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High aspect ratio micro-hole drilling aided with ultrasonic vibration and planetary movement of electrode by micro-EDM CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 58, Issue 1, 2009, Pages 213-216 Z.Y. Yu, Y. Zhang, J. Li, J. Luan, F. Zhao, D. Guo 指導教授：戴子堯 報 告 者：梁尚傑 報告日期：2011年05月30日 1 大綱 • • • • 前言 實驗方法 結果與討論 結論 2 前言(1/2) • 微 孔 技 術 (micro-hole) 廣 泛 應 用 於 微 機 電 系 統 (microelectromechanical systems, MEMS) • 微細加工技術 – – – – 蝕刻 – 可加工矽材料 微超音波加工 – 可加工硬脆材料 雷射或微電化學加工 – 可加工聚合物等材料 微放電加工 – 可加工金屬材料 • 製程限制 – – – – 成本 (cost) 加工效率 (machining efficiency) 工件特性 (properties of workpiece) 深寬比 (aspect ratio) 3 前言(2/2) • 放電加工為一系列的在電極與工件之間放電達到材料移除 的效果，而過程中產生的氣泡(bubbles)及碎屑(debris)將填 滿整個間隙，將產生不正常的放電或短路 • 大 部 分 的 EDM 配 有 多 模 式 的 電 極 行 星 運 動 (planetary movement of an electrode) • 超音波振動(ultrasonic vibration)可有效將間隙中的碎屑移 除或分解 • 本研究將結合上述兩種方法作微鑽孔(micro-drilling)加工， 並探討加工後其工件特性為何 4 實驗方法 (1/2) 2.1 機制分析 – 以 EDM鑽微孔隨著黏滯阻力(viscous resistance)增加， 產生更多氣泡和碎屑無法順利從工件間隙移除。 – 微孔深度 黏滯阻力 加工效率 – 行星運動可提供工件與電極不同的間隙，可使黏滯阻 力大幅降低 – 超音波振動可改變介電液之接觸角與潤濕性，可削弱 邊界特性，提高加工效率 – 基於此類特性，預期能提高微孔的深寬比 Parameters used in Nd:YAG laser cladding process 5 實驗方法 (2/2) 2.2 實驗設備 – 工件置於超音波傳感 器上方(transducer) – 去離子水電阻值需為 18MΩ cm Fig. 1. Structure of experimental equipment. 6 結果與討論(1/4) • 圖2顯示電極進給與時間 的關係 • N：普通加工模式 • P：加入電極行星運動 • U：加入超音波振動 • UP：加入行星運動與超 音波振動(進給6.97mm) • UPS：加入行星運動與 超音波振動(進給3.4mm) Fig. 2. Electrode feed vs. time. 7 結果與討論(2/4) Fig. 3. Micro-hole. (a) Hole entrance and (b) hole exit. • 圖3為放電加工後工件進出口 的平均直徑 • 入口：139μm，出口：102μm • 放電加工雖無接觸力，但仍 有靜電(electrostatic)與電磁力 (electromagnetic force)之影響 8 結果與討論(3/4) • 圖5a為各種條件下之材料移除 率(Material removal rate,MRR) • P 條件因面積效應(area effect) 影響工作區域 MRR • 圖5b為各種條件下之電極消耗 比(Tool wear ratio, TWR) • 深度 間隙 磨耗 9 結果與討論(4/4) • 圖5c為各種條件下放電的間隙 • 各條件下偏心半徑(essentric radius)為28~34μm • 顯示行星運動並不影響放電的 間隙 • 圖5d為各種條件下之可達到的 深寬比 • 結合行星運動及超音波振動之 UP條件可達29.0之最高深寬比 10 結論 • 在微放電加工作高寬比之微鑽孔中，黏滯阻力會隨孔的深 度增加，使工件成型困難 • 放電過程中隨著越多氣泡與碎屑形成，越易產生不正常放 電，導致異常磨耗 • 利用電極的行星運動及超音波振動可有效提昇放電加工性 能如：材料移除率、電極磨耗比、放電間隙及深寬比 • 利用本方法可成功達成29.0高深寬比之工件 11 Thanks for your attention 12