分類：科學新知
2006/09/09 11:13
精密放電加工 vs. 取代技術--Precision Electrochemical Machining 精密電化學加工技術
分類：PEM 精密電化學加工技術
2006/09/08 14:48
6-1 前言
台 灣的模具工業，在全球的模具市場佔有率已逐年增加，外銷的產值已直逼先進國家，而一般在模具生產現場上最不可缺少的工作母機，可稱得上是放電加工機了。近 年來由於各方研究者的努力（特別是日本），放電的現像，及加工參數已逐漸明朗下，放電加工的技術更上一層樓，有些特別的加工特性並不輸給切削加工。
而在硬質材料的加工方面，諸如SKD，超硬合金、碳化鎢的加工，放電加工是一門不可缺少的加工方法，在此將從簡單的加工原理開始，敘述放電加工的應用及最新的技術發展。
6-2 放電加工的原理
放電加工原理簡單而言是利用電能轉換成工件熱能，使工件急速融熔的一種熱性加工方法。換言之，放電加工時，液中在電極與工作極微細的間隙中產生過渡電弧放 電現象，進而對工件產生熱作用，同時，加工中液體由於受到放電壓力及熱作用產生氣化爆發現象，此時工件的融熔部份，將伴隨液體氣化現象熔入加工液中，工件 因放電的作用產生放電痕，如此反覆進行，我們所希望的形狀便可加工完成，由此可知放電加工與工件的硬度無關只要是可通電的材料均可加工，而像陶瓷、玻璃等 非導體材料，在我們一般的印象中是無法利用放電來加工的，然而最近這幾年的研究發現，利用特殊的方式，利用放電亦可加工非導體材料，
基本的放電原理及理論，從微細觀的觀點來描述的話如圖（一）所示
(1) 電極與工件之間距小到數微米（μm）的距離時，首先距離最短的地方，產生火花放電，此時電流密度極高的電子流，衝擊被加工物，由於電子流急速衝擊，被加工物急劇受到熱的作用到達熔點。同時陽離子流向陰極，電極（工具）也同時被加熱。
(2) 由於放電電壓及熱的作用，放電點周圍的加工液急速氣化。
(3) 加工液急速氣化膨脹因而對熔融的工件及電極產生壓力的作用。這種液體氣化的壓力是放電加工過程中不可缺少的。若以巨觀來看放電壓是非常的小，若以單位面積來考慮的話，加工液的氣化膨脹壓力不可忽視。
(4) 熔融的金屬飛散於加工液中形成加工屑。
(5) 加工液中流入放電間隙中將殘餘的熱量帶走，並恢復絕緣狀態。
圖（一） 放電原理
由此可知加工液在放電加工中最主要扮演冷卻及迅速回復極間的絕緣狀態，當然氣化脹壓力的作用也是加工液很重要的角色之一。
圖示是單發放電後的放電痕跡。
從步驟(1)~(5)往覆式的１秒約數千次甚至數十萬次的。
實際的放電加工是
放電狀況發生，多數的放電痕逐漸累積而成的加工方式，就是放電加工去除的原理。
大←單發放電能量→小
粗←表面粗糙度→細
寬大←放電間隙→狹小
快←加工速度→慢
圖（二） 單發放電狀況
從以上的說明中，我們知道放電加工是放電痕的累積，而單發的放電能量愈大，放電凹痕也愈大，加工速度，放電間隙，及加工面的粗糙度也相對增加，其關係如圖（二）所示。
在單發放電過程中，電壓及電流的關係如圖（三）所示。
圖（三） 電壓、電流的關係
實際上在放電加工過程中，是連續放電的現象，如圖（四）所示
圖（四） 電壓、電流的關係
其中ΓN，ΓP是放電加工中極為重要的參數，控制ΓN，ΓP等不同的值將影響加工速度，加工面的粗糙度及電極的消耗程度，目前市面上的放電加工機，特別是國產的，調整不同的ΓN及ΓP在加工的品質已經亞於日本等國家。
6-3 放電加工機的分類
基本上放電加工機可分為幾個類別，其加工原理如圖（五）所示
（圖五）彫模放電加工原理
