臺灣博碩士論文加值系統

本文主要以銑削製程參數為變因，探討製程參數對球銑削力的影響，並且由理論與實驗兩方面進行探討。在實驗方面，本文以S42C碳鋼為材料，藉由不同銑削製程參數及切削模式設定所產生的切削力，來分析平面球銑切削力架構的組成及變化。
在理論方面，由空間幾何概念，建立球銑刀螺旋切刃。本文中切削力模型之建立以預測給定加工條件下之瞬間切削力為主，其基本概念包含刀具與工件交集之數學特性是依據切屑寬密度函數在角域的捲積表示法；由刀具與工件交集的幾何模型決定切屑寬度密度函數後，即可得到角域上之三個正交方向之局部切削力。切削力之求法是藉由沿銑刀切刃之局部切削力捲積積分而求得總切削力。其次經由傅立葉轉換將角域之切削力模式轉換成頻域切削力模式，而所得之切削力模式可表示成一傅立葉級數，而傅立葉係數即包含製程參數，刀具幾何，材料特性及切削模式之閉迴路切削力表示式。因此，即可比較不同製程參數對切削力的影響；球銑切削力之研究可以得到在何種加工條件下，刀具所承受之切削力較大，可能引發刀具之斷裂，因此切削力之預測可以作為切削品質優化與改善之參考依據。
最後，本文經由實驗量得平均力，算出壓力常數及比例係數及求得切削力理論預測值，比較理論值與實驗值間的差異性。

In this thesis, the effect of milling parameters on the ball-end milling forces is investigated by both the theoretical and experimental methods. In experimental aspect, the instantaneous cutting force signals and average cutting forces with different milling parameters in three orthogonal directions were measured by piezoelectric dynamometer.
The objective of this thesis is to establish an algebraic model of cutting force system in the ball-end milling process. This objective is accomplished by systematically and analytically formulating the dominant dynamic components of three-dimensional cutting forces in the machining with helical multi-flute ball-end milling cutters. In this study, the ball-end milling cutting force model is developed to predict the instantaneous cutting force on given machining conditions. The basic concept involved in this thesis is the mathematical characterization of the cutter-workpiece interactions in terms of the chip width density function in an angular convolution expression. After the chip with density function is determined through the geometric model of cutter and workpiece engagement, differential cutting forces in three orthogonal directions are written in the angular domain. This solution is carried out by the convolution integration of the differential cutting forces along the helical flutes. A Laplace transformation for the convolution integral leads itself to a set of closed form expressions of the dynamic cutting force components in terms of process parameters, tool geometry, material characteristics and machining configuration.
Finally, the tangential cutting pressure constant, proportionality coefficients and the estimated cutting forces were computed by the measured average cutting forces. It demonstrated that the theoretical results agreed well with the experimental results.

