第一章 概论 (Introduction)
1-1 何谓精密制造 (Precision Manufacturing)
(1) 加工精度(Working accuracy)
可区分为相对精度(Relative Accuracy)与绝对精度(Absolute Accuracy)
(2) 绝对机度系指公差值(Tolerance)
如200±0.1mm中之公差值±0.1mm即为绝对精度
相对精度则为容许公差值与工件尺寸之比值
如0.1/200=0.0005
(3) 通常加工精度包含
(a) 尺寸精度(Dimension Accuracy)，如直径、长度、厚度等。
(b) 形状精度(Shape Accuracy)如真直度(Roundness)，圆筒度(Cylindricity)
等。
(c) 表面精度(Surface Accuracy)，如表面粗度(Surface Finish)等
(4) 一般，所谓的加工精度是指尺寸与表面粗度(Surface Finish)
通常零件精度的要求比本身尺寸的万分之一(即相对精度)还高时，便可算是精密制造。然而在微机电系统(MEMS)中之微细加工(Micro Machining)，则以绝对精度来作为精密制造之判定标准。一般cnc工具机的尺寸精度等级是10μm，磁盘驱动器是1μm，光驱是0.1μm，半导体制造设备是0.01μm，而表面精度则为尺寸精度之十分之一，若能达成8述标准，那么就可称为精密制造。
然而究竟到何种程度的加工程度，才能称得上精密加工(Precision Machining)，至是超精密加工(Ultra Machining)，奈米(毫微米)加工(Nano machining )呢?事实上是依各时代之技术水准而异，如图(一)及图(二)所示。
图(一)所示，当工件尺寸在10公分以下时，以相对公差(Relative tolerance)即公差与工件尺寸之比值来表示是否可称为精密加工。而当工件尺寸在10微米以下时(如微细加工Micro machining)则以绝对公差(Absolute tolerance)即公差本身之数值来表示是否可称为精密加工或超精密加工。
如图(二)所示，依据田口曲线(Taniguchi Curve)可知，加工精度随着年代变化很多。如超精密钻石轮磨加工在2000年时可达1奈米之精度，依据摩自定律(Moore’s Law)可知，芯片(Chip)上之晶体管密度(Transistor density)随年代之变化。
图(一) Application field for precision-machining in terms of absolute sizes and
absolute and relative tolerances.
图(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 精密制造之领域
精密制造包括
(一) 传统的精密加工(Traditional Precision Machining)
如 精密铸造(Precision Casting)
精密锻造(Precision Forging)
精密射出成型(Precision Injection)
精密磨削(Precision Grindiry)
精密铣削(Precision Milling)
精密车削(Precision Turning)
(二) 非传统精密加工(Non Traditional Precision Machining)
如 电子束加工(Electron Beam Machining，简称 EBM)
雷射束加工(Laser Beam Machining，简称 LBM)
放电加工(Electro Discharge Machining，简称 EDM)
超音波加工(Ultrasonic Machining，简称 USM)
化学加工( Chemical Machining，简称 CHM)
电化学加工(Electro chemical Machining，简称ECM)
(三) 微细加工(Macro machining)
如 微影铸模成型(Lithography Electro forming Micro Molding，简称LIGA) 化学蒸镀(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)
物理蒸镀(Physical Vapor Deposition，简称PVD)
蚀刻(Etching)
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)
电解抛光(Electrolytic Polishing)
1-3 精度误差之原因
在加工过程中，造成半成品或成品工件误差之原因，相当繁多，与工作母机之性能、精度、加工参数、刀具、夹治具、工件材质、工作环境等息息相关。如图(三)所示。
图(三) 加工过程误差的产生
1-4 超精密加工的相关因素
微加工精度欲达到精密加工甚至超精密加工等级之相关因素，详如图(四)所示。
图(四) 超精密加工的树状关系
1-5 高速切削
