(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誑

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ㄗ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，本文紡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�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。

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�準配備，AP1L標榜超微細、超微小及超機密加工，最大電流8A，最小驅動單妞0.1um，加速度1.2G，最高速度達36m/min，故其結構為低震動、高剛�、熱溫昇冷卻控制且Z軸具輕量化、安定性及高剛�的特色以改善排渣及提昇薄片直深加工的效率，另外典�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ㄙ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進虫澈span>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�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�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�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]

MAKINOEDGE2S及EDNC157S，其中EDG2S亦予進行�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。

·最大工件質粥10噸。

·最大電極質粥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、邋�加工回路、超邋�加工回路、超邋�(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)為了提供模具業者更佳更快的解決方�，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，提供電極雕刻蕙)，Intech(放電週邊耗材供應商)，並在取得北京AGIE的完全經燮�後，推出低階品牌ACTSPARKS，再配合自行善發之CAD/CAM軟體△企圖提供模具業者從高階到低成本機種，從軟體帕硬驚�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，跨入雕刻蕙的領域，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。

所示

圖9 AGIE INNOVATION 2[4]

雕模放電加工機規格�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(自行敞展)

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

配自行敞展之8-16把刀ATC，可搭配EROWA或3R 夾頭，

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，這此小型高精度的機台的應用範圍有：半導體產業、醬�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�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�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(自行敞展)

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

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，主要是半導體馮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箇�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�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，以進行汙自動化加工。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� 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�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，其艙點是機構簡單甽實現，缺點則為了要保持guide arm的剛�，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弗較

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窖5μm，其蓮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

科技進步日雲月異，產品的微小化與精密化是未來發展趨勢，因此對各式微小組件的需求將會增加，由於設些微小組件或模具因為體積小及外型複雜，非一般傳統加工所能達成，也因為工件太微小，往往常因加工不慎，造成工件本身損壞，如微機電系統技術(MEMS)是目前用來製造各種小型高精度機電系統的基礎，其包含微結構、微動力、微致動、微控制、微感測等[11]，尤其虞估2004年有300億美元的產值集中於通訊及汽車領域，其主要產品包括加速器、Rotary Transducer、溫度壓力感測器、噴墨頭、硬碟讀取頭、平面顯示器、及Laser Display Technology、小齒輪、小齒輪箱、微小開關、鏡�、光纖相關零件等這些有賴於微細加工技術的研發才能達成，微細加工的方祐有微雷射加工、電子光束加工、蝕刻等方祐，而放電加工為非傳統加工方�，係利用火花放電所產生的熱能熔化加工物，去除工件成型，沒有切削力產生，因此最適合微細加工之應用，或許未來以車、銑、研磨加工結合微放電加工，利用非接觸方�進行�細加工將變為可能。

圖17 Panasonic μEDM[12]

六、參考斗�

[1] Sodick AQ35L型錄

[2] Mitsubishi EDSCAN8E型錄

[3] MAKINO EDGE2S型錄

[4] AGIE INNOVATION 2型錄

[5] 型錄

[6]Makino UPH-2型錄

[7]日本-機械技術2002.vol.50 No.2

[8] ASTEC A34CNC型錄

[9]ELENIX型錄

[10] Sodick K3BN型錄

[11] P.Dario,R.Vallegg , M. C.Carrozza, M.C.Montesi and M.CocoMicroactuators for Microrobots:Acritical SyrveyJ.Micromech.Microeng.,pp.141-157,2.1992

[12] Panasonic超微細放電加工機(uEDM)型錄