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宏云
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1 先進工程學刊第三卷第四期 Journal of Advanced Engineering Vol. 3, No. 4, pp / October * Mu-Tian Yan *, Ming-Hsiang Chuang 摘要本文探討油加工液與對微線切割放電加工的加工精度與表面品質之影響在加工過程中, 水加工因電解作用影響, 表面粗糙度會比油加工差, 且工件表面冷卻速度較快, 表面微破裂情形較為顯著此外油的電阻值較高, 造成放電間隙寬度降低, 溝槽寬會比減少 μm, 其最大變動量也降低 4-5 μm 由實驗結果得知, 使用油加工液能提高加工精度, 但加工速度會急劇降低關鍵詞 : 線切割放電加工, 表面完整度, 加工精度 Abstract This paper aims to investigate the influence of kerosene and deionized water as dielectrics on surface quality and machining accuracy of micro wire-edm. With no chemical corrosion and electrolysis compared to water dielectric, better surface finish can be achieved by using kerosene as dielectric. Deionized water s faster quenching contributes to micro-cracking of the machined surface. Spark gap width and maximum variations of slit width can be reduced by μm and 4-5 μm, respectively using kerosene as dielectric liquid since the resistivity of kerosene is higher than that of deionzed water. Experimental results demonstrate that the machining accuracy can be improved by using kerosene as dielectric but the machining speed decreases dramatically. Keywords: wire-edm, surface integrity, machining accuracy I. 導論隨著微機電系統與光電科技產業快速的發展, 高精度與超精密加工的需求, 已經不是傳統加工方法所能夠勝任, 並且由於微小化的趨勢, 使用零件也需精密且微小化, 因此利用加工不受材料特性影響, 又能達到精密且微小化的微線切割放電加工, 可以符合微細加工之要求, 但放電加工卻有缺點存在, 雖然能切削高精度微小的元件, 卻不能達到極佳的加工精度, 如何兼顧著加工精度與加工速度, 一直是學者探討的問題之一使用油加工液是為了提升放電加工品質, 利用油的電阻值比水大的特性, 使放電時能降低放電能量藉此特性探討油加工液在微線切割放電加工的加工精度與表面品質的影響放電加工用的加工液除了有冷卻與排出加工屑及氣體的作用, 亦影響加工精度與表面品質不少學者已在研究不同的加工液對放電加工的影響, 例如 Chen 等人 [1] 使用與煤油二種不同加工液對 Ti-6A1-4V 進行放電加工, 而使用煤油加工出來的表面粗度, 確實比好, 並由電子掃描式顯微鏡所觀察的工件表面, 使用煤油加工出來的表面微破裂情形, 也改善了許多 Tzeng 等人 [2] 提出在放電加工中, 使用油為加工液裡添加不同的金屬粉末對於放電加工品質的影響, 實驗結果說明, 加入粉末後的加工表面粗度, 確實比未加粉末的好, 由 SEM 的照片來看變質層的厚度也有明顯的減小 Liao 等人 [3] 則是採用 RC 放電迴路製作了一台 Micro CNC Wire-EDM, 其具有微米級微齒輪的加工能力, 此外, 更具有微細 3D 加工的能力, 可以加工出微米級的複雜塔形機械元件 Yan 等人 [4] 提出在一般加工液裡加入化學尿素 (Urea) 對於放電加工的影響, 實驗結果得到, 加入化學素會降低材料去除率 (Material Removal Rate, MRR) 電極磨耗率 (Electrode Wear Rate, EWR) 與中心線平均粗糙度值 (Ra), 並且實驗得到在放電時間為 100μs 時可得到最佳的表面品質 Yamada 等人 [5] 提出一個能夠抑制電解的電源系統, 明顯的改善了表面粗度也使得母材受到放電時應變的影響減小, 且加工出來的工件表面微破裂情況也變少了, 能夠廣泛的在製造各種微型的模具上應用華梵大學機電工程學系 * Corresponding author. mtyan@huafan.hfu.edu.tw Department of Mechatronic Engineering, Huafan University, Taipei 22301, Taiwan, R.O.C. Manuscript received 12 November 2007; revised 29 February 2008; accepted 7 April 2008

