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研究生:陳健峰
研究生(外文):Chien-Feng, CHEN
論文名稱:微量潤滑劑之高速銑削實驗探討
論文名稱(外文):An Experimental Study on Minimum Quantity Lubrication for High-Speed Milling
指導教授:蔡志成蔡志成引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:微量潤滑高速銑削實驗
外文關鍵詞:MQLHigh-Speed milling
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高速切削具有高移除率、高表面精度、工件低熱變形等多重效益,可降低加工成本與時間,而因應節省地球資源與環境保護的課題,未來的加工技術需朝高效率低污染的綠色切削技術發展,故本文透過實驗探討析出硬化模具鋼NAK80之微量潤滑劑高速切削技術,評估微量切削油劑對其高速切削效果之影響。
實驗設計分為二階段進行,前導實驗是以工件表面粗糙度為評估因子,找出最適當之切削參數;第二部份則分析比較在不同銑削速度以及每刃進給量下,不同切削油劑供應量對表面粗糙度及銑削力的影響,以評估潤滑劑減量的效果。實驗結果顯示微量切削油劑對於表面精度的提升具有相當效果,甚至優於大量切削油劑的效果,工件最佳的表面精度,皆是在微量切削油劑的條件下所獲得,其Ra值在0.2μm左右,而整體的表面粗度值Ra也在1.6μm以下。同時微量切削油劑對於降低平均銑削力的效果則是介於乾切削與大量切削劑之間,而相較於乾切削,微量切削油劑對於刀具磨耗之延緩效果相當顯著,上述觀察顯示其在高速切削狀況下仍具相當優良之潤滑效果。
High-Speed machining(HSM)takes the advantage of high metal removal, excellent surface finish and minimal workpiece distortion to lower the machining time and cost. While the natural resource saving and environmental protection are important issues, future machining technology must satisfy green manufacturing such as high efficiency and low pollution. This thesis, therefore, investigates the effect of minimum quantity lubrication (MQL) on HSM of the pre-hardened molding steel NAK80 through milling experiment.
Experiments are designed in two parts. The precursor experiment is to find the optimum cutting parameter under the best surface roughness. The data are then used to conduct the MQL experiment that compares the surface roughness, cutting forces, and tool wear under different cutting speeds, feeds and MQL supply. The results show that MQL can improve surface quality of workpiece - in some cases the results are superior than that by flooding. It also shows that the best surface roughness for different cutting speeds are under MQL that gives surface roughness around 0.2μm Ra. It also observed from this study that cutting forces of MQL machining is between dry cutting and flooding machining. Tool wear of dry cutting, moreover, is dramatically reduced by MQL. These two observations indicate MQL do provide good lubrication for HSM.
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
誌謝Ⅲ
目錄Ⅳ
圖目錄Ⅶ
表目錄XI
第一章 緒論……………………………………………………………………………1
1.1 研究動機…………………………………….…………………………..………1
1.2 文獻回顧………………………………………………………………………...2
1.2.1 模具加工與高速切削……………………………………………………..2
1.2.2 綠色切削的發展…………………………………………………………...6
1.3 研究目標……………………………………………...………………………...7
1.4 研究方法與步驟…………………………………...……………………..…...8
1.5 本文內容……………………………………………...………………………...8
