TWI519387B - 線上複合電鍍電解銳化硏磨方法 - Google Patents

Description

線上複合電鍍電解銳化研磨方法

本發明係有關於一種可降低工件表面粗糙度的加工方法，尤其是一種線上複合電鍍電解銳化研磨法。

請參照第1圖，其係一種習知的銳化研磨裝置9，該習知的銳化研磨裝置9包含一拋光基材91、一金屬材料92、一電鍍槽93及一直流電源供應組件94，以對一被加工件W進行表面研磨；其中，該電鍍槽93中盛裝有一含定量磨粒之電鍍液L，該拋光基材91、金屬材料92及被加工件W均設置於該電鍍槽93內，並浸泡於電鍍液L中，該直流電源供應組件94則與該拋光基材91及金屬材料92電連接。

該習知的銳化研磨裝置9可提供一種表面研磨加工方法，使用時，由該直流電源供應組件94提供直流電，使該金屬材料92被電解以提供金屬離子，所釋出之金屬離子可與電鍍液L中的磨粒共同沉積於該拋光基材91，以於該拋光基材91表面形成一複合鍍層911，從而由該複合鍍層911對該被加工件W進行表面研磨加工。其中，由於該拋光基材91的表面會持續生成該複合鍍層911，因此研磨該被加工件W而耗損的部分將自動地被修補，並持續提供新鮮且銳利的磨粒，故可在不必更換該拋光基材91及不必使用修整器之情況下，令該拋光基材91維持優異的加工性能。所述習知的銳化研磨裝置9的一實施例已揭露於中華民國公告第I244962 號「結合複合電鍍與表面磨粒加工之方法及裝置」專利案當中。

然而，由於在該習知的表面研磨加工方法中，該習知銳化研磨裝置9的直流電源供應組件94之負極連接該拋光基材91，以持續提供負電，及該直流電源供應組件94之正極連接該金屬材料92，以持續對提供正電，因此在研磨加工過程中，該金屬材料92係不斷地被電解而會造成消耗，故須經常補充新的金屬材料92；相對地，若該複合鍍層911的耗損速度小於其生成的速度，則該拋光基材91的複合鍍層911的厚度將增加，以致須調整該被加工件W與該拋光基材91的相對位置，造成操作上的不便及影響研磨效率。

有鑑於此，習知的表面研磨加工方法仍有加以改善之必要。

本發明之目的係提供一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，係可有效降低金屬材料的消耗量以延長其使用壽命，並使複合鍍層維持銳利且厚度幾乎不增加。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，包含以下步驟：提供一拋光基材、一金屬材料及一被加工件，並使三者浸泡於含有磨粒的電鍍液中；執行一研磨層生成步驟，電解該金屬材料，使該金屬材料所釋出的金屬離子與電鍍液中的磨粒共同沉積於該拋光基材，以於該拋光基材表面生成一複合鍍層；執行一研磨層分解步驟，電解該拋光基材的複合鍍層，使該複合鍍層釋出金屬離子以還原至該金屬材料；及執行一研磨步驟，以該拋光基材的複合鍍層研磨該被加工件，直至該被加工件的表面粗糙度降低至一加工目標值為止，且研磨的過程中，係重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟，其中，其係對該金屬材料提供正向脈衝電流，及同時對該拋光基材提供反向脈衝電流，以電解該金屬材料及同時於該拋 光基材表面生成該複合鍍層，且係由一正反向脈衝電源組件之一電輸出端連接該拋光基材，而該正反向脈衝電源組件之另一電輸出端連接該金屬材料，以對該拋光基材及金屬材料交替提供正、反向脈衝電流，以交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟。

