使用電泳沉積研磨加工改善放電微孔精度之研究

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研究生：	黃士瑋 Shih-Wei Huang
論文名稱：	使用電泳沉積研磨加工改善放電微孔精度之研究 Use Electrophoretic deposition combined with micro ultrasonic grinding to enhance the precision of micro holes
指導教授：	顏炳華 Biing-Hwa Yan
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	93
中文關鍵詞：	微放電加工、超音波振動研磨、電泳、線切割研磨
外文關鍵詞：	Ultrasonic vibration grinding, Electrophoretic deposition, WEDG, Micro-EDM
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利用微細電極進行放電鑽孔是很經濟的微孔加工方式，但是放電時因為電極消耗的關係，造成微孔的精度不夠理想。為解決此問題，本實驗結合微放電與電泳沉積現象，並進行超音波振動研磨來獲得微孔精度的改善。
在預備實驗時，先針對電泳沉積找尋最佳條件，因為電泳沉積效應會讓磨粒有效的吸附在研磨工具電極上，增加超音波振動研磨的效果；經由實驗結果得知當沉積時間為6分鐘、溶液酸鹼值pH8、外加電場30V、SiC濃度15wt%、電極旋轉速率50rpm為電泳沉積最佳參數。之後將電極修整成所需的尺寸與形狀，並利用此電極對鈦合金工件進行微能量放電鑽孔。然後電泳沉積與超音波振動對微孔進行研磨拋光加工，以改善放電微孔的精度。
由實驗結果可知當超音波振幅為5μm、電極轉速為50rpm、使用階級差電極及缺口電極進行加工時，其真直度改善率可達56%，而孔內壁的表面粗糙度可達到Rz=0.449μm，另外使用階級差電極進行電泳沉積研磨，可得到最佳的真圓度。綜合上述實驗結論可知，此種複合加工方式確實提昇微孔的精度。

Drilling micro hole with micro-electric discharge machining (Micro-EDM) is an economic machining method. However, because of the electrode wearing, the precision of micro hole is not well enough. For solving this problem, we combined Micro-EDM, electrophoretic deposition (EPD) and ultrasonic vibration grinding to get high precision shaft with better inner surface.
Before experiment, we searched the best parameters of EPD first. Because loose abrasive grains are attracted to grinding tool (electrode) and fixed on the tool surface by EPD, this phenomenon will increase the ultrasonic vibration grinding efficiency, and we found 6 min(deposition time), pH8, 30V(potential), SiC 15wt%(concentration of slurry), 50rpm(electrode rotation rate) are the best parameters. After the process above, we modified the electrode shape with WEDG and drilled the micro hole on titanium alloy by the electrode that had made. Then improved the precision of micro hole by combination of EPD and ultrasonic vibration grinding.
As the result, when we set amplifier to be 5μm, electrode rotation rate to be 50rpm, and use stepped or breached electrode, the improvement of straightness will be up to 56%. And the inner surface roughness will be 0.449μm(Rz). Besides, using stepped electrode will get the best roundness. So this composite machining process was efficient method to improve the precision of micro holes.

