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系統識別號 U0002-2708201212364800
中文論文名稱 研究PCD與單晶鑽石刀具之製程
英文論文名稱 Study on Fabrication Processes of PCD and Single Crystal Diamond Tool
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 宋育豪
研究生英文姓名 Yu-Hao Song
學號 699370119
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-11
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-陳盈同
委員-趙崇偉
委員-陳大同
中文關鍵字 鑽石刀具  機械研磨  雷射切割  多晶鑽石  單晶鑽石 
英文關鍵字 Diamond tool  mechanical lapping  laser cuting  polycrystalline diamond  single crystal diamond 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 鑽石具有很多優越之特性,如:高熱傳導性、高硬度和高化學惰性,在機械、電信及光電產業是非常重要之材料,但是鑽石的高硬度及極端之脆性,加工到所需之形狀精度及表面粗糙度是非常困難的,本研究中,進行雷射切割和機械拋光對PCD及單晶鑽石加工,使用波長1064 nm之 Nd:YAG雷射及鑄鐵盤(scaife)分別進行切割及拋光製程。研究中已作出加工參數對表面粗糙度及材料移除率之關係,對材料之去除機制、加工面之微結構和加工造成之缺陷進行分析。
英文摘要 Diamond, having many advanced properties such as superb thermal conductivity, high mechanical hardness, and high chemical inertness, is one of the most important materials used in the mechanical, telecommunication and optoelectronic industry. However, high hardness value and extreme brittleness have made diamond a very difficult material to be machined to the specified form accuracy and surface roughness. In the present study, the laser cutting and mechanical polishing experiments were conducted on PCD and synthetic diamond. An Nd:YAG laser of 1064nm wavelength and a cast iron wheel (scaife) were used to carry out the cutting and polishing processes respectively. Efforts have been made to correlate machining parameters to the surface morphology and material removal rate of the obtained surfaces. The underlying material removal mechanisms, microstructure of the machined surface and machining induced defects were also investigated.
論文目次 目錄 ........................................................................................................... III
表目錄 ...................................................................................................... VI
圖目錄 .................................................................................................... VIII
第一章 緒論............................................................................................... 1
1-1 前言 ............................................................................................ 1
1-2 研究背景 .................................................................................... 3
1-3 研究動機及目的 ........................................................................ 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 .................................................................. 5
2-1 石墨與鑽石 ................................................................................ 5
2-2 鑽石的分類 ................................................................................ 7
2-3 天然鑽石 .................................................................................... 7
2-4 人造高壓合成鑽石 .................................................................... 8
2-4-1 人造高壓合成歷史 ............................................................ 8
2-4-2 人造合成鑽石 .................................................................... 9
2-4-3 爆炸法 .............................................................................. 10
2-5 聚晶鑽石(PCD) ....................................................................... 11
2-6 CVD 合成單晶鑽石薄膜 ......................................................... 11
2-7 化學氣相沉積鑽石(CVDD) .................................................... 12
2-8 PCD 刀具加工方式 .................................................................. 12
