CN1781638A

CN1781638A - 用于微细加工的工具组及其制造方法和微细加工的方法

Info

Publication number: CN1781638A
Application number: CN 200410096608
Authority: CN
Inventors: 庄殷
Original assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Current assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-07

Abstract

本发明涉及一种用于微细加工的工具组及其制造方法，该工具组包括一基座和复数个位于该基座上的柱状工具，其中每个所述柱状工具沿着其z轴方向具有两种以上不同的x－y平面方向的剖面。所述工具组的制造方法是利用一个具有透孔的模板结合摇动放电加工技术，可以将所述工具组上的柱状工具批量制造成复杂的三维结构，达到降低不合格品率、节省时间或人力成本，且因为该柱状工具的材质不受限制，因此可应用于放电加工或是微细超声波加工。

Description

用于微细加工的工具组及其制造方法和微细加工的方法

技术领域

本发明涉及一种用于微细加工的工具组及其制造方法，确切而言，本发明涉及一种具三维结构的阵列工具组及其制造方法。

背景技术

微细加工(Micro machining)中的微放电加工(Micro-electro-discharge machining，micro-EDM)被大量应用于超硬合金的材料(例如：碳化钨、模具钢、石墨等)上微细成形，以形成一个微结构，例如：微孔或槽等二维或三维的形状特征。T.Masuzawa等人(T.Masuzawa，et al.，″Wire Electro-Discharge Grinding forMicro-Machining，″Ann.CIRP，Vol.34，1985，pp.431-434)提出WEDG(wire-electric-discharge grinding)方式，制作放电加工用的微细电极，但是其缺点为每一支电极都个别地用此方式制作出来，在精密度和稳定性上都存在许多变数，因此会影响到加工的精度。此外，该电极是分别地制作，因此制作时间相当费时。Gianchandani等人(US 6,624,377B2)利用LIGA技术制作阵列电极组，以该阵列电极组来放电加工一个被加工材料，并分别将每支电极连接到一个RC回路，以达到提升放电加工效率精度。此技术的缺点为其应用LIGA来制作阵列微电极组，设备成本相当高，且每个电极形状会因LIGA制程技术有所限制，都为二维结构，即，沿着该电极的z轴方向其表面并没有任何变化。因此，导致制作出的微结构的形状受到限制。此外，LIGA制作的电极材质强度不高(通常为镍基合金)，因而无法应用于其他加工制程，如超声波加工等制程。

因此，有必要提供一种创新且具进步性的用于微细加工的工具组及其制造方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有复数个柱状工具的阵列工具组，其中每个柱状工具具有三维结构，也就是每个柱状工具沿着其z轴方向具有两种以上不同的x-y平面方向的剖面，因此当该阵列工具组应用于放电加工或是微细超声波加工时可以将一被加工材料加工成一具有复杂形状的微结构。

本发明的主要目的在于提供一种阵列工具组的制造方法，其利用一模板结合摇动放电加工技术，可将该阵列工具组上的柱状工具批量制造成复杂的三维结构，达到降低不合格品率、节省时间或人力成本，且因该柱状工具的材质不受限制，因此可应用于放电加工或是微细超声波加工。

为达到上述目的，本发明提供一种用于微细加工的工具组的制造方法，其包括：

(a)提供一被加工材料；

(b)提供一加工装置，该加工装置具有复数个间隔排列的刀具；

(c)利用该等刀具同时加工该被加工材料，以形成一工具组，其中该工具组包括一基座和复数个位于该基座上的柱状工具；

(d)提供一模板，该模板上具有复数个孔洞，该等孔洞的位置相对于该等柱状工具；

(e)将该等柱状工具置于该等孔洞内；和

(f)将该工具组和该模板分别电气连接到不同电极，以利用该模板放电加工该等柱状工具，以得到所需的工具外型。

附图说明

图1显示本发明用于微细加工的第一工具组的立体示意图，其中该等柱状电极为方形柱状；

图2显示本发明用于微细加工的第一工具组的立体示意图，其中该等柱状电极为三角形柱状；

图3显示本发明用于微细加工的第一工具组的立体示意图，其中该等柱状电极为多边形柱状；

图4显示本发明中线切割机的示意图；

图5显示本发明中立式铣床的示意图；

图6显示本发明中卧式铣床的示意图；

图7显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极顶部的外径大于底部的外径；

图8显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极顶部的外径小于底部的外径；

图9显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极的底部为圆柱状且其顶部为圆锥状；

图10显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极为圆锥状；

图11显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极为圆柱状；

图12显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极为椭圆柱状；

图13显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极的x-y平面方向的剖面为梅花状；

图14显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图，其中该柱状电极的x-y平面方向的剖面为齿轮状；