高速切削虽然包括高速车削、铰削、磨削、赞削、搪削、铣削等多种，但是本文以高速铣削为主。
自1990年代以来，工作母机主轴的高速化或进给机构的高速化，进步得非常快速。
为了因应这种状况，改良刀具材质，特别是对于端铣刀被覆技术的进步，TiAIN系例的复合被覆已相当普遍。以模具加工中心，利用端铣刀进行高速切削的试验，已相当广泛。
高速化的工作母机主轴或进给机构，以高回转切削，称为高速切削、高进给速度的切削，并统称为高速加工，称为高速机械的切削中心机，其主轴转数多在20000rpm以上。依主轴直径而异，所要求的DN值，大部份要在150万以上，这样才能称为高速机械。
德国Schulz公司针对端铣刀加工的情况，定出了高速切削的下限。
FRP:1500m/min
铝:1200m/min
铸铁:900m/min
钢:500m/min
高度生产技术能力是维持高度工业生产力的主要泉源。其中高速切削加工技术乃是受到业界重视的有效手段。图(五)是高速切削(高速铣削)的基本概念图示。自古以来通称的一般性切削分为具有高效率目的之粗切削和具高精度目的之精加工等二种形式，但高速铣削则同时兼具高精度和高效率之崭新切削方式，早在十年以前高速铣削即被视为新的高速切削技术。当导入和确立高速铣削加工技术时，必须将高速型加工中心机、铣削刀具、夹具及CAM 系统视为一个系统，并且能够有效运用，是组统或生产体制中不可或缺的要件。
图(五) 高速铣削基本概念
高速切削能够获得如图(六)所示的预期效果
图(六) 高速铣削作业能够获得的预期效果
提高切削速度是不仅可以降低切屑厚度而加速切屑的排出。如图(七)所示提高切削速度也是可以提高切层面粗糙精度的，像以高精度切削为目的之铣削作业里，在提高切削速度的条件下对切削加工是有利的，例如在铝合金模里太多的研磨加工会让担心形状精度会下降，因此切削加工应该是高精度化的最理想方法，因为高速铣削作业不论是干式铣削、油雾冷却铣削，均不会因铣削生热使工件变形、降低刀具寿命，以及因切屑引发的故障均不会发生，以上均是高速铣削的优点。
图(七) 图形端铣刀切削中切削速度和精加工表面粗糙度间相关示例
高速切削的技术思想，以公元1930年代，萨尔蒙(C.Salomon)最先实行的预测超高速切削最有名。图(八)，所描绘出来的之切削加工技术，在当时对未来技术展望，表示了用于高速切削的专利申请，及其超高速切削与切削温度的关系，这是一张很有名的图。
图(八) 在铣削加工中，速度对切削温度的影响(取自萨尔蒙)
萨尔蒙的技术思想，在超高速切削领域中，切削速度增加得愈快，其切削温度愈降低，可以实现改善材料的切削性、降低切削阻力与提高加工精度，使刀具不容易产生摩耗。针对切削阻力与加工精度，萨尔蒙的预测和他以后的研究结果，在方向上大约一致。
Reference:
1. 从现场趋势看高速切削的现况与问题 机械技术杂志(2000,10) 唐文聪
2. 高速切削和降低总生产成本的良策 机械技术杂志(2000,10) 机械人
3. 21世纪的切削加工技术 机械技术杂志(2000,01) 唐文聪
4. 精密机械领域有待急起直追 经济日报 88年12月29日
5. 高速切削和降低总生产成本的良笔 机械技术杂志(2000,10) 机械人
6. 从现场趋势看高速切削的现况与问题 机械技术杂志(2000,10) 唐文聪
7. 由刀具观点对高效能快速加工的成见 机械技术杂志(2000,10) 白晨
8. Fundamentalo of Micro FABRI CATION Madou 高立图书公司
第二章 微细孔加工 (Micro Hole Machining)
2-1 前言
为因应拉丝模具、卷线机用喷嘴、化纤纺丝喷嘴、燃油喷嘴、喷水喷嘴、印刷基板、半导体集成电路用治具及各种光学零件等微细孔穴加工之要，求钻孔作业渐渐有朝向细径化、深孔化、高质量化、高效率化及不易切削化发展。而目前可应用之微细孔加工方法中计有超音波加工、钻孔加工、研磨加工、激光加工、放电加工及电子束加工等六种方法，考虑被切削材料性质（硬度、强度、导电性）、孔穴尺寸（直径、深度）、部面形状（图形、奇异形状）、加工效率及成本，并且配合加工目的从其中选择合适的加工方法。本文内容则是以直径1mm以下，特别是0.3mm以下微细孔加工之技术。
2-2 超音波加工 (Ultra Sonic Machining，简称USM)
东京大学生产技术研究所也曾经利用超音波加工在玻璃、硅胶及陶瓷等硬脆材料上，成功钻取了直径5μm的微细孔穴(请参阅照片1)。
首先是利用线放电研磨法(WEDG)在加工机具上形成微细的圆柱状工具，接着让该工具旋转时，加工对象端会产生振幅1μm的超音波振动，最后再以次微米钻石磨粒控制加工作用力。因而藉由本加工方法可从事纵宽比2之钻孔加工。线放电研磨法（WEDG）是能够制作微细工具的制作方法，它的精致是能让在加工机具上制作之工具自动的调整中心点，故发生偏心的机会极小。本方法不仅能够从事圆孔穴加工，亦可从事异形孔或三维形状加工，应用范围极为广泛。
目前日本九州岛大学正在从事附有超音波振动小径钻孔加工之切削机构，超音波振动对加工精度的影响效果，在倾斜面上孔穴加工的适用性，各种展延性材料上的适用性及直径50μm等极小径钻头适用效果进行研究，以下是较为明确的研究成果。
