TW200841069A - Method of manufacturing miniature ball-shaped grinding structure - Google Patents

Description

200841069 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種微型球狀磨削結構之製造方 法，尤指一種藉由輸入一高密度能量將一微型工具軸 前端熔化成一微球體，接著進行一複合電鍍以沉積研 磨顆粒，進而形成一可作為研磨或微切削加工之微型 球狀磨削結構。 【先前技術】 科技日益發達，工業界對於精密微小化之模具或 微精密加工之需求也日益增加，例如微機電系統 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS )中之微零 件，其中有不少微軸、微孔及微流道等需經由微細加 工完成，因此該微細加工也就成為精密工業不可或缺 之加工法。 在目前微細加工中，最常使用之加工法有雷射加 工（Laser Machining )、電子束加工（Electro Beam Machining，EBM)、超音波加工（Ultrasonic Machining, USM )、離子束加工（Ion beam machining，IBM )、I虫 刻法（Etching )及放電加工（Electrical Discharge Machining，EDM)等，其中該放電加工法係為一種成 本低之加工法，不僅能加工於任何高硬度及高韌性之 導電材料，並且可配合其他複合加工製程，例如高頻 抖動研磨、電化學加工（Electro-Chemical Machining， 200841069 ECM)與磁力研磨（Magnetic Abrasive)等加工法， 以較經濟之加工法製造出高精密度之微零件。 有關於微型工具成型法方面，絕大多數之研究係 以圓柱、三角柱、四方柱及針狀等微細工具為主，鮮 少有關於微軸前端呈球狀之研究。按中華民國專利公 報編號第56906!號之「模具成型方法」，其提到利用 該放電加工法使針狀電極形成一圓球狀以作為模具沖 • 壓頭之用。另外，亦有許東亞於2004年在journal 〇f Materials Processing Technology, v〇i. U9> pp 597.6〇3 期刊論文中，發表其利用單發放電加工法將微型純鎢 電極韵端，製作成微小圓球狀之微細軸，因其微軸直 徑30微米及球徑4〇微米，但其軸長為3〇〇微米，因 此長寬比較大而僅作為探針之用。 目前市面上所販售之微小徑球刀之中，其製作方 籲法上大部分皆以鑽石砂輪機研磨成型，再經由鍍膜製 程而產生刀具。而直徑約為〇1毫米或更小之微銑刀 與微鑽頭，在加工之後，一但被加工件為凹形圓、凹 弧形圓或圓角等，甚至角度大於18〇度且需要表面精 修加工時，便難以使用一般研磨工具對其進行加工: 此外，市售鑽石研磨工具之中，較高品質之工具為利 用化學氣相沈積法（Chemical Vapor Deposition，cil)) 使工具表面成長鑽石薄膜，雖然該化學氣相沈積法所 成長之鑽石薄膜在其強度、均勻性及緻密度等皆有相 200841069 當良好之表現， 產之使用。故， 使用時之所需。 【發明内容】 但其製作成本卻相對較高， —般習用者係無法符合使用 實不敷量 者於實際 本發明之主要目 磨，i可#^ 可用於微銳削與微研 獲付精細加工表面之微型球狀磨削結構。 構之之，的，本發明係-種微型球狀磨削結 二，糸選擇一微型工具軸對其加工並修整 山一义端’糟由輪人—高密度能量將該微型工具軸前 端材料炼化亚破固形成—微球體，並將此成型體進行 -複合電鑛以沉積研磨顆粒，進而完成一可作為研磨 或微切削加工之微型球狀磨削結構。 【實施方式】 明麥閱第1獨〜第7圖』所示，係分別為本發 月之製作流私示意圖、本發明之微型工具軸示意圖、 本發明之微球工具軸示意圖、本發明之電鍍槽示意 圖、本發明之複合電鍍示意圖、本發明之微球表面狀 態示意圖及本發明之微型球狀磨削結構示意圖。如圖 所不：本發明係一種微型球狀磨削結構之製造方法， 其至少包括下列步驟： (Α)選擇一微型工具軸加工並修整出一尖端1 :如第2圖所示，先選擇一微型工具軸2丄，將該 200841069 微型工具軸2加王至所需尺寸，並在其前端中心修整 具有一尖端2 1 ;

