精密制造学.docx

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精密制造学

精密製造學

第一章       概論（Introduction）

 1-1何謂精密製造（PrecisionManufacturing）

（1）   加工精度（Workingaccuracy）

可區分為相對精度（RelativeAccuracy）與絕對精度（AbsoluteAccuracy）

（2）   絕對機度係指公差值（Tolerance）

如200±0.1mm中之公差值±0.1mm即為絕對精度

相對精度則為容許公差值與工件尺寸之比值

如0.1/200=0.0005

（3）   通常加工精度包含

（a）   尺寸精度（DimensionAccuracy），如直徑、長度、厚度等。

（b）   形狀精度（ShapeAccuracy）如真直度（Roundness），圓筒度（Cylindricity）等。

（c）   表面精度（SurfaceAccuracy），如表面粗度（SurfaceFinish）等

（4）   一般，所謂的加工精度是指尺寸與表面粗度（SurfaceFinish）

通常零件精度的要求比本身尺寸的萬分之一（即相對精度）還高時，便可算是精密製造。

然而在微機電系統（MEMS）中之微細加工（MicroMachining），則以絕對精度來作為精密製造之判定標準。

一般cnc工具機的尺寸精度等級是10μm，磁碟機是1μm，光碟機是0.1μm，半導體製造設備是0.01μm，而表面精度則為尺寸精度之十分之一，若能達成8述標準，那麼就可稱為精密製造。

然而究竟到何種程度的加工程度，才能稱得上精密加工（PrecisionMachining），至是超精密加工（UltraMachining），奈米（毫微米）加工（Nanomachining）呢?

事實上是依各時代之技術水準而異，如圖

（一）及圖

（二）所示。

圖

（一）所示，當工件尺寸在10公分以下時，以相對公差（Relativetolerance）即公差與工件尺寸之比值來表示是否可稱為精密加工。

而當工件尺寸在10微米以下時（如微細加工Micromachining）則以絕對公差（Absolutetolerance）即公差本身之數值來表示是否可稱為精密加工或超精密加工。

如圖

（二）所示，依據田口曲線（TaniguchiCurve）可知，加工精度隨著年代變化很多。

如超精密鑽石輪磨加工在2000年時可達1奈米之精度，依據摩自定律（Moore’sLaw）可知，晶片（Chip）上之電晶體密度（Transistordensity）隨年代之變化。

圖

（一）Applicationfieldforprecision-machiningintermsofabsolutesizesandabsoluteandrelativetolerances.

圖

（二）Definitionfornormal,precision,andultraprecisionmachining.Leftsideordinate:

increaseofmanufacturingaccuracyovertimeingtoTaniguchi.Rightsideordinate:

