臺灣博碩士論文加值系統

陶瓷、玻璃、和鑽石膜等硬脆材料因為具有卓越之物理、化學、電氣、和機械性質，使其在高科技產業中相當受到重視。雖然電化學放電加工法可加工上述材料，但大多是用來做穿孔加工以及線切割，在拋光方面的應用卻很少。故本實驗以自行研製之高精度動態放電試驗機，以氫氧化鉀水溶液為電解液，探討供應電壓和間隙高度對鋼球/鑽石膜試片之靜態電化學放電行為，並分析其加工特性。
由實驗所得之電流波形圖，可繪製出電化學I-V曲線圖，並以玻璃、鑽石膜以及壓克力所得之I-V曲線圖比較，發現玻璃試片所得之電流值皆較高，故可得知玻璃較易於發生離子化現象，接著利用實驗後鑽石膜表面之SEM照片，依不同供應電壓，可將加工區域分為（1）供應電壓100V以下，鑽石膜試片尚無法看出有加工的痕跡，故歸類為非加工區，（2）供應電壓100∼107V，可在鑽石膜試片上發現有極輕微的加工損傷，故歸類為精加工區，（3）供應電壓107∼110V，由於在此區間中，加工的狀態並不穩定，介於精加工與粗加工之間，故歸類為過渡區，（4）供應電壓達到110V以上，由於加工損傷皆已相當嚴重，故歸類為粗加工區。在供應電壓105V時，改變加工間隙高度，發現間隙高度80μm以下時，鑽石膜表面仍有圓環狀加工損傷，而80μm∼95μm，則無法看出圓環狀的加工損傷，但可發現鑽石膜峰端，仍有輕微損傷，將加工間隙高度增加超過95μm以上，即無法看出加工損傷，故定義105V時之加工臨界間隙為95μm。利用精加工區域之電壓，固定供應電壓為105V，加工間隙為90μm，延長加工時間為10分鐘，可發現鑽石膜峰端有輕微加工損傷，且表面較為平坦，故可得知電化學加工對鑽石膜表面精加工之可行性。接著固定供應電壓110V，可發現隨時間增加，鑽石膜表面損傷也隨之增大，故可利用實驗結果之SEM照片繪製出電化學放電加工鑽石膜表面之加工模式圖。

The exceptional physical, chemical, electric, and mechanical properties of ceramics, glass and diamond film make them receive much attention in high-tech industry. Although the electrochemical discharge machining (ECDM) can be used to process those materials, most ECDM are used for machining micro-holes and wire cutting. However, the application on the polishing aspect is still scarce in the literature. In this study, a high-precision dynamic electrical pitting tester with the electrolyte of KOH is employed to investigate the behavior of static electrochemical discharge in terms of supply voltage and gap distance between the steel ball and the diamond film. Furthermore, its machining characteristics are also analyzed.
According to the current waveform, the I-V curve is plotted. Results show that the current value of glass is higher than that of diamond film and acrylic. This indicates that the glass is easily to be ionized. According to the observation on the surface of machined diamond film by using SEM, the machined status can be divided into four regimes. In the first regime, the supply voltage is less than 100V where the machined mark on the diamond film cannot be found. Hence, it is called non-machined regime. In the second regime, the supply voltage is in the range between 100 and 107V, where only very slight damage can be observed on the diamond film. Hence, it is called the fine machined regime. In the third regime, the supply voltage is in the range between 107 and 110V, where the machined status on the diamond film is unstable. Hence, it is called the transition regime. In the fourth regime, the supply voltage is larger than 110V, where the machined damage is very heavy. Hence, it is called the rough machined regime. At the supply voltage 105V with the gap less than 80μm, the annular shape of the machined damage on the surface of the diamond film can be observed. However, when the gap is in the range between 80μm and 95μm, the annular shape of the machined damage disappears, but there is still slight damage at the asperity of the diamond film. When the gap is larger than 95μm, the machined damage is invisible. Hence, the critical gap is defined as 95μm for the supply voltage of 105V. At the supply voltage of 105V, the gap of 90μm, and the machining time of 10 min, only the asperity of diamond film shows machined mark, but the surface is flatter. Therefore, it is possible to conduct the fine machining process by using ECDM on diamond film.

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..XIV
第一章 緒論....... 1
1-1研究動機....... 1
1-2相關文獻....... 3
1-2-1導體材料之加工....... 3
1-2-2非導體材料之加工..... 10
1-3本文重點....... 11
第二章 基本原理... 12
2-1一般放電加工基本原理.... 12
2-2電化學放電加工基本原理...16
2-2-1電化學反應........... 16
2-2-2放電加工反應......... 17
2-3電化學放電加工與放電加工之比較... 19
第三章 實驗設備及實驗方法.. 20
3-1 實驗設備...... 20
3-1-1次微米級精度動態放電試驗機..............20
3-1-2次微米級精度動態電蝕試驗機系統..........23
3-1-3實驗訊號量測設備與資料蒐集分析..........24
3-1-4 微米級精度之間隙控制系統...............26
3-2實驗試片之材料特性與幾何形狀..... 29
3-2-1鋼球與鑽石膜之材料特性與幾何形狀........29
3-2-2電解液、輔助電極與加工槽................30
3-3試片處理....... 34
3-3-1鋼球試片......34
3-3-2鑽石膜試片....34
3-4實驗條件設定....35
3-5實驗步驟....... 37
3-5-1KOH水溶液之調配................37
3-5-2試片間接觸與非接觸之判斷........37
3-5-3間隙之調整.............38
第四章 結果與討論..44
4-1供應電壓與加工損傷之影響......... 44
4-2不同條件下I-V曲線圖之比較........ 55
4-3離子化驗證..... 60
4-4加工區域的分類...62
4-5間隙高度對加工之影響.... 65
4-6鑽石膜表面之電化學精加工之可行性..77
4-7放電損傷形成模式........ 82
第五章　結論...... 91
參考文獻.......... 93

