CN101954517B - 放电加工液及放电加工方法 - Google Patents

Abstract

一种放电加工液及放电加工方法，是于放电加工液中添加多个纳米碳管并悬浮于其中，在对一工件执行放电加工制程时，纳米碳管漂浮于放电加工装置的电极与工件之间的放电间隙中，使得放电加工装置所产生的电弧柱通过纳米碳管而稳定地对工件表面施以放电加工。

Description

放电加工液及放电加工方法

技术领域

本发明是关于一种放电加工液，特别是一种含有纳米碳管的放电加工液及加工方法。

背景技术

为了满足目前工业上的使用需求，而开发出高硬度、高脆性及高韧性等特殊机械性质的新颖材料，以现有传统工具机对该些材料进行切削加工，已无法达到现今对加工成品的高精度要求。因此，具有非接触(non-contact)特性的放电加工(Electrical Discharge Machining，EDM)法已成为适用于高硬度、高脆性及高韧性材料的加工上，特别是适合用于核能工业或航空工业的金属材料或精密的陶瓷的加工。

放电加工法是以高能量方式将加工物的多余部分予以去除，因此可避免刀具与加工物因直接接触所产生的切削力，进而达到较佳的加工精度需求，并可执行细微形状的加工。放电加工法将加工物与电极头分别放置于绝缘液(dielectric fluid)中，并通过伺服机构以维持加工物与电极之间的放电间隙。在施加一电压后，绝缘液中的自由离子使电极与加工物之间产生电场，并且形成一离子道而引发成电弧柱(arc)，藉以将加工物的表面层去除。

由于已知放电加工法的加工速度慢，且绝缘液会将加工物的残存熔融部分予以冷却凝固，进而形成为与原本加工物不同性质的变质层，然此一变质层具有许多的微缺陷，因而成为加工物表面产生龟裂、破裂以及强度劣化的主因。另外，若是对大面积的加工物施以放电加工处理于放电加工过程中，其二电极之间的浮游电容(stray capacitance，Cs)会随加工物面积而增加，导致单次放电的能量无法降低，致使在相同的加工条件下，例如同样的电压、极间间隙、电极头材质等，其加工物的表面粗糙度将随加工面积的增加而相对地大幅提高，导致加工物的整体表面性质变差。

为了解决上述的问题，美国专利第4,952,768专利案揭露了一种放电加工的电极，其是以硅(Si)等低熔点材料做为电极，而使放电加工的电极具有高电阻特性。然而，由于硅元素的硬脆特性，导致制造电极的过程中并不好加工，使制造成本相对提高。且由于硅的散热性不佳，因此以硅材料做成的电极于放电加工时，其消耗量过大，使得电极与加工物之间的放电间隙不容易控制，而造成加工物表面的精度不佳的问题。

另外，美国专利第5,539,173号及第5,922,221号二专利案揭示了一种绝缘液，其是于绝缘液中添加了硅粉末、硅化物粉末、或金属粉末等导电粉末，藉以降低电极与加工物之间的浮游电容，而提升放电加工的细加工能力。但，由于硅化物粉末或金属粉末的比重较绝缘液来得大，因此粉末并不易均匀地在绝缘液中悬浮散布，而容易产生沉积现象，且硅化物粉末或金属粉末的平均直径为0.1微米至100微米之间，其直径尺寸对于放电间隙而言仍过大且粉末粒径不均匀，因而导致电极与加工物之间容易形成电弧放电或短路放电等非正常的放电加工现象，而严重影响加工的稳定性及可靠度，并造成加工物的表面精度不佳的问题；或者是，操作人员需要时常对绝缘液进行机械式的搅拌，以让粉末均匀悬浮于绝缘液中，如此将造成加工过程中的步骤过于繁复，且需要额外耗费工序时间，导致加工效率无法提升。

