懸臂式微型搪研工具開發與應用

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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：陳順同博士懸臂式微型搪研工具開發與應用 Development and application of the cantilevered micro honing-tool. 研究生：葉明桀中華民國九十八年七月.

(2) 謝. 誌. 首先感謝指導教授陳順同博士，在求學期間殷切指導與悉心教誨，不僅使我在專業學術領域中精進成長，並感受到老師平日認真積極嚴謹的態度更是學生未來就業的模範。在論文完成之際，由衷致上無限地感激。此外特別感謝台灣大學廖運炫教授及台灣師範大學楊啟榮教授，於口試時的鼎力協助、指導賜教與斧正並提供寶貴建言，使得本論文更臻於完善，敬表謝意。實驗過程中，特別感謝台灣大學范光照教授，提供白光干涉儀量測平台；與台灣師範大學鄭慶民教授，提供電子掃描顯微鏡，使實驗試片能夠順利完成量測與檢測，在此特地感恩致謝。此外亦感謝CNC微型綜合加工機研發團隊，設計與製作出高精密、多功能的加工機台，使本實驗能順進行，在此由衷致上深深地感激。另外，特地感謝實驗室夥伴憲志、智昇、于賢、弘意、運正、昇民、智賢、育儒、聖尉、致緯、靖雯、慶昌、宗翰、宜穎、文亦、家豪，感謝學長與學弟在求學期間所提供的協助及互相砥礪，對論文實驗的輔導與協助，使論文得以順利完成，很感激學弟們熱心幫忙分擔各種雜務，使實驗室環境維持相當整齊乾淨，在此由衷表達謝意。最後深深的感謝我親愛的父母親，在這二十多年來不辭辛勞的付出，讓我在無後顧之憂、溫暖健康的環境下順利的完成學業。感謝妹妹雅彤、培琴，讓我更具信心面對挑戰；更感謝女友雅鈞當我實驗低潮時，給予最大的關懷與支持。並祝福每一位曾經幫助過我的貴人，願各位在生活上快樂與幸福。. 明桀 2009/7/10 於微製造實驗室.

(3) 中文摘要微型模具孔徑或槽寬尺度小於200μm時，除了粗加工困難外，模具壁面或孔壁面的精加工也很困難，本研究提出一種『懸臂樑式微型搪研工具』的設計，包括提供複合沉積的多孔性載體設計、搪研工具設計，以及提供剖切微溝的倒置式微線切割放電加工機構應用，主要針對微米等級的特徵尺度微孔進行搪研加工。經由線式放電研削修整完成的微細軸桿，移入多孔性載體中進行CBN磨粒的複合沉積。為獲得懸臂造型工具，以微線切割放電加工方式進行倒置式切割。成型的微型工具被精密移入SKD11冷模工具鋼的微孔中進行搪研實驗。所有製程均設計於同一部微型綜合加工機上完成，搪研工具不拆裝及校正，所有加工位置均由CNC系統所控制，故工具沒有定位誤差問題，與工件間的相對位置也可精密維持。實驗結果得知，加工後的微小孔可獲致極佳的幾何精度、尺寸精度與表面粗度。. 關鍵字：微型搪研工具、微放電鑽孔、微線切割放電加工、複合沉積。. I.

(4) Abstract The major aim of this study is to present a novel technique for honing the micro hole. It is difficult that makes the micro hole less than 200μm in diameter. A novel process that on-line exactly fabricate the micro honing tool using micro EDM, micro co-deposition and micro w-EDM is proposed for honing the micro hole. A micro rod as the substrate of the micro-tool is formed by w-EDM and then co-deposited with 0-2μm CBN-abrasives. Subsequently, it is axially and crisscross cut for an appropriate length by micro w-EDM to make the crotched microstructure. The finished micro honing tool is moved and located exactly on the existing micro hole via CNC path without being unloaded. The micro honing work is on-line conducted. The whole processes can be on-line realized. Experimental results demonstrate that the circularity and surface roughness on the hole-wall is evidently improved. Comparing with the obtained machining surface by micro EDM hole-drilling, the original surface roughness of near one-sixth time can be achieved. It is indicated that the micro-hole can be honed accurately using the proposed technique.. Keywords: Honing tool, hole-drilling, w-EDM, co-deposition. II.

(5) 目. 錄. 中文摘要…………………………………………………………...…………..I 英文摘要…………………………………………………………...…………..II 目錄…………………………………………………………….……..……....III 圖目錄………………………………………………………………………..VI 表目錄…………………………………………………………………….... X 符號表………………………………………………………………………...XI 第一章緒論…………………………………………………………………...1 1-1 前言……………………………………………………………………1 1-2 研究動機……………………………………………………...……….2 1-3 研究目的………………………………………………………...…….3 1-4 實驗方法……………………………………………………………...3 1-5 文獻回顧……………………………………………………………...5 第二章應用原理分析………………………..………………….…………7 2-1 複合電鍍沉積原理…………………...…………….…………………...7 2-1-1 電鍍原理……………………………………………………….7 2-1-2 鍍液的成份及其功能…. ……………………………………...9 2-1-3 複合電鍍沉積原理……………………………..………..…….10 2-2 放電加工原理………...…………………………...………………...13 2-2-1 放電加工的材料去除機制…………………………………...14 2-2-2 放電加工的優缺點……………………………….….………….15 2-3 微放電加工…………………………………………………………….16 2-3-1 微放電加工原理………………………………………..…….16 2-3-2 線式放電研削原理……………………………………….….17 2-3-3 微線切割放電加工應用……………………...…………..…..18 III.

(6) 2-4 搪磨基本原理…………………………………………………….….19 2-4-1 搪磨加工原理………………………………………………...19 2-4-2 搪磨加工特色………………………………………………...20 2-4-3 微孔搪研原理………………………………………………...20 第三章實驗設備設計……………………………………………………….22 3-1 線上分離式複合槽設計……………………………………………..22 3-1-1 前處理槽設計……………………………………………...…23 3-1-2 微型複合沉積槽設計………………………………………..23 3-2 槽體溫控設計………………………………………………………..24 3-3 電源供應器…………………………………………………………..25 3-4 複合式 CNC 微型綜合加工機應用………………………………….26 3-5 線切割放電加工機…………………………………………………..27 3-6 量測儀器設備.. ……………….……..…………….….………...…...27 3-6-1 工具顯微鏡…………………………………………………….27 3-6-2 電子式掃描顯微鏡……………………………………...……28 3-6-3 白光干涉儀………………………………………………..….29 3-7 實驗材料………………………………………………………….....29 3-7-1 模具鋼 SKD11……………………………………..……….....30 3-7-2 微型搪研工具基材(WC) ……………………………………....30 3-7-3 搪研磨粒(CBN) ……………………………………………...31 第四章實驗方法………………………………………………………………32 4-1 電鍍液排放模式實驗……………………………………………......33 4-1-1 漩渦法……………………………………….……………......34 4-1-2 隔板法……………………………………….……………......34 4-1-3 隔板與階梯斜面法……………………………………...……35 IV.

(7) 4-2多孔性載體複合沉積模具 .……………………………………...…35 4-3 多孔性載體孔隙大小與磨粒含量關係……………………….………38 4-3-1 沉積模具之孔隙大小影響…………………………………. 38 4-3-2 結果與討論………………………………………….. ………43 4-4 微型搪研工具外型設計…………………………………………......44 4-4-1 搪研工具設計受力分析……………………………………...45 4-4-2 微型搪研工具製作…………………………………………...49 4-4-3 微型搪研工具成型修整……………………………………...50 4-4-4 結果與討論……………………………………. …………….56 第五章微孔搪研拋光實驗………………………………………………….57 5-1 微型搪研工具精密定位…………………………………………….57 5-2 微孔搪研實驗……………………………………………………….58 5-2-1 前導角 α 對微孔毛邊影響………………………………..58 5-2-2 搪研工具研磨斜角 β 對孔壁表面粗度的影響………..…59 5-2-3 搪研周速對微孔真圓度的影響……………………………61 5-2-4 搪研周速對微孔圓柱度及表面粗度的影響………………64 5-2-5 結果與討論………………….……………………...………70 5-3 搪研後之工具表面…………………..……………………………71 5-4 結果與討論……………………………………..………………….72 第六章結論……………………………………………………………….....73 6-1 結果…………………..……………………………………….…....73 6-2 未來展望…………..………………………………...…..…………74 參考文獻…………………………………………..…………….....................75. V.

