金屬多孔輕量結構材料製品之低應力加工製成與模組技術

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航太用金屬材料多為難加工材，如鈦合金、高鎳合金及鋁合金等。其不易使用一般機械加工技術完成，故許多國外航太零組件製造商亦使用電化學對其進行加工。然而，金屬多孔結構材通常利用塗膠堆疊接合方式製成，不易使用電化學加工型式進行材料的移除。有鑑於此，本研究創新構想發展，開發電化學加工效應結合機械研磨方式之電化學機械研磨複合加工技術，解決金屬多孔結構材料難加工問題。本研究工作主要兩項：（1）組合式磨輪電極模組建置，開發具導電且能進行機械研磨之磨輪並進行模組建置。（2）針對各加工參數對成形加工影響性進行探討，匹配達成所需之加工特徵、品質與製程運用特性，並就試驗結果回饋修訂電極模組之功能與應用模式，期望藉由機械研磨輔助提升電化學加工效率。通過實驗針對電化學機械複合加工製程參數對鋁蜂巢芯結構成形加工影響性進行探討，得知在操作電壓 16 V、磨輪電極轉速 800 RPM、進給速率 25 μm/s 及電解液流速 15 m/s 下可獲得同時兼具加工表面及精度之成品。藉由此技術開發可克服蜂巢芯結構等難加工材之窘境，有效降低加工成本、工序以及提升產品良率，除此之外亦可將此技術應用於醫材器械零組件、航太領域之各類零組件加工、渦輪發動機零件以及航太扣件等。 ᙯᔣෟ：電化學機械研磨複合加工、金屬多孔結構材 料

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目前非傳統加工中可能解決此困難之加工法有放電加工、雷射加工及電化學線上削銳研磨等方法，但大部分為熱加工，其加工速度慢且電極耗損，在工件表面存在表面產生熱應力及改質問題故仍無法滿足航太零件對於結構強度要求，然而以電化學加工方式可滿足快速生產且表面無改質及熱應力影響[2]，但因為目前鋁蜂巢芯材其製造方式為片狀板材膠合 [3]，在金屬被電化學反應移除後其在工件上仍存在環氧樹脂，其因非導電物質故會造成電場屏蔽效應進而降低加工效率和精度，故須一外力來輔助移除在工件上因電化學反應無法移除之殘膠但亦非為主要移除機制。故本計畫提出以機械磨削輔助電化學加工對航太多孔特徵之鋁合金蜂巢芯材進行加工技術開發。

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電化學機械研磨加工又稱電化學磨削（Electrochemical grinding ECG），是於 1952 年由美

國學者G.F. Keeleric 研發成功的，最早應用於硬質合

金刀具的加工[5]。在此基礎上，日本學者對此有較多研究，推動了電化學磨削加工相關理論和技術的不斷

前進。日本學者提出了SAM（Surface Shining Anodic

Machining）法和 EMG（Electro Mechanical Grinding）法。將電化學磨削加工分為粗電化學磨削和精電化學磨削兩個部分，以此來實現較好的加工質量。SAM 法應對於材料表面的光整加工方法，EMG 法是採用

1_{財團法人金屬工業研究發展中心} *_{通訊作者：陳峻偉}

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微切深、高往復運動速度的電化學磨削；Nobuhide Itoh 等[6]人通過研究發現通過恆定電壓在線電化學修整磨削可以得到更好的工件表面質量，並驗證了砂輪目數對加工質量的影響；北海道大學的佐藤敏成學者利用石墨砂輪對硬質合金進行電化學磨削加工，加工中的產生熱量較少且加工後工件表面的金相組織並不發生變化，且未發生加工硬化的現象。英國學者 R. N. Goswami 等[7]人研究高硬度鋁合金複合材料的電化學磨削加工，討論主要加工參數：切深、電壓、電解液流速和電解液濃度等對材料加工質量的影響，並對實驗結果進行了參數優化；R. E. Ilhan 等[8] 人通過大量實驗數據對電化學砂輪的表面粗糙度、磨削力、磨損、過切量和磨削比進行優化，並得出了最優的加工條件。目前國內製造商對於金屬蜂巢芯結構材仍以機械加工方法製造，其加工時間、品質與產率等瓶頸問題，遂提出此電化學機械研磨加工技術達成鋁蜂巢芯結構之加工品質及提升加工速率。

