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研究生: 高瑋成
Wei-Cheng Gao
論文名稱: 於CNC加工中心機以新型拋光工具對STAVAX模具鋼經常壓電漿氮化硬化後之表面精加工研究
Research on the Surface Finishing of STAVAX Mold Steel after Atmospheric Plasma Jet Nitriding by Using the New Polishing Tool on a CNC Machining Center
指導教授: 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 郭俊良
郭俞麟
吳昌謀
修芳仲
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2023
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 135
中文關鍵詞: 擠光加工常壓電漿氮化硬化拋光加工田口實驗法表面粗糙度STAVAX模具鋼
外文關鍵詞: Burnishing, Atmospheric Plasma Jet Nitriding, Polishing, Taguchi's Method, Surface Roughness, STAVAX mold steel
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  • 本論文研究主要目的為開發一可安裝於三軸、五軸CNC加工中心機之新型內建荷重元拋光工具,並以自製拋光橡膠體,對擠光加工後施以常壓電漿氮化硬化之STAVAX不鏽模具鋼平面試件進行表面拋光精加工處理,探討其表面粗糙度及硬度之改善。
    新型拋光工具有可替換式之夾治具機構設計,依實驗需求,可搭配自製內含氧化鋁粉之拋光球或拋光柱進行加工,將先期研究建議之擠光及拋光參數應用於自由曲面試件,可使擠光加工後之表面粗糙度由Ra 1.07 µm改善至Ra 0.11 µm;再經拋光加工後之表面粗糙度則可改善至Ra 0.05 µm,由以上結果驗證了機構之可靠性。
    本研究為探討拋光磨料濃度對於表面粗糙度之影響,將自製拋光橡膠體之氧化鋁粉含量由先期研究之20%提升至30%,並參考先期研究建議之拋光參數應用於平面試件,經實驗證明,氧化鋁粉濃度提升後之拋光膠體,可使試件表面粗糙度結果相較濃度提升前之結果改善約19%。
    本研究參考先期研究最佳擠光參數組合,可使平面試件之表面粗糙度由Ra 0.22 µm降至Ra 0.056 µm;再經由常壓電漿氮化硬化製程,使試件表面硬度由392 HV上升至513 HV,而試件表面粗糙度也因此上升至Ra 0.15 µm;最後利用田口實驗設計法,以直徑20 mm拋光柱,得建議拋光參數組合為:粒徑0.5 µm、拋光力7.78 N、進給率0.1 mm/min、轉速7000 rev/min,經拋光後之平面試件表面粗糙度可降低至Ra 0.08 µm,改善47 %之表面粗糙度值。


    This research aims to develop a new polishing tool embedded with a load cell that can be installed either on a three-axis or a five-axis CNC machining center. Surface polishing finishing process was conducted by using the lab-made cylindrical-shaped polishing rubber on the planar workpiece of STAVAX stainless mold steel, which has been hardened by the Atmospheric Pressure Plasma Jet Nitriding after burnishing, to investigate the improvement on the surface roughness and hardness.
    The new polishing tool consists of a replaceable clamping fixture mechanism design. According to different experimental requirements, either the lab-made polishing balls or the cylindrical-shaped polishing rubber containing aluminum oxide abrasive can be used for the polishing process. To validate the reliability of the developed mechanism, the burnishing and polishing parameters proposed in the previous research have been applied to do the surface finishing of the freeform surfaces, resulted in an improvement of surface roughness from Ra 1.07 µm to Ra 0.11 µm after burnishing process, and further improved to Ra 0.05 µm after the polishing process.
    To investigate the effect of the abrasive concentration on the surface roughness improvement, the alumina powder content in the lab-made polishing rubber was increased from 20% to 30%. Applying the polishing parameters proposed in the previous research to the planar workpiece, the increased concentration of the abrasive within the polishing rubber resulted in an improvement of about 19% on the surface roughness, according to the experimental results.
    This research referred to the optimal burnishing parameters proposed in the previous research, the surface roughness of the planar workpiece was improved from Ra 0.22 µm to Ra 0.056 µm. Subsequently, through the Atmospheric Plasma Jet Nitriding process, the surface hardness was increased from 392 HV to 513 HV. However, the surface roughness of the workpiece was increased to Ra 0.15 µm. Utilizing the Taguchi experimental design method for a cylindrical-shaped polishing tool with a diameter of 20 mm, the optimal polishing parameters combination were determined as follows: particle size 0.5 µm, polishing force 7.78 N, feed rate 0.1 mm/min, and rotating speed 7,000 rev/min. After the polishing process, the surface roughness of the planar workpiece was improved to Ra 0.08 µm, achieving a 47% improvement on the surface roughness.

    摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 圖索引 X 表索引 XIV 第一章 緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2文獻回顧 2 1.3研究方法與論文架構 10 第二章 擠光加工、表面層硬化及拋光加工理論介紹 11 2.1擠光加工之原理 11 2.1.1 擠光刀具材質 12 2.1.2 擠光力 12 2.1.3 間距 13 2.1.4 進給率 14 2.1.5 潤滑劑 14 2.2 表面層硬化法之原理 15 2.2.1 氮化法 16 2.2.2 常壓電漿氮化硬化 16 2.3 拋光加工之原理 17 2.3.1 磨料 18 2.3.2 轉速 19 2.3.3 進給率 19 2.3.4 間距 19 2.3.5 壓深 20 2.4 表面粗糙度 20 2.4.1 表面粗糙度定義 21 2.4.2 表面粗糙度參數表示 22 第三章 田口實驗設計法 25 3.1 田口實驗設計法簡介 25 3.2 參數設計 26 3.3 因子設計 26 3.3.1 控制因子 (Control Factors) 26 3.3.2 干擾因子 (Noise Factors) 26 3.3.3 信號因子 (Signal Factors) 27 3.4 直交表 (Orthogonal Array) 27 3.5 信號-雜訊比 (Signal-to-Noise Ratio) 28 3.5.1 望目型 29 3.5.2 望小型 29 3.5.3 望大型 30 3.6 變異數分析 (Analysis of Variance;ANOVA) 30 3.7 最佳參數組合之預估與驗證實驗 33 第四章 新型拋光工具之研製 35 4.1 拋光工具之設計 35 4.1.1 力量感測機構 35 4.1.2 球拋光工具 38 4.1.3 柱拋光工具 41 4.2 拋光工具之材料選用 43 4.3 機構模擬與分析 44 4.3.1 位移量分析 (Deformation) 44 4.3.2 力傳導分析 (Force Reaction) 46 4.3.3 應力分析 (Stress Analysis) 48 4.3.4 模擬分析結論 49 4.3.5 動力計校驗 51 4.4 拋光工具之系統整合 53 第五章 實驗規劃與設備規劃 56 5.1 實驗規劃與系統架構 56 5.2 實驗試件設計 58 5.2.1 實驗試件之簡介與特性 58 5.2.2 新型球拋光工具測試實驗之自由曲面試件 59 5.2.3 膠體磨料濃度提升實驗之平面試件設計 61 5.2.4 拋光田口實驗之平面試件設計 62 5.3 實驗設備 62 5.3.1 五軸CNC銑削加工中心機 62 5.3.2 Z軸測定器與三次元尋邊器 63 5.3.3 荷重元 64 5.3.4 無線傳輸模組 65 5.3.5 內建荷重計擠光工具 66 5.3.6 表面粗糙度量測儀 67 5.3.7 場發射掃描式電子顯微鏡 69 5.3.8 自動熱壓成型機 69 5.3.9 自製內含氧化鋁粉之拋光橡膠體 70 5.3.10 電動研磨機 72 5.3.11 硬度機 72 5.4 實驗步驟與規劃 73 第六章 實驗結果與分析 75 6.1 拋光工具測試實驗 75 6.2 拋光磨料濃度對於表面粗糙度影響之探討 77 6.3 常壓電漿氮化硬化實驗 82 6.4 拋光加工田口實驗 85 6.4.1 訊噪比 86 6.4.2 變異數分析 (ANOVA) 88 6.4.3 建議參數組合之預估與驗證 91 6.5 拋光參數對製程影響之探討 93 6.5.1 粒徑 93 6.5.2 拋光力 94 6.5.3 進給率 94 6.5.4 轉速 94 第七章 結論與未來展望 95 7.1 結論 95 7.2 未來展望 96 參考文獻 97 附錄(一) 不鏽鋼材質表 102 附錄(二) STAVAX材質證明書 106 附錄(三) KISTLER Type 9272動力計規格表 108 附錄(四) Model LLB300荷重元規格表 110 附錄(五) 碳化鎢擠光棒材料特性 111 附錄(六) 拋光橡膠體成分表 112 附錄(七) 拋光橡膠體SEM結果圖 113 附錄(八) 表面粗糙度量測報告 118 附錄(九) 共軛焦顯微鏡表面粗糙度量測報告 133

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