淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-0308201018102200
中文論文名稱 微切削之毛邊形成機制之探討
英文論文名稱 Study on Burr Formation in Micro-Cutting Process
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 賴炳宏
研究生英文姓名 Ping-Hung Lai
學號 697370269
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-23
論文頁數 95頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-趙崇禮
委員-周文成
委員-蔡志成
委員-趙崇偉
委員-楊詔中
中文關鍵字 精密元件  微切削  毛邊 
英文關鍵字 Precision Components  Micro cutting  Burr 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 微切削加工是近年來發展的新興技術,也是生產精密元件的重要技術之一。然而,在切削過程中所產生的殘留毛邊不只使得精密元件表面粗糙度惡化,也讓其光學和摩擦性能受到嚴重的影響。本研究之目的是探討微切削中毛邊的形成機制,並尋找有效的方法把毛邊的尺寸降至最低。此微切削實驗在不同切削深度、不同切削速度的加工參數下以34度的單點鑽石刀具予以完成。並進行直接切入法與螺旋切入的研究與分析,且對刀具的鋒利度、進刀率方向和刀具傾斜造成的影響進行了研究,並利用光學顯微鏡和電子顯微鏡來檢測加工後的試片表面及鑽石刀具。
結果表示,刀具切削刃的尖銳度對毛邊的形成有著重大的影響且毛邊的大小可以通過降低切削深度或增加切削速度來減少。這意味著,毛邊可利用鋒利的切削刀具和周密的切削規劃予以最小化。
英文摘要 Micro-cutting process is an emerging technology and is playing an important role in ultra-precision machining processes. However, the residual burrs generated during the cutting process not only worsen the surface roughness but also make the optical and tribological properties of the obtained component unacceptable. This study aimed to investigate the mechanisms of burr formation and to search for an effective way of minimizing burr. A 34 degree sharp single crystal diamond tool was used for micro-cutting experiments under various cut depths and speeds. Both plunge-cut and spiral-cut approaches were conducted and analyzed in the study. The influence of tool sharpness, cross-feed direction and unevenness caused by tilting the tool were also studied. Optical microscope and scanning electronic microscope were used to examine the obtained surfaces and the diamond tool. The results showed that, the sharpness of the tool cutting edge proved to have significant effect on burr formation. Burr size could be reduced by decreasing cut depth and/or increasing cutting speed. This means that burr can be minimized by using sharp cutting tool and carefully planned cutting sequences.
論文目次 目錄
中文摘要 ..................................................................................................... I
英文摘要 .................................................................................................... II
致謝 .......................................................................................................... IV
目錄 ............................................................................................................ V
圖目錄 ..................................................................................................... VII
表目錄 ........................................................................................................ X
第一章 緒論...............................................................................................1
1-1 前言 .............................................................................................. 1
1-2 研究背景 ...................................................................................... 3
1-3 研究動機與目的 .......................................................................... 5
第二章 文獻回顧與理論基礎 .................................................................. 7
2-1 金屬切削原理 .............................................................................. 7
2-2 切削力學理論 ............................................................................ 11
2-2-1 二維切削力學理論 .......................................................... 11
2-3 切削條件對切屑形成之影響 .................................................... 15
2-3-1 切屑的幾何 ...................................................................... 15
