线偏置量对微细线切割放电加工之加工特性探讨

1、中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會論文集 國立成功大學 台南市 中華民國九十八年十一月二十日、二十一日 論文編號: X00-001線偏置量對微細線切割放電加工之加工特性探討戴子堯1、許富銓2、曾吉隆1、賴進祥1、陳致維11南台科技大學機械工程系2金屬工業研究發展中心 精微成形研發處 模具組 摘要不銹鋼擁有良好之機械性質，且有優良之耐腐蝕能力，因此適合用於線切割放電加工上，由於線切割加工的線電極會連續的輸送，沒有電極消耗的問題，目前業界常用線切割放電加工之線電極直徑均大於100m，然而要製作微小的零件，因放電能量與線電極的直徑過大而無法製作，故只能使用更微細線的線電極來進行加工。本研究採用

2、微細線切割放電加工(Micro Wire Electrical Discharging Machining, Micro-WEDM)來進行加工。本研究使用之微細線切割放電加工機屬於瑞士Agie Charmilles公司所生產的Vertex 1F機種，所採用之加工液為去離子水，線電極為30m微細鎢線，材料則為熱處理後之SUS420不銹鋼，以放電參數厚度(T)2mm、6mm、10mm及工件厚度(t)2mm、6mm、10mm，探討偏置量對放電參數厚度(T)、工件厚度(t)、加工槽寬、表面形貌與粗糙度及白層厚度之影響。研究結果顯示，表面粗糙度與形貌、加工槽寬與白層厚度會隨著加工道次的增加而改善，工件厚

3、度(t)的增加對於表面粗糙度與形貌、加工槽寬有明顯之影響，這是因面積效應之關係，但對於表面粗糙度影響不大，而不同的工件厚度下有相對應之偏置量，此偏置量會影響放電參數厚度(T)之偏置量設定，如使用非相對應之偏置量會造成尺寸精度的不精確，且當放電參數厚度大於工件厚度時會造成表面粗糙度與白層厚度的提升，反之則對表面粗糙度沒有影響。關鍵字：微細線切割放電加工、加工槽寬、表面粗糙 度、表面形貌、白層厚度 1. 前言微細線切割放電加工為精微加工領域之一，因工件與線電極之間並沒有接觸，故工件本身沒有受到機械應力的影響，同時，加工線會一直以新線來對工件進行加工，因此沒有電極磨耗問題，而易於達到精密加工的目的。

4、線切割放電加工原理，乃利用線電極與被加工物之間加入高電壓後，由於加工液中的自由電子會排列成一細橋式通路，進而引發電弧柱，產生局部高溫將加工物移除，而達成材料移除的加工目的。線切割放電加工所使用之粗線，其偏置量(offset)對於表面粗糙度之影響並不明顯1，但一般線切割放電加工所使用之線電極直徑是0.250.33mm，當線電極降低至0.02mm將可切割更微小的零件2，且所得到表面特性也有所變化。線電極的偏置量，其偏置量是以加工槽寬的一半作為對於工件形狀內、外側偏離任一方向的數值3，因此當線徑縮小至微細線時，亦即其偏置量也隨之減少，因此在線切割放電加工因偏置量導致的表面特性並不明顯，但會因線徑的縮

5、小將會有所影響。本研究以不同的放電參數厚度(T)，對於不同之工件厚度(t)來分析加工槽寬的變化和放電參數厚度之設定，以及其變化對於表面粗糙度與白層厚度之影響，以了解偏置量對於表面粗糙度與白層厚度的關聯性，期望能提昇微細切割放電加工之加工品質。2.實驗方法2.1 實驗規畫 本實驗規劃的分析主題，主要分成三大部分：(1)加工槽寬、(2)表面粗糙度與形貌及(3)白層厚度。研究針對不同工件厚度(t)2mm、6mm與10mm之不銹鋼，以不同放電參數厚度(T)2mm、6mm與10mm來進行線切割放電加工試驗，線切割放電加工後之工件，以電子顯微鏡觀察不同加工道次下的表面形貌與白層厚度。而加工槽寬切割是用三個

