臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用自行研製之微電解加工試驗機探討供應電壓、鎢棒沒入深度、與加工時間對電流波形、材料移除率與鎢針幾何形態之影響。以鎢棒為陽極浸在10wt.% 氫氧化鈉電解液中，304不�袗�為陰極進行鎢棒之電解加工。鎢棒轉速與磁石攪拌速度分別固定為100rpm與200rpm。同時依據鎢針表面之SEM圖，將加工型態區分為四種區域：（1）非加工區，（2）不完全加工區，（3）完全加工區，（4）過加工區。為了得到完美之鎢針，本實驗之操作參數皆設定於完全加工區域。
實驗結果發現沒入深度為5mm時，鎢針輪廓為短錐狀；沒入深度為10mm時，鎢針輪廓為長錐狀。在沒入深度為10mm，供應電壓為3V時，鎢針表面略為粗糙，其尖端曲率半徑為2μm左右。供應電壓4.5V時，鎢針表面均勻且材料移除率有下降之趨勢，其尖端曲率半徑可達次微米級。當供應電壓為6V時，因材料移除率變化劇烈，使得鎢針直徑難以精確控制。在供應電壓4.5V、沒入深度10mm時，在加工時間0~10分鐘期間內，鎢棒直徑由1000μm降至約200μm；在加工時間10 ~12.5分鐘期間內電流有明顯下降趨勢，鎢棒之外形逐漸變為針狀，其尖端曲率半徑由200μm迅速降至次微米級。因此若要使尖針微小化，加工時間必須精確控制。

In this study, an electrolytic micro-machining tester is employed to investigate the effects of the supply voltage, the immerse depth of tungsten rod, and the machining time on the current waveform, the material removal rate, and the geometry of the tungsten needle. The tungsten rod to be electrolyzed is dipped in an aqueous electrolyte of 10 wt% sodium hydroxide as the anode, and the stainless steel ring as the cathode. The spindle rotating speed and the stirring rotating speed are set to be 100 rpm and 200rpm, respectively. According to analyze the topography of the tungsten needle, four machined regimes have been identified as:（1）non-machined regime,（2）incomplete machined regime,（3）complete machined regime,（4）over machined regime. In order to obtain the perfect tungsten needle, the experiments are conducted in the complete machined regime.
Results show that the tungsten rod becomes a short cone for the immerse depth of 5 mm, and a long cone for the depth of 10mm. When the immerse depth of 10 mm and the supply voltage of 3V, the surface of tungsten needle becomes rough slightly and the tip radius of tungsten needle is about 2μm. With increasing the supply voltage to 4.5 V, the surface of tungsten needle is uniform with a downward trend in material removal rate, and the tip radius can achieve a submicron. For the supply voltage of 6V, because the material removal rate varies violently, it becomes very difficult to control the diameter of tungsten needle. During the machining time between 0 to 10 min for the supply voltage of 4.5V, the diameter of tungsten rod is decreased from 1000 to 200μm, but during the machining time between 10 to 12.5 min, the tungsten rod gradually transforms into the needle due to a downward trend in current, and the tip radius is decreased from 200μm to submicron. Hence, the machining time must be controlled accurately to manufacture the needle in a submicron radius.

總 目 錄

封面 I
學位論文審定書 II
謝誌 III
總目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
中文摘要 XII
英文摘要 XIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 相關文獻 3
1-2-1 電解加工文獻 3
1-2-2 探針與微電極之製造 6
1-3 本文重點 8
第二章 基本原理 9
2-1 電解加工之基本原理 9
2-2 加工參數對表面粗度之影響 11
2-3 過電壓與極化現象 13
2-4 電解液 16
2-4-1 電解液之選用 16
2-4-2 不同電解液之特性 19
2-4-3 電解液之壽命 21
第三章 實驗設備及實驗方法 23
3-1 實驗設備 23
3-1-1 高精度微電解加工試驗機 23
3-1-2 實驗資料蒐集分析與訊號量測設備 26
3-1-2-1 示波器擷取系統 26
3-1-2-2 顯微鏡設備 26
3-1-2-3 量測與資料收集分析 32
3-2 實驗試片之材料特性與幾何形狀 33
3-2-1 鎢棒材料特性與幾何形狀 33
3-2-2 電解液、輔助電極 34
3-3 試片處理 37
3-3-1 鎢棒試片 37
3-3-2 304不�袗�輔助電極 37
3-4 實驗條件設定 38
3-5 實驗步驟 39
3-5-1 NaOH水溶液之調配 39
3-5-2 電流波型量測 40
3-5-3 實驗流程 41
第四章 結果與討論 44
4-1 實驗參數設立 44
4-1-1 電解加工方式 44
4-1-2 主軸速度 48
4-1-3 磁石攪拌速度之影響 51
4-2 加工區域之分類 59
4-3 供應電壓對加工後鎢棒幾何形狀之影響 65
4-4 沒入深度對加工後鎢棒幾何形狀之影響 78
4-5 加工時間對加工後鎢棒幾何形狀之影響 94
第五章　結論 103
5-1 結論 103
5-2 未來研究方向 105
參考文獻 106


