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研究生:劉建宏
研究生(外文):LIU. CHCIEN HUNG
論文名稱:陣列微結構製作與拋光製程之研究
論文名稱(外文):Research on manufacturing and polishing processes of the micro-structure array
指導教授:郭 佳 儱顏炳華顏炳華引用關係
指導教授(外文):Chia-Lung Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:機械工程系碩士班
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:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:165
中文關鍵詞:陣列電極線切割放電加工微放電加工陣列微結構微細異形孔超音波振動搖動加工
外文關鍵詞:Special-shaped micro-holeUltrasonic Vibration? Micro structure arraysElectrode arraysmicro Electro-discharge machiningMicro cuttingWire EDM
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本研究乃利用微放電加工技術,以銅基合金為材料,加工製成陣列微細電極,且加工尺寸為,單根電極直徑為10μm ~100μm的微細電極及微細孔,並且可大量加工出各種3D外型之微陣列電極與陣列微孔。本篇主要探討陣列微細電極之製作及陣列微孔的成形性、精度與效率。此一研究將有以下幾種優點1.改善以往由放電加工微孔,經常使用單一圓棒電極,逐一的加工所需的矩陣微孔。2. 由於在同一機台上,一次成形將可減少組件誤差及加工誤差,故可提高電極與工件微孔之精確度。3. 可製造出高密度、高深寬比一次成形之批量微小陣列電極。4超音波振動配合搖動放電,將可改善放電加工所製造出,陣列之任意形狀電極與微孔表面粗糙度。.吾人發現:選擇適當之放電參數、精確性佳之搖動路徑,將可製造生產出達到高密度、高精度、高效率、高深寬比、高強度之陣列微電極及微孔。
This thesis focused on the manufacturing of the multi micro-electrodes, the shaping of the micro-holes, and their accuracy and efficiency. The fabricating method is based on micro-EDM to produce multi micro-electrodes and holes (10~100 u m) with high quantities and different 3D shapes. It was observed that the multi microelectrodes and holes of high density, high accuracy, high efficiency, and high hardness could be fabricated by using selected machining parameters and high accuracy machine tools. Several advantages have been obtained through this work:
1. Improve the manufacturing speed of the traditional micro-EDM process whose throughput of the traditional process is limited by its serial manufacturing process,
2. Increase the machining accuracy by forming and shaping micro-electrodes and holes on the same machine.
3. Achieve manufacturing multi micro-electrodes and holes of high density and high aspect ratio.
