依上述開發之多重「電阻-電容」放電電源，經實驗後，確定相關加工參 數。本章節主要利用該放電電源，進行切割研究與探討，本研究首先針對常 用金屬-鋁、銅進行放電效率比較、表面粗糙度與加工精度作探討。再針對 高熔點高硬度的難切削材料-碳化鎢、導電陶瓷、含硼聚晶鑽石，進行相同 實驗研究，並驗證多重「電阻-電容」放電電源的效能。
5-1 不同放電電源對鋁合金放電加工的影響探討
5-1-1 不同放電電源對鋁合金移除率的比較
本研究首先驗證多重「電阻-電容」放電電源的切割效率，利用鋁合金 切溝方式，求得最佳的加工進給率，其定義為切割固定長度情況下，以完全 不短路的放電切割進給率，因當放電加工短路次數越多，代表加工時間越長，
效率越低。其方法分為三部分討論，第一部分是以相同的加工參數驗證單「電 阻-電容」放電電源與多重「電阻-電容」放電電源的效率差異；第二部分再 利用等值電容的單「電阻-電容」放電電源與多重「電阻-電容」放電電源進 行切割進給率比較；第三部分則探討多重「電阻-電容」放電電源與電晶體 放電電源的切割效能差異。
1). 「電阻-電容」組數對放電電源切割進給率影響
本實驗將多重「電阻-電容」放電電源與單「電阻-電容」放電電源做放 電進給率比較。多重「電阻-電容」放電電源以 100V 電源，3 顆 1600pF 的
78 F0.7(mm/min)時，就發生短路現象，而 3C 狀況下，進給率 F 達 1.0(mm/min) 才出現短路現象。由此得知，3 組「電阻-電容」效率較 1 組「電阻-電容」
來得高，這是因為 1 組「電阻-電容」放電電源，其放電頻率只約 50 kHz，
衝擊係數低。而當「電阻-電容」組數提升至 3 組時，其放電頻率隨之提升 至 150 kHz，衝擊係數便能有效提高，進而提升切割進給率，達到高效能放 電切割效果。
79 4800pF(1600pF3)對鋁合金進行放電實驗，參數如表 5-2 所示。所加工工件 為厚度 1 mm 的鋁合金，切割長度 0.5 mm，圖 5-2 為實驗結果。
由圖可知，當使用 1600pF 時，其進給率 F=0.6(mm/min)；當電容提升 至 4800pF 時，其進給率 F=1.0(mm/min)。因愈高的電容值所存取的電荷愈 多，產生的爆炸愈大，使銅線擁有更高的進給率；而由 3 顆 1600pF 的電容 使用來看，最佳加工進給率 F=1.0(mm/min)，與電容值 4800pF 的加工進給 率一樣。推知，多重「電阻-電容」放電電源可利用較小的電容值取代單「電 阻-電容」放電電源的較大的電容值，切割進給率不變。
80 給率做比較，故本實驗提出以火花腐蝕能力(Spark erosion ability, SEA)進行 比較，其定義為：投入單位庫倫電荷所產生的金屬移除量(mm3/Coulomb)，
再利用該值進行比較，得其優劣。本實驗所用電晶體放電電源是以市售的線
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表 5-5 係不同放電電源對鋁合金之火花腐蝕能力的比較，多重「電阻-電容」放電電源的火花腐蝕能力為 0.0416(mm3/Coulomb)；電晶體放電電源 的火花腐蝕能力為 0.0021(mm3/Coulomb)；單「電阻-電容」放電電源的火花 腐蝕能力為 0.0750(mm3/Coulomb)。
1). 以單「電阻-電容」放電電源對鋁合金火花腐蝕能力計算：
Qsingle:單顆電容放電一發所需庫倫值
Qsingle=V×C=100V×1600pF=1.6×10-7(Coulomb) 總放電頻率：50 kHz
EtS: 1 秒內單「電阻-電容」放電電源所產生的總庫倫量 EtS=1.6×10-7×50×103=0.008(Coulomb/sec)