2-8-1 機械化學磨削 .................................................................. 12
2-8-2 放電加工 .......................................................................... 13
2-8-3 電解式線上削銳輪磨 ...................................................... 13
2-8-4 動態摩擦拋光 .................................................................. 14
2-8-5 放電加工研磨 .................................................................. 15
2-9 雷射切割鑽石 .......................................................................... 15
2-10 單晶鑽石研磨 ........................................................................ 17
2-10-1 鑽石研磨方向 ................................................................ 17
2-10-2 鑽石研磨之檢測 ............................................................ 21
2-10-3 鑽石的磨耗機制 ............................................................ 21
第三章 研究方法與實驗設備 ................................................................ 24
3-1 實驗設計 .................................................................................. 24
3-2 實驗設備 .................................................................................. 24
3-2-1 行星式鑽石研磨台 .......................................................... 25
3-2-2 雷射切割機 ...................................................................... 26
3-2-3 量測儀器設備 .................................................................. 27
3-3 實驗材料 .................................................................................. 30
3-3-1 PCD 實驗之材料 .............................................................. 30
3-3-2 人造單晶鑽石實驗之材料 .............................................. 31
3-4 鑽石刀具加工流程圖 .............................................................. 32
3-5 實驗流程規劃 .......................................................................... 34
第四章 結果與討論 ................................................................................ 36
4-1 雷射切割PCD ......................................................................... 36
4-1-1 雷射脈衝頻率對雷射切割表面形貌之影響 ................... 36
4-1-2 雷射光斑重疊率對雷射切割表面形貌之影響 ............... 39
4-1-3 雷射脈衝寬度對雷射切割表面形貌之影響 ................... 43
4-1-4 雷射切割PCD 之斷面形貌 ............................................. 45
4-2 雷射切單晶鑽石 ...................................................................... 47
2-1 雷射脈衝頻率對單晶鑽石切割之影響 ........................... 47
4-2-2 雷射光斑重疊率對單晶鑽石切割之影響 ....................... 49
4-2-3 雷射脈衝寬度對單晶鑽石切割之影響 ........................... 52
4-2-4 雷射切割單晶鑽石之斷面形貌 ....................................... 53
4-3 人造單晶鑽石研磨 .................................................................. 55
4-3-1 影響鑽石表面粗糙度之因素 .......................................... 57
4-3-1-1 鑄鐵盤表粗對鑽石表面之影響 .................................. 57
4-3-1-2 切線速度對鑽石表面之影響 ...................................... 65
4-3-1-3 荷重對鑽石表粗之影響 ................................................ 71
4-3-2 影響鑽石移除量之因素 .................................................. 77
4-3-2-1 切線速度對鑽石之移除量 ............................................ 78
4-3-2-2 荷重對鑽石移除量之影響 ............................................ 83
4-4 影響鑄鐵盤之因素 .................................................................. 88
4-4-1 切線速度對鑄鐵盤表粗與鑽石表粗之關係 ................... 88
4-4-2 荷重對鑄鐵盤表粗之影響 .............................................. 91
4-5 研磨方向對鑽石之影響 .......................................................... 94
4-5-1 研磨方向對鑽石之影響 ................................................... 94
4-5-2 行星式研磨對鑽石表面的影響 ...................................... 96
第五章 結論............................................................................................. 99
未來展望 ................................................................................................. 101
