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研究生： 葉明桀
Ming-Chieh Yeh
論文名稱： 懸臂式微型搪研工具開發與應用
Development and application of the cantilevered micro honing-tool
指導教授： 陳順同
Chen, Shun-Tong
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 78
中文關鍵詞： 微型搪研工具 、微放電鑽孔 、微線切割放電加工 、複合沉積
英文關鍵詞： honing tool, hole-drilling, w-EDM, co-deposition
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：271  下載：8 
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    • 中文摘要
    微型模具孔徑或槽寬尺度小於200μm時，除了粗加工困難外，模具壁面
    或孔壁面的精加工也很困難，本研究提出一種『懸臂樑式微型搪研工具』的
    設計，包括提供複合沉積的多孔性載體設計、搪研工具設計，以及提供剖切
    微溝的倒置式微線切割放電加工機構應用，主要針對微米等級的特徵尺度微
    孔進行搪研加工。經由線式放電研削修整完成的微細軸桿，移入多孔性載體
    中進行CBN磨粒的複合沉積。為獲得懸臂造型工具，以微線切割放電加工方
    式進行倒置式切割。成型的微型工具被精密移入SKD11冷模工具鋼的微孔中
    進行搪研實驗。所有製程均設計於同一部微型綜合加工機上完成，搪研工具
    不拆裝及校正，所有加工位置均由CNC系統所控制，故工具沒有定位誤差問
    題，與工件間的相對位置也可精密維持。實驗結果得知，加工後的微小孔可
    獲致極佳的幾何精度、尺寸精度與表面粗度。
    關鍵字：微型搪研工具、微放電鑽孔、微線切割放電加工、複合沉積。

    Abstract
    The major aim of this study is to present a novel technique for honing the
    micro hole. It is difficult that makes the micro hole less than 200μm in diameter.
    A novel process that on-line exactly fabricate the micro honing tool using micro
    EDM, micro co-deposition and micro w-EDM is proposed for honing the micro
    hole. A micro rod as the substrate of the micro-tool is formed by w-EDM and
    then co-deposited with 0-2μm CBN-abrasives. Subsequently, it is axially and
    crisscross cut for an appropriate length by micro w-EDM to make the crotched
    microstructure. The finished micro honing tool is moved and located exactly on
    the existing micro hole via CNC path without being unloaded. The micro honing
    work is on-line conducted. The whole processes can be on-line realized.
    Experimental results demonstrate that the circularity and surface roughness on
    the hole-wall is evidently improved. Comparing with the obtained machining
    surface by micro EDM hole-drilling, the original surface roughness of near
    one-sixth time can be achieved. It is indicated that the micro-hole can be honed
    accurately using the proposed technique.
    Keywords: Honing tool, hole-drilling, w-EDM, co-deposition

    目 錄 中文摘要……………………………………………………………………I 英文摘要……………………………………………………………………II 目錄……………………………………………………………..…………III 圖目錄……………………………………………………………………..VI 表目錄……………………………………………………………….... X 符號表…………………………………………………………………...XI 第一章 緒論………………………………………….………………...1 1-1前言……………………………………………………………………1 1-2研究動機…………………………………………………….……….2 1-3研究目的……………………………………………………...…….3 1-4 實驗方法…………………………………………………………...3 1-5 文獻回顧…………………………………………………………...5 第二章 應用原理分析………………………..……………….…………7 2-1複合電鍍沉積原理…………………...…………….……………..7 2-1-1電鍍原理………………………………………………………....7 2-1-2鍍液的成份及其功能…. ……………………………………....9 2-1-3複合電鍍沉積原理……………………………..………..……..10 2-2放電加工原理………...…………………………...………………13 2-2-1放電加工的材料去除機制…………………………………......14 2-2-2放電加工的優缺點……………………………….….