专利名称：用于树脂模具的表面显微机械加工方法
技术领域：
本发明涉及一种用于显微机械加工(micromachining)树脂模具的产品表面形成面的表面显微机械加工方法。
背景技术：
作为用于注射成型(injection molding)树脂的模具，已经主要地采用了金属模具，并且在某些情况下，例如试生产或小批量生产，已经采用了树脂模具。
题目为“用于生产树脂模具的方法(Method for Producing ResinMold)”的日本专利特开平2001-105438中公开的树脂模具的特征在于一个面向腔的面，即树脂模具的产品表面形成面由树脂制成。
树脂产品的外观面，例如两轮车辆(摩托车或者小型摩托车型车辆(scooter type vehicle))的手柄盖、行李箱、挡泥板、或者薄片底板已经被认为是一个装饰设计面，并已经试图在树脂产品的装饰设计面上加上精美的图案。
与此相关的图20是车辆的薄片底板的仰视图。如果薄片底板100上没有装饰设计图案，因为从外面看不到薄片底板100，那么在车辆使用时就不会有问题，然而，当打开薄板以将头盔拿出或放入设置在薄板下的行李箱时就出现问题了，因为这样薄片底板100就暴露出来且十分醒目。特别地，对于薄板可以从车体完全卸下的这种摩托车，卸下薄板不仅为了将小尺寸的行李拿进或拿出行李箱，还为了清洁和检查行李箱，在这种情况下，薄片底板100在下次安装前都处于能从外面可看到的状态。因此，即使是对于薄片底板100，也可能因此需要给出一个装饰设计图案。
根据上述原因，如图20所示，对于薄片底板100的底面给出了装饰设计图案101。该装饰设计图案101可以从多种图案中选择，例如类似皮革的图案，褶皱图案，和缎纹图案，且在图20所示的图案中，以格子图案为例以便于描述。作为装饰设计图案101的格子图案包括横槽和纵槽，为了加强装饰设计特征，格子图案的横槽作为深槽102…(符号“…”表示多个，下同)，格子图案的纵槽作为浅槽103…。
图21是沿图20的线21-21剖的剖视图，表示深槽102…和浅槽103…相互垂直地形成在薄片底板100上的状态。为了形成具有上述相互之间深度不同的横纵槽的格子图案，需要有一个具有下述产品表面形成面的模具。
图22是一个模具的产品表面形成面的立体图。为了在薄片底板上形成格子图案，需要在模具105的产品表面形成面106上雕刻出一个反转图案，该图案包括用于形成深槽的突出肋107(高h1)和用于形成浅槽的突出肋108(高h2，h2＜h1)。
如果模具105构成为金属模具，则上述反转图案可以通过数控加工(NC machining)、电荷加工(electric charge machining)或蚀刻容易地形成在产品表面形成面上。
然而，如果模具105构成为树脂模具，则不能通过数控加工、电荷加工或蚀刻得到上述反转图案。更明确地讲，使用数控加工进行树脂模具的显微机械加工有一个问题，即树脂模具的树脂会被切削热熔化，因此不能在树脂模具上雕刻清晰(sharp)的反转图像，而且由于树脂模具的树脂是绝缘体且具有耐化学腐蚀性，因此也不能用电荷加工或蚀刻对树脂模具进行显微机械加工。因此，作为易用模具的树脂模具不能进行显微机械加工。
然而，用于小批量生产的树脂模具需要在树脂产品上形成图案，因此需要一种用于树脂模具的表面显微机械加工技术。
发明内容