increaseintransistordensityovertimeaccordingtoMoore’slaw

1-2精密製造之領域

精密製造包括

（一）   傳統的精密加工（TraditionalPrecisionMachining）

如精密鑄造（PrecisionCasting）

精密鍛造（PrecisionForging）

精密射出成型（PrecisionInjection）

精密磨削（PrecisionGrindiry）

精密銑削（PrecisionMilling）

精密車削（PrecisionTurning）

（二）   非傳統精密加工（NonTraditionalPrecisionMachining）

如電子束加工（ElectronBeamMachining，簡稱EBM）

雷射束加工（LaserBeamMachining，簡稱LBM）

放電加工（ElectroDischargeMachining，簡稱EDM）

超音波加工（UltrasonicMachining，簡稱USM）

化學加工（ChemicalMachining，簡稱CHM）

電化學加工（ElectrochemicalMachining，簡稱ECM）

（三）   微細加工（Macromachining）

如微影鑄模成型（LithographyElectroformingMicroMolding，簡稱LIGA）

化學蒸鍍（ChemicalVaporDeposition，簡稱CVD）

物理蒸鍍（PhysicalVaporDeposition，簡稱PVD）

蝕刻（Etching）

化學機械拋光（ChemicalMechanicalPolishing，簡稱CMP）

電解拋光（ElectrolyticPolishing）

1-3精度誤差之原因

在加工過程中，造成半成品或成品工件誤差之原因，相當繁多，與工作母機之性能、精度、加工參數、刀具、夾治具、工件材質、工作環境等息息相關。

如圖（三）所示。

圖（三）加工過程誤差的產生

1-4超精密加工的相關因素

微加工精度欲達到精密加工甚至超精密加工等級之相關因素，詳如圖（四）所示。

圖（四）超精密加工的樹狀關係

1-5高速切削

高速切削雖然包括高速車削、鉸削、磨削、讚削、搪削、銑削等多種，但是本文以高速銑削為主。

自1990年代以來，工作母機主軸的高速化或進給機構的高速化，進步得非常快速。

為了因應這種狀況，改良刀具材質，特別是對於端銑刀被覆技術的進步，TiAIN系例的複合被覆已相當普遍。

以模具加工中心，利用端銑刀進行高速切削的試驗，已相當廣泛。

高速化的工作母機主軸或進給機構，以高迴轉切削，稱為高速切削、高進給速度的切削，並統稱為高速加工，稱為高速機械的切削中心機，其主軸轉數多在20000rpm以上。

依主軸直徑而異，所要求的DN值，大部份要在150萬以上，這樣才能稱為高速機械。

德國Schulz公司針對端銑刀加工的情況，定出了高速切削的下限。

●         FRP:

1500m/min

●         鋁:

1200m/min

●         鑄鐵:

900m/min

●         鋼:

500m/min

高度生產技術能力是維持高度工業生產力的主要泉源。

其中高速切削加工技術乃是受到業界重視的有效手段。

圖（五）是高速切削（高速銑削）的基本概念圖示。

自古以來通稱的一般性切削分為具有高效率目的之粗切削和具高精度目的之精加工等二種形式，但高速銑削則同時兼具高精度和高效率之嶄新切削方式，早在十年以前高速銑削即被視為新的高速切削技術。

當導入和確立高速銑削加工技術時，必須將高速型加工中心機、銑削刀具、夾具及CAM系統視為一個系統，並且能夠有效運用，是組統或生產體制中不可或缺的要件。

圖（五）高速銑削基本概念

高速切削能夠獲得如圖（六）所示的預期效果

圖（六）高速銑削作業能夠獲得的預期效果

提高切削速度是不僅可以降低切屑厚度而加速切屑的排出。

如圖（七）所示提高切削速度也是可以提高切層面粗糙精度的，像以高精度切削為目的之銑削作業裡，在提高切削速度的條件下對切削加工是有利的，例如在鋁合金模裡太多的研磨加工會讓擔心形狀精度會下降，因此切削加工應該是高精度化的最理想方法，因為高速銑削作業不論是乾式銑削、油霧冷卻銑削，均不會因銑削生熱使工件變形、降低刀具壽命，以及因切屑引發的故障均不會發生，以上均是高速銑削的優點。

圖（七）圖形端銑刀切削中切削速度和精加工表面粗糙度間相關示例

高速切削的技術思想，以公元1930年代，薩爾蒙（C.Salomon）最先實行的預測超高速切削最有名。

圖（八），所描繪出來的之切削加工技術，在當時對未來技術展望，表示了用於高速切削的專利申請，及其超高速切削與切削溫度的關係，這是一張很有名的圖。

圖（八）在銑削加工中，速度對切削溫度的影響（取自薩爾蒙）

薩爾蒙的技術思想，在超高速切削領域中，切削速度增加得愈快，其切削溫度愈降低，可以實現改善材料的切削性、降低切削阻力與提高加工精度，使刀具不容易產生摩耗。

針對切削阻力與加工精度，薩爾蒙的預測和他以後的研究結果，在方向上大約一致。

Reference:

