TWI421147B - 轉動元件製作方法及其使用之模具 - Google Patents

Description

轉動元件製作方法及其使用之模具

本發明係關於一種轉動元件製作方法及其使用之模具，特別是可以製作出微小型且結合有心軸之轉動元件製作方法及其使用之模具。

隨著市場產品之微型化驅勢，微型化產品對於加工精度之要求亦日漸嚴苛，傳統的加工刀具或加工方法均已無法達到微型化產品之精度要求，所以無論是微型化產品之零組件，或是用來加工此類微型化產品之刀具勢必相對的也要微型化。

以加工微型化產品之刀具為例說明，研磨刀具是常見的微小型刀具，其中又以鑽石研磨刀具之運用最為廣泛，常見的鑽石研磨刀具之製作方法有以下幾種：

1.利用燒結或熱壓方式成型：其中燒結方式係將鑽石顆粒與金屬基材粉末均勻混合，並置入一模具當中燒結成型；熱壓方式如日本特開2007-253327號專利案所示，係於一軸的一端設有一錐狀軸心部，並利用熱壓成型(hot press)使研磨顆粒聚結成型並固定於該錐狀軸心部。惟此二種製作方法均受限於燒結設備及熱壓成型模具之最小尺寸及精度限制，故無法用以製作微小型研磨刀具。

2.利用放電加工或雷射加工方式成型：以放電加工或雷射加工製作鑽石磨盤之方法又可分為二種。其一係先利用燒結成型製作一鎳基鑽石基材，再利用放電加工或雷射加工對該鎳基鑽石基材進行切削，直到該鎳基鑽石基材達到預定之尺寸及形狀。其二則是先對一金屬基材進行加工(如：利用放電或雷射加工對一碳化鎢基材進行加工)，使該金屬基材達到預定之尺寸及形狀時，再於該金屬基材表面電鍍一層鑽石薄膜。如日本特開2004-202660號專利案所示，係於一軸的一端設有一錐狀軸心部，並利用複合電鍍方式於該錐狀軸心部表面電鍍附著一層鑽石研磨顆粒。另外，如日本特開平6-339864號專利案所示，係備有一軟鐵製的胚料部及一高剛性超硬合金製的刀柄部，並於該胚料部表面電鍍附著一層鎳基或鎳合金基的硬質研磨粒，再將該胚料部與該刀柄部焊接結合。

以上二種方法雖然可製作微小型磨盤，但由於放電加工及雷射加工本身設備昂貴，且無論是在對鎳基鑽石基材或碳化鵭基材進行加工時，由於工件尺寸及材料特性等條件限制，均難以單次切削即達到預定尺寸，而必須多次切削並逐次修整至預定之尺寸及形狀，不僅加工時間長，且其成品品質良莠係完全取決於操作者之技術，難以量化生產。

3.利用電鑄方式成型：係如中華民國公告第514682號「電鑄型鑽石薄金屬片成型方法」專利案所示，請配合參照第1至3圖，其係於一基座91之一成型面911上依序塗佈有一離型層92及一導電層93，然後將該基座91置入一電鍍槽94中，以鎳為基材並於該電鍍槽94中灑入適量鑽石顆粒95以進行複合電鍍，當混合有鑽石顆粒95之鎳基材在該導電層93上沉積至預定厚度且待其定型後，可藉由該離型層92輕易地與該基座91剝離，即得一鑽石薄金屬片96(鑽石磨盤)。

相較於前述放電加工或雷射加工，此習知結構所使用之電鑄設備成本相對低廉許多，而且在進行電鑄時，只要將相關參數條件(如：鑽石顆粒濃度、電鑄時間、電鍍液pH值或電流大小等)設定好，即可生產出品質均一之產品，適合量化生產。惟該鑽石薄金屬片96成型後，必須另外再組裝一心軸以供加工機具夾持，但是當該鑽石薄金屬片96之尺寸微小化時，勢必造成後續組裝心軸之作業困難，所以此習知結構亦無法用以製作微小型磨盤。

又以微型齒輪或凸輪為例說明，一般微型齒輪或凸輪多採用蝕刻方式成型，惟此蝕刻方式較難以在該齒輪或凸輪中央同時成型一心軸，所以該齒輪或凸輪成型之後，亦必須另外再組裝一心軸以供加工機具夾持，造成後續組裝之作業困難。