1. 由于有超音波振动的关系，除了因摩擦降低使切屑变薄并增加切排出速度外，更会
因为钻头中心侧及棱角侧之切屑排出速度差减少，故横向卷绕切屑会变小，而且会形成平滑螺旋状或带状的切屑，使切屑排出更为顺畅，因而不需要分级进刀即可从事深孔加工。
2. 因有超音波振动，故对抑制孔穴入口处钻头振颤振动有相当程度的效果。因此也不
易产应变圆(Strain round)借着凿尖锤系作用限制钻头，钻头笸加工对象间歇性接触，降低钻头弹性变形恢复力及摩擦力，相对的也能减少径向作用力的变动。
3. 因增加了超音波振动，在倾斜孔加工里孔穴的应变也变小了。
4. 藉由超音波振动，使用直径60μm极小径钻头从事不锈钢钻孔加工变得更容易。
图(一) 利用线放电研磨法()制作之微米刀具及在石英玻璃上加工成内径5μm之微细孔的
情形
2-3 超音波振动研磨加工 (Ultra Sonic Vibration Grinding)
自1993年左右日本九州岛工业技术研究所已开始在电解沈积钻石磨轮增加超音波振动，而从事硬脆材料之钻孔研究，以替代传统使用游离磨粒之超音波加工。换言之，即是藉由所谓超音波振动研磨推展微细孔工之研究。它是让频率40KHz超音波作用在直径粒度0.27~1.0mm，粒度100~1000的电解沈积钻石磨轮上面，然后一边以回转数3000rpm进给量0.14~4.2mm/min，及外侧供油条件下，在厚度3mm铝（CIP材料，HIP材料）及氧化锆板材上面从事钻孔加工试验。
从试验结果显示有超音波振动时，铝之CIP材，和HIP材料二者轴方向平均研磨阻抗均明显减少了（脆性破降低了），纵然增加钻孔的深度，研磨阻抗仍然维持很低的阻抗值。
附加超音波振动之加工方法，由于能够降低平均加工阻抗，抑制微小径刀具变形，故能够适合微细孔之加工。
目前孔穴加工用电解沈积钻石磨轮的最小直径是0.135mm，为了有利于今后硬脆材料微细孔穴加工，必须先行确立包括粒度，集中度及接合剂等耐磨耗性高，且更小径磨轮的制作技术。
2-4 放电加工 (Electro Discharge Machining，简称EDM)
现在，微细加工技已经广用于燃料喷嘴、办公室喷墨打印机喷嘴、光通讯光纤连接器等的孔加工以及微细工具制作等的三次元形状加工方面。今后，随着微细化的进展，加工技术应当也会持续跟着一起进步。以放电加工法来看，他在各种加工法中是一种属于稍具不同性质的加工法。在以热熔解、除去为基本方式这方面看来，和雷射加工、电子束加工具有同样的性质，不过，其一次一次注入的能量相当小。利用相互独立的脉冲放电一点一点将材料微量地除去，因此具有和研磨加工等相似的意味，十分适合精密加工。
放电加工今工件与工具电极在绝缘液中相向，当电极在此引火时，工件与工具电极间就会产生放电。利用这种脉冲放电，可以将工作放电点附近，相当微小的部份熔解或者蒸发，接着再藉由加工液等的压力作用就可将熔解或蒸发部份附去。如此反复地放电，就可以将工具电极的形状转映成加工形状。利用放电加工能将工具电极的形状转映到工件上，因此如果工具电小（细），所加工出来的形状就小，自然能够做微细的加工。工具电极要小之外，每次脉冲放电能量也要小。放电痕的尺寸如果小，加工面的粗度也小，间隙如果小，则转映出去的工具电极的形状精度就高。
微细电极的制作
要能够微细加工，加工面粗度以及转映精度的等级等都必须较加工尺寸小很多。因此，为了能利用放电加工来进行微细加工。工具电极尺寸必须在所需的微细尺寸，同时，每次脉冲放电的能量都必须很小。
进行微细孔放电加工不仅加工电路很重要，另一项重要的因素就是工具电极的制作。
图（二）所示为工具电极的制作法。图中（A）为将市面上的线材拿来使用的方法，当线材变细时，工具电极的固定就变得愈加困难。不适合所谓数10μm的微细孔加工。（B）为利用车床或磨床等切削出直径数10μm的加工，这种方式会因装于工机时的位置偏离或者因回转中心的偏离，而导致加工精度降低。这种情形在（A）也会发生。（C）为在放电加工机上研磨出工具电极的方法。这种情形下，由于所装的是素材，夹头的精度可以不用很高。因为在同一加工机上，由工具制作到孔加工都是连续进行之故。不过，加工后尺寸的确认很难，必需将工件自备上卸下，然后利用显微镜等反复地进行测定作业。
解决这种电极消耗问题的方法之一，就是开发以行走的线来取代传统以金属块做为电极的新方法。这就是线放电研磨(WEDG)。
如图(二)(B)所示为线放电研磨的原理。和(A)对比就可知，用直径50μm~200μm的细金属线来取代以往做为电极的金属块。金属线在与纸面垂直的方向慢慢行走，被加工轴则一面回转，一面往轴方向送入。
此方法和线切割一样，由于金属线连续地被送出，形成经常以新的电极面来加工，即使电极消耗实际上是存在，对精度的影响还是很小到可以忽略的程度。
图(二) 微细电极制作法及利用放电来研磨电极的方法
如果一开始将金属线设定在所定的位置，轴径也会自动地加工至所希望的值。也就是说，不必要像以往那样经过反复测定，以接近所希望的尺寸。
2-5 电子束加工 (Electron Beam Machining，简称EBM)
