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System No. U0002-0909201416124200
Title (in Chinese) 小尺寸超硬模具之研製
Title (in English) Fabrication of sub-mini meter molds made of hard and brittle material
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 102
Semester 2
PublicationYear 103
Author's name (in Chinese) 楊宗祐
Author's name(in English) Tsung-Yu Yang
Student ID 601370520
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2014-07-10
Pagination 87page
Committee Member advisor - 趙崇禮
co-chair - 陳盈同
co-chair - 馬廣仁
Keyword (inChinese) 玻璃模造
磨削加工
拋光加工
光固化樹脂
碳化鎢
Keyword (in English) GMP
grinding
polishing
UV curing resin
tungsten carbide
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
隨著光電業和半導體業的快速發展,對於各種精密零件或光學元件的需求量很大,其光學元件從平面、球面、非球面進展至各種自由形式的幾何形狀。而對於次釐米光學元件的需求日益增加,近年來已開發許多新技術,改善現有的方法來有效並經濟的生產光學元件。玻璃模造技術(GMP)是大量生產精密玻璃光學元件的其中之一種方法,其關鍵在於精密模具製造,由於模具通常是硬而脆的材料,如碳化鎢(WC)和碳化矽(SiC),主要使用精密鑽石砂輪研磨來完成這些模具。而光學元件的尺寸變小,製造模具的砂輪工具尺寸也勢必要縮小,這使得研磨過程變得成本提高與非常耗時。本研究開發小型光固化樹脂鑽石砂輪及利用其砂輪進行精密研磨、拋光,達到有效生產小型模具之目的,以改善小型模具之製造過程。於研究中,修整過後之小型砂輪直徑約0.5mm,利用其砂輪於加工方面,研磨非球面模具表粗Ra可達63 nm;單點拋光模具表粗Ra可達10 nm。
Abstract (in English)
Owing to the fast development in opto-electronic, semiconductor, components of high precision and customized shapes are in great demand. The optical components have evolved from planar, spherical, aspheric to free-form geometries. As the demand for precision optical components with sub-millimetre feature size steadily increasing, numerous efforts have been made in developing new techniques and in improving the existing approaches to efficiently and economically produce those components. Glass moulding process (GMP) is one of these methods to enable mass production of precision glass optical components in recent years. One of the key issues in GMP is precision mould fabrication. Since the mould are normally made of hard and brittle materials such as tungsten carbide (WC) and silicon carbide (SiC), precision diamond grinding is by far the principal choice used to machine the GMP mould. As the feature size of optical component gets smaller, the size of mould and grinding wheel used to fabricate the mould gets smaller too. This makes the grinding process a very time consuming