图15显示本发明中模板的立体示意图；

图16显示本发明中将第一电极组的柱状电极置于模板的孔洞内的示意图；

图17显示本发明中在放电加工的过程中同时以绕圆圈的方式于水平面上摆动第一电极组，其中模板的厚度等于该等柱状电极的长度；

图18显示本发明中在放电加工的过程中同时以绕圆圈的方式于水平面上摆动第一电极组，其中模板的厚度小于该等柱状电极的长度；

图19显示本发明中在放电加工的过程中同时以绕圆圈的方式于水平面上摆动第一电极组，其中该第一电极组的柱状电极的底部离开该模板的孔洞，顶部仍留在该等孔洞内；

图20显示应用本发明所制得的微结构的立体示意图，其中该微结构的透孔为方形；

图21显示应用本发明所制得的微结构的立体示意图，其中该微结构的透孔为三角形；

图22显示应用本发明所制得的微结构的立体示意图，其中该微结构的透孔为圆形；

图23显示应用本发明所制得的微结构的立体示意图，其中该微结构的透孔的上半部为圆形，下半部为方形；和

图24显示应用本发明所制得的微结构的立体示意图，其中该微结构具有盲孔，其底面为弧形。

具体实施方式

参考图1，显示本发明用于微细加工的第一工具组的立体示意图。该第一工具组可应用于放电加工、微细超声波加工或其他微细加工，以下说明以应用于放电加工为例，该第一工具组为一第一电极组10，其包括一基座12和复数个位于该基座12上的柱状电极14，其中该等柱状电极14由例如切削加工的机械加工方式而制成，且其以阵列方式、同心圆方式或其他方式排列。在图1中，该等柱状电极14为方形柱状，然而其也可以为其他形状，例如图2所示，第一电极组16的基座18上的柱状电极20为三角形柱状。例如图3所示，第一电极组22的基座24上的柱状电极26为圆形柱状。

该第一电极组10的制造方法如下，首先，提供一被加工材料。接着，提供一切削装置，该切削装置具有复数个间隔排列的刀具，该等刀具的数目和排列方式为相对于该等柱状电极14的数目和排列方式。最后，利用该等刀具同时切削该被加工材料，以形成该第一电极组10。上述的该切削装置的类型包含但不限于下列三种，参考图4，该切削装置为一线切割放电加工机28，该等刀具为细线30。参考图5，该切削装置为立式铣床32，该等刀具为铣刀34。参考图6，该切削装置为卧式铣床36时，该等刀具为刀片38，且该等刀片位于一主轴40上。

参考图7，显示本发明用于微细加工的第二工具组的立体示意图。该第二工具组由该第一工具组再经过加工而成，其也可应用于放电加工、微细超声波加工或其他微细加工，以下说明是以应用于放电加工为例。该第二工具组为一第二电极组42，该第二电极组42由该第一电极组10再经过加工而成，其包括一基座44和复数个位于该基座44上的柱状电极46，与该第一电极组10不同之处在于该等柱状电极46具有三维的立体结构，即，每一该等柱状电极46具有两种以上不同的外径，或是每一该等柱状电极46沿着其z轴方向具有两种以上不同的x-y平面方向的剖面，也就是沿着该柱状电极46的z轴方向其表面会有起伏变化。例如，该柱状电极的类型包含但不限于下列几种，参考图7，该柱状电极46为圆柱状，且具有两科不同的外径，其中顶部461的外径大于底部462的外径。参考图8，该第二电极组48的柱状电极50为圆柱状，且具有两种不同的外径，其中顶部501的外径小于底部502的外径。参考图9，该柱状电极52的底部522为圆柱状且其顶部521为圆锥状。参考图10，该柱状电极54为圆锥状。当然，该第二电极组的柱状电极也可能为z轴不起伏的二维结构，参考图11，该第二电极组56的基座58上的柱状电极60为圆柱状。参考图12，该柱状电极62为椭圆柱状。参考图13，该柱状电极64的x-y平面方向的剖面为梅花状。参考图14，该柱状电极66的x-y平面方向的剖面为齿轮状。

