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系統識別號 U0002-1908201312092600
中文論文名稱 鑽石車削中刀具磨耗及切削參數對切屑及毛邊形成之影響
英文論文名稱 Influence of tool wear and cutting parameters on the chip and burr formation in diamond turning
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 游文宏
研究生英文姓名 Wen-Hung Yu
學號 698370854
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-19
論文頁數 184頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-趙崇禮
委員-陳盈同
中文關鍵字 模擬分析  微切削  鑽石車削 
英文關鍵字 Simulation  micro-cutting  diamond turning 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要   由於光學和光電產業的快速發展,對具微結構之組件及模具之需求均大量增加。目前雖有許多方法可用以產出這些微結構,但精密鑽石車削迄今仍為最常使用的方法。然而,鑽石車削亦有其自身的問題亟需解決。其中微切削過程中易產生微毛邊的缺點,即為需要進一步研究並找出有效解決辦法的項目之一。本研究利用有限元素模擬及微刮痕/鑽石車削實驗針對毛邊形成過程進行分析。除鑽石車削中刀具磨耗外亦針對對其它切削參數諸如傾角、刀具內夾角及傾側角對切屑和毛邊形成造成之影響進行系統性的研究。研究結果顯示(一)刀具切削刃口銳利度與刀具傾角和刀具內夾角對毛邊的形成和加工表面之粗糙度均有很大的影響,(二)透過對微切削過程之模擬可對如何設定微切削之加工參數以達致抑制毛邊之目的提供極具參考價值的資訊。
英文摘要   Owing to the rapid development in the optical and opto-electronic industries, components/molds with micro patterns are in great demands. Although many approaches can be adopted to generate those micro-structures, precision diamond turning is by far the most commonly used method. However, diamond turning has its own problems to resolve. Micro-burr produced during the micro-cutting process is one of these drawbacks needing further investigation and, a feasible solution. Efforts have been made in this study to analyze the burr formation process in diamond turning by FEM simulation, micro-scratching and diamond turning. Influence of tool wear and cutting parameters such as rake angle, included angle and inclined angle on the chip and burr formation in diamond turning were systematically investigated. The results showed that (i) tool cutting edge sharpness together with tool rake angle and included angle have profound effect on burr formation and achievable surface finish, (ii) simulation can supply very useful information for setting the machining parameters to suppress the burr formation during micro-cutting process.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 2
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
2-1-1鑽石刀具 6
2-1-2鑽石刀具磨耗 8
2-2 切削與切屑 11
2-2-1 切削力學 11
2-2-2 切削模型 14
2-2-3尺寸效應 14
2-2-4切屑形成與分類 15
2-3 毛邊的形成與形狀 19
2-3-1毛邊(BURR)定義 19
2-3-2毛邊分類 20
2-3-3毛邊形成機制 22
2-4 切削毛邊模擬與預測 25
2-4-1毛邊預測 25
2-4-2毛邊模擬 26
2-4-3毛邊移除 26
第三章 實驗設備與實驗步驟 29
3-1實驗目的 29
3-2 實驗規劃 29
3-3 實驗設備及方法 31
3-3-1工件與刀具 31
3-3-2刀具加工前之表面檢測 32
3-3-3 模擬與分析 33
3-3-4 加工機具 33
3-4加工表面檢測 35
3-4-1 掃描式電子顯微鏡 35
3-4-2金相光學顯微鏡 35
3-4-3雷射共軛焦顯微鏡 36
第四章 研究結果與討論 38
4-1不同刀具幾何參數 38
4-1-1刀具傾角與毛邊高度之關係 38
4-1-2刀具內夾角與毛邊高度之關係 43
4-1-3刀具磨耗與毛邊高度之關係 45
4-1-4刀鼻半徑與毛邊高度之關係 51
4-2不同切削參數 54
4-2-1切削深度與毛邊高度之關係 54
4-2-2刀具切削速度與毛邊高度之關係 57
4-2-3刀具傾側角與毛邊高度之關係 60
4-2-4斜交角度與毛邊高度之關係 65
第五章 結論 71
參考文獻 73

圖目錄
圖 2- 1 正交切削模式切削分力圖【12】 .............................................. 11
圖2- 2 剪切角大小之影響示意圖【13】 .............................................. 12
圖2- 3 正交切削與斜交切削【14】 ...................................................... 14
圖2- 4 切屑過程【15】 .......................................................................... 16
圖2- 5 連續式切屑【17】 ...................................................................... 17
圖2- 6 不連續之切屑【17】 .................................................................. 18
圖2- 7 積屑刃切屑【17】 ...................................................................... 18
圖2- 8 毛邊示意圖【18】 ...................................................................... 19
