高效能精微線切割放電加工電源開發

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(1)國立臺灣師範大學機電科技學系碩士論文指導教授：陳順同博士. 高效能精微線切割放電加工電源開發 Development of a high-efficiency micro wire electrical discharge machining (w-EDM) power source. 研究生：陳祈宏中. 華. 民. 國. 1. 0. 3. 年. 7. 月.

(2) 摘要一般「電阻-電容」放電電源雖能提供短脈衝及高峰值的放電電流，獲得更小及更淺的放電坑，但因加工效能低，未被廣泛採用。本研究旨在開發一種高效能的多重「電阻-電容」放電電源(Plural RC power source)，並應用於高熔點高硬度金屬的精微線切割放電加工。多重「電阻-電容」放電迴路係由場效可程式化邏輯閘陣列(Field Progra mmable Gate Array)、「電阻-電容」、電晶體驅動電路與放電迴路所組成。透由邏輯閘控制每組「電阻-電容」的電晶體開關時間，使每組電容器能在規劃的時間內，產生充放電波列。實驗規劃分別選用 1 組及 3 組「電阻-電容」電源以及商用電晶體電源，對常用金屬(銅合金及鋁合金)與高熔點高硬度金屬(碳化鎢、導電陶瓷及含硼聚晶鑽石)進行線切割放電加工。由加工結果發現，多重「電阻-電容」電源的放電頻率與切割進給率分別可達單「電阻-電容」電源的 3 倍及 2 倍以上，而加工時間可節省 40%以上；在火花腐蝕能力(Spark erosion ability)方面，單「電阻-電容」的電源表現最好，多重「電阻-電容」的電源次之，電晶體電源又次之。為判斷放電電源的工作效能，本研究提出「精微放電加工切割效能評估準則(Cutting performance assessment criterion)」，並發現多重「電阻-電容」電源，其切割效能比商用電晶體電源好，且具較低的鈷析出量，證實本研究開發的多重「電阻-電容」放電電源，具高頻放電性能，極間恢復絕緣時間快，材料熱影響區少，且單位時間的金屬移除率多。期待此多重「電阻-電容」電源的研發，著實能貢獻到精微製造產業。. 關鍵字：精微線切割放電加工，多重「電阻-電容」放電電源，火花腐蝕能力，切割效能評估準則. i.

(3) Abstract The resistance-capacitance (RC) circuit effortlessly provides a discharge current with a short pulse and a high peak which leads to a very shallow and narrow discharge cavity. However, it has not been widely employed due to low production efficiency. The primary objective of this thesis is to develop a high-efficiency power source with plural RC discharge circuit and use it in cutting the high melting point metal. The plural RC discharge circuit is consisted of a Field-Programmable Gate Array (FPGA) device, plural resistor-capacitor, transistors base driving circuit and a discharge circuit. Each transistor that switches the discharge time for the corresponding RC circuit is controlled by the designed FPGA to generate a charge/discharge pulse train in time. By applying the developed power sources of single- and plural- RC circuits, and the commercial transistor power, experiments are conducted in cutting the often used metal (copper and aluminum alloy) and high melting point metal (tungsten carbide, conductive ceramic and boron-doped polycrystalline composite diamond). The test results indicated that the discharge frequency and cutting feed-rate in plural RC power are approximately 3- and 2- times for the single RC power, respectively, In addition, the machining time can be reduced to 40% above. In Spark Erosion Ability (SEA), the single RC power is better than that of plural RC and the plural RC better than that of the transistor. To determine the working efficiency of the power source in micro wire electrical discharge machining (w-EDM), a ‘cutting performance assessment criterion’ is proposed in this study. Comparing with the commercial transistor power, the plural RC power is superior in cutting performance and has lower amounts of cobalt deposition. Experimental results verified that the developed plural RC power source owns the high-frequency discharge performance and fast insulation recovery time resulting in a smaller heat-affected zone and creating more Metal Removal Rate (MRR). It is expected that the developed plural RC power source can be contributed significantly to the micro fabrication industry. Keyword: micro w-EDM, plural RC power source, spark erosion ability, cutting performance assessment criterion. ii.

(4) 目錄摘要 ..................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................. II 目錄 .................................................................................................................. III 表目錄 ............................................................................................................ VIII 圖目錄 .............................................................................................................. XI 符號說明 ..................................................................................................... XVIII 第一章緒論 ..................................................................................................... 1 1-1 前言 ......................................................................................................... 1 1-2 文獻探討 .................................................................................................. 3 1-2-1 放電加工發展歷程 ........................................................................... 3 1-2-2 放電加工之電源設計 ....................................................................... 6 1-3 研究動機 ................................................................................................ 13 1-4 研究目的 ................................................................................................ 15 1-5 研究方法 ................................................................................................ 16 第二章實驗原理與應用 ................................................................................ 18 2-1 放電加工原理 ......................................................................................... 18 2-1-1 放電加工現象說明 .......................................................................... 18 2-1-2 放電加工材料移除機制 ................................................................... 19 2-1-3 放電加工工作參數 .......................................................................... 21 2-2 常用精微放電加工法 ............................................................................. 25 2-2-1 精微雕模放電加工 .......................................................................... 25 iii.

(5) 2-2-2 精微線切割放電加工 ...................................................................... 26 2-2-3 精微旋轉式放電加工 ...................................................................... 28 2-3 放電電源系統 ......................................................................................... 29 2-3-1 依放電電源分類 .............................................................................. 29 2-3-2 依放電能量分類 .............................................................................. 32 2-4 電晶體切換原理 ..................................................................................... 34 2-4-1 金屬-氧化物-半導體場效電晶體之切換特性................................. 34 2-4-2 元件損失.......................................................................................... 35 2-4-3 硬性切換(Stress switching) .............................................................. 36 2-4-4 柔性切換(Soft switching) ................................................................. 37 第三章實驗所需設備與儀器......................................................................... 38 3-1 元件可程式邏輯閘陣列(FPGA) ............................................................ 38 3-2 硬體描述語言(VHDL)編輯軟體 ............................................................ 40 3-3 精微線切割放電加工機 ......................................................................... 42 3-4 高速主軸選用 ........................................................................................ 44 3-5 量測儀器設備 ......................................................................................... 45 3-5-1 工具顯微鏡(Toolmakers microscope) .............................................. 45 3-5-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope) ......................... 45 3-5-3 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡(3D Laser scanning microscope) ....... 46 3-5-4 混合訊號示波器(Mixed signal oscilloscopes) .................................. 47 3-6 實驗所用材料 ........................................................................................ 49 3-6-1 微細銅線(細線電極) ....................................................................... 49 3-6-2 銅合金(試切工件) ........................................................................... 49 3-6-3 鋁合金(試切工件) ........................................................................... 50 3-6-4 碳化鎢(試切工件) ........................................................................... 51 iv.

(6) 3-6-5 導電陶瓷(試切工件) ....................................................................... 51 3-6-6 含硼聚晶鑽石(試切工件) ............................................................... 52 第四章. 高效能精微放電電源開發 ................................................................ 54. 4-1 多重「電阻-電容」放電電源之電路設計 ............................................. 55 4-2 多重「電阻-電容」放電電源之脈波控制訊號設計 ............................. 58 4-3 多重「電阻-電容」放電電源之實現 ..................................................... 63 4-3-1 多重「電阻-電容」放電電源設計 .................................................. 63 4-3-2 電晶體驅動電路設計 ..................................................................... 64 4-4 多重「電阻-電容」放電電源測試 ........................................................ 66 4-4-1 多重「電阻-電容」放電電源之限流電阻實驗 ............................... 66 4-4-2 多重「電阻-電容」放電電源之工作電容設定 .............................. 67 4-4-3 多重「電阻-電容」放電電源之「電阻-電容」組數設定 ............. 68 4-5 精微線切割放電加工機構設置 .............................................................. 71 4-5-1 微細銅線送線速度對進給率比較 ................................................... 71 4-5-2 放電加工液對切割效能的比較 ....................................................... 72 4-6 多重「電阻-電容」放電波列之放電狀態分析 ..................................... 74 第五章精微線切割放電加工電源驗證 .......................................................... 77 5-1 不同放電電源對鋁合金放電加工的影響探討 ....................................... 77 5-1-1 不同放電電源對鋁合金移除率的比較 ............................................ 77 5-1-2 不同放電電源對鋁合金表面粗糙度的影響 .................................... 84 5-1-3 不同放電電源對鋁合金尺寸精度的影響 ........................................ 93 5-2 不同放電電源對銅合金放電加工的影響探討 ....................................... 96 5-2-1 不同放電電源對銅合金移除率的比較 ............................................ 96 5-2-2 不同放電電源對銅合金表面粗糙度的影響 .................................. 103 v.