(8) 圖目錄圖 1-1 微型搪研工具之線上製作與應用……………………..……………....4 圖 2-1 Guglielmi 沉積機制………………………….…..................................10 圖 2-2 Celis 沉積機制…………………………….…....................................11 圖 2-3. 複合沉積示意圖…………………………….…............................... 12. 圖 2-4. 多孔性載體複合沉積模具…………………….…............................12. 圖 2-5. 多孔性載體複合沉積原理…………………………….…................12. 圖 2-6. 放電加工示意圖.…............................................................................13. 圖 2-7. 放電加工材料去除機制………………………………….…............15. 圖 2-8. WEDG 示意圖………………………………………………….……18. 圖 2-9. 微線切割放電加工應用………………………………………….....19. 圖 2-10 搪磨加工示意圖…………………………………………………….19 圖 2-11 微型搪研工具示意圖…………………………………………….…21 圖 3-1. 微型綜合加工機與複合沉積槽設計…………………………….…22. 圖 3-2. 微型前處理槽…………………………………………………….....23. 圖 3-3. 線上複合沉積槽設計……………………………………….………24. 圖 3-4. 溫度控制器………………………………………………….………25. 圖 3-5. 耐酸鹼泵……………………………………………………….……25. 圖 3-6. 實驗所用電源供應器………………………………………………25. 圖 3-7. 精密微型 CNC 複合製造系統…………………………..…………26. 圖 3-8. 線切割放電加工機………………………………………….………27. 圖 3-9. 工具顯微鏡…………………………………………...……..………28. 圖 3-10 電子掃描顯微鏡………………………………………………………..…28. 圖 3-11 白光干涉儀………………………………………………………….29 圖 4-1. 實驗流程圖………………………………………………….………32 VI.

(9) 圖 4-2. 微型綜合加工機與複合沉積槽…………..………...………………33. 圖 4-3. 漩渦式示意圖…………………………………………..….………..34. 圖 4-4. 隔板式示意圖………………………………….…………………....34. 圖 4-5 複合沉積槽示意圖……………………………….…………………35 圖 4-6 複合沉積模具設計…………………………………………….……36 圖 4-7 陶瓷法氧化鋁砂輪材質沉積模具實驗……………………….……37 圖 4-8 壓克力材質沉積模具實驗………………………………….………38 圖 4-9 複合沉積CBN磨粒示意圖…………………………………….…....39 圖4-10 不同孔隙沉積模具之表面SEM圖………………..……..……..40 圖 4-11 使用#1000 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面……….….41 圖 4-12 使用#1500 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面……….….41 圖 4-13 使用#2000 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面………...…41 圖 4-14 使用#2500 號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面…..…...…..42 圖 4-15 複合沉積示意圖……………………………………………...…..…43 圖 4-16 懸臂式微型搪研工具設計……………………………..…….…..…44 圖 4-17 懸臂式微型搪研工具尺寸設計…………………………..…...……46 圖4-18 位移量分析圖…….………………………………..............……46 圖4-19 內應力分析圖……...…………………………………..……….......…47 圖 4-20 懸臂樑示意圖……………………………………………….………47 圖 4-21 微型搪研工具製作流程圖…………………………………..…...…50 圖 4-22 線放電研削(WEDG)法…….………………………………….….…51 圖 4-23 微型搪研工具外觀輪廓……………………………………..…...…51 圖 4-24 前處理不完整，致使工具表面局部無法沉積 CBN 磨粒………..…...52 圖 4-25 前處理槽體………………………………………………..…..…….52 圖 4-26 鍍層能完整附著於基材…………………………………...……..…53 VII.

(10) 圖 4-27 線上 CBN 磨粒複合電鍍沉積…………….…………………...……54 圖 4-28 CBN 磨粒與鎳層……………………………………………………….54 圖 4-29 放電坑產生容屑空間……………………………………….………54 圖 4-30 微線切割機構………………………………………………….……55 圖 4-31 微型搪研工具……………………………………………..…...……55 圖 5-1 線上微孔搪研拋光示意圖………………………………………...…57 圖 5-2 前導角 α 對微孔孔緣毛邊的影響……………………………..……..58 圖 5-3 研磨斜角 β=0.3°………………………………………………..……..59 圖 5-4 研磨斜角 β=1.227°………………………………………….……….60 圖 5-5 研磨斜角 β=0.3°之微孔表面粗度…………………………….……...60 圖 5-6 研磨斜角 β=1.227°之微孔表面粗度………………………...……..61 圖 5-7 CNS 幾何公差-真圓度……………………………………………...…61 圖 5-8 放電鑽孔真圓度量測…………………………………………...……62 圖 5-9 搪研周速 0.942m/min…………………………………………….…...62 圖 5-10 搪研周速 1.256m/min…………………………………….…….……63 圖 5-11 搪研周速 1.570m/min………………………………………………..63 圖 5-12 孔徑矯正………………………………………………………….…63 圖 5-13 不同轉速真圓度圖表……………………………………………….64 圖 5-14 CNS 幾何公差-圓柱度………………………………………………64 圖 5-15 不同搪研周速對微孔表面影響………………………………...…..65 圖 5-16 放電鑽孔表面粗度量測……………………………………….……66 圖 5-17 搪研周速 0.942m/min 表面粗度量測……………………….…..….67 圖 5-18 搪研周速 1.256m/min 表面粗度量測……………………….…..….68 圖 5-19 搪研周速 1.570m/min 表面粗度量測………………………………69 圖 5-20 CBN 磨粒含量與屑袋寬度關係………………………………….…71 VIII.

(11) 圖 5-21 微型搪研工具搪研後之比較……………………………………….72 圖 5-22 微型搪研工具磨耗情形…………………………….......…………..72. IX.

(12) 表目錄表 2-1 微性放電加工與一般雕模放電加工之特性比較………………...…16 表 3-1 工具顯微鏡設備規格表………………………………….…..............28 表 3-2 白光干涉儀規格表…………………………………………………...29 表 3-3 SKD11 機械性質…………..…………………………………………30 表 3-4 碳化鎢機械性質…………………………………………….....……..30 表 3-5 工業材料硬度表…………………………………………..………….31 表 4-1 鍍液組成成分………………………………………………………...39 表 4-2 微放電加工參數……………………………………………...……....50 表 4-3 前處理參數…………………………………………………...………53 表 4-4 微線切割實驗參數………………………………………....…...……55. X.

(13) 符號表 F. 法拉第電量(9.6485×104 Coul /mole). M. 析出或溶解的質量(g/Ah). i. 輸入的電流(安培). T. 電鍍時間(min). η. 電流效率(％). A. 原子量. Z. 電荷數. t. 沉積厚度(μm). a. 電鍍面積(dm2). ρ. 金屬密度(g/cm3). ASD. (i/ dm2). Da. 目標孔徑(μm). Db. 鑽孔尺寸(μm). T1. 研磨間隙(μm). T2. 排屑間隙(μm). L1. 長度(μm). L2. 長度(μm). y. y 軸位移量(m) 懸臂樑長度(m). E. 楊氏系數(N/m2). I. 慣性矩(m4). ω( ). 均部載重(N/m2). r. 半徑(m) XI.

