臺灣博碩士論文加值系統

本文主要以建立微鑽針之鑽削力學模型並將其驗證為主題，在過去建立鑽削力學模型時，其中剪切流變應力以往都是利用文獻中之數值得知，在剪切角的部分則是利用文獻中之經驗公式代入得知，則本文是使用不同材質之試片，利用鑽削力學模型求出剪切流變應力以及剪切角並驗證之。
在摩擦角實驗中，主要測試材料之摩擦係數，本文主要測試三種試片分別為S1000、E705G以及NP175F，並在機台5牛頓的作用力下，可以得知S1000摩擦係數為1.2、E705G摩擦係數為2.75、NP175F摩擦係數為1.275。
在鑽削實驗中，本文採用板材為E705G。首先，鑽削實驗規劃為兩種分別為改變微鑽針幾何參數以及改變切削參數，改變微鑽針之參數有：芯厚、螺旋角以及鑽尖角；改變之切削參數有：主軸轉速以及進給速度。接著，依照上述實驗規劃並利用自行開發之量測系統進行量測。當芯厚為0.097mm時，剪切流變應力與剪切角為最小；當螺旋角為45˚時，剪切流變應力與剪切角為最小；鑽尖角為140˚時，剪切流變應力為最小，但鑽尖角為為120˚時，剪切角為最小。
在得知剪切流變應力以及剪切角後，將改變切削參數代入鑽削力學模型中，即可得知鑽削時之理論推力及扭矩，運算後其趨勢與實驗值相同，但因為在實驗過程中以及理論推導過程中，存在著許多不確定因子，故本研究將理論值綴合實驗值，來增加此研究之可信度。

The main topic of this paper is to establish and verify mechanical model of the micro-drill. In the past, when the drilling mechanical model was established, the shear flow stress was known from the numerical values in the references. Most of the shear angle is obtained by substituting the empirical formula in the references. In this paper is a test specimen using different materials, and the shear flow stress and shear angle are obtained and verified by the drilling mechanical model.
In the friction angle experiment, the friction coefficient of the main test material, this paper mainly tests three kinds of test specimen are S1000, E705G and NP175F, and under the force of 5 Newton, it can be known that the friction coefficient of S1000 is 1.2, and the friction coefficient of E705G is 2.75 , NP175F friction coefficient is 1.275.
In the drilling experiment, Test specimen used in this paper is E705G. First of all, the drilling experiment plan is divided into two types: changing the geometric parameters of the micro-drill and changing the cutting parameters. The parameters for changing the micro-drill are: Web thickness, helix angle and point angle; the changing cutting parameters are: spindle speed and feed rate. Then, according to the above experimental plan and using the self-developed measurement system for measurement. When the Web thickness is 0.097mm, the shear flow stress and shear angle are the smallest; when the helix angle is 45°, the shear flow stress and shear angle are the smallest; when the point angle is 140°, the shear The flow stress is the smallest; when the point angle is 120°,the shear angle is the smallest.
The shear flow stress and shear angle are known, the changing cutting parameters are substituted into the drilling mechanical model, and the theoretical thrust and theoretical torque during drilling can be known. After calculation, the trend is the same as the experimental value, but because in In the process of experiment and theoretical derivation, there are many variable factors, so this study combines the theoretical value with the experimental value to increase the credibility of this research.

指導教授推薦書 i
口試委員審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vii
圖目錄 ix
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 3
1.4 文獻探討 4
1.4.1 高速鑽孔機建模來預測鑽削推力及扭矩 4
1.4.2 高速鑽孔之力學模型建構—實驗結果與驗證 7
1.4.3 優化金屬切削機台為目標對加工過程進行建模 11
1.4.4 製造技術—金屬切削和工具機 16
1.4.5 以斜交模式推導微孔鑽削力與實驗驗證 22
1.4.6 極壓添加劑於不同基礎油中之磨潤行為 27
第二章 微鑽針與力學模型建立 29
2.1 微型鑽針 29
2.2 微鑽針製程 31
2.3 微鑽針幾何特徵介紹與特性 34
2.4 切削理論概述與鑽削模型建立 37
2.4.1 切削原理概述 37
2.4.2 正交切削與斜交切削概述 40
2.4.3 鑽削力學模型符號表 42
2.4.4 鑽削力學模型建立 44
第三章 實驗方法與步驟 52
3.1 摩擦角實驗 53
3.1.1 摩擦角實驗設備 53
3.1.2 摩擦角實驗架構 55
3.1.3 實驗試片介紹 58
3.1.4 實驗參數規劃及步驟 59
3.1.5 實驗流程介紹 61
3.2 PCB鑽削實驗 63
3.2.1 PCB鑽削實驗設備 63
3.2.2 動力計介紹 66
3.2.3 電荷放大器測試 71
3.2.4 動力計預壓、校正與量測流程 72
3.2.5 PCB板鑽削實驗架構與參數設定 73
3.2.6 實驗參數規劃 75
第四章 結果與討論 77
4.1 摩擦角實驗結果 77
4.2 鑽削實驗結果與Matlab求解切削模型 82
4.3 利用鑽削參數驗證切削模型 88
第五章 結論 93
參考文獻 94