總目錄
摘要	I
目錄	III
謝誌     IV
圖目錄	VII
表目錄	X
第一章 緒論	1
1-1研究動機	1
1-2研究背景	1
1-3研究方向	2
第二章 基本原理	4
2-1放電加工	4
2-1-1放電加工簡史與發展	4
2-1-2放電加工基本原理	5
2-1-3線切割放電加工基本原理	7
2-1-4放電加工的材料去除機制	8
2-1-5放電加工的優缺點	11
2-1-6放電加工參數	12
2-2超音波研磨加工	15
2-2-1超音波加工基本原理	15
2-2-2超音波加工的材料去除機構	16
2-2-3超音波的優缺點	16
2-2-4超音波錐體及喇叭的種類	17
2-2-5超音波振動子	18
2-2-6工具的安裝	19
2-2-7磨料的供給方法	19
2-3電泳沉積法	20
2-3-1電泳簡史與發展	20
2-3-2電雙層理論	21
2-3-3電荷動力學	22
2-3-4粉體粒子表面電荷來源	22
2-3-5電泳沉積法原理	24
2-3-5-1電泳沉積方式	24
2-3-5-2電泳沉積速率	24
2-3-6電泳沉積法應用在加工上	26
第三章 實驗設備、材料及方法	28
3-1實驗設備	28
3-2放電迴路與送線機構介紹	39
3-2-1 放電迴路	39
3-2-2 送線機構	42
3-3實驗材料	46
3-4實驗方法	50
3-4-1上機實作前預備實驗(找尋電泳沉積的最佳條件)	50
3-4-2結合電泳沉積的超音波振動研磨加工	51
第四章 結果與討論	59
4-1電泳沉積的效果	60
4-1-1沉積時間	61
4-1-2溶液的酸鹼值	62
4-1-3電壓	63
4-1-4磨漿(碳化矽)濃度	64
4-1-5上機時沉積時間	65
4-1-6電極轉速	66
4-2配合電泳沉積之超音波研磨加工結果與討論	67
4-2-1超音波振幅的影響	69
4-2-2工具電極轉速的影響	70
4-2-3階級差電極的影響	71
4-2-4使用階級差電極時超音波振幅的影響	74
4-2-5有缺口的工具電極	75
4-2-6階級式的工具電極(有缺口)	80
4-3表面改善情形	82
4-4真圓度	86
第五章 結論	88
第六章 未來展望	90
參考文獻	91
圖目錄
圖2-1放電加工示意圖	6
圖2-2線切割加工示意圖	7
圖2-3放電加工材料去除機構示意圖	10
圖2-4放電加工波形示意圖	14
圖2-5超音波振動加工示意圖	15
圖2-6喇叭的種類	18
圖2-7電雙層示意圖	21
圖2-8電泳沉積應用於研磨加工示意圖	27
圖3-1主要設備示意圖	33
圖3-2主要設備實體圖	34
圖3-3送線機構圖	34
圖3-4超音波加工機	35
圖3-5超音波振幅與輸入電壓之校正曲線	36
圖3-6顯微放大器(CCD)	36
圖3-7顯微量測系統	37
圖3-8掃瞄式電子顯微鏡	37
圖3-9 CNC線切割放電加工機	38
圖3-10放電迴路示意圖	40
圖3-11送線機構示意圖	43
圖3-12定速馬達驅動流程圖	44
圖3-13張力機構示意圖	44
圖3-14扭力馬達驅動流程圖	45
圖3-15實驗流程圖	53
圖3-16超硬合金電極修整示意圖	54
圖3-17上機前電泳沉積實驗示意圖	54
圖3-18經過電泳沉積後電極外觀圖	55
圖3-19修整完成之圓柱階梯形電極示意圖	55
圖3-20修整完成之圓柱階梯缺口形電極示意圖	56
圖3-21結合電泳沉積的超音波研磨加工示意圖	57
圖3-22經電泳沉積後超音波振動研磨機制圖	58
圖4-1電泳沉積時間與厚度關係圖	61
圖4-2漿料酸鹼值與電泳沉積厚度關係圖	62
圖4-3電壓與電泳沉積厚度關係圖	63
圖4-4碳化矽濃度與電泳沉積厚度關係圖	64
圖4-5上機時電泳沉積時間與厚度關係圖	65
圖4-6電極轉速與電泳沉積厚度關係圖	66
圖4-7超音波振幅與入出口孔徑差改善率之關係圖	69
圖4-8電極轉速與入出口孔徑差改善率之關係圖	70
圖4-9階級差電極研磨加工示意圖	72
圖4-10階級差電極示意圖	72
圖4-11電極階級差與入出口孔徑差改善率之關係圖	73
圖4-12使用階級差電極時超音波振幅與入出口孔徑差改善率關係圖	74
圖4-13缺口電極示意圖	76
圖4-14利用有缺口電極進行純放電鑽孔及放電後再經超音波研磨之入出口孔徑差改善率比較圖	77
圖4-15有缺口電極加工磨損示意圖	77
圖4-16加工後電極圖	78
圖4-17階級式電極(有缺口)示意圖	80
圖4-18固定階級電極之缺口寬度與入出口孔徑差改善率之關係圖	81
圖4-19階級差電極所加工出的微孔剖面圖	83
圖4-20不同加工方式的微孔內壁表面SEM圖	83
圖4-21以AFM量測經微放電加工微孔內壁表面情況(2D)	84
圖4-22以AFM量測經研磨加工後微孔內壁表面情況(2D)	84
圖4-23以AFM量測經微放電加工微孔內壁表面情況(3D)	85
圖4-24以AFM量測經研磨加工後微孔內壁表面情況(3D)	85
圖4-25不同形狀電極的電泳沉積研磨效果比較圖	87
圖4-26不同形狀電極經電泳沉積研磨後之微孔出口圖	87
表目錄
表3-1 LS-250 放電加工機規格	29
表3-2超音波加工機規格	35
表3-3 HV段數與繼電器的開關動作關係表	41
表3-4 碳化鎢材料之機械性質	47
表3-5 73黃銅線之機械性質	48
表3-6鈦的組成與機械性質	48
表3-7碳化矽之機械性質與粒徑大小	49
表3-8氫氧化鈉之化學性質	49
表3-9微孔放電加工之實驗參數表	56
表4-1選用之電泳沉積參數	68
表4-2 Mohs硬度尺	79

                                

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