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2 11.1 11-1 前言 11.1　非傳統切削加工 11.2　粉末冶金 11.3　金屬射出成形 11.4　電鑄成形

3 ▲特殊加工方法，在機械製造產業中將扮演著日益重要的角色。
11-1 ▲有特殊加工方法的發展及應用，其目的是為了達成生產上述許多特殊的要求，若使用傳統成形加工方法很難達成，或甚至無法加工的機械零件。尤其是在非金屬材料被使用逐漸普及的今日，以傳統金屬材料為主要探討對象的加工方法，已不能滿足現代機械製造的發展趨勢。 ▲特殊加工方法，在機械製造產業中將扮演著日益重要的角色。

4 11.1　非傳統切削加工 11-1 ▲非傳統切削加工(Nontraditional or Nonconventional machining process)的特點是加工過程中，產生的切屑為原子到次微米尺度的大小，故與一般傳統切削加工比較時，其材料移除率很低。

5 ▲非傳統切削加工適用的場合為: 工件材料的硬度和強度非常高 工件外形太細長，無法承受切削力或磨削力；或是工件夾持發生困難
11-1 ▲非傳統切削加工適用的場合為: 工件材料的硬度和強度非常高 工件外形太細長，無法承受切削力或磨削力；或是工件夾持發生困難 工件形狀太複雜，以致很難或無法利用傳統的成形加工方法製造 工件加工面的表面平滑度或尺寸精度要求非常嚴格 工件在加工過程不能發生溫度升高或有殘留應力的出現

6 ▲非傳統切削加工的另一項特點是移除材料所使用的能量形式，和傳統切削加工所使用的機械能有很大的不同，其主要的形式有下列四種:
11-1 ▲非傳統切削加工的另一項特點是移除材料所使用的能量形式，和傳統切削加工所使用的機械能有很大的不同，其主要的形式有下列四種: 1.化學能(Chemical energy) 2.電化能(Electrochemical energy) 3.電熱能(Electrothermal energy) 4.機械能(Mechanical energy)

7 11.1.1 化學加工 ▲化學加工(Chemical machining，CM)是利用化學 溶液的腐蝕作用，將工件材料不要的部位去除，
11.1.1　化學加工 11-1 ▲化學加工(Chemical machining，CM)是利用化學 溶液的腐蝕作用，將工件材料不要的部位去除， 因而改變其形狀和尺寸的加工方法

8 ▲化學加工主要應用的方法有化學銑削(Chemical milling，CHM)，如圖11.1所示，其加工步驟為:
11-1 ▲化學加工主要應用的方法有化學銑削(Chemical milling，CHM)，如圖11.1所示，其加工步驟為: 1.清潔(Cleaning) 2.遮蔽及畫線(Masking and scribing) 3.腐蝕(Etching) 4.清洗(Washing)

9 缺點有不適合加工窄深的槽或孔，腐蝕液對人體有害，和加工速度緩慢等。
11-1 化學銑削的優點有不受工件材料硬度及強度的限制，可以加工薄、大、易變形的工件，可同時加工多個工件，產品表面平滑度良好，設備簡單且操作容易，和加工費用低等。 缺點有不適合加工窄深的槽或孔，腐蝕液對人體有害，和加工速度緩慢等。

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11 11.1.2　電化學加工 11-1 ▲電化學加工(Electrochemical machining，ECM) 是利用金屬在電解中產生陽極溶解的電化學反應 原理，使金屬材料不要的部位被去除而成形的加 工方法。 常用的電解液有氯化鈉(NaCl)、硝酸鈉(NaNO)、氯酸鈉 (NaClO)等，其中以氯化鈉電解液最為普遍，如圖11.2所示

12 ▲電化學加工的優點有: 應用的工件材料範圍廣，只要可以導電的材料都可以被加工，不受其硬度及強度大小的影響
工具陰極不與工件直接接觸，故損耗少且可用容易加工成形的較軟材料製成，例如銅合金 工件加工面的表面粗糙度良好，不會產生毛邊，也沒有殘留應力產生 可一次加工完成複雜的形狀，生產率高，加工速度比放電加工快許多倍 11-1

