專利名稱：用于微細加工的工具組及其制造方法和微細加工的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于微細加工的工具組及其制造方法，確切而言，本發明涉及一種具三維結構的陣列工具組及其制造方法。
背景技術：
微細加工(Micro machining)中的微放電加工(Micro-electro-discharge machining，micro-EDM)被大量應用于超硬合金的材料(例如碳化鎢、模具鋼、石墨等)上微細成形，以形成一個微結構，例如微孔或槽等二維或三維的形狀特征。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，制作放電加工用的微細電極，但是其缺點為每一支電極都個別地用此方式制作出來，在精密度和穩定性上都存在許多變數，因此會影響到加工的精度。此外，該電極是分別地制作，因此制作時間相當費時。Gianchandani等人(US 6,624,377B2)利用LIGA技術制作陣列電極組，以該陣列電極組來放電加工一個被加工材料，并分別將每支電極連接到一個RC回路，以達到提升放電加工效率精度。此技術的缺點為其應用LIGA來制作陣列微電極組，設備成本相當高，且每個電極形狀會因LIGA制程技術有所限制，都為二維結構，即，沿著該電極的z軸方向其表面并沒有任何變化。因此，導致制作出的微結構的形狀受到限制。此外，LIGA制作的電極材質強度不高(通常為鎳基合金)，因而無法應用于其他加工制程，如超聲波加工等制程。
因此，有必要提供一種創新且具進步性的用于微細加工的工具組及其制造方法，以解決上述問題。
發明內容
本發明的主要目的在于提供一種具有復數個柱狀工具的陣列工具組，其中每個柱狀工具具有三維結構，也就是每個柱狀工具沿著其z軸方向具有兩種以上不同的x-y平面方向的剖面，因此當該陣列工具組應用于放電加工或是微細超聲波加工時可以將一被加工材料加工成一具有復雜形狀的微結構。
本發明的主要目的在于提供一種陣列工具組的制造方法，其利用一模板結合搖動放電加工技術，可將該陣列工具組上的柱狀工具批量制造成復雜的三維結構，達到降低不合格品率、節省時間或人力成本，且因該柱狀工具的材質不受限制，因此可應用于放電加工或是微細超聲波加工。
為達到上述目的，本發明提供一種用于微細加工的工具組的制造方法，其包括(a)提供一被加工材料；(b)提供一加工裝置，該加工裝置具有復數個間隔排列的刀具；(c)利用該等刀具同時加工該被加工材料，以形成一工具組，其中該工具組包括一基座和復數個位于該基座上的柱狀工具；(d)提供一模板，該模板上具有復數個孔洞，該等孔洞的位置相對于該等柱狀工具；(e)將該等柱狀工具置于該等孔洞內；和(f)將該工具組和該模板分別電氣連接到不同電極，以利用該模板放電加工該等柱狀工具，以得到所需的工具外型。
圖1顯示本發明用于微細加工的第一工具組的立體示意圖，其中該等柱狀電極為方形柱狀；圖2顯示本發明用于微細加工的第一工具組的立體示意圖，其中該等柱狀電極為三角形柱狀；圖3顯示本發明用于微細加工的第一工具組的立體示意圖，其中該等柱狀電極為多邊形柱狀；圖4顯示本發明中線切割機的示意圖；圖5顯示本發明中立式銑床的示意圖；圖6顯示本發明中臥式銑床的示意圖；圖7顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極頂部的外徑大于底部的外徑；圖8顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極頂部的外徑小于底部的外徑；圖9顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極的底部為圓柱狀且其頂部為圓錐狀；圖10顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極為圓錐狀；圖11顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極為圓柱狀；圖12顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極為橢圓柱狀；圖13顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極的x-y平面方向的剖面為梅花狀；圖14顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖，其中該柱狀電極的x-y平面方向的剖面為齒輪狀；圖15顯示本發明中模板的立體示意圖；圖16顯示本發明中將第一電極組的柱狀電極置于模板的孔洞內的示意圖；圖17顯示本發明中在放電加工的過程中同時以繞圓圈的方式于水平面上擺動第一電極組，其中模板的厚度等于該等柱狀電極的長度；圖18顯示本發明中在放電加工的過程中同時以繞圓圈的方式于水平面上擺動第一電極組，其中模板的厚度小于該等柱狀電極的長度；圖19顯示本發明中在放電加工的過程中同時以繞圓圈的方式于水平面上擺動第一電極組，其中該第一電極組的柱狀電極的底部離開該模板的孔洞，頂部仍留在該等孔洞內；圖20顯示應用本發明所制得的微結構的立體示意圖，其中該微結構的透孔為方形；圖21顯示應用本發明所制得的微結構的立體示意圖，其中該微結構的透孔為三角形；圖22顯示應用本發明所制得的微結構的立體示意圖，其中該微結構的透孔為圓形；圖23顯示應用本發明所制得的微結構的立體示意圖，其中該微結構的透孔的上半部為圓形，下半部為方形；和圖24顯示應用本發明所制得的微結構的立體示意圖，其中該微結構具有盲孔，其底面為弧形。
具體實施例方式
參考圖1，顯示本發明用于微細加工的第一工具組的立體示意圖。該第一工具組可應用于放電加工、微細超聲波加工或其他微細加工，以下說明以應用于放電加工為例，該第一工具組為一第一電極組10，其包括一基座12和復數個位于該基座12上的柱狀電極14，其中該等柱狀電極14由例如切削加工的機械加工方式而制成，且其以陣列方式、同心圓方式或其他方式排列。在圖1中，該等柱狀電極14為方形柱狀，然而其也可以為其他形狀，例如圖2所示，第一電極組16的基座18上的柱狀電極20為三角形柱狀。例如圖3所示，第一電極組22的基座24上的柱狀電極26為圓形柱狀。
該第一電極組10的制造方法如下，首先，提供一被加工材料。接著，提供一切削裝置，該切削裝置具有復數個間隔排列的刀具，該等刀具的數目和排列方式為相對于該等柱狀電極14的數目和排列方式。最后，利用該等刀具同時切削該被加工材料，以形成該第一電極組10。上述的該切削裝置的類型包含但不限于下列三種，參考圖4，該切削裝置為一線切割放電加工機28，該等刀具為細線30。參考圖5，該切削裝置為立式銑床32，該等刀具為銑刀34。參考圖6，該切削裝置為臥式銑床36時，該等刀具為刀片38，且該等刀片位于一主軸40上。
參考圖7，顯示本發明用于微細加工的第二工具組的立體示意圖。該第二工具組由該第一工具組再經過加工而成，其也可應用于放電加工、微細超聲波加工或其他微細加工，以下說明是以應用于放電加工為例。該第二工具組為一第二電極組42，該第二電極組42由該第一電極組10再經過加工而成，其包括一基座44和復數個位于該基座44上的柱狀電極46，與該第一電極組10不同之處在于該等柱狀電極46具有三維的立體結構，即，每一該等柱狀電極46具有兩種以上不同的外徑，或是每一該等柱狀電極46沿著其z軸方向具有兩種以上不同的x-y平面方向的剖面，也就是沿著該柱狀電極46的z軸方向其表面會有起伏變化。例如，該柱狀電極的類型包含但不限于下列幾種，參考圖7，該柱狀電極46為圓柱狀，且具有兩科不同的外徑，其中頂部461的外徑大于底部462的外徑。參考圖8，該第二電極組48的柱狀電極50為圓柱狀，且具有兩種不同的外徑，其中頂部501的外徑小于底部502的外徑。參考圖9，該柱狀電極52的底部522為圓柱狀且其頂部521為圓錐狀。參考圖10，該柱狀電極54為圓錐狀。當然，該第二電極組的柱狀電極也可能為z軸不起伏的二維結構，參考圖11，該第二電極組56的基座58上的柱狀電極60為圓柱狀。參考圖12，該柱狀電極62為橢圓柱狀。參考圖13，該柱狀電極64的x-y平面方向的剖面為梅花狀。參考圖14，該柱狀電極66的x-y平面方向的剖面為齒輪狀。
接著，以圖11為例說明該第二電極組56的制造方法如下，首先，提供如圖3的第一電極組22，該第一電極組22包括一基座24和復數個位于該基座22上的柱狀電極26。接著，提供一模板68，如圖15所示，該模板68上具有復數個孔洞70，該等孔洞70的位置相對于該第一電極組22的柱狀電極26，優選地，該等孔洞70貫穿該模板68。然后，參考圖16和圖17，將該等柱狀電極26置于該等孔洞70內，且將該第一電極組22和該模板68分別電氣連接到不同電極，以利用該模板68的孔洞70側壁放電加工該等柱狀電極26，在該放電加工的過程中可同時以繞圓圈的方式于水平面上擺動該第一電極組26，如果該模板68的厚度等于該等柱狀電極26的長度時，可以得到如圖11所示的圓柱狀的柱狀電極60。可以理解的是，上述擺動路徑不是正圓的話，則可以得到如圖12所示的橢圓柱狀的柱狀電極62。