由于掺杂入绝缘液的导电粉末浓度范围在2.5克/升(gram/liter，g/L)至38克/升(g/L)之间，使得导电粉末的用量过大，无形之中亦造成制造成本的提高。并且，为了避免悬浮于绝缘液中的粉末集中于电极与加工物之间，或因较大颗粒的粉末通过所造成的加工积碳现象，电极与加工物之间的极间距离势必得随之增大，就算使用相同的加工条件进行加工，同样会产生加工深度或加工物侧面的余隙(clearance)过大且参差不齐的问题。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明提供一种放电加工液及放电加工方法，藉以改良已知放电加工法因浮游电容而导致大面积加工物的表面粗糙度不佳，以及添加有硅化物粉末或金属粉末等导电粉末等的放电加工液，其对于加工物的加工表面精度的控制并不理想，以及粉末用量过高等问题。

本发明所揭露的放电加工液适用于放电加工装置，以执行放电加工制程。放电加工液包括有一绝缘液及多个纳米碳管，其中纳米碳管悬浮于绝缘液中。

本发明的放电加工方法用以对工件执行放电加工制程，其步骤首先是提供一放电加工装置，其中放电加工装置具有电极与工作槽，工件被置放于工作槽中，并与电极之间形成放电间隙，且电极与工件之间呈电性连接关系。接着，装填上述的放电加工液至工作槽内，且纳米碳管漂浮于放电间隙中。最后，致动放电加工装置并产生一放电脉冲波，以于放电间隙中引发电弧柱，且电弧柱通过位于放电间隙中的纳米碳管而对工件进行加工。

本发明的放电加工液的纳米碳管还可先进行表面改质处理，使得纳米碳管的表面接上至少一官能基，使得纳米碳管于绝缘液中的分散性更佳，并使纳米碳管悬浮于绝缘液中的时间保持更长。

本发明的放电加工液中添加有少量且呈均匀悬浮状态的纳米碳管，其纳米碳管于绝缘液中的分散性更佳，并使纳米碳管悬浮于绝缘液中的时间保持更长。于执行本发明的放电加工方法时，放电加工装置产生的电弧柱通过纳米碳管作为媒介而得以稳定地对工件进行加工，以达到高放电加工效率、工件表面粗糙度佳、减少工件表面于放电加工后所产生的微缺陷、制造成本降低、及对大面积工件的进行表面镜面加工等功效。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的放电加工液的示意图；

图2为本发明一实施例的放电加工方法的步骤示意图；

图3A为本发明一实施例的放电加工方法的步骤示意图；

图3B为本发明一实施例的放电加工方法的步骤示意图；

图4为本发明一实施例的放电加工方法的步骤示意图；

图5为本发明一实施例的放电加工方法的局部放大步骤示意图；

图6A为本发明一实施例的放电加工方法的步骤流程图；

图6B为本发明一实施例的放电加工方法的步骤流程图；

图7为本发明另一实施例的放电加工方法的步骤流程图；

图8为本发明的放电加工液的纳米碳管的电子显微镜分析图；

图9A为经由已知放电加工方法进行加工后的工件表面的电子显微镜分析图；

图9B为经由本发明的放电加工方法进行加工后的工件表面的电子显微镜分析图；

图10A为以本发明的放电加工液添加有不同浓度的纳米碳管对放电加工时间的关系图；

图10B为以本发明的放电加工液添加有不同浓度的纳米碳管对工件表面粗糙度的关系图；

图11A为以本发明的放电加工液添加有不同种类的粉末与纳米碳管对放电加工时间的关系图；以及

图11B为以本发明的放电加工液添加有不同种类的粉末与纳米碳管对工件表面粗糙度的关系图。

[主要元件标号说明]