1.從現場趨勢看高速切削的現況與問題機械技術雜誌（2000,10）唐文聰

2.高速切削和降低總生產成本的良策機械技術雜誌（2000,10）機械人

3.21世紀的切削加工技術機械技術雜誌（2000,01）唐文聰

4.精密機械領域有待急起直追經濟日報88年12月29日

5.高速切削和降低總生產成本的良筆機械技術雜誌（2000,10）機械人

6.從現場趨勢看高速切削的現況與問題機械技術雜誌（2000,10）唐文聰

7.由刀具觀點對高效能快速加工的成見機械技術雜誌（2000,10）白晨

8.FundamentaloofMicroFABRICATIONMadou高立圖書公司

第二章       微細孔加工　（MicroHoleMachining）

2-1       前言

為因應拉絲模具、捲線機用噴嘴、化纖紡絲噴嘴、燃油噴嘴、噴水噴嘴、印刷基板、半導體積體電路用治具及各種光學零件等微細孔穴加工之要，求鑽孔作業漸漸有朝向細徑化、深孔化、高品質化、高效率化及不易切削化發展。

而目前可應用之微細孔加工方法中計有超音波加工、鑽孔加工、研磨加工、激光加工、放電加工及電子束加工等六種方法，考量被切削材料性質（硬度、強度、導電性）、孔穴尺寸（直徑、深度）、部面形狀（圖形、奇異形狀）、加工效率及成本，並且配合加工目的從其中選擇合適的加工方法。

本文內容則是以直徑1mm以下，特別是0.3mm以下微細孔加工之技術。

2-2       超音波加工　（UltraSonicMachining，簡稱USM）

東京大學生產技術研究所也曾經利用超音波加工在玻璃、矽膠及陶瓷等硬脆材料上，成功鑽取了直徑5μm的微細孔穴（請參閱照片1）。

首先是利用線放電研磨法（WEDG）在加工機具上形成微細的圓柱狀工具，接著讓該工具旋轉時，加工物件端會產生振幅1μm的超音波振動，最後再以次微米鑽石磨粒控制加工作用力。

因而藉由本加工方法可從事縱寬比2之鑽孔加工。

線放電研磨法（WEDG）是能夠製作微細工具的製作方法，它的精緻是能讓在加工機具上製作之工具自動的調整中心點，故發生偏心的機會極小。

本方法不僅能夠從事圓孔穴加工，亦可從事異形孔或三維形狀加工，應用範圍極為廣泛。

目前日本九州大學正在從事附有超音波振動小徑鑽孔加工之切削機構，超音波振動對加工精度的影響效果，在傾斜面上孔穴加工的適用性，各種展延性材料上的適用性及直徑50μm等極小徑鑽頭適用效果進行研究，以下是較為明確的研究成果。

1.由於有超音波振動的關係，除了因摩擦降低使切屑變薄並增加切排出速度外，更會因為鑽頭中心側及稜角側之切屑排出速度差減少，故橫向捲繞切屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因而不需要分級進刀即可從事深孔加工。

2.因有超音波振動，故對抑制孔穴入口處鑽頭振顫振動有相當程度的效果。

因此也不易產應變圓（Strainround）藉著鑿尖鎚繫作用限制鑽頭，鑽頭笸加工物件間歇性接觸，降低鑽頭彈性變形恢復力及摩擦力，相對的也能減少徑向作用力的變動。

3.因增加了超音波振動，在傾斜孔加工裡孔穴的應變也變小了。

4.藉由超音波振動，使用直徑60μm極小徑鑽頭從事不銹鋼鑽孔加工變得更容易。

圖

（一）利用線放電研磨法（）製作之微米刀具及在石英玻璃上加工成內徑5μm之微細孔的情形

2-3       超音波振動研磨加工（UltraSonicVibrationGrinding）

自1993年左右日本九州工業技術研究所已開始在電解沈積鑽石磨輪增加超音波振動，而從事硬脆材料之鑽孔研究，以替代傳統使用遊離磨粒之超音波加工。

換言之，即是藉由所謂超音波振動研磨推展微細孔工之研究。

它是讓頻率40KHz超音波作用在直徑粒度0.27~1.0mm，粒度100~1000的電解沈積鑽石磨輪上面，然後一邊以回轉數3000rpm進給量0.14~4.2mm/min，及外側供油條件下，在厚度3mm鋁（CIP材料，HIP材料）及氧化鋯板材上面從事鑽孔加工試驗。

