陶瓷、玻璃、和鑽石膜等硬脆材料因為具有優越之物理、化學、電氣、和機械性質，使其在高科技產業中相當受到重視。雖然電化學放電加工法可加工上述材料，但大多是用來做穿孔加工以及線切割，在拋光方面的應用卻很少。故本實驗以自行研製之高精度動態電蝕試驗機，以氫氧化鉀水溶液為電解液，探討供應電壓和電解液高度對鋼球/玻璃試片之靜態電化學放電行為，並分析其加工特性。
由玻璃試片的加工表面之SEM觀察結果以及電流和力量波形變化，可清楚推論出完整之電化學放電加工模式，並建立在不同電解液高度下的電化學I-V曲線圖，同時將加工區域分類為（1）非加工區（2）精加工區（3）中加工區（4）粗加工區。實驗結果發現，電蝕損傷寬度和深度與供應電壓成正比關係。在三種不同電解液高度下，結果發現電蝕損傷的臨界電壓皆為一定值，即29V，且電解液高度會影響實際加工時間及表面損傷形態。而在精加工區，最佳操作參數情況下加工60秒後可得到表面粗糙度(Ra)達0.02μm，加工深度達0.3649μm的表面損傷。

Because of the exceptional physical, chemical, electric and mechanical properties of hard and brittle materials, such as ceramics, glass and diamond film etc, those are considerably valued in high technology industry. Although those materials can be machined using the ECDM method, but mostly used for machining hole and wire cutting, there is few application in the polishing aspect. In this study, a high-precision dynamic electrical pitting tester is employed, the electrolyte is KOH(eq), investigate the behavior of static electrochemical discharge of supply voltage and electrolyte highly to the steel ball/glass, and analysis it’s machining characteristic.
From the experimental results, which are SEM pictures of machined glass and variations of current and force , we can clearly infer the electrochemical discharge machining mold, and establish electrochemical I-V curve under different electrolyte highly, and furthermore machining area classify for (1) non-machining district (2) precision machining district (3) middle machining district (4) heavy machining district. The experimental results shows, the pitting of damage width and depth and supply voltage are relation in direct ratio. Under three different electrolytes highly, shows the critical voltage of pitting damage are all the same value, namely 29V, and electrolyte highly will be influenced real machining time and damaged form of surface. In the precision machining district, can get the surface roughness (Ra) reach 0.02μm, machining depth of surface damage reach 0.3649μm after machined for 60 seconds under the optimum operating parameter.

總 目 錄

總目錄....................................................I
圖目錄...................................................IV
表目錄.................................................VIII
中文摘要.................................................IX
英文摘要..................................................X
第一章 緒論...............................................1
1-1 研究動機..............................................1
1-2 相關文獻..............................................3
1-2-1 導體材料之加工......................................3
1-2-2 非導體材料之加工...................................10
1-3 本文重點.............................................11
第二章 基本原理..........................................12
2-1 一般放電加工基本原理.................................12
2-2 電化學放電加工基本原理...............................16
2-2-1 電化學反應.....................................16
2-2-2 放電加工反應...................................17
2-3 電化學放電加工與放電加工之比較.......................19
第三章 實驗設備及實驗方法................................20
3-1 實驗設備.............................................20
3-1-1 次微米級精度動態電蝕試驗機 .....................20
3-1-2 次微米級精度動態電蝕試驗機系統.................23
3-1-3 實驗訊號量測設備與資料蒐集分析.................24
3-1-4 微米級精度之間隙控制系統.......................26
3-2 實驗試片之材料特性與幾何形狀.........................29
3-2-1 鋼球與玻璃之材料特性與幾何形狀.................29
3-2-2 電解液、輔助電極與加工槽.......................31
3-3 試片處理.............................................35
3-3-1 鋼球試片.......................................35
3-3-2 玻璃試片.......................................35
3-4 實驗條件設定.........................................36
3-5 實驗步驟.............................................38
3-5-1 KOH水溶液之調配................................38
3-5-2 試片間接觸與非接觸之判斷.......................38
3-5-3 間隙之調整.....................................39
第四章 結果與討論........................................46
4-1 電化學放電過程.......................................46
4-1-1 無玻璃試片時...................................46
(i) 電流波形圖.....................................46
(ii) 電化學I-V曲線.................................51
4-1-2 有玻璃試片時...................................61
(i) 電流與力量波形圖以及試片表面損傷...............61
(ii) I-V曲線圖.....................................80
4-2 不同條件下I-V曲線圖之比較............................85
4-3 電蝕形成模式.........................................90
4-4 加工區域的分類.......................................95
4-5 操作參數對加工之影響.................................98
4-5-1 電壓之影響......................................98
4-5-2 電解液高度之影響...............................103
4-6 玻璃之電化學精加工之可行性..........................109
第五章 結論.............................................111
參考文獻................................................113