100  放电加工液

110  绝缘液

120  纳米碳管

130  储备液

140  分散剂

200  放电加工装置

210  电极

220  工作槽

230  电源供应器

240  主轴头

G    放电间隙

300  工件

步骤400  提供放电加工装置

步骤410  装填放电加工液至放电加工装置的工作槽内

步骤411  将放电加工液的纳米碳管混合于储备液中，再将储备液添加于绝缘液中

步骤412  添加分散剂于绝缘液中

步骤420  致动放电加工装置并产生放电脉冲波

步骤430  对放电加工液的纳米碳管进行表面改质处理

具体实施方式

图1为本发明的放电加工液的示意图。本发明的放电加工液100适用于一放电加工装置(如「图4」所示的放电加工装置200)，以执行一放电加工制程。放电加工液100包括有一绝缘液110及多个纳米碳管120，其中绝缘液110可为水基绝缘液或油基绝缘液，例如为去离子水、煤油、或灯油等液体，但并不以此为限，而纳米碳管120的比重轻，且与绝缘液110相近，同时纳米碳管120因其直径小而具有较大的表面积比，且尺寸均一性佳，因此纳米碳管可均匀地悬浮于绝缘液110中。此外，本发明的放电加工液100中还可添加分散剂(如图3B所示的分散剂140)，藉以提高纳米碳管120于绝缘液110中的分散性，避免纳米碳管120产生团聚现象，进而影响放电加工的性质。

本发明的纳米碳管120的添加浓度范围介于0.1克/升(g/L)至20克/升之间，而本实施例的纳米碳管120的较佳添加浓度为0.2克/升，意即仅需添加少量的纳米碳管120于绝缘液110中即可做为本发明的放电加工液100。另外，本发明的纳米碳管120的平均直径为1纳米(nm)至100纳米(nm)之间，其平均长度为0.1微米(μm)至20微米(μm)之间，而本实施例的纳米碳管120的较佳直径范围为40纳米至60纳米之间，其较佳长度范围为1微米至5微米之间。值得注意的是，本领域技术人员亦可根据实际的放电加工需求而改变纳米碳管120的添加浓度、平均直径、或平均长度，并不以本实施例所揭露的纳米碳管120的添加浓度与尺寸为限。

图2至图5及图6A所示为本发明实施例的步骤示意图与步骤流程图，本发明揭露的放电加工方法用以对一工件300执行放电加工制程，以对工件300表面进行加工，进而得到预定尺寸形状的工件成品。

如图2所示，并配合图6A的步骤流程说明一并参酌，本发明实施例的放电加工方法，首先是提供一放电加工装置200(步骤400)，而放电加工装置200包括有电极210、工作槽220、电源供应器230、及主轴头240。电极210为以铜(Cu)制成的圆柱体，其直径尺寸为20毫米(mm)，工作槽220是供工件300摆放于其中，并且工件300与电极210之间形成有一放电间隙G，且电极210被夹持于主轴头240上，并通过伺服马达(图中未示)控制电极210的加工位置，以对应调整放电间隙G的大小，使得电极210与工件300之间保持适当的距离，达到最佳的放电加工效果。电源供应器230的正极(+)连接至工件300，而电源供应器230的负极(-)连接于电极210，使得电极210与工件300之间构成电性连接关系。其中，电源供应器230还具有一换向装置(图中未示)，用以使电源供应器230的正极(+)与负极(-)的输出对调。

请参阅图4，并配合图6A的步骤流程说明一并参酌。接着装填一放电加工液100至放电加工装置200的工作槽220内(步骤410)，其中放电加工液100具有绝缘液110及悬浮于绝缘液110中的多个纳米碳管120，且纳米碳管120通过循环系统(图中未示)与绝缘液110的带动而漂浮于放电间隙G中。其中，本发明的绝缘液110可为去离子水、煤油、或灯油等水基绝缘液或油基绝缘液的液体，而本实施例采用煤油作为绝缘液110。

本实施例的装填放电加工液100至工作槽220内的步骤(步骤410)中，其纳米碳管120可直接添加于工作槽220中，或者是如图3A、图3B、及图6B所示，先将纳米碳管120混合于一储备液130中，以调制成具有18克/升浓度的纳米碳管120的储备液130，再根据工作槽220的容量大小将储备液130添加于工作槽220内的绝缘液110中(步骤411)，以得到预设浓度的放电加工液100，本实施例所采用的纳米碳管120的添加浓度为0.2克/升。其中，于储备液130中还可添加分散剂140于其中(步骤412)，再以机械方式进行搅拌，以提高纳米碳管120的分散性；或者是，可先将储备液130倒入绝缘液110中(步骤412)，再将分散剂140添加至绝缘液110中并予以搅拌，其制备步骤的顺序并不以本实施例为限。

