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系統識別號 U0002-2407200810002400
中文論文名稱 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
英文論文名稱 Study of the tool wear mechanisms involved in SPDT of various plasma nitrided steels and its influences on the obtained surface
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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 吳俊易
研究生英文姓名 Chun-Yi Wu
學號 695372317
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-06
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-陳炤彰
委員-馬廣仁
委員-周文成
委員-趙崇禮
中文關鍵字 單點鑽石車削  電漿滲氮處理  表面處理 
英文關鍵字 Diamond turing  Plasma nitriding  Surface treatment 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 鑽石刀具無法切削鐵系金屬及其他過渡金屬,是因為切削加工時易使鑽石刀具產生嚴重的磨耗,其因在於鑽石與鐵金屬之間所產生的熱化學反應。近年來,已有許多研究透過電漿滲層處理含鐵原素之材料,促使基材中之鐵原子與氮原子形成FeN,進而降低鐵原子與鑽石之碳原子接觸之機會,以達到減低刀具磨耗之目的。本研究鑽石車削的實驗在下列加工參數中完成:單點鑽石刀具、切削進給1μm/rev.、切深變化(1μm、2μm與3μm)、切削距離變化(201m、188m、151m),並使用少量的無機油當作切削液。結果顯示於相同的參數下,長距離車削經電漿氮化處理之試片可得到10nm以下的表面粗糙度。最後證實經由表面處理之鋼材所造成之刀具磨耗比無表面處理時改善許多。
本研究將不同鉻含量鋼材,STAVAX不鏽鋼、H13與SKD61工具鋼,三種材料經電漿滲氮表面處理後,經由單點鑽石車削加工,在不同鉻含量鋼材中刀具磨耗會隨鉻含量減少而有明顯降低情形。
英文摘要 Ferrous and other transitional metals are normally considered to be non-diamond turnable for the excessive tool wear caused by the thermal-chemical reaction between diamond and ferrous metals. In the present research, ferrous specimens were plasma nitrided at relatively low temperature to prevent the depletion of Cr content at the austenite matrix and to give a hardened layer where Fe atoms are bonded to nitrogen atom to form FexNy. Diamond turning experiments were subsequently carried out by setting cross-feed at 1μm /rev, cut-depth ranged from 1μmto 3μm, cutting distance up to around 200m, and light mineral oil as the cutting fluid. Three steel materials, namely Stavax stainless steel, H13 and SKD61 were adopted in this study for plasma nitriding and diamond turning experiments. The results showed that, better surface finish and lower tool wear were obtained on all plasma nitrided specimens in comparison to those were not treated. This means that the plasma nitriding can effectively minimize the thermal-chemical reaction between diamond tool and ferrous metal so as to suppress the tool wear and improve the achievable surface finish. Besides, amongst the nitrided steels tested there was this trend that lower Cr content showed lower wear during the diamond turning processes.
