硬質合金鎢鋼模具之加工製造技術開發

作者：

劉美儀、林彧甫、黃治尹

刊登日期：2023/11/30

摘要：鎢鋼模具，具有硬度高、耐蝕佳、耐高溫、耐衝擊、膨脹係數小及壽命高等優點，廣泛被應用於電子、汽機車、機械五金、民生電器、航太等領域的沖壓與金屬粉末壓製模具製作上。而集許多應用優點於一身的鎢鋼模具，卻因為硬度高的特性，導致在生產加工製作上困難重重。本研究提出有別於傳統使用鑽石磨棒研磨與放電加工(EDM)的方式，採用具有高加工效率的電解磨削製程搭配具高加工精度與表面品質的聚晶鑽石(PCD)刀具直銑製程，來改善現有鎢鋼模具加工效率不佳、電極/刀具耗損造成成本提高、模具表面殘留應力及大量依賴人工後續拋光的問題瓶頸。

Abstract：Tungsten carbide molds have the advantages of high hardness, good corrosion resistance, high temperature resistance, impact resistance, small thermal expansion coefficient and long life. And are often widely used in the production of stamping and metal powder pressing molds in the fields of electronics, automobiles, mechanical hardware, household appliances, and aerospace. Tungsten steel molds, which combine many application advantages, are difficult to produce and process due to their high hardness. This research proposes a method different from the traditional use of diamond rod grinding and electrical discharge machining (EDM). In this article, the electrochemical grinding (ECG) process with high processing efficiency and the direct milling process with polycrystalline diamond (PCD) tools with high processing accuracy and high surface quality are used to improve the bottleneck of existing tungsten carbide mold processing efficiency, increased costs caused by electrode/tool wear, residual stress on the mold surface, and heavy reliance on manual polishing.

關鍵詞：鎢鋼模具、電解磨削、聚晶鑽石刀具

Keywords：Tungsten carbide mold, Electrochemical grinding(ECG), Polycrystalline diamond(PCD) tools

前言

鎢鋼是碳化鎢的業界俗稱，英文是Tungsten Carbide，成份除了鎢（W）跟碳（C）之外，還添加了鈷（Co）以及其它的合金材料來增加它的機械性能，鎢鋼具有很高的硬度/密度、很好的耐腐蝕性、耐高溫、耐變形、耐高壓、耐衝擊、熱膨脹係數小及使用壽命高等許多優點，尤其是它的莫氏硬度高達8.5～9，且在高溫險峻的環境下，材料也不易氧化變質，所以常被使用來做為刀具的材料（如：車刀、銑刀、鑽頭、採礦設備用的鎢鋼齒…等），而隨著產品尺寸精度、表面品質及模具壽命要求日漸嚴苛的大環境下，近年來鎢鋼被用來作為模具材料的需求亦越來越多。鎢鋼材料因為硬到高、耐磨性佳，很難透過傳統車、銑、鉋、鑽等機械製程方式進行加工，業界普遍需要透過更高硬度的鑽石磨輪/磨棒來進行研磨加工，或者使用非傳統切削製程的放電加工（Electrical Discharge Mmachining，EDM），透過週期性的電流放電來加工鎢鋼材料。而上述的這些方法存在著刀具磨耗快速、效率低、成本高及加工後尺寸精度與表面品質不佳需依賴人工拋光等問題。針對提昇鎢鋼加工效率的部份，有學者梁宏偉[1]提出過電化學研磨加工技術，透過兩種製程複合加工來提升加工的效率，碳化鎢在電化學加工後，表面會有一層氧化層附著在鎢鋼工件表面而阻礙電化學加工，導致加工電流與效率都下降，因此需要藉由其它外力來移除氧化層，而電化學研磨加工中的研磨加工只佔材料移除的小部份比例，其作用是將材料表面氧化層去除，恢復原本電化學加工的電流與效率，而非做研磨切削主力，如此電化學與研磨製程交互作用，其加工效果會優於單純的電化學加工或者單純的研磨製程。范植堅[2]提出電化學反應於鎢鋼基材生成氧化物軟質層－鈍化膜，再輔以機械研削之方式有效地將其材料移除，電解磨削加工機制說明如圖1所示，有部分研究將電解磨削技術應用於活塞桿[3]之高精度加工或齒形刀片加工[4]等領域中；而改善鎢鋼模具加工品質部分，有學者[5]提出研究聚晶鑽石微型銑刀進行細晶粒鎢鋼模具上面加工品質的研究，引用系統化的實驗程序，包括製作PCD（聚晶鑽石）各種尺寸直徑的單刃立銑刀、監控加工條件的連續變化以及各種儀器的設置。通過實際實驗數據回饋，獲得最佳化加工表面質量的參數條件；Xian Wu[6]等人則針對聚晶鑽石（PCD）微型立銑刀直接銑削硬質合金進行了一系列的實驗研究，並整理歸納出不同幾何輪廓刀具之切削力特性、表面形貌和刀具磨損機制的關係。

