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系統識別號 U0002-2807200919102300
中文論文名稱 精密輪磨加工硬脆材料中加工參數對表面性狀之影響研究
英文論文名稱 Study on the Influence of Grinding Conditions on the Surface Integrity of the Precision Ground Brittle Materials
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 趙展毅
研究生英文姓名 Chan-Yi Chao
學號 696370468
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2009-07-07
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-馬廣仁
委員-陳大同
委員-陳炤彰
委員-趙崇禮
中文關鍵字 交錯磨削  平行磨削  電解線上削銳  表面性狀  火花消失 
英文關鍵字 cross grinding  parallel grinding  ELID  Surface Integrity  Spark-out 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 近年來,由於硬脆材料與超精密加工技術的快速發展,加工效率與加工品質的要求逐漸提高。目前業界加工硬脆材料主要以切削與磨削為主,而磨削硬脆材料之加工效率較切削快,且透過延性加工模式之實現可以得到優良的表面粗糙度與形狀精度。在形狀精度及表粗要求日益提高的光電領域,磨削已然成為一項關鍵的加工技術。
本研究以單晶矽為加工工件,研究各項磨削參數對象如切深、進給、轉速等;磨削方式如交錯磨削與平行磨削,及削銳方式對加工表面及次表面所造成的影響。此外對火花消失對加工表面性狀產生的影響亦加以探討;以整理出磨削參數與表面粗糙度及次表面相變化的關係。
英文摘要 Owing to the rapid development in new materials and ultra-precision machining techniques, the demands from industry for higher machining efficiency and machining quality are also increasing. In order to meet these requirements, brittle materials are mainly machined by precision diamond turning and diamond grinding. By keeping the cutting process within the ductile regime, diamond grinding can offer superb surface finish, good form accuracy and, in comparison to diamond turning, better machining efficiency. This research aimed to investigate the influences of grinding parameters such as cut depth, feed rate, spindle speed; ways of grinding process namely cross grinding and parallel grinding; and dressing techniques on the obtained surface integrity. Single crystal silicon was selected as the work material in this study. Field emission scanning electron microscope(FESEM), Alfa-step, optical microscope, and transmission electron microscope(TEM) were used to examined the obtained surface/subsurface. The effect of spark-out was also investigated.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
