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系統識別號 U0002-2708201210314400
中文論文名稱 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
英文論文名稱 Simulation and experimental analysis of chip and burr formation mechanisms involved in diamond micro-cutting of ductile metals
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 葛瑞齡
研究生英文姓名 Jui-Ling Ko
學號 600370232
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-11
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-趙崇偉
委員-馬廣仁
委員-陳大同
中文關鍵字 稜鏡片  鑽石刀具  延性金屬  微切削  模擬分析 
英文關鍵字 BEF  Diamond tool  Ductile metals  Micro cutting  Simulation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於微陣列之零件需求量越來越大,需要微奈米大小的微陣列模具來迅速製造及複製這些微結構,多年來已經使用各種方法來製造這些模具,如光蝕刻技術、FIB(聚焦離子束)和精密鑽石車削,而這些方法中又以鑽石車削為工業界最常見的製作方法,利用鑽石刀具將微結構陣列製作於大型滾筒上,再以roll-to-roll的方式生產BEF(稜鏡片)或是3D薄模。然而,在加工模具的微切削過程中往往會產生毛邊,毛邊不僅會影響模具的精度也同時增加了加工的費用。這些毛邊一般是在微奈米等級,而實驗觀察之微切削過程的毛邊是相當困難且昂貴的。本研究的目的是在利用模擬分析微刮痕過程形成的毛邊,使用不同的切削參數,如前角、傾斜角、刀具尖端半徑、刀具角度、切削速度以及切深,進行了一個系統的研究。結果表示由刮痕試驗可用來印證模擬分析之結果,表示模擬分析可以有效的預測毛邊之形式。
英文摘要 As the demand for micro-patterned parts getting bigger, the need for molds with micro/nano scaled patterns to duplicate these parts effectively and economically is increasing ever so rapidly. Over the years, numerous attempts have been made to fabricate these molds using various approaches such as lithography, FIB, and precision diamond turning. Amongst these approaches, diamond turning is by far the most commonly used method to generate the micro-patterned rollers for roll-to-roll fabricating of precision optical parts such as BEF and 3D films. However, micro-burrs are frequently producedduring the micro-cutting process which not only makes the mold un-usable but also increases the cost of machining. Since the micro-patterns/burrs are normally in micrometer-scale and the mold is usually too big to put into SEM for close examination, experimentally observation of the micro-cutting process and burr formation is rather difficult and costly.This research aimed to study the chip/burr formationprocess during the micro-cutting by simulation and micro-scratching approaches. Influences of the cutting parameters such as rake angle, inclination angle, tip radius, included angle, cutting speed and cut depthon the chip/burr formation were systematically investigated. The results showed good agreement with the scratching experiments. This means that 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
致謝 ................... I
中文摘要………………………………………………………...II
英文摘要……………………………………………………..III
目錄 ...................................... V
圖目錄 ....................... VIII
表目錄 .................................. XI
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 切削與切屑形式 .................. 6
2-1-1 切削形式 .................... 6
2-1-2 切屑形式 ................... 8
2-1-3 切削模式 .................. 9
2-1-4 切削尺寸效應 .......................... 11
2-1-5 切削力學 ............................ 12
2-2 毛邊的形成與形狀 ........................................... 14
2-2-1 毛邊定義 ..................................... 14
2-2-2 毛邊型態及產生之機制 ......................... 14
2-2-3 毛邊之形成與分析 .............................. 17
2-2-4 毛邊預測模型 .............................. 20
2-2-5 毛邊移除 .............................. 22
2-3 單點鑽石車削 ..................................... 28
2-3-1 鑽石切削性能及磨耗 ........................ 28
2-3-2 鑽石之切削方式 ........................... 30
2-4 模擬分析模型 .............................. 32
第三章 實驗設備與實驗步驟 ...................... 33
3-1 實驗目的 .............................. 33
3-2 實驗規劃 ............................... 33
3-3 實驗設備及方法 ........................... 35
3-3-1 工件與刀具 ............................. 35
3-3-2 刀具加工前之表面檢測 .................... 37
3-3-3 加工機具 ................................. 38
3-3-4 模擬與分析 ................................ 40
3-4 加工表面檢測 ............................ 42
3-4-1 掃描式電子顯微鏡 ........................... 42
3-4-2 雷射共軛焦顯微鏡 ............................. 43
3-4-3 金相光學顯微鏡 .......................... 44
3-5 慢速刮痕 .................................... 45
第四章 研究結果與討論 ............................. 47
4-1 單次切削之模擬與實驗比較 ......................... 47
4-1-1 刀具內夾角與傾角對毛邊之影響 ................... 47
4-1-2 切削速度對毛邊之影響 ......................... 56
4-1-3 斜交切削 .................................. 60
4-1-4 刀具傾側切削 ................................. 63
4-2 不同工件材料之切削毛邊與切屑 .................... 67
4-2-1 單次切削 ................................. 67
4-2-2 交錯十字切削 ............................... 70
4-3 模擬刀具磨耗對毛邊之影響 ........................ 71
第五章 結論.................................... 74
參考文獻 .............................. 76

