(1)雕模放電加工機

放電加工技術趨勢與分析

工研院機械所精密機械與控制技術組

數值控制部研究員林瑞寬

一、前言

放電加工機是模具加工不可缺少的生產設備，而國產放電加工機的產量雖已是世界第一，但大多為中、低階產品，近年來由於工研院機械所與國內業界共同努力成功開發高附加價值的線切割機產品，估計2002年國內線切割機產量超過500台，居世界第三大生產國，僅次於瑞士與日本，也使得國內業界在這世界不景氣中，不至於大幅衰退的現象，本文將針對目前雕模放電加工機、線切割機及細孔放電加工機技術之世界趨勢及著名知名大廠開發之功能規格加以探討及分析，希望有助於國內廠商提昇產品形象及競爭力。

二、雕模放電加工機

(1)SODICK

SODICK在1999年推出配備以線性馬達驅動的AQ系列雕模EDM後，至今其EDM產品各軸向均以線性馬達驅動為其標準配備，SODICK使用自製的線性馬達為0.1um/pluse，可達到36mm/min的高速控制，以無振動、無噪音進行平滑高速控制，實現安定加工，SODICK AP1L標榜超微細、超微小及超機密加工，最大電流8A，最小驅動單位0.1um，加速度1.2G，最高速度達36m/min，故其結構為低震動、高剛性、熱溫昇冷卻控制且Z軸具輕量化、安定性及高剛性的特色以改善排渣及提昇薄片直深加工的效率，另外其還搭配新開發的高速、安定品質的SVC放電迴路以提昇修細加工的效率。

目前SODICK所開發之超修細回路(SQ回路)，可達到0.5μmRy之表面粗度。細加工時間亦大幅縮減。另外新超硬回路(STP回路)適用於超硬合金之加工，使電極磨耗大幅縮減。在SODICK各機種中，AQ系列適用於油或水加工，AP系列僅適用於油加工，LN1之最大同時控制軸數為4軸，LN10則為8軸。SODICK CNC EDM或WEDM分為AQ系列、AM系列、AP系列及K系列。此外在型中加”L”表示線性馬達驅動，加”R”表示使用SODICK開發之主軸頭。

圖1. Sodick AQ35L三軸皆為Linear Motor[1]機型

(2)MITSUBISHI

三菱電機也推出MA2000配備線性馬達之雕模EDM，且其排渣速度更進一步達到60m/min，而加速度則達到4G，以快速、穩定、自動化及精密加工為訴求。EDSCAN8E(創成、雕模、細孔三合一)結合CAD/CAM進行3D複雜曲面加工技術應用，無需成形電極的加工設備，利用棒狀電極進行放電切削模具成形加工，若用原雕模放電加工機需電極成形製作相較之下可縮短為其1/6加工時間，尤其是在做微細加工時更顯出其功效，因為微細成形放電加工很難將電極成形再放電加工，所以電極直徑大小與有效加工面積有一定的比例關係，如圖3所示，選擇不對反而增加加工時間，因為大面積的成形加工還是利用電極成形再進行雕模放電加工較為有效率，EDSCAN8E另外提供線電極放電研磨機構(WEDG)來加工所需尺寸的棒電極再進行放電加工，如圖5所示。

圖2. EDSCAN8E[2]

圖3 電極直徑大小與有效加工面積關係曲線[2]

圖4 EDSCAN8E加工例[2]

圖5 EDSCAN8E電極成形裝置(WEDG)[2]

圖6 EDSCAN8E自動換電極裝置[2]

(3) MAKINO

EDGE2S及EDNC157S，其中EDG2S亦可進行細孔放電。

此兩台機型之特色如下：

(a)EDGE2S(EDM / DRILL EDM兩用機)

·使用MAKINO開發之MGF電源，除了基本之加工回路之外，另提供微細回路。

·手動電極guide及自動電極guide。

·自動guide交換機構，可放置6個guide於此機構。

·具有特製MA head之內藏式C軸 (轉速10~1000rpm)。

·自動電極交換機構。於展示場中搭配System 3R旋轉式ATC。

·使用MAKINO之µSC粉末，可改善加工效率。

·最小加工孔徑0.03mm(深度0.3mm)

(b)EDNC157S

·排渣速度可達40m/min。

·最大工件質量10噸。

·最大電極質量500kg。

·加速度可達1.5G。

·R-porcess control：於粗加工時，預測side gap並自動設定高速加工條件。

·MAKINO特製之Rib head 配合 R-process control可節省70%加工時間。

·使用一般之加工頭排渣速度為15m/min，使用MAKINO特製之Rib head可達40m/min。

MAKINO之EDM可分為EDNC-S系列及EDNC系列。EDNC-S可於加工液中添加MAKINO之µSC粉末，以改善加工效率，如圖8所示。目前EDNC-S系列之機種有EDGE2S、EDNC43S/65S/85S/106S/106WS/156S/156WS/157S/207S等，EDNC系列之機種有EDGE2、EDNC43/65/85/106/106W/156/156W/157/207等。

