量非常小。因此，角度θ可以大于90°并且可以增大至120°。

另外，优选地，满足以下表达式。

3v·cosα<2πaf·cos(θ+α) (3)

更优选地，满足以下表达式。

10v·cosα<2πaf·cos(θ+α) (4)

这是因为考虑到当表达式(1)的右侧的值与其左侧的值相比足够大时，切削工具110的前刀面被适当地移送至工件WP1的表面。

图3是示出了当充分满足表达式(1)时工件WP1的表面的视图。在这种情况下，在某些时刻，微加工设备100以足够高的速度拉动切削工具110。因此，切削工具110与工件WP1暂时分开。因此，在充分满足表达式(1)的情况下，执行间断切削。在这种情况下，下述表面的至少一部分保持在工件WP1上：前刀面已经移送至该表面。此外，在表达式(1)的右侧的值与其左侧的值相比足够大的情况下，具有与前角相等的角度的表面到达突出部的顶部部分WP1a中的每个顶部部分。因此，如图3中所示，凹入部和突出部在工件WP1的表面上可以形成为使得突出部具有尖的顶部部分WP1a。

图4是示出了当不满足表达式(1)时工件WP1的表面的视图。在这种情况下，微加工设备100拉动切削工具110的速度不够大。因此，切削工具110在不与工件WP1分开的情况下对工件WP1进行连续切削。因此，如图4中所示，前刀面不能移送至工件WP1的突出部和凹入部，并且仅工具切削刃的移动部位(locus)移送至工件WP1的突出部和凹入部。因此，工件WP1具有圆形的顶部部分WP1b。在这种情况下，切削工具110的梢端部与工件WP1的刚产生的并且是活性的新生表面连续地接触。例如，在切削工具110是金刚石刀具并且工件WP1由铁基材料形成的情况下，碳原子由于固溶体的形成而扩散到活性的新生表面中。因此，切削工具110可能磨损得较快。

3.机加工的工件

图5是示意性地示出了在经过微加工设备100机加工之后的工件WP1的表面的视图。机加工的工件WP1的表面具有顶部部分D1、槽D2、倾斜表面D3和倾斜表面D4。每个顶部部分D1形成为具有条纹形状。每个顶部部分D1具有与山脊类似的形状。每个顶部部分D1夹置在倾斜表面D3与和倾斜表面D3相邻的倾斜表面D4之间。每个槽D2具有单个槽的形状。每个槽D2夹置在倾斜表面D3与和倾斜表面D3相邻的倾斜表面D4之间。

顶部D1和槽D2周期性地形成。槽D2的深度为约0.1μm至0.5μm。槽D2的间距λ为约0.1μm至0.5μm。如表达式(2)中所示，间距λ的值可以通过调节超声波振动的频率f和平均切削速度v来设定。此外，槽D2的深度可以通过调整前角α、角度θ和超声波振动的半振幅a来设定。

4.本实施方式的效果

如图5中所示，本实施方式的微加工设备100在工件WP1的表面上形成周期性的且微小的槽D2。因此，工件WP1的表面呈现亲水性或疏水性。工件WP1的表面根据工件WP1的材料和其表面的形状和尺寸呈现亲水性或疏水性。在槽D2形成在亲水材料上的情况下，材料的表面趋于呈现更大程度的亲水性。在槽D2形成在疏水材料上的情况下，材料的表面趋于呈现更大程度的疏水性。另外，在工件WP1是透镜或类似物的情况下，透镜具有抗反射功能。另外，可以对滑动元件比如轴承的表面进行机加工。

本实施方式的微加工设备100可以通过一个路径的机加工形成顶部部分D1和槽D2，顶部部分D1的长度和槽D2的长度大致等于切削工具110的宽度。在切削工具110振动一个循环期间形成一个顶部部分D1和一个槽D2。因此，微加工设备110的机加工效率是足够高的。特别地，当切削工具110的宽度增大时，机加工效率相应地增大。如上所述，微加工设备100可以对工件WP1的表面执行有效且精确的微加工。在工件WP1的宽度大于切削工具110的宽度的情况下，沿着多个机加工路径执行上述微加工。

5.改型

5-1.沿两个方向进行的机加工

图5是示出了由切削工具110沿一个方向进行机加工的工件WP1的表面的视图。然而，可以在不改变切削深度的情况下沿两个或更多个方向对工件WP1的表面进行机加工。例如，当沿两个方向对工件WP1的表面进行机加工时，可以在工件WP1的表面上形成各自具有矩形底表面的矩形角锥状突出部。例如，当沿三个方向对工件WP1的表面进行机加工时，可以在工件WP1的表面上形成三角锥状突出部。