第二章 微量潤滑劑切削技術……..………………………..…………………....9
2.1 切削劑的功能…….……………….………………………………………..…..9
2.2 切削刀具之選用…………….………………………………………………..12
2.3 MQL技術………………………………………...……………………………14
2.3.1 MQL技術切削油劑的供應方式………………………………………17
第三章 實驗設計與設備…………………………………...….……….…21
3.1 高速切削速度設定…………………….……………………….….21
3.2 MQL實驗規劃………………………………………………………….…..23
3.2.1 前導實驗規劃………………….………………………………………..24
3.2.2 最適參數之實驗規劃………………………………………………….28
3.3 實驗設備…………………………………………………...………………….30
第四章 實驗結果與分析………..………………………………………..36
4.1 銑削後量測位置對量測的影響…………………………...……………..36
4.2 重現性實驗…………………………………………………...………………37
4.3 前導實驗數據分析…………………..…………………………...…………38
4.3.1 Φ20槽銑………………………………………………………………...39
4.3.2 Φ12槽銑………………………………………………………………...43
4.3.3 Φ6槽銑…………………………………………………………..……...47
4.4 微量油劑銑削實驗………….……………...…...…………………………..52
4.4.1 切削劑供應對表面粗糙度的影響……………..…………………....52
4.4.1.1 Φ20槽銑………………………………………….………………..52
4.4.1.2 Φ12槽銑………………………………………….………………..54
4.4.1.3 Φ6槽銑…………………………………………….………………55
4.4.2 切削劑供應對銑削力的影響……………….……………………..…57
4.4.2.1 Φ20槽銑……………………….…………………………………..57
4.4.2.2 Φ12槽銑……………………………….…………………………..58
4.4.2.3 Φ6槽銑………………………………….…………………………60
4.3.3 切削劑供應對刀具磨耗延緩的效果……………………..………...61
第五章 結論與展望……………………………..………………………..63
5.1 結論…………………………………………………………………………….63
5.2 展望…………………………………………………………………………….64
參考文獻………………………………………………………………………….66
附錄一 NAK80模具鋼之成分與機械及物理性質……..…..69
附錄二 刀具被覆層材料性質比較………………………..……….71
附錄三 動力計系統使用前測試……………………………..…..…72
附錄四 EcoBooster油霧系統………………………………………...74
附錄五 銑削NAK80之銑削力及表面粗糙度一覽表…..…76
附錄六 部份工件之表面顯微顯像…..………………….…..…….81
作者簡介…………………………………….……………………………...……85
圖目錄
圖1.1 一般HSM性質1
圖1.2 無被覆層的高速鋼與被覆碳化鈦刀具的磨耗比較4
圖1.3 常見的刀具磨耗形態4
圖1.4 硬合金鋼ASTM5115加工變質層隨著刀腹磨耗的增加的厚度變化5
圖1.5 同潤滑方式之刀具磨耗圖6
圖1.6 潤滑方式對切削力的影響6
圖1.7 工具機能源消耗分析7
圖2.1 切削劑對切屑的生成產生影響11
圖2.2 適合乾切削加工刀具之概念圖12
圖2.3 切削劑藉毛細作用進入切屑與刀具的介面以產生潤滑與冷卻之效果
12
圖2.4 被覆層材質對凹陷磨耗中心的影響14
圖2.5 被覆層材質對刀面熱傳遞的影響14
圖2.6 不同切削油劑使用量於車削加工磨耗之比較16
圖2.7 切削劑使用量對刀具熔灼性之影響17
圖2.8 MQL mist供應方式18
圖2.9 MQL切削劑噴射方式分類18
圖2.10 圖2.9(a)中心供應油劑刀把實際圖19
圖2.11 油霧進入工作區示意圖19
圖2.12 油霧水滴蒸發前與蒸發後之油粒19
圖3.1 HSM針對各種材質與切削速度關係21
圖3.2 實驗規劃流程圖22
圖3.3 實驗之切削加工示意圖24
圖3.4 切削加工前後示意圖24
圖3.5 Linear-V800線性馬達驅動之切削加工機30
圖3.6 EcoBooster微量油氣混合產生器實體圖31
圖3.7 KISTLER 9257BA動力計(a)與5233A Control Unit(b)31
圖3.8 表面粗度儀量測架設圖32
圖3.9 實驗所用之表面粗糙度測定儀32
圖3.10 電源供應器及放大器32
圖3.11 Olympus BX60 System多功能顯微顯像系統實體圖及示意圖33
圖3.12 Φ20刀把及捨棄式刀片外觀34
圖3.13 Φ20加工前刀片照片(50X)34
圖3.14 Φ12及Φ6刀把及刀片外觀34
圖3.15 Bluebe LB-1植物油35
圖4.1 實驗編號12-9六段量測中第二段位置(立體圖)37
圖4.2 刀具直徑12mm驗證實驗六段量測中第二段位置(立體圖及俯視圖)37
圖4.3 加工前後之切削力比較圖38
圖4.4 Φ20之粗糙度(Ra)S/N回應圖39
圖4.5 Φ20之表面粗糙度(Ra)因子貢獻率40
圖4.6 Φ20之Fav S/N回應圖41
圖4.7 Φ20之Fav因子貢獻率分佈42
圖4.8 Φ12之粗糙度(Ra)S/N回應圖44