286 Yan 等人 [6] 研發出一組新的放電加工精修電源系統, 利用雙洩流放電迴路對不同極性進行洩流, 並使用鈦合金以及碳化鎢兩種材料進行精修加工,

22 μm 之鏡面加工, 也利用田口式實驗法計畫法找出在此精修電源系統負極性放電時間以及限流電阻為影響表面粗糙度之顯著因子 Storr 等人 [7] 嘗試使用不同加工液替代傳統的水油加工,

本文研究目的即是探討使用油加工液對於微線切割放電加工精度與表面品質的影響因為線放電加工機的電極很細, 放電時能量密度高, 使用煤油時, 絕緣性高, 當絕緣破壞時衝擊力大, 而水有漏電現象,

實驗設備與方法如圖 1 所示, 本文所使用之加工設備為華梵大學機電控制實驗室利用國產線切割機改裝而成之微線切割放電加工機 [8], 並研發出一套煤油循環系統, 油循環系統包含二次過濾

比較加工精度與材料去除率, 另外利用 SEM( 掃描式電子顯微鏡 ) 觀察加工工件表面微破裂情況, 最後測試油加工微型元件, 觀察加工後之微型元件的外觀與尺寸, 並比較二種不同加工液的加工精度 1.

5 μs 與 2 μs, 對工件以不同加工液 ( 水油 ) 進行加工實驗結果在放電時間為 2 μs 時, 加工黃銅表面粗糙度為 0.616 μm, 油加工液為 0.

43 μm, 說明黃銅在使用放電加工用油時較好, 因中含有氧離子, 在放電加工中, 會產生電解的作用, 圖 2 為使用不同加工液的加工工件表面, 可以看出水加工黃銅表層有一層氧化層,

2 286 Yan 等人 [6] 研發出一組新的放電加工精修電源系統, 利用雙洩流放電迴路對不同極性進行洩流, 並使用鈦合金以及碳化鎢兩種材料進行精修加工, 觀察表面後發現表面微裂縫情形明顯較使用直流放電電源要少, 並且成功抑制放電痕的產生, 經過四道精加工手續, 可獲得表面粗糙度 Ra 為 0.22 μm 之鏡面加工, 也利用田口式實驗法計畫法找出在此精修電源系統負極性放電時間以及限流電阻為影響表面粗糙度之顯著因子 Storr 等人 [7] 嘗試使用不同加工液替代傳統的水油加工, 而新加工液 OH2286 IONOFIL 加工工件碳化鎢之表面, 比傳統水加工液還要好, 而且加工結果表示, 油加工液比水加工液更適合加工碳化鎢本文研究目的即是探討使用油加工液對於微線切割放電加工精度與表面品質的影響因為線放電加工機的電極很細, 放電時能量密度高, 使用煤油時, 絕緣性高, 當絕緣破壞時衝擊力大, 而水有漏電現象, 流失一些能量, 高電流時之衝擊力較好掌握, 但微線放電加工機放電能量較小, 相對絕緣破壞衝擊力也較小, 再藉由油加工不會產生電解作用的特性, 希望能使微線切割加工機的加工品質提昇 II. 實驗設備與方法如圖 1 所示, 本文所使用之加工設備為華梵大學機電控制實驗室利用國產線切割機改裝而成之微線切割放電加工機 [8], 並研發出一套煤油循環系統, 油循環系統包含二次過濾內部循環基本功能, 加工材料使用黃銅與碳化鎢, 電極材料使用 Ø70 與 Ø50 μm 黃銅線, 在研究方法方面, 探討加工條件對於表面粗糙度的影響, 並使用與放電加工用油二種不同加工液, 比較加工精度與材料去除率, 另外利用 SEM( 掃描式電子顯微鏡 ) 觀察加工工件表面微破裂情況, 最後測試油加工微型元件, 觀察加工後之微型元件的外觀與尺寸, 並比較二種不同加工液的加工精度 1. 加工表面品質分析 III. 實驗結果與分析本實驗以 Ø70 μm 之黃銅線, 對兩種加工材料 ( 黃銅碳化鎢 ), 分別以放電時間 3 μs 2.5 μs 與 2 μs, 對工件以不同加工液 ( 水油 ) 進行加工實驗結果在放電時間為 2 μs 時, 加工黃銅表面粗糙度為 μm, 油加工液為 μm, 加工碳化鎢表面粗糙度為 μm, 油加工液為 0.43 μm, 說明黃銅在使用放電加工用油時較好, 因中含有氧離子, 在放電加工中, 會產生電解的作用, 圖 2 為使用不同加工液的加工工件表面, 可以看出水加工黃銅表層有一層氧化層, 進而造成工件表面的惡化由上述表面粗糙度數據看出, 碳化鎢使用水加工液較佳, 因為碳化鎢材料是 W C 與 Co 以粉末燒結而成, W 與 C 佔成分的絕大多數, 但 W 與 C 的最低能量密度都很大, 因此碳化鎢的放電效率很差, 所以加工碳化鎢需要更小的放電間隙, 使放電電弧有效的突破絕緣層, 而進给率需要更低的速率進行加工, 造成加工不易, 且放電加工用油屬於碳化氫系加工液, 在與碳化鎢加工時會產生含碳物質於加工表面, 造成碳化鎢表面粗糙度變差 ( 未加工之工件表面 ) ( 水加工液之加工表面 ) 圖 1 微線切割放電加工機 ( 油加工液之加工表面 ) 黃銅碳化鎢圖 2 使用不同加工液之加工表面

