TW201813749A - 線切割加工弱電導體之伺服控制機構及方法 - Google Patents

Abstract

一種線切割加工弱電導體之伺服控制機構，包括：一治具、一線電極及一伺服馬達。治具包括一分厘卡、一夾具、一壓板及一支撐板。應用此機構的伺服控制方法如下：以夾具夾持弱電導體片；再將弱電導體片穿過壓板與支撐板之間，並以壓板壓住；接著，以伺服馬達驅使分厘卡轉動，進而帶動夾具及弱電導體片平移，藉此調整從壓板到弱電導體片的邊緣之間的電流流通距離，同時調整弱電導體片與線電極之間的放電間隙，進而達到穩定放電之功效。藉由上述機構與方法可對鑽石加工所需的放電電壓、電流、脈衝週期與導線張力等操作參數進行精密調整，因此可評估這些參數對於鑽石製品的材料移除率與表面粗糙度之影響。

Description

線切割加工弱電導體之伺服控制機構及方法

本發明與一種應用於線切割放電加工的機構與方法有關，特別是與一種線切割加工弱電導體之伺服控制機構與方法有關。

放電加工法(Electric Discharge Machining；簡稱EDM)，也稱火花腐蝕加工(Spark Erosion Machining)，為非傳統加工法的一種，係利用電極(Electrode)和工件(Workpiece)之間所發生的放電作用，使工件表面局部熔化、蒸發，達到加工的目的。若是使用細線為電極進行放電加工，則稱為線切割放電加工法。通常電極的線材為銅、黃銅、鎢等，以線鋸的方式對工件加工。

線切割放電加工法一般用於鋁、銅、工具鋼、碳化鎢等材料的的加工，但較少用於鑽石等弱電導體的加工。弱電導體包含半導體，其電阻率(Resistivity)約為10^-2 至10¹⁴ 歐姆·公分(Ω·cm)之間，例如：純矽晶的電阻率約為10⁵ 歐姆·公分，高純度的金剛石電阻率約為10¹⁴ 歐姆·公分。鑽石的切削加工目前仍是依賴傳統的機械加工方式，例如：磨料式的線帶切削加工。然而，傳統的線帶切削加工法所產生的切削應力容易造成工件破裂與尺寸變異，對於工件的厚度有較大的限制，因而降低加工效率及材料移除率，導致其加工精度及品質難以提升。

目前國內的研究大多著重於鑽石刀具的切削性能，或是其磨耗程度的檢測。應用線切割放電加工法來加工鑽石等弱電導體材料的研究仍較少，相關的研究包括：2004年，英國Aspinwall等人控制伺服電壓(V)、電流(A)、脈衝時間(on-off time)來對一化學氣相沉積鑽石膜 (chemical-vapour-deposited diamond, CVD diamond)進行線切割，而獲得最高走線速度及最低加工粗糙度等操作條件；2012年，日本Fonda等人控制伺服電壓(V)、電流(A)、起弧感應(Arcing sensitivity)、脈衝時間(on-off time)來對一多晶鑽石(polycrystalline diamond, PCD)進行線切割，而獲得最高走線速度及最低加工粗糙度等操作條件。

線切割加工特性通常以材料移除率(Material Removal Rate)、表面粗糙度(Surface Roughness)、最小切割半徑(Minimum Radius)與次表層損傷(Subsurface damage)為觀測指標。如圖1A至圖1D的示意圖，是以切割多晶鑽石100為例，說明上述四種觀測指標。圖1A顯示材料去除率為線電極200在單位時間內所移除的材料體積V_RM ，其單位為mm³ /min，用以做為衡量放電加工速度快慢的指標。圖1B顯示量測表面粗糙度的方向與位置，其代表加工後工件表面凹凸不平的程度。圖1C顯示線電極200沿箭頭方向切割多晶鑽石100邊緣的最小切割半徑MR，其單位為μm。圖1D顯示次表層損傷的部位Sd。

然而，使用傳統的線帶切削加工法所製作的鑽石元件顯然無法同時達到上述四項觀測指標所要求的水準。若是以線切割放電加工法來切割多晶鑽石，則因多晶鑽石為弱電導體或熱電不良導體，容易產生不良的火花放電，其所製作的鑽石元件同樣地難以同時達到上述四項觀測指標所要求的水準。若能使放電穩定，則能提升線切割放電加工技術對鑽石元件的製作與修復能力。且同時達到上述四項觀測指標的要求。