2-3-2 最小切削厚度 .................................................................. 17
2-3-3 切屑厚度及加工力量 ...................................................... 17
2-3-4 尺寸效應 .......................................................................... 18
2-3-5 剪切角的影響 .................................................................. 19
2-3-6 摩擦尺寸效應 .................................................................. 20
2-3-7 進給率的影響 .................................................................. 20
2-3-8 切屑流預測模型 .............................................................. 21
2-4 毛邊的形成與形狀 ..................................................................... 22
2-4-1 毛邊定義 .......................................................................... 22
2-4-2 毛邊型態及產生之機制 .................................................. 22
2-4-3 毛邊形成之分析 .............................................................. 25
2-5 刀具與切削條件之影響 ............................................................. 30
2-5-1 刀具導角(lead angle)的影響 ......................................30
2-5-2 導角與切深的影響 .......................................................... 31
2-5-3 進給率的影響 .................................................................. 31
2-5-4 毛邊預測模型 .................................................................. 32
2-5-5 毛邊移除 .......................................................................... 33
第三章 實驗設備與實驗步驟 ................................................................ 36
3-1 實驗目的 .................................................................................... 36
3-2 實驗規劃 .................................................................................... 36
VI
3-3 實驗設備及方法 ........................................................................ 38
3-3-1 加工工件與刀具: .......................................................... 38
3-3-2 加工方法 .......................................................................... 40
3-4 加工表面檢測 ............................................................................ 45
3-4-1 切削後表面之檢測 .......................................................... 45
3-4-2 毛邊寬度與長度之檢測 .................................................. 46
第四章 研究結果與討論 ........................................................................ 47
4-1 不同加工方法對滾筒微結構之影響 ......................................... 47
4-1-1 直接切入法與螺旋切入法之影響 ................................... 47
4-1-2 容許定位誤差 ................................................................... 49
4-1-3 刀具強度與加工參數 ....................................................... 50
4-2 直接切入法對切屑及毛邊的影響 ............................................ 51
4-2-1 進給向的影響 ................................................................... 51
4-2-2 左向進給 ........................................................................... 52
4-2-3 右向進給 ........................................................................... 54
4-2-4 切削深度的影響 ............................................................... 55
4-2-5 切削道次之切深的影響 ................................................... 59
4-2-6 切削道次與道次切深的影響 ........................................... 61
4-2-7 切削速度的影響 ............................................................... 68
4-3 螺旋切入法對切屑及毛邊的影響 ............................................. 74
4-3-1 螺旋向左(進給)切入之影響 ....................................... 74
4-3-2 螺旋向右(進給)切入之影響 ....................................... 76
4-3-3 螺旋向左切入之切削深度的影響 ................................... 77
4-3-4 螺旋向右切入之切削深度的影響 ................................... 78
4-3-5 螺旋向左切入之切削道次的影響 ................................... 81
4-3-6 螺旋向右切入之切削道次的影響 ................................... 82