從試驗結果顯示有超音波振動時，鋁之CIP材，和HIP材料二者軸方向平均研磨阻抗均明顯減少了（脆性破降低了），縱然增加鑽孔的深度，研磨阻抗仍然維持很低的阻抗值。

附加超音波振動之加工方法，由於能夠降低平均加工阻抗，抑制微小徑刀具變形，故能夠適合微細孔之加工。

目前孔穴加工用電解沈積鑽石磨輪的最小直徑是0.135mm，為了有利於今後硬脆材料微細孔穴加工，必須先行確立包括粒度，集中度及接合劑等耐磨耗性高，且更小徑磨輪的製作技術。

2-4       放電加工　（ElectroDischargeMachining，簡稱EDM）

現在，微細加工技已經廣用於燃料噴嘴、辦公室噴墨印表機噴嘴、光通訊光纖連接器等的孔加工以及微細工具製作等的三次元形狀加工方面。

今後，隨著微細化的進展，加工技術應當也會持續跟著一起進步。

以放電加工法來看，他在各種加工法中是一種屬於稍具不同性質的加工法。

在以熱熔解、除去為基本方式這方面看來，和雷射加工、電子束加工具有同樣的性質，不過，其一次一次注入的能量相當小。

利用相互獨立的脈衝放電一點一點將材料微量地除去，因此具有和研磨加工等相似的意味，十分適合精密加工。

放電加工今工件與工具電極在絕緣液中相向，當電極在此引火時，工件與工具電極間就會產生放電。

利用這種脈衝放電，可以將工作放電點附近，相當微小的部份熔解或者蒸發，接著再藉由加工液等的壓力作用就可將熔解或蒸發部份附去。

如此反覆地放電，就可以將工具電極的形狀轉映成加工形狀。

利用放電加工能將工具電極的形狀轉映到工件上，因此如果工具電小（細），所加工出來的形狀就小，自然能夠做微細的加工。

工具電極要小之外，每次脈衝放電能量也要小。

放電痕的尺寸如果小，加工面的粗度也小，間隙如果小，則轉映出去的工具電極的形狀精度就高。

微細電極的製作

要能夠微細加工，加工面粗度以及轉映精度的等級等都必須較加工尺寸小很多。

因此，為了能利用放電加工來進行微細加工。

工具電極尺寸必須在所需的微細尺寸，同時，每次脈衝放電的能量都必須很小。

進行微細孔放電加工不僅加工電路很重要，另一項重要的因素就是工具電極的製作。

圖

（二）所示為工具電極的製作法。

圖中（A）為將市面上的線材拿來使用的方法，當線材變細時，工具電極的固定就變得愈加困難。

不適合所謂數10μm的微細孔加工。

（B）為利用車床或磨床等切削出直徑數10μm的加工，這種方式會因裝於工機時的位置偏離或者因回轉中心的偏離，而導致加工精度降低。

這種情形在（A）也會發生。

（C）為在放電加工機上研磨出工具電極的方法。

這種情形下，由於所裝的是素材，夾頭的精度可以不用很高。

因為在同一加工機上，由工具製作到孔加工都是連續進行之故。

不過，加工後尺寸的確認很難，必需將工件自備上卸下，然後利用顯微鏡等反覆地進行測定作業。

解決這種電極消耗問題的方法之一，就是開發以行走的線來取代傳統以金屬塊做為電極的新方法。

這就是線放電研磨（WEDG）。

如圖

（二）（B）所示為線放電研磨的原理。

和（A）對比就可知，用直徑50μm~200μm的細金屬線來取代以往做為電極的金屬塊。

金屬線在與紙面垂直的方向慢慢行走，被加工軸則一面回轉，一面往軸方向送入。

此方法和線切割一樣，由於金屬線連續地被送出，形成經常以新的電極面來加工，即使電極消耗實際上是存在，對精度的影響還是很小到可以忽略的程度。