为了满足上述要求，本发明提供一种用于树脂模具的表面显微机械加工方法，所述的树脂模具包括一个作为树脂模具材料的树脂层，该层具有一个产品表面形成面，以及一个用于加强所述树脂层的背面加固元件。该方法的特征在于通过至少进行两次掩模/喷砂(masking/blasting)处理对所述产品表面形成面进行显微机械加工。所述处理包括主喷砂步骤，将具有一个特殊窗口的第一掩模片(mask sheet)粘在所述产品表面形成面上，并通过所述第一掩模片将喷射颗粒喷射在所述产品表面形成面上；和辅助喷砂步骤，揭去所述第一掩模片，将与所述第一掩模片不同的第二掩模片粘在所述产品表面形成面上，并通过所述第二掩模片将喷射颗粒喷射在所述产品表面形成面上。
在这个过程中，通过将喷射颗粒高速喷射到产品表面形成面上对树脂模具的产品表面形成面进行研磨(grind)。由于树脂模具的表面显微机械加工方法通过使用喷砂过程完成，因此可以解决树脂模具在使用数控加工方法时遇到的树脂模具的树脂熔化问题。
另外，在表面显微机械加工方法中通过顺序地使用不同种类的第一和第二掩模片，在树脂模具的产品表面形成面上可以雕刻出具有高度或深度不同的组成部分的反转图案。
作为树脂模具材料的树脂是一种适用于工具的环氧树脂合成物，其中该环氧树脂合成物包括至少环氧树脂，金属粉末，和芳族聚酸胺纤维。
适用于工具的环氧树脂合成物与普通树脂相比具有更高的硬度和耐久性，因此，利用具有这种合成物的树脂来形成树脂模具可以显著地增加树脂模具的成型数量。
图1为应用本发明的小型摩托车侧视图；图2为应用本发明的薄板侧视图；图3为应用本发明的薄板仰视图；图4为应用本发明的薄片底板的剖视图；图5为用于本发明的母模的剖视图；图6为表示本发明的一个准备步骤的视图；图7表示本发明的母模夹紧步骤；图8为表示本发明临时填充物注入步骤的视图；图9为表示本发明装配体反向的视图；图10为表示本发明的树脂注入步骤的视图，其中第二树脂填充空间注入作为用来生产树脂模具的材料的树脂；图11为表示本发明临时填充物排出步骤的视图；图12为表示本发明的装配体再次反向的视图；图13为表示本发明的树脂注入步骤的视图，其中第一树脂填充空间注入作为用来生产树脂模具的材料的树脂；图14为表示本发明母模卸除步骤的视图；图15(a)至15(c)表示本发明的生产掩模片的过程；图16(a)至16(c)为表示本发明的主喷砂过程的视图；图17(a)至17(c)为表示本发明的辅助喷砂过程的视图；图18为利用本发明的方法生产的树脂模具的剖视图；图19(a)至19(d)为表示本发明表面显微机械加工方法的另一实施例的视图；图20为薄片底板的仰视图；图21为沿图20的线21-21剖的剖视图；以及图22为模具的产品表面形成面的立体图。
具体实施例方式
下面，将参照附图来描述本发明的实施例。需注意的是，在描述用于树脂模具的表面显微机械加工方法之前，将首先描述作为表面显微机械加工方法前提的树脂模具的生产方法。
图1是应用本发明的小型摩托车的侧视图。小型摩托车10是一种包括车架11的车辆。车架11前部设有前轮12和手柄13。后轮16通过摆动式动力单元15设在车架11的后部。行李箱17和车座20临近后轮16的上方设置。行李箱17是一个大尺寸箱子，可以装下头盔18，其中头盔18通过打开车座20被放入或拿出行李箱17。
图2是应用本发明的车座的剖视图。车座20包括表皮21，用海绵制造的垫子元件22，以及由树脂模制的产品形成的车座底板23。车座底板23是刚性元件，用于通过垫子元件22和表皮21来承受驾驶者的体重。
图3是应用本发明的薄片底板。薄片底板23是一个复杂的，近似于椭圆形的元件，其包括一个头盔保持架24、多个通孔25…(符号“…”表示多个，下同)以及设在通孔25…周围的突出肋部分26和27。薄片底板23通过使用模具的树脂成型加工方法生产。