圖2- 9 切削毛邊類型【21】 .................................................................. 21
圖2- 10 毛邊形成機制示意圖Ⅰ【22】 ................................................ 22
圖2- 11 毛邊形成機制示意圖Ⅱ【22】 ................................................ 23
圖2- 12 黃銅與不袗微結構中毛邊移除後的比較圖【32】 ............ 27
圖3- 1 實驗規劃流程圖 .......................................................................... 30
圖3- 2 單晶鑽石刀尖 .............................................................................. 31
圖3- 3 Pr0-E 繪製鑽石刀具 .................................................................... 31
圖3- 4 加工工件 ...................................................................................... 32
圖3- 5 夾治具 .......................................................................................... 32
圖3- 6 刀具OM 圖 .................................................................................. 32
圖3- 7 模擬程式自動產生工件 .............................................................. 33
圖3- 8 劃線機 .......................................................................................... 34
圖3- 9 電子顯微鏡 .................................................................................. 36
圖3- 10 金相光學顯微鏡 ........................................................................ 37
圖3- 11 雷射共軛焦顯微鏡 .................................................................... 37
圖4- 1 刀具傾角示意圖 .......................................................................... 38
圖4- 2 刀具傾角模擬切削參數 .............................................................. 39
圖4- 3 不同負傾角與刀具角度30°毛邊關係 ....................................... 39
圖4- 4 不同負傾角與刀具角度45°毛邊關係 ....................................... 39
圖4- 5 不同負傾角與刀具角度90°毛邊關係 ....................................... 40
圖4- 6 不同正傾角與刀具角度30°毛邊關係 ....................................... 40
圖4- 7 不同正傾角與刀具角度45°毛邊關係 ....................................... 40
圖4- 8 不同正傾角與刀具角度90°毛邊關係 ....................................... 41
圖4- 9 刀具內夾角90°傾角-15°切削深度和毛邊關係(模擬與實驗) . 42
圖4- 10 傾角-5°不同刀具角度與毛邊關係 ........................................... 43
圖4- 11 傾角-10°不同刀具角度與毛邊關係 ......................................... 43
圖4- 12 傾角-15°不同刀具角度與毛邊關係 ......................................... 44
圖4- 13 傾角5°不同刀具角度與毛邊關係 ........................................... 44
圖4- 14 傾角10°不同刀具角度與毛邊關係 ......................................... 44
圖4- 15 傾角15°不同刀具角度與毛邊關係 ......................................... 45
圖4- 16 刀具磨耗切削示意圖 ................................................................ 46
圖4- 17 刀具磨耗模擬參數 .................................................................... 46
圖4- 18 刀具磨耗右傾側與刀具角度30°毛邊關係 ............................. 46
圖4- 19 刀具磨耗右傾側與刀具角度45°毛邊關係 ............................. 47
圖4- 20 刀具磨耗右傾側與刀具角度90°毛邊關係 ............................. 47
圖4- 21 刀具磨耗左傾側與刀具角度30°毛邊關係 ............................. 47
圖4- 22 刀具磨耗左傾側與刀具角度45°毛邊關係 ............................. 48
圖4- 23 刀具磨耗左傾側與刀具角度90°毛邊關係 ............................. 48
圖4- 24 刀具90°磨耗全貌與雷射共軛焦顯微鏡量測 ......................... 49
圖4- 25 刀具右磨耗4μm 切削示意圖 ................................................... 49
圖4- 26 刀具角度90°刀具右磨耗4μm 右傾側切削(模擬和實驗) ..... 51
圖4- 27 刀鼻半徑切削示意圖 ................................................................ 51
圖4- 28 刀鼻半徑模擬切削參數 ............................................................ 52
圖4- 29 刀鼻半徑負傾角與刀具角度30°毛邊關係 ............................. 52
圖4- 30 刀鼻半徑負傾角與刀具角度45°毛邊關係 ............................. 52
圖4- 31 刀鼻半徑負傾角與刀具角度90°毛邊關係 ............................. 53