利用電極的不同形狀，便可加工工件成我們所需要的形狀。雖然利用很簡單的彫模機可加工出各種模具的形狀，但是彫模放電工機仍有以下幾個問題：
(1) 電極的消耗
放電彫模中，電極的消耗是一個極為棘手的問題，比起切屑加工，電極工具的消耗率（量）相當可觀，解決電極的消耗問題，不管從電極材料的研發，放電電路的改良，目前日本各放電加工機廠相繼推出低消耗的放電加工母機，如何降低消耗或零消耗是目前從事放電加工研究重要的課題。
(2) 電極的製作
在 放電彫模加工中，電極的製作是極為重要的。有高精度的電極才有可能加工出高精度的模具。目前大部份的彫模加工機均使用銅電極，因為加工容易，電極材料便宜 等優點，銅電極材料仍大量被使用。然而在須要加工複雜的微小的模具形狀時，電極的製作上仍有其困難。最近日本三菱電機推出利用單純的電極，藉由NC控制X Y軸做往覆式的掃描加工，再加上電極自動補正，亦可加工極為複雜的形狀，如此一來便可解決電極的製作問題。如圖（六）所示（相關論文請參閱“放電加工技術 －日刊工業新聞一書”）
X-Y軸移動由NC程式控制 圖（六） NC程式控制加工
(3) 加工精度
由於加工條件，加工參數及電極材料等都會影響加工的精度，尤其目前各種尺寸的精度要求日漸嚴格，藉著各參數的調整，及加工液粉末的添加等，儘量避免集中放電等的相關研究，已經逐漸有了成果，目前高精度的鏡面加工，已不成問題。
6-4 線放電加工（俗稱線切割）
線放電加工機也是模具廠不可缺少的工作母機之一，其加工原理如圖（七）所示：
圖七 線放電加工原理
利用線材（通常指黃銅線）與工作物之間放電，此時線材就像是線鋸一般，然後藉著XY軸方向，NC控制程式便可切割出我們所須的輪廓形狀。像齒輪、沖模等，其它比較複雜的形狀也可利用這種方法做切割加工。
目 前大部份的線放電加工機都使用純水為加工液，有少部份的線放電加工機使用燈油當加工液。使用純水為加工液時加工速度快，但容易發生電解現象，所以一般的線 放電加工機，通常都有一套純水循環系統。為了防止電解現象，日本三菱電機最近發展了一套無電解現象的AE電源，目前已經實用化了。相對的，如果使用燈油為 加工液時，可做高精度的切割加工，但是相對的加工時間較長，這也是極須改進的地方。
雖然線放電加工機已經是相當普遍的工作母機之一，但是仍面臨以下的幾個問題：
(1) 斷線問題
由 於在切割加工時，加工液的流動不良或是線材的過度振動，都會造成線材斷裂的現象，一旦線材斷掉後，操作員通常必須重設，穿線等反覆的動作，不僅加工效率降 低，加工精度也會受到影響。有鑑於此，瑞士的有名放電機廠及日本的各大廠已研發出自動穿線的系統，不僅無須人工操，而且可以記憶斷線的位置，重新設定，大 大提高加工效率及精度。
(2) 切割直角時產生圓弧的問題
在切割直角時，雖然線放電加工機XY軸可控制行走90° 的轉角，但是在放電過程中，特別是轉角處通常都會產生圓弧的現象。控制放電狀況可儘量避免圓弧狀況發生，或是利用更微細線也有相同的效果，但是改善的程度 仍有限。要做高精度的線切割加工時，轉角所產生的圓弧現象，是極待解決的問題。
(3) 超微細線切割加工
目前一般 線切割放電加工機大部份使用ψ200μm的黃銅線，也有少部份的使用ψ150μm以下的細銅線。當然使用的線愈細，斷線的機率就愈大，然而為了切割更微細 的部品，目前也有不少廠家使用約ψ30μm的鎢線做微細切割加工，該種線材極為昂貴，非附加價值高的加工，較少使用，日後想必ψ30μm以下的細線如 ψ20，ψ10等線材也會漸漸被採用。
(4) 高厚度的線切割加工
線切割加工時，工件的厚度愈厚，線的振動程度愈大，就愈容易斷線。目前有些廠家（瑞士，日本）已經推出可切割厚度１公尺以上工件的線切割放電加工機，除了可以連續切割不斷線外，也可保證加工精度。在這方面上，台灣的放電加工機目前正積極努力迎頭趕上