(14) A1. 四分之一圓面積(m2). θ. 角度(Rad ). r. O 點至 G 點距離(m). rm. G 點至圓弧距離(m). σ. 應力(N/m2). M(x). 力矩(N×m). d. 距離(m). XII.

(15) 第一章緒論 1-1 前言微型產品具反應速度快、省能源、方便性的優點，應用場合廣泛，涵蓋各種行業如精微模具、生物醫療、精密儀器、通訊設備、電資產業、交通運輸、半導體業、光電產業等與國防科技等領域。相對於微型產品，其加工所需之工具、刀具、模具、夾具與量具等，皆必須有高硬度、高耐磨耗及低成本的特性。精微模具製作過程中，直徑Φ200μm以下之微孔，以傳統的製程加工，去除機制較難兼顧微模孔的幾何精度、尺寸精度與表面粗糙度。因此，本研究提出一種新穎的微製造技術，它整合『微型線切割放電加工』與『精密複合沉積技術』，可高效率的製作微型搪研工具。首先，以自行開發完成的微型綜合加工機製作直徑Φ200μm的微型搪研工具基材[1]，以精密複合沉積技術將粒徑0~2μm的CBN磨粒電著於微型搪研工具基材上，再以微型線切割放電加工將尖端切出十字型微溝槽的懸臂樑結構，利用懸臂樑的彈性力對微孔壁進行研磨拋光。CBN磨粒扮演精密研削的角色，可有效解決刀具微型化的問題，並提高微型刀具的使用性能與壽命。為增加搪研刀具強度，本研究採用碳化鎢材料當微型搪研工具刀桿基底。由於刀桿基材直徑僅設計 Φ200μm，所能提供CBN磨粒附著面積亦非常微小，對此，實驗採用0~2μm 的CBN微粉粒徑，以增加刀桿單位面積的CBN含量，以及CBN磨粒裸露於鎳層表面的切刃數。微粒CBN磨粒須以複合沉積方式進行沉積，複合沉積的鎳金屬乃由一顆顆鎳原子堆積而成，在適當控制沉積參數後，鎳原子可獲致緊密的堆積效果，提供堆積而成微粒CBN磨粒之最佳定位機制。. 1.

(16) 1-2 研究動機輕、薄、短、小的產物已成為未來發展趨勢。元件微型化(Miniaturization)，不但可省能源、加快系統反應速度、更具不佔空間、美觀和節省成本的優點。無論是汽車工業、通訊產業、資訊科技、生物醫療及居家護理等重要產業，每年都有許多新的應用產品問世。所以微型化風潮也帶動國內諸多產業的蓬勃發展，如國內半導體工業及資訊電子產業，已成為我國產品出口的主力，像是個人電腦、滑鼠、掃描器、顯示器與 3C 產品等。微機械元件的製作與微機電系統已逐漸成為一個重要的研究課題，尤其微孔加工技術在微製造技術中佔有很重要地位。微孔應用十分廣泛，主要被當成流體通道，如紡織機上的異形紡孔、噴墨印表機的噴墨孔、微射出成型的微射流口與汽油化油器噴嘴等。針對微細小孔，如何發展高精度微細加工技術，已成為微製造主要目標之一。目前，常用的微孔加工技術有：雷射鑽孔加工、LIGA 製程、微細超音波加工與微放電加工等。一般雷射加工，由於加工熱會使加工表面產生較大的熱影響區，影響微孔表面品質；LIGA 製程雖然可批次大量製造，但設備昂貴，製程複雜，且在加工高深寬比的條件下，很難得到較佳的幾何精度；超音波振動加工雖可製造精度優良的微細孔洞，但加工時間相當長；微細放電鑽孔加工則是另外一種製作微細小孔的有效方法，不過微放電過後的表面會產生再鑄層與微放電坑，其次，電極消耗而產生錐孔，會影響孔精度，需再進行二次加工來改善精度。因此，開發低成本且高精度的微型搪研工具，對微孔的高精度加工是有其必要的。. 2.

(17) 1-3 研究目的本研究針對硬化的 SKD11 模具鋼材料，進行微孔搪研拋光研究，此項技術可應用於紡織機上的異形紡口、噴墨印表機的噴墨孔及微射出成型的微射流口等[2]。實驗提出一種複合式製造技術，以微放電加工技術、複合沉積技術及微搪研拋光技術，製成微型搪研工具來針對直徑 Φ200μm 的微孔進行搪研拋光。由實驗結果顯示，此線上複合加工方式能獲致精密且高效率的精微加工技術，在幾何精度、尺寸精度及表面粗度均能獲致明顯改善效果。. 1-4 實驗方法圖1-1所示為本研究實驗方法。先以自行開發完成的微放電加工機製作直徑200μm的碳化鎢微細心軸，如圖1-1(a)-1；經前處理，如圖1-1(a)-2，再以精密複合沉積技術將微粒CBN磨粒沉積於心軸表面，如圖1-1(a)-3。以微線切割放電加工，將沉積成型的磨棒胚料之自由端切割出適當長度的十字型微溝槽，如圖1-1(a)-4。此為懸臂樑結構，利用此一彈性結構體，進行精密對位，如圖1-1(b)-5，便可對微型孔壁進行搪研拋光，如圖1-1(b)-6。CBN磨粒扮演精密研削角色[3]，並能提高微型刀具使用性能與壽命，以及有效解決刀具微型化困難製作的問題。為增加微型刀具的使用強度，本研究採用超微粒碳化鎢材料當工具心軸。由於搪研工具外徑僅設計 200μm，所能提供 CBN 磨粒附著的表面積非常有限，故採用 0-2μm 的微細磨粒，以增加搪研工具單位面積的磨粒含量 [4]，以及磨粒裸露於鎳層表面的切刃數。透過電化學複合沉積法，微細磨粒便能被一顆顆鎳離子所包覆，可獲致緊密堆積效果，提供微磨粒最佳抓持力。. 3.

(18) (a) 微型搪研工具製作. (b) 微搪研工具(原創專利：第I 309594號) 圖 1-1 微型搪研工具之線上製作與應用. 4.

(19) 1-5 文獻回顧目前最常使用的微孔加工技術包含：雷射加工(Laser beam machining )、電子束加工(Electro beam machining)、蝕刻技術(Etching technology)LIGA製程(LithogRaphie galvanoformung abformung)、以及微放電加工(Micro EDM) 等[5~9]。如何發展優良的微細加工技術，以獲得高精度的微孔元件，逐漸成為微製造發展的主要目標。上述研究當中，雷射加工會使加工表面產生較大的熱影響區，影響微孔表面品質，且仍然會有錐度發生。LIGA微加工技術具有加工精度高、結構複雜的優點，但是，LIGA製程所需的同步輻射(X光)，設備少且花費貴。蝕刻技術有大量生產的能力，具側向腐蝕效應，僅適宜矽基材料，且蝕刻劑危險性高、部分製程設備貴以及製程環境要求高等缺點。在許多微孔加工方法中，微放電加工是一種較低成本的加工技術，此技術能夠加工高硬度、高熔點的導電材料，但針對微孔加工而言，由於電極消耗，排渣困難，在微孔製作上，依然會發生錐度問題，且放電坑與重鑄層使微孔品質降低[10]。改善微孔表面粗度，亦有學者利用微放電加工方式，在加工液中添加磨粒Al2O3粉末微粒，能夠有效的改善放電後表面粗度[11]；在微放電能量調配方面，調配放電能量與去離子水之電阻值，針對微孔進行二次放電精修，能使微孔壁表面粗度降至Ra=0.066μm[12]。針對微孔壁拋光，亦有針對微孔電化學拋光加工，表面粗度降至Rmax 0.69μm[13]。使用放電能量與電化學拋光的方式，較難針對孔壁進行搪研錐度校正。在微孔壁拋光方面，也有學者將磨粒由噴嘴噴出，針對微孔噴射，進行孔壁拋光[14]。針對較大型的圓孔柱進行搪磨，使用搪研工具附著固定磨粒，對大孔圓柱，進行搪磨加工，並且孔壁內之微溝痕與圓柱度進行探討[15，16]。亦有學者將浮動磨粒置入圓柱孔內，利用馬達旋轉進行孔壁拋光[17]。. 5.