图4是应用本发明薄片底板的剖视图。需注意的是，为了描述方便，本图中薄片底板的截面形状比图2中显示的薄片底板23要简单得多，因此本图中的薄片底板标注为新的图号28。薄片底板28的总长为L，其典型的厚度为t1。
图5是用于本发明的一个母模的剖视图。母模30是具有如下截面形状的模型夹紧凸缘部分32和33从长度为L的模型部分31的两端伸出。
夹紧凸缘部分32的厚度为t2，图4中所示厚度t1与厚度t2的总和为模型部分31的典型厚度T1。因而，母模30大于图4所示的薄片底板28。
母模30优选为由快速原型方法生产的树脂模具。快速原型方法的优点是在短时间内生产出模型。然而，母模30也可以由其它加工方法生产。可选择地，母模30由非树脂材料制成，例如轻金属。
下面描述利用母模30生产树脂模具的方法。
图6为表示本发明的一个准备步骤的视图。在该步骤中，准备有第一背面加固元件40。第一背面加固元件40包括一个临时填充物注入孔/树脂注入孔41、一个临时填充物溢出孔/树脂溢出孔42、不同的起模杆43、44、45和46，以及插入件47和48。
较佳地，第一背面加固元件40由称为ZAS、ZAC或AZ4(均为注册商品名)的铝铜基锌合金制成。铝铜基锌合金含有4.1％重量的铝、3.0％重量的铜和0.04％重量的镁，其余为锌，该合金具有大约100kg/mm2的维氏硬度值(Vickers hardness，以下简称Hv)，这是环氧树脂硬度(Hv43kg/mm2)的大约两倍或更多。
通常用于背面加固元件的铸铁(FC300)的硬度约为Hv＝240kg/mm2，然而由于铸铁的熔点是1300℃或更高，因此需要高温作业以熔化和铸造铸铁。与之相反，由于上述铝铜基锌合金的熔点为380℃，因此该合金可以容易地被铸造。
这样，上述一般被称作ZAS的铝铜基锌合金的优点是既具有合适的硬度(刚度)，又具有低熔点。
在图6所示步骤中，准备第二背面加固元件50。该第二背面加固元件50包括一个树脂注入孔51，一个树脂溢出孔52，一个浇道衬套53和一个插入件54。第二背面加固元件50也优选由上述一般被称作ZAS的铝铜基锌合金制成。
在图6所示的步骤中，母模30具有与产品相对应的形状，并包括有夹紧凸缘部分32和33，这样就准备好第一背面加固元件40和第二背面加固元件50。
图7所示为根据本发明的母模夹紧步骤。在该步骤中，母模30被夹紧在第一背面加固元件40和第二背面加固元件50之间。这里的重点在于，具有确定的厚度的第一树脂填充空间56放置在母模30和第一背面加固元件40之间以及具有确定的厚度的第二树脂填充空间57放置在母模30和第二背面加固元件50之间。
设置第一和第二树脂填充空间56和57的结果是仅仅母模30的夹紧凸缘部分32和33被夹紧在第一和第二背面加固元件40和50之间。
图8是表示本发明临时填充物的注入步骤的视图。在该步骤中，图7所示的装配体被反转过来，以使第一背面加固元件40置于上侧，第二背面加固元件50置于下侧。临时填充物59例如玻璃粉(beads)、硅基黏土或树脂从设置在第一背面加固元件40上的临时填充物注入孔/树脂注入孔41注入到第一树脂填充空间56中。当临时填充物59从临时填充物溢出孔/树脂溢出孔42中溢出时，临时填充物59的注入停止。在临时填充物注入孔/树脂注入孔41和临时填充物溢出孔/树脂溢出孔42上分别螺纹拧入或压入一个塞子(未示出)，以将临时填充物59封装在第一树脂填充空间56中。
图9为表示根据本发明的装配体反转的视图。如图所示，图8所示的装配体被反转，从而使临时填充物59置于下侧且第二树脂填充空间57置于上侧。