(7) 5-2-3 不同放電電源對銅合金尺寸精度的影響 ...................................... 109 5-3 不同放電電源對碳化鎢放電加工的影響探討 ......................................112 5-3-1 不同放電電源對碳化鎢移除率的比較 ........................................... 112 5-3-2 不同放電電源對碳化鎢表面粗糙度的影響 ...................................119 5-3-3 不同放電電源對碳化鎢尺寸精度的影響 ...................................... 126 5-3-4 碳化鎢 3D 微結構切割成型驗證 .................................................. 128 5-4 不同放電電源對導電陶瓷放電加工的影響探討 ................................. 131 5-4-1 不同放電電源對導電陶瓷移除率的比較 ...................................... 131 5-4-2 不同放電電源對導電陶瓷表面粗糙度的影響 .............................. 138 5-4-3 不同放電電源對導電陶瓷尺寸精度的影響 .................................. 144 5-4-4 導電陶瓷 3D 微結構切割成型驗證 ............................................... 146 5-5 不同放電電源對含硼聚晶鑽石放電加工影響探討 ............................. 149 5-5-1 不同放電電源對含硼聚晶鑽石移除率的比較 .............................. 149 5-5-2 不同放電電源對含硼聚晶鑽石表面粗糙度的影響....................... 156 5-5-3 不同放電電源對含硼聚晶鑽石尺寸精度的影響 .......................... 162 5-5-4 含硼聚晶鑽石 3D 微結構切割成型驗證 ....................................... 164 第六章. 結論與未來展望 ............................................................................. 167. 6-1 多重「電阻-電容」放電電源之火花腐蝕能力(SEA)探討 .................. 167 6-2 多重「電阻-電容」放電電源切割效能(C P)探討 ................................. 169 6-3 不同放電電源對切割金屬的析出物(鈷)的影響 .................................. 170 6-4 研究成果與貢獻 ................................................................................... 174 6-4-1 本研究成果 .................................................................................... 174 6-4-2 本研究貢獻 .................................................................................... 175 6-5 未來展望 .............................................................................................. 176 vi.

(8) 參考文獻 ........................................................................................................ 177 附件一：多重「電阻-電容」放電電源脈波時序控制程式碼 ...................... 183. vii.

(9) 表目錄表 1-1 自調式電源部位名稱............................................................................. 9 表 3-1 FPGA 操作板規格表 ............................................................................ 39 表 3-2 三軸位移平台規格 .............................................................................. 43 表 3-3 精微線切割放電加工機 PID 參數 ....................................................... 43 表 3-4 本實驗所用高速主軸規格 ................................................................... 44 表 3-5 工具顯微鏡設備規格表 ....................................................................... 45 表 3-6 掃描式電子顯微鏡規格 ....................................................................... 46 表 3-7 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡 .............................................................. 47 表 3-8 混合訊號示波器 .................................................................................. 47 表 3-9 電流探棒規格表 .................................................................................. 48 表 3-10 微細銅線的機械性質......................................................................... 49 表 3-11 銅合金的物理性質............................................................................. 50 表 3-12 鋁合金的物理性質 ............................................................................ 50 表 3-13 碳化鎢物理性質 ................................................................................ 51 表 3-14 導電陶瓷基本性質 ............................................................................ 51 表 3-15 含硼聚晶鑽石與一般聚晶鑽石之物理特性比較 .............................. 53 表 4-1 本研究模擬電晶體時序範圍 ............................................................... 56 表 4-2 本研究所用之電晶體時序範圍 ........................................................... 64 表 4-3 限流電阻實驗參數 .............................................................................. 67 表 4-4 不同電容值之切割實驗參數 ............................................................... 67 表 4-5 不同放電電容值之切割槽寬與加工時間關係 .................................... 68 表 4-6 電容電阻組數之切割實驗參數 ........................................................... 69 表 4-7 送線速度實驗之參數........................................................................... 72 表 4-8 放電鑽孔用加工液之相關參數 ............................................................ 73 viii.

(10) 表 4-9 放電雕模用加工液之相關參數 ............................................................ 73 表 4-10 不同加工液實驗參數......................................................................... 73 表 5-1 不同「電阻-電容」放電電源組數對鋁合金之放電參數 ................... 78 表 5-2 「等值電容」放電對鋁合金放電加工參數 ........................................ 79 表 5-3 電晶體放電電源切割參數 .................................................................... 80 表 5-4 多重「電阻-電容」放電電源對鋁合金之加工參數 ........................... 80 表 5-5 不同放電電源對鋁合金之火花腐蝕能力比較 .................................... 82 表 5-6 不同「電阻-電容」組數對鋁合金表面粗糙度的影響 ....................... 86 表 5-7 不同放電電源對鋁合金之切割效能比較表 ........................................ 92 表 5-8 不同「電阻-電容」放電電源組數對銅合金之放電參數 ................... 97 表 5-9 「等值電容」放電對銅合金之放電加工參數 .................................... 98 表 5-10 多重「電阻-電容」放電電源對銅合金之加工參數 ......................... 99 表 5-11 不同放電電源對銅合金之火花腐蝕能力比較表 ............................ 101 表 5-12 不同「電阻-電容」組數對銅合金表面粗糙度的影響 ................... 103 表 5-13 不同放電電源之銅合金之切割效能比較表 .................................... 108 表 5-14 不同「電阻-電容」放電電源組數對碳化鎢之放電參數 ................ 113 表 5-15 「等值電容」放電對碳化鎢之放電加工參數 .................................114 表 5-16 多重「電阻-電容」放電電源對碳化鎢之加工參數 ........................ 115 表 5-17 不同放電電源對碳化鎢之火花腐蝕能力比較表 ............................. 117 表 5-18 不同「電阻-電容」組數對碳化鎢表面粗糙度的影響 .................... 119 表 5-19 不同放電電源對碳化鎢之切割效能比較表 .................................... 125 表 5-20 單「電阻-電容」放電電源之加工參數 .......................................... 129 表 5-21 多重「電阻-電容」放電電源之加工參數 ...................................... 129 表 5-22 不同「電阻-電容」放電電源組數對導電陶瓷放電參數 ............... 132 表 5-23 「等值電容」放電對導電陶瓷之放電加工參數 ............................ 133 ix.

(11) 表 5-24 多重「電阻-電容」放電電源對導電陶瓷之加工參數 ................... 134 表 5-25 不同放電電源對導電陶瓷之火花腐蝕能力比較表 ........................ 136 表 5-26 不同放電「電阻-電容」組數對導電陶瓷表面粗糙度的影響 ....... 138 表 5-27 不同放電電源之導電陶瓷切割效能比較表 .................................... 143 表 5-28 單「電阻-電容」放電電源之加工參數 ........................................... 147 表 5-29 多重「電阻-電容」放電電源之加工參數 ....................................... 147 表 5-30 不同「電阻-電容」放電電源組數對聚晶鑽石放電參數 ............... 150 表 5-31 「等值電容」放電對含硼聚晶鑽石之放電加工參數 .................... 151 表 5-32 多重「電阻-電容」放電電源對含硼聚晶鑽石之加工參數 ............ 152 表 5-33 不同放電電源對含硼聚晶鑽石之火花腐蝕能力比較表 ................ 154 表 5-34 不同放電「電阻-電容」組數對聚晶鑽石表面粗糙度的影響 ....... 156 表 5-35 不同放電電源之含硼聚晶鑽石切割效能比較表 ............................ 161. x.

