臺灣博碩士論文加值系統

具曲面( Free form surface )的零件切削加工經常應用球形端銑刀( Ball end mill )作為精切削製程，其切削力的大小對於曲面模型的加工精度與粗糙度控制影響至大。然而，過去有關球形端銑刀切削力分析之探討，大多以水平面切削為主，少有對斜面或曲面進行研究。本文主要是以球形端銑刀銑削水平面之切削力分析為基礎，來建構球形端銑刀銑削斜面的切削力分析方法，提出球形端銑刀銑削斜面的三維切削力分析預測模式，包含球形端銑刀在斜面上爬升銑、下坡銑及水平移動銑削。
首先由斜面銑削實驗之數據及本文的切削力學模式，來獲得各項比切削參數(C 、C 、C )。接著驗證本文切削力模式，模擬球形端銑刀切削力與實驗量測值之精確度比較。最後提出在0°~45°的斜面間，進行球形端銑刀銑削之各種三維切削力預測，說明本文方法之應用。由實驗結果顯示，本文建構的球形端銑刀切削力分析方法，可有效的分析球形端銑刀銑削水平面及斜面之三軸向切削力。

This paper proposes a mechanistic ball end mill cutting force model to estimate the ball end milling forces for inclined plane milling. The developed model that calculates the cutting forces based on a set of cutting force coefficients which depend on the material, the tool, the cutting conditions, the machining directions and the inclined angle of the milling surface. The developed ball end milling force models for inclined plane milling include rise milling ,downhill milling, and horizontal milling.
This study uses the present cutting force model and the measured ball end milling forces data to obtain equivalent specific cutting force coefficients (C , C , and C ) for some cutting conditions. By substituting the cutting force coefficients into the present ball end milling force model, the milling force variation both on horizontal plane and inclined plane can be predicted. Finally, the present study also construct some parametric Bezier surfaces of cutting force coefficients in the CAD system by using finite experiment data of ball end milling, which is used to easily find out the cutting force coefficients for any inclined angle of ball end milling operation. In the present study, the cutting force model has been tested on aluminum alloy Al7075-T6 with micro grain carbide ball end mill ( 10 - 2 flutes). Validation tests have been carried out on planar surfaces milling and on inclined plane milling in some typical ball end milling conditions. The results show that the predicted cutting forces agreed well with the measured cutting forces.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法 4
1.4 論文架構 5
第二章 球形端銑刀之切削力模型建構 6
2.1球形端銑刀之幾何 6
2.1.1 幾何關係之 與 角度 7
2.2切削力預測模式 10
2.2.1 未變形切屑厚度之計算 10
2.2.2 球端銑刀銑削平面 14
2.2.3 球端銑刀銑削傾斜面 17
2.2.4 球端銑刀沿斜面爬升及下坡銑削 21
2.2.5 合成切削力 32
2.3切削力參數比值之實驗求解 34
第三章 球形端銑刀切削實驗 36
3.1實驗規劃 36
3.2實驗設備 37
3.2.1 台灣麗偉CNC加工中心機 37
3.2.2 工件為鋁合金7075-T6 38
3.2.3 刀具為超微粒碳化鎢雙刃球銑刀直徑ψ10 38
3.2.4 槓桿式量表 39
3.2.5 KISTLER 9257B型的動力計 39
3.2.6 放大器 40
3.2.7 AD/DA 卡(ICP DAS PCI-1002) 40
3.3 實驗步驟及程序 42
第四章 實驗結果與討論 44
4.1 平面球銑切削實驗 44
4.2 斜面銑削實驗：各種斜面探討 47
4.2.1 15°傾斜面銑削實驗 47
4.2.2 30°傾斜面銑削實驗 52
4.2.3 45°傾斜面銑削實驗 57
4.3 迴歸線分析 62
4.3.1 切削比值迴歸曲線 64
4.4 球形端銑刀銑削曲面切削力預測 90
4.4.1 Bezier曲線 90
4.4.2 Bezier曲面 91
4.4.3 切削比值參數(Ct、Cr、C )之預測 92
第五章 結論及未來展望 96
5.1 結論 96
5.2 未來展望 97
參考文獻 98
附錄
A符號彙編 101



























