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系統識別號 U0002-2806200623544500
中文論文名稱 單點鑽石車削加工於經電漿滲層處理之S420不鏽鋼之研究
英文論文名稱 Investigation of single point diamond turning of plasma surface treated stainless steel
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 溫長憲
研究生英文姓名 chang-hsien Wun
學號 693340381
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-05-18
論文頁數 73頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-鈕健
委員-趙崇偉
委員-馬廣仁
委員-劉道恕
中文關鍵字 單點鑽石車削  離子滲氮  表面處理 
英文關鍵字 Single point diamond turning  Plasma nitriding  Surface trate 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 近年來,有一些金屬例如鋁合金、無電鍍鎳跟銅(OFHC)已經可以經由鑽石車削達到次微米的公差及小於2nm的表面粗糙度(Ra),而且鑽石車削也可以加工硬脆材料例如Soda-lime玻璃、BK7、矽及Zerodur等材料的表面像鏡面一樣的表面精度。然而不鏽鋼及其他的鐵系金屬被歸類為不可鑽石車削的,因為藉由在鑽石與鐵金屬間產生的熱化學反應造成不可接受的刀具磨耗。近年來有研究將不鏽鋼試片在相當低溫的狀態(<450℃)用離子氮化來防止用盡在沃斯田鐵基材中的鉻以及得到一層用鐵原子與氮原子成型而成γ’-Fe4N的硬層。鑽石車削的的實驗在下列加工參數便完成:單晶鑽石刀具,最大切削速度180m/min,最大切深至4.5μm以及使用少量的無機油當作切削液。結果顯示在相同的參數下車削不鏽鋼時會獲得快速的刀具磨耗以及很差的表面精度,而車削經過離子氮化的試片會得到10nm以下的表面粗糙度以及沒有發現明顯的刀具磨耗。
英文摘要 For some years, it has been possible to diamond-turn certain metals such as aluminium alloy, electroless nickel, and copper(OFHC) to sub-micrometre figure tolerances and surface roughness better than 2nm Ra. It has also been achieved in diamond turning brittle materials such as soda-lime glass, BK7, silicon and Zerodur to mirror-like surface finishes. However, stainless steel and other ferrous metals are normally classified as not diamond turnable for the unacceptable tool wear caused by the thermal-chemical reaction between diamond and ferrous metals.
In the present research, stainless steel specimens were plasma nitrided at a relatively low temperature (<450oC) 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 γ’-Fe4N. Diamond turning experiments were subsequently carried out under the following machining conditions: single crystal diamond tool, cutting speed up to 180 m/min, cut depth up to 4.5mm and light mineral oil as the cutting fluid. The results showed that, given the same machining conditions, while rapid tool wear and poor surface finish were obtained when turning the as-received stainless steel, surfaces with Ra better than 10 nm and no obvious tool wear were achieved when turning the plasma nitrided specimens.
論文目次 中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅲ
致謝Ⅴ
目錄Ⅶ
表目錄Ⅹ
圖目錄ⅩⅠ
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5
第二章 文獻回顧與理論基礎6
2-1單點鑽石車削6
2-2鑽石車削金屬8
2-3鑽石刀具的磨耗形式9
2-3-1鐵系金屬及過度元素對鑽石刀具的磨耗9
2-3-2降低鑽石刀具磨耗的相關研究16
2-4電漿滲層處理18
2-4-1離子滲氮19
2-4-2離子滲碳24
2-4-3離子碳氮共滲25
2-5加工參數的影響27
2-5-1切削速度27
2-5-2進給率28
2-5-3切削深度29
第三章 實驗設備與實驗步驟30
3-1切削實驗30
3-1-1超精密加工機30
3-1-2加工工件與刀具30
3-1-3實驗目的32