圖 目 錄

圖2-1 電解作用示意圖 10
圖2-2 典型電解加工之電流-電壓關係圖 11
圖2-3 電解加工原理(陰極幾何形狀與電流密度分佈對加工之影響示意圖) 17
圖3-1 微電解加工試驗機之（a）3D示意圖，（b）線路圖 25
圖3-2 尖端曲率半徑計算示意圖 27
圖3-3 鎢棒錐度計算示意圖 28
圖3-4 鎢棒中段直徑量測示意圖 29
圖3-5 掃描式電子顯微鏡 30
圖3-6 尖端曲率半徑量測示意圖 31
圖3-7 實驗之等效電路示意圖 40
圖3-8 電解加工實驗步驟之流程圖 43
圖4-1 主軸轉動方式電解造成頸縮現象之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大50倍 46
圖4-2 不同液體擾動方式之電流-電壓(I-V)曲線圖 47
圖4-3 不同主軸速度下之SEM圖(a)0rpm，(b) 100rpm，(c)200rpm 49
圖4-4 不同主軸速度下之電流波形圖(a)100rpm，(b) 200rpm 50
圖4-5 鎢棒與電解液接觸之關係圖(a)200rpm，(b) 500rpm，(c)800rpm 53
圖4-6 不同磁石攪拌速度之SEM圖(a)200 rpm，(b)500rpm，(c)800rpm 54
圖4-7 不同磁石攪拌速度之電流波形圖(a)200 rpm，(b)500rpm，(c)800rpm 55
圖4-8 不同磁石攪拌速度之材料移除率曲線圖(a)200 rpm，(b)500rpm，(c)800rpm 56
圖4-9 不同磁石攪拌速度之鎢棒直徑變化曲線圖 57
圖4-10 不同磁石攪拌速度之鎢棒錐度變化曲線圖 58
圖4-11 供應電壓與沒入深度對於影響鎢棒表面之關係圖 61
圖4-12 鎢棒於不完全加工區之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大100倍 62
圖4-13 鎢棒於完全加工區之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大100倍 63
圖4-14 鎢棒於過加工區之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大100倍 64
圖4-15 鎢棒沒入深度10mm，供應電壓在3V之SEM圖。(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 70
圖4-16 鎢棒沒入深度10mm，供應電壓在4.5V之SEM圖。(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 71
圖4-17 鎢棒沒入深度10mm，供應電壓在6V之SEM圖。(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 72
圖4-18 鎢棒沒入深度10mm，不同供應電壓下之電流波形圖 73
圖4-19 鎢棒沒入深度10mm，不同供應電壓下之材料移除率曲線圖 74
圖4-20 鎢棒沒入深度10mm，不同供應電壓下鎢棒之直徑變化曲線圖 75
圖4-21 鎢棒沒入深度10mm，不同供應電壓下之尖端曲率半徑變化曲線圖 76
圖4-22 鎢棒沒入深度10mm，不同供應電壓下鎢針之錐度變化曲線圖 77
圖4-23 不同沒入深度之I-V曲線圖 84
圖4-24 鎢棒沒入深度5mm，供應電壓3V之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 85
圖4-25 鎢棒沒入深度5mm，供應電壓4.5V之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 86
圖4-26 鎢棒沒入深度5mm，供應電壓在6V之SEM圖(a)放大30倍，(b)放大500倍，(c)放大5000倍 87
圖4-27 鎢棒沒入深度5mm，不同供應電壓下之電流波形圖 88
圖4-28 鎢棒沒入深度5mm，不同供應電壓下之材料移除率曲線圖 89
圖4-29 鎢棒沒入深度5mm，不同供應電壓下鎢棒之直徑變化曲線圖 90
圖4-30 鎢棒沒入深度5mm，不同供應電壓下之尖端曲率半徑變化曲線圖 91
圖4-31 不同供應電壓，鎢棒加工後尖端曲率半徑變化曲線圖 92
圖4-32 鎢棒沒入深度5mm，不同供應電壓下鎢棒錐度變化曲線圖 93
圖4-33 鎢棒完全解離之電流波形圖 98
圖4-34 不同電解時間下，鎢棒之SEM圖(a)2min (b)4min，(c)6min，(d)8min 99
圖4-35 不同電解時間下，鎢棒之SEM圖(a)2min， (b)4min，(c)6min，(d)8min 100
圖4-36 不同電解時間下，鎢棒之SEM圖(a)10min， (b) 11.5min，(c)12.5min 101
圖4-37 (a)~(c) 不同電解時間下鎢棒尖端之SEM圖(a)10min，(b)11.5min，(c)12.5min 102


表 目 錄

表3-1 鎢(Tungsten)之化學成份 33
表3-2 各離子在25℃下之當量導電率( ) 35
表3-3 氫氧化鉀溶液之性質 35
表3-4 304不�袗�(沃斯田鐵型)之性質 36
表3-5 304不�袗�之化學成份 36
表3-6 實驗之參數設定 38
表4-1 探討主軸速度之加工參數 49
表4-2 探討磁石攪拌速度之加工參數 53
表4-3 探討供應電壓之加工參數 69
表4-4 探討沒入深度之加工參數 84
表4-5 探討時間之加工參數 97