…………..15 2-3微放電加工…………………………………………………………….16 2-3-1微放電加工原理………………………………………..……16 2-3-2線式放電研削原理………………………………………17 2-3-3微線切割放電加工應用……………………...…………...18 2-4搪磨基本原理……………………………………………….19 2-4-1搪磨加工原理……………………………………………….......19 2-4-2搪磨加工特色……………………………………………….......20 2-4-3微孔搪研原理……………………………………………….......20 第三章 實驗設備設計……………………………………………………….22 3-1線上分離式複合槽設計……………………………………………....22 3-1-1前處理槽設計……………………………………………...…....23 3-1-2 微型複合沉積槽設計………………………………………......23 3-2槽體溫控設計………………………………………………………....24 3-3電源供應器…………………………………………………………....25 3-4複合式CNC微型綜合加工機應用………………………………….....26 3-5線切割放電加工機………………………………………………….....27 3-6量測儀器設備.. ……………….……..…………….….………..…27 3-6-1工具顯微鏡……………………………………………………...27 3-6-2 電子式掃描顯微鏡……………………………………...…….28 3-6-3 白光干涉儀………………………………………………..…..29 3-7 實驗材料……………………………………………………29 3-7-1模具鋼SKD11……………………………………..………30 3-7-2微型搪研工具基材(WC) ……………………………………......30 3-7-3搪研磨粒(CBN) …………………………………………….......31 第四章 實驗方法………………………………………………………………32 4-1電鍍液排放模式實驗……………………………………………......33 4-1-1漩渦法……………………………………….……………........34 4-1-2隔板法……………………………………….……………........34 4-1-3隔板與階梯斜面法……………………………………...……....35 4-2多孔性載體複合沉積模具 .………………………………………35 4-3多孔性載體孔隙大小與磨粒含量關係………………………………..38 4-3-1沉積模具之孔隙大小影響………………………………….......38 4-3-2結果與討論………………………………………………….......43 4-4微型搪研工具外型設計………………………………………….....44 4-4-1搪研工具設計受力分析…………………………………….......45 4-4-2微型搪研工具製作………………………………………….......49 4-4-3微型搪研工具成型修整…………………………………….......50 4-4-4結果與討論……………………………………. …………….....56 第五章 微孔搪研拋光實驗………………………………………………….57 5-1微型搪研工具精密定位…………………………………………….57 5-2微孔搪研實驗……………………………………………………….58 5-2-1 前導角α對微孔毛邊影響………………………………..58 5-2-2 搪研工具研磨斜角β對孔壁表面粗度的影響………..…59 5-2-3搪研周速對微孔真圓度的影響……………………………61 5-2-4搪研周速對微孔圓柱度及表面粗度的影響………………64 5-2-5結果與討論………………….……………………………70 5-3 搪研後之工具表面…………………..……………………………71 5-4結果與討論……………………………………..………………….72 第六章 結論……………………………………………………………….....73 6-1結果…………………..……………………………………….…..73 6-2未來展望…………..………………………………...……………74 參考文獻…………………………………………..……………...........75 圖目錄 圖1-1 微型搪研工具之線上製作與應用……………………..……………4 圖2-1 Guglielmi沉積機制………………………….….............10 圖2-2 Celis沉積機制…………………………….…...............11 圖2-3 複合沉積示意圖…………………………….….............. 12 圖2-4 多孔性載體複合沉積模具…………………….….............12 圖2-5 多孔性載體複合沉積原理…………………………….…........12 圖2-6 放電加工示意圖.…..................................13 圖2-7 放電加工材料去除機制………………………………….…......15 圖2-8 WEDG示意圖…………………………………………………...……18 圖2-9 微線切割放電加工應用…………………………………………...19 圖2-10 搪磨加工示意圖…………………………………………………….19 圖2-11 微型搪研工具示意圖…………………………………………….…21 圖3-1 微型綜合加工機與複合沉積槽設計…………………………….…22 圖3-2 微型前處理槽……………………………………………………...23 圖3-3 線上複合沉積槽設計……………………………………….………24 圖3-4 溫度控制器………………………………………………….………25 圖3-5 耐酸鹼泵……………………………………………………….……25 圖3-6 實驗所用電源供應器………………………………………………25 圖3-7 精密微型CNC複合製造系統…………………………....…………26 圖3-8 線切割放電加工機…………………………………………..………27 圖3-9 工具顯微鏡…………………………………………....……………28 圖3-10 電子掃描顯微鏡………………………………………………………28 圖3-11 白光干涉儀………………………………………………………….29 圖4-1 實驗流程圖………………………………………………….………32 圖4-2 微型綜合加工機與複合沉積槽…………..………...………………33 圖4-3 漩渦式示意圖…………………………………………..….