另外，本实施例所使用的纳米碳管120是以漂浮触媒法(floating-reactant method)制成，而得到直径约为40纳米至60纳米的多壁型态纳米碳管，接着再以粉碎机将纳米碳管120的长度缩短控制在1微米至5微米之间。然而，本实施例的纳米碳管120的平均直径仅需控制在1纳米(nm)至100纳米(nm)之间，以及其平均长度控制在0.1微米(μm)至20微米(μm)之间即可达到本发明的目的。

因此，如图8所示，本实施例的纳米碳管120的平直度较一般市售的合成纳米碳管要来得佳，使得本实施例的纳米碳管120混合于绝缘液110中的分散性较佳，而不易发生纠结团聚现象，藉以提高放电加工的稳定性及工件300的加工表面性质。另外，本实施例揭露的纳米碳管120的型态可为单壁或多壁结构，且纳米碳管120的两端可为封闭形式或开放形式，皆不以此为限。

请参阅图5，并配合图6A的步骤流程说明一并参酌，接着致动放电加工装置200并产生放电脉冲波(步骤420)。当放电加工装置200被致动时，其放电加工装置200的电源供应器(如图4所示的标号230)提供放电脉冲波，以于电极210与工件300之间的放电间隙G产生电弧柱(arc)，并通过纳米碳管120而得以提高电弧柱的放电频率(即缩短引弧时间)，因而大幅提高加工速度，且电弧柱通过纳米碳管120而均匀且稳定地在放电间隙G进行放电，以对工件300表面施以平均的放电加工，使工件300于加工后的表面粗糙度降低，致以达到大面积工件的精细镜面加工的目的。当放电加工装置200持续进行放电，工件300受放电处的热量继续增加，以将工件300予以熔化，而高温效应使得绝缘液110气化，并在工件300的受放电处产生极大压力，以将工件300被熔蚀的材料冲离且形成凹口，而工件300的凹口处的材料又被周围的绝缘液110迅速冷却，如此在短时间内反复了数万次，甚至是数十万次，以对工件300表面进行精细的放电加工。

图7所示为本发明另一实施例的步骤示意图与步骤流程图，本发明另一实施例与一实施例在制程步骤上大致相同，以下仅就两者间的差异加以说明。请参阅图2至图5及图7，本发明第二实施例的放电加工方法，首先是提供一放电加工装置200(步骤400)，接着于装填放电加工液100至放电加工装置200的工作槽220内(步骤410)的步骤之前，先行对放电加工液100的纳米碳管120进行表面改质处理(步骤430)。本实施例是以臭氧或双氧水而分别以干式改质方式或湿式方式对纳米碳管120进行表面改质处理，以令纳米碳管120表面的碳原子接上一官能基，例如为羧基(carboxyl group，-COOH)或氢氧基(hydroxyl group，-OH)。

举例而言，以双氧水进行纳米碳管120表面氧化处理的制程步骤为：加入相对于纳米碳管的重量100倍、浓度50重量百分比(w.t.％)的双氧水，在100℃中回流反应2小时，并维持搅拌速率200rpm。于反应结束后，将反应溶液进行过滤，并以去离子水进行水洗、过滤二次，再以60℃烘干48小时。纳米碳管120表面官能化的比例以程温脱附实验测量而得，其表面改质量为16.9％。

以臭氧进行纳米碳管120表面氧化处理的制程步骤为：纳米碳管120于初步官能化所使用的臭氧由一般商用臭氧产生机所提供，其氧气进气量为1升/分钟(L/min)，出口臭氧浓度约8000ppm。取50克(g)的纳米碳管120置于反应器中，其反应温度为125℃，另以氩气(Ar)挟带水气(起泡瓶的温度为80℃)，气体进料量为100毫升/分钟(ml/min)，总反应时间为5.5小时。纳米碳管120表面官能化的比例以程温脱附实验测量而得，其表面改质量为15.7％。