4-4 螺旋切入法對溝槽疊合的影響 ................................................. 83
4-4-1 螺旋向左切入之影響 ....................................................... 83
4-4-2 螺旋向右切入之影響 ....................................................... 84
4-4-3 切削道次之影響 ............................................................... 86
4-5 刀具傾斜角對切屑及毛邊的影響 ............................................. 87
4-5-1 傳統與新式增亮膜之刀具傾斜角度 ............................... 87
4-5-2 不同刀具傾斜角度之影響 ............................................... 88
第五章 結論.............................................................................................90
參考文獻 ...................................................................................................92
VII
圖目錄
圖1-1 Roll-to-Roll 製程示意圖 ................................................................ 2
圖1-2 15〞TFT-LCD Monitor 各零組件成本比重 ................................. 3
圖1-3 背光模組的基本構造 ..................................................................... 4
圖2-1 正交切削與斜切削示意圖 ........................................................... 10
圖2-2 切削力關係圖 ............................................................................... 11
圖2-3 切屑形成模型 ............................................................................... 15
圖2-4 剪切角對切屑形成之影響 ........................................................... 17
圖2-5 未變形切屑厚度和切削速度對變形切屑厚度的影響 ............... 18
圖2-6 未變形切屑厚度和切削速度對切削力和推力的影響 ............... 18
圖2-7 未變形切屑厚度和切削速度對切削力和推力的影響 ............... 19
圖2-8 未變形切屑厚度和切削速度對具體切削能的影響 ................... 19
圖2-9 未變形切屑厚度和切削速度對摩擦係數的影響 ....................... 20
圖2-10 切削毛邊類型 ............................................................................. 23
圖2-11 刀尖形(K)毛邊 ...................................................................... 24
圖2-12 鋸開型(S)毛邊 ....................................................................... 25
圖2-13 破損型(B)毛邊 ...................................................................... 25
圖2-14 捲曲型毛邊(C)毛邊 .............................................................. 25
圖2-15 波浪型毛邊(W)毛邊 ............................................................. 25
圖2-16 正交切削中毛邊形成機制示意圖 ............................................. 26
圖2-17 最終毛邊幾何示意圖 ................................................................. 27
圖2-18 毛邊/破裂形成模型 .................................................................... 27
圖2-19 足部毛邊SEM 圖 ....................................................................... 28
圖2-20 毛邊形成機制示意圖Ⅰ ............................................................. 28
圖2-21 毛邊形成機制示意圖Ⅱ ............................................................. 29
圖2-22 導角對毛邊尺寸的影響 ............................................................. 30
圖2-23 於不同導角下切深對毛邊高度的影響 ..................................... 31
圖2-24 毛邊形成發展圖 ......................................................................... 33
圖2-25 黃銅與不銹鋼微結構中毛邊移除後的比較圖 ......................... 34
圖3-1 實驗規畫流程圖 ........................................................................... 37
圖3-2 實驗材料 ....................................................................................... 38
圖3-3 柳松單晶鑽石尖刀 ....................................................................... 38
圖3-4 超精密四軸加工機 ....................................................................... 39
圖3-5 試片P1 與S1 切削示意圖 ...........................................................42
圖3-6 試片P1 與試片S1 切削示意圖...................................................42
圖3-7 試片P2、P3 與S2 切削示意圖 .................................................. 42
圖3-8 試片P2、P3 切削示意圖 .............................................................43
VIII