6、放電參數厚度之各個加工道次分別進行切割，並使用光學顯微鏡將工件厚度分為五等份由上到下來進行取得量測數值，並平均得到加工槽寬值。2.2 實驗設備與材料本研究使用之微細線放電加工機屬於瑞士Agie Charmilles公司所生產的Vertex 1F之機種，所採用之介電液為去離子水。材料為經過熱處理之不銹鋼(SUS420-HRC47)，電極材料為直徑30m之微細鎢線。表面粗糙度是經由次微米量測儀來量測，表面形貌觀察則是經由Hitachi Model S-3000N電子顯微鏡來進行觀察。 3. 實驗結果與討論 3.1 加工槽寬圖1是SUS420在固定的放電參數厚度(T)2mm下，以改變工件厚度(t)2

7、mm、6mm與10mm來觀察加工槽寬的變化。由圖中可發現加工槽寬會隨著工件厚度的增加而增加，在加工道次NO.3最為明顯，加工槽寬分別為工件厚度(t) 10mm大於6mm大於 2mm，其數值分別為54.2m、48.2m與40.5m，這部分由於工件厚度的增加，使線進給速率變小導致線有更多時間在側邊進行放電所致，且同時會影響噴流壓力無法讓線穩定加工，導致線的延遲，此外可看到加工道次NO.2在各個工件厚度的加工槽寬相差不大，這部分因放電參數厚度之設定，加工道次NO.1NO.2為同一個放電能量模組，加工道次(NO.3NO.6)則為另一個放電能量模組，因此加工道次NO.2為同一個放電能量模組之最後一個加工

8、道次，具有尺寸的控制功能，所以加工槽寬相差不大，而加工道次NO.6為另一個放電能量模組的最後一個加工道次，具有修整最終尺寸的功能，所以加工槽寬也相差不大。且在圖中可發現加工道次對於加工槽寬的影響，此乃因加工能量會隨著加工道次的增加而減少，所以加工槽寬也隨之減少，而所得到之加工槽寬以工件厚度由小而大，分別為67.1m、64.9m、67.4m減少到34.7m、35.1m、36.7m。圖2為SUS420在放電參數厚度(T)6mm，觀察工件厚度由小到大之加工槽寬變化。由圖中可發現加工槽寬會隨著工件厚度的增加而增加，且在加工道次NO.3最為明顯，其加工槽寬分別由大到小為58.3m、48.7m、41.2m

9、，而其中也發現與圖1一樣，在加工道次NO.2與加工道次NO.6的三個工件厚度所得到之加工槽寬相差不大，這可得知放電能量模組的切換，在各個放電能量模組最後一個加工道次之加工槽寬相差不大。而在加工道次對於加工槽寬的影響也與前一張圖相同，由於放電能量會隨著加工槽寬的增加而減少，故加工槽寬也隨之減少，而所得到之加工槽寬，從工件厚度由小而大，分別為62.6m、65m、67.7m減少到36.4m、34.1m、40.7m。圖3是SUS420在放電參數厚度(T)為10mm，在圖1與圖2可以清楚了解到，由於線的延遲，進而造成加工槽寬的增加，而在此圖中的加工槽寬在加工道次NO.3可明顯看出工件厚度(t)10mm大

10、於6mm大於2mm，分別為65m、52m、44m，且也可以看到由於放電能量模組的切換，造成工件厚度的增加在加工道次NO.2之加工槽寬相差不大以及加工道次NO.6也相同。此外，因為加工能量也隨加工道次的增加而減少，所以加工槽寬也會隨著加工道次的增加而減少。3.2 表面粗糙度與形貌圖4是固定放電參數厚度(T)2mm，改變工件厚度來觀察表面粗糙度，從圖中可看出工件厚度(t)2mm、 6mm與10mm之表面粗糙度相差不大，這在陳君4的研究中也提到加工尺寸的改變並不會對表面的放電痕產生明顯的影響，而放電痕是決定表面粗糙度大小的主因，因此表面粗糙度並不隨著加工尺寸而改變，故工件厚度(t)2mm、6mm與1