VvolS: 以單「電阻-電容」放電電源加工之體積(如圖 5-3 所示) VvolS=0.03 mm3 (假設單邊放電間隙 0.005mm)
MRRS: 金屬移除率，以單「電阻-電容」放電電源的單位時間內加工之體 積(對鋁合金而言，微細銅線加工 0.03 mm3的體積，所耗時間為 50 秒)。
MRRS=0.03×60/(50×60)=0.0006(mm3/sec)=0.036(mm3/min)
SEAS: 火花腐蝕能力，以單「電阻-電容」放電電源的每庫倫的加工體積。
SEAS=0.0006/0.008=0.075(mm3/Coulomb)
2). 以多重「電阻-電容」放電電源對鋁合金火花腐蝕能力計算：
Qsingle:單顆電容放電一發所需庫倫值
Qsingle=V×C=100V×1600pF=1.6×10-7(Coulomb) 總放電頻率：150 kHz
EtP :1 秒內多重「電阻-電容」放電電源所產生的總庫倫量 EtP=1.6×10-7×150×103=0.024(Coulomb/sec)
VvolP: 以多重「電阻-電容」放電電源加工之體積(圖 5-3 所示)
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VvolP=0.03 mm3 (假設單邊放電間隙 0.005mm)
MRRP: 金屬移除率，以多重「電阻-電容」電源的單位時間(1 秒)內加工之 體積(對鋁合金而言，微細銅線加工 0.03 mm3的體積，所耗時間為 30 秒)。
MRRP=0.03×60/(30×60)=0.001(mm3/sec)=0.06(mm3/min)
SEAP: 火花腐蝕能力，以多重「電阻-電容」電源的每庫倫的加工之體積。
SEAP=0.001/0.024=0.0416(mm3/Coulomb)
3). 以電晶體放電電源對鋁合金火花腐蝕能力計算：
MRRT=0.24×60/(40×60)=0.006(mm3/sec)=0.36(mm3/min)
SEAT: 火花腐蝕能力，以電晶體放電電源的每庫倫的加工之體積：
SEAT=0.006/2.8=0.002143(mm3/Coulomb)
表 5-5 不同放電電源對鋁合金之火花腐蝕能力比較
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圖 5-3「電阻-電容」電源加工示意 圖 5-4 電晶體電源加工示意
三種精微線切割放電加工迴路所創造出的火花腐蝕能力與金屬移除率，
兩物理量所獲得的值都很小，故在圖示上，為提高其可讀性，本研究將火花 腐蝕能力乘以 1000 倍，金屬移除率乘以 10 倍表示，如圖 5-5 及圖 5-6 所示。
由圖 5-5 可知，多重「電阻-電容」放電電源的單位庫倫電荷金屬移除量比電 晶體放電電源高，這是因為「電阻-電容」放電電源運用電容，將電荷儲存 到一定量時，在瞬間將所有電荷一次釋放出來，能瞬間產生高尖峰電流，撞 擊工件表面，進行加工；而電晶體放電加工電源則是當電晶體打開(導通)時，
大量電子直接撞擊工件，無法產生如電容器般的尖峰放電電流，亦即，電晶 體單位庫倫電荷的所產生的能量比電容器的較低，使單位庫倫電荷的材料移 除量也隨之較低。而單「電阻-電容」放電電源的單位庫倫電荷之金屬移除 量比多重「電阻-電容」放電電源高，主要是因為多重「電阻-電容」放電電 源頻率高，當殘渣未被加工液沖離極間時，就有另一發放電開啟，因此使放 電能量對殘渣進行放電，而未對材料進行加工，故使單位庫倫電荷之金屬移 除量較低；而在單「電阻-電容」放電電源因有較長的休止時間，使放電殘 渣有足夠的時間被加工液沖離，因此每發放電皆能對材料進行加工，顧單位 庫倫電荷的金屬移除量比多重「電阻-電容」放電電源來得高。就金屬移除 率而言，如圖 5-6 所示，電晶體放電電源的金屬移除率遠高於多重「電阻-電容」放電電源與單「電阻-電容」放電電源，其主要原因為：電晶體放電