參考圖18，如果該模板68的厚度小于該等柱狀電極26的長度時，向下移動該第一電極組22，使該等柱狀電極26的頂部261穿過該等孔洞70，底部262仍留在該等孔洞70內。進行放電加工且以繞圓圈的方式于水平面上擺動該第一電極組22，此時該孔洞70內側壁對該等柱狀電極26的底部262進行加工，而得到如圖7所示的柱狀電極46，其底部462的外徑小于頂部461的外徑。
參考圖19，如果要制造出如圖8的柱狀電極50，只需要在制造出如圖11所示的圓柱狀的柱狀電極60后，再向上移動該第一電極組22，使該等柱狀電極26的底部262離開該等孔洞70，頂部262仍留在該等孔洞70內。最后，進行放電加工且以繞圓圈的方式于水平面上擺動該第一電極組22，此時該孔洞70內側壁對該等柱狀電極26的頂部261進行加工，而得到如圖8所示的柱狀電極50，其底部502的外徑大于頂部501的外徑。
另外，如果要制造出如圖9的柱狀電極52，只需要在制造出如圖11所示的圓柱狀的柱狀電極60后，向上移動該第一電極組22，使該等柱狀電極26的底部262離開該等孔洞70，頂部261仍留在該等孔洞70內。最后，在進行放電加工時，同時以繞圓圈的方式擺動該第一電極組22且逐漸向上移動該第一電極組22，此時該孔洞70內側壁對該等柱狀電極26的頂部261進行加工，使得該等柱狀電極26的頂部261形成圓錐狀，如圖9所示。
另外，如果要制造出如圖13或圖14的柱狀電極64，66，該模板68上的孔洞70則需要設計成相對于該等柱狀電極64，66的形狀，且在放電加工過程中則不需要擺動該第一電極組。
應用本發明所制成的該第一工具組或第二工具組，由于其材質不受限制，因此可以廣泛地應用于例如放電加工或是微細超聲波加工等微細加工，以加工一素材，使該素材形成所需的微結構。如果需要的話，可以于該第一工具組或第二工具組與該微結構兩者間添加拋光用的磨粒，如；氧化鋁、碳化硅、鉆石等材質，并外加一高頻振動機制，利用此一拋光方式，可使該第一工具組或第二工具組上的工具與微結構同時達到具光學等級表面質量的優點。
該微結構具有復數個微細的盲孔或透孔，其應用層面十分廣泛包括生物晶片用的壓印陣列、微流體流道(micro-channels)等生物晶片和醫療器材、噴墨打印機的噴嘴薄片(nozzle plate)、晶圓測試探針(probe)、IC封裝的BGA模板、球面和非球面的各種曲面光學元件、批量微陣列微元件、微細孔(直徑為數μm到數mm)、精密注入和沖壓用模具等。
上述該微結構的類型包含但不限于下列幾種，參考圖20，該微結構72的透孔74為方形，其由圖1的第一電極組10所加工而成。參考圖21，該微結構76的透孔78為三角形，其由圖2的第一電極組16所加工而成。參考圖22，該微結構80的透孔82為圓形，其由圖11的第二電極組56所加工而成。值得注意的是，該微結構80可以當成如圖15所示的模板68來使用。參考圖23，該微結構84的透孔86的上半部為圓形，下半部為方形。該微結構84的制作方式有以下兩種，第一種方式是先利用如圖1第一電極組10的方形柱狀電極14直接在該素材穿孔后，再利用如圖3第一電極組22的圓柱狀電極26加工到所設定的深度；第二種方式是將柱狀電極成形為與該透孔86相對應的外形，即使該柱狀電極的上半部為方形，下半部為圓形，然后利用該柱狀電極直接在該素材上加工出該透孔86。參考圖24，該微結構88具有盲孔90，其底面為弧形。該微結構88的制作方式如下，首先將柱狀電極成形為與該盲孔90相對應的外形，即使該柱狀電極的上半部為一圓弧外觀，下半部為方形柱狀，然后利用該柱狀電極直接在該素材上加工出該盲孔90。
上述實施例僅為說明本發明的原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，所屬領域的技術人員可在不違背本發明的精神對上述實施例進行修正和變化。本發明的權利范圍應如前述的權利要求書所列。
權利要求
1.一種用于微細加工的工具組，其包括一個基座和復數個位于該基座上的柱狀工具，其中所述柱狀工具由切削加工而成。
2.如權利要求1所述的工具組，其中所述工具組是用于放電加工的電極組，每個所述柱狀工具為一個柱狀電極。
3.如權利要求1所述的工具組，其中所述工具組為用于微細超聲波加工。
4.如權利要求1所述的工具組，其中所述柱狀工具以陣列方式排列。
