TWI432277B - 放電加工裝置 - Google Patents

Description

放電加工裝置

本發明係指一種放電加工裝置，尤指一種用於氣中放電之放電加工裝置。

放電加工(Electrical Discharge Machine，EDM)是目前發展最成熟的模具加工方法之一，也是最常被用於模具加工的方法之一，在實施EDM的過程中，放電加工液是不可或缺的加工媒介，加工液的主要功用在於提供電極與工件間的絕緣性，並在放電完成後帶走加工過程所產生的加工屑並降低工件溫度，但經過EDM的處理之後，工件在放電火花的衝擊下會造成表面形成放電坑(crater)與微裂痕(micro-crack)，或由於工件在放電融熔後急速冷卻而在表面形成再鑄層(recast layer)或稱為白層(white layer)，這些因素都會使表面狀況受到影響，表面粗糙度也會隨之變差，通常模具在EDM後必須再進行研磨(grinding)或拋光(polishing)等的後續製程以進一步處理放電坑與微裂痕。

而實施EDM的基本裝置則如同第一圖中所揭示者，首先控制電路105與電源104接通而對電極15輸出正壓+而對工件14輸出負壓-(亦可對電極15輸出負壓-而對工件14輸出正壓+)，以在電極15及工件14間產生電壓差而在電極15及工件14間形成電場，藉由變動電壓差可相應地變動電場，對於電壓差或電場的控制，可經由電腦101、示波器102及電流槍103而完成，工件14為任何需要進行表面處理的物件，諸如手機外殼、數位相機外殼、PDA外殼或MP3外殼等等，基本上工件14及電極15均浸沒在加工液13當中而受到加工液13的包覆，工件14的材質需為電導體材質，而工件14及電極15間保持一間隙，其大小約在5μm~50μm間。當實施EDM時，只需啟動馬達12以驅動電極15進行旋轉，在電極15旋轉的期間中，適當調變電極15及工件14間的電壓差，則直立簡式加工機構10成為實施EDM製程的EDM加工機。

基於以上所述的EDM技術，逐步地，習知技術進一步發展出了利用氣體取代放電加工液，發展出氣中放電加工的技術，但目前國外研究單位進行氣中放電乃將高壓介電氣體導入一密閉空間，利用此一正壓迫使介電氣體經由中空電極流出此密閉空間而達成，氣中放電加工主軸電極與工件均被包在此密閉空間中，但實施這種架構的成本過高，且無法監控實際放電過程。

職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「放電加工裝置」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。

本發明提出直接利用真空幫浦連結至中空管狀的旋轉主軸，作為旋轉電極，並且利用真空幫浦產生正壓或負壓產生噴出或吸入效果將介電氣體導入至放電間隙中，藉此達成噴出式與吸入式雙用之氣中放電加工。

同時本發明也利用氣體取代傳統放電加工油或去離子水，開發具高材料移除率與低電極消耗特性的氣中放電加工機，可降低加工過程中產生的有害物質，無加工廢液污染與處理的問題，達到節能減碳的效益。藉由正負壓真空幫浦設計成可提供吸氣與噴氣兩種供應方式，加工平台則採用圓形槽體，使氣體流動順暢均勻，並使用人造花崗岩新材料作為機架結構，提高吸振與抗熱變形能力，並採PC-based控制操作簡單，具有三軸伺服控制功能，可用簡單形狀之電極經由三維路徑來製作出形狀複雜之模穴，節省製作電極的成本。

因此根據本發明的第一構想，提出一種放電加工裝置，用以利用一放電加工介質加工一工件，其包括一第一電極，其與該工件電連接；一第二電極，其含有一中空部份，使該放電加工介質經該中空部份噴出以對該工件加工；以及一動力裝置，用以驅動該第二電極進行旋轉。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一動力裝置，用以驅動該第二電極進行旋轉。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一放電迴路，其係與該第一電極與該第二電極電連接，用以向該第一電極與該第二電極提供電力並調變存在於該第一電極與該第二電極之間的放電模式。

較佳地，該放電迴路具有耐壓金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)以及可程式系統晶片(FPGA)。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一電子計算機，其用以控制該放電迴路。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一載台槽，該第一電極係置於該載台槽之中。

較佳地，所述之放電加工裝置，其中該載台槽具有圓形槽體。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一龍門機架；以及一介電軸承，該第二電極經由該介電軸承而可旋轉地固定在該龍門機架上。

較佳地，所述之放電加工裝置，還包括一幫浦，其與該第二電極連接，該幫浦可產生負氣壓或正氣壓，以將該放電加工介質噴出。

較佳地，該工件與該第二電極之間具有一放電間隙。

較佳地，該放電加工介質為一氣體與一氣液二相流體其中之一。

因此根據本發明的第二構想，提出一種放電加工裝置，其包括一放電加工介質；一第一電極，其與該工件電連接；以及一旋轉電極，其含有一中空部份，使該放電加工介質經該中空部份而吸入以對該工件加工。