6-5 放電表面改質及非金屬放電加工機
高精密度的模具，除了尺寸精度要求嚴格外，模具表面的粗糙度也相當重要，傳統的放電加工後工件表面的粗糙度大則Rmax數10微米以上，精加工後，如果加 工條件控制得宜，Rmax可縮小至數微米，但是仍達不到我們的需求，近年來，豐田工業大學齊藤長男教授及東京大學毛利尚武教授利用粉末矽(Si)粉添加 液，使得放電均勻散佈，放電加工後，工件表面可達到鏡面的狀態。而且不僅如此，精加工的效率也相對提高很多。目前日本牧野及三菱電機也正嘗試各種粉末的添 加來改善放電加工後，工件表面的粗糙度及硬度，這種在加工液中粉末混入的應用技術已經實用化，深受模具業的青睞。目前台灣在這一點上的研究及努力，稍顯不 足，我們期待日後在這一方面能有新的本土化的機器出籠。
當然，除了放電加工表面改質外，毛利尚武教授等幾位放電加工的前輩，正嘗試另一種新手法利用放電來加工陶瓷、玻璃等非導體材料，其加工原理如圖（八）所示：
圖（八）非導體材料之放電加工
在 陶瓷材料上接著金屬材料（亦稱補助電極）通常放電加工很容易可加工金屬，當金屬加工完之後，陶瓷材料將附著加工粉末（主要是電極消耗之粉末）及加工液分解 後的碳化物，形成導體膜，在金屬加工完後附著於陶瓷材料導電膜形成通電回路，當然可以持續放電，由於放電現象產生的熱，衝擊等影響，所以陶瓷材料也可以加 工。目前這個技術也漸漸實用化中。
6-6 微細放電加工
1985年日本東京大學，增尺隆久教授研發WEDG的加工方法後，奠定微細放電加工的基礎。在WEDG發明以前，微細電極的製作是一門相當困難的工作，傳統的微細電極的加工方法如圖（九）所示
圖（九） 傳統微細電極加工法
利用高精度的金屬塊，設定為正極，塊狀金屬模具為負極，工具與金屬塊（電極）之間產生放電的加工方式來製作微細電極，但是因為金屬模具存在著消耗問題，放電間隙極難控制，非技術熟練者無法加工出數微米的電極工具。
為了解決上述的困難點，增尺教授發明WEDG的加工方式來製作微細電極其原理如圖（十）所示
圖（十） WEDG 電極加工法
利 用直徑約200μm的黃銅線，在銅線導溝緩慢移動，工具為正極，銅線為負極，工具與銅線之間產生放電，如此一來，因為銅線隨時都在移動，已經放電後的銅 線，不再使用，因此只要銅線的直經是均一的，那麼銅線與工具之間的放電將維持一定。利用這種方式，直徑5μm的工具也可加工成形。加工後的電極如圖（十 一）
圖（十一） 直徑5μm電極
藉著主軸的旋轉與否，斷面是三角形的電極，正方形或長方形，甚至螺旋形狀的電極亦可加工。在此我們必須要注意的是，微細放電加工與一般大型的放電加工最大的不同點在於放電回路的差異，一般大型的放電回路使用電晶體回路，而微細放電加工則使用RC回路，如（十二）圖所示
圖（十二）RC回路
利用微細工具可加工微細孔，甚至三次元彫刻加工等，如圖（十三）所示
圖（十三）微細電極加工後之微孔
目前仍以微細孔加工的應用最為廣泛，如汽車引擎的噴嘴，化學纖維的紡口等。WEDG的發明可說是為微細加工開了一個新領域。
6-7 其它放電加工機
除了上述中幾類型的放電加工機外，目前特殊用途如放電被覆工件表面硬化處理，放電與超音波結合的加工機，電解與放電技術結合等加工機亦逐漸出爐，目前正在研究階段，未來極有可能實用化。
ref. http://elearning.stut.edu.tw/m_facture/ch6.htm
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