圖3-9 試片S2 切削示意圖 ..................................................................... 43
圖3-10 P 與S 試片刀具與工件之夾角示意圖 ..................................... 44
圖3-11 光學顯微鏡 ................................................................................. 45
圖3-12 電子式掃描顯微鏡 ..................................................................... 45
圖3-13 毛邊測量點示意圖 ..................................................................... 46
圖3-14 毛邊寬度與長度之量測示意圖 ................................................. 46
圖4-1 超精密鑽石加工微結構滾筒的方式 ........................................... 47
圖4-2 螺旋切入法 ................................................................................... 48
圖4-3 直接切入法 ................................................................................... 48
圖4-4 傳統增亮膜微結構之容許定位誤差 ........................................... 49
圖4-5 新型增亮膜微結構之容許定位誤差 ........................................... 49
圖4-6 刀具定位誤差值超過容許範圍使模具微結構發生錯位之情形
................................................................................................................... 50
圖4-7 直接切入法中左向橫向進刀 ....................................................... 51
圖4-8 直接切入法中右向橫向進刀 ....................................................... 51
圖4-9 直接切入法中切痕兩側之材料堆積之OM 與SEM 圖 ............ 52
圖4-10 直接切入法左向進給之微溝槽SEM 圖 ................................... 52
圖4-11 尖刀進行切削時切屑流動示意圖 ............................................. 53
圖4-12 進給側尖點佈滿毛邊及未切斷切屑之OM 與SEM 圖 .......... 53
圖4-13 直接切入法右向進給,微切槽之OM 與SEM 圖 .................. 54
圖4-14 直接切入法之切深1μm 微溝槽之OM 與SEM 圖 ................. 55
圖4-15 直接切入法之切深3μm 微溝槽之OM 與SEM 圖 ................. 56
圖4-16 直接切入法之切深5μm 微溝槽之OM 與SEM 圖 ................. 57
圖4-17 1μm、3μm 與5μm 之溝槽兩側毛邊寬度及長度比較圖 ........ 58
圖4-18 第二道次不同深度之OM 與SEM 圖 ...................................... 60
圖4-19 切深1μm 之道次影響OM 與SEM 圖 ..................................... 61
圖4-20 道次與切深比較SEM 圖 ........................................................... 62
圖4-21 同切深不同道次之溝槽兩側毛邊寬度及長度比較圖 ............. 63
圖4-22 切深3μm 之道次影響OM ........................................................ 64
圖4-23 切深5μm 之道次影響OM 圖 ................................................... 65
圖4-24 切深5μm 之道次影響SEM 圖 ................................................. 66
圖4-25 切深1μm、3μm、5μm 第二道次後之毛邊尺寸改善率 ......... 67
圖4-26 以不同切削速度加工之溝槽OM 圖 ........................................ 69
圖4-27 以不同切削速度加工之溝槽SEM 圖 ....................................... 70
圖4-28 剪切角與切削力、推力之關係圖 ............................................. 71
圖4-29 切削速度加工之溝槽兩側毛邊寬度及長度比較圖 ................. 73
圖4-30 螺旋向左切削之切屑厚度示意圖 ............................................. 74
圖4-31 螺旋向左切削之毛邊形成示意圖 ............................................. 74
IX
圖4-32 螺旋向左切削之模具表面微溝槽之OM 與SEM 圖 .............. 75
圖4-33 螺旋向左切削之模具表面OM 圖 ............................................ 75
圖4-34 模具轉印圖 ................................................................................. 76
圖4-35 螺旋向右切削之切屑厚度示意圖 ............................................. 76
圖4-36 螺旋向右切削之毛邊形成示意圖 ............................................. 76
圖4-37 螺旋向右切削之模具表面微溝槽 ............................................. 77
圖4-38 螺旋向左切削之溝槽深度OM 圖 ............................................ 78
圖4-39 螺旋向左切削深度之SEM 圖 ................................................... 78
圖4-40 螺旋向右切削之溝槽深度OM 圖 ............................................ 79
圖4-41 螺旋向右切削深度之SEM 圖 ................................................... 79
圖4-42 螺旋向左切削之溝槽兩側毛邊寬度及長度比較圖 ................. 80
圖4-43 螺旋向右切削之溝槽兩側毛邊寬度及長度比較圖 ................. 80
圖4-44 螺旋向左切削之道次影響OM 圖 ............................................ 81
圖4-45 螺旋向左切削之道次影響SEM 圖 ........................................... 82
圖4-46 螺旋向右切削之道次影響OM 圖 ............................................ 82