一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，包含以下步驟：提供一拋光基材、一金屬材料及一被加工件，並使三者浸泡於含有磨粒的電鍍液中；執行一研磨層生成步驟，電解該金屬材料，使該金屬材料所釋出的金屬離子與電鍍液中的磨粒共同沉積於該拋光基材，以於該拋光基材表面生成一複合鍍層；執行一研磨層分解步驟，電解該拋光基材的複合鍍層，使該複合鍍層釋出金屬離子以還原至該金屬材料；及執行一研磨步驟，以該拋光基材的複合鍍層研磨該被加工件，直至該被加工件的表面粗糙度降低至一加工目標值為止，且研磨的過程中，係重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟，其中，其係對該金屬材料提供反向脈衝電流，及同時對該拋光基材提供正向脈衝電流，以電解該拋光基材表面的複合鍍層及同時將金屬離子還原至該金屬材料，且係由一正反向脈衝電源組件之一電輸出端連接該拋光基材，而該正反向脈衝電源組件之另一電輸出端連接該金屬材料，以對該拋光基材及金屬材料交替提供正、反向脈衝電流，以交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟。

其中，對該金屬材料提供正向脈衝電流的時間大於或等於對該金屬材料提供反向脈衝電流的時間。

其中，其係由一下轉軸連接並驅動該拋光基材旋轉，及由一上轉軸的夾具夾持並驅動該被加工件旋轉，並控制該被加工件的表面與該拋光基材的複合鍍層相接觸，以由該複合鍍層研磨該被加工件。

據此，本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法，不僅能達到與習知相當的研磨效果，還能在研磨加工過程中，使複合鍍層維持銳利 且厚度可幾乎不增加，同時大幅降低金屬材料的消耗量，使金屬材料的使用壽命得以延長並可耐久使用，故本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法具有降低研磨加工成本及提升操作便利性等功效。

〔本發明〕

1‧‧‧拋光基材

11‧‧‧複合鍍層

2‧‧‧金屬材料

3‧‧‧被加工件

31‧‧‧CVD鑽石膜

4‧‧‧電鍍液

5‧‧‧下轉軸

6‧‧‧上轉軸

61‧‧‧夾具

7‧‧‧電鍍槽

8‧‧‧正反向脈衝電源組件

81‧‧‧碳刷

〔習知〕

9‧‧‧銳化研磨裝置

91‧‧‧拋光基材

911‧‧‧複合鍍層

92‧‧‧金屬材料

93‧‧‧電鍍槽

94‧‧‧直流電源供應組件

W‧‧‧被加工件

L‧‧‧電鍍液

第1圖：習知銳化研磨裝置的結構示意圖。

第2圖：本發明所搭配使用之銳化研磨裝置的結構示意圖。

第3圖：本發明實施例1~3與習知施加直流電之研磨方法的拋光時間-金屬材料消耗量比較圖。

第4圖：本發明實施例1~3與習知施加直流電之研磨方法的拋光時間-複合鍍層平均厚度比較圖。

第5圖：本發明實施例1~3與習知施加直流電之研磨方法的拋光時間-CVD鑽石膜表面粗糙度比較圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明為一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，該方法大致上包含以下步驟：請參照第2圖，提供一拋光基材1、一金屬材料2及一被加工件3，並使三者浸泡於含有磨粒的電鍍液4。更詳言之，例如但不限定地，該拋光基材1可以為一圓盤，並連接一下轉軸5以驅動該拋光基材1旋轉；該被加工件3可以是有或無CVD鑽石膜31的碳化矽等硬質物體，並可由一上轉軸6的夾具61夾持及帶動旋轉；該電鍍液4可以如圖所示，容裝於一電鍍槽7中，並使該拋光基材1、金屬材料2及被加工件3的整體或局部均浸泡於該電鍍液4中，或是由一供液單元持續對該拋光基材1、金屬 材料2及被加工件3等三者之間注入電鍍液4。其中，該電鍍液4中的磨粒材質與粒徑，係可依所欲研磨的被加工件3的材質及所欲達到的表面粗糙度進行選擇，此乃本領域中具有通常知識者所能理解，並可視情況予以調整者。