13 11-1 ▲電化學加工的缺點有: 電解液具有腐蝕作用。 電解液流動不易均勻，致使加工面的精度難以嚴格控制。 只適用於具導電性的工件材料

14 ▲電化學研磨(Electrochemical grinding，ECG)是結合電化學加工和機械研磨作用對金屬工件進行加工的方法。
11-1 ▲電化學研磨(Electrochemical grinding，ECG)是結合電化學加工和機械研磨作用對金屬工件進行加工的方法。 ▲陰極工具為導電磨輪並附有突出於外的磨粒。磨粒本身並不導電，可用於隔離工件和導電磨輪，並且可刮除工作表面上因電化學作用所形成的薄膜，以利電解作用的持續進行。

15 ▲利用此法加工硬且韌的材料時，可得到高加工效率，且磨輪的磨耗率較低。
11-1 ▲利用此法加工硬且韌的材料時，可得到高加工效率，且磨輪的磨耗率較低。

16 11.1.3　電子束加工 11-1 ▲電子束加工(Electron beam machining，EBM)是將工件置於真空室中，利用電子槍射出電子束，經電磁場加速後，以非常高的速度撞擊工件表面，並在極短的時間內此動能將轉變成為熱能，使工件受撞擊部位的材料熔化或氣化，因而產生去除材料的作用。

17 電子束直徑可小到0.05mm，適合於加工微小的深孔及窄縫。 可用於半導體產業中光罩的製作。
11-1 電子束直徑可小到0.05mm，適合於加工微小的深孔及窄縫。 可用於半導體產業中光罩的製作。 優點為不太會對工件造成熱應力或殘留應力等不良的副作用，也沒有工具損耗的問題，易於實現自動化生產。 缺點則為設備昂貴，加工時會產生有害的X射線，且工件大小受到真空室空間容量的限制。

18 11.1.4 雷射束加工 ▲雷射可調整其光束的大小，在加工領域的應用有切割、鑽孔、銲接、標誌(Marking)和熱處理等
11.1.4　雷射束加工 11-1 ▲雷射可調整其光束的大小，在加工領域的應用有切割、鑽孔、銲接、標誌(Marking)和熱處理等 ▲用以產生雷射的工作介質有固態、液態和氣態，例如紅寶石、銣釔鋁石榴石(Nd：YAG)、氬氣、CO氣體等。 ▲雷射的種類有可見光、紅外線和紫外線等，產生光波的形式可分為脈衝式和連續式。

19 ▲影響雷射束加工效果的因素包括雷射本身所具有的功率等特性，使用的輔助氣體，和工件表面對雷射的反射率及工件材料的熱傳導性等性質。
11-1 ▲影響雷射束加工效果的因素包括雷射本身所具有的功率等特性，使用的輔助氣體，和工件表面對雷射的反射率及工件材料的熱傳導性等性質。

20 11.1.5　放電加工 11-1 ▲高壓電作用下，瞬間形成放電通路，產生火花放電而得到密度極高的電子流，並在流通處產生大量熱能，且於短時間內集中作用於欲加工的小區域範圍內，使其快速成為高溫狀態，導致金屬熔化或氣化。

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22 ▲優點: 各種複雜形狀、細小孔、深孔、薄片工件和易碎材料等，加工過程中不會產生切削力所引起的殘留應力或變形
11-1 ▲優點: 各種複雜形狀、細小孔、深孔、薄片工件和易碎材料等，加工過程中不會產生切削力所引起的殘留應力或變形 工件精度會因電極工具的消耗而產生誤差，和加工面會產生硬化層等。放電加工應用最多的是模具業

23 11.1.6　放電線切割 11-1 ▲放電線切割(Electrical discharge wire cutting， EDWC)的基本原理與放電加工相似，利用一根直 徑很細的線作為電極，經放電作用產生火花將工 件材料局部熔化，並進行類似鋸切操作的加工， 如圖11.4所示。 利用電極線由上往下垂直運動的方式進行切割，且電極線用 過以後即丟棄。放電線切割可配合電腦數值控制(CNC)製作 外形輪廓準確的產品，應用最多的也是模具業