利用电子束来加工，除了焊接之外，还有钻孔及表面处理等，无论那一种都是属于利用高电功来加速电子束的热加工。其中，钻孔加工为将高能量密度的电子束照射在材料上，利用当时所产生的热将材料熔融、蒸发，并加以排除的加工法。这种加工法和其化加工法比，是一种相当优良的高速加工，同时具有高度的控制性及斜孔加工的特征，可望代替现有的钻孔加工，甚至能发展出更新的用途。
利用电子束钻孔，由开始直至钻透为止。如图(三)所示，其中有几个过程存在。同时，电子钻孔法为了获得漂亮的贯穿孔，在工件底下还敷有特定的辅助材料(垫衬)。
大约10KW/cm的，具有高密度集中能量的电子束照射在工件上，开始先将局部熔解。
塞满蒸发物的空洞愈来愈深，并在其周围产生熔融层。
电子束贯穿工件，一直到达补助材料处为止。
辅助材料于瞬间气化，产生很高的蒸气压，将贯穿孔的蒸发物及熔融层向外部飞散出去以完成钻孔。
为了能正确钻出特定孔径以及深度的孔，通常将加速电功设为一定，而调整电子
束电流(脉冲电流)以及照射时间。同时，加工速度依孔径以及孔深来决定其上限，
而孔径、孔深愈增加，加工速度就愈降低。
电子束钻子的特征
电子束对材料的侵透力强，并富控制性，具有焦点深度深等特性，同时，利用加工操控轴移动的自动控制，可以获得如下的优点﹕
钻孔非常快(最4000孔／秒)。
孔的节距正确，可以获得相当漂亮的孔。
可以钻出斜角度的孔(对工件表面而言，最低可至20度)。
即使是复杂形状的孔也能钻。
几乎所有的材料都能钻孔。
电子束钻孔之应用
大型微细过滤器
真空滚子
软燥室
工业用微细滤网
此外，使用微细孔滤网的离心分离机、脱水机、自动过滤器、造粒机等都是电子束的用途。以往，孔径0.3mm以下，而且板厚0.5mm以上的滤网是不可能加工的。
现在，利用电子束钻孔就可以做到，因此，电子束还可望开发更多新的用途。
图(三) 电子束钻孔过程
2-6 电射加工 (Laser Machining)
电射加工在国内工业界的应用上已经相当广泛，但使用的范围多限制在以热加工方式的红外线雷射上，本文探讨紫外光雷射冷加工模式的技术，如微细钻孔。
所谓的紫外光指的是波长约分布在150~400奈米之间的光源，目前被使用在工业应用上的紫外光雷射主要有两种，第一种是气态的准分子雷射(Excimer Laser)另一种是利用
Nd:YAG电射的光源经过非线性倍频晶体转换技术(nonlinear crystal conversion)而将红外光波长转换成紫外。
准分子雷射是利用两种在常态下不起反应的气体，但在激发态会结合成不稳定分子后迅速解离而放出紫外光，取其『excited dimer』的字面而成之为excimer雷射。一般工业上常用的种类主要包括XeCl(308nm)，KrF(248nm)，ArF(193nm)三种波长的准分子雷射。准分子雷射是一种脉冲式的雷射，每个脉冲所能携带的能量是目前所有紫外光雷射中最高的。从准分子雷射是一种多模(Multi-mode)的雷射，一般输出的电射光束截面积约在数十个平方毫米，因此非常适合利用光罩做投影式的加工(Image projection system)方式。
Nd:YAG本身的波长为1064奈米(nanometer)，利用倍频技术可将频率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的转换,由于波长和频率成反比，因此分别可得到532、355、266及213奈米的雷射光波长，其中532为绿光，其余的皆为紫外光，一般简称为UV YAG 。UV YAG和准分子雷射光的主要差别在于倍频技术是相当低效率的能量转换方式，因此每个脉冲的能量通常都在1mJ以下，所能携带的能量相当的低，但由于UV YAG每个脉冲的时间比excimer小一个order(约4~7ns)，因此还是有足够高的尖峰脉冲功率来工作，再加上UV YAG的脉冲频率可达到1KHz以上,因此适合用在单点钻孔(single hole drilling)或直接刻写(Direct writing)的工作模式上。
紫外光雷射在钻孔上的应用随着电子工业越来越要求微小化的趋势,因其可达10μm直径，1μm精度的钻孔能力而越来越受重视。以目前印刷电路板的钻孔而言，已经有很大的比例由UV YAG的钻孔机来取代，钻孔速度快而精确。另外许多微小的过滤板，医疗用导管上的钻孔等，都必须利用紫光雷射才能达到其要求。
以准分子雷射而言，其最成功的钻孔应用为喷墨头上的喷墨板(inkjet nozzle plate)的喷孔钻孔应用。喷孔的要求要在Polyimide 的 TAB电路板上钻出300个50μm或更小的微孔，利用准分子雷射的光罩投影式加工可以在12秒内完成一组喷孔片的加工，而且良率可高达98%以上。
图(四) 准分子电射在Kapton-E上所钻出的喷墨孔
CO2雷射加工与印刷基板
图(五)所示为加工机的概念图以及装置例。由雷射振荡器来的激光束照射在光罩上，藉助控制镜扫描，并利用具有F-Θ特性的转映透镜，使投影在印刷基板上，加工出依光罩上孔径所规定的BVH。