and expensive task. This research aimed to improve the small mould fabrication processes by developing an effective way of producing small diamond wheels and precision grinding/polishing processes. Diamond wheels of around 0.5mm in diameter after truing and WC aspheric moulds of surface roughness around 63 nm and 10 nm (Ra) after grinding and polishing respectively were successfully produced in this research.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
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	XII
符號表	XIIII
第一章、緒論	1
  1-1 前言	1
  1-2研究背景	3
  1-3 研究目的	4
第二章、文獻回顧與理論基礎	5
  2-1 砂輪的組成	5
    2-1-1 磨料種類	6
    2-1-2 結合劑的種類	8
    2-1-3 砂輪硬度區分	11
  2-2 磨削加工機制	12
    2-2-1 硬脆材料移除機制	13
    2-2-2 影響磨削加工之參數	14
    2-2-3 砂輪的磨耗	16
    2-2-4 砂輪的削銳與修整	17
  2-3 紫外光固化技術	18
    2-3-1 紫外光固化機制	18
    2-3-2 紫外光固化樹脂成分與功能	19
    2-3-3紫外光固化技術的應用	21
第三章、實驗方法與設備	22
  3-1 實驗設計	22
  3-2 實驗設備	22
    3-2-1 紫外光固化設備	22
    3-2-2輪磨與拋光設備	25
    3-2-3 量測儀器	27
  3-3 實驗流程	33
  3-4 實驗步驟	34
    3-4-1 微小光固化樹脂鑽石砂輪製作	34
    3-4-2 精密加工磨削試驗	36
    3-4-3 精密加工拋光試驗	36
第四章、結果與討論	39
  4-1 棒狀微鑽石樹脂砂輪之研製	39
  4-2精密加工磨削試驗之結果	40
    4-2-1 磨削平面之結果	41
      4-2-1-1 不同切深對加工後碳化鎢Ra之影響	41
      4-2-1-2 不同進給速率對加工後碳化鎢Ra之影響	44
      4-2-1-3 不同砂輪加工後磨削角觀察與磨削比	47
    4-2-2 磨削非球面之結果	49
      4-2-2-1 磨削非球面後表粗與形狀精度之分析	51
      4-2-2-2 磨削非球面後砂輪磨削角觀察與磨削比	54
      4-2-2-3 微小非球面之研削實驗	55
  4-3 精密加工拋光試驗之結果	59
    4-3-1不同正向力拋光對碳化鎢表粗之影響	60
    4-3-2不同磨料濃度拋光對碳化鎢表粗之影響	65
    4-3-3不同主軸轉速拋光對碳化鎢表粗之影響	70
    4-3-4不同結合劑型號拋光對碳化鎢表粗之影響	75
    4-3-5 拋光砂輪磨耗量	79
第五章、結論	82
參考文獻	84

圖目錄
圖1- 1各種形狀不同的砂輪	3
圖2- 1不同結合劑磨削後的工件表面     9
圖2- 2切削、犁切與摩擦三階段示意圖	13
圖2- 3砂輪三種磨耗形式	16
圖2- 4鑽石磨粒之磨耗模式	17
圖2- 5砂輪表面	18
圖2- 6紫外光固化反應過程示意圖	19
圖2- 7光起始劑濃度與固化速率關係圖	20
圖3- 1點光源機    24
圖3- 2防塵暗箱	24
圖3- 3 NACHi ASP-MKE精密加工機	25
圖3- 4 NSK高速主軸	26
圖3- 5撓性加工載台示意圖	26
圖3- 6光學金相顯微鏡	28
圖3- 7掃描式電子顯微鏡	29
圖3- 8雷射共軛焦顯微鏡	30
圖3- 9LVDT線性位移感測器	31
圖3- 10光學投影機	32
圖3- 11 實驗流程圖	33
圖3- 12棒狀砂輪製作流程示意圖	35
圖3- 13砂輪修整流程示意圖	35
圖3- 14單點拋光加工示意圖	38
圖4- 1 (a)砂輪初步固化後 (b)砂輪修整後形貌   39
圖4- 2修整後棒狀砂輪之表面結構	40
圖4- 3不同切深之工件表面SEM	42
圖4- 4不同切深之工件表面實際量測值	43
圖4- 5不同切深之工件表粗變化趨勢圖	44
圖4- 6不同進給速率之工件表面SEM	45
圖4- 7不同進給速率之工件表面實際量測值	46
圖4- 8不同進給速率之工件表粗變化趨勢圖	47
圖4- 9不同砂輪加工後之磨削角	48
圖4- 10計算砂輪磨耗量示意圖	48
圖4- 11 UA3P量測形狀精度與P-V值	50