(12) 圖目錄圖 1-1 微機電系統市場趨勢............................................................................. 1 圖 1-2 各種微型零件 ........................................................................................ 1 圖 1-3 UV-LIGA 結合 Micro EDM 加工技術之研究 ........................................ 5 圖 1-4 線切割放電加工槽寬研究 ..................................................................... 5 圖 1-5 L 型探針製作與線上檢測研究 .............................................................. 6 圖 1-6 線切割放電加工之 2 組電源放電電源 ................................................. 8 圖 1-7 放電加工之電源應用手段 ..................................................................... 8 圖 1-8 自調式放電加工電源 ............................................................................ 9 圖 1-9 線切割放電加工精修電源控制電路 ................................................... 10 圖 1-10 高頻放電加工電源應用研究 ............................................................. 10 圖 1-11 等能量放電加工電源開發 ..................................................................11 圖 1-12 高頻率的交流電源之研究 ..................................................................11 圖 1-13 微孔放電加工脈衝控制之研究 ......................................................... 12 圖 1-14 本研究之實驗系統架構圖 ................................................................. 17 圖 2-1 放電加工原理示意 .............................................................................. 19 圖 2-2 放電加工應用例 .................................................................................. 19 圖 2-3 放電加工程序流程 .............................................................................. 21 圖 2-4 放電加工波形示意圖 .......................................................................... 23 圖 2-5 精微雕模放電加工例 .......................................................................... 26 圖 2-6 精微線切割放電加工例....................................................................... 27 圖 2-7 精微旋轉式放電加工例....................................................................... 28 圖 2-8 電容器放電迴路示意圖....................................................................... 30 圖 2-9 電容器放電迴路波列圖....................................................................... 30 圖 2-10 電晶體控制電容放電示意圖 ............................................................. 31 xi.

(13) 圖 2-11 電晶體控制電容放電波列 ................................................................. 31 圖 2-12 電晶體放電迴路示意圖 ..................................................................... 32 圖 2-13 電晶體放電迴路波列圖 ..................................................................... 32 圖 2-14 等頻率放電波列 ................................................................................ 33 圖 2-15 等能量放電波列 ................................................................................ 33 圖 2-16 金屬場效電晶體示意圖 ..................................................................... 34 圖 2-17 MOSFET 輸出特性 ............................................................................ 34 圖 2-18 開關元件交換損失示意圖 ................................................................. 36 圖 2-19 硬性切換時軌跡圖 ............................................................................ 36 圖 2-20 開關交換無損失示意圖 ..................................................................... 37 圖 2-21 柔性切換時軌跡圖 ............................................................................ 37 圖 3-1 積體電路分類 ...................................................................................... 39 圖 3-2 FPGA 內部構造 .................................................................................... 39 圖 3-3 FPGA 操作板 ........................................................................................ 39 圖 3-4 VHDL 程式編輯流程圖 ....................................................................... 41 圖 3-5 Quartus II 的編輯頁面 .......................................................................... 41 圖 3-6 本研究所用精微線切割放電加工機 ................................................... 42 圖 3-7 線性平台伺服系統控制....................................................................... 43 圖 3-8 本實驗所用高速主軸 .......................................................................... 44 圖 3-9 工具顯微鏡 .......................................................................................... 45 圖 3-10 掃描式電子顯微鏡 ............................................................................ 46 圖 3-11 3D 雷射掃描式共軛焦顯微鏡 ............................................................ 47 圖 3-12 混合訊號示波器 ................................................................................ 47 圖 3-13 電流探棒 ............................................................................................ 48 圖 3-14 本研究所用黃銅線電極 ..................................................................... 49 xii.

(14) 圖 3-15 本研究所使用碳化鎢材料 ................................................................. 51 圖 3-16 一般聚晶鑽石與含硼聚晶鑽石之放電修整比較 .............................. 53 圖 4-1 多重「電阻-電容」放電加工電源之開發流程 .................................. 54 圖 4-2 多重「電阻-電容」電源方塊圖 .......................................................... 55 圖 4-3 多重「電阻-電容」電源 ..................................................................... 57 圖 4-4 多重「電阻-電容」電源 V-T .............................................................. 57 圖 4-5 FPGA 控制板內部方塊圖 .................................................................... 58 圖 4-6 多重「電阻-電容」之脈波訊號與間隙電壓電流示意圖 ................... 59 圖 4-7 電晶體控制訊號的模擬圖 ................................................................... 59 圖 4-8 K 值曲線對照表 ................................................................................... 60 圖 4-9 FPGA 控制板產生之實際波列 ............................................................. 60 圖 4-10 多重「電阻-電容」放電電源之 C1 電容放電加工示意圖................ 61 圖 4-11 多重「電阻-電容」放電電源之 C1 電容放電波列圖 ....................... 61 圖 4-12 多重「電阻-電容」放電電源之 C2 電容放電加工示意圖................ 62 圖 4-13 多重「電阻-電容」放電電源之 C2 電容放電波列圖 ....................... 62 圖 4-14 多重「電阻-電容」放電電源之 C3 電容放電加工示意圖................ 62 圖 4-15 多重「電阻-電容」放電電源之 C3 電容放電波列圖 ....................... 62 圖 4-16 多重「電阻-電容」方塊圖 ............................................................... 64 圖 4-17 多重「電阻-電容」實體圖 ............................................................... 64 圖 4-18 電晶體驅動之方塊圖......................................................................... 65 圖 4-19 電晶體驅動之電源圖......................................................................... 65 圖 4-20 經電晶體驅動電路放大後的三重 RC 放電波形訊號 ....................... 65 圖 4-21 多重「電阻-電容」放電電源之阻值與電流關係 ............................. 67 圖 4-22 放電電容與槽寬(黃銅)關係 .............................................................. 68 圖 4-23 單 RC 正常放電波列 ......................................................................... 69 xiii.

(15) 圖 4-24 單 RC 放電電源對銅合金加工之可能的放電頻率 ........................... 69 圖 4-25 單 RC 正常放電波列 ......................................................................... 69 圖 4-26 單 RC 放電電源對含硼聚晶鑽石加工可能的放電頻率 ................... 69 圖 4-27 各放電頻率之進給率與短路次數關係 ............................................. 70 圖 4-28 各放電頻率之進給率與短路次數關係 ............................................. 70 圖 4-29 精微線切割放電機構設計圖 ............................................................. 71 圖 4-30 精微線切割機構實體......................................................................... 71 圖 4-31 送線速度與進給率比較 ..................................................................... 72 圖 4-32 不同加工液對進給率的影響 ............................................................. 73 圖 4-33 單「電阻-電容」放電波列 ............................................................... 74 圖 4-34 多重「電阻-電容」放電波列 ............................................................ 74 圖 4-35 四種放電極間模式之實際放電波列圖 ............................................. 76 圖 5-1 不同「電阻-電容」組數對鋁合金放電進給率與短路次數比較 ....... 78 圖 5-2 「等值電容」對鋁合金放電加工之進給率與短路次數比較............. 79 圖 5-3 「電阻-電容」電源加工示意.............................................................. 83 圖 5-4 電晶體電源加工示意 .......................................................................... 83 圖 5-5 不同放電電源對鋁合金之火花腐蝕能力比較 .................................... 84 圖 5-6 不同放電電源對鋁合金之金屬移除率比較 ........................................ 84 圖 5-7 電容組數對鋁合金加工面粗糙度之影響............................................ 87 圖 5-8 電容組數對鋁合金加工面粗糙度與進給率之影響 ............................ 88 圖 5-9 等值電容對鋁合金加工面粗糙度之影響............................................ 89 圖 5-10 不同放電加工電源對鋁合金加工面粗糙度之影響 .......................... 91 圖 5-11 電容組數對鋁合金加工槽寬之比較 ................................................. 94 圖 5-12 等值電容對鋁合金加工槽寬之比較 ................................................. 95 圖 5-13 不同「電阻-電容」組數對銅合金放電進給率與短路次數比較 ..... 97 xiv.

(16) 圖 5-14 「等值電容」電源對銅合金放電加工進給率與短路次數比較 ....... 98 圖 5-15 不同放電電源對銅合金之金屬移除率比較 .................................... 102 圖 5-16 不同放電電源對銅合金之火花腐蝕能力比較 ................................ 102 圖 5-17 「電阻-電容」組數對銅合金放電切割面的表面粗糙度比較 ....... 104 圖 5-18 電容組數對銅合金加工面粗糙度與進給率之影響 ........................ 105 圖 5-19 等值電容對銅合金加工面粗糙度之比較........................................ 106 圖 5-20 不同放電加工電源對銅合金加工面粗糙度之影響 ........................ 107 圖 5-21 電容組數對銅合金加工槽寬之比較 ................................................ 110 圖 5-22 等值電容對銅合金加工槽寬之比較 ................................................ 111 圖 5-23 不同「電阻-電容」組數對碳化鎢放電之進給率與短路次數比較 .113 圖 5-24 「等值電容」對碳化鎢放電加工之進給率與短路次數比較 .......... 114 圖 5-25 不同放電電源對碳化鎢之金屬移除率比較 .....................................118 圖 5-26 不同放電電源對碳化鎢之火花腐蝕能力比較 .................................118 圖 5-27 電容組數對碳化鎢加工面粗糙度之影響........................................ 120 圖 5-28 電容組數對碳化鎢加工面粗糙度與進給率之影響 ........................ 121 圖 5-29 等值電容對碳化鎢加工面粗糙度之影響........................................ 122 圖 5-30 不同放電加工電源對碳化鎢加工面粗糙度之影響 ........................ 124 圖 5-31 電容組數對碳化鎢加工槽寬之比較 ............................................... 127 圖 5-32 等值電容對碳化鎢加工槽寬之比較 ............................................... 128 圖 5-33 碳化鎢之 3D 複雜微小造型加工路徑與設計 ................................. 129 圖 5-34 以碳化鎢材料切割 3D 結構加工驗證圖 ......................................... 130 圖 5-35 不同「電阻-電容」組數對導電陶瓷放電進給率與短路次數比較 132 圖 5-36 「等值電容」對導電陶瓷放電加工之進給率與短路次數比較 ..... 133 圖 5-37 不同放電電源對導電陶瓷之金屬移除率比較 ................................ 137 圖 5-38 不同放電電源對導電陶瓷之火花腐蝕能力比較 ............................ 137 xv.