表目錄

表2.1 各切削模式之切入角、切出角及邊界弧角 31
表3.1 球端銑刀實驗切削模式 36
表3.2 鋁合金7075-T6機械性質 38
表3.3 鋁合金7075-T6化學成份 38
表3.4 超微粒碳化鎢雙刃球銑刀規格 38
表3.5 槓桿式量表規格 39
表3.6 切削動力計規格 39
表4.1 水平面球銑切削實驗條件及參數表 45
表4.2 15°傾斜面球銑切削實驗條件及參數表 48
表4.3 30°傾斜面球銑切削實驗條件及參數表 53

表4.4 45°傾斜面球銑切削實驗條件及參數表 58




























圖目錄

圖1.1 切削力理論推導與切削力實驗之流程 4
圖2.1 雙刃球銑刀外形 6
圖2.2 螺旋刃在切削區等分成若干弧角(弧長) 7
圖2.3 球端銑刀幾何 8
圖2.4 球端銑刀端示圖 9
圖2.5 球端銑刀之未變形切屑厚度變化 10
圖2.6 切屑負載(chip load)示意圖 11
圖2.7 切刃上的微小切削面積(分割短切刃)，dA 13
圖2.8 水平槽銑削角度(θ， )範圍示意圖 15
圖2.9 水平面側銑(順銑)切削角度範圍示意圖 16
圖2.10 球端銑刀銑削傾斜面銑削角度範圍示意圖(刀具水平移動) 20
圖2.11 球端銑刀沿斜面爬升銑削情形 23
圖2.12 斜面上爬升銑削示意圖 25
圖2.13 斜面下坡銑切削範圍未過中心線示意圖 28
圖2.14 斜面下坡銑切削範圍超過中心線示意圖 30
圖2.15 分割短切刃上的三直交微小切削力 33
圖3.1 台灣麗偉CNC加工中心機 37
圖3.2 KISTLER 9257B型的動力計 39
圖3.3 電荷放大器 40
圖3.4 實驗架構流程圖 41
圖3.5 整個實驗架設情形之照相圖 41
圖3.6 工件安裝於動力計上之照相圖 42
圖3.7 銑削力量測之流程 43
圖4.1 水平面溝槽銑切削切深2.0 mm進給0.16 mm/mooth，
進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號16) 46
圖4.2 水平面溝槽銑切削切深2.0 mm進給0.16 mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號16) 46
圖4.3 水平面溝槽銑切削切深2.0 mm進給0.16 mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號16) 46
圖4.4 15°傾斜面上爬升銑削切深0.2 mm進給0.12 mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號27) 49
圖4.5 15°傾斜面上爬升銑削切深0.2 mm進給0.12 mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號27) 49
圖4.6 15°傾斜面上爬升銑削切深0.2 mm進給0.12 mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號27) 49
圖4.7 15°傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.12mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號31) 50
圖4.8 15°傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.12mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號31) 50
圖4.9 15°傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.12mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號31) 50
圖4.10 15°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號42) 51
圖4.11 15°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號42) 51
圖4.12 15°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
刀軸方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號42) 51
圖4.13 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號49) 54
圖4.14 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號49) 54
圖4.15 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號49) 54
圖4.16 30°傾斜傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.06mm，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號53) 55
圖4.17 30°傾斜傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.06mm，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號53) 55
圖4.18 30°傾斜傾斜面下坡銑削切深0.2mm進給0.06mm，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號53) 55
圖4.19 30°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號70) 56
圖4.20 30°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號70) 56
圖4.21 30°傾斜面水平側銑削切深0.2mm進給0.1mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號70) 56
圖4.22 45°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號78) 59
圖4.23 45°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號78) 59
圖4.24 45°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號78) 59
圖4.25 45°傾斜面下坡銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號84) 60
圖4.26 45°傾斜面下坡銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號84) 60
圖4.27 45°傾斜面下坡銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號84) 60
圖4.28 45°傾斜面水平側銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
刀具進給方向(X軸)切削力比較圖(實驗編號85) 61
圖4.29 45°傾斜面水平側銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
(Y軸)切削力比較圖(實驗編號85) 61
圖4.30 45°傾斜面水平側銑削切深0.6mm進給0.16mm/mooth，
刀軸方向(Z軸)切削力比較圖(實驗編號85) 61
圖4.31 簡單的線性迴歸模型 63
圖4.32 水平面球銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 64