圖 目 錄
圖1-1電化學拋光設備示意圖...6
圖1-2電解拋光之陽極膜示意圖 ..7
圖1-3電化學拋光之典型電壓—電流關係..8
圖2-1單發放電示意圖........ 14
圖2-2連續放電加工示意圖.....15
圖3-1動態放電試驗機之實體照片（a）上視圖，（b）示意圖.. 22
圖3-2次微米級精度的控制系統流程圖... 27
圖3-3次微米級精度的間隙控制系統操作介面圖.... 28
圖3-4試片之幾何形狀及尺寸.. 29
圖3-5電解液濃度與溶液內電阻之關係....36
圖3-6間隙調整示意圖........ 39
圖3-7調整間隙大小之流程圖...40
圖3-8實驗之等效電路示意圖...41
圖3-9電化學加工實驗步驟之流程圖..... 43
圖4-1供應電壓90V，間隙高度5μm，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷計...... 48
圖4-2供應電壓100V，間隙高度5μm，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷計....... 49
圖4-3供應電壓105V，間隙高度5μm，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷計....... 50
圖4-4供應電壓120V，間隙高度5μm，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，(c)應變規式負荷計....... 51
圖4-5不同供應電壓、間隙高度5μm條件下，加工後鑽石膜表面之SEM照片..... 52
圖4-6在間隙高度5μm情況下所繪製之I-V曲線圖.....54
圖4-7鑽石鍍膜間隙高度5μm及0 μm，加工時間30秒之I-V曲線圖比較....... 58
圖4-8鑽石鍍膜及玻璃間隙高度0 μm，加工時間10秒之I-V曲線圖比較....... 59
圖4-9鑽石鍍膜、玻璃及壓克力間隙高度0μm，加工時間10秒之I-V曲線圖比較......... 61
圖4-10加工區域分類示意圖....64
圖4-11在供應電壓105V，間隙高度5μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000..68
圖4-12在供應電壓105V，間隙高度5μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其邊緣附近之放大依序為(b)X1000，( )( )( )X5000，( )( )( ) X10000...... 69
圖4-13在供應電壓105V，間隙高度50μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000....70
圖4-14在供應電壓105V，間隙高度50μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其邊緣附近之放大依序為(b)X1000，( )( )( )X5000，( )( )( ) X10000...... 71
圖4-15在供應電壓105V，間隙高度80μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000..72
圖4-16在供應電壓105V，間隙高度80μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其邊緣附近之放大依序為(b)X1000，( )( )( )X5000，( )( )( ) X10000...... 73
圖4-17在供應電壓105V，間隙高度90μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000..74
圖4-18在供應電壓105V，間隙高度95μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000..75
圖4-19在供應電壓105V，間隙高度100μm條件下電解放電加工後，加工區之SEM照片。(a)加工區全景，其中心點附近之放大依序為(b)X1000，(c)X5000，(d)X10000...76
圖4-20( ) 在供應電壓105V，間隙高度100μm，加工時間10分鐘，加工區全景之SEM照片，中心點附近之放大依序為，( )X1000，( )X5000，( )X10000。( )未加工過鑽石膜表面SEM照片，其中心點附近之放大依序為，( )X1000，( )X5000，( )X10000..79
圖4-21(a)供應電壓105V，加工間隙90μm，加工時間10分鐘之後，鑽石膜加工表面之拉曼光譜，(b)未加工鑽石膜表面之拉曼光譜..80
圖4-22供應電壓105V，加工間隙90μm，加工時間10分鐘，鑽石膜表面之Mapping....... 81
圖4-23供應電壓110V，間隙高度5μm，加工時間9秒，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)SEM，(b)電流，(c)壓電式負荷計，(d)應變規式負荷計.... 86
圖4-24供應電壓110V，間隙高度5μm，加工時間14秒，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)SEM，(b)電流，(c)壓電式負荷計，(d)應變規式負荷計.... 87
圖4-25供應電壓110V，間隙高度5μm，加工時間23秒，電流波形及鋼球電極與鑽石膜試片之間的作用力(a)SEM，(b)電流，(c)壓電式負荷計，(d)應變規式負荷計.... 88
圖4-26供應電壓110V，間隙高度5μm條件下之加工示意圖與相對應SEM照片...89
圖4-27供應電壓110V，間隙高度5μm條件下之電流波形圖與相對應SEM照片.. 90

表 目 錄

表2-1 一般放電加工與電化學放電加工比較........19
表3-1 軸承鋼(SUJ2)之化學成份........ 29
表3-2 各離子在25℃下之當量導電率( )..31
表3-3 氫氧化鉀溶液之性質... 31
表3-4 白金之物理性質....... 32
表3-5 壓克力之性質 .........33
表3-6 本實驗之各參數設定...35
表4-1 25℃下，不同PH值之水溶液對 之溶解度... 57

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