11、0mm之表面粗糙度相差不大。而圖中之表面粗糙度會隨著加工道次的增加而減少，這是因加工能量隨著加工道次的增加而減少，在工件厚度(t)2mm之表面粗糙度減少了0.97mRa，工件厚度(t)6mm減少了0.86mRa，工件厚度(t)10mm減少了0.65mRa。在圖中的加工道次NO.6大於加工道次NO.5，這將會在後續SEM圖中觀察表面形貌來了解原因。圖5為固定放電參數厚度(T)6mm，改變工件厚度來觀察表面粗糙度的變化，圖中可看到工件厚度(t)2mm之表面粗糙度大於6mm與10mm，這是因工件厚度小於放電參數厚度，且在不同之工件厚度，其所得到之加工槽寬也有所不同，這在第3.1節得知，此加工槽寬一般

12、用來設定在放電參數內的偏置量，所以較大之放電參數厚度偏置量較大，因此較大的放電參數厚度來切割比本身設定得工件厚度較小時，偏置量較大導致與工件表面突出點過少，因此有放電集中的現象，故所得到之表面粗糙度較大，而工件厚度(t)6mm、10mm之表面粗糙度相差不大，這是因本身之厚度設定小於工件厚度故因偏置量較大所造成的集中放電現象不會發生。而加工道次的增加可有效的改善表面粗糙度，此乃因加工道次的增加其加工能量隨之減少，在工件厚度(t)2mm減少了1.23mRa，工件厚度(t)6mm減少了0.67mRa，工件厚度(t)10mm減少了0.75mRa。圖6為改變工件厚度，固定放電參數厚度(T)10mm來觀察

13、表面粗糙度的變化，在前面可得知較大的放電參數厚度之偏置量較大，對於用來切割本身設定的厚度較小之工件厚度，其偏置量值較小會導致與工件表面突出點較少造成集中放電的現象提升表面粗糙度，故在圖中工件厚度(t)2mm、6mm表面粗糙度大於10mm，而工件厚度10mm之表面粗糙度相差不大，這是因當用來切割比自己本身厚度設定較大之工件厚度時，其偏置量不會較大，所以得到之表面粗糙度相差不大。圖中看到加工道次的增加可有效改善表面粗糙度，這在4.1節了解到加工能量會隨著加工道次的增加而減少，在工件厚度由小到大分別改善了0.434mRa、1.24mRa與0.49mRa。圖7可看出在放電參數厚度(T)10mm，工件厚

14、度(t)2mm在加工道次NO.1與NO.2，可看到球狀附著物、飛濺物散佈在工件表面上，且熔融組織高低起伏明顯，這可與圖4之表面粗糙度相互驗証得知此兩加工道次表面粗糙度較大，但到了加工道次NO.3到NO.6可看出放電坑明顯縮小並密集的排列在一起，並且無明顯之球狀附著物與飛濺物，這是因放電能量模組的切換，在放電參數厚度設定中，加工道次NO.1與NO.2為一組放電能量模組，而加工道次NO.3到NO.6為另外一個放電能量模組，故所得到之表面形貌有所差異，且由放電坑的密集度與大小可看出兩個放電能量模組之加工能量與放電頻率明顯不同，故所得到之表面形貌有所不同，在圖4、圖5與圖6中可得知在加工道次NO.6所

15、得到之表面粗糙度有所提升，這也可在SEM圖上之加工道次NO.6中看出放電坑由小變大導致表面粗糙度也隨之變大，而造成此原因推測為由於在加工道次NO.6之偏置量值過小，亦即線電極與工件表面距離過小，故對於工件表面之突出點接觸過多，且有些突出點過大可能造成放電集中，因此有些放電坑較大，有些較小。3.3 白層厚度圖8是SUS420以固定放電參數厚度(T)10mm，觀察各個工件厚度(t)2mm、6mm與10mm對於白層厚度的影響，在3.2節的表面粗糙度可得知在放電參數厚度(T)10mm可明顯看出由於偏置量所造成在較小之工件厚度有集中放電現象，因此導致表面粗糙度的提升，藉此圖中之白層厚度更可看出由於偏置量