(17) 圖 5-39 電容組數對導電陶瓷加工面粗糙度之影響 .................................... 139 圖 5-40 電容組數對導電陶瓷加工面粗糙度與進給率之影響 .................... 140 圖 5-41 等值電容對導電陶瓷加工面粗糙度之影響 .................................... 141 圖 5-42 不同放電加工電源對導電陶瓷加工面粗糙度之影響 .................... 142 圖 5-43 電容組數對導電陶瓷加工槽寬之比較 ........................................... 145 圖 5-44 等值電容對導電陶瓷加工槽寬之比較 ........................................... 146 圖 5-45 導電陶瓷之 3D 微齒條造型加工路徑與設計 ................................. 147 圖 5-46 運用導電陶瓷製作微齒條加工完成圖 ........................................... 148 圖 5-47 不同「電阻-電容」組數對含硼聚晶鑽石進給率與短路次數比較 150 圖 5-48 「等值電容」對含硼聚晶鑽石加工之進給率與短路次數比較 ..... 151 圖 5-49 不同放電電源對含硼聚晶鑽石之金屬移除率比較 ........................ 155 圖 5-50 不同放電電源對含硼聚晶鑽石之火花腐蝕能力比較 .................... 155 圖 5-51 電容組數對含硼聚晶鑽石加工面粗糙度之影響 ............................ 157 圖 5-52 電容組數對含硼聚晶鑽石加工面粗糙度與進給率之影響............. 158 圖 5-53 等值電容對含硼聚晶鑽石加工面粗糙度之影響 ............................ 159 圖 5-54 不同放電加工電源對含硼聚晶鑽石加工面粗糙度之影響............. 160 圖 5-55 電容組數對含硼聚晶鑽石加工槽寬之比較 .................................... 163 圖 5-56 等值電容對含硼聚晶鑽石加工槽寬之比較 .................................... 164 圖 5-57 含硼聚晶鑽石之研磨銑刀造型加工路徑與設計圖 ........................ 165 圖 5-58 含硼聚晶鑽石銑刀加工完成圖 ....................................................... 166 圖 6-1 三種放電電源對各種材料之金屬移除率與火花腐蝕能力比較 ....... 168 圖 6-2 多重「電阻-電容」放電電源對各種材料之火花腐蝕能力比較 ..... 168 圖 6-3 三種放電電源對各種材料之切割效能比較 ...................................... 169 圖 6-4 碳化鎢切割後表面成分分析 ............................................................. 172 圖 6-5 導電陶瓷切割後表面成分分析 ......................................................... 173 xvi.

(18) 圖 6-6 含硼聚晶鑽石切割後表面成分分析 ................................................. 173. xvii.

(19) 符號說明 Aff. 加速度前饋增益. ID. 電晶體最高承受電流. C. 電容. IDS. 漏極與源極兩端電流. CP. 放電加工電源的切割效能. IP. 放電電流. DF. 衝擊係數. Kp. 比例增益. d1. 單發放電痕直徑. Ki. 速度積分增益. Ed. 輸入電荷. eg. 電路中損失的電荷數. EtP EtS EtT. Kpos. 1 秒內多重「電阻-電容」放電電源所產生的總庫倫量 1 秒內單「電阻-電容」放電電源所產生的總庫倫量 1 秒內電晶體放電電源所產生的總庫倫量. 位置增益. K. 自然對數曲線函數. L. 電感. M.P.. 金屬熔點. MRR. 金屬移除率單「電阻-電容」放電電源的金屬移除率多重「電阻-電容」放電電源的金屬移除率電晶體放電電源的金屬移除率. ED. 放電電壓. MRR S. E0. 電源電壓. MRR P. F. 切割進給率. MRR T. Fs. 取樣頻率. P. 極性. h1. 放電痕深度. QT. 電晶體放電一發所需庫倫值. h2. 放電痕隆起高度. R. 電阻. Iin. 輸入電流. RG. 電晶體內部電阻. xviii.

(20) 最大表面粗糙度. V DD. 電晶體最高承受電壓. Ra. 中心線平均粗糙度. VvolR. 「電阻-電容」電源加工之體積. Re. 限流電阻. VvolT. 電晶體電源加工之體積. Rmax. SEA SEA P SEA T SEA S. 火花腐蝕能力多重「電阻-電容」放電電源的火花腐蝕能力電晶體放電電源的火花腐蝕能力單「電阻-電容」放電電源的火花腐蝕能力. td(off). 電晶體關閉延期時間. td(on). 電晶體開啟延期時間. tr. 電晶體電壓上升時間. tf. 電晶體切換所後全部時間. Vo. 開路電壓. Vg. 極間電壓. Qsingle. 每發放電產生庫倫量. VT. 臨界電壓. V DS. 漏極與源極兩端電壓. Vin. 輸入電壓. Vff. 速度前饋增益. xix. ξ. 振盪阻尼. τp. 脈衝時間. τoff. 休止時間. τn. 放電延遲時間.

(21) 第一章緒論. 1-1 前言隨著時代進步，所有產品逐漸朝向輕、薄、短、小的方向發展。因微型化產品具多工性、省力、省能源及反應速度快等優點，其應用廣泛，如：手機通訊設備、消費性電子產業、大眾交通運輸、精密量測儀器以及國防工業等領域。一份法國 Yole 公司對於微型產品的市場預測趨勢指出，在 2012 年時，微型產品的市場產值已超越 10 億美元，而 2013 年後仍持續成長，到 2017 年將會超越 20 億美元，如圖 1-1 所示[1]。由此可了解，微型化發展所帶動的市場是不容忽視的。. 圖 1-1 微機電系統市場趨勢. 圖 1-2 各種微型零件. 產品微型化的趨勢，帶動了諸多產業蓬勃發展，如精度高而微型化的元件與模具，包含微齒輪(Micro gears)[2]、微感測器(Micro sensors)[3]、微馬達 (Micro motors)[2]、微反射鏡(Micro mirrors)[4]等，如圖 1-2 所示。而零件尺寸特徵大多介在數微米(µm)到數毫米(mm)之間，其加工精度在 1µm 以下。為了因應微型產品的發展，使周邊模具的設計微型化，加工所運用的刀具、 1.

(22) 夾具或工具，亦同步微小化，以達到所需加工需求。在微型零件的加工技術上，因尺寸限制，使加工方式不能再以傳統的加工方式進行，因此衍生出多種對微細產品的加工技術，如以現今相當成熟的半導體技術運用至微加工中，像半導體微影技術(Lithography)、X 光深刻(Lithographie Galvanoformung Abformung, LIGA)、蝕刻技術(Etching)、電鑄成形(Electroforming)等；也有運用電能轉熱能的方式加工，像雷射束加工(Laser beam machining)、微細放電加工(Micro electrical discharge machining, Micro EDM)、微細線切割加工 (Micro wire electrical discharge machining, Micro w-EDM) 、電子束加工 (Electro-beam fabrication)等；而也有學者直接將傳統的加工法微小化進行加工，如微細研削(Micro grinding)、微銑削(Micro milling)、鏡面車削(Mirror turning)；更有學者運用複合兩種以上的加工法進行加工，如微細電解拋光 (Micro electro polishing)等[5]。. 2.