钻孔之际，工作台为静止状态，藉由控制镜与fΘ透镜进行某一区域的钻孔。所采用的方式是钻完该区域的孔后，再驱动工作台依序加工下一扫描区域的逐步与反复(Step and Repeat)的方式，控制扫描的高速化﹕现在1000孔/秒的系统已经实用化。而且，藉由全像光学系统之采用，可以用4552孔/秒的速度做定形图样的超高速加工。
图(五) 短脉冲CO2雷射钻孔加工机概念图
图(六) BVH多层基板构造例
2-7 钻孔加工 (Drilling)
随着零件的迷你化，钻孔直径缩小化当属必然的现象。以往小孔径都是以高速纲钻头和深孔钻头进行小孔加工，这些钻头由于加工效率低，故无法满足目前性能要求。小孔径钻孔加工是属于外界供油加工，同时由于切屑排除困难，所以必须实行分段钻孔加工(step drilling)，因而欲缩短加工时间似乎不大可能。
图(七)是在小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例，而最容易发生的麻烦应该是折损，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔径几乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速钢钻头里对凿锋缘(chisel edge)有重大影响，很容易产生过当的止推力。同时会使同心圆的形状变差。结果将会导致材质性刚性相互作用，并使钻头产生挠曲，被钻穴弯曲、孔径扩大等，孔穴精度不良现象。为克服上述缺点之考虑及满足加工效、切屑排出及钻头形状、刚性等要求，开发能够从事小孔径稳定加工之极小直径内部供油钻头乃是迫不及
待之要务。
目前日本已经开发极小孔内部供油MZS型ZET1钻头。以往内部供油钻头充其量只能制作至ψ3mm的极小直径钻头，目前已有能力制作ψ2mm之内部供油钻头。
ZET1钻头之优点
1. 大且宽广排屑槽，故有良好的切屑排出性。
2. X形修整可获得很高的同心圆。
3. 在直径2mm极小的钻头里设有油孔，藉由内部供油可促进切屑强制的排出性。
4. 采用韧性极高之超微极超硬合金材质制作，故大幅降低钻头的折损率。
图(八) 各种钻头之孔精度比较
表1 各种加工方法之加工时间和粗糙度比较
Reference﹕
1. 利用超音波从事做细孔穴加工之现况 机械技术杂志(2000,01) 欧阳谓城
2. 微细孔放电加工的现状 机械技术杂志(2000,04) 叶思武
3. 电子束高速细孔加工 机械技术杂志(2000,01) 叶硕
4. 紫外光雷射雕刻的技术与应用 机械技术杂志(2000,04) 陈鸿隆
5. 雷射微细孔加工近况 机械技术杂志(2000,04) 叶方
6. 内部供油小直径钻头加工 机械技术杂志(2000,01) 青云
第三章 精密铸造（Precision Casting）
3-1 前言
精密铸造法是指使用非金属铸模，制品尺寸精度高于普通砂模铸件之铸造法的总称，包括脱蜡法(Lost Wax Casting或Investment Casting)，石膏模法(Plaster Mold Casting)和陶瓷模(Ceramic Mold Casting)法三大类。
3-2 脱蜡法精密铸造
3-2-1 特征与优点
(1) 铸件的最大界限长度为700mm，易作之长度在200mm以下。铸件之最大重量约100
公斤，一般常为10公斤以下。
(2) 铸件之尺寸公差20mm ±0.13mm，100mm ±0.30mm，200mm ±0.43mm，而小件之尺
寸精度不易达到 ±0.10mm以内。角度公差为 ±0.5~±2.0度，铸件最小厚度
0.5~1.5mm。铸件表面粗度约Rmax 4S~12S。
(3) 铸件材质几无任何限制，如铝合金、镁合金、钛合金、铜合金，各种钢材、钴基和
镍基耐热合金，硬材料。
(4) 制作形状复杂之工件，尺寸精度良好，切削加工少。
(5) 节省材料浪费，并可大量生产。
脱蜡精密铸件广用于喷射引擎、燃气涡轮、蒸汽涡轮、飞机零件、内燃机、
车辆、食品机械、印刷机械、制纸机械、压缩机、阀件、帮浦、计测仪、缝纫机、武器、事务机器、及其它机器零件。
3-2-2 制程
脱蜡铸造法有两大类：实心模(Solid Mold)法和陶壳模(Ceramic Shell Mold)法，后者为前者的改良法。
实心模法系在考虑蜡型的冷凝收缩量，铸模的加热膨胀量和熔融金属的冷凝收缩量之后，制作与最终铸件尺寸近似的模具。将融化的蜡质押灌注入此以金属或硅胶做成之模具内，取出蜡型后，浸入微粉耐火材料与粘结剂混泡而成之浆液。滴净之后，撒布粗粒耐火材料，使之干燥。放入铸框，将混练有粘结剂的耐火物粒填满之，然后干燥。接着加热使蜡质熔化流出来，作成铸模。以高温加热铸模，烧除少量残余之蜡质并提高其强度，接着注入金属熔液。
陶壳模法直到蜡型的制作都跟实心模法相同，只是在一次沾浆和淋砂（或浮砂）之后，并不进行包模作业，而是反复多次地进行沾浆和淋砂，直至获得预定的外壳厚度。干燥、加热、熔流出蜡质，高温加热再行浇注，这种方法为目前的脱蜡精密铸造业者所广泛采用，因其具有下列优点：
(1) 尺寸稳定性较佳
(2) 耐火材料使用量较少
(3) 重量轻，易于搬运、处理、制作大型铸件