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電源之單位庫倫所移除的體積(火花腐蝕能力)0.0021(mm3/Coulomb)，雖然低 於 多 重 「 電 阻 - 電 容 」 放 電 電 源 的 單 位 庫 倫 所 移 除 的 體 積 0.0416 (mm3/Coulomb) ， 但 電 晶 體 放 電 電 源 的 單 位 時 間 所 保 有 的 庫 倫 量 2.8 (Coulomb/sec) ， 遠 高 於 單 「 電 阻 - 電 容 」 放 電 電 源 所 保 有 的 庫 倫 量 0.008(Coulomb/sec) ， 以 及 多 重 「 電 阻 - 電 容 」 放 電 電 源 所 保 有 的 庫 倫 量 0.024(Coulomb/sec)，(因為電晶體放電電源的放電作用時間(Pulse on-time)遠 大於「電阻-電容」放電電源的放電作用時間)，故雖然電晶體放電電源其單 位庫倫所移除的體積較小，但在計入放電加工時間後，其放電能量卻為 3 種 電源中的最大者，故其金屬移除量較多，這讓電晶體放電電源成為 3 種電源 中加工速率最快的電源。
圖 5-5 不同放電電源對鋁合金之火 花腐蝕能力比較
圖 5-6 不同放電電源對鋁合金之金 屬移除率比較
5-1-2 不同放電電源對鋁合金表面粗糙度的影響
本章節將上述所加工鋁合金材料成品，運用掃描式電子顯微鏡及雷射共 軛焦顯微鏡，觀察其加工後的表面粗糙度影響。
1). 「電阻-電容」組數對放電切割面之表面粗糙度影響
為估算線切割放電面的表面粗糙度，本研究以式 5-1 進行加工面的粗糙
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度估算，此外，為了更精確驗證所獲得的表面粗糙度值，除了以人工估算法 外，更以雷射共軛焦顯微鏡進行精準的量化檢視，如圖 5-7 所示。圖 5-7(a) ~ (f)為加工的 SEM 表面形貌圖與雷射共軛焦顯微鏡表面檢視圖。運用 SEM 表 面形貌圖估算其結果，以 1 組「電阻-電容」放電電源平均粗糙度為 Ra1.69 μm(估算值)；2 組「電阻-電容」放電電源平均粗糙度為 Ra1.23 μm(估算值)；
3 組「電阻-電容」放電電源平均粗糙度為 Ra1.01 μm(估算值)。
= + ； = ( ~ ) (5-1)
d1：單發放電痕直徑, h1：放電痕深度, h2：放電痕隆起高度。
(A) 以 1 組「電阻-電容」放電電源切割所獲得的表面粗糙度估算：
d1： . . . ≅17.95 μm h1：取 d1=10h1，h1=17.95/10 h2：≅ 3.2 μm
Rmax≅2×17.95/10+3.2=6.792 μm，
Ra=6.792/4=1.69 μm (Rmax=4Ra)
(B) 以 2 組「電阻-電容」放電電源切割所獲得的表面粗糙度估算：
d1： . . . ≅13.1 μm h1：取 d1=10h1，h1=13.1/10 h2：≅ 2.3 μm
Rmax≅2×13.1/10+2.3=4.92 μm Ra=4.92/4=1.23 μm (Rmax=4Ra)
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(C) 以 3 組「電阻-電容」放電電源切割所獲得的表面粗糙度估算：
d1： . . . ≅12.9 μm h1：取 d1=10h1，h1=12.9/10 h2：≅ 1.5 μm
Rmax≅2×12.9/10+1.5=4.04 Ra=4.04/4=1.01 μm (Rmax=4Ra)