(23) 1-2 文獻探討本研究文獻探討分為二部分：第一部分係針對放電加工的歷史與現行發展技術進行探討及回顧；第二部分為放電加工電源開發，主要是對放電電源技術進行探討，並整理出近年來開發出的放電電源。. 1-2-1 放電加工發展歷程以現行機械加工法中，放電加工發展相較於其他加工法，是較晚被開發出來的技術。此法是利用兩導電體，通以正、負兩極電壓，在一個極小距離下，產生電子跳躍，能量撞擊工件表面，形成高溫，去除材料。放電加工最早由德國科學家們[6]於1919年發展出來的，科學家在裝滿水的容器中放入兩片同樣的金屬，使其平行對立排列，並以電容般的電源，做反覆充放電，試圖利用以兩金屬間放電作用，製造微細金屬粉末，但因製作效率差，而未受世人重視。直到西元1943年，蘇聯科學家Dr. Lazerenko[6] 用電容放電所產生的火花，進行材料破壞，並研究放電點的破壞現象，其後，利用改良的控制電源與伺服機構，讓金屬藉由放電破壞，加工出所需的形狀，此模型為現今放電加工機雛型。此加工方式到1948年，由日本東京大學鳳誠三郎博士[7]正式命名為放電加工法。此後，許多關於放電加工原理、控制方法或改變加工參數進行放電的相關研究，相繼被發表出來。Dr. Mamalis等人(1987)[8]發表鋼鐵材料對於放電加工後表面的巨觀與微觀差異，其中發現加工表面品質與放電電流、放電能量有關，在高脈衝能量時，因持續高溫而容易發生裂痕。Dr. Petrofes等人 (1988)[9]發表關於放電能量和放電加工液對放電坑大小的相關參數研究，實驗後發現，當放電能量越大時，放電坑也越大，而加工液導電度越高，其放電坑也越大。Dr. Bormann (1988)[10]發表關於放電表面裂縫型態研究，此研究將裂縫分為熱裂縫(Thermal cracks)與拉伸裂縫(Tension cracks)兩種，實驗 3.

(24) 後發現，碳化鎢加工表面，大部分裂縫為熱應力裂縫，而碳鋼或工具鋼的表面，則以拉伸裂縫為主。 Dr. Kruth等人(1995)[11]發表關於不同加工材料、不同電極材料與不同的加工液進行放電加工，並以此參數探討加工變質層變化，實驗發現，以水為加工液時，工件會發生脫碳(Decarburization)現象，若以煤油為加工液，則表面變質層則會生成為Fe3C，兩種加工液皆有好壞之差。Dr. Soni等人(1997)[12] 提出關於放電加工中，電極材質不同所產生的影響，以碳化鎢電極與鉻鋼電極而言，放電加工過程中，電極與工件會發生金屬元素轉移的現象，使工件表面生成合金相，因此可運用此現象，使工件表面產生較高的硬度與強度。 Dr. Rebelo等人(1998)[13]提出關於放電加工中放電電流與脈衝高度對工件表面的影響，結果指出，放電能量越大時，表面熔融與放電坑越明顯。 Dr. Tzeng等人(2001)[14]提出以鋁、碳化矽、鉻與銅等不同粉末，加入放電加工液中，並對放電加工後的工件，進行表面與熱影響區分析，由結果指出，粉末大小、密度、濃度、導電性與導熱性，皆對放電加工品質有相當大的影響。其中，鉻因導電性佳、導熱性低，使材料移除率有相當好的表現，所以在粗加工時，可以加入鉻粉，增加材料移除率。其後，Dr. Tzeng等人 (2003)[15]提出以三種不同形狀尺寸的電極及不同濃度的鉻，利用田口法，尋找出最佳的電極尺寸對加工尺寸的相對模組，以達最穩定、高精度且高準確性的加工尺寸，實驗結果發現，放電時間(Pulse duration)、衝擊係數(Duty factor)與放電電流(Peak current)是加工中影響最大的參數，並利用田口法，求出最佳參數組合，使其具有極高的再現性。 Dr. Guu (2005)[16]使用工具鋼進行放電法加工，以放電電流0.5A, 1.0A 及1.5A，以及放電時間3.2 μs與6.4 μs等參數下，探討對表面裂痕與粗糙度影響，結果指出，當放電電流及放電持續時間越高時，工件表面粗糙度及裂痕越大。Dr. Hu等人(2005)[17]提出利用UV-LIGA技術製作出孔電極，再運用孔電極製作出微型探針，其製作流程如圖1-3(a)所示，實驗指出，此法可在 4.

(25) 不銹鋼上製作電極陣列，如圖1-3(b)所示，深寬比(Aspest-ratio)達17.65。. (b) 微型陣列探針完成. (a) UV-LIGA製作陣列探針流程. 圖 1-3 UV-LIGA 結合 Micro EDM 加工技術之研究[17]. Dr. Di等人(2009)[18]建構一個可清楚觀察線切割放電加工過程與切口寬度的模型，如圖1-4(a)所示，結果指出，放電電壓不僅決定放電間距，更會影響加工導線的振動。當放電電壓越高時，產生的爆炸也越大，而此爆炸會讓加工導線振動，使切口寬度變大，如圖1-4(b)所示。. (a) 導線位置與切口寬度示意. (b) 電壓、加工時間與槽寬比較表. 圖 1-4 線切割放電加工槽寬研究[18]. Dr. Mai等人(2011)[19]利用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,. 5.

(26) CVD)製程，製作奈米碳管粉末，並在放電加工過程中加入粉末，依實驗結果發現，當加入奈米碳管粉末時，其切割進給率較一般放電加工提高65~70 ％，而相較於其他粉末，加入奈米碳管粉末的表面粗糙度與切割進給率較好，但其製作成本較高。 Dr. Wang等人(2012)[20]以自製雕模放電模型，觀察雕模放電時，所產生的熔渣與氣泡分布狀況之影響，結果指出，電極向上拉的高度，決定進入底部間隙加工液體積。當高度大於一定值時，可使足夠加工液進入間隙中，使放電加工趨向穩定。Dr. Goda等人(2013)[21]開發出小型5軸放電加工機，其機構如圖1-5(a)所示，並以此機台進行線上探針製作與線上即時量測，減少探針安裝時，所造成的人為誤差。主要是運用板狀電極進行放電加工，製作出L型探針，其流程如圖1-5(b)所示，並利用L型探針進行孔的真圓度、圓柱度及幾何精度檢測。檢測孔直徑可達300 μm以上。. (a) 小型五軸放電加工機實體圖. (b) L型探針製作流程. 圖 1-5 L 型探針製作與線上檢測研究[21]. 1-2-2 放電加工之電源設計在放電加工中，須考慮的許多參數中，依上述研究報告可知，對於加工品質與切割效率影響最大的參數，為放電電源，因此電源的改良與優化是許. 6.

(27) 多學者致力研究的課題，本章節將其內容分專利與文獻進行探討。. 1). 放電加工電源相關專利搜尋在放電加工中，放電電源控制是一種極為重要的技術，對於加工品質與切割效率皆有影響，因此各公司或發明者為了保護自身技術，皆在各國申請專利，以求保護。如：Dr. Magara等人(1992)[22]等學者在進行微細精加工時，為了避免連續電弧放電，提出以低放電能量的方式進行加工，依實驗發現，當電容值降低時，容易引起持續電弧放電現象，如需以低能量放電加工，必須提高其放電頻率，以減少電弧放電現象。SODICK Co., Ltd. (2000)[23]在美國發表關於放電電源的專利，此創作利用兩組直流電壓配合兩組電晶體進行加工，圖1-6(a)為整體電路圖，上方為電晶體放電電源，主要用於粗加工；下方為「電阻-電容」放電電源，主要用於精加工，其電容是利用電路中的浮游電容進行放電，其電路圖如圖1-6(b)所示，加工時，先進行粗加工，再進行精修加工，其結果可製作出表面粗糙度Rmax＜1 μm，其加工參數與表面粗糙度對照表如圖1-6(c)所示。. (a) 2組式放電電源設計. (b) 2組式放電電源之精修電源. 7.