图10是表示根据本发明的树脂填充步骤的视图，其中第二树脂填充空间填充有用作要被生产的树脂模具的材料的树脂。在该步骤中，树脂61用作要被生产的树脂模具的材料(该树脂含有环氧树脂和金属粉末作为基本成分并也包含作为附加成分的填料)通过设置在第二背面加固元件50上的树脂注入孔51注入到第二树脂填充空间57中。当临时填充物61从树脂溢出孔52中溢出时，树脂61的注入停止，树脂61随后硬化。
树脂61中含有的金属粉末可以是一种例如铝、铜、铁或镍的金属粉末，或是一种以金属作为主要成分的合金的粉末。
树脂61中含有的填料基本上以纤维的形式使用，填料的材料可以是碳、芳族聚酸胺纤维树脂、聚酰亚胺、陶瓷材料、金属材料或是其它等同物。
在上述树脂填充步骤的操作中，由于与注入第二树脂填充空间57中的树脂61的重量和注入压力的总和相等同的向下的负载作用在母模30上，因此母模30有可能向下变形，然而实际上，由于母模30的背面全部由临时填充物59支撑，因此母模30不会有向下的变形。
因此，在树脂填充步骤的操作中，第二树脂填充空间57的厚度不会增加，因此注入第二树脂填充空间57的树脂层61的厚度可以设为确定值。
图11是表示根据本发明的临时填充物卸除步骤的视图。在该步骤中，通过拆下塞子(未示出)，从第一树脂填充空间56卸出临时填充物59(见图10)。具体地，如果临时填充物59为颗粒(beads)形式，则可以通过倾斜装配体并对其施加机械振动将所述的填充物卸除，如果临时填充物59为热流体材料形式，则可以通过倾斜装配体并加热第一背面加固元件从而将所述的填充物卸除。
图12是表示根据本发明的装配体的再次反转的视图。如图所示，图11所示的装配体反转，以使第一树脂填充空间56置于上侧，且已被注入填充到第二树脂填充空间57的树脂层61置于下侧。
图13是表示根据本发明的树脂填充步骤的视图，其中第一树脂填充空间填充有用作要被生产的树脂模具的材料的树脂。在该步骤中，树脂62作为要被生产的树脂模具的材料(含有环氧树脂和金属粉末作为基本成分并也含有作为附加成分的填料)从设置在第一背面加固元件40上的临时填充物注入孔/树脂注入孔41注入到第一树脂填充空间56中。当树脂62从临时填充物溢出孔/树脂溢出孔42中溢出时，树脂62的注入停止，树脂62随后硬化。
树脂62中含有的金属粉末可以是一种例如铝、铜、铁或镍的金属粉末，或是一种以金属作为主要成分的合金的粉末。
树脂61中含有的填料基本上以纤维的形式使用，且填料的材料可以是碳、芳族聚酸胺纤维树脂、聚酰亚胺、陶瓷材料、金属材料或是其它等同物。
在上述树脂填充步骤的操作中，由于与注入第一树脂填充空间56中的树脂62的重量和注入压力的总和相等同的向下的负载施加在母模30上，因此母模30有可能向下变形，然而实际上，由于母模30的背面全部由已注入填充到第二树脂填充空间57并已硬化的树脂层61支撑，因此母模30不会向下变形。
因此，在树脂填充步骤的操作中，第一树脂填充空间56的厚度不会增加，因此注入到第一树脂填充空间56的树脂层62的厚度可以设为确定值。
图14为表示根据本发明的母模卸除步骤的视图。在该步骤中，通过使第一和第二背面加固元件40和50彼此分开来卸除母模30。母模30卸除后，在树脂62的层的一个表面形成面上(更具体地，产品表面形成面)按照以下工序雕刻一个反转图案。
图15(a)至15(c)为表示根据本发明的加工掩模片的工序的视图。
在图15(a)所示的步骤中，准备好一个抗冲击光敏保护膜(anti-blast photosensitive resist film)71和一个原始图像薄片(original image sheet)73。保护膜71具有抵抗喷射颗粒的抵抗力。横条图案部分72作为部分装饰设计图案雕刻在原始图像薄片73上。