圖4.33 水平面球銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 64
圖4.34 水平面球銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 65
圖4.35 水平面側順銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 66
圖4.36 水平面側順銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 66
圖4.37 水平面側順銑切削 與平均切屑厚度 之迴歸線 67
圖 4.38 水平銑切深0.6mm進給0.16mm/tooth，Fx力迴歸之
切削比值進行模擬與實驗量測比較 68
圖 4.39 水平銑切深0.6mm進給0.16mm/tooth，Fy力迴歸之
切削比值進行模擬與實驗量測比較 68
圖 4.40 水平銑切深0.6mm進給0.16mm/tooth，Fz力迴歸之
切削比值進行模擬與實驗量測比較 68
圖4.41 15°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 69
圖4.42 15°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 69
圖4.43 15°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 70
圖4.44 15°傾斜面下坡切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 71
圖4.45 15°傾斜面下坡切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 71
圖4.46 15°傾斜面下坡切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 72
圖4.47 15°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 73
圖4.48 15°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 73
圖4.49 15°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 74
圖 4.50 15°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/tooth，Fx力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 75
圖 4.51 15°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/tooth，Fy力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 75
圖 4.52 15°傾斜面上爬升銑削切深0.6mm進給0.1mm/tooth，Fz力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 75
圖4.53 30°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 76
圖4.54 30°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 76
圖4.55 30°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 77
圖4.56 30°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 78
圖4.57 30°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 78
圖4.58 30°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 79
圖4.59 30°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 80
圖4.60 30°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 80
圖4.61 30°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 81
圖 4.62 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/tooth，Fx力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 82
圖 4.63 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/tooth，Fy力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 82
圖 4.64 30°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.06mm/tooth，Fz力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 82
圖4.65 45°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 83
圖4.66 45°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 83
圖4.67 45°傾斜面上爬升切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 84
圖4.68 45°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 85
圖4.69 45°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 85
圖4.70 45°傾斜面下坡銑切削之 與平均切屑厚度 之迴歸線 86
圖4.71 45°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 87
圖4.72 45°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 87
圖4.73 45°傾斜面水平移動側銑切削之 與平均切屑
厚度 之迴歸線 88
圖 4.74 45°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.12mm/tooth，Fx力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 89
圖 4.75 45°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.12mm/tooth，Fy力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 89
圖 4.76 45°傾斜面上爬升銑削切深0.2mm進給0.12mm/tooth，Fy力
迴歸之切削模擬與實驗量測比較 89
圖4.77 不同階數的Bezier 曲線 90
圖4.78 Bezier 曲面控制點 91
圖4.79 上爬升銑切削三維圖表 93
圖4.80 上爬升銑切削三維圖表 93
圖4.81 上爬升銑切削三維圖表 93
圖4.82 下坡銑切削三維圖表 94
圖4.83 下坡銑切削三維圖表 94
圖4.84 下坡銑切削三維圖表 94
圖4.85 水平移動銑切削三維圖表 95
圖4.86 水平移動銑切削三維圖表 95
圖4.87 水平移動銑切削三維圖表 95

參考文獻

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