圖 目 錄

圖1-1 電化學拋光設備示意圖................................6
圖1-2 電解拋光之陽極膜示意圖..............................7
圖1-3 電化學拋光之典型電壓—電流關係......................8
圖2-1 單發放電示意圖.....................................14
圖2-2 連續放電加工示意圖.................................15
圖3-1 動態電蝕試驗機之實體照片（a）上視圖，（b）示意圖...22
圖3-2 次微米級精度的控制系統流程圖.......................27
圖3-3 次微米級精度的間隙控制系統操作介面圖...............28
圖3-4 試片之幾何形狀及尺寸...............................29
圖3-5 電解液濃度與溶液內電阻之關係.......................37
圖3-6 間隙調整示意圖.....................................40
圖3-7 調整間隙大小之流程圖...............................41
圖3-8 實驗之等效電路示意圖...............................42
圖3-9 電解液高度定義圖...................................43
圖3-10 電化學加工實驗步驟之流程圖........................45
圖4-1 電解液高度5mm條件下，通電時電流波形(a)20V，(b)30V，
(c)50V.............................................48
圖4-2 電解液高度2.38mm條件下，通電時電流波形(a)20V，(b)
30V，(c)50V 49
圖4-3 電解液高度0mm條件下，通電時電流波形(a)20V，(b)30V，
(c)50V 50
圖4-4 在不同電解液高度下，鋼球電極通電後的氣泡成長狀況(a)高
度5mm，(b)高度2.38mm，(c)高度0mm 57
圖4-5 在電解液高度5mm情況下所繪製之I-V曲線圖 58
圖4-6 在電解液高度2.38mm情況下所繪製之I-V曲線圖 59
圖4-7 在電解液高度5mm情況下所繪製之I-V曲線圖 60
圖4-8 供應電壓25V，電解液液面高度5mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 64
圖4-9 供應電壓30V，電解液液面高度5mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 65
圖4-10 供應電壓35V，電解液液面高度5mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 66
圖4-11 供應電壓50V，電解液液面高度5mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 67
圖4-12 不同供應電壓、電解液高度5mm條件下，加工後玻璃表面之
SEM照片 68
圖4-13 供應電壓25V，電解液液面高度2.38mm條件下，電流波形及
鋼球電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷
計，(c)應變規式負荷計 70
圖4-14 供應電壓30V，電解液液面高度2.38mm條件下，電流波形及
鋼球電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷
計，(c)應變規式負荷計 71
圖4-15 供應電壓35V，電解液液面高度2.38mm條件下，電流波形及
鋼球電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷
計，(c)應變規式負荷計 72
圖4-16 供應電壓50V，電解液液面高度2.38mm條件下，電流波形及
鋼球電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷
計，(c)應變規式負荷計 73
圖4-17 不同供應電壓、電解液高度2.38mm條件下，加工後玻璃表面
之SEM照片 74
圖4-18 供應電壓25V，電解液液面高度0mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 75
圖4-19 供應電壓30V，電解液液面高度0mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 76
圖4-20 供應電壓35V，電解液液面高度0mm條件下，電流波形及鋼球
電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷計，
(c)應變規式負荷計 77
圖4-21 供應電壓50V，電解液液面高度08mm條件下，電流波形及鋼
球電極與玻璃試片之間的作用力(a)電流，(b)壓電式負荷
計，(c)應變規式負荷計圖 78
圖4-22 不同供應電壓、電解液高度0mm條件下，加工後玻璃表面之
SEM照片 79
圖4-23 在電解液高度5mm情況下所繪製之I-V曲線圖 82
圖4-24 在電解液高度2.38mm情況下所繪製之I-V曲線圖 83
圖4-25 在電解液高度0mm情況下所繪製之I-V曲線圖 84
圖4-26 在不同電解液高度下，平均電流到達最低點時的電壓 87
圖4-27 在不同電解液高度下，平均電流再度上昇時的電壓 88
圖4-28 在不同電解液高度下，未絕緣前的最大平均峰值電壓 89
圖4-29 電解液高度5mm，電壓50V條件下，0到10秒之間電流與力量
圖 93
圖4-30 電解液高度5mm，電壓50V條件下，0到10秒之間加工示意圖 94
圖4-31 加工區域分類示意圖 97
圖4-32 電解液高度5mm條件下，電壓與損傷外徑之關係 100
圖4-33 電解液高度5mm條件下，電壓與損傷深度之關係 101
圖4-34 電解液高度5mm條件下，電壓與有效加工時間之關係 102
圖4-35 不同電解液高度條件下，電壓與損傷外徑之關係 105
圖4-36 不同電解液高度條件下，電壓與損傷深度之關係 106
圖4-37 電解液高度2.38mm條件下，電壓與有效加工時間之關係 107
圖4-38 電解液高度0mm條件下，電壓與有效加工時間之關係 108
圖4-39 在電壓29V，電解液高度5mm下所量測到的表面粗糙度曲線 110
表 目 錄

表2-1 一般放電加工與電化學放電加工比較 19
表3-1 軸承鋼(SUJ2)之化學成份 30
表3-2 Soda Lime Glass properties 30
表3-3 各離子在25℃下之當量導電率() 31
表3-4 氫氧化鉀溶液之性質 32
表3-5 25℃下，不同PH值之水溶液對 之溶解度 32
表3-6 白金之物理性質 33
表3-7 壓克力之性質 34
表3-8 本實驗之各參數設定 36
表4-1 電解液高度5mm條件下，鋼球電極產生氣泡的觀察結果 55
表4-2 電解液高度2.38mm條件下，鋼球電極產生氣泡的觀察結果 56
表4-3 電解液高度0mm條件下，鋼球電極產生氣泡的觀察結果 56

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