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研究生： 丁肇力
Zhao-Li Ding
論文名稱： 超音波球拋光製程作鏡面不鏽鋼之自動化表面精加工研究
Automated Surface Finish of Mirror-Like Stainless Mold Steel Using Ultrasonic Ball Polishing Process
指導教授： 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 鍾俊輝
Chun-Hui Chung
郭俊良
Chun-Liang Kuo
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： 2016
畢業學年度： 104
語文別： 中文
論文頁數： 121
中文關鍵詞： 球擠光 、超音波球拋光 、五軸加工機 、田口法 、體積磨耗
外文關鍵詞： Ball burnishing, ultrasonic ball polishing, five-axis CNC machining center, volumetric wear.
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    • 本論文研究目的為於三軸、五軸CNC切削中心機上發展自動化超音波球拋光製程。本研究以田口實驗計畫法對STAVAX塑膠模具用鏡面模具鋼找出球擠光與球拋光最佳參數，另針對有超音波與無超音波拋光球磨耗改善進行討論，將最佳參數應用於經逆向工程建構之3D自由曲面，以探討自由曲面表面粗糙度改善情況。
    研究中以L9與L18直交表進行球擠光與振動式球拋光實驗，以探討各加工參數對於表面粗糙度影響，並找出最佳加工參數，其中超音波拋光是以壓電陶瓷換能器產生微幅震動，並以Z軸震動加工參數改善拋光加工時拋光棒使用壽命問題。經實驗結果得最佳球擠光加工參數為：擠光力400N、進給300mm/min、間距30μm，可使試件表面粗糙度改善由Ra 0.272μm至Ra 0.122μm。最佳超音波球拋光加工參數為：振幅10μm、頻率23KHz、轉速5000rpm、磨料粒徑0.3μm、進給60mm/min、間距20μm、壓深180μm、拋光液比例1:10，可使試件表面粗糙度改善至Ra0.022μm。
    本研究將所得最佳擠光與超音波拋光參數後於3D載具非球面鏡片應用，無超音波拋光可得表面粗糙度為Ra0.017μm，超音波拋光可得Ra0.014μm。拋光棒磨耗體機改善率為62.465%。結果顯示超音波拋光加工可降低拋光棒磨耗，有效延長拋光棒壽命。

    The objective of this research is to develop an ultrasonic vibration assisted spherical polishing process on a three-axis and five-axis CNC machining center, respectively, in order to improve the surface roUnigraphicshness of a STAVAX plastic mold stainless steel and to reduce the volumetric wear of the polishing ball. The optimal plane surface ball burnishing and vibration-assisted spherical polishing parameters have been determined by conducting the Taguchi’s L9 and L18 matrix experiments, ANOVA analysis, and the verification experiments, respectively. The determined optimal burnishing parameters were as follows: the burnishing force of 400 N, the feed rate of 300 mm/min, the stepover of 30 μm. The surface roUnigraphicshness of the test specimens could be improved from Ra0.272μm to Ra 0.122μm, using the determined optimal burnishing parameters. The optimal ultrasonic vibration-assisted polishing parameters were as follows: the amplitude of 10μm, the frequency of 23 KHz, the spindle speed of 5,000 rpm, the abrasive diameter of 0.3 μm, the feed rate of 60 mm/min, the stepover of 20 μm, the depth of penetration of 180 μm, the abrasive concentration of 1:10, based on the experimental results. The surface roUnigraphicshness of the polished test specimens could be improved from the burnished surface roUnigraphicshness Ra 0.122μm to Ra 0.022μm. Applying the optimal plane surface ball burnishing and vibration-assisted spherical polishing parameters sequentially to a fine milled and burnished aspherical lens surface carrier, the surface roUnigraphicshness of Ra 0.014 μm was obtainable, whereas the surface roUnigraphicshness was Ra 0.017 μm using the polishing process with no ultrasonic vibration. The improvement of the volumetric wear of the polishing ball was about 62 % using the vibration-assisted polishing process compared with the non-vibrated polishing process.