5-2.切削工具的凹-凸形状

可以使用如图6中所示的切削工具210。凹-凸部211形成在切削工具210的远端部处。凹-凸部211形成为沿切削工具210的宽度W1的方向延伸。因此，当通过使用切削工具210沿一个方向对工件WP1的表面进行机加工时，在工件WP1的表面上形成了多个凹入部，所述多个凹入部的数目与凹-凸部211的凸部部分的数目对应。更不用说，同时通过振动单元120的振动在工件WP1的表面上执行微加工了。

如图7中所示，可以使用具有非常小的平坦表面311的切削工具310。非常小的平坦表面311形成在切削工具310的远端部处。当使用这种切削工具310时，具有底表面WP1c和凸部部分的微观结构被转移(transferred)至工件WP1的表面。在机加工期间，切削工具310的平坦表面311在其接触区域按压工件WP1而不会由于产生碎屑来移除工件WP1。因此，作用在工件WP1上的机加工力略微增大。然而，由于切削工具310的平坦表面311的宽度非常小，工件WP1的与切削工具310接触的一部分(该部分对应于底表面WP1c)毫无问题地发生塑性变形。

5-3.弯曲表面的机加工

在本实施方式中，工件WP1的表面是平坦的。然而，即使当工件WP1具有弯曲的表面时，微小的凹入部和突出部也可以通过微加工而形成在弯曲的表面上。例如，可以使工作台130移动以描绘出弯曲的表面。

5-4.抛光

本实施方式的微加工设备100可以在工件WP1的表面上形成微小的凹入部和突出部同时执行将工件WP1的表面层移除的抛光过程。即使当工件WP1由于切削或磨削而具有略微粗糙的表面时，通过使用本实施方式的机加工方法，工件WP1的表面也可以抛光成镜表面或彩虹色表面。

5-5.第一方向

在本实施方式中，当第一方向K1投射到x-y平面上时，投射到x-y平面上的第一方向K1平行于x轴方向(平均切削方向J1)。然而，投射到x-y平面上的第一方向K1可以相对于x轴方向以预定的角度δ倾斜。然而，当如本实施方式中那样角度δ为0°时，可以形成更深的凹凸形状。特别地，在角度δ不是0°时，可以通过使用投射到x-z平面上的第一方向K1来限定角度θ。

5-6.切削刃宽度的方向

本实施方式已经在下述假设下进行了描述：当切削工具110的切削刃宽度的方向投射到x-y平面上时，切削工具110的投射到x-y平面上的切削刃宽度的方向平行于y轴方向。然而，切削工具110的切削刃宽度的方向可以被设定成不与y轴方向平行。即，当切削工具110的切削刃宽度的方向投射到x-y平面上时，切削工具110的投射到x-y平面上的切削刃宽度的方向可以相对于y轴形成预定角度γ。在这种情况下，形成在工件WP1的表面上的槽的间距由λcosγ来表示。

5-7.切削工具的附接

在图1中，切削工具110以预定角度附接至振动单元120。然而，优选的是，切削工具110相对于振动单元120的角度可以根据将要形成的凹入部和突出部的形状自由地改变。优选地，微加工设备100具有连接部，该连接部允许操作者自由地改变切削工具110与振动单元120附接的角度。当切削工具110的附接角度改变时，前角改变。

5-8.其他改型

上述改型可以自由地组合。

6.本实施方式的概述

本实施方式的微加工设备100具有切削工具110和振动单元120。由于振动单元120周期性地摆动，因此切削工具110可以在工件WP1的表面上执行微加工。另外，如表达式(2)所示，当使用具有高振动频率的振动单元120时，可以设定和凹入部与突出部的间距λ相关的足够大的切削速度v。

(第二实施方式)

将对第二实施方式进行描述。第二实施方式的工件是模具。

1.模具制造方法

1-1.模具部件的形成过程

首先，形成模具部件。为此目的，可以使用机加工设备比如机加工中心或超精密机加工设备。

1-2.微加工过程

接下来，通过使用微加工设备100在模具部件的内侧部上执行微加工。机加工的具体条件与已经在第一实施方式中描述的条件相同。即，通过在已经于第一实施方式中描述的机加工条件下使用振动的切削工具110在模具的表面上形成微小的凹入部和突出部。