16、所造成的集中放電導致白層厚度有所提升，且隨著工件厚度的增加其白層也有下降之趨勢且白層厚度會隨著加工道次的增加而有所減少，但加工道次NO.6可看到白層厚度大於加工道次NO.5，因此與3.2節之表面粗糙度在加工道次NO.6之表面粗糙度大於加工道次NO.5，在此可更得到確實因在加工道次NO.6因偏置量過遠，導致集中放電讓表面粗糙度與白層厚度提升。而在工件厚度(t)2mm所得到之最大白層厚度與最小白層厚度相差2.8m，工件厚度(t)6mm最大白層厚度與最小白層厚度相差3.24m，而工件厚度(t)10mm最大與最小白層厚度則相差2.59m，工件厚度(t)20mm則相差1.77m。4. 討綜合以上的實驗結

17、果來進行以下的討論，表面粗糙度是決定加工品質的決定指標，加工槽寬則是決定加工精度的關鍵，加工槽寬的穩定度決定是否為最終的尺寸精度與加工表面品質，這是因加工槽寬的一半值為設定偏置量也就是線電極到工件表面的距離，圖6為放電參數厚度(T)10mm在不同工件厚度(t)2mm、6mm與10mm所得到之表面粗糙度，因在圖1、2與3可看出在工件厚度(t)10mm之加工槽寬較大，也就是用來設定放電參數厚度中之偏置量而因放電參數厚度(T)的偏置量並不是用來切割工件厚度(t)2mm之設定，當偏置量越大時使得線電極與工件表面距離過遠造成接觸突出點數量少，引起集中持續放電的現象提升表面粗糙度，因此導致表面粗糙度變差，

18、且會造成白層厚度的提升，圖9為偏置量對於表面粗糙度影響示意圖，而在圖1、2與3可知加工槽寬隨著工件厚度的增加其加工槽寬也會隨之增加，因此所設定之放電參數厚度中的偏置量會隨著放電參數厚度(T)的增加而增加，但放電參數厚度小於工件厚度因偏置量較接近於工件表面因此無集中放電的影響，因此所得到之表面粗糙度相差不大，但如使用較小之放電參數厚度亦即較小之偏置量來切割較大之工件厚度，如放電參數厚度(T)2mm來切割工件厚度(t)6mm，圖10可看出用來切割工件厚度(t)6mm之放電參數厚度(T)6mm之偏置量較大，而如用放電參數厚度(T)2mm來切割工件厚度(t)6mm，因此原先所需更大之預留量，但使用較小

19、之偏置量使得其預留量也隨之減少，如此會造成過切現象導致尺寸精度的不準確。5. 結依據本研究所設定的實驗參數與工件材料，由微細線切割加工之實驗結果，可歸納出以下幾點結論：1. 加工道次的增加對於加工槽寬、表面粗糙度與白層厚度會有所減少，這是因放電參數厚度內之設定，其加工能量是隨著加工道次的增加而減少。2. 工件厚度的增加會使加工槽寬也隨之增加，這是因工件厚度的增加，造成面積效應讓材料移除率增加，且讓線進給速率變小導致線有更多時間在側邊進行放電，進而讓加工槽寬增加。3. 加工道次的增加可讓表面熔融組織高低起伏由高趨近於平坦，球狀附著物由多變少。4. 放電參數厚度之偏置量對於表面粗糙度與白層厚度有影

20、響，當放電參數厚度大於工件厚度時會造成表面粗糙度與白層厚度的提升，反之則對表面粗糙度沒有影響。5. 工件厚度的不同所得到之加工槽寬也不同，而放電參數厚度之偏置量的設定則受到加工槽寬之影響，因此不同的工件厚度須有相對應之偏置量，故使用非是相符工件厚度之偏置量會造成尺寸精度的影響。6. 誌謝 本研究承蒙金屬工業研究發展中心(MIRDC)所提供之研究經費與研究設備(微細線切割放電加工機)，始能順利完成，作者由衷感謝。7. 考文獻 1. Mustafa Ilhan Gökler,Alp Mithat Ozanzgu, Experimental investigation of effects of cutting parameters on surface roughness in the WEDM process, Inter. J. Mach. Tools Manuf, vol.40, NO.13, pp.1831-1848, 2000.2. F. Klocke et al.,Using ultra thin electrodes to produce micro-parts with wire-EDM,ISEM XIV Journal of Materials