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研究生:李湘台
論文名稱:超音波振動研磨對微放電孔精度
論文名稱(外文):Fabrication of Precision Micro-Hole Using Micro EDMing and Ultrasonic Vibration Lapping
指導教授:顏炳華顏炳華引用關係
指導教授(外文):B.H.Yan
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
中文關鍵詞:鈦合金超音波振動研磨微裂痕刀具壽命再鑄層
外文關鍵詞:titanium alloyultra-sonic vibration lappingmicro cracktool liferecasting layer
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鈦合金雖然昂貴,但由於在室溫及高溫下有高的比強度和抗蝕性,所以備受矚目,目前已廣泛利用於航太、噴射引擎、賽車、化學、石化和船艦等零件,另外也用於潛水艇外殼及生體材料等。特別是最近幾年,鈦合金被大量應用於生物醫學材料上,做為人工關節等之微細、補綴材料及裝置。然而,因鈦合金的高回彈(spring-back)特性及低熱傳導率,導致加工溫度分佈不均,並且造成材料加工時不均質的變形,致使刀具壽命短、加工困難。
而放電加工是一種熱加工,利用放電火花對導電性材料進行加工,在電極的斷面積下放電熔融,使與電極形狀相對映的工件材料上加工成一空穴或孔。因此,放電加工是一種很有效的加工法,特別是對一些難切削的材料而言。由於放電加工有一項重要的優點,那就是加工導電性材料時工件與電極之間不需接觸即可進行加工,工件本身不受任何機械外力,因此,對於微小元件,放電加工也是一種很有效的加工方法。
然而放電加工表面,因高溫熔融及急速冷卻,充滿氣孔和微裂痕,影響加工品質,因此一般放電加工後均需對工件表面進行後處理加工,以去除再凝固層。特別是在微孔加工時,由於電極消耗量大,致使入口孔徑大於出口孔徑,加工孔形成錐度狀,影響形狀精度。為了改善以上諸多缺點,必須作後續之加工處理,一般大多靠有經驗之技術員,以研磨加工法為之,製程非常繁瑣,效率極低。而且若工件為微細尺寸者,則幾乎無法進行後處理加工。為解決此困難,本實驗在微孔放電加工後,以超音波振動研磨加工法,進行加工面及形狀之改善處理。即在微孔放電加工後,以原來放電加工之電極為工具,將工件施以超音波振動,並輔以摻有微小磨料的漿液(Slurry),藉由超音波振動,將磨粒帶入微孔內作研磨加工,由於超音波加工不是利用熱能將材料蒸發或熔融,不會產生再鑄層,無熱應力殘留於加工面上,因此在微細元件製造加工上,可以得到精確的高品質加工。
本實驗並將探討超音波振動模式,超音波電壓、磨料之粒徑、濃度、電極迴轉數、進給速度等參數對微孔研磨之影響,期能建立高精度微孔加工技術,並提供工業界與學術界之參考。
The Titanium alloy is respected for its high strength-to-weight ratio and anti-erosion property in room or high temperature,though it’s very expensive.At the present day,the Ti-Alloy is widely served as the elements of the aviation、jet engines、racing cars、chemistry、petrifaction 、shipboard and so on.Additionally,It’s also used in the crust of the submarines and the material for organism.Especially in recent years,The Titanium alloy is applied in biology and medicine in quantities to be the supplementation or devices for manual joint etc..However, the high spring-back property and low heat conductivity lead to the unequal distribution of machining temperature and the nonhomogenous transformation of material when machined.And this will result in the diminution of tool life and difficulty of machining.
The EDM is a kind of thermal machining.It processed the conductive material with the spark between the electrode and material and make the homologous electrode shape of holes or caves on the surface of the material.Therefore,EDM is a very effective method for machining ,especially for those material which is hardly machined by traditional cutting tools.There is an important advantage for EDM.When machining conductive material,the electrode and material have no need for contact.Therefore,the material is not under the influence of any machining force. Consquently,EDM also acts well when machining micro elements.
However,because of high temperature melt and rapid cooling, the transmutative layer on the surface of material after EDM is full of pore and micro cracks which will influence the machining quality.Accordingly,beside making a search for the EDM properties involved Ti -Alloy micro holes,this investigation also focus on the improvement of the machining surface with Ultra-sonic vibration and lapping after micro EDM.I.e. after micro-hole EDM,we will take the eletrode in EDM for the tool and bring the material to bear ultra-sonic vibration.
We will use the Slury to Bring the grind particles into the EDM micro hole to proceed the lapping machining.Because ultra-sonic machining removes material by no heat,it will not cause the recasting layer,that is no thermal stress will reside on the machining surface.As a result,it can get a high precision quality of machining in micro manufacture.We will also investigate that how the parameters( including of the magnitude of different ultra sonic vibration mode and the kind、 density and diameter of the grind particles )influence the micro-hole lapping.It is to be expected to develop the combinative maching technology of ultra-sonic micro-hole lapping after micro-hole EDM and offer a reference to the academia and industry.