圖目錄
圖1- 1 背光模組的基本構造 ............................ 1
圖2- 1 切削過程中工件材料變形區 ....................... 6
圖2- 2 第一變形區滑移示意圖 ........................ 7
圖2- 3 切屑形式 .............................. 8
圖2- 4 正交切削與斜交切削 .......................... 9
圖2- 5 不同切削形式的主運動與進给運動 ................ 10
圖2- 6 傳統與微觀之切削示意圖 ...................... 11
圖2- 7 切削力圖 .................................... 12
圖2- 8 切削剪力角之影響示意圖 ......................... 13
圖2- 9 切削毛邊類型 .................................. 16
圖2- 10 毛邊/破裂形成模型(a)毛邊開始(b)毛邊發展SE 圖 17
圖2- 11 足部毛邊SEM 圖 ................................ 18
圖2- 12 毛邊形成機制示意圖I ........................ 18
圖2- 13 毛邊形成機制示意圖II..................... 19
圖2- 14 正交和斜角切削之裂痕發展 ..................... 22
圖2- 15 黃銅與不袗微結構中毛邊移除後的比較圖 ........ 23
圖2- 16 刀尖形毛邊 ................................ 25
圖2- 17 鋸開型毛邊 ................................ 26
圖2- 18 破損型毛邊 ................................. 26
圖2- 19 捲曲形毛邊 .................................. 26
圖2- 20 波浪形毛邊 ................................. 27
圖2- 21 鑽孔毛邊 .................................... 27
圖2- 22 經由高溫高壓製作而成的奈米多晶鑽石(NPD) ........ 30
圖2- 23 不同鑽石刀具磨耗之比較圖 ..................... 30
圖2- 24 橢圓震動切削示意圖 ........................... 31
圖2- 25 比較微型溝槽之毛邊 ........................... 31
圖2- 26 有限元素分析切屑及毛邊分析 ................... 32
圖3- 1 實驗規劃流程圖 ............................... 34
圖3- 2 單晶鑽石尖刀 .................................. 35
圖3- 3 無氧銅工件 .................................. 35
圖3- 4 無電解鎳工件 .............................. 36
圖3- 5 夾治具pro/e 設計圖 .......................... 36
圖3- 6 夾治具成品 .................................. 36
圖3- 7 刀具OM 圖 .................................... 37
圖3- 8WAFER SCRIBER ................................ 38
圖3- 9Pro-E 繪製鑽石刀具 ........................... 40
圖3- 10 模擬程式自動產生工件 ....................... 40
圖3- 11 電子顯微鏡 ............................ 43
圖3- 12 雷射共軛焦顯微鏡 .......................... 44
圖3- 13 金相光學顯微鏡 ............................ 44
圖3- 14 刀具安裝於夾治具圖 .......................... 45
圖3- 15 夾治具及刀具安裝於機台圖 ..................... 46
圖4- 1 切削V 形溝槽示意圖 ............................. 47
圖4- 2 不同刀具內夾角切削示意圖 ...................... 48
圖4- 3 不同刀具角度與毛邊之關係-模擬 ................. 50
圖4- 4 施予不同傾角加工示意圖 ......................... 51
圖4- 5 不同切削速度之示意圖 ........................ 56
圖4- 6 切削速度與毛邊之關係(實驗) ................... 59
圖4- 7 切削力分布圖 ................................. 59
圖4- 8 切削速度與毛邊之關係(實驗) .................... 60
圖4- 9 切削速度之模擬與實驗比較結果 ................. 60
圖4- 10 斜交切削示意圖 .............................. 61
圖4- 11 斜交切削(斜交角度14°)-模擬 .................. 62
圖4- 12 斜交切削(斜交角度14°)-實驗.................... 62
圖4- 13 傾側切削示意圖 ............................ 64
圖4- 14 傾側切削刀具傾側8°-模擬 .................... 64
圖4- 15 刀具內夾角90°傾側切削毛邊大小比較 ............. 65
圖4- 16 刀具內夾角45°傾側切削毛邊大小比較 ............ 65
圖4- 17 傾側切削刀具傾側8°-實驗 ...................... 66
圖4- 18 不同之切削材料之毛邊影響(切削兩側) ............ 68
圖4- 19 不同之切削材料之切屑形貌 ................... 69
圖4- 20 十字切削不同材料之SEM 圖 ................... 70
圖4- 21 刀具磨耗示意圖 .......................... 71
圖4- 22 刀具磨耗對毛邊之影響比較圖 .................. 73

表目錄
表1- 1 微模具與微元件之對照比較 ..................... 3
表2- 1 不同加工方法所產生的毛邊種類 .................. 15
表3- 1 實驗切削參數 .................................. 37
表3- 2 WAFER SCRIBER 規格資料 ...................... 39
表3- 3 模擬切削參數 ................................. 41
表4- 1 實驗與模擬比較不同刀具內夾角之毛邊 ............. 49
表4- 2 實驗與模擬比較不同傾角之毛邊分析(刀具90°) ....... 52
表4- 3 實驗與模擬比較不同傾角之毛邊分析(刀具45°) ....... 53
表4- 4 實驗與模擬比較不同傾角之毛邊分析(刀具30°) ...... 54
表4- 5 實驗與模擬不同切削速度對毛邊之影響分析 ......... 57
表4- 6 刀具內夾角90°傾側對毛邊之影響 ................. 65
表4- 7 刀具內夾角45°傾側對毛邊之影響 ................. 65
表4- 8 不同切削形式之比照圖 ...................... 66
表4- 9 刀具內夾角90°磨耗對毛邊之影響 ................ 72
表4- 10 刀具內夾角45°磨耗對毛邊之影響 ............... 72
表4- 11 刀具內夾角30°磨耗對毛邊之影響 ............... 73
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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2017-08-29公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2017-08-29起公開。


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