在图15(b)所示的步骤中，将原始图像薄片73叠置在抗冲击光敏保护膜71上，然后用灯74进行曝光。
在图15(c)所示的步骤中，原始图像薄片73与抗冲击光敏保护膜71分开，抗冲击光敏保护膜71浸在显影液15中。通过该显影处理，具有抵抗喷射颗粒的抵抗力的横条图案部分72保留在抗冲击光敏保护膜71上，以获得第一掩模片77。应注意的是，在相邻两个横条图案部分72之间的每个空间都作为窗口76。
虽然图中未示，但是通过如上所述的相同工序可以获得其上保留有纵条图案部分的第二掩模片78。
图16(a)至16(c)是表示根据本发明的主喷砂工序的视图。
在图16(a)所示的步骤中，第一掩模片77通过一种特殊的粘贴剂粘贴到树脂62的层的产品表面形成面79上。
在图16(b)所示的步骤中，喷射颗粒82(具体为砂粒)从喷嘴81以高速喷出。结果，产品表面形成面79的位于窗口76…下方的部分被研磨一定深度，该深度与喷砂时间成正比，并且产品表面形成面79的位于横条图案部分72下方的部分没有被研磨。
图16(c)表示树脂62的层的产品表面形成面79在由虚线表示的第一掩模片77剥去后的状态。如图中所示，在产品表面形成面79上形成高度均为Δh1的突出肋83。
图17(a)至17(c)是表示根据本发明的辅助喷砂工序的视图。
在图17(a)所示的步骤中，第二掩模片78通过一种特殊的粘贴剂粘贴到产品表面形成面79上。
在图17(b)所示的步骤中，喷射颗粒82从喷嘴81以高速喷出。结果，产品表面形成面79位于窗口76…下方的部分被研磨一定深度，该深度与喷砂时间成正比。
图17(c)表示树脂62的层的产品表面形成面79在由虚线线表示的第二掩模片78剥去后的状态。如图中所示，产品表面形成面79上已形成反转的格子图案，包括高度为均h1的用于深槽的突出肋84和高度均为h2(h2＜h1)的用于浅槽的突出肋85。
图18是根据本发明生产的树脂模具的剖视图。树脂模具64由活动模具部分65和固定模具部分66组成。活动模具部分65被构造成使其面向腔63的部分由树脂62制成，且树脂62的层由第一背面加固元件40加固。固定模具部分66被构造成使其面向腔63的部分由树脂61制成，树脂61的层由第二背面加固元件50加固。
通过浇道衬套53将熔化的树脂注入腔63中，并在树脂固化后通过起模杆43至46顶出(projecting)固化的树脂，就可以形成具有与图20所示的薄片底板100相同结构的薄片底板。
图19(a)至19(d)是表示根据本发明的表面显微机械加工方法的另一个实施例的视图。
在图19(a)所示的步骤中，具有大直径抗冲击部分86的第一掩模片77粘在树脂62的层上，且喷射颗粒82从喷嘴81通过第一掩模片77喷射到树脂62的层上。结果，除位于抗冲击部分86以外的部分的下方，即位移窗口76下方的部分通过喷砂处理而被研磨。
在图19(b)所示的步骤中，具有中直径抗冲击部分87的第二掩模片78粘在树脂62的层上，且喷射颗粒82从喷嘴81通过第二掩模片78喷射到树脂62的层上。结果，位于除抗冲击部分87以外的部分的下方，即位于窗口76下方的部分由于喷砂处理而被研磨。
在图19(c)所示的步骤中，具有小直径抗冲击部分88的第三掩模片89粘在树脂62的层上，且喷射颗粒82从喷嘴81通过第三掩模片89喷射到树脂62的层上。结果，树脂62的层的位于除抗冲击部分88以外的部分的下方，即位于窗口76的下方的部分由于喷砂处理而被研磨。
这样，如图19(d)所示，在产品表面形成面79上就可以形成近似为半球状的突出部分91。利用上述表面显微机械加工方法可以在产品表面形成面上形成反向浮雕图案或者类似缎纹的图案。
