一种纳米刀具及其加工方法
阅读说明：本技术 一种纳米刀具及其加工方法 (Nano cutter and machining method thereof ) 是由 袁志山 孙明杨 胡小月 王成勇 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米刀具,其包括固定连接的装夹部和工作部,所述装夹部用于将刀具装配在机床上,所述工作部用于切削加工；所述工作部包括基体,所述基体的表面涂覆硬质涂层,所述工作部包括主切削刃、连接所述主切削刃的副切削刃；所述副切削刃的尺寸为纳米尺度。本发明还公开了所述纳米刀具的加工方法。与现有技术相比,本发明的纳米刀具在用于切削加工的工作部涂覆了硬质涂层,再将副切削刃的尺寸加工至纳米尺度,可以实现对半导体和非半导体等材料的微纳加工,提高加工效率,减少了生产成本,提高了加工精度。(The invention discloses a nanometer cutter, which comprises a clamping part and a working part, wherein the clamping part and the working part are fixedly connected; the working part comprises a substrate, the surface of the substrate is coated with a hard coating, and the working part comprises a main cutting edge and an auxiliary cutting edge connected with the main cutting edge; the size of the secondary cutting edge is in the nanometer scale. The invention also discloses a processing method of the nanometer cutter. Compared with the prior art, the nanometer cutter has the advantages that the hard coating is coated on the working part for cutting, and then the size of the secondary cutting edge is processed to be nanometer scale, so that micro-nano processing on materials such as semiconductors and non-semiconductors can be realized, the processing efficiency is improved, the production cost is reduced, and the processing precision is improved.)
技术领域
本发明涉及刀具制造技术领域，具体涉及一种纳米刀具及其制备方法。
背景技术
随着制造业向微型化发展的趋势，对于半导体器件、微型机械、光通讯、微电子技术等的需求日益迫切，对相应的加工技术要求也越来越高。微细切割是指对毫米级总体尺度结构进行微米级切割层去除的切割加工。它的基本原理是在精密或超精密切割机床上，利用微细切割刀具去除工件上的多余材料，使之成为在形状、精度和表面质量等方面符合要求的微小型精密结构件。传统的微细切割刀具最大限度只能加工出毫米级尺度的零件，而纳米级尺度的零件往往需要光刻、电子束、离子束等加工手段来实现。但由于普通光刻无法做到2um以下，且只能实现平面工艺，无法在复杂结构上成型；电子束曝光机也无法解决大面积曝光效率，通常只能求助于昂贵的深紫外光刻，生产成本比较高；聚焦离子束虽然加工精度非常高，但设备昂贵，加工效率较低。因此，设计一种同时满足高精度和高效率的纳米刀具制造方法是十分重要的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中加工纳米级尺度的零件加工成本高的缺陷，提供一种纳米刀具，该纳米刀具能够加工纳米级尺度结构的零件，适合应用于微流控芯片、微纳米槽、医用眼科手术、印刷电路板、衍射微光学元件、菲涅耳反射镜、微冲压模具/微注塑成型模具、电加工工艺工具电极、光刻工艺掩膜中。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米刀具，其包括固定连接的装夹部和工作部，所述装夹部用于将刀具装配在机床上，所述工作部用于切削加工；所述工作部包括基体，所述基体的表面涂覆硬质涂层，所述工作部包括主切削刃、连接所述主切削刃的副切削刃；所述副切削刃的尺寸为纳米尺度。
进一步的，所述硬质涂层为金刚石涂层、立方氮化硼涂层、硬质合金涂层、陶瓷涂层或者高速钢涂层中的一种。
进一步的，所述副切削刃的宽度为10nm～1um。
本发明的另一目的在于提供所述的纳米刀具的加工方法，该加工方法包括以下步骤：
S1：将待加工刀具清洗后装夹到机床上；