圖目錄 VIII
表目錄 XII
符號表 XIII
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 6
2-1精密磨削(Precision Grinding) 6
2-2 硬脆材料加工方式 6
2-2-1 機械性移除加工 7
2-3 延性加工原理 7
2-3-1 犁平機制(Ploughing Mechanism) 8
2-3-2 切削機制(Cutting Mechanism) 9
2-3-3 剝離機制(Delamination Mechanism) 10
2-3-4 脆性破壞機制(Brittle Fracture Mechism) 10
2-4 破壞機制的探討 11
2-4-1 裂紋形貌的分類 11
2-5 殘留應力的影響 13
2-6 矽晶圓磨削特性 14
2-6-1 矽晶圓的表面加工方法 14
2-7 砂輪與工件之間接觸弧內磨削溫度 15
2-7-1 測量磨削溫度 15
2-7-2 磨削溫度分配與燒焦現象 16
2-7-3 機台轉速影響 17
2-7-4 砂輪直徑影響 18
2-7-5 砂輪轉速影響 19
2-7-6 砂輪與工件之間接觸弧內磨削溫度特性總結 21
2-8 緩進給磨削的熱通量分布與能量劃分 22
2-8-1 磨削過程中的熱轉換分析 22
2-8-2 能量劃分預測 23
2-8-3 能量劃分特性整理 24
2-9 藉由高速單點微切削單晶矽的變形 24
2-9-1 單晶矽的相變化 24
2-10 由接觸負荷引起的矽材料相變化 28
2-10-1 壓痕試驗產生的相變化觀察 29
2-10-2 壓痕試驗產生的相變化特性 36
2-10-3 壓痕試驗產生的相變化整理 37
第三章 研究方法與設備 40
3-1 實驗設計與步驟 40
3-2 實驗流程圖 41
3-3 實驗材料 41
3-3-1 單晶矽材料特性 42
3-3-2 磨削砂輪規格 44
3-3-3 實驗試片加工參數 45
3-4 實驗設備 46
3-4-1粗磨加工機 46
3-4-2 精磨加工機 47
3-4-3 觀察量測儀器 48
第四章 結果與討論 52
4-1 磨削表面與次表面觀察 52
4-2傳統磨削與ELID磨削加工方式差異比較 52
4-3 ELID磨削加工參數差異比較 58
4-3-1 加工電壓差異比較 58
4-3-2 電流供應比差異比較 61
4-3-3 Spark-out與ELID磨削表面特性關係 64
4-4交錯磨削與平行磨削之差異 66
4-4-1 內側區域比較 68
4-4-2 外側區域比較 70
4-5 交錯磨削與平行磨削各項加工參數的影響 73
4-5-1 加工轉速的影響 73
4-5-2 切深的影響 77
4-5-3 進給速度的影響 81
第五章 結論 89
參考文獻 93


圖目錄
圖2-1 犁平機制示意圖 9
圖2-2 切削機制示意圖 9
圖2-3 材料在殘留應力下剝離本體,形成細長的切屑 10
圖2-4 硬脆材料加工現象流程圖 11
圖2-5 破裂行為發展示意圖 12
圖2-6 碳化鎢球頭刀由左至右刻劃玻璃 13
圖2-7 碳化鎢球頭刀刻劃示意圖 13
圖2-8 磨削溫度信號的典型路徑 16
圖2-9磨削溫度分配計算 17
圖2-10 在最大磨削溫度θm時工件轉速v的影響與當砂輪直徑D=200mm時的燒焦長度Lb 18
圖2-11在最大磨削溫度θm時工件轉速v的影響與當砂輪直徑D=140mm時的燒焦長度Lb 18
圖2-12 不同砂輪轉速下沿著接觸弧的磨削溫度分配比較 19
圖2-13 砂輪轉速V在最大磨削溫度θm與燒焦長度Lb的影響 20
圖2-14 磨削熱從接觸弧傳導到磨削液示意圖 21
圖2-15 順磨與逆磨以及熱模型示意圖 23
圖2-16典型的加工矽材料表面Raman光譜加工速度 25
圖2-17 在進給率5μm/s與46.78 m/s加工矽材料的次表面結構 26
圖2-18 非結晶層厚度的變化與差排滲透深度在不同的進給率與切削速度下 26
圖2-19差排形貌在切削速度為28.69 m/s (a) 進給5μm/rev (b) 進給30μm/rev 27
圖2-20 差排(30μm/rev,12.48m/s)的 (a)暗與(b)亮區域影像 28
