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系統識別號 U0002-1508201109564200
中文論文名稱 以電漿滲氮鋼材模具模造玻璃微透鏡陣列之相關製程研究
英文論文名稱 Study on Molding of Glass Micro-Lens Array by Plasma Nitrided Steel Mold
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 洪毓挺
研究生英文姓名 Yu-Ting Hung
學號 698370318
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-16
論文頁數 101頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-楊耀波
委員-馬廣仁
委員-陳大同
委員-陳盈同
委員-趙崇禮
中文關鍵字 電漿滲氮處理  玻璃模造技術  微透鏡陣列 
英文關鍵字 Plasma nitriding  Glass molding  Micro-lens array 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 微透鏡陣列被廣泛的應用於各式光學元件中,如液晶顯示器的增效模組、微型投影機及掃描器CIS模組中的透鏡等。目前已經成凾地開發出來許多的微透鏡陣列製程,而在各種製程中,超精密函工法能達到較高的形狀精度及較好的表面粗糙度,且能對可函工之材料種類及形狀設計提供較大的選擇彈性。以超精密函工法配合玻璃模造技術是量產微透鏡陣列的主要方式之一,但是碳化鎢/碳化矽等常用於模造之模仁材料材質堅硬且脆,致使函工困難。因此本研究探討以不鏽鋼作為玻璃模造微透鏡陣列之模具的可行性。不鏽鋼及其他的鐵系金屬一般被歸類為不可鑽石車削函工材料;因為在鑽石與鐵金屬之間所產生的熱化學反應將造成鑽石刀具之快速磨耗。而近年來已更研究利用低溫(<450℃)離子氮化技術促使不鏽鋼材中的鐵原子與氮原子形成γ-Fe4N,以更效降低鑽石刀具的磨耗量。本研究將SUS420不鏽鋼、STAVAX不鏽鋼、H13工具鋼、SKD61和SKD11工具鋼做電漿滲氮表面處理,並作為玻璃模造模具研究。結果顯示SKD61和SKD11在經過電漿滲氮(500℃/20hr)後在沒更刀具磨損的情況下以鑽石車削製作成微透鏡陣列模具且可以承受高達600℃的模造溫度。我們成凾利用SKD11工具鋼模造成形玻璃微透鏡陣列。
英文摘要 Micro-lens array (MLA) has many advanced functions and is widely used in optical systems such as LCD panel, pico projector, CIS module scanner. Over the years, several processes have been successfully developed to fabricate MLA. Amongst those processes, ultra-precision machining is considered to be able to achieve higher form accuracy, better surface roughness, and to offer greater flexibility in material/shape selection. Ultra-precision machined WC/SiC molds followed by glass molding process are the typical procedures used for fabricating glass MLAs. However, WC and SiC, though having good high temperature properties, are extremely hard/brittle and difficult to be machined. This study aimed to investigate the feasibility of using stainless steel mold in GMP to produce glass MLAs. Stainless steel and other ferrous metals are
normally classified as non-diamond turnable for its excessive tool wear caused by the thermal-chemical reaction between diamond and ferrous metals. To minimize the above mentioned tribo-chemical induced wear, stainless steel specimens were plasma nitrided before diamond turning process to form a hardened layer where Fe atoms are bonded to nitrogen atom to form γ'-Fe4N. SUS420, STAVAX, H13, SKD61 and SKD11 are tested in this study. The results show that plasma nitrided (500 oC /20hr) SKD61 and SKD11 can be diamond turned without generating apparent tool wear and can sustain the molding temperature up to 600oC. Glass MLAs are successfully produced in this research by mold made of SKD11.