(20) 搪研微孔，有許多學者是利用浮動磨粒，針對微孔壁進行二次加工。2006 年中央大學顏炳華教授等人使用階級式螺旋電極針對微孔放電鑽孔後，配合微超音波振盪與浮動磨粒，針對微孔進行二次加工。能將微孔表面粗糙度降至Rmax 0.58μm[18]；為了再次得到更優異之表面粗度，針對浮動磨粒含量濃度與磨粒粒徑調整後，再對微孔孔壁進行拋光[19]，最後將微孔表面粗度降至Rmax 0.06μm，使用此方法亦可得到優異的表面粗度，但針對微孔壁拋光乃屬於浮動磨粒，因此，使用此方法較難針對孔壁進行搪研錐度校正。為了獲得較佳之微孔形狀精度，在2007年中央大學顏炳華教授等人提出另一種改善錐度的研究。利用階級式圓柱型電極，並且在表層複合電鍍沉積磨粒，再針對放電微孔孔壁進行搪研拋光加工[20]。微孔經過搪研拋光之後，表面粗度可降低至Rmax 0.462μm。由於微孔壁表面受到固定磨粒之磨削搪研，因此，針對微孔壁之錐度亦有較佳之改善。但此方法再搪研過程中，搪研工具屬於擠壓式的進給，在微孔外觀可能會有毛邊問題產生。. 6.

(21) 第二章應用原理分析本研究之複合微製造技術是先以微放電加工修整出微型搪研工具基材外型，經由複合電鍍沉積電著多層 CBN 磨粒，並使用微線切割放電加工將刀具基材切割成懸臂樑式搪研工具外觀，最後再針對微孔進行搪研拋光實驗。因此，本實驗應用原理包含複合電鍍沉積基本原理、微放電加工原理、微線切割放電加工原理與微搪研拋光原理，如下所述。. 2-1 複合電鍍沉積原理金屬沉積加工應用於快速造模，大量複製出強度高及耐磨耗的微型孔元件。金屬沉積原理和電鍍(電鑄)原理相同，皆為利用電化學方法，分離金屬離子，使基質金屬粒子和固體顆粒在欲沉積物表面產生沉積，藉此達到美觀、防蝕及耐磨等特性。下列章節將對沉積原理做詳細介紹。. 2-1-1 電鍍原理電鍍是屬於一種電化學沈積過程，目的是改變材質表面特性或增加工件尺寸，例如：(1)金屬美觀(如金、銀及黃銅等電鍍)，(2)製品的防銹(如Zn、 Cr及Ni等電鍍)，(3)提高製品的強度(如塑膠製品的各種電鍍)等。電鍍是電鍍液通電而使金屬離子沈積於陰極表面的一種過程。電鍍液中存在帶有x價正電荷之金屬離子N+x，在接受其價數x相等之電子e-時，變成金屬原子N，當金屬離子析出時，產生化學反應式[21]，如下所示： N+x + xe-→N. (2-1). 電鍍過程中，金屬原子在陰極(Cathode)析出，而陽極(Anode)負責補充金屬離子。陰極將會伴隨反應而產生氫氣，其反應式為： 2H+＋2e- → H2↑ 7. (2-2).

(22) 金屬離子自電鍍液中析出時，通入的電流量與析出的金屬量，須遵守法拉第定律： (1) 法拉第第一定律：被析出的金屬離子與所通入的電量成正比。 (2) 法拉第第二定律：通入一定的電量，金屬生成量，與其化學當量成正比。電鍍材料的沈積量可由法拉第定律(Faraday`s Law)[22]得知，而電鍍沈積的質量和電極的庫侖電荷量的使用率有正比的關係，電鍍沈積質量(M)庫侖電荷量使用率表現在數學式上為：. M=. i×T×A×η Z× F. (2-3). 其中： F：法拉第電量(9.6485×104 Coul /mole) M：析出或溶解的質量(g/Ah) i：輸入的電流(安培) T：電鍍時間(分鐘) η：電流效率％ A：原子量 Z：電荷數電鍍析出的質量又等於沉積成長的體積乘以金屬質量密度 M = t×a×ρ 將公式(2-3)與(2-4)合併可得令假設實驗參數數值：可得：經由移項可得. (2-4). i×T×A×η = t×a×p Z× F A×η K= Z× F M=. M= t×a×ρ = K×i×T. t K i = ×( ) a T ρ. 8. (2-5) (2-6).

(23) 其中： t：沉積厚度(μm) a：電鍍面積(dm2) ρ：金屬密度(g/cm3) i ：稱為電流密度(ASD)。 a. 由式2-6得知，電鍍沉積厚度的速率和電流密度(ASD)成正比。. 2-1-2 鍍液的成份及其功能本實驗主要使用的電鍍液為氨基磺酸鎳鍍液。其優點為：(1)所析出的鎳層擁有較低之內應力；(2)對液體擁有高溶解度，可提供高鎳離子濃度及較高金屬離子解析速率；(3)金屬離子析出之鎳層特性可添加添加劑改變表面品質特性[23]。電鍍液其標準成分為：氨基磺酸鎳、硼酸與氯化鎳： 1. 氨基磺酸鎳[Ni(NH2SO3)2]為提供鎳離子之主要來源。若在高電流密鍍之作業下，使用鎳離子濃度宜高；若濃度太低，其平整度會降低，且易於燒焦。 2. 硼酸(H3BO3)主要為pH緩衝劑，可保持鍍層密著性及延展性。 3. 氯化鎳(NiCl2)的功能主要為促進陽極溶解，以及增加導電度。然而，若添加量太多，則會導致柔軟性降低；反之，若添加量太少，則會導致光澤劑作用減少，低電流效果降低。為使鍍件的表面色澤產生如霧面、光澤面、亦或平整的外觀表面等，可以使用添加劑使其鍍液成分改變。常用的添加劑包含：濕潤濟、應力消除劑與平滑劑等： 1. 潤濕劑：一般簡稱為界面活性劑或稱氣孔抑制劑。主要是在降低電極與溶液之間的表面張力，抑制鍍件產生氫氣孔，使電解液比較能夠 9.

(24) 在電極表面鋪展。 2. 應力消除劑：其主要功能為降低鍍層內部應力，並提高鍍層韌性的添加劑。特別是在需要鍍層較厚的基材上。 3. 平滑劑：其功能為使鍍層變得光亮。藉由改良晶體成核的過程，使鍍層較平坦，並降低表面粗糙。. 2-1-3 複合電鍍沉積原理複合電鍍沉積為金屬離子與非導電物質的沉積方法。本實驗，主要是以金屬離子與 CBN 磨粒作為複合沉積材料。實驗過程中，將欲鍍物做為陰極，並置入欲鍍金屬於電鍍液中，再通以適當電流，使金屬離子獲得等價電子，而在陰極表面還原成金屬與非導電磨粒之沉積。 1972 年 Guglielmi[24]針對複合電鍍沉基提出兩階段共沈機制，第一階段是物理性質，由於磨粒受到鍍液與離子的包覆，並且接近陰極而吸附在陰極表面，並且與懸浮微粒形成平衡階段，此階段稱為弱吸附；第二階段藉由電場使磨粒吸附陰極的強度增強，並藉由金屬沉積的增加而漸漸將磨粒埋入鍍層中，此階段為強吸附。圖 2-1 為 Guglielmi 沉積機制。. 圖 2-1 Guglielmi 沉積機制[24] 10.