1-3.其他过程

另外，下述构件可以用作模具：通过微加工而形成的凹入部和突出部的形状由电铸或类似的过程转移在该构件上。对模具部件进行热处理的热处理过程或类似过程可以根据需要来执行。另外，可以执行对模具部件进行打磨的打磨过程。另外，可以执行其他过程。

2.改型

2-1.切削工具的凹-凸形状

如图7中所示，可以使用在切削工具310的远端部处具有平坦表面311的切削工具310。在这种情况下，平坦的底表面WP1c形成在模具的微小的槽中的每个槽中。使用模具的底表面WP1c以在通过使用模具模制的产品上通过转移而形成凸部部分。由于在模具上形成底表面WP1c，产品的凸部部分的顶部部分在某种程度上是平坦的。因此，产品的表面不太可能被损坏。另外，可以使用具有代替平坦表面311的圆形表面的切削工具。在这种情况下，所模制的产品的凸部部分具有圆形的顶部部分。因此，产品的表面不太可能被损坏。

2-2.其他改型

第二实施方式及其改型与第一实施方式及其改型可以自由地组合。示例

1.设备的设置

将第一方向K1与平均切削方向J1之间形成的角度θ设定为45°。切削工具110是金刚石刀具。振动单元120的振动频率是35kHz，并且总的振幅为约5μm。进给速度(切削速度)为1m/min。

2.其他机加工条件

工件WP1由铜合金形成。间距为约0.5μm。

3.结果

图8是工件WP1的表面的显微照片。如图8中所示，在工件WP1的表面上形成周期性的凹入部和突出部。

图9是示出了工件WP1的表面的照片。如图9中所示，当从适当的角度观察工件WP1时，表面具有彩虹色光泽。替代性地，工件WP1的表面可以是镜面抛光表面。

附图标记和符号的描述

100：微加工设备

110：切削工具

120：振动单元

130：工作台

WP1：工件

Claims (7)

1.一种微加工方法，其特征在于，使用下述机加工设备：所述机加工设备包括切削工具和用于使所述切削工具沿第一方向振动的超声波振动单元，其中，将在所述切削工具的平均切削方向与第一方向之间形成的角度设定成落在20°至120°的范围内，以及使得由于正振动的所述切削工具进行的机加工而在工件的表面上形成凹入部和突出部。

2.根据权利要求1所述的微加工方法，其中，将在所述切削工具的所述平均切削方向与所述第一方向之间形成的所述角度设定成落在35°至85°的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的微加工方法，其中，使所述切削工具的平均切削速度满足下述表达式：

v·cosα<2πaf·cos(θ+α)

λ＝v/f

其中，

v：所述平均切削速度，

a：超声波振动的半振幅，

f：所述超声波振动的频率，

θ：所述切削工具的所述平均切削方向与所述第一方向之间形成的所述角度，

α：在包括所述切削工具的所述平均切削方向和所述第一方向的平面中所看到的前角(所述前角的符号判定为使得：当所述前角为正时，所述切削工具的切削刃是尖的，并且当所述前角为负时，所述切削刃是钝的)，以及

λ：所述凹入部与所述突出部的间距。

4.一种模具制造方法，其特征在于，使用下述机加工设备：所述机加工设备包括切削工具和用于使所述切削工具沿第一方向振动的超声波振动单元，其中，将在所述切削工具的平均切削方向与第一方向之间形成的角度设定成落在20°至120°的范围内，以及使得由于正振动的所述切削工具进行的机加工而在模具的表面上形成凹入部和突出部。

5.根据权利要求4所述的模具制造方法，其中，将在所述切削工具的所述平均切削方向与所述第一方向之间形成的所述角度设定成落在35°至85°的范围内。

6.根据权利要求4或5所述的模具制造方法，其中，使所述切削工具的平均切削速度满足下述表达式：

v·cosα<2πaf·cos(θ+α)

λ＝v/f

其中，

v：所述平均切削速度，

a：超声波振动的半振幅，

f：所述超声波振动的频率，

θ：所述切削工具的所述平均切削方向与所述第一方向之间形成的所述角度，

α：在包括所述切削工具的所述平均切削方向和所述第一方向的平面中所看到的前角(所述前角的符号判定为使得：当所述前角为正时，所述切削工具的切削刃是尖的，并且当所述前角为负时，所述切削刃是钝的)，以及

λ：所述凹入部与所述突出部的间距。

7.一种微加工设备，包括切削工具和用于使所述切削工具沿第一方向振动的超声波振动单元，其特征在于，在所述切削工具的平均切削方向与第一方向之间形成的角度落在20°至120°的范围内。