微孔搪研，主要目的在改善孔的表面粗度、真圓度與圓柱度等性質。搪 研過程中，影響微孔搪研品質的因素包括：微型搪研工具的前導角
α、研磨
斜角β 與主軸迴轉周速等，都會影響搪研後微孔的品質。本章節將針對搪研 實驗進行探討。5-1 微型搪研工具精密定位
實驗採用微型綜合加工機進行微孔搪研拋光。預計搪研後微孔尺度為 Φ200 01μm。依照(4-2)與(4-3)式推算後，懸臂式微型搪研工具大徑與小徑設 計分別為 Φ204μm 及 Φ198μm。由 CNC 程式將位移平台精密對位，使製作 完成的微型搪研工具移至微孔正上方，再針對微孔進行搪研拋光實驗。搪研 工具緩緩深入孔內，以一道次進給方式進行搪研，如圖5-1 所示。
模具鋼硬度達 HRc60，實驗先以微放電鑽孔(EDM hole-drilling)方式加工
，由(4-1)式推算，需製作直徑 Φ199μm 的放電微孔，以利後續搪研。微孔進 行搪研時，放電微孔中心須與微型搪研工具絕對同心。若不同心，則搪研過 程很有可能會導致工具斷裂。當放電鑽孔完成後，主軸不拆卸，依照放電鑽 孔電極軸心座標，製作出懸臂式微型搪研工具外型。
圖5-1 線上微孔搪研拋光示意圖與圖 1-1(b)相同
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5-2 微孔搪研實驗
5-2-1 前導角 α 對微孔毛邊影響
微型搪研工具尖端設計有前導角，此角度目的為導引搪研工具進入微孔
，如5-2(a)所示。若此角度過大，當搪研工具進入微孔時，微孔入口材料受 到徑向擠壓而產生毛邊，如 5-2(b)所示。當前導角 α 大於 15°時，會有嚴重 毛邊產生，如圖5-2(c)(d)所示。針對微孔毛邊問題，搪研工具必須縮小前導 角α。經過實驗得知：當前導角 α 設計 10°時，微孔較無毛邊產生，若小於 10°，搪研工具不易對位，失去導引作用，如圖 5-2(e)(f)所示。
(a) 搪研工具設計(與圖 4-16 相同) (b) 徑向擠壓而產生毛邊
(c) 前導角 α>15° (d) α>15°，擁有許多毛邊 圖5-2 前導角 α 對微孔孔緣毛邊的影響
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(e) 前導角 α=10° (f) α=10°，微量毛邊 圖5-2 前導角 α 對微孔孔緣毛邊的影響
5-2-2 搪研工具研磨斜角 β 對孔壁表面粗度的影響
研磨斜角 β 斜率，將會直接影響孔壁的搪研情形。實驗以不同的研磨錐 率斜角進行研究探討。首先，使用固定的搪研周速 1.256m/min 與進給率 30μm/min，針對不同的研磨斜角 β 進行搪研實驗。實驗以放電後的微孔孔徑 Φ199μm 進行搪研，若研磨斜角 β 角度過大，搪研工具與孔壁接觸的搪研面 積變少，搪研工具接觸孔壁的部位，將黏著更多殘渣，殘渣隨搪研工具的進 給而參與二次研削，殘渣並非磨粒，無任何研削能力。部分殘渣循環摩擦，
部分殘渣黏著於孔壁，因而使孔壁表粗度變差。反之，若研磨斜角較小，則 與孔壁搪研面積將會增加，孔壁表面粗度較佳。如圖 5-3、圖 5-4 為不同研 磨斜角搪研微孔後的情形。
(a) 研磨斜角 β=0.3° (b) 研磨後微孔表面形貌 圖5-3 研磨斜角 β=0.3°
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(a) 研磨斜角 β=1.227° (b) 研磨後微孔表面形貌 圖5-4 研磨斜角 β=1.227°
為了探討微孔壁的表面粗度，實驗以白光干涉量測儀進行孔壁表面 粗度量測。結果如圖5-5 與 5-6 所示。經實驗得知研磨斜角 β=0.3°時，表 面粗度Ra=0.0526μm 至 Ra=0.2851μm 之間；當研磨斜角 β=1.227°時，表 面粗度Ra=0.4117μm 至 Ra=0.7229μm 之間。經“局部圓柱度白光量測影像”
以顏色判別得知，縮小研磨斜角β，能降低表面粗度，亦能使圓柱度較佳。
(a) 局部圓柱度白光量測影像 (b)前段，Ra=0.0526m
(c) 中段，Ra=0.0506μm (d) 後段，Ra=0.2851μm 圖5-5 研磨斜角 β=0.3°之微孔表面粗度
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(a) 局部圓柱度白光量測影像 (b) 前段，Ra=0.4117μm
(c) 中段，Ra=0.5715μm (d) 後段，Ra=0.7229μm 圖5-6 研磨斜角 β=1.227°之微孔表面粗度
5-2-3 搪研周速對微孔真圓度的影響