總目錄
摘要Ⅰ
總目錄Ⅲ
圖目錄Ⅵ
表目錄Ⅸ
壹、緒論1
1-1研究動機1
1-2實驗目標3
貳、基本原理4
2-1放電加工原理4
2-1-1放電加工基本原理4
2-1-2放電加工去除機構4
2-1-3放電加工的優缺點8
2-1-4放電加工參數8
2-2超音波加工原理11
2-2-1超音波加工基本原理11
2-2-2超音波加工材料去除機構11
2-2-3超音波加工的優缺點11
2-2-4超音波錐體及喇叭的種類13
2-2-5超音波振動子13
2-2-6工具的安裝13
2-2-7磨料的動能效果14
2-2-8磨料的供給方法14
參、實驗設備、材料及方法15
3-1實驗設備15
3-2實驗材料27
3-3實驗流程31
3-4實驗方法32
3-5名詞定義34
肆、結果與討論37
4-1圓柱形電極之超音波振動研磨加工對入、出口直徑
之影響37
4-1-1超音波振動模式之影響38
4-1-2超音波振動研磨加工時間之影響38
4-1-3超音波振動電壓之影響38
4-1-4 WC電極轉速之影響39
4-1-5 WC電極進給速度之影響39
4-1-6磨料濃度與粒徑之影響39
4-2圓柱形電極之超音波振動研磨加工對真圓度之影響44
4-2-1超音波振動模式之影響44
4-2-2超音波振動研磨加工時間之影響44
4-2-3超音波振動電壓之影響44
4-2-4 WC電極轉速之影響45
4-2-5 WC電極進給速度之影響45
4-3階級形電極之超音波振動研磨加工對入、出口直徑
之影響51
4-3-1超音波振動模式之影響51
4-3-2超音波振動研磨加工時間之影響51
4-3-3超音波振動電壓之影響52
4-3-4 WC電極進給速度之影響52
4-4階級形電極之超音波振動研磨加工對真圓度之影響57
4-4-1超音波振動模式之影響57
4-4-2超音波振動電壓之影響57
4-4-3 WC電極進給速度之影響57
4-5表面粗糙度61
4-6超音波振動研磨加工之應用64
伍、結論65
參考文獻67
圖目錄
圖2-1放電加工示意圖6
圖2-2放電去除機構示意圖7
圖2-3放電加工波形示意圖10
圖2-4超音波加工去除機構示意圖12
圖3-1實驗設備示意圖16
圖3-2雕模放電加工機17
圖3-3超音波振動模式18
圖3-4超音波振動研磨機19
圖3-5超音波振幅與輸入電壓之校正曲線19
圖3-6超音波工具的振動變化分布21
圖3-7自製工具示意圖21
圖3-8超音波洗淨機23
圖3-9示波器24
圖3-10光學顯微鏡24
圖3-11工具顯微鏡25
圖3-12掃描式電子顯微鏡25
圖3-13線切割放電加工機26
圖3-14精密電子天平26
圖3-15加工流程圖31
圖3-16圓柱形電極加工示意圖35
圖3-17階級形電極加工示意圖35
圖3-18真圓度公差示意圖36
圖4-1超音波振動模式與入、出口直徑差的關係41
圖4-2加工時間與入、出口直徑差的關係41
圖4-3超音波振動電壓與入、出口直徑差的關係42
圖4-4電極轉速與入、出口直徑差的關係42
圖4-5電極進給速與入、出口直徑差的關係43
圖4-6不同磨料粒徑及不同濃度與入、出口直徑差的關係
43
圖4-7超音波振動模式與真圓度之關係46
圖4-8不同振動模式之SEM照片46
圖4-9加工時間與真圓度之關係47
圖4-10不同加工時間的SEM照片47
圖4-11超音波振動電壓與真圓度之關係48
圖4-12不同電壓的SEM照片48
圖4-13電極轉速與真圓度之關係49
圖4-14不同電極轉速的SEM照片49
圖4-15電極進給速與真圓度之關係50
圖4-16不同電極進給速的SEM照片50
圖4-17電極扭斷後自孔中取出之SEM照片53
圖4-18超音波振動模式與入、出口直徑差的關係53
圖4-19加工時間與入、出口直徑差的關係54
圖4-20超音波振動電壓與入、出口直徑差的關係54
圖4-21磨粒在孔壁上研磨的痕跡55
圖4-22電極轉速與入、出口直徑差的關係55
圖4-23孔壁面的SEM照片56
圖4-24脫皮面形成的示意圖56
圖4-25超音波振動模式與真圓度之關係58
圖4-26電極進給速與真圓度之關係59
圖4-27不同電壓的SEM照片59
圖4-28電極轉速與真圓度之關係60
圖4-29不同電極轉速的SEM照片60
圖4-30三種不同加工方法加工後工件表面的SEM照片62
圖4-31不同電極轉速加工後工件表面的SEM照片63
圖4-32利用超音波振動研磨對玻璃材料加工的SEM照片
64
表目錄
表3-1 LS-30 放電加工機規格17
表3-2超音波加工機規格18
表3-3超硬合金之物理性質28
表3-4電解銅之物理和機械性質28
表3-5鈦合金(Ti-6Al-4V)的基本性質29
表3-6鈦合金(Ti-6Al-4V)的化學成份(wt.%)29
表3-7煤油基本性質30
表3-8碳化矽(SiC)粉末性質30
表3-9碳化鎢電極修整及微孔放電加工的實驗參數設定
33
表3-10超音波振動研磨加工的實驗參數設定33
參考文獻
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