本發明之一目的在於提供一種線切割加工弱電導體之伺服控制機構，可改善線切割放電加工法在對弱電導體或熱電不良導體加工時所產生的不良火花放電，對於弱電導體或熱電不良導體有較佳的切削能力。

本發明之另一目的在於提供一種線切割加工弱電導體之伺服控制方法，配合本發明之治具來控制放電間隙，以維持放電加工的電流大小，並在電流穩定的前提下，進一步對鑽石加工之放電電壓、脈衝週期與導線張力進行精密調整，以控制這些操作條件對於材料移除率與表面粗糙度的影響。

為了達到上述目的，本發明提供一種線切割加工弱電導體之伺服控制機構，適用於加工一弱電導體片。此機構包括一治具、一線電極、一伺服馬達及一電源。治具包括一分厘卡(micrometer)、一夾具、一支撐板及一壓板。分厘卡之一端連接夾具，另一端連接伺服馬達。支撐板設於夾具之一側。壓板設置於支撐板上方。線電極設置於治具的一側，並鄰近於壓板。電源的兩極各自連接於壓板與線電極，以提供放電電壓。弱電導體片具有一第一側邊及相對於第一側邊的一第二側邊。夾具用以夾持弱電導體片的第一側邊。壓板用以將弱電導體片壓在支撐板上方。伺服馬達適於驅使分厘卡轉動，進而帶動夾具及其夾持的弱電導體片平移，藉此調整從壓板到弱電導體片的第二側邊之間的電流流通距離，同時調整弱電導體片與線電極之間的放電間隙。

在一實施例中，弱電導體片的材料係選自鑽石、石墨及硼所構成的群組。

在一實施例中，壓板的兩端各自設有一彈簧，彈簧連接於壓板與支撐板之間。

在一實施例中，上述的線切割加工弱電導體之伺服控制機構更包括一回饋系統，電性連接於伺服馬達。

此外，本發明還提供一種線切割加工弱電導體之伺服控制方法，其步驟包括：提供一前述的伺服控制機構；以夾具夾持弱電導體片之第一側邊，並且將弱電導體片穿過壓板與支撐板之間，並以壓板壓住弱電導體片，使第二側邊與第一側邊分別位於壓板之兩相對側；以伺服馬達驅使分厘卡轉動，進而帶動夾具及其夾持的弱電導體片平移，藉此調整從壓板到弱電導體片的第二側邊之間的電流流通距離，以及弱電導體片與線電極之間的放電間隙；以及，在壓板與線電極之間施加一放電電壓。藉由調整電流流通距離與放電間隙來維持弱電導體片之第二側邊處的電流穩定。

在一實施例中，上述的方法更包括：利用回饋系統控制該伺服馬達之轉動。

在一實施例中，上述的方法更包括：在啟動線電極前，移動弱電導體片，將放電間隙調整至與前次啟動線電極前的放電間隙相等；以及量測第二側邊處之電流、放電電壓、電流之脈衝週期及線電極之導線張力，以建立一資料庫。

在一實施例中，上述的方法更包括：啟動線電極對弱電導體片進行切割以形成一製品；以及量測製品的複數觀測指標，其包括一材料移除率、一表面粗糙度、一次表層損傷及一最小切割半徑。

在一實施例中，上述的方法更包括：控制電流之脈衝週期為20週期至40週期。

本發明使用壓板夾持鑽石片，利用程式驅動伺服馬達來控制線電極與弱電導體片之放電間隙，進而達到穩定放電之功效。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

圖2A及圖2B為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構300，用於加工一弱電導體片400。在本實施例中，弱電導體片400的材料是多晶鑽石。除了鑽石之外，本發明的機構與方法亦適用於加工石墨、硼、多晶氮化硼、碳化矽或矽晶片等弱電導體片。此線切割加工弱電導體之伺服控制機構300包括一治具310、一線電極320、兩伺服馬達330、360及一電源340。治具310包括一底座311、一移動平台313、一分厘卡(micrometer)312、一夾具314、一支撐板316及一壓板318。在本實施例中，移動平台313設置於底座311及支撐板316下方，並且連接伺服馬達360。伺服馬達360可驅使移動平台313作Y方向(如圖2A之箭號所示)水平地移動，同時帶動整個治具310。治具310的總長L大約是15公分。夾具314設置於底座311及移動平台313上，可相對於底座311作X方向(如圖2A之箭號所示)水平地移動。夾具314的一端連接分厘卡312，另一端用來夾持弱電導體片400。分厘卡312之一端連接夾具314，藉由分厘卡312轉動可以控制夾具314的移動距離；分厘卡312之另一端適合連接伺服馬達330，藉此伺服馬達330來控制分厘卡312的轉動。支撐板316設於夾具314之一側，並與底座311相垂直，用以支撐弱電導體片400。壓板318設置於支撐板316上方，用來將弱電導體片400壓在支撐板316上方。