S2：用飞秒激光由所述待加工刀具的外表面向内对所述主切削刃和副切削刃进行切割，使所述待加工刀具的副切削刃尺寸不断减小；
S3：将所述待加工刀具进行超声清洗；
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度。
进一步的，步骤S2中，飞秒激光沿竖直路径进行扫描切割使得所述主切削刃和所述副切削刃的外轮廓呈阶梯状。
进一步的，步骤S2中，飞秒激光沿阶梯式路径进行扫描切割使得所述主切削刃和所述副切削刃的外轮廓呈阶梯状。
进一步的，步骤S2中，飞秒激光沿与所述副切削刃形成夹角的倾斜线路径进行扫描切割使得所述主切削刃和所述副切削刃的外轮廓呈阶梯状。
进一步的，步骤S2中，所述飞秒激光的功率为1W～20W，重复频率为5kHz～50kHz，加工速度为10～500mm/s，切割次数为100～1000次。
进一步的，步骤S4中，所述聚焦离子束为镓离子束、氦离子束、氖离子束、氩离子束中的任意一种，所述聚焦离子束的扫描路径为光栅式或矢量式。
进一步的，步骤S4中，所述聚焦离子束的电压为0.5k～50kV，电流为1pA～1uA，所述聚焦离子束将所述副切削刃削至10nm～1um。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的纳米刀具在用于切削加工的工作部涂覆了硬质涂层，再将副切削刃的尺寸加工至纳米尺度，可以实现对半导体和非半导体等材料的微纳加工，提高加工效率，减少了生产成本，提高了加工精度。
2.本发明的纳米刀具，由于副切削刃涂覆了硬质涂层且具有纳米尺度，因此具有硬度高、刀刃平整、锋利度极好等优点，可以用于精准医疗手术中，对组织的挤压、撕拉损伤小，伤口边缘整齐，伤口愈合容易、术后康复快；尤其是硬质涂层为金刚石涂层时具有良好的生物相容性。因此，本发明的纳米刀具用于眼科手术中可以大大提高患者的伤口愈合速度，减少损伤。
3.本发明的加工方法，兼顾了加工成本和加工精度两方面的要求，巧妙地利用飞秒激光和聚焦离子束复合加工，先用飞秒激光将刀具加工到微米尺度，再用聚焦离子束将刀具加工到纳米尺度，这种方法采用飞秒激光切割作为粗加工过程，聚焦离子束铣削作为精加工过程，使用聚焦离子束铣削可以将飞秒激光加工产生的烧蚀损伤去除，相对于只用聚焦离子束加工纳米刀具节约成本，工艺简单，且可以保证刀具的精度，制备出优质切割性能的纳米刀具。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的纳米刀具的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的纳米刀具的切削部的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式的纳米刀具的加工方法流程图；
图4为实施例1飞秒激光加工后的切断刀的SEM图；
图5为实施例1聚焦离子束加工后的切断刀的SEM图；
图6为本发明一种实施方式的纳米刀具的飞秒激光扫描路径示意图；
图7为本发明另一种实施方式的纳米刀具的飞秒激光扫描路径示意图；
图8为本发明又一种实施方式的纳米刀具的飞秒激光扫描路径示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
请参照图1，图1显示了本发明一种纳米刀具的结构示意图。所述纳米刀具包括固定连接的装夹部和工作部。所述装夹部用于将刀具装配在机床上。所述工作部用于切削加工。
如图1所示，所述装夹部为刀杆30，所述工作部为刀片20。所述刀片20与所述刀杆30使用螺钉连接的方式连接固定在一起。所述刀片20的头部为切削部10。所述切削部10包括基体和涂覆在所述基体上的硬质涂层。所述切削部10包括主切削刃11、连接所述主切削刃11的副切削刃12。所述副切削刃12的尺寸为纳米尺度。
示例性地，所述硬质涂层包括但不限于金刚石涂层、立方氮化硼涂层、硬质合金涂层、陶瓷涂层或者高速钢涂层中的一种。
在本实施方式中，所述副切削刃12的尺寸是指所述副切削刃12的宽度的尺寸。所述副切削刃12的宽度尺寸为10nm～1um。
所述纳米刀具可以采用以下加工方法制备而成。所述加工方法包括以下步骤：
S1：将待加工刀具清洗后装夹到机床上；
S2：用飞秒激光由所述待加工刀具的外表面向内对所述切削部进行切割，使所述切削部的副切削刃尺寸不断减小；
S3：将所述待加工刀具进行超声清洗；
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度。
请参照图6，示例性地，步骤S2中，飞秒激光沿竖直路径41进行扫描切割使得所述切削部的外轮廓呈阶梯状，将所述待加工刀具的副切削刃尺寸加工到10um以下。在本实施方式中，所述切削部的外轮廓呈阶梯状是指副切削刃和主切削刃之间形成了台阶状，所述台阶状态可以是由主切削刃倾斜向上上升至副切削刃，或者是由主切削刃垂直向上上升至副切削刃。
请参照图7，示例性地，步骤S2中，飞秒激光沿阶梯式路径42扫描切削使得所述切削部的外轮廓呈阶梯状，将所述待加工刀具的副切削刃尺寸加工到10um以下。在本实施方式中，所述切削部的外轮廓呈阶梯状是指副切削刃和主切削刃之间形成了台阶状，所述台阶状态可以是由主切削刃倾斜向上上升至副切削刃，或者是由主切削刃垂直向上上升至副切削刃。
