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系統識別號 U0002-0909201416124200
中文論文名稱 小尺寸超硬模具之研製
英文論文名稱 Fabrication of sub-mini meter molds made of hard and brittle material
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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 楊宗祐
研究生英文姓名 Tsung-Yu Yang
學號 601370520
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-10
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-陳盈同
委員-馬廣仁
中文關鍵字 玻璃模造  磨削加工  拋光加工  光固化樹脂  碳化鎢 
英文關鍵字 GMP  grinding  polishing  UV curing resin  tungsten carbide 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 隨著光電業和半導體業的快速發展,對於各種精密零件或光學元件的需求量很大,其光學元件從平面、球面、非球面進展至各種自由形式的幾何形狀。而對於次釐米光學元件的需求日益增加,近年來已開發許多新技術,改善現有的方法來有效並經濟的生產光學元件。玻璃模造技術(GMP)是大量生產精密玻璃光學元件的其中之一種方法,其關鍵在於精密模具製造,由於模具通常是硬而脆的材料,如碳化鎢(WC)和碳化矽(SiC),主要使用精密鑽石砂輪研磨來完成這些模具。而光學元件的尺寸變小,製造模具的砂輪工具尺寸也勢必要縮小,這使得研磨過程變得成本提高與非常耗時。本研究開發小型光固化樹脂鑽石砂輪及利用其砂輪進行精密研磨、拋光,達到有效生產小型模具之目的,以改善小型模具之製造過程。於研究中,修整過後之小型砂輪直徑約0.5mm,利用其砂輪於加工方面,研磨非球面模具表粗Ra可達63 nm;單點拋光模具表粗Ra可達10 nm。
英文摘要 Owing to the fast development in opto-electronic, semiconductor, components of high precision and customized shapes are in great demand. The optical components have evolved from planar, spherical, aspheric to free-form geometries. As the demand for precision optical components with sub-millimetre feature size steadily increasing, numerous efforts have been made in developing new techniques and in improving the existing approaches to efficiently and economically produce those components. Glass moulding process (GMP) is one of these methods to enable mass production of precision glass optical components in recent years. One of the key issues in GMP is precision mould fabrication. Since the mould are normally made of hard and brittle materials such as tungsten carbide (WC) and silicon carbide (SiC), precision diamond grinding is by far the principal choice used to machine the GMP mould. As the feature size of optical component gets smaller, the size of mould and grinding wheel used to fabricate the mould gets smaller too. This makes the grinding process a very time consuming and expensive task. This research aimed to improve the small mould fabrication processes by developing an effective way of producing small diamond wheels and precision grinding/polishing processes. Diamond wheels of around 0.5mm in diameter after truing and WC aspheric moulds of surface roughness around 63 nm and 10 nm (Ra) after grinding and polishing respectively were successfully produced in this research.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
符號表 XIIII
第一章、緒論 1
  1-1 前言 1
  1-2研究背景 3
  1-3 研究目的 4
第二章、文獻回顧與理論基礎 5
  2-1 砂輪的組成 5
    2-1-1 磨料種類 6
    2-1-2 結合劑的種類 8
    2-1-3 砂輪硬度區分 11
  2-2 磨削加工機制 12
    2-2-1 硬脆材料移除機制 13
    2-2-2 影響磨削加工之參數 14
    2-2-3 砂輪的磨耗 16
    2-2-4 砂輪的削銳與修整 17
  2-3 紫外光固化技術 18
    2-3-1 紫外光固化機制 18
    2-3-2 紫外光固化樹脂成分與功能 19
    2-3-3紫外光固化技術的應用 21
第三章、實驗方法與設備 22
  3-1 實驗設計 22
  3-2 實驗設備 22
    3-2-1 紫外光固化設備 22
    3-2-2輪磨與拋光設備 25
    3-2-3 量測儀器 27
  3-3 實驗流程 33
  3-4 實驗步驟 34
    3-4-1 微小光固化樹脂鑽石砂輪製作 34
    3-4-2 精密加工磨削試驗 36
    3-4-3 精密加工拋光試驗 36
第四章、結果與討論 39
  4-1 棒狀微鑽石樹脂砂輪之研製 39
  4-2精密加工磨削試驗之結果 40
    4-2-1 磨削平面之結果 41
      4-2-1-1 不同切深對加工後碳化鎢Ra之影響 41
      4-2-1-2 不同進給速率對加工後碳化鎢Ra之影響 44
      4-2-1-3 不同砂輪加工後磨削角觀察與磨削比 47
    4-2-2 磨削非球面之結果 49
      4-2-2-1 磨削非球面後表粗與形狀精度之分析 51
      4-2-2-2 磨削非球面後砂輪磨削角觀察與磨削比 54
      4-2-2-3 微小非球面之研削實驗 55
  4-3 精密加工拋光試驗之結果 59
    4-3-1不同正向力拋光對碳化鎢表粗之影響 60
    4-3-2不同磨料濃度拋光對碳化鎢表粗之影響 65
    4-3-3不同主軸轉速拋光對碳化鎢表粗之影響 70
    4-3-4不同結合劑型號拋光對碳化鎢表粗之影響 75
    4-3-5 拋光砂輪磨耗量 79
第五章、結論 82
參考文獻 84