4. Achieve shaping complex three dimensional micro punches and mold holes by utilizing the Ultrasonic Vibration enlarge function of EDM process.
目錄
中文摘要…………………………………………………………………….i
英文摘要………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………...iii
目錄…………………………………………………………………...iv
表目錄…………………………………………………………....….viii
圖目錄……………………………………………………………………...ix

第 一 章 緒論 1
1.1 研究動機與背景 1
1.2 研究方法 4
1.3 研究目標 5
1.4實驗流程 6
第 二 章 文獻回顧 7
第 三 章 實驗加工原理與特性簡介 13
3.1 放電加工原理 13
3.1.1 放電過程 14
3.1.2 基礎放電迴路 15
3.1.3 主要放電參數與參數特性 17
3.1.4 放電加工之特性 18
3.2 超音波加工理論 19
3.2.1 超音波加工原理 19
3.2.2 超音波加工機組成形式 20
3.2.3 超音波之特性 22
第 四 章 實驗儀器 23
4.1 設備魚骨圖23
4.2實驗設備機具設備介紹 24
4.2.1放電加工機系統介紹24
4.2.2 Sodick AP1小型超精密型雕放電加工機27
4.2.3 CNC四軸切削加工機28
4.2.4 UW-500 聚焦式超音波洗淨機29
4.2.5 綜合加工治具30
4.2.6 三片式分度型夾具32
4.2.7 壓電振動平台33
4.2.8 微幅振動控制設備34
4.2.9 拋光機構36
4.3實驗設備檢測設備介紹40
4.3.1雷射位移感測器40
4.3.2 CCD攝影機量測系統 40
4.3.3 放電檢測系統43
第 五 章 多線切割機構之開發及分析45
5.1 前言45
5.2多線切割放電機構研發目的45
5.3 多線切割機構切割陣列數規劃47
5.4 多線機構設計理念47
5.5 機構收放線系統設計與改良 49
5.6 多線切割機構之工件夾具設計50
5.7 減速機構抖動問題探討51
5.8 多線放電切割機構垂直度的探求與分析52
5.9 線之張力與速度控制53
5.10 多線機構線放電加工之粗、中、細參數探討57
5.11 操作多線機構檢討分析61
5.12 操作多線機構加工效率分析63
第 六 章 陣列微電極製作與探討65
6.1 前言65
6.2 陣列微電極製程規劃流程圖66
6.3 微銑削加工技術製程的材質選擇67
6.4 微電極批量製程方法67
6.5 製作圓柱狀電極68
6.6 多種型態電極加工70
6.7 放電加工前電極準備71
6.8 放電加工工件準備71
6.9 放電加工前量測72
6.10 適當放電參數的選擇73
6.11 陣列電極在穿孔加工74
6.12 放電加工極性運用75
6.13 放電加工排屑順暢75
6.14 放電搖動軌跡76
6.15 放電加工中過程78
6.16 加工後量測83
6.17 隨放電搖動所產生的面積效應問題84
6.18 電極陣列數目對加工之影響85
第 七 章 陣列微孔之製作與探討90
7.1 前言90
7.2 陣列電極進行微放電穿孔加工實驗探討91
7.3 陣列電極進行放電穿孔製程步驟92
7.4 陣列微孔型態與特性93
7.5 陣列微孔的多種型態95
7.6 搖動平面形狀對陣列微孔之影響 96
7.7 放電參數對陣列微孔之影響98
7.8 不同放電參數對碳化鎢WC及模具剛STAVAS內中外圈陣列微
孔尺寸影響探討101
7.9 不同之陣列電極數量對表面粗糙度之探討112
7.10 陣列電極利用搖動方式穿孔半徑變化之分析探討117
7.11 陣列電極進行微放電穿孔均一性之分析119
7.12 高密度陣列微孔(微電極)製程122
第 八 章 微結構之拋光製程與分析124
8.1 前言124
8.2 微結構拋光實驗實驗步驟規劃126
8.3 拋光實驗材料及設備量測127
8.4 拋光液基本考慮事項129
8.5 振動拋光機構設計開發與拋光過程之研究130
8.5.1 第一代拋光機構的設計131
8.5.2 第二代拋光機構的設計131
8.5.3 第三代拋光機構的設計132
8.5.4 第四代拋光機構的設計134
8.5.5 第五代拋光機構的設計136
8.5.6 第六代拋光機構的設計流程142