(28) (c) 加工參數與精度對照表圖 1-6 線切割放電加工之 2 組電源放電電源[23]. Dr. Lin(2001)[24]提出一種調控電源的方法，圖1-7(a)為所開發之電源，而圖1-7(b)為設計波列。此法是將電晶體、電源與電容串聯在一起。使放電開啟後，運用電晶體高速切換，使電容產生正負兩種電流，並運用電容的儲存效果，將電流控制在固定範圍內，讓加工時產生的能量一致，並且讓能量保持連續不中斷，使脈衝時間拉長，提升切割效率。. (a) 調控電流式放電加工電源. (b) 調控電流式放電電源波列. 圖 1-7 放電加工之電源應用手段[24]. CHARMILLES Co., Ltd.(2002)[25]在美國提出專利申請，其電路利用 0.1~10MHz的超高頻交流電壓，使陰離子與陽離子在兩極間中相互振盪、撞擊，產生引弧效果，並控制離子避免撞擊工件，因此不會產生電解效應。在 8.

(29) 引弧後，立即切換為負極性放電，增加材料移除率。 MITSUBISHI Co., Ltd.(2004)[26]也發表了關於放電電源的研究專利，提出在放電後，存在兩極間的殘留能量，會影響下次放電的放電狀況，同時也會直接影響工件加工後的表面精度。因此，該公司利用交流放電時，以相反極性的放電能量，將兩極間的殘餘能量抵銷，進而增加放電頻率，提升效率。. 表 1-1 自調式電源部位名稱[27] 編號名稱高壓引弧單元 2. 圖 1-8 自調式放電加工電源[27]. 3. 低壓放電單元. 4. 放電脈波產生單元. 22. 高壓引弧開關模組. 23. 高壓引弧電源模組. 32. 低壓放電開關模組. 33. 低壓放電電源模組. 到了2011年，臺灣工業技術研究院[27]也提出一篇關於放電電源專利，圖1-8為開發之電路圖，其設計圖中各數字名稱如表1-1所示，此專利是利用兩組電源進行放電，利用高壓引弧電源模組來誘發放電現象發生；再以低壓放電電源模組進行加工，此電源在高壓引弧後，進行電壓偵測，並精確控制低壓放電電源的單發放電能量，以達到有效的節能。Mr. Yan(2011)[28]提出關於線切割放電加工電源專利，圖1-9(a)為開發之電路圖，其設計波列如圖 1-9(b)所示。該電源運用橋式轉換器，使直流電源產生正負兩極轉換，此法可使放電加工過程中，具有穩定的電源供應，可避免直流電源放電時，產生的電解現象，可降低工件變質層產生。並加入一組卸除多餘電壓的機制，使正極放電時，避免上一發相反極性電源干擾，減少放電時的放電能量損失，進而提升切割效率，同時將其發表為期刊文章[29]。. 9.

(30) (a) 反電解之線切割放電電源設計. (b) 反電解電源之放電波列. 圖 1-9 線切割放電加工精修電源控制電路[28, 29]. 2). 放電加工電源文獻探討放電加工電源在放電過程中是很重要的控制參數，因此各國皆投入許多資源，進行開發，並在國際期刊中發表。如：Dr. Sakai等人(2007)[30]發表一篇研究報告，利用10MHz高頻率交流放電電源進行加工，其電路如圖1-10(a)，此技術可降低電極上的靜電作用，提升加工精度，使，表面粗糙度Rz達0.3~0.5 μm，圖1-10(b)為加工完成後表面粗糙度檢測。. (a) 高頻交流放電電源. (b) 加工後表面粗糙度. 圖 1-10 高頻放電加工電源應用研究[30]. 10.

(31) Dr. Han(2004)[31]等學者利用放電電流做為回授，作為控制電晶體開關的基準，以達到等能量放電，其電路圖如圖1-11(a)所示，可使每發放電電流峰值維持在1.6A以下，電流寬度在30ns左右，以此波形進行加工，配合伺服控制系統，可提升工件表面品質及加工效率，如圖1-11(b)所示。. (a) 電流回授控制放電電源設計. (b) 開發電源與其他電源效率比較. 圖 1-11 等能量放電加工電源開發[31] Dr. Chung(2012)[32]等學者利用高頻率交流電源，電路圖如圖1-12(a)所示，其法利用小能量進行精細表面的放電加工，放電波形如圖1-12(b)所示，可成功防止電解腐蝕發生。同時，證明用水為加工液以80V的交流電源，較煤油為加工液80V配合「電阻-電容」放電電源的金屬移除率高出7倍。. (a) 高頻率交流電源設計. (b) 高頻率交流電源放電波形. 圖 1-12 高頻率的交流電源之研究[32] 11.

(32) Dr. Jiang(2012)[33]等學者利用一組「電阻-電容」放電電源，並配合電晶體控制放電時間，再利用另一組高壓的「電阻-電容」放電電源當作引弧電源，以達到更好的放電效果，電路圖如圖1-13(a)所示，依實驗結果，此法有助於提高放電切割效率。並透過電晶體切斷，減少休止時間的有害脈衝，降低電弧放電發生，並製作出深寬比高達22的深孔，如圖1-13(b)所示。. (a) 引弧式放電加工電源設計. (b) 加工完成之高深寬比孔洞. 圖 1-13 微孔放電加工脈衝控制之研究[33]. 12.

(33) 1-3 研究動機零件微型化是現今科技發展的趨勢，使微加工製程漸漸受到重視，全球對於微細加工與超精密加工技術，皆投入相當多人員進行新技術研究。在微加工技術領域中，半導體的蝕刻及沉積製程技術雖可製作結構複雜及大量的微小零件，但因製程設備昂貴、製程技術困難，且無法製作出高熔點材料的元件，同時也對環境造成污染，對於業界的微小模具製造較不合適[34]。另外，還有一種常用的微加工法-微銑削，此法是運用微型刀具來銑削工件，達到所需之形狀。但因尺寸效應，使刀具在微小化的過程中，無法保持原本強度，故刀具剛性不佳，使工件材質時受到諸多限制。再者，無論再硬的刀具都會因長時間接觸加工，使其變形，因此無法長時間進行加工，尤其對於高精度或高深寬比的微細工作物，常因懸臂樑效應，使加工難度更高[35]。在微細加工領域中，對於加工高硬度、高熔點的材料，常運用微細放電加工來製作，自 1985 年日本東京大學 Masuzawa 等人[36]提出線式放電研削 (Wire Electro Discharge Grinding, WEDG)修整機構，並以此機構製作出許多的微小元件，並整合開發出許多微放電的加工製程。另外，微放電加工也常加入其他技術，進行整合型加工，如 Egashira(1999)等人[37]將超音波振動輔助技術運用到放電鑽孔中，可使放電鑽孔所產生的熔渣(Debris)，容易排出，減少二次放電發生，提升切割進給率。Ehrfeld(1993)等人[38]提出運用 X 光深刻技術製程技術，製作出銅電極，在以此電極進行放電加工，製作出所需模具。為了增廣放電加工的應用性，Ciddor(2001)等教授[39]提出以雷射作為量測基準，進行補償，此法可提升放電加工時的尺寸精度與形狀精度等。上述方法，皆由複合的方式，提升微放電加工製程的多元性，以符合業界需求。. 13.

(34) 在放電加工中，只要加工物與被加工物皆為導體，即可加工。相較於其他加工法，雖然存在加工速率慢的缺點，但放電加工仍具有以下優勢：. 1.. 高精度加工. 2.. 無人化運轉. 3.. 複雜形狀加工. 4.. 高硬度高熔點金屬皆可加工. 5.. 非接觸加工且無加工應力. 由以上特徵，可知此法對於精微零件製造較其它加工法具備更多優勢，而加工速率慢，也不全是壞處，對微小零件而言，微細加工量可提升加工精度與表面出粗糙度。在放電加工過程中，影響加工速率與加工品質有很多因素，其中以放電加工電源影響最大。就現今放電電源技術而言，可將放電電源分成電晶體放電電源和「電阻-電容」放電電源(Resistance-Capacitance discharge circuit, RC circuit)。其中電晶體放電電源，因每一週期所釋放的放電能量較大，使每發放電能量所移除的材料較多、加工速度較快；但因能量太大，使加工精度下降，無法符合微加工需求。有鑑於此，在微加工技術開發上，大都採用「電阻-電容」放電電源為主要電源，「電阻-電容」放電電源可產生瞬間高溫，因時間短暫，影響區域小，使平均能量較小，移除材料範圍少，因此能維持良好表面粗糙度。但因「電阻-電容」放電電源在放電時，需同時滿足兩極間處於一定小的間距與電容充滿電荷等條件，方可進行正常放電。傳統「電阻-電容」放電電源皆以單顆電容進行放電，使單位時間放電次數少，故切割速率無法提升。. 14.