MAKINO基本放電電源MGF具有下列放電回路：低消耗加工回路、鏡面加工回路、超鏡面加工回路、超鏡面(梨面)加工回路、梨面加工回路(MF-3，EDNC65以下機種專用)、CPBOX1(EDNC85以上機種專用)、超硬加工回路(EDNC65以上機種專用)、大面積加工回路(DD回路，特別附屬品)。加工條件控制法則有A jump、jump量控制、jump週期控制、高速jump量控制。另外還有再加工控制、大面積控制、R伺服控制、放電伺服速度控制等。

圖7 MAKINO EDGE2S機種[3]

圖8 MAKINO 粉末放電加工結果[3]

(4) AGIE-CHARMILLES

為了提供模具業者更佳更快的解決方案，及強化本身在國際上的競爭力，大廠在系統整合上也各有動作。如George-Fisher集團旗下的AGIE-CHARMILLES除了AGIE及CHARMILLES兩家EDM製造大廠外，近來又涵括了Decatool 及3R(ATC製造商)，Micron(切削工具機製造商，提供電極雕刻機)，Intech(放電週邊耗材供應商)，並在取得北京AGIE的完全經營權後，推出低階品牌ACTSPARKS，再配合自行開發之CAD/CAM軟體，企圖提供模具業者從高階到低成本機種，從軟體到硬體之整廠整線之total solution。相較於AGIE-CHARMILLES的動作，MAKINO及SODICK也不遑多讓。MAKINO是由切削工具機的製造商跨入EDM領域，而SODICK則由於線性馬達的放電機種的開發成功，跨入雕刻機的領域，兩家也都各自擁有專用的CAD/CAM系統，可提供模具業者從工作/電極的繪圖設計，經電極製作，工件粗加工、EDM製程、WEDM製程等到最終產品製出，皆可由一系統主機監控，在一貫化的自動流程中產出，並減少製程的時間浪費。

INNOVATION機型為AGIE EDM頂級機型如圖8所示，除了結合CAD/CAM系統及自動化系統設備，放電加工性能有專家系統、Fuzzy Control、ACC/ACO(Adaptive Current Optimization /Adaptive Current Control)及加工程式自動產生(AEP)等，使得系統更加人性化與智慧化。

圖9 AGIE INNOVATION 2[4]

CHARMILLES雕模放電加工機產品i如圖9所示，發展出Quick Charge Robot(QCRi)系統使其能容易整合非Charmilles Robot自動化平台至ROBOFORM EDM，而ROBOFORM 35QCRi便是結合3R Workmaster，其提供30支電極、4個工作平台及一隻機械手臂，採用其發展”PILOT-Expert 3”專家系統，依照實際加工深度隨時調整脈波頻率與長度，2us machine loop time，系統偵測每一發放電波形，即時消除不良的放電波形。

圖10 ROBOFORM 35QCR[5]