圖

（二）微細電極製作法及利用放電來研磨電極的方法

如果一開始將金屬線設定在所定的位置，軸徑也會自動地加工至所希望的值。

也就是說，不必要像以往那樣經過反覆測定，以接近所希望的尺寸。

2-5       電子束加工　（ElectronBeamMachining，簡稱EBM）

利用電子束來加工，除了焊接之外，還有鑽孔及表面處理等，無論那一種都是屬於利用高電功來加速電子束的熱加工。

其中，鑽孔加工為將高能量密度的電子束照射在材料上，利用當時所產生的熱將材料熔融、蒸發，並加以排除的加工法。

這種加工法和其化加工法比，是一種相當優良的高速加工，同時具有高度的控制性及斜孔加工的特徵，可望代替現有的鑽孔加工，甚至能發展出更新的用途。

利用電子束鑽孔，由開始直至鑽透為止。

如圖（三）所示，其中有幾個過程存在。

同時，電子鑽孔法為了獲得漂亮的貫穿孔，在工件底下還敷有特定的輔助材料（墊襯）。

●         大約10KW/cm的，具有高密度集中能量的電子束照射在工件上，開始先將局部熔解。

●         塞滿蒸發物的空洞愈來愈深，並在其周圍產生熔融層。

●         電子束貫穿工件，一直到達補助材料處為止。

●         輔助材料於瞬間氣化，產生很高的蒸氣壓，將貫穿孔的蒸發物及熔融層向外部飛散出去以完成鑽孔。

為了能正確鑽出特定孔徑以及深度的孔，通常將加速電功設為一定，而調整電子束電流（脈衝電流）以及照射時間。

同時，加工速度依孔徑以及孔深來決定其上限，而孔徑、孔深愈增加，加工速度就愈降低。

電子束鑽子的特徵

電子束對材料的侵透力強，並富控制性，具有焦點深度深等特性，同時，利用加工操控軸移動的自動控制，可以獲得如下的優點﹕

●         鑽孔非常快（最4000孔／秒）。

●         孔的節距正確，可以獲得相當漂亮的孔。

●         可以鑽出斜角度的孔（對工件表面而言，最低可至20度）。

●         即使是複雜形狀的孔也能鑽。

●         幾乎所有的材料都能鑽孔。

電子束鑽孔之應用

●         大型微細過濾器

●         真空滾子

●         軟燥室

●         工業用微細濾網

　　此外，使用微細孔濾網的離心分離機、脫水機、自動過濾器、造粒機等都是電子束的用途。

以往，孔徑0.3mm以下，而且板厚0.5mm以上的濾網是不可能加工的。

現在，利用電子束鑽孔就可以做到，因此，電子束還可望開發更多新的用途。

圖（三）　電子束鑽孔過程

2-6       電射加工　（LaserMachining）

電射加工在國內工業界的應用上已經相當廣泛，但使用的範圍多限制在以熱加工方式的紅外線雷射上，本文探討紫外光雷射冷加工模式的技術，如微細鑽孔。

所謂的紫外光指的是波長約分佈在150~400奈米之間的光源，目前被使用在工業應用上的紫外光雷射主要有兩種，第一種是氣態的準分子雷射（ExcimerLaser）另一種是利用Nd:

YAG電射的光源經過非線性倍頻晶體轉換技術（nonlinearcrystalconversion）而將紅外光波長轉換成紫外。

準分子雷射是利用兩種在常態下不起反應的氣體，但在激發態會結合成不穩定分子後迅速解離而放出紫外光，取其『exciteddimer』的字面而成之為excimer雷射。