请参照图8，示例性地，步骤S2中，飞秒激光沿与所述副切削刃形成夹角的倾斜线路径进行扫描切割，使得所述主切削刃和所述副切削刃的外轮廓呈阶梯状，多次切割将所述待加工刀具的副切削刃尺寸加工到10um以下。在本实施方式中，所述切削部的外轮廓呈阶梯状是指副切削刃和主切削刃之间形成了台阶状，所述台阶状态可以是由主切削刃倾斜向上上升至副切削刃。
示例性地，步骤S2中，所述飞秒激光的功率为1W～20W，重复频率为5kHz～50kHz，加工速度为10～500mm/s，切割次数为100～1000次。
示例性地，步骤S3中，将所述待加工刀具进行超声清洗的具体方法是：将所述待加工刀具浸没在无水乙醇中超声清洗。
示例性地，步骤S4中，所述聚焦离子束为包括但不限于镓离子束、氦离子束、氖离子束、氩离子束中的任意一种，所述聚焦离子束的扫描路径为光栅式或矢量式。
示例性地，步骤S4中，所述聚焦离子束的电压为0.5k～50kV，电流为1pA～1uA，所述聚焦离子束将所述副切削刃削至10nm～1um。
实施例1
请参照图5，以待加工刀具为切断刀为例，所述切断刀刀片的表面涂覆有金刚石涂层。所述切断刀刀片的槽宽为2mm，刀尖圆弧角度0.1mm。所述切断刀按照以下加工方法制备而成：
S1：将所述切断刀清洗后装夹到机床上。
S2：用飞秒激光沿所述切断刀的外表面向内方向对所述切削部进行切割，使所述切断刀的副切削刃尺寸不断减小，具体方法是：飞秒激光选用激光功率为10W，加工速度为10mm/s，切割次数为500次，重复频率为10kHz，切割方式采用竖直线路径扫描切割的方式使得所述切断刀的切削部外轮廓呈阶梯状。外轮廓有i个阶梯数级，阶梯数级越多，加工每一数级的加工时间越短，所述切断刀的主切削刃的表面质量越好。飞秒激光扫描加工后，对所述切断刀进行扫描获得的图像如图4所示。
S3：将所述切断刀进行超声清洗，具体方法是：将所述切断刀浸没在浓度为99.7％的乙醇中进行超声清洗。
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度，具体方法是：用镓离子束进行铣削加工，聚焦离子束电流为30nA，电压为30kV。聚焦离子束加工后对切断刀进行扫描获得的图像如图5所示。
实施例2
以待加工刀具为车刀为例，所述车刀的表面涂覆有立方氮化硼涂层。所述车刀前角为25°，后角为8°，主偏角为45°，副偏角为10°，刃倾角为0°。刀尖圆弧角度0.5mm。所述车刀按照以下加工方法制备而成：
S1：将所述车刀清洗后装夹到机床上。
S2：用飞秒激光沿所述切断刀的外表面向内对切削部进行扫描切割，使所述车刀的副切削刃尺寸不断减小，具体方法是：飞秒激光选用激光功率为10W，加工速度为15mm/s，切割次数为500次，重复频率为1kHz，切割方式沿阶梯式路径进行扫描切割，然后沿与副切削刃形夹夹角的倾斜线路径进行激光扫描切割，使得所述车刀的外轮廓呈阶梯状。外轮廓有i个阶梯数级，阶梯数级越多，加工每一数级的加工时间越短，所述切断刀的主切削刃的表面质量越好。
S3：将所述车刀进行超声清洗，具体方法是：将所述车刀浸没在浓度为99.7％的乙醇中进行超声清洗。
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度，具体方法是：用氦离子束进行铣削加工，聚焦离子束电流为3nA，电压为30kV。
实施例3
以待加工刀具为铣刀为例，所述铣刀的表面涂覆有陶瓷涂层。所述铣刀刃径为2mm，柄径3mm，全长40mm，刃长5mm。刀尖圆弧角度0.5mm。所述铣刀按照以下加工方法制备而成：
S1：将所述铣刀清洗后装夹到机床上。
S2：用飞秒激光沿所述铣刀的外表面向内的方向进行对切削部进行切割，使所述铣刀的副切削刃尺寸不断减小，具体方法是：飞秒激光选用激光功率为10W，加工速度为800mm/s，切割次数为400次，重复频率为100kHz，切割方式沿与所述副切削刃形成夹角的倾斜线路径进行激光切割，使得所述铣刀的外轮廓呈阶梯状。
S3：将所述铣刀进行超声清洗，具体方法是：将所述铣刀浸没在浓度为99.7％的乙醇中进行超声清洗。
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度，具体方法是：用氖离子束进行铣削加工，聚焦离子束电流为3nA，电压为30kV。
实施例4
以待加工刀具为切断刀为例，所述切断刀的表面涂覆有高速钢涂层。所述切断刀的槽宽为2mm，刀尖圆弧角度0.1mm。刀尖圆弧角度0.5mm。所述切断刀按照以下加工方法制备而成：
S1：将所述切断刀清洗后装夹到机床上。
S2：用飞秒激光沿所述切断刀的外表面向内方向对切削部进行切割，使所述切断刀的副切削刃尺寸不断减小，具体方法是：飞秒激光选用激光功率为12W，加工速度为1000mm/s，切割次数为200次，重复频率为20kHz，切割方式沿阶梯式路径进行切割，使得所述铣刀的外轮廓呈阶梯状。
S3：将所述铣刀进行超声清洗，具体方法是：将所述铣刀浸没在浓度为99.7％的乙醇中进行超声清洗。
S4：使用聚焦离子束多次铣削所述副切削刃直至所述副切削刃的尺寸达到纳米尺度，具体方法是：用氩离子束进行铣削加工，聚焦离子束电流为3nA，电压为30kV。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。