南台科技大学研究生.docx
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南台科技大学研究生
南台科技大學研究生
暑期赴業界實習成果報告
實習公司：
高雄金屬工業研究發展中心
微細線切割變角度v-cut尺寸精度
之研究
實習公司指導人：
許富銓工程師
指導教授：
戴子堯老師
研究生：
賴進祥
日期：
中華民國96年**月**日至**月**日
總目錄
總目錄
圖目錄
表目錄
ㄧ、前言.............................................................................................3
1.WEDM簡介...................................................................................3
二、精微技術簡介...........................................................................4
1.精微製造技術分類.........................................................................4
2.放電加工法.....................................................................................5
3.線放電加工.....................................................................................9
4.機台簡介.........................................................................................10
三、機台的實作................................................................................11
四、文獻參考....................................................................................17
ㄧ、前言
WEDM簡介
隨著科技的進步發展，微米（μm）尺寸的微細零組件、模具或量測儀器被廣泛應用於精密機械、航太工業、半導體、生物醫學工程等，隨著特殊合金冶金技術的提升，材料受硬度、強度、韌性、導電性的限制要求，此類材料利用傳統方式加工，不但加工不易且成本極為昂貴，因此使用傳統加工法較不符合經濟效益，發展出更高速、更精密的成形加工技術來降低成本，例如：
微放電加工（Micro–EDM）、微銑削加工（MicroEndMills）、雷射加工（LaserAblation）、蝕刻（Etching）等。
從生產這些微小零組件（MicroParts）及微特徵元件（MicroFeatures）的技術層面來看，發展一套既能合乎大量生產且能降低成本的標準製程時為當務之急。
超硬合金因具有極高的剛性及耐磨耗性，使得它非常適合使用於衝模或壓製模具中。
但也由於硬度及耐磨耗等特性，反而使得超硬合金在傳統的切削及研磨上都不易成形，造成加工成本的增加。
而微細線切割加工是利用電極與工件所產生的電火花，來對導電性材料進行加工，在放電製程中，電極並不與工件直接接觸，所以工件與電極都不會受到作用力，因此非常適合加工高剛性及耐磨耗性的材料。
微線切割放電加工是一種複雜而多變的物理現象，且具有隨機性，在不同的加工條件，都會影響放電狀態，在放電加工過程中，為了獲得較高的加工速度，經常必須在加工過程中改變加工參數，如設置不當，容易使得間隙狀況不穩定，加工速度、加工精度、加工表面均會受到影響。
二、精微技術簡介
1.精微製造技術分類
目前的精微製造技術種類繁多，但在眾多的加工法之中，大致可分為三大類，依加工技術可分為切削加工、非切削加工以及非傳統加工等：
微細加工分類
而線切割加工為非傳統加工之一種，而目前業界常用之線電極直徑普遍都大於100μm，而當線電極小於100μm時，就可以稱為微細線，而使用微細線來進切割加工，使得線切割加工進入了精微製造的領域，而微細線切割加工所加工出之牙形雖有先天上之限制，但以加工成本上，確與超精密加工有差別，如此對於光學模具的製作，就有另外一種加工方法的選擇。
2.放電加工法
放電加工是把加工電極和待加工工件置於絕緣的加工液中（其
中雕模式放電加工以成型電極為加工電極，加工液以煤油為主，而線切割放電加工以f0.5mm以下，黃銅、鎢、鉬等材料的金屬線為加工電極，加工液以去離子水為主），當兩極間間隙足夠小的時候（約5∼50mm），即造成絕緣破壞進而發生放電作用，而每秒數千乃至數十萬次的放電次數產生的許多放電凹坑，就是放電加工切削工件之方式，其整個過程說明如圖所示。