(25) 1987 年 Celis 等人[25]提出顆粒沈積速率與吸附在顆粒上的離子還原速率有很大關係。因此提出了 MTM 模型(Mathematical Model)基本假設，而 MTM 模型的基本假設有兩大類：第一類為惰性顆粒加入到鍍浴當中，而鍍浴中的離子立即會吸附上顆粒形成離子團在做沈積還原的步驟。第二類為主要用特定比率的吸附離子在陰極基板上的表面還原，而鍍浴中顆粒立即將會被基質金屬所埋覆在裡面。這些沈積的方式可以分成五階段的沈積。第一階段，顆粒從鍍液中被吸附離子所形成離子團。第二階段與第三階段，主要顆粒藉由鍍浴中的攪拌到達流體界面層，而且靠擴散通過擴散層而到達陰極表面。第四階段時，顆粒吸附於陰極表面上並仍然圍繞著離子。第五階段，當有一部分的吸附離子在陰極表面還原，代表顆粒被基質金屬埋覆。圖 2-2 為 Celis 沉積機制。. 圖 2-2 Celis 沉積機制[25] 複合電鍍沉積原理，一般都是將磨粒置入於電鍍液中，磨粒均勻攪拌後，再通以適當電流，而在陰極表面進行金屬與非導電磨粒沉積，如圖 2-3 所示。為使基材能夠沉積較多的磨粒，需控制單位容積的磨粒含量，提升磨粒濃度。為了獲致精密且均勻的磨粒沉積層，本研究提出一種『多孔性載體複合沉積 11.

(26) 模具』的設計，如圖 2-4 所示，它是以陶瓷為結合劑的氧化鋁磨塊，磨塊上方製一垂直式小孔，用以裝填微粒 CBN 磨粒，工具心軸(陰極)移入 CBN 磨粒堆中，如圖 2-5 所示。氨基磺酸鎳液藉由磨塊的多孔性(Porosity)，滲入小孔內並因液體壓力而產生對流，透過電化學反應，鎳離子對接觸心軸的 CBN 磨粒進行包覆，心軸磨棒因之能沉積成型。以陶瓷結合劑的磨輪當多孔性載體模具，一則所耗成本非常低，二則具耐酸性，模具不會受電鍍液腐蝕影響。另外，由於磨粒均包圍在工具心軸週邊，藉由沉積液的對流便可使磨粒包覆於心軸表面，可省卻大量磨粒的使用；而微搪研移除的材料量很少，需要的磨粒層很薄，所以沉積的時間也可大幅縮短，本實驗適當的磨粒沉積時間僅需 5 分鐘，可使基材成長 10μm 厚度。. 圖 2-3 複合沉積示意圖. 圖 2-4 多孔性載體複合沉積模具. 圖 2-5 多孔性載體複合沉積原理 12.

(27) 2-2 放電加工原理放電加工(Electrical Discharge Machining 簡稱 EDM)，是一種電能轉換熱能的加工法。利用工具電極與工件之間產生放電作用，工具主要以銅金屬作為電極，其放電的型態是將工具電極和工件置於絕緣的加工液中，以放電加工專用油或去離子水當媒介，使兩電極距離靠近，當電極與被加工物間隙距離達到一臨界距離(約數 0μm)，瞬間形成電漿通路，產生火花放電而得到密度極高的電子流，並在流通處產生大量熱量，放電所產生的溫度高至 8,000℃ 以上[26]，且於短時間內集中作用於欲加工的小區域範圍內，使其快速成為高溫狀態，導致金屬熔化或汽化。接著，兩極間的火花消失，用來產生放電作用之小間隙內的介電液恢復絕緣，準備下一次的火花放電，如此反覆進行，形成週期性的放電循環。其之間陸續產生放電作用而將被加工區材料移除，進而達到所需的零件形狀。圖 2-6 為放電加工示意圖。. 圖 2-6 放電加工示意圖. 13.

(28) 2-2-1 放電加工的材料去除機制基本上放電加工主要是藉由兩極間的放電產生瞬間高溫狀態，在工件表面產生熔化、汽化、蒸發，而汽化所造成的爆炸壓力約 40 至 50kgf/cm2，使金屬熔融材料由此爆炸壓力而沖離工件表面。放電加工的材料去除機制如圖 2-7 所示[27]。 (a) 放電產生：放電開始時極間充滿絕緣介質液，由於電極漸漸接近，在兩極加入的電壓，使電場強度增強導致加工液絕緣耐壓強度崩潰，電子由陰極射出向陽極前進，此為放電開始。此時之瞬間極間距離即所謂的放電間隙。 (b) 電離作用：當自由電子朝陽極加速時，碰撞到絕緣液中的中性粒子而產生大量正負離子，稱為電離現象。 (c) 熔融、蒸發作用：由於電子、離子持續性的電離作用並向陰陽極運動，當其與電極撞擊時，動能轉換成熱能，產生 8000℃左右的高溫進而使電極與加工物因高溫發生熔融蒸發。 (d) 衝擊力產生將融屑去除：由於放電的高密度熱能使極間加工液激烈的氣化膨脹，其所產生的爆發力將熔融金屬帶離兩極表面，形成微小顆粒散佈於加工液中。 (e) 放電痕形成及加工液復原：放電終止後壓力與溫度急速下降，被帶走的熔融屑冷卻形成加工屑，未被帶走的於凹坑四周形成隆起的部分此即為放電痕，隆起部分將成為下次放電點。. 14.

(29) 圖 2-7 放電加工材料去除機制[27]. 2-2-2 放電加工的優缺點放電加工優點: (1) 加工工件只要具有導電性，無須考慮強度、硬度、韌性等限制。且電極材料之選用常以廉價、強度較低的銅、石墨等。 (2) 工具電極與加工工件之間保持一定的間距，加工作用力與傳統機械加工的作用力相較之下受力極小。 (3) 不管加工面多複雜，只要電極能做出的形狀均可加工成形。若是複雜形狀亦能由數塊分開的電極組合而成。 (4)加工精度高且費用低廉。 (5)在粗加工時可對局部工件在高溫下施行加熱硬化、淬火等加工以改變熱影 15.

(30) 響區。 (6)加工量少，加工精度且費用低廉，切斷、穿孔等只需要少量的加工量即可成形，適用於加工高價值的材料。微放電加工缺點: (1)電極容易消耗而影響精度，故常需要修整與補償。 (2)加工速度與傳統機械加工相較之下，較為緩慢。 (3)放電加工後，工件表面會生成再鑄層(Recast layer)，而再鑄層會影響工件表面，若是形成表面劣化的再鑄層，就需要多一道後處理加工程序去除。. 2-3 微放電加工 2-3-1 微放電加工原理特徵尺寸在 500μm 以下之微細元件放電行為稱為微放電加工[28]，本研究主要用來去除材料機制為微放電加工 (Micro Electrical Discharge Machining 簡稱 Micro EDM )，微放電加工亦是電能轉換成熱能來將材料移除的一種加工機制。與傳統放電加工最大的差異在放電能量。傳統放電加工所使用的放電迴路為電晶體放電迴路；而微放電加工適合的放電迴路則為電容式放電迴路。通常電晶體放電迴路應用於面積較大之工件材料移除，所需能量亦較高。電容式放電迴路則是用於加工微細面積之材料移除，所使用放電能量亦較低。本實驗所加工之微元件僅有 200μm 以內。因此，使用微放電加工作為材料移除的機制。表 2-1 為微性放電加工與一般雕模放電加工之特性比較。表2-1 微性放電加工與一般雕模放電加工之特性比較[29] 放電比較放電迴路. 微細放電加工 (Die Sinking EDM) 使用電阻-電容迴路 16. 雕模放電加工(Die Sinking EDM) 使用電晶體迴路.

