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研究生： 徐智誠
Chih-Cheng Hsu
論文名稱： 以球擠光與球拋光製程作塑膠模具用鏡面不銹鋼之自動化表面精加工研究
Automated Surface Finish of Plastic Mold Used Mirror-Like Stainless Steel Using Ball Burnishing and Spherical Polishing Processes
指導教授： 林正平
Chang-Pin Lin
陳炤彰
Chao-Chang A. Chen
修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員:
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： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 182
中文關鍵詞： 球拋光 、熱處理 、球擠光 、研磨 、田口式實驗計畫法 、L18直交表 、表面粗糙度 、變異數分析(ANOVA)
外文關鍵詞： ball burnishing process, analysis of variation (ANOVA), optimal ball polishing parameters, Taguchi's matrix experiments, ball polishing process
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    • 本論文之目的為在CNC切削中心機上發展一自動化球拋光加工製程(Spherical-polishing process)，以田口實驗方法決定STAVAX塑膠模具用鏡面不銹鋼之最佳擠光與拋光參數，並將其應用於以逆向工程所建構的自由曲面鏡片模仁做表面精加工之研究。其間材料試件經粗、精銑削(Fine milling)、熱處理、研磨及球擠光(Ball-burnishing)等前置加工後，再施以拋光加工來改善試件之表面粗糙度狀況。
    研究中將使用田口實驗計劃法之L9及L18直交表，分別對擠光與拋光加工平面做田口實驗、變異數分析(ANOVA)與全因子實驗，以探討各加工參數對於表面粗糙度的影響，期能找出最佳化之平面擠光與拋光參數，並整合研磨、擠光與拋光加工系統，應用於所建構之F-theta掃描透鏡載具上，以探討各加工面之粗糙度改善情形。
    根據本研究之製程對於平面擠光與拋光加工，可使研磨後之表面粗糙度值0.5167μm(Ra)經擠光加工後可改善至0.123μm(Ra)，再經拋光後可改善至0.0168μm(Ra)、0.2134μm(Rmax)。而將最佳研磨、擠光與拋光參數應用於F-theta自由曲面上，其拋光後可改善至0.035μm(Ra)、0.268μm(Ry)。

    The objective of this research is to improve surface roughness of heat-treated STAVAX plastic mold stainless steel using the ball grinding, ball burnishing and ball polishing surface finish processes on a machining center. The design and manufacture of the ball alignment device, slurry circulatory system, and a polishing tool including a high-speed grinder mounted with a felt ball and its holder were first accomplished in this study. The optimal plane surface burnishing and polishing parameters have been determined after conducting the Taguchi’s L9 and L18 matrix experiments, analysis of variation (ANOVA), and the full factorial experiment respectively. The surface roughness of the test specimens could be improved from about Ra 0.5167μm to Ra 0.123μm in average using the optimal plane surface ball burnishing parameters. Surface roughness of the burnished specimen can be further improved to Ra 0.0168μm (Rmax 0.2134μm) using the optimal plane surface ball polishing process with determined optimal plane surface polishing parameters. Applying the optimal plane surface ball grinding, ball burnishing and ball polishing parameters sequentially to a fine milled freeform surface carrier of a F-theta scan lens, the surface roughness of Ra 0.035μm (Ry 0.268μm) on the freeform surface is obtainable.