圖2-21 電子顯微鏡觀察之Vickers壓痕外觀 30
圖2-22 Vickers壓印的Raman光譜 31
圖2-23 光學顯微鏡觀察使用緩慢卸載率之Rockwell壓印 32
圖2-24 光學顯微鏡觀察使用快速卸載率之Rockwell壓印 32
圖2-25 Rockwell壓印的Raman光譜 33
圖2-26 多晶高壓相的Ar雷射退火 34
圖2-27 使用He-Ne雷射退火非結晶矽 35
圖2-28 Raman光譜來自Vickers壓印在200 ℃退火2小時 35
圖2-29 Vickers壓印在矽材料上的影響 38
圖2-30 在壓印與後處理過程中出現的相轉換機制 38
圖3-1 磨削加工實驗試片外觀 42
圖3-2 單晶矽的鑽石結構 43
圖3-3 常用矽晶圓之型態 43
圖3-4 電解線上削銳磨削砂輪外觀 44
圖3-5 交錯與平行磨削砂輪外觀 45
圖3-6 粗砂輪磨機外觀 46
圖3-7 平行與交錯磨削加工機臺外觀 47
圖3-8 光學顯微鏡外觀照片 49
圖3-9 場發射掃描式電子顯微鏡外觀 49
圖3-10 穿透式電子顯微鏡示意圖 50
圖3-11 表面形貌儀外觀照片 51
圖4-1 ELID磨削概要圖 53
圖4-2 ELID磨削機制 54
圖4-3 光學顯微鏡拍攝傳統輪磨與ELID輪磨表面狀態 57
圖4-4 電子顯微鏡拍攝傳統輪磨與ELID輪磨表面狀態 57
圖4-5 表面形貌儀量測傳統磨削與ELID磨削表面粗糙度 57
圖4-6 光學顯微鏡拍攝不同加工電壓ELID磨削材料表面狀態 59
圖4-7 電子顯微鏡拍攝不同加工電壓ELID磨削材料表面狀態 60
圖4-8 表面形貌儀量測不同加工電壓ELID磨削表面粗糙度 61
圖4-9 光學顯微鏡拍攝不同加工電壓ELID磨削材料表面狀態 63
圖4-10 電子顯微鏡拍攝不同加工電壓ELID磨削材料表面狀態 63
圖4-11 表面形貌儀量測不同電流供應比ELID磨削試片表面粗糙度 64
圖4-12 穿透式電子顯微鏡拍攝Spark-out與否ELID磨削表面狀態 66
圖4-13 表面形貌儀量測Spark-out與否ELID磨削試片表面粗糙度 66
圖4-14 非球面磨削方式 67
圖4-15 磨削區域內外側定義示意圖 68
圖4-16 交錯磨削與平行磨削之內側區域光學顯微鏡照片 69
圖4-17交錯磨削與平行磨削之內側區域電子顯微鏡照片 70
圖4-18 交錯磨削與平行磨削之外側區域光學顯微鏡照片 71
圖4-19交錯磨削與平行磨削之外側區域電子顯微鏡照片 71
圖4-20 表面形貌儀量測兩種磨削方式內外側區域表面粗糙度結果 72
圖4-21 穿透式電子顯微鏡觀察磨削方式差異之次表面形貌 73
圖4-22 不同磨削速度交錯磨削之光學顯微鏡照片 75
圖4-23 不同磨削速度交錯磨削之電子顯微鏡照片 76
圖4-24 表面形貌儀量測不同加工轉速交錯磨削表面粗糙度結果 77
圖4-25 不同切深交錯磨削之光學顯微鏡照片 79
圖4-26 不同切深交錯磨削之電子顯微鏡照片 80
圖4-27 表面形貌儀量測不同切深交錯磨削表面粗糙度結果 81
圖4-28 不同進給速度交錯磨削之光學顯微鏡照片 83
圖4-29不同進給速度平行磨削之光學顯微鏡照片 84
圖4-30 不同進給速度交錯磨削之電子顯微鏡照片 85
圖4-31不同進給速度平行磨削之電子顯微鏡照片 86
圖4-32 穿透式電子顯微鏡觀察進給速度差異之次表面形貌 87
圖4-33表面形貌儀量測不同進給速度磨削表面粗糙度 88


表目錄
表2-1 常見的矽材料相轉換特性整理 39
表3-1 單晶矽材料特性 43
表3-2 電解線上削銳磨削砂輪規格 45
表3-3 交錯與平行磨削砂輪規格 45
表3-4 平行與交錯磨削加工機臺規格 47
表4-1 觀察量測試片表面特徵之儀器對照表 52
表4-2 傳統磨削與ELID磨削加工參數比較 55
表4-3 不同加工電壓的ELID磨削試片加工參數 58
表4-4 不同電流供應比的ELID磨削試片加工參數 61
表4-5 Spark-out處理與否的ELID磨削試片加工參數 64
表4-6 交錯磨削與平行磨削加工方式差異之加工參數 67
表4-7 不同加工機轉速交錯磨削加工參數 74
表4-8 不同切深磨削試片之加工參數 77
表4-9 不同進給速度交錯磨削試片加工參數 81
表4-10 不同進給速度平行磨削試片加工參數 81

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