(31) 迴路特性： 1. 小電源即可獲至高電流峰值(Ip) 2. 脈衝寬度(τp)可於 1µsec 以下 3. 衝擊係數(D.F.) <0.05 4. 電波波形控制困難電極. 材料. 形狀放電部位加工型態放電面積使用能量加工速度極間大小適用範圍. 微細碳化鎢棒或微細銅鎢管單純化控制於電極底部放電創成加工小低低數 µm 以下微小零件或模具製造. 迴路特性： 1. 大電源方可獲致高電流峰值 2. 脈衝寬度約在 1µsec 以下 3. 衝擊係數>0.5 4. 電波成形控制容易. 銅、銀、銅鎢、銀鎢或其他材料成型化成形於電極側面或底部放電成型加工大高高數 µm 以上一般大型雕模放電. 2-3-2 線式放電研削原理線式放電研削(Wire electro discharge grinding, WEDG)，線導塊以陶瓷材料製作，陶瓷的腹側開製一微細溝槽，溝槽內圓弧恰能容納一種銅線的線徑，當銅線緊貼著陶瓷導塊中的微溝槽滑動時，銅線能穩定地通過微溝槽，避免產生上下蠕動。導塊以陶瓷製作，可增加耐磨耗及避免浮遊電容產生，由於銅線徑經過線導塊時，呈彎曲狀，為了方便加工，銅線需裸露出大部分的面積，以提供放電的『作用面』，因此，陶瓷導塊的厚度需小於銅線徑，若使用的線徑愈小，導塊的厚度便需愈薄，如此雖然有利於微小面積的除去加工，但也增加了陶瓷導塊製作上的困難，體積愈小，精度要求也愈高，且不同的線徑，陶瓷導塊的內圓弧度也需隨之不同，因此，製作成本費用也相形愈高，如圖 2-8(a)所示[30]。為降低線導塊開發成本費用，並達到導塊的精度功能，在忽略浮遊電容 17.

(32) 微小影響下，使用 SKD11 模具鋼為導塊材料，製作新式的金屬導塊。圖 2-8(b) 為改良後之 WEDG 機構[31]，在模具鋼側腹邊開設一精密 V 型微溝，銅線可依循著微溝槽進行滑動，銅線並不會產生跳動與蠕動。導塊擁有微小凹口，銅線將經過此微小凹口，電極在此區域進行材料移除加工。. (a) WEDG 原始設計機構[30] (b) 改良式 WEDG 機構[31] 圖 2-8 WEDG 示意圖. 2-3-3 微線切割放電加工應用微線切割放電加工使用原理與線切割放電加工相同[32]，主要以銅線取代塊狀金屬電極，加工方法是銅線電極被拘束於線導軌上，使銅線穩定移動。由於金屬線是持續更新，因此並無塊狀金屬作為加工刀具時發生金屬消耗的問題，且線徑僅有直徑 Φ20μm，使用微細銅線當作微線切割電極，故能使金屬工件產生微溝槽形狀，其加工示意如圖 2-9 所示。. 18.

(33) 圖 2-9 微線切割放電加工應用[32] (原創專利：第 I 255212 號). 2-4 搪磨基本原理 2-4-1 搪磨加工原理搪研加工能將材料移除、幾何形狀校正、表面光製及尺寸精製等功能。搪磨的控制乃是磨料與工件物界面間情況的控制，最重要的是當磨粒鈍化後而能自行露出新磨粒的自銳的效果。搪磨壓力必須為全程控制，確使磨粒與工件表面進行研削，一般粗粒度粗搪研磨之側向壓力需較大，細粒度精搪研磨之壓力需較小，通常搪研刀具之壓力由彈簧荷重或液壓系統產生，如圖 2-10 所示[33]。. 圖 2-10 搪磨加工示意圖[33] 19.

(34) 2-4-2 搪磨加工特色搪磨過程中，使用低轉速與高進給量能使內孔壁產生十字線交叉紋路。此紋路能產生使潤滑油存放的油池，增加孔壁潤滑。通常應用於汽缸、活塞、油壓等元件。若搪磨時，使用高轉速與低進給量，則在孔壁之十字線交叉紋路則不明顯，而產生內孔拋光之行為，產生較低之表面粗度，可應用於精微模具開發等產業。傳統搪磨工具僅適合用於較大尺寸之圓孔。若針對數佰微米之圓孔進行搪磨拋光，則傳統搪磨工具不堪使用。因此，本研究針對數佰微米孔，開發懸臂式微型搪研工具。. 2-4-3 微孔搪研原理搪研是以更『微量去除』的孔加工方式，為研削微孔，改善其尺寸精度、幾何精度與表面粗糙度。本研究提出一種『懸臂式微型搪研工具』的設計。使用微線切割放電加工，將沉積成型的搪研工具基材之自由端切割出適當長度的十字型微溝槽。此為懸臂樑結構，利用此一彈性結構體，進行精密對位，便可對微型孔壁進行搪研拋光，如圖 2-11 所示。CBN 磨粒扮演精密研削角色[34]，並能提高微型刀具使用性能與壽命，以及有效解決刀具微型化困難製作的問題。為增加微型刀具的使用強度，本研究採用超微粒碳化鎢材料當工具心軸。由於搪研工具外徑僅設計 200μm，所能提供 CBN 磨粒附著的表面積非常有限，故採用 0~2μm 的微細磨粒，以增加搪研工具單位面積的磨粒含量，以及磨粒裸露於鎳層表面的切刃數。透過電化學複合沉積技術，微細磨粒便能被一顆顆鎳離子所包覆，可獲致緊密堆積效果，提供微磨粒最佳抓持力。. 20.

(35) 圖 2-11 微型搪研工具示意圖與圖 1-1(b)相同. 21.

(36) 第三章實驗設備設計 3-1 線上分離式複合槽設計為實現高精度的微細搪研加工，本研究提出一種『線上微製造技術』的方法，微型刀具或微型工具裝置後，便不再拆卸，藉由改變工作槽的方式，達到精密定位與精密加工目的，如圖3-1所示，是建構於微型綜合加工機上的多工式工作槽設計，包括線式放電研削(WEDG)加工區、微線切割放電加工區、前處理區與複合沉積區。微型搪研工具基材外型經微放電修整成型後，工具不做拆卸，在CNC 微綜合加工機上移位至清潔槽中進行清洗，再進行複合沉積。沉積槽分為主槽(Primary tank)與副槽(Secondary tank)，主槽設計有溫控裝置，透過沉積液的外部循環，提供均勻濃度的沉積液給副槽使用；副槽以模組式設計安置於微型綜合加工機上，可供微小粒徑的磨粒沉積。放電修整完成的工具心軸，直接移位至副槽進行複合沉積。沉積後的初胚再移位至微線切割放電區進行切割加工；包括後續工具對工件微孔的搪研加工，其所有路徑均由CNC程式控制，它能實現高精度微細搪研工具的製作與微孔搪研加工。. (a) 線上微型分離式複合沉積槽 (b)多工式工作槽設計圖 3-1 微型綜合加工機與複合沉積槽設計. 22.

(37) 3-1-1 前處理槽設計微放電加工修整微型搪研工具後，工具表面附著油汙。因此在複合沉積 CBN 磨粒之前，須將微型搪研工具進行前處理，使刀桿表面具有親水性，使 CBN 磨粒與鎳離子之附著更緊實，以利於刀桿後續研磨加工，如圖 3-2 所示。前處理清洗步驟包含：酒精清洗、BC-110 鹼洗、純水清洗、硫酸中和、純水清洗五個步驟。. (a) 微型前處理槽設計. (b) 微型前處理槽設計完成圖. 圖 3-2 微型前處理槽. 3-1-2 微型複合沉積槽設計為獲致精密且均勻的磨粒沉積層，本研究提出一種『多孔性載體複合沉積模具』的設計。此模具主要安置於微型複合沉積槽中，當刀桿修整完成後，立即被移至複合沉積槽進行沉積作業。槽體設計主要分為複合電鍍沉積區與鍍液排水區。由於複合沉積過程中，需要穩定的液位高度，沉積槽中的隔板設計能夠穩定鍍液的液位高度，鍍液越過隔板高度時，經由排水區之階梯斜面設計排出槽體，如圖 3-3 所示。電鍍沉積區包含陽極、微型搪研工具與多孔性載體複合沉積模具。為了提高複合沉積效率，將粒徑 0~2μm CBN 磨粒放入沉積模具內孔，進行高濃度之複合電鍍沉積。微型搪研工具心軸因之能沉積成型。 23.