圖4- 12非球面模具表面SEM	52
圖4- 13非球面模具表粗與形狀精度	53
圖4- 14樹脂結合劑(M-5020)鑽石砂輪之表面磨耗觀察	54
圖4- 15樹脂結合劑(M-6210)鑽石砂輪之表面磨耗觀察	54
圖4- 16 (a)微砂輪圖 (b)砂輪切削邊放大視圖	56
圖4- 17雷射共軛交顯微鏡量測非球面模具	57
圖4- 18接觸式輪廓儀量測非球面模具	57
圖4- 19砂輪切削磨耗示意圖	58
圖4- 20經補償後模具量測圖	58
圖4- 21加工載台應力與應變關係圖	59
圖4- 22不同正向力之工件表面SEM	61
圖4- 23不同正向力之工件表面3D示意圖	62
圖4- 24不同正向力之工件表粗(線段)	63
圖4- 25不同正向力之工件表粗(面積)	63
圖4- 26不同正向力拋光時間15分鐘之表面形貌	64
圖4- 27不同磨料濃度之工件表面SEM	66
圖4- 28不同磨料濃度之工件表面3D示意圖	67
圖4- 29不同磨料濃度之工件表粗(線段)	68
圖4- 30不同磨料濃度之工件表粗(面積)	68
圖4- 31不同磨料濃度拋光時間15分鐘之表面形貌	69
圖4- 32不同主軸轉速之工件表面SEM	71
圖4- 33不同主軸轉速之工件表面3D示意圖	72
圖4- 34不同主軸轉速之工件表粗(線段)	73
圖4- 35不同主軸轉速之工件表粗(面積)	73
圖4- 36不同主軸轉速拋光時間15分鐘之表面形貌	74
圖4- 37不同樹脂結合劑砂輪之工件表面SEM	76
圖4- 38不同樹脂結合劑砂輪之工件表面3D示意圖	77
圖4- 39不同樹脂結合劑砂輪之工件表粗(線段)	78
圖4- 40不同樹脂結合劑砂輪之工件表粗(面積)	78
圖4- 41不同樹脂結合劑拋光時間15分鐘之表面形貌	79
圖4- 42拋光砂輪計算磨耗量示意圖	80
圖4- 43不同結合劑砂輪磨耗量趨勢圖	81

表目錄
表2- 1磨料的特性及使用範圍	7
表2- 2熱固性樹脂與紫外光固化樹脂之性能比較表	10
表2- 3各種結合劑的特性及用途	11
表3- 1光固化樹脂之特性  23
表3- 2鑽石粉規格表	23
表3- 3點光源機基本資料	24
表3- 4 NACHi ASP-MKE精密加工機規格表	25
表3- 5 NSK高速主軸規格表	26
表3- 6砂輪規格表	27
表3- 7磨削材料規格表	27
表3- 8雷射共軛焦顯微鏡 Keyence VK-9700規格表	30
表3- 9結合劑特性表	34
表3- 10平面磨削試驗加工參數	36
表3- 11平面拋光試驗加工參數	37
表4- 1磨削平面加工參數	41
表4- 2砂輪磨削比計算表	48
表4- 3非球面研磨加工與砂輪參數	50
表4- 4砂輪磨削比計算表	55
表4- 5微小非球面加工參數	56
表4- 6原工件表粗表	60
表4- 7力為實驗變數之拋光參數表	60
表4- 8原工件表粗表	65
表4- 9磨料濃度為實驗變數之拋光參數表	65
表4- 10原工件表粗表	70
表4- 11主軸轉速為實驗變數之拋光參數表	70
表4- 12原工件表粗表	75
表4- 13結合劑型號為實驗變數之拋光參數表	75
表4- 14拋光磨耗量計算參數表	80
 
References
參考文獻
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【28】	J.Kindernay, A. Blazkova, J. Ruda, V. Jan covi, Z,Jakub kova, “Effect of UV light source intensity and spectral distribution on the photopolymerisation reactions of a multifunctional acrylated monomer”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol.151, pp. 229–236, 2002.
【29】	M.E. Nichols, C.M. Seubert, W.H. Weber, J.L. Gerlock, “A simple Raman technique to measure the degree of cure in UV curable coatings”, Progress in Organic Coatings 43, pp. 226–232, 2001.
【30】	N. Alcon, A. Tolosa, M.T. Rodriguez, C. Moreno, “Development of photoluminescent powder coatings by UV curing process”, Progress in Organic Coatings, Vol. 67, pp. 92–94, 2010.
【31】	NACHi, http://www.nachi.com/ , 2014.
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