如圖2A所示，弱電導體片400具有一第二側邊420，其與第一側邊410相對，並且凸出於壓板318之外側。如此，壓板318至弱電導體片400之第二側邊420的距離可定義為一電流流通距離D₀ 。當夾具314夾持弱電導體片400的第一側邊410時，弱電導體片400穿過壓板318與支撐板316之間並被壓板318壓住，使第二側邊420與第一側邊410分別位於壓板318之兩相對側。線電極320設置於治具310的一側，並鄰近於壓板316及弱電導體片400的第二側邊420，用來切割弱電導體片400。電源340的兩極各自連接於壓板318與線電極320，用以提供放電電壓。

如圖2B所示，在一實施例中，伺服馬達330及360皆電性連接至一回饋系統350。回饋系統350的另一端連接至線電極320，並根據線電極320傳來的訊號控制伺服馬達330及360的轉動，進而控制電流流通距離D₀ 及放電間隙D，以維持放電加工的電流大小。

請參照圖3，壓板318的兩端各自設有一彈簧319，彈簧319連接於壓板318與支撐板316之間。當使用者要裝設弱電導體片400時，可將壓板318向上拉並使弱電導體片400穿過壓板318與支撐板316之間，再放開壓板318藉由彈簧319的回復力讓壓板318將弱電導體片400壓在支撐板316上方，並使弱電導體片400可以在壓板318與支撐板316之間水平地移動。

圖4A說明利用線切割加工弱電導體之伺服控制機構300來將放電電流維持穩定的作動過程。本實施例在弱電導體片400上規劃的切割路徑為L₁ 。P₂ 點為弱電導體片400的第二側邊420上的一點。假設P₂ 點量測到的電流為A₂ 時達到理想的放電電壓，可以啟動線電極320沿切割路徑為L₁ 進行放電切割，此時量測到P₂ 點與線電極320的距離(即放電間隙)為D’，並且P₂ 點與壓板318之間的距離(即電流流通距離)為D₂ 。在放電切割後，弱電導體片400上形成一個與切割路徑為L₁ 相同的缺口，缺口上有一邊緣421與第二側邊420平行。量測邊緣421上的一P₁ 點的電流為A₁ 。

請同時參照圖4B，由於在弱電導體片400上從壓板318處起算至一特定點的電流流通距離與該特定點處之電流成反比關係，在本實施例中，切割前的電流流通距離D₂ 大於切割後的電流流通距離D₁ ，因此P₂ 點的電流A₂ 小於P₁ 點的電流A₁ 。此時若想在P₁ 點或邊緣421處進行第二次放電切割，則因P₁ 點的電流已變大為A₁ ，而導致放電電壓變大，容易產生電弧而導致切割品質不佳。此時，利用本發明的機構，藉由夾具314的移動，將邊緣421上的P₁ 點推移至P₁ ’點，即原來P₂ 點或第二側邊420的位置，亦即電流流通距離由D₁ 調整回到D₂ ，此時P₁ ’點的電流應為理想的電流A₂ 。換句話說，每次啟動線電極320進行放電加工前，放電間隙皆維持在D’。藉由上述調整過程，可以達到穩定放電的功效。

請參照圖5，從另一個觀點來看，本發明也提供了一種線切割加工弱電導體之伺服控制方法。首先需提供圖2A及圖2B所示之線切割加工弱電導體之伺服控制機構300(步驟S500)。接著，以夾具314夾持弱電導體片400(步驟S510)，並以壓板318壓住弱電導體片400，藉由弱電導體片400上被壓板318壓住的位置可以界定電流流通距離D₀ (步驟S520)；透過回饋系統350來控制伺服馬達330驅使分厘卡312轉動，進而帶動夾具314及其夾持的弱電導體片400平移，藉此調整電流流通距離D₀ 以及放電間隙D(步驟S530)。接著，在壓板318與線電極320之間施加一放電電壓(步驟S540)。最後，根據放電間隙D或第二側邊420處的電流大小，線切割加工弱電導體之伺服控制機構300可決定是否要啟動線電極320來執行加工動作。