    目 錄 中文摘要I AbstractII 誌謝III 目錄IV 圖索引X 表索引XVII 第一章 緒論1 1.1 研究動機及目的1 1.2 文獻回顧2 1.3 研究方法與論文架構11 第二章 熱處理、球形研磨、球擠光、球拋光與表面粗糙度之相關理論介紹13 2.1 熱處理之技術13 2.1.1 熱處理之目的13 2.1.2 鋼鐡之熱處理14 2.2 球形研磨加工之原理16 2.2.1 研磨阻力理論公式17 2.2.2 影響研磨阻力的因素19 2.2.3 研磨溫度20 2.2.4 研磨液20 2.2.5 研磨面的粗糙度20 2.2.6 研磨條件對研磨面粗糙度的影響21 2.3 球擠光加工之原理23 2.3.1 擠光力量(Burnishing force)24 2.3.2 進給(Feed)24 2.3.3 擠光球材質(Burnishing ball material)25 2.3.4 擠光速度(Burnishing speed)26 2.4 球拋光加工之原理27 2.4.1 拋光加工重要參數29 2.5 表面粗糙度32 2.5.1 表面粗糙度之定義32 2.5.2 表面粗糙度參數之表示法34 第三章 田口式實驗計劃法42 3.1 田口實驗計畫法簡介44 3.2 參數設計44 3.3 因子的分類47 3.3.1 信號因子(Signal factor)47 3.3.2 雜音因子或干擾因子(Noise factor)47 3.3.3 可控因子(Control factor)48 3.4 品質損失函數49 3.5 信號雜訊比(Signal to noise ration)51 3.6 變異數分析53 3.7 F分佈(F distribution)56 3.8 直交表介紹58 3.9 最適條件下的最佳值預估與確認實驗60 3.10誤差項百分比61 第四章 實驗方法與程序62 4.1 實驗方法62 4.2 實驗試件之簡介及特性69 4.3 實驗設備75 4.3.1 MV-3A立式綜合切削中心機75 4.3.2 切削動力計76 4.3.3 擠、拋光刀具與夾治具78 4.3.4 觸發式探頭(MP700探頭)81 4.3.5 電動研磨機配件82 4.3.6 表面粗糙度量測儀83 4.3.7 拋光用磨料循環系統槽84 4.3.8 Cyclone掃描式三次元量床86 4.3.9 熱處理之相關設備87 4.3.10 粒徑分析儀88 4.3.11 光學顯微鏡89 4.3.12 原子力顯微鏡89 4.3.13 KEYENCE彩色雷射3D立體形狀量測顯微鏡90 4.4 F-theta掃描透鏡之建構92 4.4.1 F-theta掃描透鏡之簡介92 4.4.2 F-theta掃描透鏡之量測93 4.4.3 F-theta掃描透鏡之建構97 4.5 擠、拋光加工參數99 4.6 整體實驗流程規劃100 第五章 實驗結果與數據分析102 5.1 擠光加工田口實驗102 5.1.1 S/N ratio之計算105 5.1.2 ANOVA變異數分析107 5.1.3 表面粗糙度預測值112 5.1.4 全因子實驗113 5.1.5 驗証實驗115 5.2 擠光加工參數對表面粗糙度的影響117 5.2.1 擠光力對表面粗糙度的影響117 5.2.2 進給對表面粗糙度的影響121 5.2.3 間距對表面粗糙度的影響121 5.3 拋光加工田口實驗122 5.3.1 S/N ratio125 5.3.2 ANOVA變異數分析128 5.3.3 表面粗糙度預測值130 5.3.4 全因子實驗131 5.3.5 驗証實驗133 5.4 拋光加工參數對表面粗糙度的影響135 5.4.1 拋光次數135 5.4.2 轉速對表面粗糙度的影響135 5.4.3 磨料對表面粗糙度的影響135 5.4.4 進給率對表面粗糙度的影響137 5.4.5 間距對表面粗糙度的影響137 5.4.6 壓深對表面粗糙度的影響138 5.4.7 拋光液對表面粗糙度的影響141 5.5 光學顯微鏡與原子力顯微鏡下各加工過程的顯微組織142 5.5.1 光學顯微鏡下研磨與擠、拋光加工後之顯微組織142 5.5.2 原子力顯微鏡下擠光加工之顯微組嬂及粗糙度144 5.5.3 原子力顯微鏡下拋光加工之顯微組織及粗糙度146 5.6 拋光磨料之粒徑分析147 5.7 最佳化研磨、擠光與拋光參數應用於F-theta自由曲面加工150 第六章 結論與未來展望165 6.1 結論165 6.2 未來展望167 參考文獻168 