圖4-47 螺旋向右切削之道次影響SEM 圖 ........................................... 82
圖4-48 向左與向右之二刀切削後溝槽兩側毛邊產生情況之差異 ..... 83
圖4-49 螺旋向左切削之溝槽疊合示意圖 ............................................. 83
圖4-50 螺旋向左溝槽疊合之OM 與SEM 圖 ...................................... 84
圖4-51 螺旋向右切削之溝槽疊合示意圖 ............................................. 85
圖4-52 螺旋向右溝槽疊合之OM 與SEM 圖 ...................................... 86
圖4-53 螺旋向右二道次切削 ................................................................. 87
圖4-54 螺旋向左二道次切削 ................................................................. 87
圖4-55 傳統與新式增亮膜之刀具兩側對切屑厚度的影響 ................. 88
圖4-56 刀具傾斜造成不同切屑厚度之示意圖 ..................................... 88
圖4-57 切深5μm 之切槽兩側毛邊成形之OM 與SEM 圖 ................. 89
圖4-58 刀具進行切削時切屑流動示意圖 ............................................. 89
X
表目錄
表2-1 不同加工方法所產生的毛邊種類 ............................................... 22
表3-1 鑽石刀具規格 ............................................................................... 39
表3-2 試片P1 與S1 加工參數 ............................................................... 40
表3-3 試片P2 與S2 加工參數 ............................................................... 41
表3-4 試片P3 加工參數 ......................................................................... 41
表4-1 螺旋切入與直接切入法之比較表 ............................................... 48
表4-1 切深1μm 毛邊之寬度與長度值 .................................................. 55
表4-2 切深3μm 毛邊之寬度與長度值 .................................................. 56
表4-3 切深5μm 毛邊之寬度與長度值 .................................................. 57
表4-4 切深1μm,三道次毛邊之寬度與長度值 ................................... 62
表4-5 切深3μm,二道次毛邊之寬度與長度值 ................................... 65
表4-6 切深5μm,二道次毛邊之寬度與長度值 ................................... 66
表4-7 切深3μm,速度5mm/min 毛邊之寬度與長度值 ..................... 72
表4-8 切深3μm,速度30mm/min 毛邊之寬度與長度值 ................... 72
表4-9 切深3μm,速度50mm/min 毛邊之寬度與長度值 ................... 72
表4-10 切深3μm,速度90mm/min 毛邊之寬度與長度值 ................. 72
表4-11 螺旋向左切削之毛邊寬度與長度值 ......................................... 79
表4-12 螺旋向右切削之毛邊寬度與長度值 ......................................... 80
參考文獻 【1】 2010台灣平面顯示器展覽快訊,”新興應用效應發酵 展場商機滾滾─主辦單位趁勝追擊,2010 平面顯示器展招商起跑”,2009,6月12號。
【2】 張家榮,”電漿滲氮處理對鋼材之鑽石車削性及刀具磨耗影響之研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士學位論文,2007。
【3】 M. G. Han, J. Sperry, A. Gupta, C.F. Huebner, S.T. Ingram, S.H. Foulger, “Polyaniline coated poly(butyl methacrylate) core–shell particles:roll-to-roll printing of templated electrically conductive structures” Materials Chemistry 17, pp1347-1352, 2007.
【4】 戴玉書,”臺灣關鍵零組件產業發展對TFT LCD面板廠商國際競爭優勢分析”,國立中山大學企業管理學系,碩士論文,2004。
【5】 潘重德,”平面顯示技術概論-背光模組之設計與趨勢”,輔祥實業股份有限公司,pp.1-82。
【6】 楊明仁,”LCD背光模組產品介紹”,台灣工業銀行,pp.1-3
【7】 賴俊諺,”直下式發光二極體背光模組輝度均勻化之光導板設計”,國立高雄第一科技大學光電工程研究所,碩士論文,2008。
【8】 廖運炫,劉鶴崗,”微切削發展現況介紹”, 機械月刊第三十五卷第二期,pp.19-33。
【9】 吳俊易,”單晶鑽石刀具於車削加工電漿滲氮鋼材之磨耗機制及其對加工表面之影響研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士學位論文,2008。
【10】 陳政雄,”超精密奈米加工技術之進展、應用與未來趨勢”,機械月刊,2001。
【11】 陳偉賓,”利用LS-DYNA 探討切削速度對金屬正交切削切屑形成之影響”,大同大學機械工程研究所碩士論文,2005。
【12】 孟繼洛,傅兆章,許源泉,黃聖芳,李丙寅,翁豐在,黃錦鐘,林守儀,林瑞璋,林維新,馮展華,胡毓忠,楊錫杭,”機械製造”全華科技圖書股份有限公司,2005。
【13】 M.C. Shaw, ”METAL CUTTING PRINCIPLES”, 1984.
【14】 D.A. Srephenson, J.S. Agapiou, ”METAL CUTTING THEORY AND PRACTICE”, 1996.
【15】 Z.J. Yuan, M. Zhou, S. Dong, ” Effect of diamond tool sharpness on minimum cutting thickness and cutting surface integrity in ultraprecision machining”, Materials Processing Technology 62 , pp327-330, 1996.
【16】 C.K. Nga, S.N. Melkotea, M. Rahmanb, A.S. Kumar, “Experimental study of micro- and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6”, Machine Tools & Manufacture 46, pp929-936, 2006.