8.6 第六代拋光機構實施拋光實驗過程說明143
8.7 超音波拋光加工規劃145
8.8 拋光模式之探討146
8.9 陣列微結構高頻震動及超音波拋光結果之分析探討14
8.9.1 第一項解決模式150
8.9.2 第二項解決模式150
8.9.3 第三項解決模式152
8.9.4 第四項解決模式 153
第 九 章 結論與未來展望155
9.1 本研究得到之結論155
9.2 未來研究建議 156

表目錄
表1-1各種微製造技術比較表 2
表3-1 電晶體放電迴路主要放電設定參數 17
表3-2 ON TIME 放電特性17
表3-3 OFF TIME 放電特性17
表3-4 IP放電特性17
表3-5 SV放電特性17
表4-1 三菱放電加工機規格表25
表4-2 壓電致動器規格表35
表4-3 雷射位移感測器規格表40
表4-4 檢測設備一覽表43
表4-5其他儀器設備一覽表44
表5-1 多線機構放電銅線靜態分析表53
表5-2使用放電加工參數及各項加工條件表54
表5-3多線機構放電銅線動態分析表55
表5-4 多線機構放電加工參數表57
表5-5 多線切割機構加工效率之比較表63
表6-1 鉻銅合金主要參數表67
表6-2 日本三菱電機EX8放電加工機放電參數表73
表6-3 放電搖動模式表80
表6-4 搖動半徑遞增對電極表面粗糙度與加工效率比較表84
表 6-5不同陣列數量之電極消耗、加工效率與單根時間比較表88
表7-1改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表99
表7-2改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表101
表7-3改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表101
表7-4改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表103
表7-5改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表103
表7-6改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表105
表7-7改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表105
表 7-8電極搖動半徑與粗糙度關係表117
表 8-1傳統與非傳統拋光法移除率、重現性及加工效率比較表124
表 8-2壓電平台振幅(電壓)量測值表127
表 8-3震動平台的壓電致動器規格表128
表8-4 氧化鋁拋光顆粒特性表129
表8-5 碳化鎢WC孔內壁表面正負極性粗操度比較表135
表8-6 模具剛STAVAS孔內壁表面正負極性粗操度比較表135
表8-7 改變加工參數對陣列微結構所產生的變化分析表143
圖8-8 拋光模式、參數與結果表147
表8-9 以五種拋光模式實施拋光實驗分析表148
表8-10盲孔超音波拋光加工參數表150




圖目錄
圖1-1各種微機械加工分類 圖 3
圖1-2產品生產流程圖4
圖1-3拋光製程模式圖5
圖1-4研究流程圖 6
圖2-1五軸加工MICRO的人頭圖9
圖2-2角錐狀的微探針圖9
圖2-3熱擴散製作之三維微電極圖9
圖2-4製作於玻璃基材上之三維微電極圖9
圖2-5三維微電極圖9
圖2-6微組裝之三維微電極陣列圖9
圖2-7 以圓周軌跡搖動加工凸狀電極及凹狀模具示意圖10
圖2-8、X、Y軸圓周軌跡-凸狀電極搖動加工凹狀模具示意圖11
圖2-9 生醫陣列電極運用示意圖11
圖3-1 放電加工基本原理13
圖3-2 放電加工過程圖14
圖3-3 電容器基本放電迴路與其充放電特性15
圖3-4 電晶體基本放電迴路與其充放電特性16
圖3-5 附電晶體控制之電晶體基本放電迴路與其充放電16
圖3.6超音波加工原理圖19
圖3.7 旋轉式超音波加工機 與 傳統式超音波加工機的比較圖20
圖4-1 設備魚骨圖24
圖4-2三菱EX8放電加工機外型圖26
圖4-3 SODICK AP1小型超精密型雕放電加工機之示意圖27
圖4-4 高速銑削之切削速度範圍區塊圖28
圖4-5 四軸切削加工機28
圖4-6 聚焦式超音波洗淨機29
圖4-7 多線放電切割機構示意圖30
圖4-8 多線放電切割機構實體圖31
圖 4-9 多線機構夾具分解圖32
圖4-10 多線機構夾具錐度接合示意圖33
圖4-11 多線機構夾具實體圖33
