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研究生： 王阿成
A-Cheng Wang
論文名稱： 高精度微細孔槽的微放電複合技術研發及其加工特性研究
Study of high precision compound technology of micro-holes and micro-slits and machining characteristic research
指導教授： 顏炳華
Biing-Hwa Yan
口試委員:
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 184
中文關鍵詞： 微細放電加工 、微超音波加工 、超音波研磨 、磁力研磨 、批次放電加工
外文關鍵詞： Micro EDM, Micro USM, Ultrasonic Lapping, Magnetic Polishing, Batch Mode EDM
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    • 高精度的微細孔洞與微細槽，一直是微機電系統(MEMS)所追求的目標之一，而如何使用經濟的方法，來製造高精度的微細孔洞，則是本實驗所要研究的重點。整個實驗乃是利用複合加工或批次製造(Batch mode production)的方式，在金屬或玻璃上加工高精度的微細孔或微細槽，並且結合塑性成形加工，提高成品的製造效率。
    在實驗的進行過程中，我們先用自行設計的工具電極研磨機構，修整出適當形狀與尺寸的工具電極，然後使用此一電極，以放電的方式，在金屬材料上鑽削一個微孔或凹洞，再使用超音波振動研磨或磁力研磨等的加工方法，對微細孔洞進行研磨拋光加工。在玻璃上的微孔加工，則是將修整完的工具電極，當成加工工具，然後結合超音波振動，在玻璃上鑽削微孔。另外在微細槽模具的加工中，則是利用組合式電極，在碳化鎢的薄板上，實施複數微細槽的放電加工；而加工後的微細槽模具，即可以結合壓製與刮製的加工方式，製造出微細散熱片。
    在放電微孔的精度改善方面，結合微能量放電與超音波振動研磨，加工直徑100?m的微孔或邊長100?m的正方形微孔，若能在適當的磨料濃度、振幅、轉速與較慢的進給下進行研磨加工，則可以有效改善放電微孔的精度。研磨加工時，平直狀工具會有較佳的入出口孔徑差改善率，在適當的加工參數下，其改善率可達60%以上；而階級狀工具對表面粗糙度的改善效果，則比平直狀工具來得好。使用超音波加工在厚度500?m的玻璃上，鑽削直徑150?m的微孔時，若配合適當的磨料濃度、超音波振幅、轉速與較小的磨料濃度及進給率，可以加工出入出口孔徑差只有2?m的微細孔。結合微能量放電與微研磨的加工方式，可在直徑280?m的錐狀圓桿上，加工出直徑150?m的半球形凹孔，且利用磁力研磨，可以使放電邊緣變得光滑，且沒有毛邊附著，是一種製造高精度凹型微孔的有效方法。使用組合式銅箔電極，可使微細放電加工達到批次製造的目的，而所加工出來的超硬合金微細槽，藉著變形加工法，可加工出微細散熱片。而此種微細槽的放電加工，必須配合噴流加工方式，才可以得到較佳微細槽形狀。另外使用純水當放電加工液時，由於氧氣的助燃與電解作用，加快放電效應的進行，因此微細槽模具的加工速度可以比煤油快5倍，但因為電極磨耗較快，微細槽的形狀較不易控制。

    High precision micro-holes and micro slits are an important target that can be made in the micro-electro-mechanical systems (MEMS). Therefore, the main purpose of this thesis is to develop an economical and effective method to produce high accuracy micro-holes and micro slits. A compound or batch mode method was introduced to our researches. Furthermore, the high precision micro-holes were successfully fabricated in the metal or glass by the compound method, and the batch mode method was an efficient method to manufacture a micro slit die. A micro heat sink can be made using micro slit die in the plastic deformation manner.
    In these experiments, an electrode was pruned to appropriate micro size by an electrical discharge grinding mechanism, first. Then a micro-hole or a semi-sphere concave hole in a metal plate was drilled using this electrode in micro EDM (MEDM). Finally, a micro ultrasonic grinding (MUG) or magnetic polishing was applying to burnish these micro-holes. Furthermore, the electrode was also utilized as a cutting tool when the micro-hole was fabricated by ultrasonic machining equipment in a small glass plate. In addition, an assembly electrode was used to make a micro slit die via MEDM in a tungsten carbide plate. Then combining with the pressing or scraping method, micro heat sinks could be produced applying the micro slit die.