中文摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
總目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
符號說明 XIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.2.1 研究動機 2
1.2.2 研究目的 3
1.3 文獻回顧 3
1.4本文研究範疇 8
第二章 球銑刀具幾何模型之建立 12
2.1 概述 12
2.2 球銑刀之幾何模型 13
2.3 切屑厚度與銑削型式的關係 16
第三章 球銑切削力模型之建立 24
3.1 概述 24
3.2 角域切削力模型之建立 24
3.2.1 切屑寬度密度函數(Chip width density function) 26
3.2.2 刀刃序列函數(Tooth sequential function) 27
3.2.3 單位切削力函數(Elemental force function) 28
3.3 頻域切削力模型之建立 32
3.3.1 單位切削力函數之頻域表示 32
3.3.2 切屑寬度密度函數之頻域表示 34
3.3.3 刀刃序列函數之頻域表示 36
3.4 、 、 之求法 39
第四章 實驗規劃 48
4.1 實驗目的 48
4.2 實驗參數設定 48
4.3 實驗規劃 48
4.3.1 試件之製作 48
4.3.2實驗準備與流程 49
4.3.3 主要實驗設備與儀器 49
第五章 結果與討論 58
5.1概述 58
5.2以平均切屑厚度預測球銑切削力 59
5.3銑削製程參數對銑削力的影響 61
5.3.1不同刀具半徑對銑削力的影響 61
5.3.2不同切深對銑削力的影響 61
5.3.3不同進給速率對銑削力的影響 62
5.3.4不同主軸轉速對銑削力的影響 62
5.3.5不同切削模式對銑削力的影響 63
5.4切削力實驗值與理論值之比較 63
第六章 結論與建議 91
6.1結論 91
6.2建議 92
參考文獻 94
附錄A 98
附錄 B 99
表目錄
表4.1 製程參數對照表 55
表4.2 銑削參數配置表 55
表5.1 平均切屑厚度 與 、 、 88
表A.1 刀具序列函數之傅立葉轉換 98
表B.1 麗偉MCV610AP型三軸立式綜合加工機規格表 99
表B.2 KISTLER， Type-9255B銑床動力計規格表 100
表B.3 KISTLER，Type-5007電荷放大器規格表 101
圖目錄
圖1.1 3D雕刻曲面 10
圖1.2 雕刻曲面之球銑加工 10
圖1.3 切屑產生過程 11
圖2.1 球銑刀幾何外型示意圖 18
圖2.2 球銑刀單一刀刃之三視圖 19
圖2.3 球銑刀切刃之局部螺旋角 19
圖2.4 不同公稱螺旋角對切刃幾何之影響 20
圖2.5 不同公稱螺旋角對切刃幾何之影響(俯視圖) 20
圖2.6 不同公稱螺旋角對切刃幾何之影響(側視圖) 21
圖2.7 不同公稱螺旋角對 - 變化之影響 21
圖2.8 不同公稱螺旋角對 - 變化之影響 22
圖2.9 不同公稱螺旋角對 - 變化之影響 22
圖2.10 及 視窗函數 23
圖3.1 微小切屑面積 41
圖3.2 微小切削力 42
圖3.3 刀刃序列函數 43
圖3.4 、 、 與 視窗函數( , ) 43
圖3.5 、 、 與 關係圖( , ) 44
圖3.6 、 與 之角度關係 44
圖3.7 刀刃序列函數之傅立葉轉換 45
圖3.8 、 、 之關係( ) 45
圖3.9 、 、 之關係( ) 46
圖3.10 、 、 之關係( ) 46
圖3.11 時， 、 、 與正規化頻率之關係 47
圖3.12 時， 、 、 與正規化頻率之關係 47
圖4.1 切削模式設定(槽銑與側銑) 51
圖4.2 順銑及逆銑 51
圖4.3 實驗架構圖 52
圖4.4 量測銑削力之安裝流程圖 53
圖4.5 實驗儀器及設備之安裝與配備 54
圖4.6 工件與動力計之架設 54
圖5.1 微小切屑厚度及其體積 66
圖5.2 與平均切屑厚度 之變化 66
圖5.3 與平均切屑厚度 之變化 67
圖5.4 與平均切屑厚度 之變化 67
圖5.5 表4.1中實驗編號7、22、40之X方向切削力理論值 68
圖5.6 表4.1中實驗編號7、22、40之Y方向切削力理論值 68
圖5.7 表4.1中實驗編號7、22、40之Z方向切削力理論值 69
圖5.8 表4.1中實驗編號2、8、14之X方向切削力理論值 69
圖5.9 表4.1中實驗編號2、8、14之Y方向切削力理論值 70
圖5.10 表4.1中實驗編號2、8、14之Z方向切削力理論值 70
圖5.11 表4.1中實驗編號22、23、24之X方向切削力理論值 71
圖5.12 表4.1中實驗編號22、23、24之Y方向切削力理論值 71
圖5.13 表4.1中實驗編號22、23、24之Z方向切削力理論值 72
圖5.14 表4.1中實驗編號9、12之X方向切削力理論值 72
圖5.15 表4.1中實驗編號9、12之Y方向切削力理論值 73
圖5.16 表4.1中實驗編號9、12之Z方向切削力理論值 73
圖5.17 表4.1中實驗編號62、63、64之X方向切削力理論值 74
圖5.18 表4.1中實驗編號62、63、64之Y方向切削力理論值 74
圖5.19 表4.1中實驗編號62、63、64之Z方向切削力理論值 75
圖5.20(a) 表4.1中實驗編號52切削力頻譜預測值 75
圖5.20(b) 表4.1中實驗編號52在X方向之切削力實驗值與理論值 76
圖5.20(c) 表4.1中實驗編號52在Y方向之切削力實驗值與理論值 76
圖5.20(d) 表4.1中實驗編號52在Z方向之切削力實驗值與理論值 77
圖5.21(a) 表4.1中實驗編號57切削力頻譜預測值 77
圖5.21(b) 表4.1中實驗編號57在X方向之切削力實驗值與理論值 78
圖5.21(c) 表4.1中實驗編號57在Y方向之切削力實驗值與理論值 78
圖5.21(d) 表4.1中實驗編號57在Z方向之切削力實驗值與理論值 79
圖5.22(a) 表4.1中實驗編號65切削力頻譜預測值 79
圖5.22(b) 表4.1中實驗編號65在X方向之切削力實驗值與理論值 80
圖5.22(c) 表4.1中實驗編號65在Y方向之切削力實驗值與理論值 80
圖5.22(d) 表4.1中實驗編號65在Z方向之切削力實驗值與理論值 81
圖5.23(a) 表4.1中實驗編號3切削力頻譜預測值 81
圖5.23(b) 表4.1中實驗編號3在X方向之切削力實驗值與理論值 82
圖5.23(c) 表4.1中實驗編號3在Y方向之切削力實驗值與理論值 82
圖5.23(d) 表4.1中實驗編號3在Z方向之切削力實驗值與理論值 83
圖5.24(a) 表4.1中實驗編號19切削力頻譜預測值 83
圖5.24(b) 表4.1中實驗編號19在X方向之切削力實驗值與理論值 84
圖5.24(c) 表4.1中實驗編號19在Y方向之切削力實驗值與理論值 84
圖5.24(d) 表4.1中實驗編號19在Z方向之切削力實驗值與理論值 85
圖5.25(a) 表4.1中實驗編號26切削力頻譜預測值 85
圖5.25(b) 表4.1中實驗編號26在X方向之切削力實驗值與理論值 86
圖5.25(c) 表4.1中實驗編號26在Y方向之切削力實驗值與理論值 86
圖5.25(d) 表4.1中實驗編號26在Z方向之切削力實驗值與理論值 87

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