(38) (a) 複合沉積槽排水設計 (b) 模組式複合沉積槽完成圖圖 3-3 線上複合沉積槽設計. 3-2 槽體溫控設計複合沉積過程中，鍍液內含的硼酸，溫度若低於 35℃時，硼酸易產生結晶，故鍍液需加溫控系統。熱源可來自鑄槽外部或內部，由於本實驗所用槽體材質為壓克力，不適合採外部直接加熱方式，必須利用隔水加熱法。不過隔水加熱的液面溫度升降幅度較難控制，因此本研究採用內部直接加熱方式，利用石英加熱管直接置入鍍液加熱，再使用溫度感測元件進行溫度感測與控制，如圖 3-4 所示。複合沉積時，電鍍液濃度會隨著電鍍的時間改變，為使電鍍液的濃度保持一定值，因此須要有適當的攪拌系統，實驗設計是利用微型鍍液抽泵將鍍液抽離槽體，再由槽體上方注入，如此可獲致濃度均勻的鍍液。鍍液抽泵採用的是日本 IWAKI 耐酸鹼泵，具有抗腐蝕性強、耐強酸、強鹼、無升溫或長時間運轉變形，洩漏之缺點。圖 3-5 為耐酸鹼泵，最大流量:12 L/min。. 24.

(39) 圖 3-4 溫度控制器. 圖 3-5 耐酸鹼泵. 3-3 電源供應器本實驗微複合電鍍加工的部份，使用的電源供應器為茂迪股份有限公司所生產之可程式直流電源供應器 LPS 505N。直流電源供應器除了應有的兩組輸出電壓之外，還提供計時器(1sec~100hours)功能，可應用在對電鍍時間的控制，大幅增加對安全性及準確性的考量。圖 3-6 為電源供應器實體圖。. 圖 3-6 實驗所用電源供應器. 25.

(40) 3-4 複合式 CNC 微型綜合加工機應用本實驗所有製程均架構在『精密微型 CNC 複合製造系統』上，此項設備為本實驗室專題團隊所開發[35]。此微型系統結合傳統與非傳統的製造技術，將微型放電加工、微型線切割放電加工與微型複合沉積等技術加入系統設計，並同時融入微型銑削、微型高速銑削、微型鑽削與微型研削等精密切削技術，專應用於微型模具、微型刀具、微型零件、微型結構與微型機構的加工、製造組裝與線上微量測系統如圖 3-7 所示。. (a) 精密微型 CNC 複合製造系統之製程與功能. (b) 精密微型複合製造系統. (c) 實體外貌. 圖 3-7 精密微型 CNC 複合製造系統[35] 26.

(41) 3-5 線切割放電加工機如圖 3-8 所示，為慶鴻工業生產線切割放電加工機，此項設備應用於本實驗放電鑽孔試片材料為 SKD11 模具鋼，擁有 HRc60 之硬度，不易使用傳統加工方式進行薄片加工。線切割放電加工機屬於非接觸加工，任何金屬亦可加工。因此，在 SKD11 試片製作上，使用線切割放電加工機進行切片製作。. 圖 3-8 線切割放電加工機. 3-6 量測儀器設備實驗過程中需要檢測設備來量測成品，本研究所使用檢測設備有工具顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)及白光干涉儀，各檢測設備於本研究都有其用途，根據使用方式於下列章節作簡述。. 3-6-1 工具顯微鏡如圖 3-9 所示，為漢磊精密科技有限公司生產的工具顯微鏡，光源可選購環型冷光或滷素光源，其主要用於直接量測加工後的搪研工具外型輪廓，規格如表 3-1 所示。. 27.

(42) 表 3-1 工具顯微鏡設備規格表設備量測行程工作檯面 Z 軸工作距離解析度重現精度. 規格 X200 Y200(mm) 400×300(mm) 150 (mm) 0.5 (µm) ±1 (µm). 圖 3-9 工具顯微鏡. 3-6-2 電子式掃描顯微鏡電子式掃描顯微鏡，此設備採用鎢燈絲電子槍，允許移動 X、Y 和 R 軸(旋轉)觀測，可測量直徑 125mm 的範圍，利用個人電腦及滑鼠即可操作，可以擁有自動功能，如：自動聚焦，自動像差校正和自動對比/亮度調整。另外加裝 Oxford 的 EDS 的系統，如圖 3-10 所示。. 圖 3-10 電子掃描顯微鏡. 28.

(43) 3-6-3 白光干涉儀本實驗使用白光干涉儀來檢驗微孔孔壁之表面粗糙度，如圖 3-11 所示。此項儀器設備由台灣大學范光照教授提供。量測平台允許 X、Y、Z 調整移動，使用白光光源照射待測物表面，檢測表面形貌數值可用 3D 圖形與 2D 圖形呈現，表 3-2 為白光干涉儀規格表。表 3-2 白光干涉儀規格表構成配備機台外觀升降機構量測機構系統特徵. 主要規格及特性說明長 40cm、寬 30cm、高 105cm Z 軸升降，手動光源、CCD、干涉鏡組 a) Non-Destructive Measurement b) 3 Dimensional Surface Measurement c) Multiple Field-of-view Lenses d) Nanometer Level Resolution and Large Measuring Range. 圖 3-11 白光干涉儀. 3-7 實驗材料本實驗針對SKD11模具鋼進行放電鑽孔，在使用懸臂式微型搪研工具對微孔進行搪研拋光。為了增加搪研工具基材的強度，實驗使用超微粒碳化鎢 29.

(44) 做為搪研工具的基材。在碳化鎢基材表層，使用精密複合沉積技術將粒徑 0~2μm立方晶氮化硼進行複合沉積。以增加搪研工具單位面積的磨粒含量，以及磨粒裸露於鎳層表面的切刃數。透過電化學複合沉積法，微細磨粒便能被一顆顆鎳離子所包覆，可獲致緊密堆積效果，提供微磨粒最佳抓持力。本小節依照所使用的實驗材料進行介紹。. 3-7-1 模具鋼 SKD11 SKD11 為經常使用的冷模工具鋼之一，常用來製作模具或耐磨耗工具及零件等。由於高硬度與耐磨耗的特性較不易以傳統機械方式加工。本實驗主要以微放電加工方式針對 SKD11 模具鋼進行微放電鑽孔，再使用懸臂式微型搪研工具針對孔壁進行搪研拋光加工研究。表 3-3 為機械性質[36]。抗拉強度. 表 3-3 SKD11 機械性質楊氏係數熱傳導係數. 硬度. 660MPa. 202GPa. HRc60. 20.9W/m.k. 3-7-2 微型搪研工具基材(WC) 實驗中所使用的微型搪研工具基材為直徑 Φ300 μm 之超微粒碳化鎢試棒(粒徑 0.3μm)。表 3-4 為本實驗所用的碳化鎢機械性質[37]。表 3-4 碳化鎢機械性質屬性描述. 值. 單位. 彈性模數 Poisson 比剪力模數質量密度抗拉強度抗壓強度熱膨脹係數熱傳導率比熱. 6.2e+11 2.20e-01 1.6e+11 1.90e+04 1.20e+09 5.00e+09 4.50e-06 2.00e+02 1.30e+02. N/m2 NA N/m2 Kg/m3 N/m2 N/m2 /kelvin W/(m.K) J/(kg.K). 30.