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25 11.1.7　電漿電弧加工 11-1 ▲電漿電弧加工(Plasma arc machining，PAM)是利用電弧將氣體加熱至高溫，使變成部份離子化的導電性物質，稱之為電漿，主要使用的氣體包括氮、氬、氫和空氣等。具高溫的電漿可被用來切割薄板工件，或快速生產高品質的孔，對工件材料的移除率比電子束加工或雷射束加工都高。

26 11.1.8 放電研磨加工 ▲放電研磨加工(Electrical discharge grinding， EDG)的原理和放電加工相類似。
11.1.8　放電研磨加工 11-1 ▲放電研磨加工(Electrical discharge grinding， EDG)的原理和放電加工相類似。 唯一的不同處是放電研磨加工係採用石墨或黃銅製成不含磨 料顆粒的磨輪做為電極工具

27 11.1.9　超音波加工 11-1 ▲超音波加工(Ultrasonic machining，USM)是利用浸在磨料漿中的工具作高頻率(20000～30000 Hz)小振幅的往復振動，迫使磨料不斷地高速撞擊工件表面因而產生切削作用，如圖11.5所示。 ▲超音波加工主要應用於不導電的硬、脆材料，例如寶石、玻璃、陶瓷、碳化物等，也可用於加工難切削的高硬度和高強度材料，例如工具鋼、不銹鋼等。 ▲超音波加工的特點是工件受力小、沒有熱應力、機構簡單且操作方便，但加工效率較低。

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29 11-1 ▲超音波輔助加工(Ultrasonic assisted machining， UAM)是將超音波振動功能直接應用於傳統的切削刀具上，用來提升其切削能力。旋轉超音波切削(Rotary ultrasonic machining，RUM)則是利用高速旋轉且同時以高頻率上下振動的刀具，直接對工件接觸以進行切削加工。刀具材料為鑽石，主要用於硬、脆材料的精密加工。

30 　磨料噴射加工 11-1 ▲磨料噴射加工(Abrasive jet machining，AJM)是 以高速氣流中所含的細小磨料顆粒，撞擊工件表 面產生移除材料的作用，如圖11.6所示。 常用的磨料為氧化鋁，也可使用碳化矽。其顆粒大小要比珠 擊法所使用者更細 其缺點為加工速率較慢，且不適用於軟材料的加工

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32 　水噴射加工 11-1 ▲水噴射加工(Water jet machining，WJM) 又稱為 流體動力加工(Hydrodynamic machining，HDM) 或水刀加工(Water jet cutting)，是指利用增壓至 高壓狀態的細水束，以極高的速度經噴嘴射到工 件上進行切削作用的加工方法。 水噴射加工的優點是可從工件的任何位置開始加工，沒有熱 影響的問題，工件毛邊極少，切口平整光滑，切屑同時可被 高速的水帶走，且用水當工作介質，其價格便宜又不污染環 境及工件，故可切割食品。

33 ▲磨料水噴射加工(Abrasive water jet machining，AWJM)是在噴射水束中添加磨料顆粒，例如碳化矽、氧化鋁等。
11-1 ▲磨料水噴射加工(Abrasive water jet machining，AWJM)是在噴射水束中添加磨料顆粒，例如碳化矽、氧化鋁等。

34 11.2 粉末冶金 ▲粉末冶金的優點有: 11.2 屬於無屑加工的一種製程，產品成形時沒有材料的損失，故可節省材料成本。
11.2　粉末冶金 ▲粉末冶金的優點有: 屬於無屑加工的一種製程，產品成形時沒有材料的損失，故可節省材料成本。 可生產複雜形狀、公差小及表面精度優良的產品，並可免除或減少後續切削加工的要求。 可製造特別結構的零件，例如具有自潤作用的多孔性軸承，做為分隔或調節流體用的多孔性過濾器等。 11-2

