｜應用奈米碳管於精修放電加工之研究

摘要：放電加工已廣泛地應用於加工硬金屬材料，然而，經由放電加工後的表面常有一些缺陷如重鑄層及微裂縫。過去的研究顯示，放電加工中添加導電粉末可以產生放電分散的效果，得到較佳的表面粗糙度及提升修細加工的效率。但以矽、鋁或鉻等粉末添加進行加工時，因比重高，流動性差易沉澱，不易均勻分散至加工液中，造成加工效果有時不如預期。奈米碳管具備比重輕、圓柱狀及奈米尺寸等性質，流動性佳，容易漂浮於加工液中。

本文於混合的介電液中添加界面活性劑，以進一步提升奈米碳管在加工液中分散性。當放電加工液中添加奈米碳管重量濃度為0.4 g/l時，精加工後表面粗度可以達到Ra 0.09 μm，而加工時間僅需1.2小時，同時加工表面的微裂縫及缺陷也大幅減少。採用的修細放電參數為電極接負極性、電流1 A、脈衝時間2 μs、開路電壓280 V、極間電壓70 V。相較於傳統放電加工，本技術在加工表面粗度上改善了70 %，而在加工時間上也縮短了66 %。未來，可以期待奈米碳管將應用於在許多放電加工製程上。

Abstract: Electrical discharge machining (EDM) is widely used to machine hard materials in industry. The machined work-piece surface after EDM process often shows defects, such as recast layer and micro cracks. In the past, the powder-mixed dielectric electrical discharge machining (PMD-EDM) has been used to improve the quality of machined surface. Silicon, aluminum and chrome powders are used in the PMD-EDM process. When using these particles, however, flushing of the controlled gap between the electrode and work-piece becomes a critical issue due to the heavy specific gravity of these materials and non-uniform dispersion in the dielectric. Carbon Nanotube (CNT) possesses light specific gravity and allows itself to float in the dielectric at all times, resulting in uniform dispersion throughout the entire cavity to be machined by EDM.

In the current study, the dielectric fluid was added with surfactant to help the dispersion of CNT powders. Then the effect of CNT powders added to the dielectric on the surface integrity of the work-piece after EDM and the machining efficiency were investigated. When The CNTs were added to the dielectric at a concentration of 0.4 g/l, the average surface roughness of 0.09μm was achieved within 1.2 hours, and the material defects of the recast layer and the micro cracks were considerably reduced. The adopted processing parameters were a negative electrode polarity, a discharge current of 1A, a pulse duration of 2μs, an open-circuit voltage of 280V and gap voltage of 70V and CNT concentration of 0.4g/L. In use of the currently proposed technology, both the surface roughness of the work-piece and machining efficiency were improved by 70% and 66%, respectively. It is expected that carbon nanotubes will be used in many EDM applications in the future.

關鍵詞：放電加工、奈米碳管、表面改質、鏡面加工、加工時間

Keywords：Electrical discharge machining (EDM), Carbon Nanotube (CNT), Surface Modification, Mirroring Surface Finish, Machining Time

前言
放電加工是最廣泛使用的非傳統性加工法之一，其優點最主要係不受材料機械性質的影響，特別是對高硬脆、高強度等難加工材料，皆能利用其電極與工件在微小極間所產生的高溫現象，使材料產生蒸發、熔融而達到材料去除的目的。另外由於放電加工過程中，工件與工具電極並未實質接觸，工件並未承受機械應力，而且也沒有振動、顫動（Chatter）之問題，加工後的形狀精度頗高，所以被廣泛應用於模具、汽車、航太、生醫零件的製造。

放電加工法（Electrical Discharge Machining, EDM）的發展歷程可回溯至1770年由英國化學家Joseph Priestly首先發現放電腐蝕（Erosive）現象，但一直到1940年由前蘇聯B.R.和Lazarenko 研究電觸點腐蝕才有進一步推展。他們研究發現當觸點被流動的油所包圍時的腐蝕率要比觸點暴露在空氣中來得大；他們的試驗引導了更進一步的研究，並指出難加工金屬材料可以由放電加以成型，同時Lazarenkos 在1943年建立了電阻-電容放電加工電路系統，奠定往後放電加工機發展的基本模式。早期的放電加工技術不斷的被改進，最後伺服系統被發展出來，它可以藉著維持電極與工件的間隙而精密的控制放電火花，此系統使加工效率提高許多；後來在1980年代具有電腦數值控制（CNC）系統的放電加工機發展後，對於提高放電加工效率帶來巨大的進展。放電加工技術發展至今可謂已經相當成熟，一般研究人員對於放電加工原理及其特性較過去更為了解，同時已能充分發揮其在製造上應用。

但相較於切削加工，放電加工的工件移除率較低，尤其是在修細加工時，加工速度更慢。而且，放電加工後，在加工表面會形成變質層及熱影響層。變質層的厚度會隨著放電能量的大小而增加，其硬度雖較硬，但在上面會有許多微缺陷，使得工件的壽命減短。此外，由於放電加工時，當放電加工面積增加時，由於極間浮游電容也會跟著增加，導致單發放電能量無法精確控制與降低，因此在同樣的加工條件下，表面粗糙度會隨著加工面積的增加而變差。目前已有些製程利用導電粉末添加於介電液（Dielectric）中來降低浮游電容，提升放電加工的修細的效率，在一定的操作範圍內，可有效的解決加工效率與加工品質並存的難題。也有一些製程使用高強度粉末，利用放電過程中的附著及滲透效應，進行加工面的表面改質以提升加工件表面特性。但是金屬粉末的比重較大，粉體尺寸大，較容易於加工液中沉澱而不易均勻懸浮散佈，往往會影響加工穩定性。本文之撰述係利用奈米碳管具有質量輕、高強度、高韌性、尺寸小、高表面積、高熱導度、導電等材料特性，研究加工液中添加奈米碳管粉末對放電加工之影響。