續執行一研磨層生成步驟，電解該金屬材料2，使該金屬材料2所釋出的金屬離子與電鍍液4中的磨粒共同沉積於該拋光基材1，以於該拋光基材1表面生成一複合鍍層11；執行一研磨層分解步驟，電解該拋光基材1的複合鍍層11，使該複合鍍層11釋出金屬離子以還原至該金屬材料2；及執行一研磨步驟，以該拋光基材1表面的複合鍍層11研磨該被加工件3，直至該被加工件3的表面粗糙度降低至一加工目標值為止，且研磨的過程中，係重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟。其中，由於生成的複合鍍層11在研磨該被加工件3時會有一定的耗損量，因此電解該金屬材料2以生成該複合鍍層11的時間(即，對該金屬材料2提供正向脈衝電流的時間)不得小於電解該複合鍍層11的時間(即，對該金屬材料2提供反向脈衝電流的時間)，且以大於為佳，藉以確保該複合鍍層11能具有預設厚度以供研磨該被加工件3。

在本實施例中，可選擇由一正反向脈衝電源組件8對該拋光基材1及金屬材料2交替提供正、反向脈衝電流，以持續在研磨的過程中，重覆交替執行上述之研磨層生成步驟及研磨層分解步驟。亦即，該正反向脈衝電源組件8之一電輸出端連接該拋光基材1，而該正反向脈衝電源組件8之另一電輸出端連接該金屬材料2，該正反向脈衝電源組件8對該拋光基材1提供正向脈衝電流時，將同時對該金屬材料2提供反向脈衝電流；反之，該正反向脈衝電源組件8對該拋光基材1提供反向脈衝電流時，將同時對該金屬材料2提供正向脈衝電流。其中，由於該拋光基材1及相連接的下轉軸5需進行旋轉的動作，因此該正反向脈衝電源組件8可透過一 碳刷81與該拋光基材1或下轉軸5電連接。

其中，對該金屬材料2提供正向脈衝電流及同時對該拋光基材1提供反向脈衝電流的期間，係執行電解該金屬材料2的程序，使該金屬材料2所釋出的金屬離子與電鍍液4中的磨粒共同沉積於該拋光基材1，令該拋光基材1表面能不斷地生成前述之複合鍍層11，故研磨該被加工件3而耗損的部分將自動地被修補，並持續提供新鮮且銳利的磨粒，使該拋光基材1維持優異的加工性能。相對地，對該金屬材料2提供反向脈衝電流及同時對該拋光基材1提供正向脈衝電流的期間，係執行電解該複合鍍層11的程序，使該複合鍍層11釋出金屬離子以還原至該金屬材料2，故該複合鍍層11的厚度幾乎不會增加，可據以避免該複合鍍層11的厚度增加太多而需要調整該被加工件3與該拋光基材1的相對位置；再且，還原至該金屬材料2的金屬離子，也能有效降低該金屬材料2的消耗量，使金屬材料2的使用壽命得以延長，令金屬材料2可更耐久使用，以降低更換金屬材料2的頻率，有助降低研磨加工的成本及提升操作便利性。

在該研磨步驟中，該拋光基材1可由該下轉軸5驅動旋轉，該被加工件3則由該上轉軸6驅動旋轉，並維持該被加工件3欲被研磨的表面與該拋光基材1的複合鍍層11相接觸，以由該複合鍍層11研磨該被加工件3的表面。又，上述之〝加工目標值〞，係可依不同的拋光程度需求而有所改變，例如：在電鍍液4中添加10μm粒徑的鑽石磨粒情況下，將碳化矽(被加工件3)表面的CVD鑽石膜31拋光至近似鏡面，其表面粗糙度應達0.2μm以下；或者，在電鍍液4中添加1μm粒徑的鑽石磨粒情況下，將碳化矽表面的CVD鑽石膜31拋光至鏡面，其表面粗糙度應達0.05μm以下等；即，該研磨步驟的終止條件(〝使被加工件3的表面粗糙度降低至一加工目標值〞)為本領域中具有通常知識者所能視情況予以調整者，故該被加工件3拋光後的表面粗糙度數值不應受到特定數值之限制。

本發明以下茲舉將碳化矽(被加工件)表面的CVD鑽石膜研磨加工至近似鏡面為例進行說明，惟並不意味本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

本實施例所選用之拋光基材1為純銅盤，該拋光基材1的外徑為100mm，厚度為10mm；操作前，該拋光基材1的盤表面經由800~2000號的砂紙研磨後，再酸洗並烘乾。另一方面，該被加工件3選用為一碳化矽，該被加工件3的外徑為20mm，厚度為15mm，該被加工件3表面具有一厚度為25μm的CVD鑽石膜31；該CVD鑽石膜31的表面結構呈現多角錐狀，其平均粗糙度為1.1μm。