雕模放電加工機規格分析

廠商	機種系列	最佳表面粗糙度	操作介面	驅動系統	排渣速度	特殊加工迴路	CAD/CAM整合監控系統	ATC	備註
SODICK	AQ35、55、75L	Ry0.5μm(粉末加工)	Windows(具傳統介面及導引精靈)	三軸線性馬達，0.1μm光學尺迴授	36m/min	粉末SQ 迴路, 超硬迴路STP	DIPRO/WIN(自行發展)	搭配EROWA或3R
	AM35、55、75L	Ry0.5μm(粉末加工)	Windows	Z軸配線性馬達，0.1μm光學尺迴授	Z軸36m/min	粉末SQ 迴路, 超硬迴路STP	DIPRO/WIN	搭配EROWA或3R
	A85L、A10L		Windows	W軸為線性馬達
	AP1L	Ry0.31um	Windows	三軸線性馬達，0.1μm光學尺迴授	36m/min 1.2G	SVC迴路	DIPRO/WIN	8支ATC	New
三菱	MA2000		Windows	三軸線性馬達，0.1μm光學尺迴授	60m/min(加速度4G)		ED-CELL	3R	New
	VX	Rmax0.2μm(粉末加工), Rmax 1.3μm(sf修細迴路)	Windows	定位解析度0.1μm		GM粉末迴路,低消耗路,SF修細迴路	ED-CELL	3R
	EX	Rmax0.6μm(粉末加工)	Windows	定位解析度0.5μm		M粉末迴路,低消耗路,SF修細迴路	ED-CELL	3R
	EA8/12		Windows	定位解析度0.05μm		全無電阻迴路	ED-CELL	3R
Makino	Edge2、3S(小型機)	Rmax1μm(粉末加工)	DOS	AC伺服馬達，0.25μm定位解析度	10m/min	DDM粉末迴路、Super spark高速加工迴路	EDCam	配自行發展之8-16把刀ATC，可搭配EROWA或3R 夾頭，
Makino	EDNC43, EDNC 65, EDNC 85,	Rmax1μm(粉末加工)	DOS	AC伺服馬達，0.25μm 定位解析度(EDNC65以上可加配線性馬達之W軸,排渣速度40m/min,圖六)	約5m/min	DDM粉末迴路、Super spark高速加工迴路	EDCam	搭配EROWA或3R ATC
AGIE	Exact, Innovation,Impact, Compact, Advance	Ra0.2μm	Windows	AC伺服		無	Autonomy及AGIE Vision	3R
	Elosx Mondo 20,50	Ra0.4μm	Windows	DC 伺服		無	Autonomy及AGIE Vision		美製
	Mondo Star	Ra0.2μm	Windows ,智慧型全專家系統介面導引	DC 伺服		無			美製
Charmilles	Roboform 2400 QCRI、 35P QCRI	Ra0.1μm	DOS	0.5μm光學尺回授		SPAC防短路迴路、Micro-Machining	MMS	QCR with 76 electrode and 4 pallet	傢動率可達6000h/year
	Roboform 35/55	Ra0.1μm	DOS	0.5μm光學尺回授		PAC防短路迴路、Micro-Machining	MMS

三、線切割放電加工機

在2002 JIMTOF展中，已有機型可以使用小至0.03mm線徑的線切割放電加工機，如Makino的UPH-2、MITSUBISHI的PA05M及，以因應全球半導體的蓬勃發展，IC的體積越來越小，脚數越來越多，封裝導線架模具也越來越精密，因此也帶動線切割機的線徑往越來越小的趨勢發展，除此之外，表面粗糙度也越來越精細，如Agie的Vertex可以達到Ra0.05μm，此型的定位精度要求也特別高，使用双檢查系統來確保定位精度可以達到0.1 µm，尤其SODICK的EXC100L定位精度達0.01um，這此小型高精度的機台的應用範圍有：半導體產業、醫療器材、微機械元件及沖壓模上的銅泊。

在粗加工的切削速度上，歐日等大廠目前約在300mm²/min，國內廠商在本所的協助下，目前的技術與大廠相差無幾，自動穿線機構(AWT)目前為各知名大廠自動化的最基本配備，MITSUBISHI的FA-20機型具10sec自動完成穿線，目前國內僅有慶鴻及徠通具有自動穿線功能，由於AWT算是線切割機要達到長時間無人自動化加工最基本也是最重的條件，若要進一步擴展歐美的巿場，國內相關業界因加速其研發。在加工精度及表面粗糙度上，目前國外較高階的機種可分別達到+/-2μm及0.1μm，是目前國內技術相差較多的地方，需要大家共同努力。

而MAKINO的UPH系列採用不同於一般線切割機的立式五軸，而如果需要也可加上旋轉軸，以加工圓形工件，由於工件在機器上是被垂直懸掛著，具橫向自動穿線功能(AWT)，因此可以很容配上自動換工件機構，工件切完自動掉落，以進行一天二十四小時不間斷加工。

圖11 MAKINO UPH機型工件垂直懸掛機頭，加工線橫向穿線加工[6]

圖12 MAKINO UPH機型自動穿線示意圖[6]