接着，以图11为例说明该第二电极组56的制造方法如下，首先，提供如图3的第一电极组22，该第一电极组22包括一基座24和复数个位于该基座22上的柱状电极26。接着，提供一模板68，如图15所示，该模板68上具有复数个孔洞70，该等孔洞70的位置相对于该第一电极组22的柱状电极26，优选地，该等孔洞70贯穿该模板68。然后，参考图16和图17，将该等柱状电极26置于该等孔洞70内，且将该第一电极组22和该模板68分别电气连接到不同电极，以利用该模板68的孔洞70侧壁放电加工该等柱状电极26，在该放电加工的过程中可同时以绕圆圈的方式于水平面上摆动该第一电极组26，如果该模板68的厚度等于该等柱状电极26的长度时，可以得到如图11所示的圆柱状的柱状电极60。可以理解的是，上述摆动路径不是正圆的话，则可以得到如图12所示的椭圆柱状的柱状电极62。

参考图18，如果该模板68的厚度小于该等柱状电极26的长度时，向下移动该第一电极组22，使该等柱状电极26的顶部261穿过该等孔洞70，底部262仍留在该等孔洞70内。进行放电加工且以绕圆圈的方式于水平面上摆动该第一电极组22，此时该孔洞70内侧壁对该等柱状电极26的底部262进行加工，而得到如图7所示的柱状电极46，其底部462的外径小于顶部461的外径。

参考图19，如果要制造出如图8的柱状电极50，只需要在制造出如图11所示的圆柱状的柱状电极60后，再向上移动该第一电极组22，使该等柱状电极26的底部262离开该等孔洞70，顶部262仍留在该等孔洞70内。最后，进行放电加工且以绕圆圈的方式于水平面上摆动该第一电极组22，此时该孔洞70内侧壁对该等柱状电极26的顶部261进行加工，而得到如图8所示的柱状电极50，其底部502的外径大于顶部501的外径。

另外，如果要制造出如图9的柱状电极52，只需要在制造出如图11所示的圆柱状的柱状电极60后，向上移动该第一电极组22，使该等柱状电极26的底部262离开该等孔洞70，顶部261仍留在该等孔洞70内。最后，在进行放电加工时，同时以绕圆圈的方式摆动该第一电极组22且逐渐向上移动该第一电极组22，此时该孔洞70内侧壁对该等柱状电极26的顶部261进行加工，使得该等柱状电极26的顶部261形成圆锥状，如图9所示。

另外，如果要制造出如图13或图14的柱状电极64，66，该模板68上的孔洞70则需要设计成相对于该等柱状电极64，66的形状，且在放电加工过程中则不需要摆动该第一电极组。

应用本发明所制成的该第一工具组或第二工具组，由于其材质不受限制，因此可以广泛地应用于例如放电加工或是微细超声波加工等微细加工，以加工一素材，使该素材形成所需的微结构。如果需要的话，可以于该第一工具组或第二工具组与该微结构两者间添加抛光用的磨粒，如；氧化铝、碳化硅、钻石等材质，并外加一高频振动机制，利用此一抛光方式，可使该第一工具组或第二工具组上的工具与微结构同时达到具光学等级表面质量的优点。

该微结构具有复数个微细的盲孔或透孔，其应用层面十分广泛包括：生物晶片用的压印阵列、微流体流道(micro-channels)等生物晶片和医疗器材、喷墨打印机的喷嘴薄片(nozzle plate)、晶圆测试探针(probe)、IC封装的BGA模板、球面和非球面的各种曲面光学元件、批量微阵列微元件、微细孔(直径为数μm到数mm)、精密注入和冲压用模具等。

上述该微结构的类型包含但不限于下列几种，参考图20，该微结构72的透孔74为方形，其由图1的第一电极组10所加工而成。参考图21，该微结构76的透孔78为三角形，其由图2的第一电极组16所加工而成。参考图22，该微结构80的透孔82为圆形，其由图11的第二电极组56所加工而成。值得注意的是，该微结构80可以当成如图15所示的模板68来使用。参考图23，该微结构84的透孔86的上半部为圆形，下半部为方形。该微结构84的制作方式有以下两种，第一种方式是先利用如图1第一电极组10的方形柱状电极14直接在该素材穿孔后，再利用如图3第一电极组22的圆柱状电极26加工到所设定的深度；第二种方式是将柱状电极成形为与该透孔86相对应的外形，即使该柱状电极的上半部为方形，下半部为圆形，然后利用该柱状电极直接在该素材上加工出该透孔86。参考图24，该微结构88具有盲孔90，其底面为弧形。该微结构88的制作方式如下，首先将柱状电极成形为与该盲孔90相对应的外形，即使该柱状电极的上半部为一圆弧外观，下半部为方形柱状，然后利用该柱状电极直接在该素材上加工出该盲孔90。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，所属领域的技术人员可在不违背本发明的精神对上述实施例进行修正和变化。本发明的权利范围应如前述的权利要求书所列。