首先，電鍍該拋光基材1，使該拋光基材1的表面預先形成一基底的鎳基鑽石磨粒複合電鍍層11，該電鍍方式係由一直流電源組件之負極連接該拋光基材1，而該直流電源組件之正極連接該金屬材料2，該拋光基材1以及該金屬材料2浸泡於如表一所示之含有磨粒粒徑10μm的電鍍液中，在電流密度4.5 ASD的條件下，於該拋光基材1的表面形成一厚度約20μm的鎳基鑽石磨粒複合電鍍層11。

續利用該拋光基材1對該被加工件3進行表面加工，並重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟，在該正反向脈衝電源組件8對該金屬材料2提供正向脈衝電流及對該拋光基材1提供反向脈衝電流時，電解該金屬材料2，使該金屬材料2所釋出的金屬離子與電鍍液4 中的磨粒共同沉積於該拋光基材1，於該拋光基材1表面生成前述之複合鍍層11以作為拋光器(polisher)，研磨該被加工件3表面的CVD鑽石膜31；在該正反向脈衝電源組件8對該金屬材料2提供反向脈衝電流及對該拋光基材1提供正向脈衝電流時，電解該複合鍍層11，使該複合鍍層11釋出金屬離子以還原至該金屬材料2，且該複合鍍層11同時亦作為拋光器，以持續研磨該被加工件3表面的CVD鑽石膜31。

本實施例執行研磨加工的操作條件如表二所示；研磨步驟的終止條件係將碳化矽表面的CVD鑽石膜研磨至近似鏡面(即，使該加工目標值設定在表面粗糙度達0.2μm以下)。

請參照第3圖，其係本發明實施例1~3與習知施加直流電之 研磨方法(對應於圖中的符號○)的拋光時間-金屬材料消耗量比較圖；由圖可知，習知研磨方法之該金屬材料2因持續被電解，使得其消耗量隨拋光時間有明顯增加的趨勢，而本發明實施例1~3之該金屬材料2則因反覆被電解又被電鍍，使得其消耗量大幅地減少，故本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法確實可達到「有效降低金屬材料消耗量」的功效；其中，該金屬材料2的消耗量係實施例1大於實施例2大於實施例3，故正向脈衝電流供給時間與反向脈衝電流供給時間的比值越接近1，該金屬材料2的消耗量就越小。

請參照第4圖，其係本發明實施例1~3與習知施加直流電之研磨方法(對應於圖中的符號○)的拋光時間-複合鍍層平均厚度比較圖；由圖可知，習知研磨方法之該複合鍍層11因持續被電鍍，使得其平均厚度隨拋光時間有明顯增加的趨勢，而本發明實施例1、實施例2之該複合鍍層11則因反覆被電鍍又被電解，使得其平均厚度幾乎不太有改變，故本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法確實可達到「使複合鍍層維持銳利且厚度幾乎不增加」的功效；惟，本發明實施例3因施予正向脈衝時間及反向脈衝時間之時間比值為1，使得該複合鍍層11的生成量幾乎與被電解量相等，加上該複合鍍層11在研磨該被加工件3表面的CVD鑽石膜31時會有所耗損，故該複合鍍層11的平均厚度會有隨拋光時間增加而變小的趨勢，甚至在拋光進行到50分鐘左右時，該複合鍍層11幾乎被磨穿而需被迫停止加工。

請參照第5圖，其係本發明實施例1~3與習知施加直流電之研磨方法(對應於圖中的符號○)的拋光時間-CVD鑽石膜表面粗糙度比較圖；由圖可知，本發明實施例1、實施例2相較於習知研磨方法只要稍加延長拋光時間，該被加工件3表面的CVD鑽石膜31的表面粗糙度都能達到〝近似鏡面〞程度(表面粗糙度0.2μm以下)，因此即便本發明的研 磨效率並不如習知研磨方法的研磨效率好，但只是效率稍差且確實仍可達到研磨加工目標，故具有實用性。另，由於本發明之實施例3的拋光時間至多只能到50分鐘左右，因此正向脈衝電流及反向脈衝電流之時間比值為1的實施例較適合應用於研磨加工前所預鍍的該複合鍍層11的厚度很厚(比如cm等級)，且該被加工件3為鑽石膜以外的硬質物體之研磨需求。