圖4-12 振動平台成品圖34
圖4-13 振動平台示意圖34
圖4-14 第二次改良拋光機構36
圖4-15 第二次改良拋光機構組合示意圖37
圖4-16第一次改良拋光機構實體圖37
圖4-17第二次改良拋光機構實體圖37
圖4-18 第三代改良拋光機構示意圖38
圖4-19 第三代改良拋光機構實體圖38
圖4-20 超音波震動器與壓電震動平台結合於放電加工機實體圖39
圖4-21 第六代超音波震動器與壓電震動平台結合於放電加工機實體圖39
圖4-22 雷射位移感測器實體圖40
圖4-23 Z軸線上量測設備實體圖41
圖4-24 X軸線上量測設備實體圖42
圖5-1 利用線切割放電在切割多邊形電極陣列示意圖46
圖5-2 利用線割在單位面積切割電極陣列之數目47
圖 5-3 多線切割機構整體圖47
圖5-4 阻尼器及錐孔示意圖48
圖5-5 多線放電切割機構精密平台設計圖48
圖5-6 多線放電切割機構後方透視圖48
圖5-7 多線放電切割機構下方視圖49
圖5-8 機構改良前後實體圖49
圖5-9 機構設計夾具實體及設計圖50
圖5-10 機構設計夾具設計圖50
圖5-11 抖線與不抖線所切割出的WC陣列電極實體圖51
圖5-12多線放電切割機構垂直度的探求實體圖51
圖5-13 利用放電感知的尋邊功能測試示意圖52
圖 5-14多線機構銅線靜態張力值1~5.5之量測圖54
圖 5-15 多線機構銅線動態張力值1~5.5之量測圖55
圖5-16 加工純鎢工件動態放電加工間隙分析實體圖56
圖5-17 利用張力4所切割出的陣列電極角隅實體圖56
圖5-18多線機構放電粗、中、精放電加工實體圖57
圖5-19 放電能量粗加工量測及實體圖58
圖5-20 放電能量中加工量測及實體圖59
圖5-21 放電能量精加工量測及實體圖60
圖5-22 造成抖線的因素其一減速機之探討分析實體圖61
圖5-23 多線切放電機構需改善的因素之探討分析圖62
圖5-24機構改良前後切割陣列電極圖62
圖5-25 加工碳化鎢陣列電極實體圖63
圖6-1 實驗探求項目66
圖6-2 微陣列電極製程規劃流程圖66
圖6-3 製作方形陣列電極流程示意圖68
圖6-4 鋸片銑刀刀柄示意圖及實體圖69
圖6-5 利用鋸片銑刀銑削鉻銅陣列電極實體圖69
圖6-6 製作圓形陣列電極流程示意圖69
圖6-7 利用球銑刀銑削鉻銅陣列電極實體圖70
圖6-8製作各種截面陣列電極流程示意圖70
圖6-9利用高速微銑削製作之微細批量電極,電極形狀:方形電極、三角形電極、多邊形電極實體圖71
圖6-10 加工前工件架在拋光機台及虎鉗之示意圖72
圖6-11 電極與工件銅片傾斜方向圖72
圖6-12 放電參數加工大、小對電極錐度及表面粗糙度影響實體圖74
圖6-13 微放孔後銅材質陣列微電極圓柱、方柱形實體圖74
圖6-14 微方孔入口及出口的內角差異實體圖75
圖6-15 正負極性之表面粗糙度比較實體圖75
圖6-16 陣列微結構加工實施放電液噴流實況圖76
圖6-17 陣列微電極在液面下加工不實施放電液噴流實況圖76
圖6-18方柱形電極搖動放電的軌跡圓形及方形示意圖77
圖6-19 搖動放電的軌跡圓形及方形實體圖77
圖6-20 加工時間、主軸進給、電極消耗關係圖78
圖6-21 日本SODICK形雕放電加工機AP1L NC程式實體圖79
圖6-22因面積效應造成電極表面粗糙度與電極直徑成反比實體圖79
圖6-23 利用搖動放電製造之微方形電極圖80
圖6-24 利用搖動放電製造之微圓形電極圖80
圖6-25 利用搖動放電製造之微圓形針狀、階級狀電極圖81
圖6-26 利用搖動放電製造之陣列階級狀圓形電極圖81
圖6-27 利用搖動放電製造之陣列階級狀異形電極圖81
圖6-28 利用搖動放電製造之方形陣列階級狀電極圖82
圖6-29 利用搖動放電製造之3D陣列方錐形狀電極圖82
圖6-30 搖動多角形電極所能達到最小之尺寸實體圖83
圖6-31 搖動之電極截面積與微孔截面積成反比示意圖84
圖6-32陣列電極表面粗糙度圖85
圖6-33陣列微孔表面粗糙度85
圖6-34 1 × 1 電極矩陣圖86
圖6-35 2 × 2 電極矩陣圖86
圖6-36 3 × 3 電極矩陣圖87
圖6-37 4 × 4電極矩陣圖87
圖6-38 5 × 5電極矩陣圖88
圖7-1 製作陣列微孔探討因素規劃圖91
圖7-2 陣列電極進行搖動放電穿孔製程步驟示意圖92
圖7-3 放電穿孔產生毛邊實體圖94
圖7-4 工件表面所形成之再鑄層實體圖94
圖7-5方形穿孔及表面所形成之再鑄層實體圖95