    Combining with MEDM and MUG to fabricate the micro-hole with diameter 100 ?m or square lateral length 100 ?m, a high precision micro-hole would be obtained at appropriate abrasive concentration, ultrasonic amplitude, rotating speed and slow feed rate. The straight grinding tool had better precision improved rate of micro-hole between entrance and exit (PIREE) than the step grinding tool in the MUG process. PIREE would reach 60% at suitable ultrasonic parameters. However, the step grinding tool would get the good surface roughness. The micro-hole with thickness 500??m and diameter 150 ?m in the Pyrex glass was drilled by micro ultrasonic machining method (MUSM). The diameter difference between entrance and exit would reach 2 ?m if appropriate abrasive concentration, ultrasonic amplitude, rotating speed and slow feed rate were used. The semi-sphere micro-hole in taper thin rod with diameter 150 ?m could be manufactured, combining with MEDM and micro grinding process. The burr attached in the micro-hole edge could be removed and the thin rod outside surface would be smoothed by magnetic polishing manner. In addition, the batch mode production of micro slits die would be carried out by assembly copper foils in MEDM. The micro heat sink would be fabricated using micro slits die at plastic deformation machining. However, manufacturing of micro slits die in MEDM needed to cooperate with the dielectric flushing way to find the good micro fins shape. During the oxygen combustion-supporting and electrolytic effect, the MEDM efficiency would increased fast when the distill water was utilized as dielectric. The micro slit die fabricating speed in distill water would fast 5 time of the kerosene. The micro fin shape was not control easily in MEDM because of the fast electrode abrasion.