圖4.9 Φ12之表面粗糙度(Ra)因子貢獻率44
圖4.10 Φ12之Fav S/N回應圖45
圖4.11 Φ12之Fav因子貢獻率分佈46
圖4.12 Φ6之粗糙度(Ra)S/N回應圖48
圖4.13 Φ6之表面粗糙度(Ra)因子貢獻率48
圖4.14 Φ6之Fav S/N回應圖49
圖4.15 Φ6之Fav因子貢獻率分佈50
圖4.16 切深1.6mm刃口磨耗並黏屑(Í50)51
圖4.17 刃口磨耗(Í200)51
圖4.18 切深1.2mm刃口磨耗並黏屑(Í50)51
圖4.19 有groove現象產生(Í50)51
圖4.20 Φ20槽銑切速為100m/min時,表面粗糙度變化圖52
圖4.21 Φ20槽銑切速為125.7m/min時,表面粗糙度變化圖53
圖4.22 Φ20槽銑切速為157.1m/min時,表面粗糙度變化圖53
圖4.23 Φ12槽銑切速為150.8m/min時,表面粗糙度變化圖54
圖4.24 Φ12槽銑切速為188.5m/min時,表面粗糙度變化圖54
圖4.25 Φ12槽銑切速為226.2m/min時,表面粗糙度變化圖55
圖4.26 Φ6槽銑切速為405.3m/min時,表面粗糙度變化圖55
圖4.27 Φ6槽銑固定切深(0.12mm)及每刃進給,表面粗糙度變化圖56
圖4.28 Φ6槽銑固定切深(0.10mm)及每刃進給,表面粗糙度變化圖56
圖4.29 轉速20000rpm時工件之表面品質(Í50),切削油劑11cc/hour57
圖4.30 Φ20槽銑切速為100m/min時,銑削力變化圖57
圖4.31 Φ20槽銑切速為125.1m/min時,銑削力變化圖58
圖4.32 Φ20槽銑切速為157.1m/min時,銑削力變化圖58
圖4.33 Φ12槽銑切速為150.8m/min時,銑削力變化圖59
圖4.34 Φ12槽銑切速為188.5m/min時,銑削力變化圖59
圖4.35 Φ12槽銑切速為226.2m/min時,銑削力變化圖59
圖4.36 Φ6槽銑切速為405.3m/min時,銑削力變化圖60
圖4.37 轉速21502rpm時工件之表面品質比較(a)乾切削(b)11cc/hour(Í50)61
圖4.38 乾切削刀具磨耗、燒灼圖(a)(b)61
表目錄
表2.1 切削劑的效果及替代技術10
表3.1 覆層碳化鎢刀具型錄粗加工切削條件建議表.23
表3.2 覆層碳化鎢刀具型錄精加工切削條件建議表23
表3.3 覆層碳化鎢刀具(Φ20)之四因子三水準樣本25
表3.4 覆層碳化鎢刀具(Φ12)之四因子三水準樣本25
表3.5 覆層碳化鎢刀具(Φ6)之四因子三水準樣本25
表3.6 實驗因子配置及實驗數之標準直交表配置26
表3.7 Φ20端銑刀之實驗配置表26
表3.8 Φ12端銑刀之實驗配置表26
表3.9 Φ6端銑刀之實驗配置表27
表3.10 Φ20端銑刀於切削深度1.2mm及1.0mm之切削速度設定28
表3.11 Φ20端銑刀於固定轉速時之每刃進給設定28
表3.12 Φ12端銑刀於切削深度0.25mm及0.20mm之切削速度設定29
表3.13 Φ12端銑刀於固定轉速時之每刃進給設定29
表3.14 Φ6端銑刀於切削深度0.12mm及0.10mm之切削速度設定29
表3.15 Φ6端銑刀於固定轉速時之每刃進給設定29
表3.16 實驗用之切削加工機規格30
表3.17實驗用之油氣供應潤滑系統規格31
表3.18 KISTLER 9257BA銑削動力計規格31
表3.19 Kosaka SE-3500K三次元表面粗糙度測定儀規格32
表3.20 Φ20端銑刀刀把及使用刀片之規格34
表3.21 Φ12及Φ6端銑刀刀把及使用刀片之規格34
表3.22 Kosaka SE-3500K三次元表面粗糙度測定儀規格35
表4.1 粗度儀量測設定36
表4.2 加工方法與表面粗糙度的關係36
表4.3 前導實驗配置編號6-5三軸切削力及表面粗度比較表38
表4.4 前導實驗配置編號12-1三軸切削力及表面粗度比較表38
表4.5 前導實驗配置編號20-3三軸切削力及表面粗度比較表38
表4.6 Φ20表面粗糙度量測數據(Ra)及S/N值39
表4.7 Φ20之表面粗糙度(Ra)S/N回應表39
表4.8 Φ20之表面粗糙度(Ra)ANOVA分析表40
表4.9 Φ20之 Fav量測數據及S/N值40
表4.10 Φ20之Fav S/N回應表41
表4.11 Φ20之Fav ANOVA分析表41
表4.12 Φ20之切削力及粗糙度最適參數42
表4.13 Φ20之Ra預估值與驗證實驗值比較表42
表4.14 Φ20之Fav預估值與驗證實驗值比較表43
表4.15 Φ12表面粗糙度量測數據(Ra)及S/N值43
表4.16 Φ1 2之表面粗糙度(Ra)S/N回應表43
表4.17 Φ12之表面粗糙度(Ra)ANOVA分析表44
表4.18 Φ12之Fav量測數據及S/N值45
表4.19 Φ12之Fav S/N回應表45
表4.20 Φ12之Fav ANOVA分析表46
表4.21 Φ12之切削力及粗糙度最適參數46
表4.22 Φ12之Ra預估值與驗證實驗值比較表46
表4.23 Φ12之Fav預估值與驗證實驗值比較表47
表4.24 Φ6表面粗糙度量測數據(Ra)及S/N值47
表4.25 Φ6之表面粗糙度(Ra)S/N回應表47
表4.26 Φ6之表面粗糙度(Ra)ANOVA分析表48
表4.27 Φ6之Fav量測數據及S/N值49
表4.28 Φ6之Fav S/N回應表49
表4.29 Φ6之Fav ANOVA分析表50
表4.30 Φ6之切削力及粗糙度最適參數50
表4.31 Φ6之Ra預估值與驗證實驗值比較表50
表4.32 Φ6之Fav預估值與驗證實驗值比較表51
表5.1 銑削NAK80之切削參數建議值63
參考文獻
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