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 213-216Z.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

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大綱

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• 前言• 實驗方法• 結果與討論• 結論

前言 (1/2)• 微孔技術 (micro-hole) 廣泛應用於微機電系統 (micro-

electromechanical 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

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實驗方法 (1/2)

5Parameters used in Nd:YAG laser cladding process

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

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

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Fig. 1. Structure of experimental equipment.

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)

7Fig. 2. Electrode feed vs. time.

結果與討論 (2/4)

• 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

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Fig. 3. Micro-hole. (a) Hole entrance and (b) hole exit.

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

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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

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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

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