【文献选登】
编者的话：
台湾王述宜等人研究新式环形刀具液动压抛光法进行镜面抛光，发展刀具磨耗不影响加工率的新式抛光法，此法可应用于精密模具与光学元件的抛光，加工重现性佳，可有效降低试片的表面粗度，抛光出Ra≈4.4nm的光滑镜面。可供借鉴参考。
环形刀具液动压抛光法于镜面抛光之研究
王述宜；谢孟修
国立中山大学；正修科技大学机电工程研究所
一、抛光简介
抛光是使工件表面成为平滑镜面的超精密加工技术，其目的在于使工件(光学组件或模具等)的表面粗糙度及平坦度到达一定的可容许范围，常被广泛地使用在硬脆金属、陶瓷、玻璃及晶圆等材料表面的精密加工上。抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性及耐磨耗性，增加模具的使用寿命，并可使塑胶制品易于脱模，减少生产注塑周期等。随着塑胶制品广泛的应用，如日常塑胶用品和饮料包装容器等，外观的需要往往要求塑胶模具的表面达到镜面抛光的程度。
此外，生产精密光学镜片与组件等模具对表面粗糙度要求极高，因而对抛光性的要求也相对的提高。例如国内台南科学园区的金万盈科技公司，开发表面粗度小于Ra 50nm的纳米级研磨精密模具，利用其磨擦系数低及表层超光面的特性，减少冲压成型加工磨擦阻力，以增加模具约2倍使用寿命、提升产品精密度及减少换模时间。此技术可应用产品为汽机车零组件、航天扣件、3C电器电子零组件及高级工业扣件等研磨微成型模具。因此，抛光加工在塑胶模具制作过程中是一道关键的加工过程。
目前制程常用的抛光方法分为：(1)机械抛光法；(2)电化学加工法；(3)流体抛光法；(4)磁流变抛光法。
在精密模具加工中，所谓的抛光与其他行业中所要求的表面抛光有很大的不同，一般表面抛光只要求获得光亮的表面即可，即降低表面粗度，但是精密模具对抛光要求包括兼顾表面粗度与形状精度。严格来说，模具的抛光应该称为镜面加工。镜面加工的标准分为四级：A0=Ra 0.008μm、A1=Ra 0.016μm、A3=Ra 0.032μm 及A4=Ra 0.063μm，由于电解抛光、流体抛光等方法很难精确控制零件的形状精度，所以仍有各种新式的抛光法在发展，以期能兼顾工件的表面粗度与形状精度。
近年来，其他方式的抛光加工法也陆续被发展出来，其中有些抛光法在某些材料制造出的表面粗度可平整到原子大小等级。如Soares等人以浮式抛光法，在石英表面加工出的平面0.2nm RMS的平面。而Leistner等人以铁氟龙制成的抛光刀具在光学玻璃BK-7上抛光，制造出0.08nm的平面。在另一方面、化学机械式抛光法、渐进式机械化学抛光法和由Ikeda所发展的唇形抛光头加工法均能制造出无应力残留的工件表面。上述抛光法的共同特点是避免刀具直接压着磨粒在工件表面上进行加工，而是刀具浮在工件表面运动，进行非接触式的抛光。
二、环形刀具液动压抛光
日本Y. Mori教授于1987年提出弹射加工与国立中山大学苏耀藤教授所提液动压抛光均是创新的超精密研磨加工法；加工后工件表面的形状精度可提升到0.1μm，表面粗度达到纳米等级，其加工的方式为以高速旋转的圆球状加工头，带动由水加入磨粒，如三氧化二铝混合成的磨浆，在工件表面加工。液动压润滑的原理为在旋转的加工头和工件表面间形成磨浆薄膜，当磨粒随着磨浆薄膜在工件表面流动时，因为磨粒和工件表面间有相对运动的存在，使磨粒在工件表面上产生类似研磨的加工。但是磨浆薄膜中的磨粒同时加工(刮过)刀具与工件表面，产生加工行为与刀具磨耗，因刀具磨耗使刀具轴向半径几何形状改变，导致磨浆薄膜厚度的变化，而使加工率逐渐改变，所以产生加工不确定性。所以液动压抛光加工条件(如工件形状等)不同时，刀具磨耗率也不同，影响加工重现性。因此，液动压抛光在实际应用时，刀具磨耗与重现性的问题仍待解决。本文的目的即尝试新的方式(环形刀具)，以刀具不磨耗的优点而改进长久以来抛光存在的缺点：确定性与重现性。
而滚筒式抛光法是利用一圆柱状的刀具，对平面状的工件表面进行抛光加工，其刀具磨耗对于刀具表面曲率的影响可以被忽略。由于刀具的旋转，刀具磨耗会沿着刀具的整个圆周发生，而磨耗只会造成刀具表面数个μm深的材料磨损。此磨损值相较于刀具原本的半径值(15mm)是可以忽略的，因此刀具的磨耗不会造成滚筒式抛光法刀具曲率的重大改变。由此可知，滚筒式抛光法具有加工重现性不敏感于刀具磨耗效应的优点。由已发表成果得知若将原先液动压抛光(圆球状刀具)改进刀具形状为环形刀具，将减少刀具磨耗的影响。意即缩小滚筒式抛光刀具的轴向宽度(改为环形刀具)，即能将此改良后的滚筒式抛光法改进为局部小区域的精密形状误差修正加工法。