表 5-6 不同「電阻-電容」組數對鋁合金表面粗糙度的影響 1 組「電阻-電容」 2 組「電阻-電容」3 組「電阻-電容」
人工估算 1.69 (μm) 1.23 (μm) 1.01 (μm) 雷射共軛
焦測量 1.753 (μm) 1.188 (μm) 1.037 (μm)
表 5-6 係不同放電「電阻-電容」組數對鋁合金表面粗糙度的影響，由 此推斷，在相同電容值情況下，越高的放電頻率會使金屬材料，經放電後，
其表面粗糙度越平整。主要是因為工件在未完全凝固時，就有另一發放電接 續，使材料在單位時間、單位面積接收到的放電次數變多，進而使加工面粗 糙度獲致改善效果，可知，多重「電阻-電容」放電電源不只可提升放電切 割進給率，更能優化放電加工後的表面粗糙度。圖 5-8 所示為對鋁合金時表 面粗糙度與進給率的交互比較，由圖可知，4 組「電阻-電容」放電電源可使 表面粗糙度略為改善，但因切割進給率並無明顯提升，反而下降，故不選擇 該組數以上的「電阻-電容」放電電源。
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(a) 1 組「電阻-電容」電源之放電坑 (b) 1 組「電阻-電容」電源表面粗糙度
(c) 2 組「電阻-電容」電源之放電坑 (d) 2 組「電阻-電容」電源表面粗糙度
(e) 3 組「電阻-電容」電源之放電坑 (f) 3 組「電阻-電容」電源表面粗糙度 圖 5-7 電容組數對鋁合金加工面粗糙度之影響
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(a) 電容組數對表面粗糙度比較 (b) 電容組數對進給率比較 圖 5-8 電容組數對鋁合金加工面粗糙度與進給率之影響
2). 等值電容放電電源對放電切割面的表面粗糙度影響
所謂等值電容放電係以相同的電容值，分別在多重「電阻-電容」及單
「電阻-電容」電源中，進行放電切割比較，如 3C 放電電源中具有 3 顆 1600pF 電容與另一放電電源 1C 的 4800pF 電容相等，故稱此兩放電電源為等值電 容電源。本實驗主要目的是測試本研究開發的放電電源，是否可在不影響 切割進給率下，將較大的電容分散為多顆較小電容進行加工，因較小電容 可獲致較高的加工品質。
在等值電容的情況下，多重「電阻-電容」放電電源(3×1600pF)與單「電 阻-電容」放電電源(4800pF)的表面粗糙度影響比較如圖 5-9 所示，(a)、(b) 圖為運用 3 組「電阻-電容」放電電源加工出的表面，其粗糙度值為 Ra1.01 μm(估算值)；而(c)、(d)圖為單「電阻-電容」放電電源(4800pF)加工出的表 面，經計算後，其粗糙度值為 Ra1.89 μm(估算值)。
以單「電阻-電容」放電電源表面粗糙度計算法如下 單「電阻-電容」放電電源(4800pF)計算：
d1： . . . ≅17.8 μm
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h1：取 d1=10h1，h1=17.8/10 h2：≅ 4.0 μm
Rmax≅2×17.8/10+4.0=7.56 μm Ra=7.56/4=1.89 μm (Rmax=4Ra)
可知大電容產生大能量，雖可使放電切割進給率提高，但也使放電坑變 大，而表面粗糙度變差。但如果使用本研究開發的多重「電阻-電容」放電 電源，不但可使加工進給率提升至等值電容的單「電阻-電容」放電的加工
可知大電容產生大能量，雖可使放電切割進給率提高，但也使放電坑變 大，而表面粗糙度變差。但如果使用本研究開發的多重「電阻-電容」放電 電源，不但可使加工進給率提升至等值電容的單「電阻-電容」放電的加工