（a）放電發生：
在電極與工件兩端加上電壓，並使兩極間充滿絕緣的加工液，
而當電極與工件表面上兩較相近點間之電場強度最先超過加工液的絕緣耐壓強度時，此時加工液絕緣耐壓強度崩潰，電子由陰極射出向陽極前進，此時放電現象開始。
（b）電離作用：
當運動中的電子撞到中性的絕緣液原子時，會將其最外層的電
子激發出來形成陽離子，而使得電子數目將大為增加。
（c）蒸發、熔融作用：
由於電子、離子持續性的電離作用並向陰陽電極運動，當其與
電極撞擊時，動能轉換成熱能，並產生高達10,000℃左右的高溫，使得電極與工件發生熔融、蒸發現象。
（d）氣化膨脹，融屑除去：
高溫造成加工液突然氣化膨脹，對很微小的放電面積而言，產
生了巨大的膨脹壓力（約為40∼50kgw/cm2），其爆炸力產生金屬融屑去除的效果。
（e）放電痕形成及極間復原：
氣化爆炸的壓力使熔融之金屬噴成小圓團，四散於加工液中，於工件表面形成凹坑，接著關閉兩極之外加電壓，熔融屑被循環加工
液帶走，於是放電痕形成，而凹坑周圍未噴散的熔融金屬形成隆起的部份，此部份可能就是下次的放電點，此時間隙之絕緣耐壓重新恢復，等待進行下一次的放電。
放電火花是由陰極、陽極、電漿（Plasma）、陰極位降區和陽極位降區所組成。
陰、陽極位降區位於陰、陽極表面附近，而電漿則是產生在兩位降區之間的氣體，其中包含電子、正離子和中性原子。
其溫度約在6,000℃到10,000℃左右，圖為放電火花結構之示意圖。
放電火花結構圖
一般而言放電會有下列四種形式的轉換過程：
1.電暈放電（CoronaDischarge）
2.氣體相放電（GaseousDischarge）
3.金屬相放電（MetallicDischarge）
4.電弧放電（ArcDischarge）
電暈放電是由於間隙的絕緣並未完全崩潰，故放電電流小，溫度亦低，因此對電極以及工件並不會造成很大的影響。
氣體相放電和金屬相放電由於時間短暫，而且因為放電火花之緊束效應（Pinch
Effect，這是因為放電火花外圍的冷卻效果而使放電火花有更集中的反應），通常火花都產生在微小的放電點上，因此單位面積上的電流密度高，溫度亦相對的高，使金屬熔融或氣化的效率更高，加工粗糙度亦佳。
而電弧放電的放電區域寬，電流密度小，加工效率低，加工粗糙度亦差。
由於這樣的現象，故放電加工之放電要止於氣體相和金屬相之間而儘量避免電弧放電。
使用脈波列直流電壓利用放電迴路電晶體之開關動作，控制放電時間與放電休止時間，可以產生高頻之斷續氣體相與金屬相放電，避免發生電弧放電。
放電的四種轉換過程如圖:
目前有許多學者投入放電加工的領域，然而在這些已日漸成熟的技術之中，其技術的研究主要可歸為下列四大領域：
3線放電加工法
線切割放電加工（WireElectricalDischargeMachining,WEDM）是
放電加工另一種形式，基本加工原理跟雕模放電加工相同，唯一不同
是使用細線為電極。
加工方式類似帶鋸機，加工過程中線電極以固定
張力輸送並沿所設定之加工路線前進，工件置於可伺服控制移動之
X-Y平台上接近線電極進行放電加工。
線電極材料通常是銅、黃銅和鎢等，線電極材料通常都要具有高導電度、高抗拉強度、高抗破壞韌性等特點。
線電極是利用送線機構將線送出以補償電極消耗，線電極使用一次後即不再回收使用，故線切割放電加工不考量電極消耗。
線切割加工常使用電阻值高之去離子水當絕緣液，主要是取決於
去離子水流動性佳且冷卻效果好；因為放電加工產生的電流焦耳熱容
易導致斷線，另外排屑差會使放電次數減少，放電集中現象增加，加
工速度減緩，斷線機率提高，所以使用去離子水改善斷線次數。
線張力也是重要參數。
線張力小，加工速度慢，線震動幅度變大，
加工擴槽量也因此增大。
線張力過大時，由於線抗拉強度有限，再加
上放電產生的高熱會使線電極軟化，容易造成斷線。
適當的線張力對
線切割放電加工是一重要課題。
線切割加工示意圖
線切割放電加工的加工特性有以下三大類：
1.加工速度
一般以金屬移除率與面加工速度兩種方式來表示加工速度。
金屬移除率（MetalRemovalRate,MRR）是以單位時間內去除的工件材料體積或質量來表示，定義為mm3/min或g/min。
而面加工速度定義為床台進給速度（mm/min）×工件厚度（mm），通常以mm2/min表示。
一般而言，雕模放電加工以金屬移除率表示，而線切割式放電加工則以面加工速度較為常用。
線切割放電加工機的加工速度，基本上正比於平均加工電流或尖峰電流。
一般而言，影響線切割式放電加工速度的因素包括工件厚度、線極特性、沖水壓力、離子水比電阻值與放電條件等。
此外因為平均加工電流與切屑排出效果的關係，會產生所謂面積效應，亦即在特定工件厚度，可獲得最大加工速度，而且線電極的直徑越大，最大加工速度亦隨之增大。
2.加工精度
加工精度包括
（一）形狀精度
（二）定位精度及（三）尺寸精度（加工間隙寬）。
（一）形狀精度：
形狀精度的內容包括
（1）隅角部位形狀精度
（2）剖面的真直度。