本發明之目的係提供一種轉動元件製作方法及其使用之模具，係可用以製作微小型轉動元件。

本發明之另一目的係提供一種轉動元件製作方法及其使用之模具，係可節省設備成本。

本發明之再一目的係提供一種轉動元件製作方法及其使用之模具，係可量化生產。

根據本發明一種轉動元件製作方法，係包含：一模具準備步驟，係製作一模具，該模具包含一母模、一心軸及一導電層，該母模具有一模穴及一容置孔，該容置孔連通該模穴，該心軸置於該容置孔中，該心軸一端形成結合端並凸出於該模穴，該導電層係佈設於該模穴的底面；一電鑄步驟，於該模穴內之導電層與該結合端上形成一電鑄沉積層，使該電鑄沉積層與該結合端相結合；及一脫模步驟，將該心軸及電鑄沉積層由該母模上分離並得一轉動元件成品。

根據本發明一種轉動元件製作方法所使用之模具，係包含：一母模，具有一模穴及一容置孔，該模穴具有一成型面，且該容置孔係貫穿該成型面；一心軸，設於該容置孔，且該心軸一端為結合端，該結合端係凸出於該成型面；及一導電層，係佈設於該成型面。

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：

請參照第4圖所示，本發明轉動元件製作方法係包含一模具準備步驟S1、一電鑄步驟S2及一脫模步驟S3，其中該模具準備步驟S1係先製作一模具，該電鑄步驟S2係於該模具上形成一電鑄沉積層，該脫模步驟S3則是將該電鑄沉積層與該模具分離，即得一轉動元件。

再參照第4、5a、5b及5c圖所示，該模具準備步驟S1係先製作包含有一母模1、一心軸2及一導電層3之模具。

其中該母模1可以非金屬材料製作，該非金屬材料可為丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)，該母模1係具有一模穴11及一容置孔12，該模穴11之內底面為一成型面13，且該容置孔12係貫穿該成型面13，如第5a圖所示。該心軸2可為金屬材料(如：鐵或鐵合金)，其係置於該母模1之容置孔12中，該心軸2一端為結合端21，該結合端21沿該心軸2之徑向截斷面為非正圓形，如：具有凹部、凸部、削平面或為多邊形(如：六邊形)，且該心軸2置於該容置孔12時，該結合端21係凸出於該成型面13，如第5b圖所示。該導電層3係佈設於該母模1之成型面13，該導電層3為塗佈的金屬膜(如：銀膜)，並可使用化學鍍法沉積而成，如第5c圖所示。

再參照第4、6a及6b圖所示，該電鑄步驟S2係以電鑄方式於該導電層3上形成一電鑄沉積層4，並使該電鑄沉積層4包覆該心軸2之結合端21。

本發明之製作方法係可用以製作微型的研磨刀具、齒輪或凸輪等結合有心軸之轉動元件，本實施例係以製作一研磨刀具為例說明，故採用複合電鑄方式形成該電鑄沉積層4，其係將該模具置於一電鍍槽5中，該電鍍槽5內具有至少一電鍍材料51及一陰極板52，該電鍍材料51可為金屬材料(如：鎳金屬)，並透過一鈦板53連接至一電源供應器54之正極，該陰極板52係連接至該電源供應器54之負極，該模具1則是設置於該陰極板52，並使該心軸2與該陰極板52接觸，如第6a圖所示。該電鍍槽5內另注入有電鍍液55，該電鍍液55中混入適量之硬質顆粒56(如：鑽石顆粒)，即可在該導電層3上沉積形成混合有硬質顆粒56之金屬基電鑄沉積層4(如：混合有鑽石顆粒之鎳基電鑄沉積層4)，如第6b圖所示。

舉例來說，要電鑄一直徑3mm之鎳基電鑄沉積層4時，可選擇瓦特浴與胺基磺酸鎳之電鍍液55，該電鍍液55之pH值為4.0～4.8，並以2.0～2.5ASD之電流密度進行電鑄3小時。而且在進行電鑄時，若是在該電鍍槽5另連接一外部循環之泵浦以擾動該電鍍液55，可提高該鎳基電鑄沉積層4表面之鑽石顆粒56覆蓋率達到54.19%。