    總目錄 中文摘要 I 英文摘要 III 謝誌 V 總目錄 VII 圖目錄 XI 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1-1研究動機 1 1-2研究背景 3 1-3文獻回顧 7 1-4研究方向 14 1-5研究方法 16 1-6參考文獻 19 第二章 結合微放電與微超音波振動研磨改善微細孔精度的研究 28 2-1前言 28 2-2加工原理 29 2-2-1微能量放電加工 30 2-2-2微超音波研磨 35 2-3方法 37 2-3-1實驗設備 37 2-3-2材料 40 2-3-3加工過程 41 2-4結果與討論 47 2-4-1微細孔的放電加工 47 2-4-1-1極性 48 2-4-1-2放電能量 51 2-4-1-3放電能量對入出口孔徑差的影響 53 2-4-2微細圓孔的超音波研磨加工 54 2-4-2-1微細孔入出口孔徑差的改善率 54 2-4-2-1-1磨料的濃度 54 2-4-2-1-2超音波振動的振幅 57 2-4-2-1-3工具轉速 59 2-4-2-1-4研磨工具進給率 61 2-4-2-2微細孔壁的表面改善情況 63 2-4-2-3真圓度 67 2-4-3異形微孔的超音波研磨加工 71 2-4-3-1正方形微孔的形狀 71 2-4-3-2正方形微孔的平均邊長差改善率 75 2-4-3-2-1磨料濃度與磨料粒徑 75 2-4-3-2-2研磨工具的階級差 78 2-4-3-2-3研磨工具的進給率 80 2-4-3-2-4超音波振動的振幅 80 2-4-3-3表面粗糙度的改善情況 83 2-5結論 85 2-6參考文獻 87 第三章 結合微放電與微超音波振動加工矽酸硼玻璃的微孔精度研究 91 3-1前言 91 3-2原理 92 3-3方法 94 3-3-1實驗設備 94 3-3-2材料 97 3-3-3加工過程 97 3-4結果與討論 101 3-4-1微細孔的入出口孔徑差 101 3-4-1-1磨料的濃度與粒徑的影響 101 3-4-1-2超音波振動的振幅 103 3-4-1-3加工工具的轉速 105 3-4-1-4工具的加工進給率 107 3-4-2真圓度 109 3-4-3表面粗糙度 111 3-5結論 113 3-6參考文獻 114 第四章 結合微放電、微研磨與磁力研磨製作微細凹型球面電極的研究 117 4-1前言 117 4-2磁力研磨原理 118 4-3方法 121 4-3-1實驗設備 121 4-3-2材料 124 4-3-3加工過程 124 4-4結果與討論 131 4-4-1凹孔的擴孔量與加工後的深度 131 4-4-1-1極性的影響 132 4-4-1-2放電電流的影響 134 4-4-1-3脈衝時間的影響 136 4-4-1-4放電加工深度的影響 138 4-4-2微細磨料研磨與磁力研磨的加工效應 140 4-4-2-1微細磨料研磨加工的影響 140 4-4-2-2磁力研磨的影響 142 4-4-3凹型球面微電極的應用 145 4-5結論 148 4-6參考文獻 149 第五章 以微能量放電製作微細槽模具的可行性研究 152 5-1前言 152 5-2加工原理 153 5-3實驗內容與方法 156 5-4結果與討論 162 5-4-1放電加工參數對超硬合金微細槽的影響 162 5-4-1-1噴流壓力的影響 162 5-4-1-2引弧電壓的影響 165 5-4-1-3脈衝時間的影響 167 5-4-1-4休止時間的影響 169 5-4-1-5加工液的影響 171 5-4-2微細散熱片的製作 173 5-5結論 176 5-6參考文獻 177 第六章 總結論 180 作者簡介 182 圖目錄 圖1-1、至2002年止微小零件的市場總值成長 3 圖1-2、各種微機械加工的分類 7 圖1-3、微細孔槽複合成形技術的實驗流程圖 18 圖2-1、放電加工的過程 33 圖2-2、線放電研磨的機構與加工示意圖 34 圖2-3、雕模放電加工與微細放電加工的比較 34 圖2-4、使用不同形狀的研磨工具對微細孔洞進行研磨拋光加工 36 圖2-5、結合微放電與微超音波研磨加工的實驗設備示意圖 39 圖2-6、工具電極的修整過程與修整後的形狀 44 圖2-7、修整後的正方形階級工具電極 45 圖2-8、微能量放電與超音波振動研磨的詳細設備示意圖 45 圖2-9、放電極性對材料移除率的影響 50 圖2-10、放電極性對電極消耗比的影響 50 圖2-11、峰值電流對材料移除率的影響 52 圖2-12、峰值電流對電極消耗比的影響 52 圖2-13、放電能量對入出口孔徑差的影響 53 圖2-14、不同磨料濃度對入出口孔徑差改善率的影響(圓柱形工具) 56 圖2-15、不同超音波振幅對入出口孔徑差改善率的影響(圓柱形工具) 58 圖2-16、不同超音波振幅對入出口孔徑差改善率的影響(階級形工具) 58 圖2-17、不同轉速對入出口孔徑差改善率的影響(圓柱形工具) 60 圖2-18、不同轉速對入出口孔徑差改善率的影響(階級形工具) 60 圖2-19、不同進給率對入出口孔徑差改善率的影響(圓柱形工具) 62 圖2-20、不同進給率對入出口孔徑差改善率的影響(階級形工具) 62 圖2-21、放電後微孔與使用階級狀工具研磨微孔的剖面圖 65 圖2-22、利用三種不同加工方式，所得到微孔表面的SEM照片圖 