放電鑽孔後，微孔外觀擁有放電坑與重鑄層，若要獲得到較佳的微孔真 圓度，須進行微孔真圓度矯正。本實驗主要探討，進給率 30μm/min，不同 搪研速度，對於微孔搪研後的真圓度影響。真圓度為任一與軸線正交之斷面 上，其周圍須介於同平行面相距t 之同心圓間，如圖 5-7 所示[42]。
圖5-7 CNS 幾何公差-真圓度
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懸臂式微型搪研工具製作完成後，針對微孔真圓度進行探討。本實驗真 圓度量測方式，利用內外徑兩圓弧逼近微孔孔緣圓弧的方式，量出真圓度誤 差值。首先，使用 SEM 電子式掃描顯微鏡拍出大倍率的微孔圓弧，再以量 測軟體，使內外圓弧逼近孔緣，如圖5-8 至 5-11 所示。
搪研周速 0.942m/min 至 1.570m/min 亦可將微孔進行真圓度矯正。經量 測得知，當搪研周速為1.570m/min 時，可將微孔真圓度降至 563 nm，如圖 5-11 所示。因此，此懸臂式微型搪研工具，亦有將微孔進行真圓度與孔徑矯 正的功能，如圖5-12 所示。不同搪研周速之真圓度誤差量如圖 5-13 所示。
(a) 真圓度誤差量 1114nm (b) 局部放大 圖5-8 放電鑽孔真圓度量測
(a) 真圓度誤差量 913nm (b) 局部放大 圖5-9 搪研周速 0.942m/min
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(a) 真圓度誤差量 716nm (b) 局部放大 圖5-10 搪研周速 1.256m/min
(a) 真圓度誤差量 563nm (b) 局部放大 圖5-11 搪研周速 1.570m/min
(a) 放電微孔徑 Φ199μm (b) 搪研後孔徑Φ200 μm 圖5-12 孔徑矯正
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圖5-13 不同轉速真圓度圖表
5-2-4 搪研周速對微孔圓柱度及表面粗度的影響
圓柱度為圓柱表面須介於兩共軸線而相距 T 距離之圓柱面之間，如圖 5-14 所示。本實驗使用白光干涉儀的“局部圓柱度白光量測影像”，用顏色分 佈區域，量測圓柱度[42]。
圖5-14 CNS 幾何公差-圓柱度
微孔搪研實驗，從微孔入口端開始往下搪研，搪至深 450μm 後，再立 即將工具退回。由於轉速不高，添加放電加工液，主要用於潤滑與冷却。實 驗使用不同搪研周速與進給率30μm/min 做搪研拋光實驗。
當搪研至較深孔時，由於搪研工具表面磨塊會磨耗且會黏著殘渣而影響 微孔表面粗度。實驗對於微孔表面粗度量測，從入口端每隔 100μm 量測表 粗數值，以利於後續探討。
初步由 SEM 圖觀察可之，微孔搪研後，孔壁放電坑仍然有明顯改善。
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使孔壁表面得到光亮平面，如圖 5-15 所示。本次實驗使用線切割放電加工 機將微孔剖面，再使用白光干涉儀進行表面粗度量測。
(a) 放電鑽孔 (b) 搪研周速0.942m/min
(c) 搪研周速 1.256m/min (d) 搪研周速1.570m/min 圖5-15 不同搪研周速對微孔表面影響
放電鑽孔表面粗度如圖 5-16 所示。放電表面擁有許多放電坑與重鑄層，
表面粗度約Ra=1.1723μm 至 Ra=1.4117μm 之間。由圖 5-16(a)局部圓柱度白 光影像得知，在孔壁底部與圓弧面上，均有藍色與綠色混合呈現。放電鑽孔 的圓柱度是較差的，因此，將針對微孔進行搪研拋光實驗，用來改善表面粗 度與改善圓柱度。
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(a)局部圓柱度白光影像 (b) 前段，Ra=1.4117μm
(c) 中段，Ra=1.1722μm (d)後段，Ra=1.3676μm
(e) 前段 SEM 圖 (f) 中段SEM 圖 圖5-16 放電鑽孔表面粗度量測
如圖 5-17 為搪研周速 0.942m/min。對微孔進行搪研拋光。由表面粗度 量 測 值 得 知 ， 前 段 與 中 段 的 區 域 間 ， 表 面 粗 度 降 至 Ra=0.0528μm~
Ra=0.0753μm 之間。後段區域，表面粗度有明顯上升至 Ra=0.6701μm。圖 5-17(a) 為局部圓柱度白光影像，在孔壁底部依照圓柱的圓弧形狀，從底部開始為藍 色、淺綠色、綠色及黃色。依照高度所呈現的顏色相當均勻。因此，微孔搪
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研後的圓柱度有得到改善。
(a) 局部圓柱度白光影像 (b) 前段，Ra=0.0753μm