35 可用於高熔點材料的成形加工，例如燈泡內的鎢絲、碳化物刀具等。
可將兩種不能互溶或熔點差異過大的金屬或非金屬結合在一起製成產品，例如馬達用電刷的銅和石磨、軸承用的銅和鉛、耐磨材料的鎳和氧化鋁等。 11-2

36 ▲粉末冶金的缺點有: 粉末原料較昂貴，有時又會因貯存問題發生材質劣化。 模具設備成本較高，故只適用於製造少樣多量的產品。
受限於粉末顆粒的流動性比不上液態，因此產品的大小及形狀有其限制。 燒結所得產品的密實度不如鑄造或鍛造所得者，故其機械強度和韌性較差。 11-2

37 燒結過程中，對於低熔點粉末，例如錫、鉛、鋅、鎘等，有 還原反應方面的困難。另外，對於鋁、鎂、鋯、鈦等粉末， 使用時可能會發生起火或爆炸的危險
▲粉末冶金是以金屬或非金屬為原料製成粉末，混 合後經壓製成形和高溫燒結的製程，再經完工處 理而得到產品的一種加工方法，其主要製程如圖 11.7所示。 11-2

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39 11.2.1 粉末製造 ▲粉末製造的方法包含: 1.噴霧法(Atomization method)
11.2.1　粉末製造 ▲粉末製造的方法包含: 1.噴霧法(Atomization method) 2.還原法(Reduction method) 3.電解法(Electrolytic method) 4.碳醯法(Carbonyl method) 11-2

40 ▲主要的製造方法有: 5.機械法(Mechanical method)
利用機械產生的力量將材料粉碎成粉末的方法，產生力量的機制包括衝擊、研磨、剪力和壓縮等。 ▲主要的製造方法有: 切削法(Machining) 球磨法(Ball milling) 冷流衝擊法(Cold stream impact process) 11-2

41 ▲粉末的特性包括: 1.形狀(Shape) 2.粒度(Particle size) 3.密度(Density)
4.流動性(Flowability) 5.壓縮性(Compressibility) 6.化學性質(Chemical property) 11-2

42 11.2.2 混合與成形 ▲粉末冶金製程的第二個步驟為混合(Blending)， 其目的有三:
11.2.2　混合與成形 ▲粉末冶金製程的第二個步驟為混合(Blending)， 其目的有三: 將形狀和尺寸大小不同的各種原料粉末依比例加入摻和，使 得到均勻的分佈狀態 藉由添加不同金屬及其他材料的粉末，使產品獲得特殊的物 理或機械性質。 添加潤滑劑以降低粉末顆粒間的摩擦，增進粉末在模具內的 流動性。 11-2

43 ▲混合過程需特別注意控制操作的環境及條件，避免發生劣化或污染，以致影響產品的品質。
▲傳統的壓製法(Pressing)是將混合好的粉末置於模具中，利用壓床施加壓力使之成形。 ▲離心成形法(Centrifugal compacting)是利用離心機的高速旋轉，使模穴中的粉末顆粒產生向外周粉末顆粒撞擊的壓力，其原理和離心鑄造法相同，特別適合碳化鎢等重金屬的成形。 11-2

44 ▲為改善傳統的壓製法對毛壓胚施加壓力不均勻的. 缺點，發展出可產生各方向壓力都相等的流體壓
▲為改善傳統的壓製法對毛壓胚施加壓力不均勻的 缺點，發展出可產生各方向壓力都相等的流體壓 力對粉末加壓成形的均壓法(Isostatic pressing) 。 其優點為可免除粉末顆粒與模壁的摩擦作用。 可製造較高之長度對直徑比的零件。 均一強度及韌性等機械性質和良好表面特性的產品。 11-2

45 ▲依操作溫度的不同可分為: 1.冷均壓法(Cold isostatic pressing，CIP)
將粉末置於由合成橡膠、可塑性塑膠或其他彈性體製成的容器內，以水或油等流體施加靜壓，使用的壓力約400～1000 Mpa。 2.熱均壓法(Hot isostatic pressing，HIP) 將粉末置於由高熔點金屬板製成的容器內，利用惰性氣體施以加壓及加熱的作用，使用的壓力約100～300 MPa，加熱溫度約480～2000 ℃。 11-2