66 圖2-23、研磨工具的不同轉速對微孔出口真圓度的影響(圓柱形工具) 69 圖2-24、研磨工具的不同轉速對微孔出口真圓度的影響(階級形工具) 69 圖2-25、使用三種不同加工方式，所得到的微孔出口SEM照片圖 70 圖2-26、使用兩種不同加工方式，所得到微孔入口與出口的幾何形狀 73 圖2-27使用兩種不同加工方式，所得到的微孔剖面 74 圖2-28、不同磨料濃度與磨料粒徑對入出口平均邊長差改善率的影響 77 圖2-29、研磨工具的不同階級差對入出口平均邊長差改善率的影響 79 圖2-30、研磨工具的進給率對入出口平均邊長差改善率的影響 81 圖2-31、超音波振幅對入出口平均邊長差改善率的影響 82 圖2-32、使用超音波振幅6.3??m所加工出來的方形微孔 82 圖2-33、使用兩種不同加工方式，所得到的微孔表面SEM放大圖 84 圖3-1、超音波振動加工示意圖 94 圖3-2、結合微放電與微超音波研磨加工的實驗設備示意圖 96 圖3-3、使用微能量放電修整WC工具與修整後的微細工具形狀 99 圖3-4、在矽酸硼玻璃上鑽削微孔的超音波加工示意圖 99 圖3-5、不同磨料濃度與粒徑對入出口孔徑差的影響 102 圖3-6、超音波振幅大小對入出口孔徑差的影響 104 圖3-7、微細超音波加工時，振幅太大所造成的不規則擴孔 104 圖3-8、超音波工具轉速對入出口孔徑差的影響 106 圖3-9、超音波工具的加工進給率對入出口孔徑差的影響 107 圖3-10、不同加工進給率下的超音波工具磨耗情形 108 圖3-11、微孔真圓度與轉速間的關係 109 圖3-12、工具轉速為150 rpm時，玻璃微孔的入出口形狀 110 圖3-13、經由超音波加工後的微孔剖面與孔壁的表面狀況 112 圖4-1、磁極對鋼砂所產生的作用力與磁場分佈的示意圖 120 圖4-2、加工凹形球面微電極的實驗設備示意圖 122 圖4-3、加工凹型微孔時，放電電極與凹型球面微電極的相對位置圖 123 圖4-4、針灸針的端面修整 127 圖4-5、修整後之超硬合金電極形狀 127 圖4-6、放電後超硬合金電極形狀 128 圖4-7、放電加工後之超硬合金電極與凹型球面電極 128 圖4-8、研磨後的工具電極端部形狀 129 圖4-9、以磁力研磨去除半球面凹孔的毛邊 129 圖4-10、以正、負極性放電後的凹型球面 133 圖4-11、放電電流對擴孔量的影響 134 圖4-12、放電電流對凹孔深度的影響 135 圖4-13、放電電流太大時，無法加工出明顯的凹孔 135 圖4-14、脈衝時間對擴孔量的影響 137 圖4-15、脈衝時間對凹孔深度的影響 137 圖4-16、放電加工深度對擴孔量的影響 139 圖4-17、放電加工深度對凹孔深度的影響 139 圖4-18、研磨前、後之凹孔表面形狀 141 圖4-19、磁力研磨時間與孔徑減少量之關係圖 143 圖4-20、磁力研磨時間與凹孔深度減少量之關係圖 143 圖4-21、實施磁力研磨前、後的凹型球面形狀比較 144 圖4-22、凹形球面微電極整體外觀 146 圖4-23、凹形球面微電極尖端 146 圖4-24、胚胎電融合時，使用不同形式電極來夾持豬胚胎細胞 147 圖5-1、批次製造後的放電電極與放電後的陣列式孔洞 155 圖5-2、兩種銅箔電極的形狀與尺寸 157 圖5-3、銅箔的結合形式與結合後的電極形狀 158 圖5-4、微細槽模具的加工示意圖 159 圖5-5、使用超硬合金微細槽來製作微細散熱片 160 圖5-6、加工液沖流壓力為0時，所造成的微細槽凸緣熔毀現象 163 圖5-7、噴流壓力對微細槽模具槽深的影響 164 圖5-8、噴流壓力對微細槽模具槽寬的影響 164 圖5-9、引弧電壓對微細槽模具槽深的影響 166 圖5-10、引弧電壓對微細槽模具槽寬的影響 166 圖5-11、放電脈衝時間對微細槽模具槽深的影響 168 圖5-12、放電脈衝時間對微細槽模具槽寬的影響 168 圖5-13、放電休止時間對微細槽模具槽深的影響 170 圖5-14、放電休止時間對微細槽模具槽寬的影響 170 圖5-15、使用不同放電加工液所加工出的微細槽模具 172 圖5-16、微能量放電後微細槽模具表面的再鑄層 174 圖5-17、不同的成形方式下，微細槽模具所加工出的微細散熱片 175 表目錄 表2-1、微能量放電的加工參數 46 表2-2、超音波振動研磨的加工參數 46 表3-1、微細放電加工的實驗參數 100 表3-2、微細超音波加工的實驗參數 100 表4-1、微細放電加工的實驗參數表 130 表4-2、研磨加工的實驗參數表 130 表5-1、微能量放電加工的參數 161

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