圖4- 32 刀鼻半徑正傾角與刀具角度30°毛邊關係 ............................. 53
圖4- 33 刀鼻半徑正傾角與刀具角度45°毛邊關係 ............................. 53
圖4- 34 刀鼻半徑正傾角與刀具角度90°毛邊關係 ............................. 54
圖4- 35 不同切削深度負傾角對於刀具角度30°毛邊關係 ................. 54
圖4- 36 不同切削深度負傾角對於刀具角度45°毛邊關係 ................. 55
圖4- 37 不同切削深度負傾角對於刀具角度90°毛邊關係 ................. 55
圖4- 38 不同切削深度正傾角對於刀具角度30°毛邊關係 ................. 55
圖4- 39 不同切削深度正傾角對於刀具角度45°毛邊關係 ................. 56
圖4- 40 不同切削深度正傾角對於刀具角度90°毛邊關係 ................. 56
圖4- 41 切削速度切削示意圖 ................................................................ 57
圖4- 42 切削速度模擬參數 .................................................................... 57
圖4- 43 不同切削速度負傾角與刀具角度30°毛邊關係 ..................... 58
圖4- 44 不同切削速度負傾角與刀具角度45°毛邊關係 ..................... 58
圖4- 45 不同切削速度負傾角與刀具角度90°毛邊關係 ..................... 58
圖4- 46 不同切削速度正傾角與刀具角度30°毛邊關係 ..................... 59
圖4- 47 不同切削速度正傾角與刀具角度45°毛邊關係 ..................... 59
圖4- 48 不同切削速度正傾角與刀具角度90°毛邊關係 ..................... 59
圖4- 49 傾側角切削示意圖 .................................................................... 60
圖4- 50 左、右傾側切削 ........................................................................ 60
圖4- 51 刀具傾側角模擬參數 ................................................................ 61
圖4- 52 左傾側角與刀具角度30°毛邊關係 ......................................... 61
圖4- 53 左傾側角與刀具角度45°毛邊關係 ......................................... 61
圖4- 54 左傾側角與刀具角度90°毛邊關係 ......................................... 62
圖4- 55 右傾側角與刀具角度30°毛邊關係 ......................................... 62
圖4- 56 右傾側角與刀具角度45°毛邊關係 ......................................... 62
圖4- 57 右傾側角與刀具角度90°毛邊關係 ......................................... 63
圖4- 58 刀具90°左傾側15°切削和毛邊關係(模擬與實驗) ................ 64
圖4- 59 刀具斜交切削示意圖 ................................................................ 65
圖4- 60 左、右斜交切削(上視圖) ......................................................... 65
圖4- 61 刀具斜交模擬切削參數 ............................................................ 66
圖4- 62 右斜交切削與刀具角度30°毛邊關係 ..................................... 66
圖4- 63 右斜交切削與刀具角度45°毛邊關係 ..................................... 66
圖4- 64 右斜交切削與刀具角度90°毛邊關係 ..................................... 67
圖4- 65 左斜交切削與刀具角度30°毛邊關係 ..................................... 67
圖4- 66 左斜交切削與刀具角度45°毛邊關係 ..................................... 67
圖4- 67 左斜交切削與刀具角度90°毛邊關係 ..................................... 68
圖4- 68 刀具90°斜交角度15°(實驗) .................................................... 68
圖4- 69 刀具角度90°右斜交切削15°(模擬和實驗) ............................ 70

表目錄
表 1- 1 微元件與微模具之對照比較【3】 .............................................. 3
表2- 1 氮化硼(cBN)刀具、陶瓷刀具與鑽石刀具之比較【7】 ............ 7
表2- 2 剪切角(φ)與切削作用之影響 ..................................................... 13
表2- 3 不同加工方法產生的毛邊種類【19】【20】 ............................ 20
表2- 4 毛邊形成機制第六至第八階段 .................................................. 24
表4- 1 刀具內夾角90°傾角-15°實驗與模擬比較 ................................ 41
表4- 2 刀具磨耗90°右傾側15°不同切削深度模擬與實驗比較......... 50
表4- 3 刀具角度90°左傾側15°不同切削深度模擬與實驗比較......... 63
表4- 4 刀具90°傾角-15°右斜交角度15°模擬與實驗比較 .................. 69
參考文獻 【1】產經中心,從全球智慧型行動終端市場趨勢看我國產業發展,工研院資通所,2011。
【2】楊明仁,LED背光模組產品介紹,台灣工業銀行,2002
【3】微模具之定義與分類,http://www.aluok.cn/webeditor/UploadFile/200894233156150.pdf。
【4】高道鋼,超精密加工技術,全華科技圖書,2000
【5】機械工程手冊-電機工程手冊 編輯委員會,熱處理與表面處理-精密製造
【6】陳正雄,超精密奈米加工技術之進展、應用與未來趨勢,機 械月刊,2001。
【7】鄒緯廷,單點鑽石切削不鏽鋼之材料移除機制與表面性狀研究,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士學位論文,2004
【8】傅村能、林宗信,繞射元件鏡面加工量測與應用,機械工業雜誌八月號,2002)