Mu-Tian Yan, Ming-Hsiang Chuang 287 2. 腐蝕表面觀察本實驗將針對在不同加工液中, 黃銅表面腐蝕生成的影響關係實驗採用三種放電條件, 在兩種不同加工液 ( 放電加工用油 ) 中進行加工, 固定條件為限流電阻 40(Ω) 線速度 1.

4 與圖 5 中得知, 當放電時間 T on 提升時, 放電加工用油的表面微破裂情形較少, 而表面微破裂情形較多, 因為水的表面冷卻較快, 熱漲冷縮使得破裂情形較嚴重, 而放電加工油冷卻速度比較緩慢, 才沒有較嚴重的微破裂情形, 另外在相同加工頻率下,

微型元件加工比較本實驗分別利用 Ø70 μm 的黃銅線與 Ø50 μm 的 AP 線進行微型元件加工測試, 加工工件有黃銅與碳化鎢, 加工元件項目有溝槽與外齒輪溝槽寬測試結果, 發現加工黃銅溝槽寬, 線徑為 Ø70 μm 的油加工液溝槽寬變動量 ( 三次加工溝槽寬,

2 最大與最小的差異值 ) 為 4 μm, 水加工液溝槽寬為 3 μm, 而在加工碳化鎢 Ø70 μm 的油加工液溝槽寬變動量為 1 μm; 而水加工液溝槽寬為 5 μm, 另外 Ø50 μm 的油加工液溝槽寬最大變動量為 1 μm, 水加工液溝槽寬變動量為 4 μm,