圖7-5 利用不同形狀之陣列電極於銅片上鑽出微細陣列微孔95
圖7-6使用搖動方式所產生的3D錐孔實體圖96
圖7-7搖動平面形狀與加工結果示意圖97
圖 7-8 搖動放電後陣列微孔缺陷圖97
圖 7-9 RC放電回路圖98
圖7-10 放電間隙比較圖99
圖7-11電極長度消耗比較圖100
圖7-12電極直徑消耗比較表100
圖7-13參數V22 WC微孔內中外圈尺寸比較表102
圖7-14參數V22 模具剛微孔內中外圈尺寸比較表102
圖7-15參數ON TIME WC微孔內中外圈尺寸比較表106
圖7-16參數on time 模具剛微孔內中外圈尺寸比較表106
圖7-17參數on time WC微孔內中外圈尺寸比較表106
圖7-18參數on time 模具剛微孔內中外圈尺寸比較表106
圖7-19放電參數V22碳化鎢微孔之入口實體圖107
圖7-20放電參數V22碳化鎢微孔之出口實體圖108
圖7-21放電參數V11碳化鎢微孔之入口實體圖109
圖7-22放電參數V11碳化鎢微孔之出口實體圖110
圖7-23放電參數on time碳化鎢微孔之入口實體圖111
圖7-24放電參數on time碳化鎢微孔之出口實體圖112
圖7-25 1*1孔矩陣圖113
圖7-26 2*2孔矩陣圖113
圖7-27 3*3孔矩陣圖114
圖7-28 4*4孔矩陣圖114
圖7-29 5*5孔矩陣圖115
圖7-30 WC陣列微孔壁粗糙度比較圖116
圖7-31 WC陣列微孔放電間隙比較圖116
圖7-32搖動半徑與陣列微孔粗糙度關係圖118
圖7-33搖動半徑與陣列電極表面粗糙度關係圖118
圖7-34 陣列方孔的量測編號圖119
圖7-35 陣列方孔入口長寬尺寸比較圖120
圖7-36 陣列方孔入出口長寬尺寸比較圖120
圖7-37 陣列方形電極之長寬消耗量比較121
圖7-38高密度微孔陣列製程圖122
圖7-39 WC陣列電極反轉實體圖123
圖8-1 X/Y軸圓周搖動及Z軸上下運動示意圖125
圖8-2 正壓電效應 (感應器)示意圖126
圖8-3 負壓電效應 (致動器)示意圖126
圖8-4 微結構拋光實驗步驟規劃圖126
圖8-5壓電平台振幅產生器與量測架設示意圖127
圖8-6 壓電平台振幅(電壓)量測圖127
圖8-7 壓電平台振幅量測架設實體圖128
圖8-8 震動平台示意圖130
圖8-9夾持工件與充填裝拋光液結構示意圖130
圖8-10 夾持陣列電極夾具示意圖130
圖8-11 第一代拋光機構結合示意圖130
圖8-12 第一代拋光機構機構131
圖8-13 第二代拋光機構實體圖131
圖8-14第二代拋光機構拋光過程實體圖132
圖8-15 第三代拋光機構實體圖132
圖8-16孔周邊發生濺射毛邊圖133
圖8-17改良工件夾具圖133
圖8-18 改良機構後陣列微孔實體圖134
圖8-19 第四代拋光機構實體圖134
圖8-20 碳化鎢、模具剛正負極性粗操度比較圖135
圖8-21 第五代振動拋光機構示意圖136
圖8-22製作不同的尺寸陣列電極圖137
圖8-23 微細孔之製作流程示意圖137
圖8-24 放電回路粗、精加工電極實體圖138
圖8-25 WC放電拋光前微孔出、入口實體圖139
圖8-26 WC 放電拋光後微孔出、入口實體圖139
圖8-27 震動拋光加工後單根電極實體圖139
圖8-28 電極、微孔拋光後粗糙度量測結果圖140
圖8-29 於第四代拋光機構上加裝超音波震動器圖141
圖8-30 設法改良拘束拋光粉液機構實體圖141
圖8-31 可產生X、Y軸振動構想圖141
圖8-32a機構設計實體圖142
圖8-32b機構設計實體圖142
圖8-32c機構設計實體圖142
圖8-32d 放電拋光兩用機構圖143
圖8-33不同材質孔壁之粗糙度比較圖144
圖8-34對於不同材質電極之粗糙度比較圖144
圖8-35 放電穿孔配合超音波拋光與流體研磨拋光機構圖145
圖8-35 超音波拋光與高頻震動機構機構圖146
圖8-36第一項解決模式實驗實體圖150
圖8-37盲孔實驗實驗各項數據示意圖151
圖8-38 反轉碳化鎢陣列電極示意圖152
圖8-39 反轉碳化鎢陣列電極實體圖152
圖8-40 第一次使用孔壁磨削電極實體153
圖8-41 第二次使用孔壁磨削電極實體圖153
圖8-42使用孔壁磨削電極粗糙度量測圖154
圖8-43 第二次使用孔壁磨削電極500倍實體圖154
參考文獻
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