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研究生: 傅懋閔
Mao-min Fu
論文名稱: 於CNC切削中心機以球拋光工具進行液動壓拋光之研究
Research on the hydrodynamic polishing process using a ball polishing tool on a machining center
指導教授: 修芳仲
Fang-jung Shiou
口試委員: 范光照
Kuang-chao Fan
林顯群
Sheam-chyun Lin
許巍耀
Wei-yao Hsu
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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 128
中文關鍵詞: 液動壓拋光流場計算力學鏡面模仁田口法表面粗糙度
外文關鍵詞: hydrodynamic polishing, surface roughness improvement
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  • 本論文將球拋光機構架設於CNC立式切削中心機上,發展一套近似液動壓拋光加工製程,進行非接觸式液動壓拋光加工研究,並以改善硬化處理後STAVAX不生鏽塑膠模具鋼之表面粗糙度;研究中利用CFD流場計算力學軟體作液動壓拋光流場模與分析,並進行田口式實驗計劃法與結果探討,彙整各控制因子對液動壓拋光之影響程度,最後應用於鏡面模仁表面拋光加工,達到非接觸式微量拋光目的。
    本研究以田口式實驗計劃法對STAVAX不生鏽塑膠模具鋼找出液動壓拋光最適加工參數,經驗證實驗結果得知最適加工參數組合為:薄膜厚度4 μm、刀具主軸轉速15,000 rpm、切削液混合比例100 %與進給0.5 mm/min;先後利用平面擠光與最適液動壓拋光參數加工後,其表面粗糙度值為0.008 μm(Ra);而在鍍鎳鏡面模仁上之應用,微量拋光加工後之試件表面粗糙度為1.7 nm(Ra),且能有效移除鏡面模仁上之鑽石車削刀痕。


    The objective of this research is to develop a quasi hydrodynamic polishing process using a ball polishing tool, to improve the surface roughness of the hardened and tempered STAVAX plastic mold stainless steel on a CNC machining center. A set of computational fluid dynamics(CFD)software was used to analyze and simulate the shear stress and velocity of the fluid between the fluid and the workpiece for hydrodynamic polishing in this research. The optimal process parameters for hydrodynamic polishing have been determined by the Taguchi’s experimental method. The determined optimal quasi hydrodynamic polishing parameters for plane surface were as follows: the film thickness of 4 μm, the spindle speed of 15,000 rpm, the percentage of metalworking oil of 100 %, and the feed rate of 0.5 mm/min. Using the determined optimal quasi hydrodynamic polishing parameters, the surface roughness of the burnished test specimens could be improved from 0.02 μm(Ra)on average to 0.008 μm(Ra)on average. Applying the optimal quasi hydrodynamic polishing parameters to a diamond turning fabricated Ni-plated STAVAX mold steel, the surface roughness of 0.0017 μm(Ra)on average was possible. In addition, the turned concentric lay on the mirror-like surface could be removed by the developed process efficientiy.

    中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 X 表目錄 XIV 第一章 緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2文獻回顧 2 1.2.1拋光加工 2 1.2.2運用工具機之拋光系統 4 1.2.3液動壓拋光 4 1.2.4拋光粗糙度飽和特性 6 1.3研究方法與論文架構 7 第二章 相關理論介紹 9 2.1球擠光加工原理 9 2.1.1擠光力量 9 2.1.2進給率(Feed) 10 2.1.3間距 10 2.1.4擠光球材質 11 2.2球拋光加工原理 12 2.2.1磨料 13 2.2.2壓力(負載) 14 2.2.3轉速 14 2.2.4進給率 15 2.2.5間距 15 2.3液動壓拋光法簡介 16 2.3.1加工機制 18 2.3.2加工潤滑區域 20 2.3.3粗糙度移除效率及終極粗糙度 21 2.4表面粗糙度 23 2.4.1表面粗糙度定義 23 2.4.2表面粗糙度參數之表示法 24 第三章 田口式實驗計劃法 26 3.1田口式實驗計劃法簡介 26 3.2參數設計 27 3.3因子的分類 28 3.3.1信號因子(Signal factor) 28 3.3.2雜音因子(Noise factor) 29 3.3.3可控因子(Control factor) 29 3.4信號雜訊比(Signal to noise ratio) 29 3.5變異數分析 31 3.6 F分佈(F distribution) 33 3.7直交表(Orthogonal array) 35 3.8最佳預估與確認實驗 37 3.9誤差項百分比(ρerr) 38 第四章 實驗方法與程序 39 4.1實驗方法 39 4.2拋光試件材料 44 4.3平面試件、夾治具設計與最適擠光加工參數 46 4.3.1平面拋光試件設計 46 4.3.2夾治具設計與檢測 47 4.3.3最適擠光加工參數 50 4.4實驗設備 51 4.4.1 MV-3A立式綜合切削中心機 51 4.4.2擠光工具與近似液動壓拋光工具 52 4.4.3拋光刀具 55 4.4.4荷重計(Load cell)與線性度校驗 56 4.4.5電動研磨機 59 4.4.6 Z軸設定器ZDS-50與光電式尋邊器OP-20 60 4.4.7表面粗糙度量測儀 61 4.4.8光學顯微鏡 62 4.4.9 CNC三次元量測儀(C.M.M.) 63 4.4.10 Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1240 64 4.5 數值分析軟體與模型建構 65 4.6實驗規劃 66 4.6.1實驗前的準備 66 4.6.2 流場數值分析 66 4.6.3平面試件設計與準備 66 4.6.4近似液動壓拋光實驗 67 4.6.5鏡面模仁試件微量拋光實驗 67 第五章 實驗結果與分析 68 5.1近似液動壓拋光流場分析 68 5.1.1薄膜厚度控制 72 5.1.2刀具主軸轉速控制 73 5.1.3拋光液黏度控制 74 5.2進給試驗 75 5.3近似液動壓拋光田口實驗 78 5.3.1田口實驗結果與S/N ratio之計算 84 5.3.2 ANOVA變異數分析 87 5.3.3表面粗糙度預測最適值與驗證實驗 90 5.4液動壓拋光加工參數對表面粗糙度之影響 94 5.4.1薄膜厚度 94 5.4.2刀具主軸轉速 94 5.4.3拋光液 94 5.4.4進給率 95 5.5鏡面模仁加工應用 95 5.5.1降低拋光移除量實驗 96 5.5.2鏡面模仁微量拋光實驗 98 第六章 結論與未來展望 108 6.1結論 108 6.2未來展望 109 參考文獻 111 附錄(一)常見表面粗糙度參數之表試法 115 附錄(二)STAVAX不生鏽塑膠模具鋼熱處理證明 121 附錄(三)STAVAX不生鏽塑膠模具鋼材質證明 122 附錄(四)金屬加工油材質成分表 123 附錄(五)金屬加工油性質證明 124 附錄(六)F分佈表 125 作者簡介 128

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