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蜂窩芯結構具有良好的機械性能及價格相對低 [1]，其在航太產業中依用途類別不同而有所差異，在機體結構上常選材料為鋁合金 7075 （ aluminum alloy7075）或纖維材料（Nomex fiber），但纖維材料因價格高昂，目前仍以鋁合金材為大宗。由於在飛機運動結構上需要高強度及輕量化，特別在於襟翼，其結構為三明治夾層之複合結構，傳統為巴沙木及上下兩片玻璃纖維所組成，但強度不足以應付快速飛行需求，故現行都由鋁合金蜂窩芯取代，鋁合金蜂窩芯結構機翼能夠在高速度飛行時保持外形，且結構重量也較輕。本研究將以電化學機械研磨加工於鋁合金蜂窩夾層板上進行溝槽加工為試驗方式，由於需在工件生成金屬氧化物故採用含氧之中性硝酸鈉電解液，其加工時搭配噴嘴電極將電解液使以高速噴流於加工區域，極間間隙由溼式對刀決定，且調整磨輪移動速度以layer by layer 或曲面移動方式進行加工成形。最後會將本研究所開發之技術和傳統機械研磨加工進行比較。以下為相關之參數設定電壓施作範圍：5-60V 磨輪轉速：2500-3000RPM 電極間距：≦2mm 磨輪移動速度：≦50μm/sec 加工流體組成：NaNO3配方之基礎電解液

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ዞЪܛՄफ़࿪̼ጯໂ̼ѡቢ̶ژ 金屬在電化學加工過程中，陽極要求處於活化溶解區，因此通常採用活性電解液。但是在電化學磨削加工中，陽極卻要求處於鈍化區，以此保證工件表面產生鈍化膜[4]，且鈍化膜的厚度對導電性能影響很大。根據試驗結果可知，內層膜的厚度隨著陽極電位的增高而加大，而外層膜的厚度則不隨陽極電位而變化。一些研究成果發現鈍化膜的厚度隨陽極電位的增高，始而變厚，繼又減薄。上述厚度的變化因陽極、電解液和電位區間的不同而異，它對膜的導電性能有著顯著的影響。鈍化膜的緻密性對導電性也有很大的影響。陽極膜的緻密性越差，則其離子的導電性越好，電流效率越高。

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模組除了具有普通機械磨削的基本功能之外，在加工過程中還需要電解液循環系統和外部電源系統

