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研究生: 彭國瑄
Kuo-Hsuan Peng
論文名稱: 於CNC加工中心機以創新型內建荷重計球擠光工具對QC-10杜拉鋁合金之自動化表面精加工研究
Automated Surface Finishing of QC-10 Duralumin Alloy on a CNC Machining Center by Using the Innovative Ball Burnishing Tool Embedded with a Load Cell
指導教授: 修芳仲
Fang-Jung Shiou
口試委員: 何羽健
Yu-Chien Ho
林清安
Ching-An Lin
林榮慶
Zone-Ching Lin
修芳仲
Fang-Jung Shiou
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: 111
語文別: 中文
論文頁數: 135
中文關鍵詞: 擠光加工表面粗糙度五軸加工田口實驗法赫茲接觸理論杜拉鋁合金
外文關鍵詞: Burnishing, Surface Roughness, Five-Axis Machining, Taguchi’s Method, Hertz’s Contact Theory, Duralumin Alloy
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  • 本論文研究為開發一可安裝於三軸、五軸CNC加工中心機之創新型擠光工具,進行銑切工件之擠光表面精加工處理,並針對QC-10杜拉鋁合金材料以赫茲接觸理論與田口實驗設計法進行表面球擠光製程之最佳參數組合探討,與經此製程加工後之表面粗糙度、輪廓變化討論,最後將其應用於塑膠吹製模具之製作。
    擠光工具之設計具備外型輕巧、替換性佳、配備無線壓力感測元件與保護感測器之安全裝置等功能,並使用ANSYS Workbench分析軟體進行應力、應變、位移量、安全係數等分析後確認機構之安全性與可行性後製作成品。
    尋找製程最佳參數組合之過程為下:首先以赫茲接觸理論計算出三種不同擠光球材質之塑性變形應力區間,配合田口實驗設計法比較後得平面最佳參數組合:ϕ9.5 mm碳化鎢軸承珠、32號抗磨耗液壓油、擠光力4 N、進給速度1500 mm/min、刀路間距殘留高度0.03 μm,可得平面最佳表面粗糙度Ra從原0.34 μm下降至0.078 μm,且將進給速度提升至3000 mm/min內,可在維持品質之環境下提升加工效率。再以自由曲面試片比較旋轉軸(五軸加工)與定軸(三軸加工)之差異,得旋轉軸可應對自由曲面切面之法向量進行接觸角調整,與定軸加工相較表面粗糙度可再降低3.68%至6.84%;最後以弧面試片比較刀路差異,得過度頻繁旋轉使加工效率下降,但表面粗糙度表現與旋轉次數、刀路規劃較為無關,因此選擇較少旋轉次數之刀路則可使加工效率有效提高。
    將此工具與參數組合應用於含凸面、凹面、圓角特徵之塑膠瓶吹塑模具,可使表面粗糙度Ra從原平均0.18 μm下降至0.085 μm,且於凸面降低49.71%、凹面降低57.14%、圓角降低53.81%之粗糙值。表面硬度由平均180.2 HV(0.1)提升至190.1 HV(0.1)。


    This research aims to develop an innovative burnishing tool that can be installed either on a three-axis or a five-axis CNC machining center for surface finishing of the milled workpieces. The study focuses on investigating the suitable parameter combination for QC-10 aluminum alloy burnishing based on Hertz’s Contact Theory and Taguchi Method, discussing the surface roughness and contour changes after the burnishing process, and applying to the surface finishing of a plastic blowing-injection mold.
    The design of the burnishing tool incorporates some features such as light-weighted, replaceability, and embedded with safety devices to protect the load cell with wireless transmission. Prior to manufacturing the tool, the safety and feasibility studies have been verified by considering the stress, strain, displacement, and safety factors analysis, using the ANSYS Workbench analysis software.
    The process of determining the optimal parameter combination is as follows: Firstly, the suitable burnishing force of three different burnishing ball materials is calculated based on their plastic deformation stress range with Hertz’s Contact Theory. Then the optimal parameter combination for the planar surface is determined by the Taguchi’s Method as follows: tungsten carbide bearing ball, No. 32 anti-wearing hydraulic oil, burnishing force of 4 N, feeding rate of 1500 mm/min, and stepover scallop height of 0.03 μm. This combination could result in the best surface roughness for the planar surface, reducing the original Ra value from 0.34 μm to 0.078 μm. According to the experiment result, the feeding rate can be increasing up to 3000 mm/min, to improve the processing efficiency and to maintain the same surface quality.
    Furthermore, a comparison of the differences between the surface-normal oriented burnishing (five-axis machining) and the z-axis fixed burnishing (three-axis machining) is experimented on a freeform surface workpiece. The rotating of the five-axis machining allows for adjusting the contact angle consistent with the normal vector of the freeform surface, resulting in a further reduction of surface roughness from 3.68% to 6.84% compared with the three-axis (fixed) machining. Lastly, comparing the tool paths using curved surface workpiece reveals that excessive rotation frequency leads to a decrease in processing efficiency. However, the surface roughness improvement is not significantly affected by the rotation frequency and tool path planning. Therefore, choosing a tool path with fewer rotations can effectively enhance the processing efficiency.
    Apply the developed burnishing tool and the optimal parameter combination to the test carrier of a plastic blowing-injection mold with convex, concave, and rounded edge features, the surface roughness (Ra) is reduced from 0.18 μm to 0.085 μm on average. Additionally, the surface roughness values were improved 50.87% on convex surfaces, 57.14% on concave surfaces, and 53.81% on rounded edges, individually. Furthermore, the surface hardness is increased from 180.2 HV (0.1) to 190.1 HV (0.1) on average.

    摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VI 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 7 第二章 擠光加工相關理論介紹 8 2.1 擠光加工之原理【14】 8 2.2擠光加工之參數 9 2.2.1 擠光刀具 9 2.2.2 擠光力 9 2.2.3 潤滑劑 10 2.2.4 刀路 10 2.2.5 加工速度 11 2.3 金屬之彈性、塑性接觸 12 2.4 潤滑模式【32、33】 17 2.5 表面粗糙度【20】 18 2.5.1 表面粗糙度定義 18 2.5.2 表面粗糙度參數表示 20 第三章 田口實驗設計法 22 3.1 實驗設計法【22】 22 3.1.1 試誤法 (Trial-and-Error) 22 3.1.2 單次單因子法 (One Factor at One Time) 22 3.1.3 全因子實驗法 (Full Factorial Experiment) 23 3.1.4 田口式直交表 (Taguchi’s Orthogonal Array) 23 3.2 參數設計 24 3.3 因子設計 25 3.3.1 控制因子 (Control Factors) 25 3.3.2 干擾因子 (Noise Factors) 25 3.3.3 訊號因子 (Signal Factors) 25 3.4 直交表 (Orthogonal Array)【22】 26 3.5 訊號-雜訊比 (Signal-to-Noise Ratio)【22】 27 3.5.1 望目型 27 3.5.2 望小型 28 3.5.3 望大型 28 3.6 變異數分析 (ANOVA)【22、34】 28 3.7 最佳參數組合知預估與驗證實驗【22】 32 第四章 新型擠光工具之研製 34 4.1 擠光工具之設計 34 4.2 材料選用 38 4.3 機構模擬與分析 39 4.3.1 位移量分析 (Deformation) 40 4.3.2 力傳導分析 (Force Reaction) 41 4.3.3 應力分析 (Stress) 42 4.3.4 應變分析 (Strain) 44 4.3.5 安全係數分析 (Safety Factor) 46 4.4 擠光工具之系統整合 48 第五章 實驗方法與程序 50 5.1 實驗方法與系統 50 5.2 實驗試件設計 52 5.2.1 試件材料 52 5.2.2 擠光工具測試用試件 53 5.2.3 平面試件 54 5.2.4 自由曲面試件 55 5.2.5 弧面試件 57 5.2.6 吹塑模具成品試件 58 5.3 實驗設備 59 5.3.1 三軸CNC銑削加工中心機 59 5.3.2 五軸CNC銑削加工中心機 60 5.3.3 Z軸測定器與三次元尋邊器 62 5.3.4 荷重計 62 5.3.5 擠光刀頭 63 5.3.6 無線傳輸模組 65 5.3.7 表面粗糙度量測儀 67 5.4 實驗步驟與規劃 69 第六章 實驗結果與分析 72 6.1 擠光工具測試實驗 72 6.2 擠光加工田口直交表實驗 73 6.2.1 田口實驗參數設計 73 6.2.2 SUJ2軸承鋼珠直交表實驗 76 6.2.3 Si3N4陶瓷珠直交表實驗 79 6.2.4 WC碳化鎢珠直交表實驗 81 6.3 田口實驗結果分析 84 6.3.1 最佳擠光球選用實驗 84 6.3.2 變異數分析 85 6.3.3 最佳參數組合預估與驗證 88 6.4 擠光參數對製程影響之探討 91 6.4.1 擠光球與潤滑劑 91 6.4.2 擠光力 92 6.4.3 刀路步距 94 6.4.4 進給速度 94 6.5 曲面加工最佳化實驗 95 6.5.1自由曲面實驗 95 6.5.2弧面實驗 98 6.6 模具加工應用實驗 102 第七章 結論與未來展望 111 7.1 結論 111 7.2 未來展望 112 參考文獻 114 附錄(一) 不鏽鋼材質表 118 附錄(二) QC-10材質證明書 122 附錄(三) Model 53荷重計規格表【27】 124 附錄(四) 潤滑油規格表 126 附錄(五) 吹塑模試件表面粗糙度量測報告 128

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    無法下載圖示 全文公開日期 2026/08/23 (校內網路)
    全文公開日期 2026/08/23 (校外網路)
    全文公開日期 2026/08/23 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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