………..34 圖4-4 隔板式示意圖………………………………….…………………....34 圖4-5 複合沉積槽示意圖……………………………….…………………35 圖4-6 複合沉積模具設計…………………………………………….……36 圖4-7 陶瓷法氧化鋁砂輪材質沉積模具實驗……………………….……37 圖4-8 壓克力材質沉積模具實驗………………………………….………38 圖4-9 複合沉積CBN磨粒示意圖…………………………………….…....39 圖4-10 不同孔隙沉積模具之表面SEM圖………………..……..……..40 圖4-11 使用#1000號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面……….….41 圖4-12 使用#1500號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面……….….41 圖4-13 使用#2000號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面………...…41 圖4-14 使用#2500號砂輪沉積模具的微型搪研工具基材表面…..….…..42 圖4-15 複合沉積示意圖……………………………………………...…..…43 圖4-16 懸臂式微型搪研工具設計……………………………..…….…..…44 圖4-17 懸臂式微型搪研工具尺寸設計…………………………..…...……46 圖4-18 位移量分析圖…….………………………………...........……46 圖4-19 內應力分析圖……...………………………………….…………47 圖4-20 懸臂樑示意圖……………………………………………….………47 圖4-21 微型搪研工具製作流程圖…………………………………..…...…50 圖4-22 線放電研削(WEDG)法…….………………………………….….…51 圖4-23 微型搪研工具外觀輪廓……………………………………..…...…51 圖4-24 前處理不完整，致使工具表面局部無法沉積CBN磨粒…………...52 圖4-25 前處理槽體………………………………………………..…..…….52 圖4-26 鍍層能完整附著於基材…………………………………...……..…53 圖4-27 線上CBN磨粒複合電鍍沉積…………….…………………...……54 圖4-28 CBN磨粒與鎳層……………………………………………………….54 圖4-29 放電坑產生容屑空間……………………………………….………54 圖4-30 微線切割機構………………………………………………….……55 圖4-31 微型搪研工具……………………………………………..…...……55 圖5-1 線上微孔搪研拋光示意圖………………………………………...…57 圖5-2 前導角α對微孔孔緣毛邊的影響……………………………..……..58 圖5-3 研磨斜角β=0.3°………………………………………………..……..59 圖5-4 研磨斜角β=1.227°………………………………………….……….60 圖5-5 研磨斜角β=0.3°之微孔表面粗度…………………………….……...60 圖5-6 研磨斜角β=1.227°之微孔表面粗度………………………...……..61 圖5-7 CNS幾何公差-真圓度……………………………………………...…61 圖5-8 放電鑽孔真圓度量測…………………………………………...……62 圖5-9 搪研周速0.942m/min………………………………………………..62 圖5-10 搪研周速1.256m/min…………………………………….…….……63 圖5-11 搪研周速1.570m/min………………………………………………..63 圖5-12 孔徑矯正………………………………………………………….…63 圖5-13 不同轉速真圓度圖表……………………………………………….64 圖5-14 CNS幾何公差-圓柱度………………………………………………64 圖5-15 不同搪研周速對微孔表面影響…………………………………..65 圖5-16 放電鑽孔表面粗度量測……………………………………………66 圖5-17 搪研周速0.942m/min表面粗度量測……………………………67 圖5-18 搪研周速1.256m/min表面粗度量測……………………………68 圖5-19 搪研周速1.570m/min表面粗度量測………………………………69 圖5-20 CBN磨粒含量與屑袋寬度關係………………………………….…71 圖5-21 微型搪研工具搪研後之比較……………………………………….72 圖5-22 微型搪研工具磨耗情形……………………………..…………..72 表目錄 表2-1 微性放電加工與一般雕模放電加工之特性比較………………...…16 表3-1 工具顯微鏡設備規格表……………………………………........28 表3-2 白光干涉儀規格表…………………………………………………...29 表3-3 SKD11機械性質…………..…………………………………………30 表3-4 碳化鎢機械性質……………………………………………..……..30 表3-5 工業材料硬度表…………………………………………..………….31 表4-1 鍍液組成成分………………………………………………………...39 表4-2 微放電加工參數……………………………………………...…….50 表4-3 前處理參數…………………………………………………...………53 表4-4 微線切割實驗參數………………………………………....…....55 符號表 F 法拉第電量(9.6485×104 Coul /mole) M 析出或溶解的質量(g/Ah) i 輸入的電流(安培) T 電鍍時間(min) η 電流效率(％) A 原子量 Z 電荷數 t 沉積厚度(μm) a 電鍍面積(dm2) ρ 金屬密度(g/cm3) ASD (i/ dm2) Da 目標孔徑(μm) Db 鑽孔尺寸(μm) T1 研磨間隙(μm) T2 排屑間隙(μm) L1 長度(μm) L2 長度(μm) y y軸位移量(m) l 懸臂樑長度(m) E 楊氏系數(N/m2) I 慣性矩(m4) ω( ) 均部載重(N/m2) r 半徑(m) A1 四分之一圓面積(m2) θ 角度(Rad ) r ̅ O點至G點距離(m) rm G點至圓弧距離(m) σ 應力(N/m2) M(x) 力矩(N×m) d 距離(m)

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