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等。如圖2 所示是組合式磨輪電極模組實物圖。該模組配有操作面板，x/z 軸的運動精度可達到 0.05 mm，對刀和加工均可採用可编程序控制器實現，易於操作。組合式磨輪電極模組由磨輪電極、電解液供應、直流電源供應器、控制面板、壓力傳感器及工作檯面組成，模組規格如表1 所示。 ဦ2 ௡Ъё᎐዇࿪ໂ᎐௡၁វဦ ዞཻ૰܈ણᇴྏរ 在各式機械加工過程中均有機會產生毛邊現象，而依據不同製程加工大致可區分為切削毛邊、模具毛邊、自由凝固毛邊等，另外工件的材質不同毛邊的狀況也不一樣。下表為各種加工製程所產生的毛邊大小統計，依據研削所產生之毛邊高度來鑑定電化學機械研磨對於鋁蜂巢芯加工毛邊產生之標準。 ܑ1 Ч჌ΐ̍ڱͨᙝ̝̂̈௚ࢍܑ[9] 加工法材質板厚 (mm) 毛邊高度 (mm) 毛邊根底厚度(mm) 沖床穿孔 SPC 0.5~2 1.5~0.3 ---- Cu 1.6~4 ~0.2 --- Cu 1 0.02~0.03 0.1 Al 2 0.001~0.49 --- SPC 0.3 0.008~0.10 0.01~0.07 切削剪削 SS --- 0.02~0.0 --- 精密沖壓 Cu 20 ~1 --- 切斷 SGP 30 ~1 --- 銑刀加工 S20C --- 0.2~0.3 0.005 Cu 5 0.3~0.5 0.3~0.5 Cu 5 0.9~3.9 0.2~0.3 Cu 8 ~1.5 --- 鍛造鑽孔 Cu 9.5 0.1~0.3 --- 粉末成型金屬切斷 --- 8~15 0.1~0.5 --- 研削 SS --- 0.03~0.08 0.05~0.07 --- --- 0.01~0.09 0.002~0.127 圖 3 為採用不同操作電壓下在磨輪電極轉速 800RPM、進給速率 25 μm/s、電解液流速 15 m/s 下採單道次深切方式加工，由圖可得知在溝槽尺寸隨著加工電增加而增加，而對工件壓力則隨操作電壓增加而下降，表示電增加時電解效應增強在磨輪移動速度固定下，因而機械研磨效應降低，且由微觀表結構可得知，電壓在12 V 以下其加工後表面產生毛邊，且在10 V 時易發生輾壓現象導致薄件變形，故可得知純機械加工並不適合鋁合金蜂窩多孔結構加工製造，由實驗結果得知在操作電壓16 V 具有較佳之加工結果，故後續參數試驗則選擇操作電壓16 V 為固定參數。 ဦ3 ̙Тፆү࿪ᑅ˭ͽ࿪̼ጯ፟ୠኑЪΐ̝̍ඕڍ 圖4 為採用不同磨輪轉速，在操作電壓 16 V、進給速率25 μm/s、電解液流速 15 m/s 下進行航太用鋁合金蜂窩心加工，由圖可得知磨輪轉速越高加工精度表面品質越高，乃因磨輪轉速決定了機械磨削效應

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大小，但轉速高於某程度後則無變化，代表轉速越高仍需搭配較大電解效應或進給速度，否則只是浪費能源，且由前述得知轉速提高對於磨輪導電問題亦會產生（磨削部位電解液減少，可能會造成乾磨削，如圖 4，1000RPM 下），故後續參數試驗則選擇磨輪轉速 800RPM 為固定參數。 ဦ4 ̙Т᎐዇࿪ໂᖼి˭ͽ࿪̼ጯ፟ୠኑЪΐ̝̍ඕڍ 圖 5 為採用不同磨輪進給速度，在操作電壓 16 V、磨輪電極轉速 800RPM、電解液流速 15 m/s 下進行航太用鋁合金蜂窩心加工，由圖可得知磨輪進給速度越高加工精度雖然較高但表面精度卻越來越差，其由於當進給速率越高，電化學反應來不及在表面產生金屬氧化物，進而為純機械磨削，且因鋁合金薄件處容易因過度進給導致輾壓變形特別在進給速度超過 75 μm/s 以後，且容易造成在磨輪孔隙處堵塞，故後續參數試驗則選擇磨輪進給速度25 μm/s 為固定參數。 ဦ5 ̙Т᎐዇࿪ໂซගిޘ˭ͽ࿪̼ጯ፟ୠ ኑЪΐ̝̍ඕڍ 為改善電解液流場不佳導致切口都單邊有電化學反應，本實驗採用外殼上鎖接頭來進電解液的方式取代單蛇管噴流的方式，且可降低進給速度或增加電壓以使工件有足夠的時間因電化學反應產生金屬氧化物，來降低火花的產生，以達到低應力非機械加工效果。由圖6 可得知依照目前電解液流場形式，其流速對於加工表面品質影響不大，但流速增加有助於側向移除量提升，乃因電解液入口和傳統蛇管進液不同，採側噴所致側邊移除量提升，故後續參數試驗則選擇電解液流速15 m/s 為固定參數。 ဦ6 ̙Т࿪ྋ୵ిޘ˭ͽ࿪̼ጯ፟ୠኑЪΐ̝̍ඕڍ