線切割放電加工機規格分析

廠商	機種系列	最佳表面粗糙度	操作介面	驅動系統	使用線徑	Taper Angle	CAD/CAM整合	AWT（自動穿線）	備註
SODICK	AQ325L,AQ535L		Windows	XY軸線性馬達、0.1μm光學尺迴授	0.15~0.3mm（Ø 0.1：option）	+/- 20°/80mm	DIPRO/WIN(自行發展)	AWT 8秒沖水式/浸水式
	AQ550L		Windows	Y軸線性馬達、0.1μm光學尺迴授	0.15~0.3mm（Ø 0.1：option）	+/- 20°/150mm		沖水式/浸水式
	A325, A500	Rmax 1.5μm		AC伺服	0.1~0.3mm, (0.07mm option)	+/- 15°/100mm		沖水式/浸水式
	AP200L, AP450L	Ry 0.36μm	Windows	XY軸為 linear Motor	AP200L:0.05~0.2 mm AP450L:0.05~0.3mm	+/- 7°/100mm	DIPRO/WIN	油割浸油式
	EXC100L		Windows	0.01μm定位解析度	0.03~0.1mm	+/- 6°/60mm			New
三菱	Ra90		Windows	0.1μm定位解析度	0.2~0.3mm	15°/100mm	無	AWT 10秒沖水式	粗加工速度:320mm/min
	FX		Windows		0.2~0.3mm	15°/100mm	無	AWT 沖水式/浸水式
	PX05		Windows				無	AWT 浸水式	加工精度+/-2.0µm
	QA10/20		Windows		0.05~0.3mm	15°/100mm
	HA300/400		Windows		0.1~0.3mm	12°
Makino	UPH-2		DOS	臥式五軸, 旋轉軸為option,0.1μm回授解析度	0.03~0.2mm	3°/30mm		AWT APC(option) 浸水式	加工精度+/-1.2µm, 起始孔大小為線徑＋50 µm
	WPG1	Ry0.001μm(圓柱)	DOS	XYZC四軸	約5m/min	C軸旋轉角+370°/-100°		AWT 16把刀APC 油割	加工精度+/-1µm,
	U32,U53	Ry3μm	DOS	五軸AC伺服,	0.1mm		FF CAM	浸水式	加工精度+/-2µm,
AGIE	Vertex	Ra0.05μm	Windows	五軸AC伺服，0.1μm解析度，双回授檢查系統	0.02~0.2mm	3°/80mm	Autonomy及AGIE Vision	浸水式	2 wire spools，起始孔大小為線徑＋50 µm
	Excellence	Ra0.1μm	Windows	五軸AC伺服	最小0.1mm, (加上選配裝置可使用Ø 0.03~0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min,加工精度+/-1.5µm
	Evolution	Ra0.2μm,( Option 0.1 µm)	Windows	五軸AC伺服	0.2mm,0.1mm為option(加上選配裝置可使用Ø 0.03~0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-3.0µm
	Challence	Ra0.3 µm (Option 0.2 µm)	Windows	五軸AC伺服	0.2 mm (Option 0.1 mm)	30°/100 mm		浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-4.0µm
	Classic	Ra0.3 µm (Option 0.2 µm)	Windows	五軸AC伺服	0.2 mm (Option 0.1 mm)	30°/100 mm		Classic2:沖水式 Classic2s:沖水式/浸水式	粗加工速度:300mm/min, 加工精度+/-6.0µm
	HSS	Ra 0.3µm	Windows	五軸AC伺服	0.1 mm	30° / 7 mm		浸水式
	Robofil 1000	Ra 0.1µm	Windows		0.03~0.3mm(0.03~0.05mm option)	+/-30°		浸水式
	Robofil 300/500		Windows		0.1~0.3mm	+/-30°		浸水式
	Robofil 330F		Funuc 18i WA		0.1~0.25mm	+/-30°		浸水式
FUNUC	Robocut		Funuc 18i WA		0.1~0.3mm	+/-30°/80mm			粗加工300mm/min
Seibu	EWP-B3S2	Ry0.7µm		0.1µm光學尺迴授	0.07mm	+/- 7°/100mm		沖水式/浸水式	加工精度+/-2µm,粗加工300mm/min

四、細孔放電加工機

ELENIX(日本)、SODICK、三菱、MAKINO之細孔放電加工機最小可加工到孔徑為0.03mm，一般深度大約在0.2~0.3mm，但SODICK表示其K3BL可達到0.5mm深度，而一般細孔放電加工孔徑規格為0.1mm~3.0mm，孔深比約1:100。[7]

細孔放電加工近年跟隨著WEDM的腳步，有逐漸往更細孔徑發展的趨勢，主要是半導體業及微機械元件的需求有關。其有大半需求是因應做為線切割製程起始孔加工，因此，當線切割之線徑往更細發展時，細孔加工也必須跟上腳步。除此之外，當然也有些加工是純粹以細孔加工來完成，如一些微細NOZZLE加工、紡織業的纖維抽絲模具、印表機噴墨板母模、X-Ray濾光板等。

由於細孔放電加工的每個孔穴加工時間約在幾十秒至數分鐘之間，再加上電極本身的磨耗也極大，通常加工幾孔後，電極即會用盡。若要達到自動化加工的目的，除了NC化外，機台尚必須有自動換電極機構，以減少人力等待及更換電極時間，目前ELENIX(日本)、SODICK、三菱、MAKINO、ASTEC均有自動換電極裝置[8]，所以我們正積極與Hirschmann策略合作開發細孔放電自動換電極機構，進而協助廠商搭配本所專為細孔放電加工機開發之CNC 控制器以提昇產品附加價值及競爭力。