46 11.2.3　燒結與完工處理 ▲燒結的機制極為複雜，視製程參數和粉末顆粒的成分而定，可分為兩大類，包含因相臨接觸的粉末顆粒間擴散作用而產生鍵結的固態燒結，如圖11.8(a)所示；和因較低熔點粉末熔化後形成的表面張力作用而包圍未熔化顆粒的液相燒結，如圖11.8(b)所示。 11-2

47 ▲影響燒結的製程參數有溫度、時間和燒結爐氣氛。
燒結溫度通常為主要成分金屬或合金熔點的70～90％以內 燒結時間從鐵及銅合金的10分鐘到鉭及鎢的8小時；燒結爐內的氣氛包含氫氣、氮氣、情性氣體、裂解氨、天然氣和真空等，目的在防止粉末氧化以得到最佳的產品品質。較常用者如表11.1所示 11-2

48 ▲燒結產品可利用珠擊或滾動等機械加工，或以蒸鍍、電鍍或油漆等方式，在其表面上形成鍍層，可增進美觀及提升耐蝕能力。
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51 11.3 11.3　金屬射出成形 ▲金屬射出成形(Metal injection molding，MIM)適用於傳統加工不易達成的小型、複雜形狀的三次元精密金屬零件的大量製造。其製程如圖11.9所示。 11-3

52 1.原料選擇(Material selection)
使用的各種金屬粉末粒徑約在5～15 €%μm之間，小於粉末冶金經常使用的5～100 €%μm。同時，需選用適當的高分子或蠟基材料做為結合劑(Binder)，其功能為提供微細粉末在成形過程的流動性和毛壓胚的保形性。依不同的結合劑決定不同的脫脂方式和製程參數，且會影響到產品的尺寸和形狀精度。 2.混合(Blending) 3.造粒(Pelletizing) 4.射出成形(Injection molding) 11-3

53 金屬射出成形和粉末冶金比較時，前者產品的相對密度可達95～98％，而後者約為80～85％。
5.脫脂(Debinding) 6.燒結(Sintering) 金屬射出成形和粉末冶金比較時，前者產品的相對密度可達95～98％，而後者約為80～85％。 ▲金屬射出成形的優點為: 使用其他加工法不易或無法製造的複雜形狀產品，此法可容 易地利用執行一次製程即可生產 11-3

54 產品的相對密度可達95 ％以上，近似鑄造產品，具有良好的機械性質。
產品具有高精密度及良好的表面狀態。 產品的相對密度可達95 ％以上，近似鑄造產品，具有良好的機械性質。 所需的完工處理極少，易於自動化及無人化生產。 產品成形循環較快，適合大量生產。 11-3

55 11.4 11.4　電鑄成形 ▲電鑄成形(又稱為電積成形，Electroforming)是利用電解沈積(Electrolytic deposition)的原理，置於陽極上的金屬在通電後形成陽離子，經過電解溶液而沈積於陰極模型上，當形成一定厚度的實體後，與模型分離即可得到類似板金件的殼狀電鑄產品。 ▲電鑄成形的第一步為需先製作模型，其種類、功能及特性與用於鑄造加工者相同，但需注意的是有些模型材料若非導電體時，則必須先塗上一層導電的金屬膜才能使用。 11-4

56 ▲電鑄成形主要用於要求高精確度，內表面平滑及內孔形狀較複雜，而無法用砂心或機器加工製造的空心或薄壁零件。
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57 ▲電鑄成形的優點有: 沈積在導電體模型表面上的金屬可完全貼緊，故可得到極高的尺寸精確度及維持200 nm的內表面精度。產品具有良好的一致性
可製造極薄或層狀金屬，或純度極高的金屬產品 可製造產品內部或外部形狀極為複雜的零件，或零件表面需具有特殊的物理或冶金性質 11-4