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System No. U0002-3009201614085700
Title (in Chinese) 刀具及切削參數於精密鑽石車削加工微光學結構製程中對毛邊形成機制之影響
Title (in English) Influence of tool shape/wear and cutting parameters on the burr formation mechanisms in precision diamond turning of micro-optical structure
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 104
Semester 2
PublicationYear 105
Author's name (in Chinese) 陳玟豪
Author's name(in English) Wen-Hao Chen
Student ID 603350264
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2016-07-20
Pagination 91page
Committee Member advisor - Choung-Lii Chao
co-chair - 馬廣仁
co-chair - 周文成
co-chair - 趙崇禮
Keyword (inChinese) 微切削
刀刃半徑
切削進給量
毛邊
Keyword (in English) micro-cutting
cutting edge radus
cutting feed rate
burr
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
關於微圖案的使用方面有越來越多的需求,所以對於微米和奈米級的模具能夠有效的重覆使用,就能提升其經濟價值。長期以來,對於這些模具已經做了許多嘗試於各種製造方法,如光刻,FIB,雷射剝蝕和精密鑽石車削。
在眾多製造方法中,至今為止鑽石車削是最常被使用的方法,而精密車削光學級滾輪用於滾輪壓製生產,如BEF和3D膜的微圖案生產。
然而,在微切削的過程中所產生的微毛邊,它不僅使得模具無法使用,也會增加加工的成本。對於微切削的研究是基於有限元素的模擬和鑽石車削實驗製程,而加工參數對於毛邊形成的影響,如刀刃半徑、刀具夾角、切削深度、切削速度、螺旋切削和直接切入切削進行了系統的研究。
其結果顯示:(一)刀刃半徑和切削深度對於毛邊形成有深遠的影響。
(二)微切削過程中在抑制毛邊的形成,其直接切入的切削方式優於螺旋切削。
Abstract (in English)
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, laser ablation, 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 produced during the micro-cutting process which not only makes the mold un-usable but also increases the cost of machining. Efforts have been made to study the burr formation process during the micro-cutting by finite element method based simulation and diamond turning experiments. Influences of the machining parameters such as cutting edge radius, included angle, depth of cut, cutting speed and spiral/plunge-cut approaches on the burr formation were systematically investigated. The results show that (i) cutting edge radius and depth of cut have profound effect on burr formation and (ii) plunge-cut approach performs better than spiral-cut in suppressing the burr formation during micro-cutting process.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
誌謝	I
中文摘要	II
英文摘要	III
表目錄	XI
符號說明	XII
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	6
第二章 文獻回顧與理論	7
2-1 金屬切削基本理論	7
2-1-1切削基本模式	8
2-1-2二維切削力學	9
2-1-3切削尺寸效應	11
2-2刀具幾何對切屑之影響	15
2-2-1刀具磨耗種類	16
2-2-2切屑的形狀及種類	18
2-2-3刀具幾何切削時切屑流動型態	21
2-3毛邊的形狀及形成機制	22
2-3-1毛邊(Burr)定義	22
2-3-2 毛邊的形態	22
2-3-3毛邊的形成機制	24
2-3-4 微切削毛邊的模擬與預測	31
第三章 實驗設備與實驗步驟	34
3-1實驗目的	34
3-2 實驗規劃	35
3-3實驗設備及加工方法	37
3-3-1 加工工件與刀具:	37
3-3-2 加工方法	39
3-4 加工表面檢測	45
3-4-1 試片結構尺寸與毛邊狀況之檢測	45
3-4-2 刀具外觀檢視與刀刃r值檢測	46
第四章 研究結果與討論	55
4-1 刀具刀刃R值與切削深度的關係對於毛邊現象之影響	55
4-2刀刃r值與切削深度的關係之有限元素模擬	57
4-2-1 各刀具內角夾之刀刃R值與毛邊高度關係之模擬	59
4-2-2 切削速度與毛邊高度之關係	62
4-3單次切削的不同深度對毛邊的影響性	66
4-4 直接切削(plunge-cut) 不同進給量對毛邊現象之影響	70
4-4-1 Plunge-cut 不同進給量對毛邊現象之影響	70