【17】 G. Sutter,” Chip geometries during high-speed machining for orthogonal cutting conditions”, Machine Tools & Manufacture 45, pp719-726, 2005.
【18】 S.P.F.C. Jaspers, J.H. Dautzenberg,” Material behaviour in metal cutting: strains, strain rates and temperatures in chip formation”, Materials Processing Technology 121, pp123-135, 2002.
【19】 S. Min, H. Sangermann, C. Mertens, D. Dornfeld,” A study on initial contact detection for precision micro-mold and surface
generation of vertical side walls in micromachining”, CIRP Annals - Manufacturing Technology 57, pp109-112, 2008.
【20】 J. Wang, “Development of a chip flow model for turning operations”, Machine Tools & Manufacture 41, pp1265-1274, 2001.
【21】 王姿蘋,”熱能加工去毛邊製程之研究”,逢甲大學材料與製造工程研究所碩士論文,2003。
【22】 T.R. Lin, “Experimental study of burr formation and tool chipping in the face milling of stainless steel”, Materials Processing Technology 108, pp12-20, 2000.
【23】 M. Hashimura, K. Ueda, D.A. Dornfeld, K. Manabe, ”Analysis of Three-Dimensional Burr Formation in Oblique Cutting”, Annals of the ClRP Vol. 44, pp27-30, 1995.
【24】 S.L. Ko, D.A. Dornfeld, ”Burr formation and fracture in oblique cutting”,Materials Processing Technology 62, pp24-36, 1996.
【25】 G.L. Chern, ” Study on mechanisms of burr formation and edge breakout near the exit of orthogonal cutting”, Materials Processing Technology 176, pp152-157, 2006.
【26】 J.C. Aurich, D. A. Dornfeld, P.J. Arrazola, V. Franke, L. Leitz, S. Min,”Burrs-Analysis, control and removal”, CIRP Annals - Manufacturing Technology 58, pp519-542, 2009.
【27】 A. Toropov, S.L. Ko, B.K. Kim,” Experimental study of burrs formed in feed direction when turning aluminum alloy Al6061-T6”, Machine Tools & Manufacture 45, pp1015-1022, 2005.
【28】 K.Lee, D.A. Dornfeld,” Micro-burr formation and minimization through process control”, Precision Engineering 29, pp 246-252, 2005.
【29】 A.A. Toropov, S.L. Ko, ” A model of burr formation in the feed direction in turning”, Machine Tools & Manufacture 46, pp1913-1920, 2006.
【30】 A.A. Toropov, S.L. Ko,” A New Burr Formation Model for Orthogonal Cutting of Ductile Materials”, Annals of the CIRP Vol 55, pp1-4, 2006.
【31】 http://www.hudong.com Hudong互動百科
【32】 Th. Schaller, L. Bohn, J. Mayer, K. Schubert, ” Microstructure grooves with a width of less than 50 mm cut with ground hard metal micro end mills”, Precision Engineering 23, pp229-235, 1999.
【33】 S. Enomoto, T. Ioi, K. Kato, L. Zhou, X. Liu, ” Burr reduction with a fine-scrape cutter”, Materials Processing Technology 124, pp255-258, 2002.
【34】 M.J. Jackson, G.M. Robinson, M.D. Whitfield, W. Ahmed, ”Burr formation and elimination in micromilling processes”, International Journal of Nanomanufacturing Volume 1, Number 4, pp458-467, 2007.
【35】 A. Pramanik , K.S. Neoa, M. Rahman, X.P. Li, M. Sawa, Y. Maeda, ”Cutting performance of diamond tools during ultra-precision turning of electroless-nickel plated die materials”, Materials Processing Technology 140, pp308-313, 2003.
【36】 久本方,PS 全書,日經技術圖書株式會社, p12-19,1996.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2015-08-30公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2015-08-30起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信