參考文獻 ................................................................................................. 102

表1-1 鑽石的特性【1】 .......................................................................... 2
表1-2 刀具材料特性【1】 ...................................................................... 2
表2-1 鑽石與石墨特性【4】 .................................................................. 6
表3-1 行星式鑽石研磨台規格資料表 .................................................. 25
表3-2 PCD 實驗材料規格表 .................................................................. 30
表3-3 單結晶鑽石之特性表【3】 ........................................................ 31
表4-1 雷射脈衝頻率於固定重疊率切割PCD ..................................... 37
表4-2 雷射光斑重疊率切割PCD 之加工參數 .................................... 41
表4-3 雷射脈衝寬度切割PCD 之加工參數 ........................................ 43
表4-4 雷射切割PCD 之加工參數 ........................................................ 46
表4-5 雷射脈衝頻率於固定重疊率切割單晶鑽石之加工參數 .......... 48
表4-6 雷射光斑重疊率切割單晶鑽石之加工參數 .............................. 50
表4-7 雷射脈衝寬度切割PCD 之加工參數 ........................................ 52
表4-8 雷射切割PCD 之加工參數 ........................................................ 54
表4-9 鑄鐵盤表面粗糙度之範圍 .......................................................... 57
表4-10 切線速度11m/s 於不同鑄鐵盤表粗研磨鑽石之量測數據 .... 58
表4-11 切線速度19m/s 於不同鑄鐵盤表粗研磨鑽石之量測數據 .... 62
表4-12 切線速度25m/s 於不同鑄鐵盤表粗研磨鑽石之量測數據 .... 64
表4-13 不同切線速度於精研磨鑽石之量測數據 ................................ 66
表4-14 不同切線速度於細研磨鑽石之量測數據 ................................ 68
表4-15 不同切線速度於粗研磨鑽石之量測數據 ................................ 70
表4-16 不同荷重於切線速度11m/s 研磨鑽石之量測數據 ................ 72
表4-17 不同荷重於切線速度19m/s 研磨鑽石之量測數據 ................ 74
表4-18 不同荷重於切線速度19m/s 研磨鑽石之量測數據 ................ 75
表4-19 不同切線速度於1 kg 對鑽石移除量之數據 ........................... 79
表4-20 不同切線速度於荷重1.5 kg 對鑽石移除量之數據 ................ 81
表4-21 不同切線速度於荷重2 kg 對鑽石移除量之數據 ................... 82
表4-22 不同荷重於切線速度11 m/s 對鑽石移除量之數據 ............... 84
表4-23 不同荷重於切線速度19 m/s 對鑽石移除量之數據 ............... 86
表4-24 不同荷重於切線速度25m/s 對鑽石移除量之數據 ................ 87
表4-25 切線速度11m/s 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ................ 89
表4-26 切線速度19m/s 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ................ 90
表4-27 切線速度25m/s 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ................ 91
表4-28 荷重1 kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ........................... 92
表4-29 荷重1 .5kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ........................ 93
表4-30 荷重1 .5kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之量測數據 ........................ 94
表4-31 鐵盤研磨之方向之加工參數 .................................................... 95
表4-32 行星式研磨之加工參數 ............................................................ 97
表4-33 非行星式研磨之加工參數 ........................................................ 97

圖1-1 臺灣工業用合成鑽石進口量【2】 .............................................. 2
圖1-2 鑽石刀具的產業應用【3】 .......................................................... 3
圖2-1 鑽石與石墨之原子結構 【1】 .................................................... 5
圖2-2 碳之P-T 圖【5】 .......................................................................... 6
圖2-3 鑽石分類【3】 .............................................................................. 7
圖2-4 火山運動【6】 .............................................................................. 8
圖2-5 天然鑽石【3】 .............................................................................. 8
圖2-6 單晶鑽石【3】 .............................................................................. 9
圖2-7 鑽石主結晶面(a)(100)面(b)(110)面(c)(111)面 ............................. 9