Claims

1.一种用于微细加工的工具组，其包括一个基座和复数个位于该基座上的柱状工具，其中所述柱状工具由切削加工而成。

2.如权利要求1所述的工具组，其中所述工具组是用于放电加工的电极组，每个所述柱状工具为一个柱状电极。

3.如权利要求1所述的工具组，其中所述工具组为用于微细超声波加工。

4.如权利要求1所述的工具组，其中所述柱状工具以阵列方式排列。

5.一种用于微细加工的工具组的制造方法，其包括：

(a)提供一个被加工材料；

(b)提供一个切削装置，所述切削装置具有复数个间隔排列的刀具；和

(c)利用所述刀具同时切削所述被加工材料，使所述被加工材料形成一个工具组，其中所述工具组包括一个基座和复数个位于所述基座上的柱状工具。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述切削装置为线切割放电加工机，所述刀具为细线。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述切削装置为立式铣床，所述刀具为铣刀。

8.如权利要求5所述的方法，其中所述切削装置为卧式铣床，所述刀具为刀片，所述刀片位于一主轴上。

9.一种用于微细加工的工具组，其包括一个基座和复数个位于所述基座上的柱状工具，其中每个所述柱状工具沿着其z轴方向具有两种以上不同的x-y平面方向的剖面。

10.如权利要求9所述的工具组，其中所述柱状工具以阵列方式排列。

11.如权利要求9所述的工具组，其中所述工具组是用于放电加工的电极组，每个所述柱状工具为一个柱状电极。

12.如权利要求9所述的工具组，其中所述工具组用于微细超声波加工。

13.如权利要求9所述的工具组，其中每个所述柱状工具具有两种以上不同的外径。

14.一种加工用于微细加工的工具组的方法，其包括：

(a)提供一个工具组，所述工具组包括一个基座和复数个位于所述基座上的柱状工具；

(b)提供一个模板，所述模板上具有复数个孔洞，所述孔洞的位置相对于所述柱状工具；

(c)将所述柱状工具置于所述孔洞内；和

(d)将所述工具组和所述模板分别电气连接到不同电极，以利用所述模板放电加工所述柱状工具，以得到设定的工具外型。

15.如权利要求14所述的方法，其中步骤(d)还包括一个以绕圆圈的方式摆动所述工具组的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，其中步骤(d)还包括一个上下移动所述工具组的步骤。

17.如权利要求14所述的方法，其中所述孔洞贯穿所述模板。

18.一种用于微细加工的工具组的制造方法，其包括：

(a)提供一个被加工材料；

(b)提供一个加工装置，所述加工装置具有复数个间隔排列的刀具；

(c)利用所述刀具同时加工所述被加工材料，以形成一工具组，其中所述工具组包括一个基座和复数个位于所述基座上的柱状工具；

(d)提供一个模板，所述模板上具有复数个孔洞，所述孔洞的位置相对于所述柱状工具；

(e)将所述柱状工具置于所述孔洞内；和

(f)将所述工具组和所述模板分别电气连接到不同电极，以利用所述模板放电加工所述柱状工具，以得到设定的工具外型。

19.如权利要求18所述的方法，其中步骤(f)还包括一个以绕圆圈的方式摆动所述工具组的步骤。

20.如权利要求18所述的方法，其中步骤(f)还包括一个上下移动所述工具组的步骤。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述孔洞贯穿所述模板。

22.一种微细加工的方法，其包括：

(c)将所述柱状工具置于所述孔洞内；

(d)将所述工具组和所述模板分别电气连接到不同电极，以利用所述模板放电加工所述柱状工具，得到设定的工具外型；

(e)提供一个素材；和

(f)以所述工具组加工所述素材，得到设定的微结构。

23.如权利要求22所述的方法，其中步骤(d)还包括一个以绕圆圈的方式摆动所述工具组的步骤。

24.如权利要求22所述的方法，其中步骤(d)还包括一个上下移动所述工具组的步骤。

25.如权利要求22所述的方法，其中所述孔洞贯穿所述模板。

26.如权利要求22所述的方法，其中步骤(f)是将所述工具组和所述被加工材料分别电气连接到不同电极，以利用所述工具组放电加工所述素材，得到设定的微结构。

27.如权利要求22所述的方法，其中步骤(f)是以微细超声波加工所述素材，得到设定的微结构。