圖目錄
圖1- 1各種形狀不同的砂輪 3
圖2- 1不同結合劑磨削後的工件表面 9
圖2- 2切削、犁切與摩擦三階段示意圖 13
圖2- 3砂輪三種磨耗形式 16
圖2- 4鑽石磨粒之磨耗模式 17
圖2- 5砂輪表面 18
圖2- 6紫外光固化反應過程示意圖 19
圖2- 7光起始劑濃度與固化速率關係圖 20
圖3- 1點光源機 24
圖3- 2防塵暗箱 24
圖3- 3 NACHi ASP-MKE精密加工機 25
圖3- 4 NSK高速主軸 26
圖3- 5撓性加工載台示意圖 26
圖3- 6光學金相顯微鏡 28
圖3- 7掃描式電子顯微鏡 29
圖3- 8雷射共軛焦顯微鏡 30
圖3- 9LVDT線性位移感測器 31
圖3- 10光學投影機 32
圖3- 11 實驗流程圖 33
圖3- 12棒狀砂輪製作流程示意圖 35
圖3- 13砂輪修整流程示意圖 35
圖3- 14單點拋光加工示意圖 38
圖4- 1 (a)砂輪初步固化後 (b)砂輪修整後形貌 39
圖4- 2修整後棒狀砂輪之表面結構 40
圖4- 3不同切深之工件表面SEM 42
圖4- 4不同切深之工件表面實際量測值 43
圖4- 5不同切深之工件表粗變化趨勢圖 44
圖4- 6不同進給速率之工件表面SEM 45
圖4- 7不同進給速率之工件表面實際量測值 46
圖4- 8不同進給速率之工件表粗變化趨勢圖 47
圖4- 9不同砂輪加工後之磨削角 48
圖4- 10計算砂輪磨耗量示意圖 48
圖4- 11 UA3P量測形狀精度與P-V值 50
圖4- 12非球面模具表面SEM 52
圖4- 13非球面模具表粗與形狀精度 53
圖4- 14樹脂結合劑(M-5020)鑽石砂輪之表面磨耗觀察 54
圖4- 15樹脂結合劑(M-6210)鑽石砂輪之表面磨耗觀察 54
圖4- 16 (a)微砂輪圖 (b)砂輪切削邊放大視圖 56
圖4- 17雷射共軛交顯微鏡量測非球面模具 57
圖4- 18接觸式輪廓儀量測非球面模具 57
圖4- 19砂輪切削磨耗示意圖 58
圖4- 20經補償後模具量測圖 58
圖4- 21加工載台應力與應變關係圖 59
圖4- 22不同正向力之工件表面SEM 61
圖4- 23不同正向力之工件表面3D示意圖 62
圖4- 24不同正向力之工件表粗(線段) 63
圖4- 25不同正向力之工件表粗(面積) 63
圖4- 26不同正向力拋光時間15分鐘之表面形貌 64
圖4- 27不同磨料濃度之工件表面SEM 66
圖4- 28不同磨料濃度之工件表面3D示意圖 67
圖4- 29不同磨料濃度之工件表粗(線段) 68
圖4- 30不同磨料濃度之工件表粗(面積) 68
圖4- 31不同磨料濃度拋光時間15分鐘之表面形貌 69
圖4- 32不同主軸轉速之工件表面SEM 71
圖4- 33不同主軸轉速之工件表面3D示意圖 72
圖4- 34不同主軸轉速之工件表粗(線段) 73
圖4- 35不同主軸轉速之工件表粗(面積) 73
圖4- 36不同主軸轉速拋光時間15分鐘之表面形貌 74
圖4- 37不同樹脂結合劑砂輪之工件表面SEM 76
圖4- 38不同樹脂結合劑砂輪之工件表面3D示意圖 77
圖4- 39不同樹脂結合劑砂輪之工件表粗(線段) 78
圖4- 40不同樹脂結合劑砂輪之工件表粗(面積) 78
圖4- 41不同樹脂結合劑拋光時間15分鐘之表面形貌 79
圖4- 42拋光砂輪計算磨耗量示意圖 80
圖4- 43不同結合劑砂輪磨耗量趨勢圖 81

表目錄
表2- 1磨料的特性及使用範圍 7
表2- 2熱固性樹脂與紫外光固化樹脂之性能比較表 10
表2- 3各種結合劑的特性及用途 11
表3- 1光固化樹脂之特性 23
表3- 2鑽石粉規格表 23
表3- 3點光源機基本資料 24
表3- 4 NACHi ASP-MKE精密加工機規格表 25
表3- 5 NSK高速主軸規格表 26
表3- 6砂輪規格表 27
表3- 7磨削材料規格表 27
表3- 8雷射共軛焦顯微鏡 Keyence VK-9700規格表 30
表3- 9結合劑特性表 34
表3- 10平面磨削試驗加工參數 36
表3- 11平面拋光試驗加工參數 37
表4- 1磨削平面加工參數 41
表4- 2砂輪磨削比計算表 48
表4- 3非球面研磨加工與砂輪參數 50
表4- 4砂輪磨削比計算表 55
表4- 5微小非球面加工參數 56
表4- 6原工件表粗表 60
表4- 7力為實驗變數之拋光參數表 60
表4- 8原工件表粗表 65
表4- 9磨料濃度為實驗變數之拋光參數表 65
表4- 10原工件表粗表 70
表4- 11主軸轉速為實驗變數之拋光參數表 70
表4- 12原工件表粗表 75
表4- 13結合劑型號為實驗變數之拋光參數表 75
表4- 14拋光磨耗量計算參數表 80



參考文獻 參考文獻
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