高功率超音波振動輔助線切割放電加工SKD61材料之研究

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李世璋(Shih-Chang Lee) 查詢紙本館藏

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機械工程學系在職專班

論文名稱

高功率超音波振動輔助線切割放電加工SKD61材料之研究
(A Study on High-Power Ultrasonic Vibration Assisted Wire Electrical Discharge Machining on SKD61)

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摘要(中)

摘要
本論文為使用高功率超音波輔助振動線切割放電之線電極，對工具鋼SKD61工件進行切槽加工研究，並探討線切割加工參數如開路電壓、超音波功率，脈衝放電時間、伺服電壓之差異，於加工品質特性包括有加工時間、材料移除率、加工槽寬度及表面粗糙度等，並利用光學顯微鏡，觀察有無超音波輔助加工對再鑄層生成之影響。
實驗結果顯示，當超音波輔助振動線電極時因振幅的關係所以兩極間之間隙也會有週期性的變化，當兩極間隙變小時突破絕緣的能量也較小，因此在相同的加工參數下加入超音波輔助後，適當的加工參數組合下，相較於無超音波輔助加工時，加工時間平均縮短了4.2 %，以及材料移除率平均增加了7.5 %。
於超音波輔助加工的情況下，脈衝放電時間與伺服電壓對加工時間及材料移除率有顯著之影響，對加工後之加工槽寬度與表面粗糙度值的影響不明顯。於再鑄層的生成觀察中，在有無超音波輔助加工的情況下，再鑄層厚度皆會隨著開路電壓增加而變薄，而具超音波輔助加工相較於無超音波輔助加工產生之再鑄層厚度更薄，且能夠得到最薄的再鑄層厚度為1.358 μm。

摘要(英)

Abstract
The study focused on applying ultrasonic vibration assisted wire electrical discharge machining to cut grooves on SKD61. The processing parameters, such as open voltage, ultrasonic power level, pulse on time, servo voltage, were selected to perform the experiments. The influence of each parameter on machining time, material removal rate, kerf width and surface roughness were inspected. The optical microscope is used to observe the effect of ultrasonic assisted processing on the formation of the recast layer.
The experimental results showed that the gap between the wire electrodes and workpiece changed periodically when the wire electrodes vibrated due to ultrasonic amplitude. When the machining gap became smaller, the power to break through the insulation also became smaller. With a proper combination of processing parameters, the processing time was shortened by an average of 4.2 % and the material removal rate was increased by an average of 7.5 %, when compared with non-ultrasonic assisted processing.
In the case of ultrasonic assisted machining, the pulse on time and servo voltage had significant effect on the processing time and material removal rate, but not on the kerf width and surface roughness values. We also observed that increasing the open circuit voltage reduced the thickness of the recast layer whether it was ultrasonically assisted or not. The thickness of the recast layer produced from ultrasonic assisted processing was even thinner, with the thinnest thickness of the recast layer being 1.358 μm.

關鍵字(中)

★ 超音波輔助
★ 線切割放電加工
★ SKD61

關鍵字(英)

★ Ultrasonic Assisted
★ WEDM
★ SKD61

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機與目的 2
1-3文獻回顧 3
1-4 研究方法 6
第二章理論基礎 7
2-1基本原理 7
2-1-1線切割放電加工之原理 7
2-1-2放電加工之材料去除機制 9
2-1-3線切割放電加工參數 12
2-1-4線切割放電加工之特性 15
2-2 超音波輔助加工原理 18
第三章實驗流程與設備 19
3-1實驗流程 19
3-2實驗設備 22
3-2-1 CNC線切割放電加工機 22
3-2-2線電極 (Wire Electrode) 24
3-2-3工件材料 (Material) 24
3-2-4加工絕緣液 (Deionized Water) 25
3-2-5草酸 (Oxalic Acid) 25
3-2-6超音波振動刀把及發振控制器 (Ultrasonicator & Generator) 26
3-2-7超音波振幅量刀器 (Ultrasonic Tool Checker) 26
3-2-8示波器與電流鉤錶 (Oscilloscope & Current Clamp Meter) 27
3-2-9電子天平 (Electronic Balance) 27
3-2-10表面粗糙度儀 (Surface Roughness Tester) 28
3-2-11光學顯微鏡 (Optical Microscope) 28
3-2-12鑲埋機 (Mounting Press Machines) 29
3-2-13金相研磨拋光機 (Grinding/Polishing Machine) 30
3-2-14鑽石研磨膏 (Diamond Paste) 30
3-3實驗設置 31
3-4量測方法 33
3-4-1材料移除率 (Material Removal Rate，MRR) 33
3-4-2加工槽寬度 (Kerf Width) 33
3-4-3表面粗糙度(Surface Roughness) 34
3-4-4電壓、電流波形量測 34
第四章實驗結果與討論 35
4-1實驗參數選擇之探討 35
4-2 超音波輔助線切割放電加工對SKD61加工之影響 37
4-2-1 開路電壓對切槽加工之影響 37
4-2-1-1 無超音波輔助對切槽加工之影響 37
4-2-1-2 超音波輔助對切槽加工之影響 40
4-2-2 超音波功率對切槽加工之影響 45
4-2-3 脈衝放電時間對切槽加工之影響 49
4-2-4 伺服電壓對切槽加工之影響 53
4-3 再鑄層探討 57
第五章結論 60
未來展望 62
參考文獻 63