小結而言，本發明提出了一種氣中放電加工的技術，可用於高運動精度與響應穩定性的機架，也可獲得桌上型工具機的設計經驗，發展省空間、環保節能的加工機等。此外氣中放電加工機完成後，將改寫放電加工機的操作環境與需求，達成操作簡單又無加工廢液污染與處理的優點。

此外由於放電加工無切削作用力，可加工微小細長或強硬的材料，除了應用在精微模具加工外，經由三維路徑製程也可以用來製作各式工具等加值應用，達成在工具製作與工件加工於一台機器上完成(in suit)。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

請參閱第二圖，其揭示了本發明之立式EDM加工機。第二圖中的EDM加工機20包括有第一電極21、第二電極22、動力裝置23、放電加工槽24以及工件25，其中工件25為任何需要進行表面處理的物件，較佳可為手機外殼、數位相機外殼、PDA外殼或MP3外殼等等；第一電極21較佳可為一個可導電之固定座或者是一個可導電之夾具，其使得工件25可以經由第一電極21而固定在機架的放電加工槽24之內，同時還能夠與電一電極21之間產生並維持電連接，第一電極21與第二電極22接受電源所提供的電流，而在第二電極22與工件25之間形成電場。第一電極21與第二電極22之間具有放電間隙26。

請繼續參閱第三圖(a)與(b)，其揭示本發明之流體動力循環式EDM加工機的旋轉電極的細部結構示意圖。第三圖中揭示的第二電極22同時也是一個轉軸，因此也可視為是一個旋轉電極，其較佳為一個中空管件，具有一個中空部份30以及管壁31，定義其兩端分別為氣體交換端A以及工件端W，氣體交換端A與幫浦相連接，中空部份30是用來在第二電極22內部形成一個通道，使得放電加工介質32可以經由這個通道噴出或者吸入，其中放電加工介質32較佳可為純氣體或者氣液二相流體，放電加工介質32中還可進一步攜帶磨粒；當幫浦提供正氣壓到氣體交換端A時，可將放電加工介質32經由第二電極22之中空部份30，噴射到工件25上，而加工工件25，如第三圖(a)所揭示，第二電極22與工件25之間會保留一個放電間隙26；當幫浦提供負氣壓到氣體交換端A時，可將放電加工介質32經由第二電極22之中空部份30，吸入到幫浦，當放電加工介質32被吸入第二電極22內的過程，即可達到加工工件25的效果，如第三圖(b)所揭示，第二電極22與工件25之間會保留一個放電間隙26。

當放電加工介質32流動時，還可配合第一電極21與第二電極22之間的電場變化，而產生放電加工的效果，此時隨放電加工介質32的供應方式不同，所造成的放電加工結果也不盡相同，當放電加工介質32是由中空管狀的第二電極22中噴出來時，電弧(arc)放電的位置因流體力學影響而往外分散，造成加工點比較偏外側，但當放電加工介質32是從第二電極22周圍吸入到第二電極22之中時，放電位置區域則集中於第二電極22底部，可減少加工擴切量與錐形，因此其加工精度較優於噴流式。

經由實驗發現以從第二電極22噴出或者吸入放電加工介質32的方式，有助於氣中放電加工之進行，噴流式氣中放電加工，放電火花會形成強烈輝光且噴濺在工件表面上，但其加工速率較高，但電極消耗比較 容易受電流變化影響，如附件(a)的揭示；吸入式氣中放電加工則其放電火花在電極圓周均勻形成，但容易形成電弧使加工作用無法持續有效，如附件(b)的揭示。

當放電加工介質32為氣體時，由於氣體的介電強度極低很容易形成電弧，因此也可考慮提供液氣二相流的霧氣作為放電加工介質32。使用霧氣時，可利用高壓液體經由微霧噴嘴加壓噴出產生極小粒徑之液氣二相流作為放電加工介質32，再配合真空幫浦經中空之第二電極22將放電間隙26中之氣體吸出，以達到介電流體循環效果。

放電加工介質32的流動可幫助排屑，迅速將工件25產生的切屑帶離，避免沾黏於工件25之加工面上。為了使放電加工介質32能確實導入放電間隙26中，作為旋轉軸的第二電極22是經過精密研磨而製成，並以精密筒夾銜接，其旋轉偏擺量目前在伸出長度30mm以內可控制在3um。因為一般的放電加工槽24習慣上為矩形，但在本發明之中，考慮氣體流動順暢及氣霧濃度的均勻性，而將放電加工槽24設計為圓形，如第四圖所揭示。

而作為放電主軸的第二電極22除了設計為中空管狀，以允許放電加工介質32的流通外，還必須帶動電極旋轉達成均勻放電的高精度加工效果，透過馬達與時規皮帶的傳動設計並配合旋轉接頭的使用來達成目的。另外由於放電加工是使用高壓電源作為加工能量，因此為了避免造成感電傷害，本發明進一步將陶瓷軸承與塑鋼絕緣材料搭配使用，將該第二電極22經由所述的介電軸承而可旋轉地固定在機架上，至於在機架結構部份，較佳可採用穩定性高的龍門型人造花崗岩平台，其具有動態與靜態剛性佳、不易變形、吸震性佳與熱安定性高等優點。