(4) 制程可局部自动化，以节省人力，提高生产速率
(5) 生产成本较低
(6) 陶壳模较薄，浇注后铸件的冷却速率较高而均匀，故其机械性质较佳。
(A) 主模型(Master Pattern)
主模型的外形与最终制品的近似，制作时须将蜡的冷凝收缩，铸模的加热膨胀与
铸造金属的冷凝收缩列入考虑。例如蜡型的冷缩率是1.2%，铸模的热胀率是0.7%，
铸造金属的冷缩率是1.7%时，则主模型的尺寸增加率则为2.2%，常用的材质有铝
合金、铜合金和不锈钢等。
(B) 蜡型成形模
大量生产机械零件用之蜡型成形模一般均使用铝合金以机械加工的方法制成，此
时系根据客户所提供之蓝图加工，无须用到主模型。铝合金模由数件组成，射蜡
之前由手工组合、锁定、射蜡完成之后再以手工拆卸，取出蜡型，部份成形模系
利用主模型倒入或喷涂低熔点合金而作成，或将主模型挤压入超塑性金属板而成
形。
(C) 射蜡
常用的蜡质系凝固温度范围大者，以半固状态押入装于射蜡机的模具内部，押射压力常为7~12kg/cm2，有时为50 kg/cm2，制作蜡型时，须注意金属模温度，蜡的押入温度、押入压力、离模时间、蜡型的温度以获得尺寸安定性。因此射蜡室须保持恒温。
有时候使用塑料取代蜡，生产量大而不十分要求尺寸精度的小铸件使用聚苯乙烯，具有厚截面的大件则使用尿素树脂（尿素粒85%，聚乙烯醇粉末10%，水5%）但是押射压力须高达140 kg/cm2
(D) 心型
形状简单的中空制品，有细长孔，狭深沟的制品或中空部份的形状复杂而涂覆浆无法附着的制品均须使用心型(Core)。心型的种类有金属心型，可溶蜡心型和陶心型。
金属心型法是先将金属心固定于金属模中，注入蜡后凝固，将金属心型从蜡型中抽出，这局限于中空部份形状简单的制品才能采用。中空部份形状较为复杂或内孔曲折者，可用可溶蜡作成心型，固定于金属模内，注入蜡质凝固后，将蜡型浸泡水中，溶出心型。但是，可溶蜡作成的心型强度不佳，易于折断，因此，中空部份细长者，可使用氧化铝粉，尖晶石粉、钛酸钡粉等与硅酸乙酯、胶硅土或树脂等粘结剂混合作成陶心型，于成品浇注，疑固后，再以溶剂将陶心型溶出。涡轮叶片(turbine blade)之中空部份即使用这种方法作成。
(E) 组树
小工件的蜡型须以人工的方式逐件地焊粘于浇流导上面，组装成蜡树，这是脱蜡铸造濧全工程中最耗费时间的一导步骤，组树时系用平头型的电烙铁热熔树干或基板和蜡型，再予以粘合。装配时应注意的事项如下：
(1) 尽量将多个蜡型组装成一群
(2) 组装时应使蜡型于熔融时易于沿着树干或基座流出
(3) 装配成品部份应最先凝固，浇池最后凝固
(4) 浇注、凝固后，工件易于从树干或基座上切断
(F) 沾浆与淋砂
组树先以丙酮或酒精洗净蜡型表面的离型剂、油脂等，接着，浸泡入粘结剂与微粉耐火材料泡成之浆液，滴尽过剩的附着浆液，然后淋撒耐火物小粒，予以干燥，这项操作的重点在于均匀涂浆于蜡型表面，并且不使气泡附着、残留。如此反复多次，直到获得预定的厚度，操作的次数及陶壳的厚度系视工件的尺寸与重量而定，其厚度须能支撑浇注时金属熔液的重量与挣压力而不致破裂。
浆体的主要成份业界多使用硅酸胶(colloidal silica)，填充剂则使用锆粉，其重量比约为1:35，浆体须添加适量的润湿剂（使浆液易于附着在蜡型表面）和消泡剂泡浆后须经十二小时的搅拌才可使用，浆体的管理项目有粘度，比重和PH值。
第一层之面浆使用填充剂添加量较多的高粘度者，第二层以后的背浆使用低粘度而渗透性较佳者，浆桶附近须保持22~25℃，以防止浆液迅速老化。
在浆液滴毕未干之前，撒布粗大的耐火物粒，撒布的方法一般使用简易而效果较佳的净砂桶，少数使用淋砂机，涂覆层内侧部份使用50~100目的细粒，往外侧则增粗为20~40目，干燥于输送带式，控制温、湿度的强制送风干燥室内进行。 (G) 脱蜡与烧成
工业上使用的方法是将涂覆的蜡型组树放入高压容器内锁紧，通入150℃的蒸汽加热，使蜡质讯速地熔化、流出，烧成的目的在于使残附铸模表面的少量蜡质完全燃烧，去除，并提高铸模的强度，铸模的烧成温度在700~1100℃之间，视浇注
金属的材质而定，时间为20~60分钟，铸模取出加热炉之，随即进行浇注，以使
铸件具有良好的金相组织。
3-3 石膏模法
石膏之化学成份以硫酸钙为主体，依结晶水的方式而分成无水石膏(CaSO4)，半水石膏(CaSO4 ，1/2H2O，烧石膏)和二水石膏(CaSO4，2H2O)三种，石膏模法限用于生产非铁合金铸件，具有下述特色：
(1) 适于非量产之精密铸造，铸模费用高。
(2) 铸件表面平滑，尺寸精度高，形状复杂，表面有微细凹凸（例如12μm）也能铸出。
(3) 由于冷却速率小，可铸出薄壁铸件，如0.6~1.5mm。
(4) 铸造应变小，组织与机械性质均匀。
(5) 制造成本高，为砂模铸件的5~10倍，从造模干燥到浇注，需时2~3日。
(6) 石膏模之热传导性不佳，铸件易生收缩缺陷，良品率较低。
(7) 石膏模的透气性不良，浇注时需加压或减压，。
铸模用石膏系以石膏为粘结剂，配合多种添加剂，以提高其耐火度，降低干燥时之收缩应力和加热烧成时之膨胀应力。
3-3-1 作业工程