3-1-4實驗規劃32
3-1-5加工方法33
3-2加工表面之檢測36
第四章 分析結果與討論40
4-1工件次表面檢測之結果40
4-1-1低溫離子滲氮40
4-1-2低溫離子滲碳42
4-1-3低溫離子碳氮共滲45
4-2加工後試片表面之形貌48
4-2-1低溫離子滲氮試片48
4-2-2低溫離子滲碳試片56
4-2-3低溫離子碳氮共滲61
第五章 結論70
參考文獻71

表目錄
表(2-3-1-1)反應機制15
表(2-4-1-1)滲氮層各相的基本特點20
表(3-1-2-1)S420不鏽鋼之化學成分30
表(3-1-2-2)S420不鏽鋼之材料硬度31
表(3-1-5-1)表面硬化熱處理的各個參數34
表(3-1-5-2)低溫離子滲氮35
表(3-1-5-3)低溫離子滲碳35
表(3-1-5-4)低溫離子碳氮共滲35

圖目錄
圖(2-3-1-1)金屬元素吸引碳之示意圖11
圖(2-3-1-2)鑽石能障圖12
圖(2-3-2-1)超音波切削流程圖17
圖(2-4-1-1)離子氮化示意圖20
圖(2-4-1-2)ε-Fe3N層23
圖(2-4-1-3)說明有無珠擊法其厚度差近三倍23
圖(2-4-1-4)左圖白色層為S相與右圖黑色層為CrN24
圖(2-4-2-1)低溫離子滲碳後金屬表面緻密層25
圖(2-4-3-1)離子碳氮共滲示意圖26
圖(2-5-2-1)示意進給率大小所得的表面粗糙度29
圖(3-1-2-1)鑽石刀具31
圖(3-1-4-1)實驗流程圖33
圖(3-1-5-1)試片鏡面的示意圖34
圖(3-2-1)切片之示意圖36圖(3-2-2)硬度測試示意圖37
圖(3-2-3)OM38
圖(3-2-4)SEM38
圖(3-2-5)α-Step39
圖(4-1-1-1)低溫離子滲氮之SEM圖40
圖(4-1-1-2)低溫離子滲氮之OM圖41
圖(4-1-1-3)低溫離子滲氮之維克氏硬度分布圖41
圖(4-1-1-4)低溫離子滲氮之XRD42
圖(4-1-2-1)低溫離子滲碳之SEM圖43
圖(4-1-2-2)低溫離子滲碳之OM圖43
圖(4-1-2-3)低溫離子滲碳之維克氏硬度分布圖44
圖(4-1-2-4)低溫離子滲碳之XRD44
圖(4-1-3-1)低溫離子碳氮共滲之SEM圖45
圖(4-1-3-2)低溫離子碳氮共滲之OM圖46
圖(4-1-3-3)低溫離子碳氮共滲之維克氏硬度分布圖46
圖(4-1-3-4)低溫離子碳氮共滲之XRD47
圖(4-2-1-1)脆性剥離的現象48
圖(4-2-1-2)剥離時所產生的裂痕48
圖(4-2-1-3)延性切削模式49
圖(4-2-1-4)出刀口的完全延性切削模49
圖(4-2-1-5)進刀口的完全延性切削模式49
圖(4-2-1-6)進給率3mm/min50
圖(4-2-1-7)進給率2mm/min50
圖(4-2-1-8)進給率1mm/min50
圖(4-2-1-9)轉速為500rpm51
圖(4-2-1-10)轉速為600rpm51
圖(4-2-1-11)第一組參數的刀紋52
圖(4-2-1-12)第二組參數的刀紋52
圖(4-2-1-13)第三組參數的刀紋52
圖(4-2-1-14)第四組參數的刀紋52
圖(4-2-1-15)主刀紋上的副刀紋53
圖(4-2-1-16)刀尖之SEM53
圖(4-2-1-17)刀尖旁磨耗之放大53
圖(4-2-1-18)刀面與刀腹之SEM圖54
圖(4-2-1-19)刀具切深示意圖54
圖(4-2-1-20)單點鑽石車削參數一試片之表面粗糙度55
圖(4-2-1-21)單點鑽石車削參數二試片之表面粗糙度55
圖(4-2-1-22)單點鑽石車削參數三試片之表面粗糙度56
圖(4-2-1-23)單點鑽石車削參數四試片之表面粗糙度56
圖(4-2-2-1)高切深時所產生的撕裂狀57
圖(4-2-2-2)為放大撕裂圖57
圖(4-2-2-3)60倍率之進刀口57
圖(4-2-2-4)60倍率之出刀口57
圖(4-2-2-5)切深3μm的SEM圖58
圖(4-2-2-6)切深12μm的SEM圖58
圖(4-2-2-7)參數三之進給率為1mm/min59
圖(4-2-2-8)參數四之進給率為3mm/min59
圖(4-2-2-9)單點鑽石車削參數一試片之表面粗糙度60
圖(4-2-2-10)單點鑽石車削參數二試片之表面粗糙度60
圖(4-2-2-11)單點鑽石車削參數三試片之表面粗糙度61
圖(4-2-2-12)單點鑽石車削參數四試片之表面粗糙度61
圖(4-2-3-1)在深切深時的撕裂狀態62
圖(4-2-3-2)在深切深時的撕裂狀態之放大62
圖(4-2-3-3)在中切深時的振刀狀態62
圖(4-2-3-4)在中切深時的振刀狀態之放大62
圖(4-2-3-5)振刀與純撕裂狀態的分界處63
圖(4-2-3-6)振刀與純撕裂狀態的分界處之放大63
圖(4-2-3-7)參數二之進刀口63
圖(4-2-3-8)參數二之出刀口63
圖(4-2-3-9)參數二之深切深(約13μm)64
圖(4-2-3-10)參數三之深切深(約3μm)64
圖(4-2-3-11)參數一的進給量3mm/min65
圖(4-2-3-12)參數三的進給量6mm/min65
圖(4-2-3-13)參數一的進刀口65
圖(4-2-3-14)參數三的進刀口65
圖(4-2-3-15)刀尖右側之磨耗圖66
圖(4-2-3-16)刀尖左側之磨耗圖66
圖(4-2-3-17)刀尖右側之磨耗圖放大1000倍66
圖(4-2-3-18)刀尖右側之磨耗圖放大2000倍66
圖(4-2-3-19)刀尖左側之磨耗圖放大500倍67
圖(4-2-3-20)刀尖左側之磨耗圖放大2000倍67
圖(4-2-3-21)參數一之表粗67
圖(4-2-3-22)參數二之表粗68
圖(4-2-3-23)參數三之表粗68
圖(4-2-3-24)參數四之表粗69
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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2006-06-30公開。
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