(B )以一高密度能量使其熔化並凝固為微咸體工 2 ·如第3圖所示，輸入一高密度能量讓該微型工具 軸2之尖端21處熔化而再凝固形成一微球體31， 使該微型工具軸2藉此轉變為一由微柄及微球體3工 所構成之微球工具軸3，其中，該微球體3 1之基底 材料係可為鎢、$反化鎢、高速鋼或鎢鋼，且其直徑係 至3〇〇微米；該微柄之直徑係小於或等於該微球 禮1之直徑；該微球I具軸3之基體材料係可為 螺、鉻、銅、紹、銀、鋅及其合金； (C)另取一電鍍槽1 3 :如第4圖所示，取一‘ 錢槽4，並在該電鍍槽4中交w 人—曰^ 9七_ 4γ谷置一含定量研磨顆粒, Ζ之電鑛液4 3，其中，兮益垂^ . ，、τ σ哀禝數個研磨顆粒4 2係] 為鑽石、碳化矽、立體氮化 …、 虱化硼或乳化鋁，且其粒徑4 為0·1至10微米； C D)進行複合電鍍1 4 微球工具軸3表面進行複人電：弟5圖所示’對 2，使該微球工呈軸3之？：以沉積該研磨顆粒 層；以及軸3之表面形成-複合電鍍金 (:)進行表面清潔與處理15:對該微球工且 ‘丁表面清潔與處理’以完成—可作為研磨或微 σ工之❹球狀磨削結構5，其卜該表面清潔」 200841069 處理之方法係可為超音波清洗或電解加工。 藉此，不僅具有可批量製造、製程簡單、成本低 與高品質等多項優點，並且可用於微模具成型、除毛 邊、表面微銑削及表面微研磨等精微加工，諸如凹型 球面微模具、印刷電路板（Print Circuit Board，PCB )、 生醫檢測用微流道、微機電系統及各種微加工領域之 用，使其擁有加工後表面平整而不需再二次加工之優 勢，此外，其加工面亦比一般球刀來得大’可側向進 給加工出底部形狀超過180度之微細槽。 當本發明於運用時，該微型工具軸2可經由多種 加工法使其達到所需之形狀尺寸，如放電加工法 (Electrical Discharge Machining，EDM )、電化學加工 法（Electro-Chemical Machining，ECM )、姓刻法 (Etching )、雷射加工法（Laser Machining )及電子束 加工法（Electro Beam Machining，EBM)等。今該加 工法係以放電加工法對該微型工具軸2研磨修整為 例。其先修整該微型工具軸2之端面，使其端面平整 後再進行該微型工具轴2之粗加工，以粗劣之加工使 其接近於所需之徑向尺寸，遂而再進行該微型工具軸 2之精加工，以精確達到所需之徑向尺寸，最後再將 該微型工具軸2之端面中心部位修整出一微小尖端2 1。 當該微型工具軸2加工至所需之尺寸後，繼續對 200841069 該微型工具軸2進行放電加工，此時由端面中心尖端 2 1部位會開始產生放電現象，一直到該尖端2丄於 高溫融熔下，呈微轴前端收縮成微球體3 1，由該微 型工具軸2之型態轉變為該微球工具軸3之型態後， 結束放電加工。此外，該微球體3 亦可於凝固成形 後’進一步再於其表面上加工一微溝槽，以作為容屑、 排屑之用。在上述之放電過程間，由於放電現象會由 • 兩極間最短距離開始產生，因此該尖端2 1必須置於 端面中心，才能使其於高能量輸入而材料熔化所產生 之内♦收縮作用時，該微球體3 1才得以較不易形成 ‘ 偏心。 另取一電鍍槽4，且該電鍍槽4内係具有一環狀 陽極4 1，將該微球工具軸3浸入電鍍液4 3，以各 種不同加工參數，選用2至4微米之鑽石顆粒作為研 • 磨顆粒4 2 α進行電鍍測試；為使該研磨顆粒4 2可 =浮於電鍍液4 3中，在此電鍍槽4兩側提供一攪拌 :4 4，並在該電鍍液4 3中添加一定量之界面活性 以提升該研磨顆粒4.2之沈積量與分散性。當複 合電鍍沉積加工完成後，對電極進行表面清潔，以除 去表面殘留之電鍍液4 3，以完成此微型球狀磨削結 構5之製作。 紅上所述，本發明係一種微型球狀磨削結構之製 造方法，可有效改善習用之種種缺點，不僅擁有良好 200841069 •之微量切削與研磨之功能，並能達到良好之表面修整 效果，具有可批量製造、製程簡單、成本低盥高品^ 等=項優點，進而使本發明之産生能更進步、更實:貝 更符合使甩者之所須，確已符合發申之 件，t依法提出專利申請。 〒》月之要 *惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已， 广能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明 鲁巾4專㈣圍及發明說明㈣容所作之簡單的等效變 化/、修飾’皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 200841069 ，【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明之製作流程示意圖。 第2圖，係本發明之微型工具轴示意圖。 第3圖，係本發明之微球工具軸示意圖。 第4圖，係本發明之電鍍槽示意圖。 第5圖，係本發明之複合電鍍示意圖。 第6圖，係本發明之微球表面狀態示意圖。 * 第7圖，係本發明之微型球狀磨削結構示意圖。 【主要元件符號說明】 ’ 步驟1 1〜1 5 微型工具軸2 ~ 尖端2 1 微球工具軸3 φ 微球體31 電鍍槽4 環狀陽極4 1 研磨顆粒4 2 電鍍液4 3 攪拌器4 4 微型球狀磨削結構5

