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2012/07/16

何謂精密製造 (Precision Manufacturing) and 超精密加工的相關因素

1-1 何謂精密製造 (Precision Manufacturing)
(1)    加工精度(Working accuracy)
可區分為相對精度(Relative Accuracy)與絕對精度(Absolute Accuracy)
(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(Dimension Accuracy),如直徑、長度、厚度等。
(b)    形狀精度(Shape Accuracy)如真直度(Roundness),圓筒度(Cylindricity)等。
(c)    表面精度(Surface Accuracy),如表面粗度(Surface Finish)等
(4)    一般,所謂的加工精度是指尺寸與表面粗度(Surface Finish)
 
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(Micro Machining),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(Precision Machining),至是超精密加工(Ultra Machining),奈米(毫微米)加工(Nano machining )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(Relative tolerance)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Micro machining)則以絕對公差(Absolute tolerance)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(Taniguchi Curve)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’s Law)可知,晶片(Chip)上之電晶體密度(Transistor density)隨年代之變化。

圖(一) Application field for precision-machining in terms of absolute sizes and absolute and relative tolerances.
 

圖(二) Definition for normal ,precision ,and ultra precision machining. Left side ordinate : increase of manufacturing accuracy over timeing to Taniguchi. Right side ordinate : increase in transistor density over time according to Moore’s law
 
1-2 精密製造之領域
        精密製造包括
(一)    傳統的精密加工(Traditional Precision Machining)
如    精密鑄造(Precision Casting)
        精密鍛造(Precision Forging)
        精密射出成型(Precision Injection)
        精密磨削(Precision Grindiry)
        精密銑削(Precision Milling)
        精密車削(Precision Turning)
(二)    非傳統精密加工(Non Traditional Precision Machining)
如    電子束加工(Electron Beam Machining,簡稱 EBM)
        雷射束加工(Laser Beam Machining,簡稱 LBM)
        放電加工(Electro Discharge Machining,簡稱 EDM)
        超音波加工(Ultrasonic Machining,簡稱 USM)
        化學加工( Chemical Machining,簡稱 CHM)
        電化學加工(Electro chemical Machining,簡稱ECM)
(三)    微細加工(Macro machining)
如    微影鑄模成型(Lithography Electro forming Micro Molding,簡稱LIGA)
        化學蒸鍍(Chemical Vapor Deposition,簡稱CVD)
物理蒸鍍(Physical Vapor Deposition,簡稱PVD)
蝕刻(Etching)
化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing,簡稱CMP)
電解拋光(Electrolytic Polishing)
 
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。
l          FRP:1500m/min
l          鋁:1200m/min
l          鑄鐵:900m/min
l          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. Fundamentalo of Micro FABRI CATION Madou                   高立圖書公司


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