(c) 中段，Ra=0.0528μm (d) 後段，Ra=0.6701μm
(c) 前段 SEM 圖 (d) 中段 SEM 圖 圖5-17 搪研周速 0.942m/min 表面粗度量測
如圖 5-18 使用搪研周速 1.256m/min。對微孔進行搪研拋光。由表面粗 度量測值得知，前段與中段的區域間，表面粗度降至Ra=0.0506μm。後段區 域，表面粗度有明顯上升至Ra=0.3520μm。實驗當搪研周速提升後，表面粗 度有明顯下降。圖5-18(a)為局部圓柱度白光影像，在孔壁底部依照圓柱的圓
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弧形狀，從底部開始為藍色、淺綠色、綠色及黃色。依照高度所呈現的顏色 相當均勻。因此，微孔搪研後的圓柱度有得到改善。
(a) 局部圓柱度白光影像 (b) 前段，Ra=0.0506μm
(c) 中段，Ra=0.0506μm (d) 後段，Ra=0.3520μm
(e) 前段 SEM 圖 (f) 中段SEM 圖 圖5-18 搪研周速 1.256m/min 表面粗度量測
如圖 5-19 使用搪研周速 1.570m/min，對微孔進行搪研拋光。由表面粗 度 量 測 值 得 知 ， 前 段 與 中 段 的 區 域 間 ， 表 面 粗 度 降 至
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Ra=0.0321μm~Ra=0.0722μm 區 間 。 後 段 區 域 ， 表 面 粗 度 有 明 顯 上 升 至 Ra=0.2284μm。搪研周速提升至 1.570m/min 時，靠近入口端能得到優良的表 面粗度。圖5-19(a)為局部圓柱度白光影像，在孔壁底部依照圓柱的圓弧形狀，
從底部開始為藍色、淺綠色、綠色及黃色。依照高度所呈現的顏色相當均勻。
因此，微孔搪研後的圓柱度有得到改善。
(a) 局部圓柱度白光影像 (b) 前段，Ra=0.0388μm
(c) 中段，Ra=0.0722μm (d) 後段，Ra=0.2284μm
(e) 前段 SEM 圖 (f) 中段SEM 圖 圖5-19 搪研周速 1.570m/min 表面粗度量測
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真圓度與尺度方面：使用搪研周速0.942m/min 至 1.570m/min 亦可將微 孔進行真圓度矯正。經量測得知，當搪研周速 1.570m/min 時，可將微孔真
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5-3 搪研後之工具表面
研磨過程中，磨粒與磨粒之間必須擁有 0~2μm 的屑袋。當研磨輪盤將 切屑移除時，切屑將會因離心力作用而離開屑袋。因此，研磨時，研磨輪不 易發生積屑與填塞現象，如圖5-20 所示。搪研後的工具如圖 5-21 所示，新 製成的搪研刀具，其微錐造型已消失，且表面具有均勻的研磨痕跡，但磨塊 間隙並未縮小，顯示磨棒被均勻磨耗；也表示孔壁被均勻搪削。圖 5-22 為 搪研工具表面放大，搪研前，工具表面具許多裸露的 CBN 磨粒，搪研後，
某些CBN 磨粒剝落而成浮動磨粒，並再度參與研削，磨塊無須超音波輔助，
可藉由搪研工具的彈力而貼緊壁面加工。此項搪研機制除了磨削(Grinding) 外，尚有擦光(Buffing)與研光(Lapping)，孔壁凹凸不平的面，隨著搪研磨棒 的旋轉與進給而變得光平，磨棒表面因此也殘留許多孔壁的切屑和殘渣。
圖5-20 CBN 磨粒含量與屑袋寬度關係
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(a) 搪研前 (b) 搪研後
圖5-21 微型搪研工具搪研後之比較
(c)搪研前 (d) 搪研後
圖5-22 微型搪研工具磨耗情形
5-4 結果與討論
本研究成功開發出微型搪研工具，並成功應用於硬化模具鋼材的微孔搪 研。成型的搪研工具具懸壁樑造型，能深入微孔進行精密搪研。微孔經搪研 後，能夠提高圓孔真圓度、降低孔壁表面粗度、且能夠針對圓柱度與微孔尺 度進行矯正。
本研究所有工作座標均由 CNC 程式所控制，工具沒有拆卸，因此沒有 定位精度問題，完全實現精密搪研加工。搪研後的微孔表面粗糙度達 Ra=0.0388μm，孔的真圓度在 1μm 以內，孔徑為Φ200 01μm。
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參考文獻