(35) 1-4 研究目的本研究主要目的是開發出具高效率與高精度的精微放電加工電源。以電腦為終端控制器，運用電腦書寫程式，輸入可程式數位邏輯編輯器(Progra mmable Logic Devices, PLD)中，以產生所需之訊號。此法可將可程式數位邏輯編輯器所編輯的程式與放電加工的作業電腦相連接，使本研究在放電加工實施過程中，能即時更改參數，提高放電切割效能及順暢性。並透過電晶體驅動電路設計，將輸出的邏輯訊號放大，以達控制放電電源中各電晶體之目的，讓多顆電容在不同特定時間下放電，減少單一電容在放電加工過程中充電時所浪費的時間，以改善單「電阻-電容」放電電源切割進給率，形成多重「電阻-電容」放電電源(Plural Resistance-Capacitance power source, plural RC power source)。本研究開發之多重「電阻-電容」放電電源主要係利用電晶體經由可程式數位邏輯編輯器輸出控制訊號脈衝，控制各顆電容在適當的時機進行放電，使放電狀態連續而不間斷，以增加單位時間的放電次數，提升切割進給率，而因加工時單發能量不變，使單次放電既不會對材料產生更大的去除量，可保持良好表面粗糙度，實現高效率微型元件製作。. 15.

(36) 1-5 研究方法本研究旨在於開發一創新精微放電加工電源，主要目的是提升精微放電切割進給率與表面粗糙度，特別適用於加工高熔點、或高硬度的難切削材料 (Difficult-to-machine materials) ，如含硼聚晶鑽石 (Boron-Doped Polycrystalline Composite Diamond, BD-PCD) 、導電陶瓷 (Conductive ceramic) 與碳化鎢. (Tungsten carbide)等材料。為了獲致高精度的微放電加工，本研究以「電阻電容」放電電源作為放電加工基礎電源，並依電容充放電特性，提出運用交互放電的方式，減少電容充電時所浪費的時間，達到提高切割進給率之目的。其中以控制電容的放電時間與休止時間為本研究的開發核心，並因應不同材料找出最佳的放電參數，使加工達到最佳切削效果。本研究利用開關方式，控制電容的充放電時機，以目前市售電容而言，其充電時間達微秒(Micro second)等級，由此推知，本研究所使用的開關頻率必須比電容充放電速度更快，以避免因開關限制，而無法達到高速控制電容之效果。因此本研究採用金屬-氧化物-半導體場效電晶體(單通道電晶體)(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)作開關使用，其開關速度快，可達所需之切換等級。接著，需準確控制開關，方可掌握放電時機，實現本研究目的，研究架構圖如圖 1-14 所示。. 16.

(37) 圖 1-14 本研究之實驗系統架構圖. 17.

(38) 第二章實驗原理與應用. 本章節針對研究主題，列出相關資料與應用原理，作為研究基礎。本章節將其相關內容分為四部份：1.放電加工原理、2.常用精微放電加工型態、 3.放電電源系統、4.電晶體切換原理，並依序討論。. 2-1 放電加工原理. 2-1-1 放電加工現象說明放電加工(Electric Discharge Machining, EDM)，是一種非傳統加工法 (Non-traditional machining)。圖 2-1 為放電加工示意圖，此法是將電極與工件置入具有絕緣性的加工液中，並在電極與工件兩端通入數十伏特以上的電壓，並利用精密位移平台，使電極與工件間保持極微小的距離(Gap)，產生電場 (Electric fields)，當此電場強度大於加工液的耐壓強度，便會讓電子突破加工液的絕緣層，形成電漿通道(Plasma)，撞擊工件表面，此時極間會瞬間產生 8,000℃~12,000℃[40]的高溫，使工件產生局部熔化甚至汽化，達到移除材料效果，而被熔化的工件材料，因加工液迅速冷卻，形成殘渣，再藉由加工液將其沖離放電處，避免造成二次放電或是電弧放電(Arc discharge)現象。透過放電加工液循環系統，將加工液中殘渣過濾，以維持加工液乾淨度，避免殘渣濃度過高，降低加工液的功能。此法常用於製作模具或進行高熔點、高硬度金屬的移除加工，圖 2-2 為各式金屬結構之放電加工應用例。. 18.

(39) 圖 2-1 放電加工原理示意. 圖 2-2 放電加工應用例[41]. 2-1-2 放電加工材料移除機制在放電加工的過程中，主要是利用電極與工件間，所產生的瞬間高溫爆炸，使材料熔化或汽化，同時將存在於兩極間的加工液，藉由放電爆炸，使其膨脹產生適當衝擊力，將工件所產生的殘渣排除，使電極與工件間恢復絕緣，等待下次放電，運用此法持續、密集且穩定的重複作用，即可達到移除材料的目的。圖 2-3 所示為放電加工過程示意圖，而本章節依圖將放電過程分為五部分描述：. 1). 放電發生(Discharge occur) 如圖 2-3(a)所示，放電發生前，須在工件與電極兩端通入數十伏特以上的電壓，並讓電極慢慢接近工件時，使兩極間的電場強度增加，此時，電子會向陰極聚集，當電極更接近工件時，放電會從兩極間最短的距離開始發生，此時電子與陽離子會相互跳躍、碰撞，產生電離通道，此通道是一種電流密度極高的電子流，而被衝擊到的區域只有一點，此點稱為熔化點。. 19.

(40) 2). 電離作用(Ionization) 如圖 2-3(b)所示，在脫離陰極的電子加速撞擊過程中，因碰撞加工液中的中性粒子，使部份的粒子獲得電子，部分粒子失去電子，而此現象稱為電離作用。被電離後的陽離子與陰離子分別會向陰極與陽極衝撞，並在較強的電場加速作用下，產生更高的速度，當這些陽離子與陰離子分別撞擊電極(負極)與工件(正極)時，將會在瞬間使動能轉變成熱能，而此能量如同爆炸般，熔化及汽化材料。. 3). 熔融與汽化(Melting and evaporation) 如圖 2-3(c)所示，因加工液的電離作用，使陽離子與陰離子分別撞擊電極與工件表面，而產生如爆炸般的能量，使金屬因高溫、高熱而熔化，甚至產生汽化，因兩極皆有離子撞擊，使兩極皆有熔化或汽化的現象。但因陽離子重量較重，使電場的加速作用無法使其得到較高能量；而陰離子(電子)質量較輕，加上電場的加速作用，使其產生的能量較大。因此，在放電加工過程中，大多的能量都集中在陽極上。. 4). 沖除(Removal) 如圖 2-3(d)所示，因陰離子(電子)撞擊工件表面而產生爆炸，使電漿通道周圍的加工液汽化、膨脹，進而產生一種向外擴張的壓力，使放電加工產生的融熔加工物，如：放電殘渣、電極的微細粉末與加工液的分解物(氣體、碳、焦油)，會因爆炸壓力而被沖離原本的熔化點。. 5). 放電週期完成(Discharge finish) 如圖 2-3(e)所示，當熔化點的殘留物被沖除後，此發放電結束，此時電漿通道消失，電極與工件間回復絕緣，新的加工液流入，壓力與熔. 20.

(41) 化點溫度快速下降，使金屬殘渣凝固成金屬屑，分布在加工液中。沒有移除的殘渣因加工液的作用，凝固成似火山口的放電坑，而放電坑邊緣隆起的部份，將成為下次放電的目標點。. 圖 2-3 放電加工程序流程. 2-1-3 放電加工工作參數放電加工是需高度技術的加工法，須在放電加工過程中，選擇適當的加工參數，使加工成品達到所需加工精度與特性。如：粗加工時，須以較快的加工速度來進行，故選擇較大能量加工；而精加工時，主要注重成品的加工精度，對加工速度並無過多要求，所以利用較小能量來加工。可知，當加工電源不同時，所需設定的放電參數也不盡相同。而放電參數也會因電極材料或工件材料不同而改變，主要是因每種材料皆具有不同的導電性、導熱性及熔點。為了得到更好的放電效率與適當的加工精度，需對放電加工參數的意義及其影響有所瞭解。因此，本章節對放電常見參數，進行相關論述，如：開路電壓、放電電流、脈衝時間、休止時間、極間電壓、衝擊係數與極性等。. 21.