附錄(一) 各國表面粗糙度的參數和符號175 附錄(二) CNS3-3所規定之各種加工方法所能得到的中心線平均粗糙度範圍176 附錄(三) F分佈表177 附錄(四) 硬度對照表180 附錄(五) 主軸固定器設計圖181 作者簡介182 圖 索 引 圖2.1 帶柄砂輪表面研磨示意圖16 圖2.2 球擠光加工示意圖23 圖2.3 表面粗糙度參數與擠光正向力之間的關係24 圖2.4 進給大小對表面粗糙度的影響25 圖2.5 磨料切削示意圖27 圖2.6 球形拋光加工示意圖29 圖2.7 加工間距示意圖31 圖2.8 工件表面輪廓組成32 圖2.9 中心線平均粗糙度之求法35 圖2.10 最大粗糙度高度36 圖2.11 十點平均粗糙度37 圖2.12 均方根粗糙度之求法37 圖2.13 全粗糙度高度38 圖2.14 第三最高波峰至波谷平均高度38 圖2.15 最大波峰高度39 圖2.16 全部波長高度39 圖2.17 波峰數之求法40 圖2.18 平均波峰間距40 圖2.19 承壓比值41 圖3.1 產品或製程方塊圖47 圖3.2 (a) 一階損失函數49 圖3.2 (b) 二次損失函數50 圖3.3 望目型品質特性圖50 圖3.4 望大型品質特性圖50 圖3.5 望小型品質特性圖51 圖3.6 不對稱型品質特性圖51 圖3.7 F分佈曲線57 圖4.1 擠光加工系統示意圖65 圖4.2 拋光加工系統示意圖66 圖4.3 整體實驗規劃之流程圖67 圖4.4 整體實驗加工之實體流程圖68 圖4.5 擠、拋光加工區域、加工路徑與表面粗糙度量測路徑圖69 圖4.6 STAVAX不生锈塑膠模具鋼材質証明71 圖4.7 拉伸試驗用之7號試桿73 圖4.8 拉伸破壞實體圖73 圖4.9 STAVAX試件之Load-Elongation74 圖4.10 MV-3A立式綜合切削中心機75 圖4.11 動力計76 圖4.12 微動力計76 圖4.13 動力計電荷放大器與軟體介面圖77 圖4.14 微動力計週邊設備實體圖77 圖4.15 擠光刀具與銅銲於擠光刀具之擠光球(Dia.10 mm)78 圖4.16 壓縮量與力量之關係圖79 圖4.17 實驗室自製電動研磨機夾持具示意圖與實體圖80 圖4.18 拋光球之球心校準裝置(拋光球Dia. 10 mm) 80 圖4.19 RENISHAW MP700探頭81 圖4.20 MP10探頭量測原理示意圖81 圖4.21 電動研磨機82 圖4.22 電源供應器與轉數測定器82 圖4.23 HOMMEELWERKE T4000型的粗糙度量測儀83 圖4.24 拋光循環系統容器三視圖84 圖4.25 拋光槽陽極染黑處理85 圖4.26 改裝後之拋光槽85 圖4.27 Cyclone掃瞄式三次元量床86 圖4.28 Cyclone掃瞄式各種量測方式86 圖4.29 真空爐87 圖4.30 電熱爐88 圖4.31 粒徑分析儀88 圖4.32 光學顯微鏡89 圖4.33 原子力顯微鏡(中央研究院物理所提供)90 圖4.34 KEYENCE VK-8550實體圖(中原大學機械所提供)91 圖4.35 F-theta掃描透鏡示意圖93 圖4.36 雷射印表機之光學鏡組94 圖4.37 F-theta鏡片實體圖94 圖4.38 F-theta鏡片固定實體圖95 圖4.39 量測方向路徑圖95 圖4.40 量測系統介面之示意圖96 圖4.41 實際量測之實體圖96 圖4.42 F-theta點資料97 圖4.43 F-theta線架構97 圖4.44 F-theta曲面架構98 圖4.45 F-theta實體建構98 圖4.46 F-theta完成圖98 圖5.1 擠光加工田口實驗流程圖104 圖5.2 訊噪比反應折線圖107 圖5.3 平均反應折線圖107 圖5.4 F檢定示意圖108 圖5.5 最佳擠光參數後之表面輪廓圖116 圖5.6 切削動力計對已知重量與電壓值量測之相對關係119 圖5.7 切削動力計其重量與電壓值之線性折線圖120 圖5.8 最佳球擠光之電壓訊號圖120 圖5.9 拋光田口實驗流程圖124 圖5.10 訊噪比反應折線圖128 圖5.11 平均值反應折線圖128 圖5.12 最佳拋光表面輪廓圖(粒徑3 )134 圖5.13 最佳拋光表面輪廓圖(粒徑1 )134 圖5.14 壓深-力量折線圖139 圖5.15 力量-電壓折線圖139 圖5.16 力量與電壓之校驗圖140 圖5.17 最佳化拋光壓深之力量變化量測圖141 