綜上所述，本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法，不僅能達到與習知相當的研磨效果，還能在研磨加工過程中，使複合鍍層維持銳利且厚度可幾乎不增加，同時大幅降低金屬材料的消耗量，使金屬材料的使用壽命得以延長，可耐久使用以降低更換的頻率，故本發明之線上複合電鍍電解銳化研磨方法具有降低研磨加工成本及提升操作便利性等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧拋光基材

11‧‧‧複合鍍層

2‧‧‧金屬材料

3‧‧‧被加工件

31‧‧‧CVD鑽石膜

4‧‧‧電鍍液

5‧‧‧下轉軸

6‧‧‧上轉軸

61‧‧‧夾具

7‧‧‧電鍍槽

8‧‧‧正反向脈衝電源組件

81‧‧‧碳刷

Claims (5)

1. 一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，包含以下步驟：提供一拋光基材、一金屬材料及一被加工件，並使三者浸泡於含有磨粒的電鍍液中；執行一研磨層生成步驟，電解該金屬材料，使該金屬材料所釋出的金屬離子與電鍍液中的磨粒共同沉積於該拋光基材，以於該拋光基材表面生成一複合鍍層；執行一研磨層分解步驟，電解該拋光基材的複合鍍層，使該複合鍍層釋出金屬離子以還原至該金屬材料；及執行一研磨步驟，以該拋光基材的複合鍍層研磨該被加工件，直至該被加工件的表面粗糙度降低至一加工目標值為止，且研磨的過程中，係重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟，其中，其係對該金屬材料提供正向脈衝電流，及同時對該拋光基材提供反向脈衝電流，以電解該金屬材料及同時於該拋光基材表面生成該複合鍍層，且係由一正反向脈衝電源組件之一電輸出端連接該拋光基材，而該正反向脈衝電源組件之另一電輸出端連接該金屬材料，以對該拋光基材及金屬材料交替提供正、反向脈衝電流，以交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟。
2. 一種線上複合電鍍電解銳化研磨方法，包含以下步驟：提供一拋光基材、一金屬材料及一被加工件，並使三者浸泡於含有磨粒的電鍍液中；執行一研磨層生成步驟，電解該金屬材料，使該金屬材料所釋出的金屬離子與電鍍液中的磨粒共同沉積於該拋光基材，以於該拋光基材表面生成一複合鍍層；執行一研磨層分解步驟，電解該拋光基材的複合鍍層，使該複合鍍層 釋出金屬離子以還原至該金屬材料；及執行一研磨步驟，以該拋光基材的複合鍍層研磨該被加工件，直至該被加工件的表面粗糙度降低至一加工目標值為止，且研磨的過程中，係重覆交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟，其中，其係對該金屬材料提供反向脈衝電流，及同時對該拋光基材提供正向脈衝電流，以電解該拋光基材表面的複合鍍層及同時將金屬離子還原至該金屬材料，且係由一正反向脈衝電源組件之一電輸出端連接該拋光基材，而該正反向脈衝電源組件之另一電輸出端連接該金屬材料，以對該拋光基材及金屬材料交替提供正、反向脈衝電流，以交替執行該研磨層生成步驟及該研磨層分解步驟。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之線上複合電鍍電解銳化研磨方法，其中，對該金屬材料提供正向脈衝電流的時間大於對該金屬材料提供反向脈衝電流的時間。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之線上複合電鍍電解銳化研磨方法，其中，對該金屬材料提供正向脈衝電流的時間等於對該金屬材料提供反向脈衝電流的時間。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之線上複合電鍍電解銳化研磨方法，其中，其係由一下轉軸連接並驅動該拋光基材旋轉，及由一上轉軸的夾具夾持並驅動該被加工件旋轉，並控制該被加工件的表面與該拋光基材的複合鍍層相接觸，以由該複合鍍層研磨該被加工件。