5.一種用于微細加工的工具組的制造方法，其包括(a)提供一個被加工材料；(b)提供一個切削裝置，所述切削裝置具有復數個間隔排列的刀具；和(c)利用所述刀具同時切削所述被加工材料，使所述被加工材料形成一個工具組，其中所述工具組包括一個基座和復數個位于所述基座上的柱狀工具。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述切削裝置為線切割放電加工機，所述刀具為細線。
7.如權利要求5所述的方法，其中所述切削裝置為立式銑床，所述刀具為銑刀。
8.如權利要求5所述的方法，其中所述切削裝置為臥式銑床，所述刀具為刀片，所述刀片位于一主軸上。
9.一種用于微細加工的工具組，其包括一個基座和復數個位于所述基座上的柱狀工具，其中每個所述柱狀工具沿著其z軸方向具有兩種以上不同的x-y平面方向的剖面。
10.如權利要求9所述的工具組，其中所述柱狀工具以陣列方式排列。
11.如權利要求9所述的工具組，其中所述工具組是用于放電加工的電極組，每個所述柱狀工具為一個柱狀電極。
12.如權利要求9所述的工具組，其中所述工具組用于微細超聲波加工。
13.如權利要求9所述的工具組，其中每個所述柱狀工具具有兩種以上不同的外徑。
14.一種加工用于微細加工的工具組的方法，其包括(a)提供一個工具組，所述工具組包括一個基座和復數個位于所述基座上的柱狀工具；(b)提供一個模板，所述模板上具有復數個孔洞，所述孔洞的位置相對于所述柱狀工具；(c)將所述柱狀工具置于所述孔洞內；和(d)將所述工具組和所述模板分別電氣連接到不同電極，以利用所述模板放電加工所述柱狀工具，以得到設定的工具外型。
15.如權利要求14所述的方法，其中步驟(d)還包括一個以繞圓圈的方式擺動所述工具組的步驟。
16.如權利要求14所述的方法，其中步驟(d)還包括一個上下移動所述工具組的步驟。
17.如權利要求14所述的方法，其中所述孔洞貫穿所述模板。
18.一種用于微細加工的工具組的制造方法，其包括(a)提供一個被加工材料；(b)提供一個加工裝置，所述加工裝置具有復數個間隔排列的刀具；(c)利用所述刀具同時加工所述被加工材料，以形成一工具組，其中所述工具組包括一個基座和復數個位于所述基座上的柱狀工具；(d)提供一個模板，所述模板上具有復數個孔洞，所述孔洞的位置相對于所述柱狀工具；(e)將所述柱狀工具置于所述孔洞內；和(f)將所述工具組和所述模板分別電氣連接到不同電極，以利用所述模板放電加工所述柱狀工具，以得到設定的工具外型。
19.如權利要求18所述的方法，其中步驟(f)還包括一個以繞圓圈的方式擺動所述工具組的步驟。
20.如權利要求18所述的方法，其中步驟(f)還包括一個上下移動所述工具組的步驟。
21.如權利要求18所述的方法，其中所述孔洞貫穿所述模板。
22.一種微細加工的方法，其包括(a)提供一個工具組，所述工具組包括一個基座和復數個位于所述基座上的柱狀工具；(b)提供一個模板，所述模板上具有復數個孔洞，所述孔洞的位置相對于所述柱狀工具；(c)將所述柱狀工具置于所述孔洞內；(d)將所述工具組和所述模板分別電氣連接到不同電極，以利用所述模板放電加工所述柱狀工具，得到設定的工具外型；(e)提供一個素材；和(f)以所述工具組加工所述素材，得到設定的微結構。
23.如權利要求22所述的方法，其中步驟(d)還包括一個以繞圓圈的方式擺動所述工具組的步驟。
24.如權利要求22所述的方法，其中步驟(d)還包括一個上下移動所述工具組的步驟。
25.如權利要求22所述的方法，其中所述孔洞貫穿所述模板。
26.如權利要求22所述的方法，其中步驟(f)是將所述工具組和所述被加工材料分別電氣連接到不同電極，以利用所述工具組放電加工所述素材，得到設定的微結構。
27.如權利要求22所述的方法，其中步驟(f)是以微細超聲波加工所述素材，得到設定的微結構。
全文摘要
本發明涉及一種用于微細加工的工具組及其制造方法，該工具組包括一基座和復數個位于該基座上的柱狀工具，其中每個所述柱狀工具沿著其z軸方向具有兩種以上不同的x－y平面方向的剖面。所述工具組的制造方法是利用一個具有透孔的模板結合搖動放電加工技術，可以將所述工具組上的柱狀工具批量制造成復雜的三維結構，達到降低不合格品率、節省時間或人力成本，且因為該柱狀工具的材質不受限制，因此可應用于放電加工或是微細超聲波加工。
文檔編號B23H1/00GK1781638SQ200410096608
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者莊殷 申請人:財團法人金屬工業研究發展中心