掩模片的最小数量(种类)为两个。特别地，随着掩模片的数量增多，能获得更精致的图案，因此，掩模片数量(种类)优选地设为三个或更多。
如上所述，根据本发明，可以利用多种掩模片对树脂模具的产品表面形成面进行多次喷砂处理而将具有深度或高度相互不同的组成部分的反转图案雕刻在树脂模具的产品表面形成面上。
在上述实施例中，反转图案举例为格子图案或凸出图案，然而，本发明并不仅限于此。例如，采用上述同样的工序可将与类似皮革的图案或皱褶图案相对应的反转图案雕刻在树脂模具的产品表面形成面上。
采用图5至14所示的生产方法生产的树脂模具具有很高的精确度，并且相应地，采用图15(a)及之后的附图所示的表面显微机械加工方法对所生产的树脂模具进行加工，可以获得其上雕刻有需要的反转图案的优质树脂模具。这样，根据本发明，其特征在于将图5至17所示的生产方法和表面显微机械加工方法结合，就可以获得生产高质量树脂模具的优异能力。
本发明所用的掩模片不限于保护膜，也可以是其它允许喷射颗粒选择性地到达树脂模具的掩模。例如，一种由以轻金属或树脂制造的并具有窗口的薄板组成的所谓模板，也可以用作掩模片。
然而，实施例中所述的保护膜，优选地用于形成与类似皮革的图案相对应的反转图案。这是因为，在使用该保护膜的情况下，可以基于光化学技术描绘出精致的图案。
需注意的是，本发明的权利要求1中作为树脂模具材料的树脂种类并不受特别限制。
工业应用性综上所述，树脂模具的产品表面形成面通过高速将喷射颗粒喷射到产品表面形成面上而被研磨。由于树脂模具的表面显微机械加工方法通过应用喷砂方法实现，因此可以解在使用数控机床时遇到的决树脂模具的树脂部分熔化问题。另外，通过在表面显微机械加工方法中顺序地使用不同种类的第一和第二掩模片，可以在树脂模具的产品表面形成面上雕刻出具有高度或深度相互不同的组成部分的反转图案。因而，本发明在制造树脂模具中特别有用。
权利要求
1.一种用于树脂模具的表面显微机械加工方法，该树脂模具包括作为树脂模具材料的树脂的层，该层具有产品表面形成面；以及用于加固所述树脂的层的背面加固元件，其特征在于利用至少两次掩模/喷砂处理对所述产品表面形成面进行显微机械加工，所述处理包括主喷砂步骤，将具有特殊窗口的第一掩模片粘在所述的产品表面形成面上，并将喷射颗粒经过所述的第一掩模片喷射在所述产品表面形成面上；和辅助喷砂步骤，除去所述的第一掩模片，将与所述的第一掩模片不同的第二掩模片粘在所述的产品表面形成面上，并将喷射颗粒经过所述的第二掩模片喷射在所述的产品表面形成面上。
2.根据权利要求1所述的用于树脂模具的表面显微机械加工方法，其特征在于，作为所述树脂模具材料的所述树脂是一种适用于工具的环氧树脂合成物，所述环氧树脂合成物至少包括环氧树脂，金属粉末，和芳族聚酸胺纤维。
全文摘要
一种用于树脂模具的表面显微机械加工方法，其包括一个作为树脂模具材料的树脂的层，该层具有产品表面形成面，以及用于加固所述树脂层的背面加固元件，利用至少两次掩模/喷砂处理对所述产品表面形成面进行显微机械加工。所述处理包括主喷砂步骤，将具有特殊窗口的第一掩模片粘在所述产品表面形成面上，并通过所述第一掩模片将喷射颗粒喷射在所述产品表面形成面上；和辅助喷砂步骤，除去所述第一掩模片，将与所述第一掩模片不同的第二掩模片粘在所述产品表面形成面上，并通过所述第二掩模片将喷射颗粒喷射在所述产品表面形成面上。
文档编号B29C33/38GK1492798SQ0280551
公开日2004年4月28日 申请日期2002年8月22日 优先权日2001年8月23日
发明者白川浩, 细谷健二, 二 申请人:本田技研工业株式会社