一般工業上常用的種類主要包括XeCl（308nm），KrF（248nm），ArF（193nm）三種波長的準分子雷射。

準分子雷射是一種脈衝式的雷射，每個脈衝所能攜帶的能量是目前所有紫外光雷射中最高的。

從準分子雷射是一種多模（Multi-mode）的雷射，一般輸出的電射光束截面積約在數十個平方毫米，因此非常適合利用光罩做投影式的加工（Imageprojectionsystem）方式。

Nd:

YAG本身的波長為1064奈米（nanometer），利用倍頻技術可將頻率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的轉換,由於波長和頻率成反比，因此分別可得到532、355、266及213奈米的雷射光波長，其中532為綠光，其餘的皆為紫外光，一般簡稱為UVYAG。

UVYAG和準分子雷射光的主要差別在於倍頻技術是相當低效率的能量轉換方式，因此每個脈衝的能量通常都在1mJ以下，所能攜帶的能量相當的低，但由於UVYAG每個脈衝的時間比excimer小一個order（約4~7ns），因此還是有足夠高的尖峰脈衝功率來工作，再加上UVYAG的脈衝頻率可達到1KHz以上,因此適合用在單點鑽孔（singleholedrilling）或直接刻寫（Directwriting）的工作模式上。

紫外光雷射在鑽孔上的應用隨著電子工業越來越要求微小化的趨勢,因其可達10μm直徑，1μm精度的鑽孔能力而越來越受重視。

以目前印刷電路板的鑽孔而言，已經有很大的比例由UVYAG的鑽孔機來取代，鑽孔速度快而精確。

另外許多微小的過濾板，醫療用導管上的鑽孔等，都必須利用紫光雷射才能達到其要求。

以準分子雷射而言，其最成功的鑽孔應用為噴墨頭上的噴墨板（inkjetnozzleplate）的噴孔鑽孔應用。

噴孔的要求要在Polyimide的TAB電路板上鑽出300個50μm或更小的微孔，利用準分子雷射的光罩投影式加工可以在12秒內完成一組噴孔片的加工，而且良率可高達98%以上。

圖（四）準分子電射在Kapton-E上所鑽出的噴墨孔

CO2雷射加工與印刷基板

圖（五）所示為加工機的概念圖以及裝置例。

由雷射振盪器來的雷射光束照射在光罩上，藉助控制鏡掃描，並利用具有F-Θ特性的轉映透鏡，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔徑所規定的BVH。

鑽孔之際，工作台為靜止狀態，藉由控制鏡與fΘ透鏡進行某一區域的鑽孔。

所採用的方式是鑽完該區域的孔後，再驅動工作台依序加工下一掃描區域的逐步與反覆（StepandRepeat）的方式，控制掃描的高速化﹕現在1000孔/秒的系統已經實用化。

而且，藉由全像光學系統之採用，可以用4552孔/秒的速度做定形圖樣的超高速加工。

圖（五）短脈衝CO2雷射鑽孔加工機概念圖

圖（六）BVH多層基板構造例

2-7       鑽孔加工　（Drilling）

隨著零件的迷你化，鑽孔直徑縮小化當屬必然的現象。

以往小孔徑都是以高速綱鑽頭和深孔鑽頭進行小孔加工，這些鑽頭由於加工效率低，故無法滿足目前性能要求。

小孔徑鑽孔加工是屬於外界供油加工，同時由於切屑排除困難，所以必須採行分段鑽孔加工（stepdrilling），因而欲縮短加工時間似乎不大可能。

圖（七）是在小孔徑加工中可能發生的故障及其發生的比例，而最容易發生的麻煩應該是折損，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。

然而，由於小孔徑幾乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速鋼鑽頭裡對鑿鋒緣（chiseledge）有重大影響，很容易產生過當的止推力。

同時會使同心圓的形狀變差。