(1) 模型与离型剂
模型的材质可使用金属、橡胶、木材等，使用木制模型须先加以涂装以防止产生渗粘现象，离型剂有溶解于灯油之硬脂酸，凡士林、硅利康滑脂等。
(2) 混水与搅拌
水使用纯水或性质相近者，半水石膏粉的混水量30~35%之间，以螺旋状叶片于容器内搅拌均匀，成奶油状浆体，在浆体有充分流动性的期间倒入装有模型的成形框内，略为施以振动或施以10~10-1torr之减压以脱泡，避免气泡沾附于模型表面，此时半水石膏产生水和反应，浆体的粘性上升，失去流动性，凝结而硬化，形成二水石膏，随结晶成长发热，引起凝结膨胀，历数十小时才结束膨胀。
(3) 干燥
干燥石膏模法全工程中最耗费时间，也是最重要的步骤，急热会造成铸模破裂，因此应设定数段干燥温度，缓缓升温、加热，最终干燥温度为200~230℃，铸模反应，去水而成无水石膏。干燥装置最好使用温度自动控制的热风强制循环排风式电气干燥炉，炉内温度分布均匀，以缩短干燥时间，即直接设定最终干燥温度，铸模也很少产生破裂的情形。
3-3-2 利用石膏模的脱蜡铸造法
牙科用、戒指、首饰、装饰品和小型工艺品均应用这种方法作成，石膏作为粘结剂用，主体为白硅石等耐火材料。
将金属制作之成品原模型，放在两片橡胶之间，放于热压机上加热加压，使橡胶产生永久变形，而形成模型物之空模穴。将两片橡胶对合、锁紧，使注入口紧靠于注蜡机之注出口，以0.2~0.5 kg/cm2 之力力将熔蜡注满橡胶模。
冷凝之后打开橡胶模，取出蜡型，使用低功率之烙铁局部熔化蜡型，将之焊接于充当流道之蜡干上，进行组树作业，将组树放入不锈钢环内，倒入石膏浆，然后振动和真空脱泡。
石膏模硬化后在室温放置12小时以上，使用电炉(120~150℃)或压力钠蒸汽脱蜡，脱蜡后的铸模缓缓升温到650~800℃烧成，将渗附于石膏表面的蜡质完全烧除。残余蜡质燃烧不完全时，成为碳残留会在铸件表面形成缺陷。
在烧成温度保持一段时间，使铸模内外温度均匀，在炉内徐徐冷邿到适于浇注的温度，然后取出石膏模放入真空铸造机或离心铸造机内进行浇注。首饰如戒指、胸针等形状十分复杂，具有细微凹凸纹路之成品均以离心铸造法制成。铸造机附设有高周波加热装置以熔化坩埚内之贵金属，再藉离心力(400~1000rpm)使熔融金属注满石膏模，冷凝后锤打不锈钢环，取出石膏模，再以水枪冲散石膏，取出铸件处理之。
如佛像花瓶或其它较大件之工艺品则使用真空铸造机制成。
3-4 陶壳模法
陶壳模铸件大都是少量生产，不易机械化、自动化、成本高，因而，其适用范围颇受限制，主要对像有：
(1) 本为焊接而成者可一体铸成
(2) 切削性不良的材料可大减细加工量
(3) 美术工艺品形状复杂者
跟脱蜡铸造比较，可作成大铸件或厚肉件或者在数量上脱蜡铸造法嫌太少
者。适用制品有：
(1) 各种金属模具：压铸用、塑料成形用（射出成形、热压成形）玻璃制品用、橡胶制
品用、锻造用。
(2) 叶片：大型蒸汽涡轮，各种动叶轮
(3) 零件：电子导波管、飞机用安定器、阀体等
陶壳模法系以硅酸胶溶体为结合剂，混合耐火材料粉末填充剂及胶凝体化促
进剂，作成浆体。将有充分流动性的浆体浇覆于模型表面，待浆体凝结，后脱模，以700℃脱水，干燥，以1000℃烧成以提高强度，做成陶壳模。陶壳模的厚度为3~20mm，浇注大型铸件时，其背面须衬垫，以托撑材料以承体金属熔液之重量。
模型材料在量少时使用表面处理过的材料，大量生产时使用金属或树脂，填充剂使用高纯度、高熔点的耐火材料以防止与熔融金属产生反应，其材质依浇铸金属的种类而定，耐火材料的粒度分布是大粒子混以小粒子粉粒，可获得适度的强度与表面度，胶凝体化促进剂使用的目的在于加速结合剂的固化，一般使用碱性物如碳酸铵等。
调整填充剂与结合剂之重量百分比，可控制浆体之流动性，陶壳模之强度与透气性。填充剂之使用量使泡成浆体之体积为结剂体积的1.5~2.5倍。
陶壳模之背托撑模可以使用干燥模、油砂模、二氧化碳模，也可以使用永久性的金属模。陶壳模在浇铸前须预热，浇铸钢铁材料为500℃，低熔点金属则为200℃，浇铸中或浇铸后，最好是于惰性气体中进行以防止氧化或脱碳之发生。
第四章 净形成形技术 （Net Shape Forming Technology）
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4-1 前言
金属塑性成形产业为能促进产业升级，提升竞争能力并积极介入潜力雄厚之电子、计算机产业，板材冲锻复合成形之制程技术、模具设计与制造技术及自动化生产技术之研发与应用，实为一重要课题；另基于降低生产成本、减轻产品重量、简化零件设计与制造及提升产品附加价值等目的，金属塑性成形领域正积极朝向高精度净形成形技术发展。
4-2 何谓净形成形（Net Shape Forming）
净形成形之定义如下：
(1) 相对于传统塑性成形（Plastic Forming），可得较小之后续机械加工，即可符合零件
之尺寸及公差要求之成形制程。
(2) 成形零件局部重要位置不须后续机械加工，即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制
程。
