ch11特殊加工.doc

第十一章 特殊加工 由於科技文明的發展突飛猛進，對相關產品的要求早已超出一般傳統製造程序所能勝任的極限，例如高精密度、細微尺寸、複雜外形、大應變量、高強度及高硬度材料、極薄或極長工件、產品性質有特別限制等之加工。因此有特殊加工方法的發展及應用，其目的是為了達成許多使用傳統成形加工方法很難，或甚至無法加工之機械零組件的生產。尤其是在非金屬材料被使用日漸普及的今日，傳統上以金屬材料為主要對象的加工方法，已不能滿足現代機械製造發展趨勢之需求，所以可確信的是本章所敘述的特殊加工方法將扮演著日益重要的角色。 11.1 非傳統切削加工 非傳統切削加工(Nontraditional or Nonconventional machining process)的特點是加工過程中產生的切屑為原子到次微米尺度的大小，故與一般傳統切削加工比較時，其材料去除率很低。非傳統切削加工適用的場合為： 工件材料之硬度和強度非常高。 工件外形太細長，無法承受切削力或磨削力；或工件夾持發生困難。 工件形狀複雜以致很難或無法利用一般成形方法加工。 工件加工面之表面光滑度及尺寸精度要求非常嚴格。 工件在加工過程不能發生溫度升高或有殘留應力出現。 非傳統切削加工的另一項特點是切除材料所使用的的能量型式和傳統切削加工之機械能有很大的不同，其主要的型式有下列四種： 化學能(Chemical energy)：例如化學銑削、化學切胚料、化學雕刻、光化學銑削等。 電化能(Electrochemical energy)：例如電化學加工、電化學研磨等。 電熱能(Electrothermal energy)：例如電子束加工、雷射加工、放電加工、放電線切割等。 機械能(Mechanical energy)：例如超音波加工、磨料噴射加工、水噴射加工等。 11.1.1 化學加工 化學加工(Chemical machining, CM)是利用化學溶液之腐蝕作用，將工件材料不要的部份去除，因而改變其形狀和尺寸的加工方法。化學加工也被用在電子資訊業之印刷電路板(PCB)和微機電系統(MEMS)之零組件的製造。 主要的應用有化學銑削(Chemical milling, CHM)如圖11.1所示，其加工步驟為： 清潔(Cleaning) 將工件表面上的油脂等雜質去除，以確保後續步驟之耐蝕性遮蔽物的緊密黏附和腐蝕作用的順利進行。 遮蔽及畫線(Masking and Scribing) 在不需加工的表面處使用耐腐蝕性遮蔽物塗覆，依其圖樣精確刻畫出不需腐蝕區域的外形，並把該區域以外的遮蔽物去除。 腐蝕(Etching) 將上述已準備好的工件放入浸蝕溶液中進行腐蝕，需控制好時間長短以得到正確之銑削深度。 清洗(Washing) 當腐蝕作用完成將工件取出後，需把沾附在其上的化學溶液物質清洗乾淨，並去除覆蓋的遮蔽物。 圖11.1 化學銑削 化學銑削的優點有不受工件材料硬度及強度之限制，可加工薄、大、易變形的工件，可同時加工多個工件，產品表面光滑度良好，設備簡單且操作容易，和加工費用低等。缺點有不適合窄深之槽或孔的加工，腐蝕液對人體有害，和加工速度緩慢等。 化學銑削主要應用於航太工業之鋁合金工件的減薄加工，也適用於任何可被適當化學溶液腐蝕之金屬材料的加工。類似的加工法化學切胚料(Chemical blanking)加工，用於薄金屬片之貫穿腐蝕加工以得到所要的外形，此法亦可用在硬化或脆化材料之加工。化學雕刻(Chemical engraving)用於製造名牌，雕刻的字體或圖案可為凹陷或凸起。光化學銑削(Photochemical milling, PCM)可用於加工金屬及非金屬材料。其原理與步驟和化學銑削相近，主要的不同處在此法是以正負光阻劑做為遮蔽物，並利用照相感光方式在工件表面上製作要被浸蝕去除的圖形及線條，電子業之印刷電路板即是利用此法來加工。 11.1.2 電化學加工 電化學加工(Chemical machining, ECM)是利用金屬在電解中產生陽極溶解的電化學反應原理，使金屬材料不要的部份被去除而成形的加工方法。常用的電解液有氯化鈉(NaCl)、硝酸鈉(NaNO)、氯酸鈉(NaClO)等，其中以氯化鈉電解液最為普遍。作用時將工件置於陽極，已成形工具做為陰極，兩極之間保有小間隙，當電源接通後，電流經電解液流通於其間。在陽極的工件發生分解反應失去電子而形成陽離子並被電解液帶走，致使工件材料減少，隨著工具的持續進給，工件表面不斷的被電解，直到完成所要的形狀和尺寸，如圖11.2所示。電化學加工可用來加工複雜外形的表面或各種形狀的孔及深孔。電化學加工實際上是電鍍的相反操作。 圖11.2 電化學加工 電化學加工的優點有： 應用的工件材料範圍廣，不受其硬度及強度的影響，只要可以導電的材料都可以被加工。 工具陰極不與工