Claims (1)

1. 200841069 十、申請專利範圍： 1·一種微型球狀磨削結構，係包括： 胃複數個研磨顆粒係定量容 複數個研磨顆粒， 置於一電鍍液中；以及 诞球工具軸’该微球工具軸係用以黏結該複 數個研磨顆粒。 • •虞申明專利耗圍第1項所述之微型ί求狀磨削裝 ，其中’該微球工具軸係由一微柄及一微球體所 構成。 π 晉據申明專利犯圍第2項所述之微型球狀磨削裝 含其中，該微球體之基底材料係可為鎢、碳化鎢、 向速鋼或鷄鋼。 4 ·

   ^據申請專利範圍第2項所述之微型球狀磨削裝 /、中’ ό玄微球體之直徑為至3⑼微米。 置康申明專利範圍第2項所述之微型球狀磨削裝 中，忒祕柄之直徑係小於或等於該微球體之 置康申巧專利範圍第1項所述之微型球狀磨削裝 柄其中，該微球工具軸之基體材料係可為鎳、鉻、 、鋁、銀、鋅及其合金。 7 •依撼由 叫專利範圍第1項所述之微型球狀磨削裝 13 200841069 碳化石夕、 置，其中，该複數個研磨顆粒係可為鑽石、 立體氮化硼或氧化鋁。、 8 ·依據申請專利範圍第丄項 ^ ^ 1^裂球狀磨削裝 置，，、中，#亥複數個研磨顆#夕& i 微米。 粒輕為ο.1至1〇 9 · 一種微型球狀磨削結構之製造方法，至妊石 步驟： 王夕包括下列 (A) 選擇一微型工且軸 鸱 ^ ^ 八軸將该微型工具軸加 至所而尺寸，並在前端中心修整具有一尖端； (B) 輸入一高密度能量讓該微型工且軸之尖 端處炫化而再凝固形成一微球體，使該微型工具軸 藉此轉變為一微球工具軸； (C) 取一電鍍槽，並在該電鍍槽中容置一含 定量研磨顆粒之電鑛液； (D) 對該微球工具軸表面進行複合電鍍以沉 積該研磨顆粒，使該微球工具軸之表面形成一複合 電鍍金屬層；以及； (£)對该微球工具軸進行表面清潔與處理， 以完成一微型球狀磨削結構。 依據申請專利範圍第9項所述之微型球狀磨削裝 置’其中’該微球體於凝固形成之後，可進一步於 14 200841069 - 表面力σ工一微溝槽。 1 1 ·依據申請專利範圍第9項所述之微型球狀磨削裝 置，其中，該高密度能量之加工法係可為放電加工 法（Electrical Discharge Machining，EDM)、電化 學加工法（Electro-Chemical Machining，ECM )、钱 Ull (Etching)^ fT It ^ x. (Laser Machining) 及電子束加工法（Electro Beam Machining，EBM )。 • 12 · 據申請專利範圍第9項所述之微型球狀磨削裝 置，其中，該表面请潔與處理之方法係可為超音波 清洗或電解加工。 1 3 ·依據申請專利範圍第1 0項所述之微型球狀磨削 裝置，其中，該微型球狀磨削結構之加工面圓弧角 度係可超過180度。

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