3 Mu-Tian Yan, Ming-Hsiang Chuang 腐蝕表面觀察本實驗將針對在不同加工液中, 黃銅表面腐蝕生成的影響關係實驗採用三種放電條件, 在兩種不同加工液 ( 放電加工用油 ) 中進行加工, 固定條件為限流電阻 40(Ω) 線速度 1.6 m/min 當放電時間相同時, 在不同加工液中所產生的尖峰電流, 放電加工用油較高, 表 1 為放電加工電流峰值, 因放電能量越大時, 汽化壓力及脈衝能量亦相對增加, 因此表面形成面積較大且較深的放電痕, 使得粗糙度變差, 故藉由電子顯微鏡觀察放電表面形貌, 從圖 3 圖 4 與圖 5 中得知, 當放電時間 T on 提升時, 放電加工用油的表面微破裂情形較少, 而表面微破裂情形較多, 因為水的表面冷卻較快, 熱漲冷縮使得破裂情形較嚴重, 而放電加工油冷卻速度比較緩慢, 才沒有較嚴重的微破裂情形, 另外在相同加工頻率下, 油加工的最大粗糙度高度皆比水加工低, 說明油加工表面品質比水加工較佳 3. 微型元件加工比較本實驗分別利用 Ø70 μm 的黃銅線與 Ø50 μm 的 AP 線進行微型元件加工測試, 加工工件有黃銅與碳化鎢, 加工元件項目有溝槽與外齒輪溝槽寬測試結果, 發現加工黃銅溝槽寬, 線徑為 Ø70 μm 的油加工液溝槽寬變動量 ( 三次加工溝槽寬, 放電時間 (μs) 表 1 放電加工電流峰值放電加工用油電流峰值 (A) 最大與最小的差異值 ) 為 4 μm, 水加工液溝槽寬為 3 μm, 而在加工碳化鎢 Ø70 μm 的油加工液溝槽寬變動量為 1 μm; 而水加工液溝槽寬為 5 μm, 另外 Ø50 μm 的油加工液溝槽寬最大變動量為 1 μm, 水加工液溝槽寬變動量為 4 μm, 變動量減少了 4-5 μm, 量測資料說明黃銅在油加工之放電間隙寬度 (( 溝槽寬度 - 線徑寬度 )/2) 約為 10 μm, 水加工則為 20 μm, 圖 6 為黃銅溝槽寬加工結果, 碳化鎢在油加工之放電間隙約為 7 μm, 水加工則為 30 μm, 由於油加工液的電阻值比高, 造成放電間隙比小, 所以油加工液的溝槽寬比的溝槽寬小了約 μm, 並由圖示看出, 在油加工之溝槽寬較為工整, 而水加工之溝槽寬則有明顯的凹陷處另外碳化鎢因為放電效率差, 當電壓圖 3 腐蝕表面比較 : 油加工液, 水加工液 (T on =3μs; T off =7μs) 圖 4 腐蝕表面比較 : 油加工液, 水加工液 (T on =2.5μs;T off =6μs)

結論本文已在微線切割放電加工機旁, 另外組裝一油循環系統, 以進行微放電加工實驗,

黃銅在使用放電加工用油時, 能去除在黃銅表層因電解作用產生的氧化層, 提高黃銅加工品質,

4 288 提高使電弧容易突破絕緣層, 在能量提升造成的蒸發熔融與氣爆殘屑, 放電電痕也越大, 故在水加工之碳化鎢, 溝槽寬與線徑差 60 μm, 圖 7 為碳化鎢溝槽加工結果雖然油加工電阻值較高, 造成加工進給率降低, 切割工件需要更多的時間, 但是卻提高了工件尺寸精度圖 8 所示為黃銅外齒輪加工結果, 圖 9 為碳化鎢外齒輪加工結果, 外齒輪測試結果, 由於油的電阻值比水高, 所以油加工需要更小的放電間隙, 使電場強度超過加工液的絕緣耐壓強度, 才能導致放電的發生, 造成齒冠較無變形情況, 而水加工因為放電間隙較大, 造成齒冠齒形皆不明顯, 甚至有變形的情況, 對於微型元件, 使用油加工較能確保加工精度 IV. 結論本文已在微線切割放電加工機旁, 另外組裝一油循環系統, 以進行微放電加工實驗, 以下將就本文之研究作出結論與建議 : 1. 黃銅在使用放電加工用油時, 能去除在黃銅表層因電解作用產生的氧化層, 提高黃銅加工品質, 圖 5 腐蝕表面比較 : 油加工液, 水加工液 (T on =2μs; T off =5μs) 圖 6 黃銅溝槽寬加工結果 ( 線徑 :Ø70 μm): 放電加工用油, 圖 7 碳化鎢溝槽加工結果 ( 線徑 :Ø70 μm): 放電加工用油,

Mu-Tian Yan, Ming-Hsiang Chuang 289 但加工碳化鎢時, 因碳化鎢放電效率差, 又使用放電加工用油需要放電間隙小, 造成排屑效率差, 使表面粗糙度變差 2.

在溝槽寬加工比較中, 因為油的電阻值比水高, 造成放電間隙比小, 使得去除量也減小, 所以在溝槽寬量測實驗, 黃銅與碳化鎢在油加工比水加工降低 20 μm 與 45 μm 的放電間隙寬度, 碳化鎢變動量也降低 4-5 μm, 說明使用油加工液能提高加工尺寸精度 4.