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 VII
表目錄 XV
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 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 6
2-1 單點鑽石車削 6
2-2 加工條件的影響 9
2-2-1 切削速度 9
2-2-2 進給 10
2-2-3 切削深度 10
2-2-4 切削距離 11
2-3 鑽石刀具的磨耗形式 12
2-3-1 鐵系金屬及過渡元素對鑽石刀具的磨耗 12
2-3-2 降低鑽石刀具磨耗的相關研究 15
2-4 氮化處理技術 18
2-4-1 氣體滲氮處理技術 18
2-4-2 液體滲氮處理技術 19
2-4-3 電漿滲氮處理技術 21
2-5 光學元件模造技術 26
2-6 滲氮鋼材在高溫下之研究 27
第三章 實驗設備與實驗步驟 28
3-1 實驗目的 28
3-2 實驗規劃 29
3-3 實驗設備及方法 30
3-3-1 加工工件 30
3-3-2 滲層檢測 30
3-3-3 升溫試驗 33
3-3-4 切削試驗 35
3-3-5 熱壓成形試驗 38
第四章 研究結果與討論 40
4-1 工件經離子滲氮處理的結果檢測 40
4-1-1 滲層厚度 40
4-1-2 滲層硬度 43
4-1-3 滲層試片之XRD分析 45
4-2 升溫經電漿離子滲氮後試片之檢測 48
4-2-1 升溫溫度與表面粗糙度之關係 48
4-2-2 升溫後試片滲層硬度變化 59
4-3 車削加工經離子滲氮後試片表面粗糙度 68
4-3-1 經離子滲氮後試片車削函工結果 68
4-3-2 切削速度與表面粗糙度之關係 81
4-3-3 進給與表面粗糙度之關係 84
4-3-4 切深與表面粗糙度之關係 86
4-3-5 刀具磨耗表面形貌 89
4-4 熱壓成形之鋼材與玻璃的檢測 92
第五章 結論 96
參考文獻 98
圖目錄
圖1-1 微透鏡陣列 1
圖1-2 微透鏡陣列加工法 3
圖1-3 玻璃模造模仁 4
圖1-4 玻璃模造微透鏡陣列 4
圖2-1 進給大小與表面粗糙度之關係 10
圖2-2 切削無電鍍鎳切削距離與刀具磨耗關係圖 11
圖2-3 刀具積屑瘤圖 12
圖2-4 Crater Wear 示意圖 13
圖2-5 PCD刀具函工複合材料耗磨耗情形圖 14
圖2-6 鑽石能障圖 15
圖2-7 超音波、橢圓式超音波輔助鑽石車削圖 16
圖2-8 超低溫切削圖 17
圖2-9 離子滲氮示意圖 22
圖2-10 氮化層示意圖 23
圖2-11 AISI420的XRD圖(a)未處理(b)離子滲氮AISI420(c)經由b-a獲得的圖,可看出離子滲氮後的不同(d)經過濾波處理後c圖。 24
圖3-1 實驗規劃流程圖 29
圖3-2 試片破片示意圖 31
圖3-3 量測硬度示意圖 31
圖3-4 微硬度機FM-300e(136°夾角鑽石尖點,速度50μm/sec的荷重負荷)32
圖3-5 滲層試片之XRD分析示意圖 32
圖3-6 升溫曲線圖(600℃升溫試驗,其他試驗溫度的升溫與降溫和時間之關係皆與圖3-6相同) 34
圖3-7 玻璃面板成型機(GP-0165) 34
圖3-8 接觸式表面輪廓儀(α-step) 35
圖3-9 TOSHIBA ULC _ULG系列超精密函工機 36
圖3-10 加工示意圖(上視圖)(單位mm) 37
圖3-11 加工示意斷面圖(因表示關係,寬度與深度不等比例放大,深度再除以100)(單位mm) 37
圖4-1 滲層200倍OM圖(380℃) 40
圖4-2 滲層100倍OM圖(420℃) 41
圖4-3 滲層100倍OM圖(500℃) 41
圖4-4 試片之平均滲層厚度綜合比較圖 43
圖4-5 SKD11之斷面硬度比較圖 45
圖4-6 SKD11-380℃/20hr之XRD分析圖 46
圖4-7 SKD11-420℃/20hr之XRD分析圖 46
圖4-8 SKD11-500℃/20hr之XRD分析圖 47
圖4-9 試片表粗與升溫關係圖 49
圖4-10 升溫SUS420-475℃/32hr試片OM圖 50
圖4-11 SUS420-475℃/32hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 50
圖4-12 升溫STAVAX-390℃/20hr試片OM圖 51
圖4-13 STAVAX-390℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 51
圖4-14 升溫H13-400℃/20hr試片OM圖 52
圖4-15 H13-400℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 53
圖4-16 升溫SKD61-500℃/20hr試片OM圖 54
圖4-17 SKD61-500℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 54
圖4-18 升溫SKD11-380℃/20hr試片 55
圖4-19 SKD11-380℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 55
圖4-20 升溫SKD11-420℃/20hr試片 56
圖4-21 SKD11-420℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 57
圖4-22 升溫SKD11-500℃/20hr試片 58
圖4-23 SKD11-500℃/20hr試片經600℃升溫後表面XRD分析 58
圖4-24 SUS420-475℃/32hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 60
圖4-25 STAVAX-390℃/20hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 61
圖4-26 H13-400℃/20hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 62
圖4-27 SKD61-500℃/20hr經升溫至600℃後與與未經升溫之斷面硬度比較圖 63
圖4-28 SKD11-380℃/20hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 64
圖4-29 SKD11-420℃/20hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 65
圖4-30 SKD11-500℃/20hr經升溫至600℃後與未經升溫之斷面硬度比較圖 67
圖4-31 以500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 69
圖4-32 以500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 69
圖4-33 以500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 70
圖4-34 以500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 70