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由上得知本研究所開發之模組合適於進行電化學機械複合磨削加工，但僅限於切割或是採用成形磨輪進行加工製造，且因目前於加工後以人工方式自行清潔磨輪，故亦可加入磨輪自潔機構，來合乎量產需求。在由目前參數試驗得知在操作電壓 16 V、磨輪電極轉速800RPM、進給速率 25 μm/s 及電解液流速 15 m/s 下可獲得同時兼具加工表面及精度之成品。且由實驗得知雖然機械磨削可加工精度較高之溝槽，但其工件表面產生嚴重之毛邊，故若以此方式進行加工製造，則需一去毛邊後處理製程，進而提高製造成本及增加工時，且面對航太難加工材料時採用機械磨削則加工效益更低，然而採用電化學機械複合加工可得到無毛邊的產生，且可有效移除殘膠，加工精度亦較傳統ECM 佳。

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[1] 劉文海，「超輕多孔金屬材料之特性與應用」，工業材料雜誌，2016 年 02 月刊，140-146 頁。

[2] W. R. Backer and R. A. Dahlin, The effects of electrolytic assistance in peripheral grinding, Am. Sot. Mech. Eng. Pap., 60 WA-4, 1960.Robert E. Phillips, Electrochemical Grinding, ASM Handbook 16 (1989) pp.542-547.

[3] Pourbaix, M., Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, (2nd ed). Houston, United States: National Association of Corrosion Engineers (1974). [4] M. N. SHORT., MICROSCOPIC DETERMINATION OF

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[5] T M A Maksoud, A J Brooks. Electrochemical grinding of ceramic form tooling[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1995(55): 70 75.

[6] Itoh N, Ohmori H. Grinding characteristics of hard and brittle materials by fine grain lapping wheels with ELID[J]. JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY, 1996, 62(4): 315-320.

[7] Goswami R N, Mitra S, Sarkar S. Experimental investigation on electrochemical grinding (ECG) of alumina-aluminum interpenetrating pHase composite[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, 40(7-8): 729-741.

[8] Ilhan R E, Sathyanarayanan G, Storer R H, et al. Off-line multiresponse optimization of electrochemical surface grinding by a multi-objective programming method[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1992, 32(3): 435-451.

[9] 高澤孝哉，機械零組件精加工及去毛邊技術研討會講義，金屬中心，p1-30，2000。

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Low stress machining process and module development for light weight porous

structure metal product

Chen Chun Wei

1, *

, Fan Zhi Wen

1

, Chang Chen Hui

1

Abstract

Titanium alloy, Inconel 718 and aluminum alloy are widely used for aerospace materials, but those are difficult to use general machining to Manufacture. Therefore, many aerospace component manufacturers also use electrochemical processing.However, porous structural materials are usually made by gluing and stacking, and it is not easy to use an electrochemical processing type for material removal. In view of this, this research innovative concept development, the development of electrochemical processing effect combined with mechanical grinding method of electrochemical mechanical grinding composite processing technology to solve the difficult problem of metal porous structural materials. The main work of this research is as follows: (1) The combined grinding wheel electrode module is built, and the grinding wheel with electrical conductivity and mechanical grinding can be developed and the module can be built. (2) Investigate the influence of each processing parameter on the forming process, match the required processing characteristics, quality and process application characteristics, and feedback the function and application mode of the revised electrode module on the test results. It is expected to be assisted by mechanical grinding. Improve electrochemical processing efficiency.

Keywords: Electrochemical grinding machining, Metal porous structure

1_{Metal Industry Research and Development Center} *_{Correspondence author: Chen Chun Wei}