特別地，在啟動線電極320前，移動弱電導體片400，使放電間隙D調整至與前次啟動線電極320時的放電間隙D’相等(步驟S550)。藉由調整電流流通距離D₀ 與放電間隙D來維持弱電導體片400之第二側邊420處的電流穩定。在此基礎上，量測第二側邊420處之電流、放電電壓、電流之脈衝週期及線電極之導線張力，以建立一資料庫(步驟S560)。並且，啟動線電極320對弱電導體片400進行切割以形成一製品(步驟S570)。最後，量測製品的材料移除率、表面粗糙度、次表層損傷及最小切割半徑等觀測指標(步驟S580)。

請參照圖6A及圖6B，為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構300的放電波形及特徵示意圖。本發明的線切割加工弱電導體之伺服控制機構300可與一線放電加工機(未顯示於圖中)連接，此線放電加工機包括一功率產生器，其供電與放電機制可以被細微地控制，以使製品的品質達到工業規格。在本實施例中，圖6B為圖6A中括號部位的放大圖，括號部位的時間總長為100部s。電流脈衝610的峰值為2A；電壓脈衝620的峰值為50V。如圖6B所示，本實施例將電流脈衝610之脈衝週期Z控制在20在期，並且在100在衝的時間內，產生三個脈衝。換言之，若要在100內，的時間內，產生三個脈衝，則脈衝週期Z控制在20在期至40在期應為適當的範圍。

請參照圖7，為一鑽石片的切割路徑規劃及配置圖。依此切割路徑規劃可以切割出No.1~8等八片製品。在本實施例中，每片製品No.1, 2…8的邊長l 大約是0.5公分。

本發明之機構使用壓板夾持鑽石片，利用程式驅動伺服馬達來控制線電極與工作物之放電距離，進而達到穩定放電之功效，而此機構主要功能為:

1. 藉由控制放電間隙以維持每次放電加工時之電流，誘發線電極與工作物間產生連續穩定之火花放電。

2. 此機構以伺服控制機構對鑽石加工之放電電壓、伺服電壓、電流、脈衝週期、線電極負載與導線張力等操作參數進行精密調整，藉此評估參數對於加工多晶鑽石的材料移除率、表面粗糙度與表面粗糙度之影響。

3. 對功率產生器的供電與放電機制進行細微控制，以達到製品之品質達到工業規格。

4. 此機構設計改良了線切割放電對多晶鑽石之不良火花放電，對於熱電不良導體有實質的切削能力。

綜上所述，本發明能夠有效提升使用線切割技術對鑽石元件製作與修復，提升鑽石元件的製作能力，能夠預期多數鑽石元件附加價值提高。進一步來說，本發明可以進行工業應用與實施量產的放電 (WEDM)/微放電 (Micro-WEDM)伺服控制加工機構。達成所控制的放電電流、開路電壓與伺服電壓、脈衝週期與脈衝頻率、走線速度及介電液流率。評估放電過程中對多晶鑽石的粗切削(roughing)與精切削(finishing)在移除能力(Material removal rate)、尺寸精度(dimension accuracy)及表面粗糙度(surface roughness)之影響。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100‧‧‧多晶鑽石

200‧‧‧線電極

300‧‧‧本發明的線切割加工弱電導體之伺服控制機構

310‧‧‧治具

311‧‧‧底座

312‧‧‧分厘卡(micrometer)

313‧‧‧移動平台

314‧‧‧夾具

316‧‧‧支撐板

318‧‧‧壓板

319‧‧‧彈簧

320‧‧‧線電極

330、360‧‧‧伺服馬達

340‧‧‧電源

350‧‧‧回饋系統

400‧‧‧弱電導體片

410‧‧‧第一側邊

420‧‧‧第二側邊

421‧‧‧缺口邊緣

610‧‧‧電流脈衝

620‧‧‧電壓脈衝

L₁‧‧‧弱電導體片上規劃的切割路徑為

P₂‧‧‧弱電導體片的第二側邊上的點

A₁‧‧‧P₁點量測到的電流為

A₂‧‧‧P₂點及P₁’點量測到的電流

D’‧‧‧P₂點與線電極的距離(放電間隙)為

D₁‧‧‧P₁點與壓板之間的距離(電流流通距離)