【1】J.A. McGeough, “Principles of Electrochemical Machining, Chapman & Hall”, London, 1974, pp.1-10.
【2】A.H. Meleka and D.A. Glew, “Electrochemical Machining”, International Metals Reviews, 252, 1977, pp. 229-252.
【3】 V. K. Jain and P. C. Pandey, “Corner Reproductional Accuracy in Electro-chemical Drilling (ECD) of Blind Holes”, Journal of Engineering for industry, 106, 1984, pp. 55-62.
【4】A.R. Mileham, S.J. Harvey and K.J. Stout , “The characterization of electrochemically machined surfaces”, Wear, 109, 1986, pp. 207-214
【5】J.E. Labraga, J.M. Bastidas, S. Feliu, “A contribution to the study on Electropolishing of Mild Steel and Aluminium Using Alternating Current”, Electrochimica Acta, 36, 1991, pp. 93-95
【6】 R. Venkatachalam, S. Mohan, S. Guruviah, “Electropolishing of Stainless Steel from a Low Concentration Phosphoric Acid Electrolyte”, Metal Finishing, 89, No. 4,1991, pp. 47-50 .
【7】 M.A. Bejar and F. Gutierrez, “On the determination of current efficiency in electrochemical machining with a variable gap”, Journal of Materials Processing Technology , 37, 1993, pp. 691-699.
【8】魏水文, “單曲率球面之電化學拋光”, 國立清華大學動力機械工程研究所碩士論文, 1997。
【9】G.H. Sedahmed, M.S. Abdo and M.A. Kamal, “A mass transfer study of the electropolishing of metals in mechanically agitated vessels”, Int. Comm. Heat Mass Transfer, 28, No.2, 2001, pp. 257-265.
【10】H. Hocheng , P.S Pa , “The application of a turning tool as the electropolishing”, Journal of Materials Processing Technology, 120, 2002, pp. 6-12.
【11】R. Farooq, Y. Wang, F. Lin, S.F. Shaukat, J. Donaldson, A.J. Chouhdary, “Effect of ultrasound on the removal of copper from the model soltions for copper electrolysis process”, Water Research, 36, 2002, pp. 3165–3169
【12】李碩仁, 施博中, 王忠祥, 崔海平, 林庭凱, 江文欽 ,吳俊賢 ,“脈衝式表面電解拋光技術研究”,第二十屆機械工程研討會論文集, 2003, pp. 923-930.
【13】T. Kurita, M. Hattori, “A study of EDM and ECM/ECM-lapping complex machining technology”, International Journal of Machine Tools & Manufacture , 46, 2006, pp. 1804–1810.
【14】G. Binning , H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, “Surface studies by scanning tunneling microscopy”, Physical Review Letter, 49,1982, pp. 57~61.
【15】郭詩坪, “碳化鎢微細電極的成形性及鈦合金的微孔放電加工特性研究”, 國立中央大學機械工程研究所碩士論文, 1998。
【16】吳偉堯, 郭佳儱, 李季龍, 游智翔, 黃俊德, 解安國, “ 電解微針成形及氣中放電製作微球狀電極之研究 ”, 第十九屆機械工程研討會論文集, 2002, pp. 731-738.
【17】M. Yamazaki , T. Suzuki, N. Mori, M. Kunieda, “EDM of micro-rods by self-drilled holes”, Journal of Materials Processing Technology, 149 ,2004, pp. 134–138.
【18】D.Y. Sheu,“Multi-spherical probe machining by EDM combining WEDG technology with one-pulse electro-discharge”, Journal of Materials Processing Technology, 149, 2004, pp. 597-603.
【19】N. Iwata, T. Wakayama, S. Ymada,“Establishment of basic process to fabricate full GaAs cantilever for scanning probe microscope applications”, Sensors and Actuators A, 111, 2004, pp. 26–31.
【20】佐藤敏一, “電解加工シ化學加工”, pp.17-167.
【21】陳裕豐, “高潔淨閥件之流道表面處理—電解拋光技術”, 機械工雜誌, 1999年9月號, pp. 230-240，。
【22】A. E. Debarr and D. A. Oliver, “Electrochemical Machining”, Macdonald, 1968, pp. 59.
【23】J. F. Kahles, “Melals Handbook” vol.3, edited by T. Lyman, American Society for Metals, 1967, pp. 234
【24】A. E. Debarr and D. A. Oliver, “Electrochemical Machining”, Macdonald, 1968, pp. 112.
【25】萬其超 編譯, “電化學之原理與應用”, 徐式基金會出版。
【26】R. Wuthrich and L.A. Hof, “The gas film in spark assisted chemical engraving (SACE)—A key element for micro-machining applications”, International Journal of Machine Tools & Manufacture,46, 2006, pp. 828–835