4-5螺旋切削(spiral-cut)的不同道次切削對毛邊現象之影響	73
4-5-1螺旋切削(spiral-cut)的2刀切削對毛邊現象之影響	73
4-5-2螺旋切削(spiral-cut)的3刀切削對毛邊現象之影響	74
4-6 不同內夾角刀具對切削後的毛邊現象之影響	76
4-7 不同磨耗刀具對切削後的毛邊現象之影響	79
4-7-1 Spiral-cut用不同刀具磨耗切削對毛邊現象之影響	79
4-7-2 plunge-cut用不同刀具磨耗切削對毛邊現象之影響	82
參考文獻	88
 
圖目錄
圖1-1 全球主要智慧手持裝置出貨量變化與預測【1】	1
圖1-2背光模組之主要零組件及成本組合【2】	2
圖1-3製造業花費於毛邊的佔用比【3】	3
圖1-4切削加工精度演進示意圖【4】	4圖2-1 圓柱車削示意圖【7】	7
圖2-2 切屑上的作用力之自由體圖【9】	10
圖2-3 正交之切削力關係圖【9】	10
圖2-4 切屑之形成幾何示意圖【9】	12
圖2-5 犁切力在滑移線區示意圖【15】	14
圖2-6 不連續切屑是示意圖【21】	18
圖2-7 連續式切屑是意圖【21】	19
圖2-8 有積屑形成BUE是意圖【21】	20
圖2-9 金字塔加工模式【22】	21
圖2-10毛邊種類示意圖【23】	22
圖2-11 蒲松型毛邊示意圖【24】	23
圖2-12 Fly-cut 刀具進給方向切削示意圖【25】	25
圖2-13 毛邊形成起源圖【26】	26
圖2-14 毛邊形成機制四個步驟【27】	27
圖2-15 切削深度ƒt與刀刃R得比值【28】	28
圖2-16 切削分力圖【28】	28
圖2-17 出口毛邊形成模式示意圖【29】	30
圖2-18 切削時毛邊形成示意圖【30】	31
圖2-19 切削加工之毛邊形成的有限元素模擬【31】	32
圖2-20 不同切削速度下的毛邊形成之有限元素模擬【31】	32
圖2-21 以FEM模擬金屬切削毛邊【32】	33
圖3-1 實驗規劃流程圖	36
圖3-2實驗材料	37
圖3-3實驗鑽石刀具	37
圖3-4 TOSHBA MACHINE	39
圖3-5 Plunge- cut示意圖	40
圖3-6 Spiral cutting示意圖	40
圖3-7 掃描式電子顯微鏡	45
圖3-8 雷射掃描顯微鏡	45
圖3-9內夾角45度的鑽石刀具SEM照片	46
圖3-10內夾角90度的鑽石刀具SEM照片	46
圖3-11內夾角130度的鑽石刀具SEM照片	46
圖3-12刀具編號T3-45w的刀刃磨耗狀況SEM照片	47
圖3-13刀具編號T4-45w刀刃磨耗狀況SEM照片	47
圖3-14刀具編號T5-45w刀刃磨耗狀況SEM照片	47
圖3-15刀具編號T6-45w刀刃磨耗狀況SEM照片	48
圖3-16刀具編號T7-90w刀刃磨耗狀況SEM照片	48
圖3-17刀具編號T8-90w刀刃磨耗狀況SEM照片	48
圖3-18刀具編號T9-90w刀刃磨耗狀況SEM照片	49
圖3-19刀具編號T10-90w刀刃磨耗狀況SEM照片	49
圖3-20 矽膠切割剖面示意圖	50
圖3-21 confocal刀具矽膠示意圖	50
圖3-22 刀刃R值與刀尖距離關係式	50
圖4-1刀刃R值對於切削深度之關係示意圖	55
圖4-2有限元素模擬 磨耗90度內夾角鑽石車刀	57
圖4-3不同的內夾角刀具及刀刃r值與毛邊高度之關係	60
圖4-4切削速度與毛邊高度之關係	63
圖4-5內夾角90度鑽石刀具刀刃銳利	66
圖4-6內夾角90度鑽石刀具刀刃磨耗	66
圖4-7刀具銳利切深 25μm的微結構照片	67
圖4-8刀具磨耗切深25μm的微結構照片	67
圖4-9刀具磨耗切深45μm的微結構照片	68
圖4-10刀具磨耗切深45μm的微結構照片	68
圖4-11 10μm/rev切削量	70
圖4-12 1.3μm/rev切削量	71
圖4-13 1μm/rev切削量	71
圖4-14 10μm/rev切削量	72
圖4-15(10μm/rev)x5 +(1μm/rev)x10	72
圖4-16刀具90度內夾角2刀切深12 +12μm	73
圖4-17刀具90度內夾角2刀切深16+8μm	73
圖4-18刀具90度內夾角3刀切深14+8+2μm	74
圖4-19刀具90度內夾角3刀切深14+6+4μm	75
圖4-20第一組不同內夾角刀具切削後狀況	77
圖4-21第二組不同內夾角刀具切削後狀況	78
圖4-22 T3-45W刀具切削後為微結構之毛邊現象	79
圖4-23 T4-45W刀具切削後為微結構毛邊現象	80
圖4-24 T5-45W刀具切削後為微結構之毛邊現象	81
圖4-25 T6-45W刀具切削後為微結構之毛邊現象	81
圖4-26 T7-90W刀具切削後為微結構之毛邊現象	82
圖4-27 T8-90W刀具切削後為微結構之毛邊現象	82
圖4-28 T9-90W刀具切削後為微結構之毛邊現象	83
圖4-29 T10-90W刀具切削後為微結構之毛邊現象	83

表目錄
表3-1鑽石刀具規格	38
表3-2直接切削與螺旋切削的比較表	41
表3-3刀具內夾角45度切削加工參數	42
表3-4刀具內夾角90度切削加工參數	43
表3-5刀具內夾角130度切削加工參數	44
表3-6 刀具T3-45W的不同切深刀刃R值	51
表3-7刀具T4-45w的不同切深刀刃R值表	51
表3-8刀具T5-45w的不同切深刀刃R值表	52
表3-9刀具T6-45w的不同切深刀刃R值表	52
表3-10刀具T7-90w的不同切深刀刃R值表	53
表3-11刀具T8-90w的不同切深刀刃R值表	53
表3-12刀具T9-90w的不同切深刀刃R值表	54
表3-13刀具T10-90w的不同切深刀刃R值表	54
表4-1刀刃r值與切削深度的參數組合	56
表4-2磨耗鑽石車刀為90度內夾角的切削加工	57
表4-3不同內夾角鑽石車刀及刀刃r值與毛邊高度之關係	59
表4-4不同切削速度與毛邊高度之關係	63
表4-5不同切削速度與毛邊高度之關係	69
References
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University of California, Berkeley, CA, U.S.A.,2001。
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