再者由於放電加工是使用高壓電源作為加工能量，本發明在放電迴路中採用耐高壓Power MosFET做為控制開關，利用Power MosFET之 特性藉以控制放電電流之脈衝維持時間，藉由電流震盪控制訊號與輔助高壓控制訊號，經由一高速光耦合器隔離訊號端與驅動端，分別去控制放電與高壓引弧之致能作動，並搭配外部訊號控制去驅動Power MosFET電流的控制，以承受高壓電源。

製程控制系統將以間隙電壓的偵測，並利用Ton(pulse duration)與Toff(interval time)的判定來評估放電狀態。間隙控制Gap control則利用偵測間隙電壓電路將所測得電壓訊號送入FPGA系統控制晶片，經由FPGA決策後送出控制訊號，訊息輸出端再經由高速光耦合器隔離訊號。放電電流與電壓控制模組設計則分別以高低雙電壓的雙迴路設計利用耐高壓MOSFET電晶體切換控制。

本發明也進一步利用電晶體設計放電迴路，以高低雙電壓差作引弧比較，利用MOSFET電晶體開關切換控制電流與電壓由光偶合元件隔離來有效減少電弧放電現象的發生機會。

職故，本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

10‧‧‧直立簡式加工機

101‧‧‧電腦

102‧‧‧示波器

103‧‧‧電流槍

104‧‧‧電源

105‧‧‧控制電路

12‧‧‧馬達

13‧‧‧加工液

14‧‧‧工件

15‧‧‧電極

20‧‧‧EDM加工機

21‧‧‧第一電極

22‧‧‧第二電極

23‧‧‧動力裝置

24‧‧‧放電加工槽

25‧‧‧工件

26‧‧‧放電間隙

30‧‧‧中空部份

31‧‧‧管壁

32‧‧‧放電加工介質

A‧‧‧氣體交換端

W‧‧‧工件端

第一圖 係為習知技術中的EDM技術之示意圖；第二圖 係為本發明之EDM加工機之示意圖；第三圖(a) 係為本發明之旋轉電極的結構示意圖；第三圖(b) 係為本發明之旋轉電極的結構示意圖；以及第四圖 係為本發明之圓形加工槽之示意圖。

22．．．第二電極

25．．．工件

26．．．放電間隙

30．．．中空部份

31．．．管壁

32．．．放電加工介質

A．．．氣體交換端

W．．．工件端

Claims (10)

1. 一種放電加工裝置，用以執行一氣中放電加工製程，並利用一氣體放電加工介質加工一工件，其包括：一第一電極，其與該工件電連接；一第二電極，其具有一中空管件，該中空管件具有一工件端，該工件端之設置位置係對應於該工件，該氣體放電加工介質受控地經由該工件端吸入該中空管件或者噴出該中空管件，以對該工件進行加工；以及一動力裝置，其用以驅動該第二電極進行旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之放電加工裝置，還包括：一放電迴路，其係與該第一電極與該第二電極電連接，用以向該第一電極與該第二電極提供電力，並調變存在於該第一電極與該第二電極之間的一放電模式，使該放電模式在一相對高電壓模式與一相對低電壓模式之間進行切換，以利用高低電壓差作引弧放電，而在該等電極之間產生引弧放電。
3. 如申請專利範圍第2項所述之放電加工裝置，其中該放電迴路具有一耐壓金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)以及一可程式系統晶片(FPGA)，該放電模式之切換是經由該放電迴路而達成。
4. 如申請專利範圍第2項所述之放電加工裝置，還包括：一電子計算機，其用以控制該放電迴路；以及一載台槽，該第一電極係置於該載台槽之中。
5. 如申請專利範圍第4項所述之放電加工裝置，其中該載台槽具有圓形槽體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之放電加工裝置，還包括：一龍門機架；以及一介電軸承，該第二電極經由該介電軸承而可旋轉地固定在該龍門機架 上。
7. 如申請專利範圍第1項所述之放電加工裝置，還包括：一幫浦，其與該第二電極連接，該幫浦可產生負氣壓或正氣壓，以將該氣體放電加工介質噴出。
8. 如申請專利範圍第1項所述之放電加工裝置，其中該工件與該第二電極之間具有一放電間隙。
9. 如申請專利範圍第1項所述之放電加工裝置，其中該氣體放電加工介質包含一氣體、一氧氣、一氮氣、一惰性氣體、一霧氣、一磨粒與一氣液二相流體其中之一。
10. 一種放電加工裝置，用以執行一氣中放電加工製程，並利用攜帶有磨粒的一氣體放電加工介質加工一工件，其包括：一第一電極，其與該工件電連接；以及一旋轉電極，其具有一中空管件部份，該中空管件部份具有一工件端，該工件端之設置位置係對應於該工件，該氣體放電加工介質受控地經由該工件端噴出該中空管件部份或者吸入該中空管件部份，以對該工件加工。