经由表面改质处理的纳米碳管120于绝缘液110中的沉降时间可拉长至48小时，相较于本发明未改质的纳米碳管120的沉降时间为2小时，以及已知添加硅粉末、石墨粉末、或铝粉末于绝缘液中的沉降时间(分别为30分钟、25分钟、与10分钟)而言，其纳米碳管120于绝缘液110中的分散性要更佳。

最后，致动放电加工装置200并产生放电脉冲波(步骤420)，以对工件300表面施以平均且稳定的放电加工。

图9A及图9B分别为经由已知放电加工方法与本发明的放电加工方法后的工件表面的电子显微镜分析图。由图中可清楚观察到，以已知放电加工方式进行加工的工件的表面产生相当多的微缺陷，其加工后的工件表面平均粗糙度(Ra)为0.21微米，而采用本发明的放电加工方法进行加工的工件的表面几乎没有造成微缺陷，且经加工后的工件表面平均粗糙度(Ra)为0.1微米，因而得以大幅改善工件的粗糙度及表面性质。至于，以添加有经表面改质的纳米碳管的放电加工液进行放电加工，其工件的表面平均粗糙度(Ra)为0.09微米。

图10A及图10B分别为本发明的放电加工液添加有不同浓度(0克/升至20克/升的浓度范围)的纳米碳管对放电加工时间及工件表面平均粗糙度(Ra)的关系图。

由图10A中的实验数据可清楚得知，于放电加工液中添加有纳米碳管的方式确实可大幅缩短放电加工时间，尤其以添加有5克/升浓度的纳米碳管的放电加工液的加工时间为最短(加工时间为75分钟)。本实施例所采用的添加0.2克/升浓度的纳米碳管的放电加工液，其加工时间虽然不是加工时间最短的(加工时间为96分钟)，但与未添加纳米碳管的放电加工液(加工时间为250分钟)相较之下，仍大幅缩短了加工时间，且仅需添加少量的纳米碳管即可达到不错的效果，以同时兼具缩短放电加工时间与降低制造成本的功效。

由图10B中的实验数据可清楚看出，于放电加工液中添加有纳米碳管的方式确实可大幅降低工件的表面平均粗糙度，尤其以添加有5克/升浓度的纳米碳管的放电加工液进行放电加工的工件表面平均粗糙度(Ra)为最佳(表面平均粗糙度为0.07微米)。本实施例所采用的添加0.2克/升浓度的纳米碳管的放电加工液，其工件的表面平均粗糙度虽然不是最佳的(表面平均粗糙度为0.1微米)，但与未添加纳米碳管的放电加工液(表面平均粗糙度为0.21微米)相较之下，仍大幅改善了放电加工后的工件表面的粗糙度，且仅需添加少量的纳米碳管即可达到不错的效果，以同时兼具改善加工工件的表面粗糙度与降低制造成本的功效。

图11A及图11B分别为本发明的放电加工液添加有不同种类的粉末(为硅粉末、铝粉末、及石墨粉末)与纳米碳管对放电加工时间及工件表面平均粗糙度(Ra)的关系图。图11A及图11B所添加的纳米碳管的平均直径为40纳米至60纳米，平均长度为1微米至10微米，添加浓度为5克/升；硅粉末、铝粉末、及石墨粉末的平均直径为1微米至10微米，添加浓度为20克/升。

由图11A中的实验数据可清楚得知，与未于放电加工液中添加粉末及于放电加工液中添加硅粉末、铝粉末、及石墨粉末相较，本发明所揭露的于放电加工液中添加有纳米碳管的方式确实可大幅缩短放电加工时间(加工时间为75分钟)。本发明仅需添加少量的纳米碳管即可达到缩短放电加工时间，并同时兼具降低制造成本的功效。

由图11B中的实验数据可清楚看出，与未于放电加工液中添加粉末及于放电加工液中添加硅粉末、铝粉末、及石墨粉末相较，本发明所揭露的于放电加工液中添加有纳米碳管的方式确实可大幅降低工件的表面平均粗糙度(表面平均粗糙度为0.07微米)。本发明仅需添加少量的纳米碳管即可达到改善加工工件的表面粗糙度，并同时兼具降低制造成本的功效。