[1] S. T. Chen, Fabrication of high-density micro holes by upward batch micro EDM, Journal of micromechanics and microengineering, Vol.19 May 2008, Online at stacks.iop.org/JMM/18/085002
[2] G. Cusanelli, M. Minello, F. Torchia, W. Ammann, P.-E. Grize Posalux S.A., rue F., Properties of Micro-Holes for Nozzle by Micro-EDM, Oppliger 18, 2500 Bienne 6, Switzerland
[3] Y. Sahin, A. R. Motorcu, Surface roughness model in machining hardened steel with cubic boron nitride cutting tool, International journal of refractory metals & hard materials, Vol.26, 2008, pp.84–90
[4] A. Ghosh, A. K. Chattopadhyay, Performance enhancement of single-layer miniature CBN wheels using CFUBMS-deposited TiN coating, Journal of machine tools & manufacture, Vol.47, 2007, pp.1800-1801
[5] S. S. Choi, Jung , D. W. Kim, M. A. Yakshin, J. Y. Park, Y. Kuk, Frabrication and microelectron gun arrays using laser micromachining, Microelectronic engineering, Vol.41/42, 1998, pp.167-170
[6] O. Akira, U. Yoshiyuki, Y. Noriyasu, U. Kensuke, R. Purwadi, High efficient surface finishing of bio-titanium alloy by large-area electron beam irradiation, Journal of materials processing technology, Vol.149, 2004, pp.506-511
[7] N. Ikeda, Y. Sugimoto, Y. Watanabe, N. Ozaki, Y. Takata, Y. Tanaka, K.
Inoue, K. Asakawa, Precise control of dry etching for nanometer scale air-hole arrays in two-dimensional GaAs/AlGaAs photonic crystal slabs, Optics Communications, Vol.275, 2007, pp.257-267
[8] W. Ehrfeld and H. Lehr, Deep X-Ray Lithography for the production of three-dimensional microstructures from metals, polymers and ceramics,
Vol.45, 1995, pp349-365
[9] T. Masuzawa, J. Tsukamoto and M. Fujino, Drilling of Deep Microholes by EDM, Annals of the CIRP, Vol.38, 1, 1989, pp.195-198
[10] L. C. Lee, L. C. Lim, V. Narayanan, V. C. Venkatesh, Quantification of surface damage of tool steels after EDM, International Journal of machine
[10] L. C. Lee, L. C. Lim, V. Narayanan, V. C. Venkatesh, Quantification of surface damage of tool steels after EDM, International Journal of machine