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 VIII
表目錄 XII
符號說明 XIII
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 3
1-3 研究動機與目的 3
第二章 文獻回顧與理論基礎 5
2-1 單點鑽石車削 ( SINGLE POINT DIAMOND TURNING) 5
2-2 鑽石車削金屬 6
2-3 鑽石刀具的磨耗形式 7
2-3-1 鐵系金屬及過渡元素對鑽石刀具的磨耗 8
2-3-2 降低鑽石刀具磨耗的相關研究 11
2-4表面處理 13
2-4-1無電鍍處理技術 14
2-4-2氮化處理技術 15
2-4-2-1 氣體滲氮處理技術 15
2-4-2-2 液體滲氮處理技術 16
2-4-2-3 電漿滲氮處理技術 17
2-4-3 滲碳處理技術 22
2-4-4 碳氮共滲處理技術 22
2-5 切削條件之影響 24
2-5-1 切削速度 24
2-5-2 進給率 25
2-5-3 切削深度 26
2-5-4 切削距離 26
第三章 實驗設備與實驗步驟 27
3-1 實驗目的 27
3-2 實驗規劃 27
3-3 實驗設備及方法 29
3-3-1 加工試片與刀具 29
3-3-2 加工方法 32
3-4 滲層試片之次表面檢測 35
3-4-1 滲層厚度檢測 35
3-4-2 滲層硬度檢測 36
3-4-3 切削後試片表面之檢測 36
第四章 研究結果與討論 38
4-1 試片經電漿滲氮處理之次表面檢測結果 38
4-1-1 滲層厚度檢測結果 38
4-1-2 滲層硬度檢測結果 42
4-2 切削前滲層試片之XRD分析 48
4-2-1 STAVAX之XRD檢測結果 49
4-2-2 H13之XRD檢測結果 50
4-2-3 SKD61之XRD檢測結果 51
4-3 切削經電漿滲氮後試片之表面形貌檢測 53
4-3-1 切削深度與表面粗糙度之關係 54
4-3-2切削後之試片表面形貌檢測 55
4-4 切削後鑽石刀具磨耗檢測 59
4-4-1 切削距離與刀具磨耗之比較 61
4-4-2切削深度與刀具磨耗之比較 65
4-5 試片實際移除深度之檢測結果 67
4-6刀具磨耗機制探討 77
4-6-1 鉻含量差異對於刀具磨耗之影響 77
4-6-2 滲氮層有無對於刀具磨耗之影響 79
4-6-3 材料移除體積與刀具磨耗之關係 79
第五章 結論 82
參考文獻 84
表目錄
表2-1 CBN刀具、陶瓷刀具與鑽石刀具之比較 7
表2-2 滲氮層各相的基本特點 23
表3-1 鋼材化學成分 29
表3-2 電漿滲氮參數 32
表3-3 試片切削參數 34
表4-1 STAVAX-400℃之滲層厚度值 40
表4-2 H13-400℃之滲層厚度值 41
表4-3 H13-500℃之滲層厚度值 41
表4-4 SKD61-400℃之滲層厚度值 41
表4-5 SKD61-500℃之滲層厚度值 41
表4-6 STAVAX-400℃之斷面硬度值 43
表4-7 H13-400℃之斷面硬度值 44
表4-8 H13-500℃之斷面硬度值 45
表4-9 SKD61-400℃之斷面硬度值 46
表4-10 SKD61-500℃之斷面硬度值 47
表4-11 試片切深與表粗之關係表 54
表4-12 STAVAX-400℃切削後之表面形貌 56
表4-13 H13-400℃切削後之表面形貌 57
表4-14 SKD61-500℃切削後之表面形貌 58
表4-15 切削深度與刀具垂直磨耗量(VB)之關係 65
表4-16 切削深度與刀具水平磨耗量(HW)之關係 66
表4-17 STAVAX-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(I) 70
表4-18 STAVAX-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(II) 70
表4-19 STAVAX-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(III) 70
表4-20 H13-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(I) 72
表4-21 H13-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(II) 72
表4-22 H13-400℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(III) 73
表4-23 SKD61-500℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(I) 74
表4-24 SKD61-500℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(II) 75
表4-25 SKD61-500℃切削後之剩餘滲層厚度檢測結果(III) 75
表4-26 原始滲層厚度與切削後剩餘之滲層厚度比較 76