    摘要 Abstract 目錄 圖索引 表索引 第一章　緒論 1.1 研究動機與目的 1.2 文獻回顧 1.3 研究方法與論文架構 第二章　相關理論介紹 2.1 球擠光加工原理 2.1.1 擠光力 2.1.2 進給 2.1.3 間距 2.1.4 擠光球材質 2.2 球拋光加工之原理 2.2.1 磨料 2.2.2 轉速 2.2.3 進給 2.2.4 間距 2.2.5 壓深(拋光力) 2.2.6 拋光液 2.3 超音波加工之原理 2.3.1 超音波 2.3.2 超音波加工 2.4 表面粗糙度之介紹 2.4.1 表面粗糙度定義 2.4.2 表面粗糙度參數之表示法 第三章　田口式實驗計畫法 3.1 田口實驗規劃法簡介 3.2 參數設計 3.3 因子的分類 3.3.1 信號因子(Signal Factor) 3.3.2 可控因子(Control Factor) 3.3.3 雜音因子(Noise Factor) 3.3.4 品質損失函數 3.4 信號雜訊比(Signal to Noise Ratio) 3.5 變異數分析 3.6 直交表(Orthogonal Array)介紹 3.7 最適條件下的最佳估計值與確認實驗 3.8 誤差項百分比 第四章　實驗方法與程序 4.1 實驗方法 4.2 實驗試件與載具設計 4.2.1 實驗試件之簡介及特性 4.2.2 平面試件以及拋光治具加工設計 4.2.3 3D載具之非球面鏡片設計 4.3 實驗設備 4.3.1 MV-3A立式綜合切削中心機 4.3.2 五軸加工中心機 4.3.3 切削動力計 4.3.4 擠光刀具 4.3.5 荷重計系統 4.3.6 Z軸設定器ZDS-50與光電式尋邊器OP-20 4.3.7 3D尋邊器(3D-Taster) 4.3.8 表面粗糙度量測儀 4.3.9 白光干涉儀 4.4 超音波刀具與振幅量測 4.4.1 超音波刀具簡介 4.4.2 超音波運動模型推論 4.4.3 雷射位移計量測原理 4.4.4 量測結果 4.5 擠光、超音波拋光加工參數 4.6 實驗步驟 第五章　實驗結果與分析 5.1 擠光加工田口實驗 5.1.1 擠光加工實驗S/N Ratio之計算 5.1.2 ANOVA變異數分析 5.1.3 預測最佳值與驗証實驗 5.1.4 全因子實驗 5.1.5 驗証實驗 5.2 擠光加工參數對表面粗糙度影響之探討 5.2.1 擠光力 5.2.2 進給 5.2.3 間距 5.3 超音波拋光加工田口實驗 5.3.1 超音波拋光加工實驗S/N Ratio之計算 5.3.2 ANOVA變異數分析 5.3.3 表面粗糙度預測值 5.3.4 全因子實驗 5.3.5 驗證實驗 5.4 超音波拋光與無超音波拋光加工比較 5.4.1 無超音波拋光加工 5.4.2 拋光棒之磨耗體積改善分析 5.5 超音波拋光參數對表面粗糙度影響之探討 5.5.1 超音波振幅 5.5.2 超音波頻率 5.5.3 轉速 5.5.4 粒徑 5.5.5 進給 5.5.6 間距 5.5.7 壓深(拋光力) 5.5.8 拋光液比例 5.6 研磨、擠光與拋光最佳化參數應用於自由曲面加工 5.6.1 非球面鏡片自由曲面加工 5.6.2 於工具顯微鏡及CCI下之顯微組織 第六章　結論與未來展望 6.1 結論 6.2 未來展望 參考文獻 附錄(一)　動力計9129AA規格表 附錄(二)　F分佈表, F0.01,v1,v2 附錄(三)　STAVAX工具鋼材質證明 附錄(四)　STAVAX工具鋼熱處理證明

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