圖5.18 工具顯微鏡放大30倍後之研磨、擠光與拋光之表面結構143 圖5.19 擠光最佳參數2D試件之AFM 2D取像144 圖5.20 擠光最佳參數2D試件之AFM 3D取像145 圖5.21 切割後之擠、拋光試片145 圖5.22 拋光最佳參數2D試件之AFM 2D取像146 圖5.23 拋光最佳參數2D試件之AFM 3D取像147 圖5.24 #4000氧化鋁粒徑分析圖148 圖5.25 #4000碳化矽粒徑分析圖148 圖5.26 #10000氧化鋁粒徑分析圖149 圖5.27 電木材料所切削之F-theta實體圖150 圖5.28 PowerMill軟體之粗銑模擬加工介面圖151 圖5.29 PowerMill軟體之精銑模擬加工介面圖152 圖5.30 粗、精銑實際加工之實體圖152 圖5.31 熱處理品檢報告書153 圖5.32 熱處理過程之示意圖154 圖5.33 刀具補正器154 圖5.34 PowerMill軟體之研磨模擬加工介面圖155 圖5.35 研磨實際加工之實體圖155 圖5.36 PowerMill軟體之擠光模擬加工介面圖156 圖5.37 擠光實際加工之實體圖156 圖5.38 PowerMill軟體之拋光模擬加工介面圖157 圖5.39 拋光實際加工之實體圖157 圖5.40 F-theta完成實體圖158 圖5.41 研磨棒變形前後圖158 圖5.42 拋光球變形前後圖158 圖5.43 研磨區域之表面結構圖159 圖5.44 研磨區域之3D視角圖159 圖5.45 研磨不同區塊之示意圖與量測參數160 圖5.46 擠光區域之表面結構圖161 圖5.47 擠光區域之3D視角圖161 圖5.48 擠光不同區塊之示意圖與量測參數162 圖5.49 拋光區域之表面結構圖163 圖5.50 拋光區域之3D視角圖163 圖5.51 拋光不同區塊之示意圖與量測參數164 表 索 引 表2.1 各種材料及磨料的KNOOP硬度17 表2.2 表面研磨所需的近似比能19 表3.1 雜音因子48 表3.2 變異數分析表56 表3.3 L8(27)直交表60 表4.1 STAVAX之化學成份(%)71 表4.2 物理特性71 表4.3 抗彎強度72 表4.4 碳化鎢擠光球材料特性79 表4.5 彈簧常數K=3161.1kg/m79 表4.6 Measured Roughness to Cut-off84 表4.7 KEYENCE VK-8550之相關規格91 表4.8 Cyclone量測之參數96 表4.9 磨料特性與化學成份表100 表5.1 擠光實驗參數及水準配置表102 表5.2 擠光田口直交表103 表5.3 擠光後之表面粗糙度值及訊噪比103 表5.4 S/N ratio 反應表106 表5.5 平均值反應表106 表5.6 擠光ANOVA變異數分析111 表5.7 驗証實驗之表面粗糙度平均值與S/N比值113 表5.8 預測值與驗証實驗平均S/N ratio之誤差值113 表5.9 全因子實驗因子水準配置表114 表5.10 全因子擠光加工後表面之粗糙度值114 表5.11 最佳擠光參數組合114 表5.12 驗証實驗之擠光表面粗糙度值115 表5.13 拋光實驗參數及水準配置表122 表5.14 直交表123 表5.15 拋光後之表面粗糙度值及訊噪比126 表5.16 S/N ratio反應表127 表5.17 平均值反應表127 表5.18 拋光ANOVA變異數分析129 表5.19 驗証實驗之表面粗糙度平均值與S/N比值131 表5.20 預測值與驗証實驗平均S/N ratio之誤差值131 表5.21 拋光全因子實驗因子水準配置表132 表5.22 拋光全因子加工後表面之粗糙度值132 表5.23 最佳拋光參數組合132 表5.24(a) 改變粒徑後其五次驗証拋光之表面粗糙度值(Ra)133 表5.24(b) 改變粒徑後其五次驗証拋光之表面粗糙度值(Rmax)133 表5.25 最佳研磨、擠光與拋光後其表面粗糙度之改善百分比142 表5.26 擠光最佳參數之AFM表面粗糙度值145 表5.27 擠光最佳參數之AFM表面粗糙度值147 表5.28 研磨加工不同區塊之表面粗糙度值160 表5.29 擠光加工不同區塊之表面粗糙度值162 表5.30 拋光加工不同區塊之表面粗糙度值164

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