新型环形刀具与原先液动压抛光法特性比较，新型环形刀具液动压抛光的加工稳定性比原先液动压抛光法为佳。其中，球形刀具抛光轴向刀具磨耗随着工件形状、磨浆条件、与转速及负荷的不同，刀具「轴向曲率半径」磨耗率也不同，增加加工不确定性。
三、环形刀具液动压抛光实验机
环形刀具液动压抛光实验机是由下列三个主要系统所组成，包括：(1)三轴定位系统；(2)主轴夹持与施力控制机构系统；(3)抛光加工槽系统。其中三轴定位系统是飞统公司所组装的「三轴运动系统」(XYZ三轴定位精度±3μm，行程200mm)，改装为环形刀具液动压抛光加工试验机。即是在此三轴运动系统加装抛光主轴与刀具负荷调整机构，以进行抛光实验。
刀具内圈材质为6061的铝合金以车削制成，外圈材质为半氟化橡胶，为市面上现成的O形环，刀具的外径为32.3mm、厚度为2.4mm。
主轴夹持系统是以精密高速主轴(厂牌SFJ、型号HEN-32)达成主轴夹持功能。而施力控制机构则以括滑台、气压用减振器、弹簧组成，主要是以移动Z轴位置而调整刀具的施力。设计的主轴夹持与施力控制机构必须考虑实际抛光时主轴系统动态特性，避免高速旋转时产生的振动，使刀具撞击工件表面。
抛光加工槽系统配合实验所需，加装抛光加工槽和磨浆液循环过滤系统等设备。加工槽的设计要求为必须耐腐蚀及防泄漏，才可进行抛光加工。并附加抛光加工液循环与搅拌槽系统，使加工液的特性于实验过程中维持恒定。
四、实验分析与结果
本节将以设计的环形刀具液动压抛光加工机验证其抛光的能力，配合设计的参数(加工时间、加工负载及刀具转速等)，观察刀具表面磨耗的状态，在工件表面的加工深度、加工面积以及表面粗度的影响。进行的实验项目包括重现性实验与大面积平面抛光实验，以判别环形刀具液动压抛光法的重现性与实际镜面抛光的能力。主要是在相同加工条件下，进行多次实验，由实验后的加工深度判别重现性刀具磨耗对加工能力的影响。
实验中磨浆是选用粒度为0.05 μm的三氧化二铝(Al2O3)抛光用磨粒，混合溶剂为高速锭子油，以重量百分比4%的浓度混和均匀后使用。工件材质是SKD11的模具钢，经过热处理后硬度约为HRC45，外形尺寸为直径60mm、厚度20mm。表面先经由轮磨加工修平后，再研磨抛光至表面粗度Ra 0.2μm。
在抛光时刀具皆朝平行于刀具轴向来回移动3mm，意即沿Y轴移动3mm的长条形加工。每组实验结束后，观察刀具上的O形环表面磨耗的程度，以确保环形刀具所执行的抛光实验对刀具的磨耗不敏感，主要调整的加工参数有三项：(1)刀具转速；(2)刀具负载；(3)加工时间。
1. 重现性实验
本节实验旨在确定环形刀具执行在相同的加工参数10次后，可否获得一致的重现性。加工重现性由可否获得一致的长条形抛光的加工深度判别。
实验的参数条件为刀具转速6000rpm、刀具负载3N、加工时间30分。10次相同加工条件所得的10个长条形抛光的加工深度约为1.95μm，是以日本小坂Kosaka公司的表面轮廓仪(型号SE-3300)量测而得。由此得知，10个长条形抛光的加工深度变异量很小，所以证明环形刀具抛光具有优良的加工重现性。
2. 大面积平面抛光实验
在已得知长条形抛光的加工截面形状后，接着进行大面积平面抛光实验，以测试此系统降低工件表面粗度的能力。本实验的目的在于探讨环形刀具抛光系统在模具钢SKD11抛光能否获得更光滑的表面。实验的参数条件为刀具转速6000rpm、刀具负载3N、加工时间9小时 (分为3次完成)，抛光面积30×30mm2的加工路径，其中为避免产生过多刀痕(tool mark)而影响表面粗度，所以将加工路径中的Y方向间距设定为0.02mm。而由大面积平面抛光结果得知，环形刀具抛光可成功地抛光产生表面粗度Ra 4.4nm(cut-off length 0.8mm)的镜面。
五、结论
本研究针对新式环形刀具液动压抛光加工参数进行基本研究，以期能发展刀具磨耗不影响加工率的新式抛光法，已可应用于精密模具与光学元件的抛光。由实验结果得知，环形刀具液动压抛光加工因为具有刀具磨耗不影响加工的特点，所以加工重现性佳；更可有效降低试片的表面粗度，成功地抛光出Ra 4.4nm的镜面。
后续将进行在光学玻璃进行大面积平面抛光，其中探讨重点是抛光参数与加工路径规划的搭配，以消除刀痕对表面粗度的影响，而获得更光滑的纳米级工件表面。在建立基础的抛光技术后，未来研究将朝向轴对称元件抛光，以期能发展可产出高附加价值的关键加工制程。
相关文献
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