圖13 Hirschmann Drill ATC

圖14 ASTEC ”cartridge type”電極交換機構[8]

SODICK之K3BL[10]將線性馬達應用在細孔放電加工機的X、Y及Z軸伺服上，以線性馬達的高響應性，提高伺服響速度中，減少電極因短路而不當磨耗的可能。也有些大廠並不專門再為細孔放電加工機開發新機型，而選擇改由CNC雕模放電加工機來改裝，如MAKINO之EDNC30F、三菱之VH10，以EDNC30F為例，此型機器定位精度可達3μm，為五軸控制(XYZWC軸)，電極管徑為0.1mm~0.25mm，ATC為一8或16把刀旋轉機構，配置於機台後方，自動夾頭可選用3R或EROWA。除了ATC外，此型機對其管狀電極的guide也可以更換(AGC, Automatic guide changer)，因此，其可以在不需人為調整的情況下，使用不同管徑的電極。其guide magaine置於機台右方，容量為六個，利用機頭移動及3R的小型自動夾頭來更換。另外，為了讓換刀後的管狀電極可以順利穿過guide，在guide arm上尚有氣壓驅動的middle giuide夾頭，輔助管狀電極保持垂直性。另外，此機也可搭配AWC(Automatic workpiece changer)，容量為8 或16個，以進行全自動化加工。此外，必要時此機也可以做細孔及雕模放電的複合加工。

SODICK之K3BL則採用旋轉式的換刀機構，最大容量為32把刀，其他如日商 ELENIX EDM之機型[9]，機頭上可加一旋轉θ軸，其ATC最大容量為24把刀，AGC容量為4 Guides。另外如日商ASREC，其ATC和AGC機構是整合在一個匣內，最多可容納32個電極匣，此型機構換刀速度快(5秒)，但缺點除了較電極匣較佔空間外，電極匣的夾持精度也有疑慮，其最小電極直徑為0.2mm。而國內廠商Top EDM最近開發的ATC和AGC，其ATC部分也是採取旋轉式庫，而AGC則直接在Guide Arm的下綠置一固定轉盤，利用轉盤的轉動來選定Guide，Guide的容量為5個，其優點是機構簡單易實現，缺點則為了要保持guide arm的剛性，guide arm必須做得更強壯。

圖15 ELENIX CT900FX機種[9]

圖16 Sodick K3BN[10]

細孔放電加工機規格比較

廠商	機種系列	電極直徑及長度	操作介面	驅動系統	JOG移動速度	特殊加工迴路	加工液	ATC	備註
SODICK	K1BL	Ø 0.08~0.25 mm, 長度250mm	Windows	4軸，Z軸線性馬達，0.1μm光學尺迴授	Z:5 m/min XYW:3m/mn		油性	旋轉式32把刀，Guide 無法更換
	K3BL	Ø 0.03~3.0 mm, 長度250mm	Windows	3軸線性馬達，0.1μm光學尺迴授			油性	旋轉式32把刀，Guide 無法更換	New
	K1CN	Ø 0.3~3.0 mm, 長度300mm	DOS	AC伺服，XYZ三軸，Z軸解析度0.004mm，XY軸0.002mm	0.8m/min		水性	筆筒式ATC，Guide 無法更換，故障率高
三菱	VH10	Ø 0.05~1.0 mm, 長度300mm	Windows	回授解析度0.05μm	XY:2m/min Z:0.8.m/min	無電解電源AE迴路	水性/油性	旋轉式16/32/48把刀 Guide 無法更換
Makino	EDNC30F	Ø 0.1~3.0 mm, 長度250mm	Windows	定位解析度0.1μm	5m/min		油性	旋轉式8/16/24把刀，Guide 6 pieces, AWC 8/16 pieces	可與雕模Edm複合加工
Current EDM	CT500F	Ø 0.3~3mm ( 0.1~0.3 option)	Windows	五軸XYZGθ,Z軸用DC伺服,定位解析度1μm			水性	旋轉式24把刀，Guide 4 pieces
ASTEC	A34CNC	Ø 0.2~3.0mm	Windows	四軸，定位解析度Ｚ軸5μm，其餘１μm			水性	ATC與AGC整合成匣體，最大32把刀
TOP EDM		Ø 0.3~3.0	DOS	四軸XYZW+旋轉工作台			水性	旋轉式ATC，32把刀固定轉盤式AGC, Guide 5 pieces