107-111, March 1999. [2] Y. F. Tzeng and F. C.

5 Mu-Tian Yan, Ming-Hsiang Chuang 289 但加工碳化鎢時, 因碳化鎢放電效率差, 又使用放電加工用油需要放電間隙小, 造成排屑效率差, 使表面粗糙度變差 2. 加工後的腐蝕表面, 因為放電加工用油的電阻值較高, 降低放電間隙寬度, 導致使用放電加工用油能比使用的加工表面平整, 而使用加工, 因為冷卻加工表面比放電加工用油快, 經過熱漲冷縮, 使表面破裂情形較為嚴重 3. 在溝槽寬加工比較中, 因為油的電阻值比水高, 造成放電間隙比小, 使得去除量也減小, 所以在溝槽寬量測實驗, 黃銅與碳化鎢在油加工比水加工降低 20 μm 與 45 μm 的放電間隙寬度, 碳化鎢變動量也降低 4-5 μm, 說明使用油加工液能提高加工尺寸精度 4. 在微型齒輪比較中, 由齒冠可以觀察出, 使用水加工液因去除量太大, 齒冠部分都已變形, 而使用油加工液因放電能量較小, 齒冠齒型都很完整, 證實在使用放電加工用油工件尺寸精度比佳本文使用加工工件碳化鎢, 雖然油加工能提高加工精度, 但卻沒有較佳的表面粗糙度, 說明並非任何材料都適用油加工液, 建議使用其他材料, 例如 : 陶瓷材料工具鋼超硬合金, 才能更了解油加工液在微線放電加工的實用性參考文獻 [1] S. L. Chen, B. H. Yan, and F. Y. Huang, Influence of kerosene and distilled water as dielectrics on the electric discharge machining characteristics of Ti-6A1-4V, Journal of Materials Processing Tchnology, vol. 87, pp , March [2] Y. F. Tzeng and F. C. Chen, Investigation into some surface characteristics of electrical discharge machined SKD-11 using powersuspension dielectric oil, Journal of Materials Processing Technology, vol. 170/1-2, pp , Dec [3] Y. S. Liao, S. T. Chen, and C. S. Lin, Development of a high precision tabletop versatile CNC wire-edm for making intricate micro parts, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15/2, pp , Feb [4] B. H. Yan, H. C. Tsai, and F. Y. Huang, The effect in EDM of a dielectric of a urea solution in water on modifying the surface of Titanium, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 45/2, pp , Feb [5] H. Yamada, T. Magura, K. Sato, T. Yutomi, and K. Kobayashi, High quality electrical discharge machining using anti-electrolysis power source, in: EDM Technology 1, EDM Technology Transfer, pp , [6] M. T. Yan and Y. P. Lai, Surface quality improvement of wire-edm using a fine finish power supply, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 47/11, pp , Sep [7] M. Storr, J. Speth, and W. Rehbein, A new dielectric for wire-edm, International Symposium on Electromachining, pp , [8] M. T. Yan, C. W. Huang, C. C. Fang, and C. X. Chang, Development of a prototype micro wire-edm machine, Journal of Materials Processing Technology, vol. 149/1-3, no. 1-3, pp , Jun 圖 8 黃銅外齒輪加工結果 ( 線徑 :Ø50 μm): 放電加工用油, 圖 9 碳化鎢外齒輪加工結果 ( 線徑 :Ø50 μm): 放電加工用油,

不同工作週期對直流脈衝電漿化學氣相沉積法蒸鍍 DLC 薄膜於氮氧化處理 JIS SKD11 工具鋼之研究 Characteristics of DLC Films Coated on Oxynitriding-treated JIS SKD11 Tool Steel S.H. C

不同工作週期對直流脈衝電漿化學氣相沉積法蒸鍍 DLC 薄膜於氮氧化處理 JIS SKD11 工具鋼之研究 Characteristics of DLC Films Coated on Oxynitriding-treated JIS SKD11 Tool Steel 1 2 3 4 5 S.H. Chang, C.R. Huang, C.M. Liu, C.K. Peng, C.C. Yu JIS