【9】F.Z. Fang, H. Wu, X.D. Liu, G.C. Lim, Y.C. Liu and S.T. Ng, “Fabrication of micro grooves”, ASPE 18th,Annual Meeting,Portland, USA, Oct, 2003
【10】K. Harano, T. Satoh, H. Sumiya, “Cutting performance of nano-polycrystalline diamond”, Diamond & Related Materials Vol.24, 2012
【11】E. Paul, C.J. Evans, A. Mangamelli, M.L. McGlauflin, R.S. Polvani, “Chemical aspect of tool wear in single point diamond turning”, Preecision Engineering vol.18, 1996
【12】M.C. Shaw, “Metal cutting Principles”, Oxford science Publication,1997
【13】喻懷仁,金屬切削原理,寧夏人民出版社,1992
【14】洪良德,切削刀具學,全華科技圖書,1992
【15】S.Shmada, N. Ikawa, H. Tanaka, G. Ohmori and J. Uchikoshi,“Feasibility Study on Ultimate Accuracy in Microcutting Using Molecular Dynamics Simulation”, Annals of the CIRP, Vol. 42, 1993
【16】W. J. Eneres, R. J. Devor and S. G. Kapoor, “A Dual-Mechanism Approach to the Prediction of Machining Forces for Metal-cutting Processes ”, ASME Journal of the Engineering for Industry, Vol.117, 1995
【17】李均澤,切削刀具學,文京圖書,1997
【18】張世於,車刀與車削,徐氏基金會,1983
【19】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
【20】L.K. Gillespie, “The Battle of the Burr: New Strategies and New Tricks”, Manufacturing Engineering Vol.116, 1996
【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】崔海平,熱衝擊稜邊精修製程參數最佳化之研究,逢甲大學工業工程研究所,2001
【23】K. Lee, D.A. Dornfeld, “Micro-burr formation and minimization through process control”, Precision Engineering Vol.29, 2005
【24】J.C. Aurich, D. Dornfeld, P.J. Arrazola, V. Franke, L. Leitz, S. Min, “Burrs—Analysis, control and removal”, CIRP Annals - Manufacturing Technology Vol.58, 2009
【25】A. Toropov, S.L. Ko, “A model of burr formation in the feed direction in turning”, Machine Tools & Manufacture Vol.46, 2006
【26】A. Toropov, S.L. Ko, “A New Burr Formation Model for Orthogonal Cutting of Ductile Materials”, Annals of the CIRP Vol.55, 2006
【27】 S.L. Ko, D.A. Dornfeld, “Analysis of fracture in burr formation at the exit stage of metal cutting”, Journal of Materials Processing Technology Vol.58, 1996
【28】 A. Toropov, S.L. Ko, “ Burr formation model for orthogonal cutting and its experimental verification”, Mechanical Design and Production Eng. Dep, 2001
【29】D.C. Ko, S.L. Ko, B.Min. Kim, “Rigid-thermoviscoplastic finite element simulation of non-steady-state orthogonal cutting”, Journal of Materials Processing Technology Vol.130–131, 2002
【30】S. Min, D. Dornfeld, J. Kim, B. Shyu, “Finite Element Modeling of Burr Formation in Metal Cutting”, Proc. 4th CIRP Int’l Workshop on Modeling of Machining Operations, 2007
【31】J. Yan, T. Oowada, T.Zhou, T. Kuriyagawa, “Precision machining of microstructure on electroless-plateD NiP surface for molding glass components”, Journal of Materials Processing Technology, 2009
【32】葛瑞齡,鑽石刀具對延性金屬之微切削與毛邊形成機制之模擬與研究,淡江大學機械與機電工程學系碩士班,2012
【33】N. Kazuo, M. Arai,“Burr Formation in Metal Cutting Original Research Article”, Annals of the ClRP, 1987
【34】T. Schaller, L. Bohn, J. Mayer, K. Schubert, “Microstructure grooves with a width of less than 50 mm cut with groundhard metal micro end mills”, Precision Engineering Vol.23, 1999
【35】 S. Enomoto, T. Ioi, K. Kato, L. Zhou, X. Liu, “Burr reduction with a fine-scrape cutter”, Materials Processing Technology Vol.124, 2002
【36】 M.J. Jackson, G.M. Robinson, M.D. Whitfield, W. Ahmed, “Burr formation and elimination in micromilling processes”, International Journal of Nanomanufacturing Vol.1, 2007
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