表4-27 試片之化合物層厚度 77
表4-28 XRD分析結果與刀具磨耗比較 78
表4-29 有無滲氮層對於刀具之影響比對 79
表4-30 材料移除體積與刀具水平磨耗量之關係表 80
圖目錄
圖1-1 2006全球光學元件市場值結構 1
圖1-2 台灣光電產業之產值成長趨勢 2
圖2-1 刀具積屑瘤圖 8
圖2-2 crater wear示意圖 9
圖2-3 PCD刀具加工複合材料圖 10
圖2-4 鑽石能障圖 11
圖2-5 超音波、橢圓式超音波輔助鑽石切削圖 12
圖2-6 超低溫切削圖 13
圖2-7 電漿氮化示意圖 18
圖2-8 氮化層示意圖 19
圖2-9 切削無電鍍鎳-主軸轉速與表粗關係圖 25
圖2-10 切削無電鍍鎳-刀具進給與表粗關係圖 26
圖3-1 實驗規劃流程圖 28
圖3-2 Contour Fine Tooling單晶鑽石圓鼻刀(I) 29
圖3-3 Contour Fine Tooling單晶鑽石圓鼻刀(II) 30
圖3-4 切削實驗用之夾持具 30
圖3-5 Precitech Freeform 705XG超精密加工機 31
圖3-6 電漿滲氮處理設備 32
圖3-7 試片切削示意圖 33
圖3-8 試片實際切削情形 34
圖3-9 氮化處理試片之滲氮層檢測流程圖 35
圖3-10 滲層硬度檢測示意圖 36
圖3-11 電子顯微鏡 37
圖3-12 電子顯微鏡 37
圖3-13 接觸式表面輪廓儀 37
圖4-1 STAVAX-400℃之滲層形貌 (×1.5K) 38
圖4-2 H13-400℃之滲層形貌 (×300) 38
圖4-3 H13-500℃之滲層形貌 (×300) 39
圖4-4 SKD61-400℃之滲層形貌 (×150) 39
圖4-5 SKD61-500℃之滲層形貌 (×150) 40
圖4-6 試片之平均滲層厚度綜合比較圖 42
圖4-7 STAVAX之斷面硬度比較圖 43
圖4-8 H13之斷面硬度比較圖 45
圖4-9 SKD61之斷面硬度比較圖 47
圖4-10 切削前滲層試片之XRD分析示意圖 49
圖4-11 STAVAX-390℃之XRD分析圖 49
圖4-12 STAVAX-400℃之XRD分析圖 50
圖4-13 STAVAX-420℃之XRD分析圖 50
圖4-14 H13-400℃之XRD分析圖 51
圖4-15 H13-500℃之XRD分析圖 51
圖4-16 SKD61-400℃之XRD分析圖 52
圖4-17 SKD61-500℃之XRD分析圖 52
圖4-18 切削後試片表面形貌檢測位置示意圖 53
圖4-19 試片表粗與切深關係圖 55
圖4-20 刀具磨耗形成機制 60
圖4-21 刀具磨耗檢測示意圖 60
圖4-22 切削距離201m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 61
圖4-23 切削距離188m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 61
圖4-24 切削距離151m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 62
圖4-25 切削距離201m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 62
圖4-26 切削距離188m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 63
圖4-27 切削距離151m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 63
圖4-28 切削距離201m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 64
圖4-29 切削距離188m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 64
圖4-30 切削距離151m之刀具磨耗表面形貌圖 (×5K) 65
圖4-31 刀具磨耗轉換公式 66
圖4-32 切削深度與刀具水平磨耗量(HW)比較圖 67
圖4-33 滲層試片截面之實際移除深度檢測示意圖 68
圖4-34 STAVAX-400℃-1μm (×1.5K) 69
圖4-35 STAVAX-400℃-2μm (×1.5K) 69
圖4-36 STAVAX-400℃-3μm (×1.5K) 70
圖4-37 H13-400℃-1μm (×300) 71
圖4-38 H13-400℃-2μm (×300) 71
圖4-39 H13-400℃-3μm (×300) 72
圖4-40 SKD61-500℃-1μm (×300) 73
圖4-41 SKD61-500℃-2μm (×300) 74
圖4-42 SKD61-500℃-3μm (×300) 74
圖4-43 滲層試片之實際移除深度比較圖 76
圖4-44 材料移除體積與刀具水平磨耗量之關係圖 80
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