本发明的功效在于，将平直度佳且直径尺寸小的纳米碳管少量地添加于绝缘液中，以构成本发明的放电加工液，且经表面改质后的纳米碳管可均匀地悬浮于绝缘液中而不易纠结团聚，进而使纳米碳管于绝缘液中的分散性更佳，以及纳米碳管悬浮于绝缘液中的时间保持更长。

以本发明的放电加工液对工件进行放电加工时，放电加工装置所产生的电弧柱以纳米碳管作为媒介，而得以稳定地在电极与工件之间所形成的放电间隙进行放电，以对工件进行平均且细致的加工处理，因而达到高放电加工效率、工件表面粗糙度佳、减少工件的加工表面所产生的微缺陷、制造成本降低、及对大面积工件进行表面精细镜面加工等功效。

Claims (15)

1.一种放电加工液，包含：

一绝缘液；以及

多个纳米碳管，该多个纳米碳管悬浮于该绝缘液中；

其中该多个纳米碳管的一表面还具有至少一官能基；该多个纳米碳管的浓度范围介于0.1克/升至20克/升；该多个纳米碳管的平均直径介于1纳米至100纳米之间；以及该多个纳米碳管的平均长度介于0.1微米至20微米之间。

2.根据权利要求1所述的放电加工液，其中还包括有一分散剂，被添加于该绝缘液中，用以分散该多个纳米碳管。

3.根据权利要求1所述的放电加工液，其中该官能基为羧基、氢氧基、内酯基、酸酐基、羰基、醚基、及其组合的其中之一。

4.根据权利要求1所述的放电加工液，其中该绝缘液为一水基绝缘液或一油基绝缘液。

5.根据权利要求1所述的放电加工液，其中该多个纳米碳管的浓度为0.2克/升。

6.根据权利要求1所述的放电加工液，其中该多个纳米碳管的平均直径介于40纳米至60纳米之间。

7.根据权利要求1所述的放电加工液，其中该多个纳米碳管的平均长度介于1微米至5微米之间。

8.一种放电加工方法，包含下列步骤：

提供一放电加工装置，该放电加工装置具有一电极及一工作槽，一工件被置放于该工作槽中，并与该电极之间形成一放电间隙，且该电极与该工件呈电性连接关系；

装填一放电加工液至该工作槽内，该放电加工液具有一绝缘液及悬浮于该绝缘液中的多个纳米碳管，且该多个纳米碳管漂浮于该放电间隙中，在装填该放电加工液至该工作槽内的步骤前，还包括有对该多个纳米碳管进行一表面改质处理的步骤，其中对该多个纳米碳管进行该表面改质处理的步骤，是以氧化方式或酸化方式对该多个纳米碳管进行该表面改质处理，以令该多个纳米碳管的一表面接上至少一官能基；以及

致动该放电加工装置并产生一放电脉冲波，以于该放电间隙中引发一电弧柱，且该电弧柱通过该多个纳米碳管而对该工件进行加工；

其中该多个纳米碳管的添加浓度范围介于0.1克/升至20克/升之间；该多个纳米碳管的平均直径介于1纳米至100纳米之间；以及该多个纳米碳管的平均长度介于0.1微米至20微米之间。

9.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中装填该放电加工液至该工作槽内的步骤，还包括有将该多个纳米碳管混合于一储备液中，再将该储备液添加于该绝缘液中的步骤。

10.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中装填该放电加工液至该工作槽内的步骤，还包括有添加一分散剂于该绝缘液中的步骤。

11.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中该官能基为羧基、氢氧基、内酯基、酸酐基、羰基、醚基、及其组合的其中之一。

12.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中该绝缘液为一水基绝缘液或一油基绝缘液。

13.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中该多个纳米碳管的添加浓度为0.2克/升。

14.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中该多个纳米碳管的平均直径介于40纳米至60纳米之间。

15.根据权利要求8所述的放电加工方法，其中该多个纳米碳管的平均长度介于1微米至5微米之间。

Images