線加割放電加工的剖面真直度，在於描述加工面的垂直方向形成鼓形量的程度，而造成這種鼓形狀的原因，主要原因與線極的擺振、加工液的比電阻值、工件厚度、加工速度、以及殘渣留存在中間部位所造成的二次放電有關。
當線極張力較大時，由放電導致的線極擺振幅度較小，鼓狀現象可獲得改善；提高加工速度及加工液的比電阻值，能減小放電間隙，亦可使真直度提高；工件愈厚會使得真直度愈差，這是由於上下導具的跨距變長，線極造成的振幅相對加大。
此外在角隅處幾乎不可避免地會產生過切現象，會影響到角隅處的形狀精度，尤其對於多處轉角的微細工件來說，其影響程度更為嚴重；造成此種現象的主因在於線極受到來自工件的反作用力，而使線極產生撓曲（Bending）現象，造成線極中央部分落後上下導具，在轉角時形成角隅處的崩塌。
（二）定位精度
一般定位的方法分為孔基準與以工件壁面基準兩種。
定位精度會受尋邊時的電壓、極間狀況（如水滴與工件毛邊）以及工件傾斜的影響。
（三）尺寸精度（加工溝槽寬）
加工溝槽寬若太大會直接影響到工件完成時的尺寸精度，因此必須審慎決定加工參數。
在加工參數一定的條件下，加工速度及加工液的導電度成正比。
以線張力而言，也會影響加工溝槽寬度，主要是受到線的振動及停留時間長短的影響。
而如欲提高加工尺寸精度，必須能充分掌握每一道次的材料去除間隙寬度。
3.表面品質
（一）表面粗糙度
放電加工面的狀況是由多個單發放電所造成的凹坑重疊所構成的，並造成工件表面凹凸起伏不平，而表面粗糙度是用來表示放電加工表面凹凸不平的程度，其大小主要受放電尖峰電流大小與放電時間長短所決定。
通常大的尖峰電流，長的放電時間會產生較大的表面粗糙度。
（二）表面變質層
放電加工的熱效應會使得工件表面產生一變質層，此變質層乃母材經過熔融以及低溫加工液的淬火後，甚或滲入其他元素所造成的再鑄層，此變質層會降低工件的疲勞強度、抗腐蝕能力和耐磨耗性，使得加工件的壽命降低。
（三）殘留應力及裂縫
因為殘留應力所產生的拉應力，會引起了應力腐蝕、裂縫以及破裂，而且降低了疲勞限和衝擊抵抗。
而材料的殘留應力分佈會受到冷卻能力、電流峰值、比電阻和線張力的影響，而加工表面下的殘留應力值及其深度與表面變質層大小有很大關係。
控制加工條件或改變材料性質的方式可以減低殘留應力的發生，提高線切割加工工件的品質。
4機台簡介
機器規格
X、Y、Z軸行程mm
220x160x100
U.V軸行程mm
±40
最大工件mm
300x200x80
最佳表面粗度
0.05μm/Ra
使用線徑
0.02mm~0.2mm
機台重量
3200kg
機械尺寸mm
1400x1900x1970
三、機台的實作
本人在金屬工業研究發展中心接受工程師許富銓的指導，協同實做一些研究項目，以下為一些簡單的實做項目：
1、V-cut形狀幾何探討
本實驗針對機台內部設定加工策略之最小圓角與清角部分對於內圓角切割影響進行試驗，所使用的材料為不銹鋼（SUS420），工件厚度為3mm，圖1為設定不同內圓角角度所得到之隅角外型，角度分別為30°、60°、90°、120°，加工策略為最小圓角，由研究結果發現當內圓角角度增加時，所得到之內圓角也會隨之減少，其原因是當內圓角角度減少時，造成線加工面積的增加，導致內圓角增加，反之內圓角逐漸增加時，線加工面積減少，使其內圓角也隨之改善減少。
圖2所設之加工策略是清角，由圖中可看到使用加工策略清角設定時，其內圓角有過切現象，且過切的形狀像線電極的形狀，此乃因在進行內圓角切割時，線電極路徑是往內圓角裡面直線切割，故才導致內圓角部分過切現象，為圖3為V型溝槽試作，從圖中可觀察到，其尖角形狀有製作出來，且崩角情況並不是很明顯，且內圓角部分也無過切情況產生。
圖1（a）轉角30度（最小圓角）
圖1（b）轉角60度（最小圓角）
圖1（c）轉角90度（最小圓角）
圖1（d）轉角120度（最小圓角）
圖1（d）轉角30度（清角）
圖1（d）轉角60度（清角）
圖1（d）轉角90度（清角）
圖1（d）轉角120度（清角）
圖2牙形試割
2、V-cut尺寸精度探討
圖3是不同加工道次下切割內圓角之SEM圖，工件材料為碳化鎢，工件厚度為2.4mm。
在圖3觀察內圓角可看出當加工道次逐漸增加時，所得到之內圓角誤差會隨著改善，其原因是前面的加工道次是為快速移除材料的粗加工，而後面加工道次是為確保尺寸精度與形狀精度的中加工與細加工，故最終加工所獲得之內轉角尺寸符合所設計的目標。
圖3（a）加工道次NO.1
圖3（b）加工道次NO.2
圖3（c）加工道次NO.3
圖3（d）加工道次NO.4
四、文獻參考：
1.張渭川，放電加工的結構與實用技術，第216頁，全華科技圖書股份有限公司，台北、台灣，1999年
2.K.H.Ho,S.T.Newman,“Stateoftheartelectricaldischargemachining（EDM）”,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture43（2003）1287-1300.
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