再參照第4、7a及7b圖所示，該脫模步驟S3係將該心軸2及電鑄沉積層4由該母模1上分離。其係可以溶劑溶去該母模1，且該溶劑之選擇必須依該母模1之材質而定，本實施例係待該電鑄沉積層4成型達一定厚度之後，利用丙酮溶去ABS材質之該母模1，即得一研磨刀具成品。另外，本發明之脫模步驟S3並不侷限只能利用溶劑溶去該母模1，該脫模步驟S3亦可利用專用治具將該研磨刀具成品由該母模1取出，由於該電鑄沉積層4與該結合端21(金屬材料)之結合強度遠大於該電鑄沉積層4與該母模1(非金屬材料)之摩擦阻力，而且該電鑄沉積層1與該母模1之間又具有該導電層3，使該研磨刀具成品與該母模1更容易分離。

另外，若運用本發明之製作方法製作齒輪、凸輪或其它轉動元件，在該模具準備步驟S1時，該母模1之模穴11形狀必須符合欲製作之齒輪、凸輪或其它轉動元件之輪廓形狀，且由於該母模1可選擇為非金屬材質，使該模穴11之加工成型更容易。接著在進行該電鑄步驟S2時，係可採用純金屬進行電鑄或採用數種金屬材料進行複合電鑄形成該電鑄沉積層4，以製作得附軸之微型齒輪、凸輪或其它轉動元件。

本發明轉動元件製作方法在進行模具準備步驟S1時，即預先製備有一心軸2，因此在進行電鑄步驟S2時，該電鑄沉積層4可同時包覆該心軸2之結合端21，並於該電鑄沉積層4之成型過程與該心軸2結合固定，所以在該脫模步驟S3後即可省去後續之心軸2組裝作業，可解決微小型轉動元件後段組裝作業困難之問題，故適合用以製作微小型轉動元件。而且本發明轉動元件製作方法所使用之電鑄設備成本相對於放電加工或雷射加工之設備成本低廉許多，且在進行電鑄時，只要將相關參數條件(如：鑽石顆粒濃度、電鑄時間、電鍍液pH值或電流大小等)設定好，即可生產出品質均一之產品，適合量化生產。

另外，請參照第8及9圖所示，係本發明轉動元件製作方法所使用之模具之另一種實施例，係包含有一母模6、一套環7、一心軸2及二導電層3、3’。

該母模6之一表面設有一環凹槽61及一容置孔62，該環凹槽61所圈圍之範圍為一成型面63，該容置孔62係位於該成型面63中央。

該套環7係一中空環體並置於該環凹槽61中，該套環7具有一輔助成型面71，該輔助成型面71較佳與該成型面63平行並凸出於該成型面63，使該套環7之內周壁與該成型面63共同構成一模穴64。

該心軸2可為金屬材質並設於該容置孔62中，且該心軸2之結合端21係凸出於該成型面63。

其中一導電層3係佈設於該成型面63，另一導電層3’則佈設於該輔助成型面71。

當本發明之製作方法用以製作一微小型轉動元件時，前述第一實施例模穴11內之成型面13鄰接側壁之內轉角處因不容易加工而產生毛邊(如第5a圖所示)，造成該電鑄沉積層4之邊緣缺損。本實施例利用該套環7之內周壁與該成型面63共同構成該模穴64，可解決該模穴64之內轉角處加工困難缺點。

當本實施例之模具置於一電鍍槽中進行電鑄時，被電鍍物之幾何形狀複雜處(該套環7內周壁與該成型面63鄰接處，如第9圖Z區域所圈選處)會產生電流集中效應，因此會有較多之金屬離子聚集在該處，造成該處沉積之厚度較大(一般稱為邊緣效應)。因此，本實施例係於該套環7之輔助成型面71亦佈設有導電層3’，可延伸電鍍區並分散該套環7內周壁與該成型面63鄰接處之電場，中斷該處之電流並減少邊緣效應，以改善該電鑄沉積層4之外型。另外，該輔助成型面71可高於該心軸2之結合端21，可進一步減少該結合端21之電流集中效應。

請再參照第4及10圖所示，本發明亦可利用數個模具同時進行該電鑄步驟S2，以利於大量生產。其係於該模具準備步驟S1另準備有一電鑄轉盤8，該電鑄轉盤8可為圓盤或方盤並由一本體81及一陰極板82所組成，該本體81設有數個形成貫穿之容槽811，且各該容槽811較佳呈等間距分佈，再將數個前述第二實施例之模具分別放置於各該容槽811中，並使各該模具均與該陰極板82接觸。