(3) 在符合零件之尺寸及公差范围内，锻件可不须后续机械加工之成形制程。
4-3 塑性加工制品高精度化之因素
金属塑性加工现正朝着三大目标发展：
1. 制品精密化（净形零件开发）
2. 制程合理化（以最小投资成本及生产成本为制程整合与应用之原则）
3. 自动化、省力化
日本塑性加工学界大师工藤英明教授于其所发表之“精密锻造的现状与未来“中提到了塑性加工高精度化之因素（如图一所示）。由图一中可知，为能满足21世纪工业竞争之趋势与潮流：省能源、省资源、高效率化；价值观多样化；制品轻细小化等需求，并进而提升塑性加工业界之国际竞争能力，塑性加工制品不得不结合自动化生产与组装并提升其制品之精度。
图（一） 请点选
塑性加工制品精度提升之需求，可由下列几项因素反映之：
1. 减少后续加工
2. 零件形状一体化、复杂化
3. 流线切断极小化
4. 高附加价值化
5. 表面平滑化
6. 细密加工化
4-4 板材流动控制成形法（Flow Control Forming），简称FCF
1. 板材流动控制成形法（FCF）简介
(1) 近来，于塑性成形领域，制造净形零件（不须后绩加工），以降低生产制造成本
之需求日益殷切，于板金成形制程中有效的加入冷间锻造制程为一极有效的方法，
因此FCF制程因应而生。此专有名词，其实质之制程为板金成形与冷间锻造之合技
术。（如图二所示）
图（二） 请点选
(2) FCF制程是对材料的塑性流动进行精确控制，其可提升产品精度，于零件不同部位
获得不同之尺寸、厚度要求，补偿了板金成形之缺点，以加工出高附加价值的复杂
形状制品，这种加工方法将开创塑性 加工新领域，预期此将取代部份成形＋切削、粉末冶金与压铸等技术，并扩大塑性加工的使用范围。
(3) FCF制程因采用板材下料的方式，故于生产技术中，大都采用板金成形之生产方式。
微小形零件一采用连续冲模自动化生产。
1. 小型零件一采用连续冲模自动化生产。
2. 中、小型零件形状较杂，应用工序较少者-采用胚料传送自动化生产。
3. 中、小型零件形状较复杂，应用工序较少者-采用复合模具，实施人工生产或
结合机械手（robot）之自动化生产。
(4) FCF制程工件成形应力较冷间锻造制程者小，如图（三）所示。
图（三） 请点选
(5) 图（四）所示为板材冲锻成形制程所包含之冷间锻造与板金冲压基本工序。
图（三之一） 请点选
4-4-2 应用FCF制开发之产品例（Helical cup）Helical cup冲锻件如图（四）、图（五）所示。
图（四）应用冲锻复合技术开发之耳机轭
图（五） 应用冲锻复合技术开发之零件
(1) Helical cup应用传统冷间锻造制程，如图（六）所示。
图（六） Helical cup传统冷间锻造
(2) Helical cup应用FCF制程，如图（七）所示。
图（七） 请点选
4-4-3 板材流动控制成形（冲锻成形）之优劣点
因板材冲锻成形制程采冲床加工方式（生产速度高）且为净形零件制造制程，除必要之螺纹加工外，无后续机械加工，故其制造成本远低于他种零件制造制程，经实绩印证，其可取代下列制程技术所生产之产品。
1. 脱腊铸造法
2. 压铸＋切削加工
3. 冲压加工＋切削加工
4. 切削＋研磨
5. 嵌合、焊接之组合零件
（一）板材冲锻成形制程之优点
1. 产品之高精度安定化
2. 产品开发时程大幅缩短
3. 整体加工成本大幅减低
4. 产品强度增加（流线未被切削破坏、加工硬化等）
5. 因强度增加，产品可小型化、轻量化
6. 因采冲床加工，产品可大批量稳定供应
（二）板材冲锻成形制程之缺点
1. 与冲压加工比较，模具局部位置承受极高之集中负荷，模具刚度之要求与设计为
重要之课题。
2. 若应用冷锻连续冲模制程开发微小或小型净形另件，因加工工序多，需求较宽台
面之冲床，且因连续模具有局部位置承受极高之集中负荷，故压床不能单纯采用一
般之冲庄冲床或冷锻冲床；须选用高精度，高刚性且滑块运动特性特别要求之成形
设备。
3. 模具精度要求高故模具制作费用极高，非为一般之冲压模具与冷锻模具所能比拟，
故适合大批量之零件生产。
4-5 摆辗锻造（Orbital Forging）
4-5-1摆辗锻造之基本原理及类型
摆辗锻造是1960年代始出现的一种压力加工制程，相关之研究及开发工作主要集中于英国、波兰、西德、日本及中国大陆等国，近年在欧洲（德国、波兰、瑞士）、中国大陆及日本等国已经成功的应用于汽机车、机床、电器、刀具及五金等产业零件之生产。由于此一制程具备省力（为传统压床锻造成形负荷的1/5~1/20）、精度高、无震动、噪音小与设备投资少的优点，因此可以预期在环保法规愈趋严格的末来，本制程必将得到愈来愈广泛的应用。
摆辗锻造为一项新的加工技术、加工时因模具与工件是呈局部接触的方式，故其所需的锻造负荷较传统制程为小，因而锻造加工机的出力和模具受力同样减低，但因摆辗锻造在成形机构与成形原理均和传统锻造方式有别，所以必须考虑到不同的制程参数。
（一）基本原理
摆辗锻造之基本原理如图（八）（a）所示，其上模之中心线0’0相对于下模中心线
Z0倾斜了一个小角度γ，因此在成形时作用力仅作用于工件表面之局部区域如图（八）（b）