圖2-8 鑽石主要結晶方向 ...................................................................... 10
圖2-9 間接爆炸法【8】 ........................................................................ 10
圖2-10 多晶鑽石【3】 .......................................................................... 11
圖2-11 放電加工研磨示意圖【19】 .................................................... 15
圖2-12 雷射切割鑽石之示意圖【24】 ................................................ 17
圖2-13 鑽石不同面及方向之硬度【27】 ............................................ 18
圖2-14 (A)(100)面(B)(110)面(C)(111)面之軟方向 ............................... 19
圖2-15 (A)(100)面(B)(110)面(C)(111)面之硬方向 ............................... 19
圖2-16 鑽石刀具於 (110)- (100)面之軟硬方向【31】 ...................... 20
圖2-17 鑽石刀具於 (100)- (100)面之軟硬方向【31】 ...................... 20
圖2-18 鑽石結構於110 方向研磨示意圖【28】 ................................ 22
圖2-19 分子動力學模擬機械研磨鑽石(100)面之塑性變形【36】……23
圖3-1 行星式鑽石研磨台 ...................................................................... 25
圖3-2 單晶鑽石 (研磨中) ..................................................................... 26
圖3-3 雷射切割機 .................................................................................. 26
圖3-4 2.5D 影像量測 .............................................................................. 27
圖3-5 光學顯微鏡 .................................................................................. 27
圖3-6 共軛焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope) ............... 28
圖3-7 掃描式電子顯微鏡 ...................................................................... 29
圖3-8 含微結晶臘之細部矽膠印模材 .................................................. 32
圖3-9 鑽石刀具加工流程圖 .................................................................. 33
圖3-10 雷射切割鑽石實驗流程規劃 .................................................... 35
圖3-11 研磨單晶鑽石實驗流程規劃 .................................................... 35
圖4-1 雷射以不同脈衝頻率切割PCD 之SEM 圖(A)表面(B)斷面
(C)30Hz (D)50Hz (E)100Hz (F)150Hz .................................................... 38
圖4-2 雷射頻率對切割PCD 深度之趨勢圖 ........................................ 39
圖4-3 雷射重覆率示意圖 ...................................................................... 40
圖4-4 雷射光斑重疊率對切割PCD 深度之趨勢圖 ............................ 41
圖4-5 不同雷射光斑重疊率切割PCD 之SEM 圖(A)表面(B)斷面 (C)
97.4 %(D) 96.1 % (E) 94.9 % (F) 93.6 %(G) 92.3 %(H) 91 % ............... 42
圖4-6 脈衝寬度與尖峰功率之關係圖【37】 ...................................... 43
圖4-7 雷射脈衝寬度對切割PCD 深度之趨勢圖 ................................ 44
圖4-8 不同雷射脈衝寬度切割PCD 之SEM 圖(A) 斷面(B)80μs
(C)100μs (D)120μs (E)140μs (F)160μs ................................................... 45
圖4-9 雷射切割PCD 斷面之OM 圖 .................................................... 46
圖4-10 雷射頻率對切割單晶鑽石深度之趨勢圖 ................................ 48
圖4-11 雷射以不同脈衝頻率切割單晶鑽石之SEM 圖 (A) 30 Hz (B)
50 Hz (C) 100 Hz (D) 150 Hz................................................................... 49
圖4-12 雷射光斑重疊率對切割單晶鑽石深度之趨勢圖 .................... 50
圖4-13 不同雷射光斑重疊率切割單晶鑽石之SEM 圖(A)98.3
%(B)97.4 % (C)96.6 % (D)95.7 %(E)94.9 %(F)94.1 % .......................... 51
圖4-14 雷射脈衝寬度對切割PCD 深度之趨勢圖 .............................. 53
圖4-15 不同雷射脈衝寬度切割單晶鑽石之SEM 圖(A)60 μs (B)80 μs
................................................................................................................... 53
圖4-16 雷射切割單晶鑽石斷面之OM 圖(A)頂面(B)底面 ................ 54
圖4-17 單晶鑽石研磨示意圖 ................................................................ 55
圖4-18 (100)面<100>方向加工示意圖 .................................................. 55
圖4-19 人工研磨示意圖 ........................................................................ 56
圖4-20 人工研磨鑽石表面之OM 圖.................................................... 56