D₂‧‧‧P₂點與壓板之間的距離(電流流通距離)

P₁‧‧‧缺口邊緣上的一點

D‧‧‧放電間隙

D₀‧‧‧電流流通距離

Z‧‧‧電流之脈衝週期

No.1~8‧‧‧製品

MR‧‧‧最小切割半徑

Sd‧‧‧次表層損傷的部位

V_RM‧‧‧線電極在單位時間內所移除的材料體積

圖1A至圖1D為材料移除率、表面粗糙度、最小切割半徑與次表層損傷等四種觀測指標的示意圖。

圖2A及圖2B為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構示意圖。

圖3為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構之壓板結構示意圖。

圖4A為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構的作動示意圖。

圖4B為本發明之一實施例的弱電導體片的電流流通距離與電流的關係圖。

圖5為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制方法流程示意圖。

圖6A及圖6B為本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構的放電波形及特徵示意圖。

圖7為利用本發明之一實施例的線切割加工弱電導體之伺服控制機構來切割一鑽石片的切割路徑規劃及配置示意圖。

無

無

Claims (9)

1. 一種線切割加工弱電導體之伺服控制機構，適用於加工一弱電導體片，其中該弱電導體片具有一第一側邊及相對於該第一側邊的一第二側邊，該機構包括： 一治具，包括一分厘卡(micrometer)、一夾具、一支撐板及一壓板，其中該分厘卡之一端連接該夾具，該支撐板設於該夾具之一側，並且該壓板設置於該支撐板上方，其中該夾具用夾持該弱電導體片的該第一側邊，該壓板用以將該弱電導體片壓在該支撐板上方； 一線電極，設置於該治具的一側，並鄰近於該壓板； 一伺服馬達，連接該治具之該分厘卡之另一端，並適於驅使該分厘卡轉動而帶動該夾具及其夾持的該弱電導體片平移，藉此調整從壓板到該弱電導體片的該第二側之間的一電流流通距離，同時調整該弱電導體片與該線電極之間的一放電間隙；以及 一電源，具有兩極，該兩極各自連接於該壓板與該線電極。
2. 如申請專利範圍第1項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制機構，其中該弱電導體片的材料係選自鑽石、石墨及硼所構成的群組。
3. 如申請專利範圍第1項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制機構，其中該壓板的兩端各自設有一彈簧，該彈簧連接於該壓板與該支撐板之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制機構，更包括一回饋系統，電性連接於該伺服馬達。
5. 一種線切割加工弱電導體之伺服控制方法，用以加工一弱電導體片，其中該弱電導體片具有一第一側邊及相對於該第一側邊的一第二側邊，該方法包括： 提供一治具及一線電極，該治具包括一分厘卡、一夾具、一壓板及一支撐板； 以該夾具夾持該弱電導體片之該第一側邊，並且將該弱電導體片穿過該壓板與該支撐板之間而接觸於該壓板，使該第二側邊與該第一側邊分別位於該壓板之兩相對側； 以一伺服馬達驅使該分厘卡轉動而帶動該夾具及其夾持的該弱電導體片平移，藉此調整從該壓板到該弱電導體片的該第二側邊之間的一電流流通距離，以及該弱電導體片與該線電極之間的一放電間隙； 在該壓板與該線電極之間施加一放電電壓；以及 藉由調整該電流流通距離來維持該第二側邊處的電流穩定。
6. 如申請專利範圍第5項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制方法，更包括： 提供一回饋系統；以及 利用該回饋系統控制該伺服馬達之轉動。
7. 如申請專利範圍第6項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制方法，其中維持該第二側邊處的電流穩定之步驟包括： 在啟動該線電極前，移動該弱電導體片，將該放電間隙調整至與前次啟動該線電極前的該放電間隙相等；以及 量測該第二側邊處之電流、該放電電壓、該電流之脈衝週期及該線電極之導線張力，以建立一資料庫。
8. 如申請專利範圍第7項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制方法，更包括： 啟動該線電極對該弱電導體片進行切割以形成一製品；以及 量測該製品的複數觀測指標，其包括一材料移除率、一表面粗糙度、一次表層損傷及一最小切割半徑。
9. 如申請專利範圍第8項所述的線切割加工弱電導體之伺服控制方法，更包括：控制該電流之該脈衝週期為20μs至40μs。