圖1 電解磨削(ECG)加工機制示意圖[7]

高效率電解磨削加工技術研究

本研究利用電解磨削(ECG)加工技術來提高材料移除量，滿足鎢鋼材料之高效加工需求，該工法之機制為電化學反應於鎢鋼基材生成氧化物軟質層－鈍化膜，再輔以機械研削之方式有效地將其材料移除。另外，在電化學反應過程中，不同電解液之於鎢鋼材料將有著不同的氧化能力，導致產生不同加工效果，因此，本研究分成二個部分，第一部分為電解液的種類與配方亦為影響加工效能之關鍵因素，本研究將以提升加工效率為目標針對電解液進行配方研發與解析，找尋適用於鎢鋼材料加工之電解液；第二部分為研削動力監測自動進刀調整電解磨削模組，透過研削力監測評估研磨區域為硬質之鎢鋼材料或軟質之鈍化膜，並自動調整進刀速度，來進行加工驗證。

電解磨削技術之電解液

電解磨削加工之電解液需具備高氧化能力以致快速形成適當厚度之鈍化膜，因此本研究針對碳化鎢及鈷(選定之鎢鋼成分) 具有高度氧化能力之配方進行電化學極化曲線分析進行電解液氧化能力之評估，選擇可快速形成最大厚度與最低硬度之鈍化膜之電解液作為最適合之加工電解液，開發流程如圖2(a)。透過極化曲線，可了解電解液之電化學特性，如圖2(b)，極化曲線可觀察到，電流隨著電壓增加而增加，但反應過程中若有鈍化膜生成，會造成電阻增加導致電流下降，典型電化學磨削電解液之極化曲線分為幾個區域：

A-B區間：電流隨著電壓增加而增加。
B-C區間：鈍化膜可穩定生成，因此電流下降。
C-D區間：此區由於鈍化膜穩定存在，因此電流較低，稱為鈍化區。此區間之電壓範圍為ECG加工之適當電壓。
D-E區間：電壓過大而破壞鈍化膜，電流隨電壓增加而增加。

極化曲線中，具有鈍化區之電解液配方即為電解磨削加工適當電解液，同時，鈍化區之電壓範圍為適當之加工電壓。最後進行短時間之電化學測試，透過表面觀察，評估鈍化膜厚度。

(a) (b)

圖2 電解液配方開發流程(a)及典型電解磨削極化曲線(b) [8]

研削動力監測自動進刀調整電解磨削技術

電化學研磨加工其移除機制綜合了機械研磨和電化學反應，但二種機制在加工的過程中對於工件之反應與作用不同，就加工原理而言，電化學機制部分將於電極所對應之工件位置經由電化學反應使其產生軟質氧化物，而後由研磨砂輪之機械力將氧化物移除[2]，但電化學作用產生之氧化物厚度為何，且砂輪研削轉速和進給速度的選擇，其間搭配十分重要，若砂輪進給速度高於材料表面氧化速率，則被加工件表面氧化效果不足，將於加工過程中引發短路，導致砂輪壽命降低；若砂輪進給速度低於材料表面氧化速率，代表砂輪進給未能跟上工件的溶解速度，將使得被加工表面各處的金屬移除量不一致，而影響加工表面品質，因此研削動力監測自動進刀調整電解磨削技術透過研削動力監測機制導入(由於鈍化膜之於金屬材料之硬度不同，因此將感測到不同的磨削力)，建立鎢鋼材料之電化學反應參數與鈍化膜形成之間的關係，進而由控制端決定最佳切深與進給速度，確保砂輪之研削之處皆為鈍化膜結構。

適用鎢鋼加工之電解磨削電解液配方

使用碳化鎢及鈷黏結劑之鎢鋼進行電化學極化曲線分析，圖3為3種不同電解液配方之極化曲線，可觀察到圖3(a)和圖3(c)皆有鈍化區，圖3(b)配方之極化曲線中未觀察到明顯鈍化區，圖3(a)電解液配方在不同濃度下，皆能在鎢鋼表面形成穩定且緻密氧化物，因此不同濃度下之極化曲線中，皆能觀察到明顯鈍化區，而圖3(c)電解液配方僅在5 wt%之濃度下有鈍化區，當濃度提高後，極化曲線沒有明顯鈍化區，這可能是不同濃度下，表面生成物不同，在該酸鹼環境中無法穩定存在，使電化學反應持續進行，因此極化曲線中無法觀察到鈍化區。不同濃度圖3(b)電解液配方之極化曲線分析圖中，皆無明顯鈍化區，這是因為表面之生成物無法在該電解液環境中穩定存在，因此無明顯鈍化區。因此圖3(a)電解液配方為電解磨削加工最佳之電解液配方。針對圖3(a)電解液配方(5 wt%)進行短時間(1 s)之定電位(7 V)電化學反應，並觀察表面鈍化膜厚度，結果如圖4，發現此配方於1 s內就可達到20 μm之鈍化膜厚度，鈍化膜越快生成且穩定存在，表示實際加工之速度越快。