圖4-21 人工研磨鑽石表面之橫截面表粗輪廓圖 ................................ 57
圖4-22 鑄鐵盤對鑽石表粗之趨勢圖(切線速度:11m/s) ...................... 59
圖4-23 精加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之OM 圖 .......... 59
圖4-24 精加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之橫截面輪廓圖
................................................................................................................... 59
圖4-25 細加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之OM 圖 .......... 60
圖4-26 細加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之表粗輪廓圖 .. 60
圖4-27 粗加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之OM 圖 .......... 61
圖4-28 粗加工(研磨時間900 秒及切線速度:11m/s)之表粗面輪廓圖
................................................................................................................... 61
圖4-29 精及細加工(研磨時間900 秒及切線速度:19m/s)之OM 圖 .. 62
圖4-30 鑄鐵盤對鑽石表粗之趨勢圖(切線速度:19m/s) ...................... 63
圖4-31 鑄鐵盤表粗對鑽石表粗之趨勢圖(切線速度:25m/s) .............. 64
圖4-32 粗加工(切線速度:25m/s)之OM 圖 .......................................... 65
圖4-33 粗加工(研磨時間900 秒及切線速度:25m/s)之表粗輪廓圖 .. 65
圖4-34 切線速度對鑽石研磨面之趨勢圖(精加工) ............................. 67
圖4-35 切線速度19m/s(研磨時間900 秒及精加工)之OM 圖 .......... 67
圖4-36 切線速度19m/s(研磨時間900 秒及精加工)之表粗輪廓圖 .. 67
圖4-37 切線速度對鑽石研磨面之趨勢圖(細加工) ............................. 69
圖4-38 切線速度對鑽石研磨面之趨勢圖(粗加工) ............................. 70
圖4-39 荷重對之鑽石表粗趨勢圖(切線速度11 m/s) .......................... 72
圖4-40 荷重2 kg(研磨時間540 秒及切線速度11 m/s)之OM 圖 ..... 73
圖4-41 荷重2 kg(研磨時間540 秒及切線速度11m/s)之表粗輪廓圖
................................................................................................................... 73
圖4-42 荷重對之鑽石表粗趨勢圖(切線速度19 m/s) ......................... 74
圖4-43 荷重對之鑽石表粗趨勢圖(切線速度25m/s) .......................... 76
圖4-44 研磨時間360 秒、荷重2kg 及切線速度25 m/s 之OM 圖 .. 76
圖4-45 研磨時間540 秒、荷重2 kg 及切線速度25 m/s 之OM 圖 . 76
圖4-46 研磨時間540 秒、荷重1 kg 及切線速度25 m/s 之表粗輪廓
圖 ............................................................................................................... 77
圖4-47 量測點示意圖 ............................................................................ 77
圖4-48 數據回歸參考點之示意圖 ........................................................ 78
圖4-49 荷重在1 kg 時切線速度對移除量之趨勢圖 ........................... 80
圖4-50 荷重在1.5 kg 時切線速度對移除量之趨勢圖 ........................ 80
圖4-51 荷重在2 kg 時切線速度對移除量之趨勢圖 ........................... 82
圖4-52 切線速度在11m/s 時壓力對移除量之趨勢圖 ........................ 84
圖4-53 研磨時間540 秒、荷重2 kg 及切線速度11 m/s 之OM 圖 .. 85
圖4-54 切線速度在19 m/s 時壓力對移除量之趨勢圖 ....................... 85
圖4-55 研磨時間540 秒、荷重2 kg 及切線速度19 m/s 之OM 圖 . 86
圖4-56 切線速度在25 m/s 時壓力對移除量之趨勢圖 ....................... 87
圖4-57 研磨時間540 秒、荷重2 kg 及切線速度25 m/s 之OM 圖 . 88
圖4-58 切線速度11m/s 對鑄鐵盤與鑽石表粗之趨勢圖 .................... 89
圖4-59 切線速度19m/s 對鑄鐵盤與鑽石表粗之趨勢圖 .................... 90
圖4-60 切線速度25m/s 對鑄鐵盤與鑽石表粗之趨勢圖 .................... 91
圖4-61 荷重1 kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之趨勢圖 ............................... 92
圖4-62 荷重1.5 kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之趨勢圖 ............................ 93
圖4-63 荷重2 kg 對鑄鐵盤及鑽石表粗之趨勢圖 ............................... 94
圖4-64 鐵盤研磨之方向(正拋) ............................................................. 95
圖4-65 鐵盤研磨之方向(反拋) ............................................................. 96
圖4-66 行星式研磨之鑽石表面 ............................................................ 97
圖4-67 行星式研磨之鑽石表面輪廓圖 ................................................ 98
圖4-68 非行星式研磨之鑽石表面 ........................................................ 98
圖4-69 非行星研磨之鑽石表面輪廓圖 ................................................ 98
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