圖4-35 以1000rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 71
圖4-36 以1000rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 71
圖4-37 以1000rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 72
圖4-38 以1000rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 72
圖4-39 以1500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 73
圖4-40 以1500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 73
圖4-41 以1500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 74
圖4-42 以1500rpm轉速切削SKD11-420℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 74
圖4-43 以500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 75
圖4-44 以500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 75
圖4-45 以500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 76
圖4-46 以500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 76
圖4-47 以1000rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 77
圖4-48 以1000rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 77
圖4-49 以1000rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 78
圖4-50 以1000rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 78
圖4-51 以1500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=1μm) 79
圖4-52 以1500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=1μm/rev., d=3μm) 79
圖4-53 以1500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=1μm) 79
圖4-54 以1500rpm轉速切削SKD11-500℃/20hr試片表面粗糙度形貌(f=4μm/rev., d=3μm) 80
圖4-55 SKD11切削速度與表粗關係圖(f=1μm/rev., d=1μm) 82
圖4-56 SKD11切削速度與表粗關係圖(f=1μm/rev., d=3μm) 83
圖4-57 SKD11切削速度與表粗關係圖(f=4μm/rev., d=1μm) 83
圖4-58 SKD11切削速度與表粗關係圖(f=4μm/rev., d=3μm) 84
圖4-59 SKD11-420℃/20HR進給與表粗關係圖(d=1μm) 85
圖4-60 SKD11-420℃/20HR進給與表粗關係圖(d=3μm) 85
圖4-61 SKD11-500℃/20HR進給與表粗關係圖(d=1μm) 86
圖4-62 SKD11-500℃/20HR進給與表粗關係圖(d=3μm) 86
圖4-63 SKD11-420℃/20HR切深與表粗關係圖(f=1μm/rev.) 87
圖4-64 SKD11-420℃/20HR切深與表粗關係圖(f=4μm/rev.) 88
圖4-65 SKD11-500℃/20HR切深與表粗關係圖(f=1μm/rev.) 88
圖4-66 SKD11-500℃/20HR切深與表粗關係圖(f=1μm/rev.) 89
圖4-67 切削試驗刀具OM圖(X200) 89
圖4-68 刀具規劃示意圖 90
圖4-69 切削SKD11-420℃/20hr之刀具表面形貌SEM圖 90
圖4-70 切削SKD11-500℃/20hr之刀具表面形貌SEM圖 91
圖4-71 SKD11-500℃/20hr之微透鏡陣列模具OM圖 92
圖4-72經熱壓試驗後SKD11-500℃/20hr微透鏡陣列OM圖 93
圖4-73以SKD11-500℃/20hr為模具鋼材熱壓試驗L-NBH54玻璃微透鏡陣列OM圖 93
圖4-74 SKD11-380℃/20hr之微透鏡陣列模具OM圖 94
圖4-75 經熱壓試驗後SKD11-380℃/20hr微透鏡陣列OM圖 94
圖4-76 以SKD11-380℃/20hr為模具鋼材熱壓試驗L-NBH54玻璃微透鏡陣列OM圖 95
表目錄
表2-1 cBN刀具、陶瓷刀具與鑽石刀具之比較 8
表2-2 滲氮層各相的基本特點 20
表3-1 鋼材化學成分 30
表3-2 滲氮參數 30
表3-3 XRD儀器規格 33
表3-4 鑽石刀具規格 35
表3-5 超精密加工機規格 36
表3-6 切削試驗加工參數 38
表3-7 玻璃L-NBH54成分與材料特性 38
表3-8 微透鏡陣列加工參數 39
表4-1 SKD11-380℃滲層厚度 42
表4-2 SKD11-420℃滲層厚度 42
表4-3 SKD11-500℃滲層厚度 42
表4-4 SKD11-380℃之斷面硬度值 43
表4-5 SKD11-420℃之斷面硬度圖 44
表4-6 SKD11-500℃之斷面硬度圖 44
表4-7 試片升溫與表粗之關係表 48
表4-8 SUS420-475℃/32hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 60
表4-9 STAVAX-390℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 61
表4-10 H13-400℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 62
表4-11 SKD61-500℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 63
表4-12 SKD11-380℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 64
表4-13 SKD11-420℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 65
表4-14 SKD11-500℃/20hr經升溫至600℃後與原始之斷面硬度值 66
表4-15 SKD11試片加工結果 68
表4-16 試片切削速度與表面粗糙度關係表 81
表4-17 SKD11-420℃/20hr刀具使用規劃表(SKD11-500℃/20hr刀尖點為G~L) 90
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