(45) 3-7-3 搪研磨粒(CBN) 鑽石與 CBN 磨粒均屬於超級磨粒。鑽石是最硬的磨粒，最適合用來研磨脆性材料。不過由於鑽石與鐵原子之親和性極高，在溫度高於 700℃時容易產生石墨化現象，因此，鑽石不適合用來研磨鋼鐵類材料。本實驗主要是針對熱處理後之 SKD11 材料進行搪研加工，含碳濃度高。因此，實驗選用之磨粒以立方晶氮化硼 CBN(Cubic boron nitride)磨粒作為研磨材料。表 3-5 為工業材料硬度表[38]。表 3-5 工業材料硬度表[38] 材料鑽石立方氮化硼碳化硼金剛砂碳化鎢氮化矽剛玉矽. 成份. Knoop 硬度(kg/cm2). C CBN B 4C SiC WC Si3N4 Al2O3 Si. 9000 4800 3000 2800 2400 2100 2100 1400. 31.

(46) 第四章實驗方法本實驗分為微型搪研工具製作與搪研應用兩部分。第一部份是使用微放電加工修整微搪研工具基材外型，並進行線上複合沉積，第二部分再針對 SKD11 模具鋼之既有微孔進行搪研拋光實驗。實驗流程如圖 4-1 所示。. 圖 4-1 實驗流程圖. 32.

(47) 4-1 電鍍液排放模式實驗微放電加工將微型搪研工具基材修整後，移至複合沉積槽進行複合沉積。鍍液本身屬於酸性液體，具有侵蝕性與腐蝕性，容易與金屬產生氧化，在槽體鍍液循環中，要特別注意鍍液流動的穩定性。再者，由於複合沉積槽必須安置於微型綜合加工機台，若鍍液液位未控制穩定而溢出槽體，則會嚴重損壞加工機台。因此，如何在複合沉積過程中控制鍍液液位高低，顯得更加重要。當鍍液進入複合沉積槽時，鍍液的流入量與排出量將會影響複合沉積槽鍍液液位高度。若鍍液進入流量大於鍍液排出流量，則會溢出沉積槽外；反之，鍍液很快就從複合沉積槽排出，而無法進行沉積。圖 4-2 為自行開發設計之『分離式複合沉積槽』示意圖，槽體主要分為溫度控制槽與複合沉積槽。溫度控制槽為控制液溫，鍍液由循環泵送至沉積槽中，使鍍液產生循環，再利用鍍液之重力位能回流至溫度控制槽。複合沉積槽安裝於微型綜合加工機上，進行線上微搪研工具之複合沉積實驗。為避免鍍液汙染微型綜合加工機，因此如何控制複合沉積槽之鍍液液位高低，是相當重要的設計課題，本實驗以三種排水法進行測試，分別為漩渦法、隔板法與階梯斜面法，如下所述。. (a) 線上微型分離式複合沉積槽 (b) 鍍液循環示意圖圖 4-2 微型綜合加工機與複合沉積槽. 33.

(48) 4-1-1 漩渦法漩渦式複合沉積槽設計如圖 4-3 所示。經由循環泵將鍍液導引至複合沉積槽，鍍液依循漩渦方式旋轉，由槽底排出鍍液。此設計最大的特色是鍍液能產生迅速的旋轉並排出槽體，鍍液在槽體內快速流動循環，由於漩渦式的槽體設計，鍍液流動循環克服了鍍液之黏滯力，使鍍液易於排出槽體，但因鍍液排出流速太快，導致鍍液很難在槽體中維持穩定高度，所以無法進行複合沉積。. 圖 4-3 漩渦式示意圖. 圖 4-4 隔板式示意圖. 4-1-2 隔板法為有效控制槽體鍍液液位，想出另一種隔板法的設計。隔板法複合沉積槽設計如圖 4-4 所示。鍍液經由循環泵導引至沉積槽，槽體主要分為複合沉積區與排水區。此設計最大的特色是當鍍液進入到複合沉積區時，鍍液液位能維持與隔板相同的高度，此隔板設計能有效的控制鍍液液位高低。複合沉積區之鍍液液位可以受到隔板控制，提供一個固定的液面高度。在鍍液排出方面，卻沒有漩渦法順暢，鍍液易因表面張力而堵塞溢出，無法順利進行沉積。. 34.

(49) 4-1-3 隔板與階梯斜面法穩定控制鍍液的流入與排出是相當重要的。實驗隔板式複合沉積槽能有效控制鍍液液位，當鍍液溢過隔板時，為了能夠使鍍液容易排出槽體，排水區以階梯斜面設計，如此，鍍液能類似流入漏斗的方式排出。如圖 4-5 所示。此複合沉積槽設計，可藉由隔板將鍍液維持穩定的液位高度，亦能順暢的由階梯斜面排出。. (a)示意圖. (b)階梯斜面示意圖圖4-5 複合沉積槽示意圖. 4-2多孔性載體複合沉積模具複合沉積過程中，希望能節省磨粒使用含量，因此，研究提出一種『多孔性載體複合沉積模具』的設計，尺寸如圖 4-6(a)所示。實驗過程中，預計將磨粒置入模具中間微小孔，再將此沉積模具置入複合沉積槽中進行複合沉積實驗，如圖 4-6(b)所示。在金屬沉積模具材質選用中，由於鍍液為酸性液體，模具必須能耐酸性及耐腐蝕。金屬材質易於氧化生鏽，並不適合當沉積模具材料。陶瓷法氧化鋁砂輪磨塊能耐酸且不易腐蝕。且屬於多孔隙材質，如圖 4-6(c)(d)所示。本實驗希望微型搪研工具基材進行複合沉積過程中，鍍層厚度能夠均勻的成長。因此，未放入 CBN 磨粒之前，先將碳化鎢基材做『純電鍍』實驗。 35.

(50) (a) 多孔性載體複合沉積模具. (b) 複合沉積CBN磨粒示意圖. (c) 複合沉積模具－氧化鋁砂輪 (d) 氧化鋁砂輪表面，孔隙5μm 圖4-6 複合沉積模具設計陶瓷法氧化鋁砂輪材質具有許多微孔隙，使用此沉積模具進行純電鍍實驗。當沉積模具置入複合沉積槽時，由於多層微孔隙導致鍍液滲透速度緩慢，仍須等待約 10 分鐘後，且確定沉積模具內孔有鍍液滲入，才能進行電鍍實驗，如圖 4-7(a)所示。經過實驗得知，使用陶瓷法氧化鋁砂輪沉積模具，鎳離子可穿透砂輪孔壁進入到模具內孔，使微型搪研工具基材得到鎳層沉積，如圖 4-7(b)所示。且能夠使微型搪研工具基材鎳層均勻的成長，如圖 4-7(c) 所示。. 36.

(51) (a) 鎳離子能穿透沉積模具孔壁. (b) 鎳層與碳化鎢 (c) 鎳層可均勻的成長圖 4-7 陶瓷法氧化鋁砂輪材質沉積模具實驗針對複合沉積模具材質的選用，另外針對壓克力材質沉積模具進行純電鍍實驗。此實驗主要是要探討經過電鍍沉積之後，陰極基材鎳層成長現象。壓克力並非多孔隙材質之材料，如圖 4-8(a)(b)所示。首先，先將壓克力沉積模具的微孔頂部高過於鍍液液面。由於壓克力並非多孔隙材質。因此，鍍液完全無法進入沉積模具內孔。以至於無法進行鎳離子沉積。若要使用壓克力模具進行電鍍實驗，一定要將鍍液液位高過於沉積模具內孔，鍍液才能流入沉積模具內孔進行純電鍍實驗，如圖 4-8(c)所示。由於鎳離子無法穿透壓克力模具孔壁。因此，鎳離子必須從沉積模具的上端流入微孔內。經過實驗得知，微型搪研工具基材底部的鎳層成長厚度較薄； 37.