(42) 1). 開路電壓(Open voltage, Vo) 開路電壓是指放電加工中，未放電時兩極間電壓。其值越高，越容易突破兩極間絕緣限制，使放電加工可維持在較為穩定的放電狀態，以減少電弧放電或斷續放電現象發生，其波形標註如圖2-4所示。. 2). 放電電流(Peak current, IP) 放電電流是在固定電壓下放電，所測到的最大電流值，又稱峰值電流，其值對放電加工具有極大影響。當放電電流越大，則放電能量也越大，具有較高的金屬移除率，但同時也降低成品的表面粗糙度；反之，較小的放電電流，其放電能量也較小，對材料的移除率也較低，但可獲得較佳表面粗糙度，其波形標註如圖 2-4 所示。. 3). 脈衝時間(Pulse duration, τp) 脈衝時間是每發放電電流維持時間。當脈衝時間越長，單發放電能量越大。如果脈衝時間過長，在放電時，電漿通道會膨脹變大，使能量密度無法集中，故金屬移除率下降。反之，當脈衝時間過短時，放電電流會無法達到所設定值，使效率變低，其波形標註如圖 2-4 所示。. 4). 休止時間(Pulse off time, τoff) 休止時間是指單發放電後到下一次放電的休息時間。此段時間主要是為了使材料重回絕緣狀態，並使殘渣可以順利排除，當休止時間越短，其切割效率越好，卻容易使材料處於熔融狀態，使放電不穩定，其波形標註如圖 2-4 所示。. 22.

(43) (a) 「電阻-電容」放電波列. (b) 電晶體放電波列. 圖 2-4 放電加工波形示意圖. 5). 極間電壓(Gap voltage, Vg) 極間電壓是放電加工實施中，極間的電位差。其值與兩極間隙成正比關係。也就是說，極間電壓可以代表完整的單發放電能量大小，當極間電壓越大，代表兩電極間的間隙越大，要使該區間放電，須提高放電電壓，或增加放電進給率，方可突破絕緣產生放電。. 6). 衝擊係數(Duty Factor, DF) 衝擊係數是指在單次放電至下次放電中間，具有放電效果時間佔完整放電時間的比例，公式2-1表示[6]. =. +. +. (2-1). 上式中，τ p:電流脈衝時間，τn:放電延遲時間，τoff:休止時間，若D F值過大時，會造成放電集中，使兩極間產生積碳的現象；反之，當D F 值過小時，會使放電能量小，造成放電加工時間拉長。. 23.

(44) 7). 極性(Polarity, P) 在放電加工中，電極接負極而工件接正極，會使電解後的電子，因電場關係而撞擊工件表面，使放電加工所產生的大部分熱能皆由電極所使用，此接法又稱為正極性加工法。此法雖會造成電極消耗快速，但同時也可以使工件得到較好的加工表面粗糙度。反之，當電極接正極而工件接負極，此時放電加工的熱能會轉而集中在工件中，可提升放電加工的效率，但同時會使工件的表面粗糙度變差，此法稱為負極性加工法。在一般放電加工中常以負極性加工法為主，因此法若將放電時間拉長時，會使放電加工過程中，從加工液中分解出的碳元素，附著於電極表面，進而形成一層保護膜，可減少電極消耗。但在微細放電加工中，則常利用正極性加工法，使放電坑高度變淺，以提升加工精度。. 24.

(45) 2-2 常用精微放電加工法放電加工法是利用電極與工件兩端加入電源，並讓電極與工件保持一定的加工間隙，使其產生放電現象，當此現象以數千Hz，甚至數十萬Hz的頻率放電，在工件表面產生多個凹凸不平的放電坑，依序加工，最後加工出一平面或是孔，以達到加工圖形之所需。微細放電加工是放電加工中的一環，此加工法將放電加工中的放電能量降低，使微細加工的材料移除率低，因此相當適合用在製造微細成品。而本章節主要闡述內容是將市面上各種常用的微細加工法進行探討，本章節分為3部分：1.精微雕模放電加工、2.精微線切割放電加工、3.精微旋轉式放電加工。. 2-2-1 精微雕模放電加工精微雕模放電加工(Micro die-sinking Electric Discharge Machining, Micro die-sinking EDM)用來加工高硬度的金屬模穴(鎢或模具鋼)最常使用的方法，其示意圖如圖 2-5(a)所示。此法是運用傳統或非傳統的加工方式，將較軟的金屬材料(銅或鉻銅)製作成所需要的電極，再以軟材料為電極，以硬金屬為工件，並通以電壓，再透過 Z 軸的精密上下位移，當電極向上時，可讓切削液進入電極與模穴中，以達到冷卻與清除殘渣之效果；當電極向下時，將會使電極對工件進行加工，使電極的形狀，投影至金屬模具上。在放電加工過程中，同樣會使電極磨耗，因此第一次加工出來的模穴，其尺寸精度較差，須透過多支相同電極對模穴進行加工，方可達到所需精度。精微雕模放電加工是雕模放電中的一環，其兩者最大不同在於所加工的工件尺寸差異，雕模放電加工所加工的尺寸在 1 mm 以上，而精微雕模放電加工所聚焦的工件，大都在數百 μm 到數 μm 之間[42]。在精微雕模放電加工中，如前述，最常被討論的技術為線式放電研削[43]，圖 2-5(a)為線式放電研削的機構設計[44]，其使用原理是以微細的銅線作電極，並使銅線維持在陶瓷導塊上，依固定的 25.

(46) 軌道移動，使工件與銅線維持固定的放電間隙，進行精微放電。此法可以使電極一直維持在固定位置，不會因放電的消耗而損失，使工件尺寸容易控制，故可將工件加工至極微小的形狀，如精微探針、精微模具等[45]。此技術兼具精微雕模放電與精微線切割兩者之優點，但因陶瓷導塊製造困難，因此研究常以模具鋼代替陶瓷作為導塊[44]，使此法更具普遍性，圖 2-5(b)為此法的應用之一。. (a) 精微放電研削加工示意圖[44]. (b) 放電加工實況與成品[45]. 圖 2-5 精微雕模放電加工例. 2-2-2 精微線切割放電加工精微線切割放電加工(Micro Wire Electric Discharge Machining, Micro w-EDM)是一種非接觸的加工，屬於放電加工的一環。圖 2-6(a)為線切割放電加工示意圖[3]，此法以細金屬線為電極，並在金屬線上下施加固定拉力，同時讓金屬線以一定速度前進切割，再利用金屬線的供線系統，將新的線材連續不斷的提供給放電加工處，避免放電加工時造成電極磨耗，可使加工出的槽寬一致，再利用 NC 伺服系統做精確控制，以達所需形狀，圖 2-6(b)為精微線切割放電加工機構設計之一[46]。以巨觀而言，此法如同傳統的鋸切工作，因此法只能製作出 2D 的工件。而精微線切割放電加工與線切割放電. 26.

(47) 加工最大的不同在於工件的精度與線電極的線徑大小，一般線切割所加工的尺寸大都在 1 mm 以上，而精微線切割放電加工所加工的尺寸幾乎都在數百 μm 到數 μm 之間[42]。而在線徑方面，一般線切割所用多為 250 μm 左右，而在精微線切割放電加工中，線徑則為 50 μm 以下，圖 2-6(c)與圖 2-6(d)為運用精微線切割放電加工技術所製作的成品[3, 44]，其精微線切割放電加工所運用之線徑為 13 μm，成品尺寸為 0.3 mm。. (a) 精微線切割放電加工示意圖[3]. (b) 精微線切割放電加工機構圖[46]. (c) 精微線切割放電加工應用-1[44]. (d) 精微線切割放電加工應用-2 [3]. 圖 2-6 精微線切割放電加工例. 27.

(48) 2-2-3 精微旋轉式放電加工精微旋轉式放電加工(Micro Rotary Electric Discharge Machining, Micro REDM)係多用來加工微小金屬孔洞的一種放電加工方式。此法是由雕模放電加工所衍生出來的加工法。圖 2-7 旋轉式放電加工示意圖，此法是利用中空電極，安裝於旋轉軸上，並將其旋轉軸安置在 Z 軸上，在加工時運用旋轉軸將中空管電極旋轉，此舉可使加工出來的孔洞有較高的真圓度。而加工時，除了須將工件泡在加工液外，還須讓加工液從中空電極的中間流出，如此可將放電殘渣，經由加工液沖離加工處，可減少二次放電與電弧放電發生。在旋轉式放電加工中，也有使工件與電極同時做旋轉運動，此法可製作出高真直度、高同心度與高真圓度的中空的管件，圖 2-7(b)為精微旋轉式放電加工的應用範例[46]。. (a) 精微旋轉式放電加工示意圖. (b) 精微旋轉式放電加工應用例. 圖 2-7 精微旋轉式放電加工例[46]. 28.