將該電鑄轉盤8(連同各該模具)置於一電鍍槽中以進行該電鑄步驟S2，而且在進行電鑄時，係可利用一電力裝置帶動該電鑄轉盤8旋轉，可於各該模具上形成均勻的電鑄沉積層。

待該電鑄步驟S2完成後，即可將各該模具由該電鑄轉盤8取出，並進行該脫模步驟S3，即可得數個轉動元件成品。

如上所述，本發明轉動元件製作方法係在模具準備步驟時預先製備一心軸，因此在進行電鑄步驟時，該電鑄沉積層可同時包覆該心軸之結合端，並於該電鑄沉積層之成型過程與該心軸結合固定，可省去該脫模步驟之後的心軸組裝作業，可解決微小型轉動元件後段組裝困難之問題，故適合用以製作微小型轉動元件。

本發明轉動元件製作方法所使用之電鑄設備成本相對於放電加工或雷射加工之設備成本低廉許多，故可降低設備成本。

而且本發明轉動元件製作方法進行電鑄時，只要將相關參數條件(如：鑽石顆粒濃度、電鑄時間、電鍍液pH值或電流大小等)設定好，即可生產出品質均一之產品，適合量化生產。

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。

[本發明]

S1．．．模具準備步驟

S2．．．電鑄步驟

S3．．．脫模步驟

1．．．母模

11．．．模穴

12．．．容置孔

13．．．成型面

2．．．心軸

21．．．結合端

3．．．導電層

3’．．．導電層

4．．．電鑄沉積層

5．．．電鍍槽

51．．．電鍍材料

52．．．陰極板

53．．．鈦板

54．．．電源供應器

55．．．電鍍液

56．．．硬質顆粒

6．．．母模

61．．．環凹槽

62．．．容置孔

63．．．成型面

64．．．模穴

7．．．套環

71．．．輔助成型面

8‧‧‧電鑄轉盤

81‧‧‧本體

811‧‧‧容槽

82‧‧‧陰極板

〔習知〕

91‧‧‧基座

911‧‧‧成型面

92‧‧‧離型層

93‧‧‧導電層

94‧‧‧電鍍槽

95‧‧‧鑽石顆粒

96‧‧‧鑽石薄金屬片

第1圖：習知結構之成型基座置於電鍍槽中進行複合電鍍之平面示意圖。

第2圖：第1圖之局部放大圖。

第3圖：習知結構之鑽石薄金屬片與成型基座剝離之立體外觀圖。

第4圖：本發明研磨刀具製作方法之操作步驟流程圖。

第5a圖：本發明模具準備步驟所製作母模之結構示意圖。

第5b圖：本發明模具準備步驟所製作母模及心軸之組合結構示意圖。

第5c圖：本發明模具準備步驟所製成母模、心軸及導電層之組合結構示意圖。

第6a圖：本發明進行電鑄步驟時將模具置於電鍍槽之結構示意圖。

第6b圖：本發明進行電鑄步驟後於該模具形成電鑄沉積層之結構示意圖。

第7a圖：本發明進行電鑄步驟後於該模具形成電鑄沉積層之結構示意圖。

第7b圖：本發明進行脫模步驟後研磨刀具成品之結構示意圖。

第8圖：本發明研磨刀具製作方法所使用之模具另一種實施例之立體分解圖。

第9圖：本發明研磨刀具製作方法所使用之模具另一種實施例之組合剖視圖。

第10圖：本發明研磨刀具製作方法所使用之模具的使用狀態圖。

S1．．．模具準備步驟

S2．．．電鑄步驟

S3．．．脫模步驟

Claims (3)

1. 一種轉動元件製作方法所使用之模具，係包含：一母模，具有一模穴及一容置孔，該模穴具有一成型面，且該容置孔係貫穿該成型面，該母模另設有一環凹槽，該環凹槽係圍繞於該容置孔外周，該模具另具有一套環，該套環係置入該環凹槽中，且該套環一部分係凸出於該成型面，該套環之內周壁及該成型面係共同構成該模穴；一心軸，設於該容置孔，且該心軸一端為結合端，該結合端係凸出於該成型面；及一導電層，係佈設於該成型面。
2. 如申請專利範圍第1項所述轉動元件製作方法所使用之模具，其中該結合端沿該心軸之徑向斷面為非正圓形。
3. 如申請專利範圍第1項所述轉動元件製作方法所使用之模具，其中該套環具有一輔助成型面，該輔助成型面係平行於該成型面並凸出於該成型面，且該輔助成型面佈設有另一導電層。