圖目錄
圖 2-1線切割放電加工示意圖 9
圖2-2 放電加工材料移除機制示意圖 11
圖2-3 放電加工電壓、電流之波形示意圖 14
圖2-4平均粗糙度(Ra)量測方式圖 16
圖2-5加工槽寬示意圖 17
圖2-6 超音波振動輔助線切割放電加工示意圖 18
圖3-1 超音波振動輔助線切割放電加工SKD61之示意圖 20
圖3-2 超音波刀把安裝位置及加工方向示意圖 20
圖3-3 超音波輔助線切割放電加工SKD61之實驗流程圖 21
圖3-4 超音波振動設備架設方式 22
圖3-5 線切割放電加工機 23
圖3-6 加工電源示意圖 23
圖3-7 去離子濾水裝置 23
圖3-8 黃銅線電極外觀 24
圖3-9 工具鋼SKD61塊料 25
圖3-10 超音波振動刀把及發振控制器 26
圖3-11 超音波振幅量刀器 27
圖3-12 示波器、電流鉤錶及探棒 27
圖3-13 電子天平 28
圖3-14表面粗糙度儀 28
圖3-15光學顯微鏡 29
圖3-16 鑲埋機 29
圖3-17金相研磨拋光機 30
圖3-18 鑽石研磨膏 30
圖3-19加工槽寬度量測示意圖 33
圖3-20表面粗糙度量測示意圖 34
圖3-21 示波器接續示意圖 34
圖4-1 超音波功率與超音波振幅對應圖 36
圖4-2 開路電壓與加工時間之關係圖(無超音波輔助) 38
圖4-3 開路電壓與材料移除率之關係圖(無超音波輔助) 38
圖4-4 開路電壓與加工槽寬度之關係圖(無超音波輔助) 39
圖4-5 開路電壓與表面粗糙度之關係圖(無超音波輔助) 39
圖4-6 開路電壓與加工時間之關係圖(超音波輔助) 41
圖4-7 開路電壓與材料移除率之關係圖(超音波輔助) 42
圖4-8 開路電壓與加工槽寬度之關係圖(超音波輔助) 42
圖4-9 開路電壓與表面粗糙度之關係圖(超音波輔助) 43
圖4-10 開路電壓與有/無超音波輔助加工之示波器波形 44
圖4-11超音波振動線電極示意圖 45
圖4-12超音波功率與加工時間之關係圖 46
圖4-13超音波功率與材料移除率之關係圖 47
圖4-14超音波功率與加工槽寬度之關係圖 47
圖4-15超音波功率與表面粗糙度之關係圖 48
圖4-16超音波功率之示波器波形 49
圖4-17脈衝放電時間與加工時間之關係圖 50
圖4-18 脈衝放電時間與材料移除率之關係圖 50
圖4-19脈衝放電時間與加工槽寬度之關係圖 51
圖4-20脈衝放電時間與表面粗糙度之關係圖 51
圖4-21脈衝放電時間之示波器波形 52
圖4-22伺服電壓與加工時間之關係圖 54
圖4-23 伺服電壓與材料移除率之關係圖 54
圖4-24伺服電壓與加工槽寬度之關係圖 55
圖4-25伺服電壓與表面粗糙度之關係圖 55
圖4-26伺服電壓之示波器波形 56
圖4-27 再鑄層觀察用切割片狀工件 57
圖4-28有無超音波輔助加工工件截面再鑄層 59

表目錄
表3-1 黃銅線電極材料特性 24
表3-2 SKD61化學成分表 25
表3-3 SKD61機械性質表 25
表3-4 草酸物理特性表 26
表3-5單因子實驗參數之項目及其設定值 31
表3 6 固定因子之項目及其設定值 32

參考文獻

參考文獻
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指導教授

崔海平

審核日期

2021-8-20

推文