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《天津大学》 2009年
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基于聚焦离子束技术的微刀具制造方法及关键技术的研究

张少婧  
【摘要】: 随着制造业向微型化发展的趋势,微小型系统、精密装备仪器装置、微小型结构件等的需求日益迫切,对相应的加工技术提出了更高的要求。微细切削是一种适应多种材料微小型零件或结构精密加工需求的微细加工技术,而微细切削刀具作为发展微细切削加工技术的重要基础技术,其制备方法一直是制约微细切削技术发展的关键技术之一,特别是具有微米级特征尺寸,纳米级锋锐刃口及复杂形状微刀具的制备更是其中的难点。本文针对相应的微细切削加工需求和存在的问题,研究了基于聚焦离子束(FIB)铣削技术制备微细切削刀具的方法,并对加工工艺、刃口测量、实际应用等关键技术开展了系统的研究,解决了微刀具制造中的难点,提高了我国工具行业对微细切削刀具的自主开发能力。 本文首先搭建了基于FIB技术制备微刀具的系统平台,将聚焦离子束/扫描电子显微镜(FIB/SEM)双束系统与样品旋转器相结合,精确控制了刀具相对离子束的方位,解决了微刀具制备中多自由度加工和高精度定位的技术瓶颈。 提出了基于FIB铣削技术制备微刀具的加工方法,优化了制备流程及加工工艺,获得了具有纳米级锋锐刃口、高精度特征尺寸以及各种复杂形状的微刀具。研究了微刀具的超精密切削性能,分析了硬质合金(WC)、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(PCD)以及单晶金刚石(SCD)等典型材料的切槽微刀具在不同的切削参数下对加工结果的影响。 研究了利用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)测量微刀具刃口半径的方法,利用FIB修整AFM探针的方法实现了微刀具刃口轮廓的高精度测量,并对测量结果进行了最小二乘拟合以及探针展宽效应的修正,获得了刃口半径小于30nm的测量及评定方法。 将FIB制备的微刀具应用于微光学元件及其模具的开发中,根据光学元件的加工需求进行微刀具的设计,采用FIB制备的微刀具实现了衍射微光学元件、菲涅耳反射镜、正弦调制模板等微光学元件的超精密车削加工,为微光学元件的制造开辟了新的途径。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG664

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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2 张继成;唐永建;吴卫东;;聚焦离子束系统在微米/纳米加工技术中的应用[J];材料导报;2006年S2期
3 马向国;顾文琪;;聚焦离子束曝光技术[J];电子工业专用设备;2005年12期
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5 吴琛;周瑞忠;;小波基无单元法及其与有限元法的比较[J];工程力学;2006年04期
6 于妍,张长春,李世辉,迟剑锋,孙国恩;超声场致作用对UHMWPE流变及拉伸性能的影响[J];高分子材料科学与工程;2004年06期
7 蒋炳炎;谢磊;吴旺青;彭华建;;微尺度流道中流体流动前沿的喷泉流动仿真[J];高分子材料科学与工程;2006年05期
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9 杨振祥;;硬质合金可转位刀片刃口钝化方法及刃口圆弧半径的测量[J];工具技术;1990年10期
10 王殿龙,康德纯;平前刀面球头铣刀的几何角度分析[J];工具技术;2000年01期
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【二级引证文献】
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1 房丰洲;赖敏;;纳米切削机理及其研究进展[J];中国科学:技术科学;2014年10期
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