圖目錄
圖 1.1預估各產業對於PCB的需求(2015-2025) [1] 1
圖 1.2 HITACH鑽孔機 3
圖 1.3微鑽針 3
圖 1.4論文架構 3
圖 1.5 麻花鑽幾何參數之代號 [2] 5
圖 1.6 鑽針幾何參數示意圖[2] 6
圖 1.7 KISTLER 9063 [9] 7
圖 1.8 KISTLER 5011 [10] 7
圖 1.9 HP 7090量測繪圖儀 8
圖 1.10 IEEE 488[11] 8
圖 1.11實驗量測系統架設 [7] 8
圖 1.12 (f =0.24 mm/rev)推力及扭矩 [7] 9
圖 1.13 (N=13000 rev/min)推力及扭矩 [7] 10
圖 1.14切屑厚度之幾何模型 [8] 12
圖 1.15 切屑厚度(A、B) [8] 14
圖 1.16切屑厚度(C、D) [8] 14
圖 1.17 實驗參數A [8] 14
圖 1.18 實驗參數B [8] 14
圖 1.19 實驗參數C [8] 15
圖 1.20 實驗參數D [8] 15
圖 1.21 薄的剪切區模型 [12] 16
圖 1.22 厚扇形剪切區模型 [12] 16
圖 1.23 正交切削 [8] 17
圖 1.24 斜交切削 [8] 17
圖 1.25 實驗結果與剪切角關係的比較 [12] 19
圖 1.26 Lee和Shaffer的剪切面模型 [12] 20
圖 1.27 實驗架設 [13] 23
圖 1.28 轉速固定(推力值) [13] 25
圖 1.29 轉速固定(扭矩值) [13] 25
圖 1.30 進給速度固定(推力值) [13] 26
圖 1.31 進給速度固定(扭矩值) [13] 26
圖 1.32 推力誤差 [13] 26
圖 1.33 扭矩誤差 [13] 26
圖 1.34 黏著磨耗 [14] 27
圖 1.35 刮磨磨耗 [14] 27
圖 1.36 磨潤化學磨耗 [14] 28
圖 1.37 表面疲勞磨耗 [14] 28
圖 2.1 微型鑽針示意圖 [15] 29
圖 2.2 微型鑽針之型式 30
圖 2.3未研磨微鑽針之示意圖 32
圖 2.4微鑽針製程流程圖 34
圖 2.5微型鑽針結構圖 34
圖 2.6鑽部主要結構 [17] 36
圖 2.7車削 [18] 37
圖 2.8平刨 [18] 37
圖 2.9鑽切 [18] 38
圖 2.10銑切 [18] 38
圖 2.11輪磨 [18] 38
圖 2.12切削示意圖 [18] 39
圖 2.13單鋒刀具 39
圖 2.14多鋒刀具 39
圖 2.15正交切削 [17] 40
圖 2.16斜交切削 [17] 41
圖 2.17微型鑽針尺寸圖 42
圖 2.18微型鑽針角度圖示 43
圖 2.19鑽針上視圖 46
圖 2.20上圖方框示意圖 47
圖 2.21鑽針側視圖 47
圖 2.22左圖方框放大圖 47
圖 2.23正交切削之各作用力 49
圖 2.24刀刃上力的分布 50
圖 3.1實驗架構 52
圖 3.2四分量動力計 [19] 53
圖 3.3電荷放大器 [20] 53
圖 3.4數據採集系統 [21] 53
圖 3.5熱顯像儀 [22] 53
圖 3.6實驗架設 56
圖 3.7刀把安裝磨盤(試片) 56
圖 3.8碳化鎢試棒 56
圖 3.9實驗架構 57
圖 3.10試片材料 58
圖 3.11固定試片 61
圖 3.12校正試片零點 62
圖 3.13圓銷定位 62
圖 3.14推力動力計 [26] 63
圖 3.15扭矩動力計 [27] 63
圖 3.16電荷放大器 [28] 63
圖 3.17控制盒 [28] 63
圖 3.18 NI資料擷取卡 64
圖 3.19鑽孔機 64
圖 3.20動力計結構 [29] 66
圖 3.21動力計安裝示意圖 [29] 67
圖3.22預壓範圍 [29] 68
圖3.23力與電荷輸出 [29] 68
圖 3.24彎矩圖 [29] 68
圖 3.25彎矩發生示意圖 [29] 69
圖 3.26力和彎矩負載圖 [29] 69
圖 3.27力與彎矩負載圖 [29] 70
圖 3.28電荷放大器測試架設 71
圖 3.29動力計端實驗架構圖 73
圖 3.30鑽孔機端實驗架構圖 74
圖 3.31治具工程圖 74
圖 3.32加工後治具 74
圖 4.1S1000實驗試片結果 77
圖 4.2 S1000摩擦係數變化圖 78
圖 4.3 S1000溫度變化圖 78
圖 4.4 E705G實驗試片結果 79
圖 4.5 E705G摩擦係數變化圖 79
圖 4.6 E705G溫度變化圖 80
圖 4.7 NP175F實驗試片結果 80
圖 4.8 NP175F摩擦角變化圖 81
圖 4.9 NP175F溫度變化圖 81
圖 4.10多項式擬合曲線圖(芯厚—剪切流變應力) 85
圖 4.11多項式擬合曲線圖(芯厚—剪切角) 86
圖 4.12多項式擬合曲線圖(螺旋角—剪切流變應力) 86
圖 4.13多項式擬合曲線圖(螺旋角—剪切角) 87
圖 4.14多項式擬合曲線圖(鑽頂角—剪切流變應力) 88
圖 4.15多項式擬合曲線圖(鑽頂角—剪切角) 88
圖 4.16理論值綴合實驗值(推力) 89
圖 4.17理論值綴合實驗值(扭矩) 90
圖 4.18理論值綴合實驗值(推力) 91
圖 4.19理論值綴合實驗值(扭矩) 92

 
表目錄
表 1 1 實驗參數一 [7] 9
表 1 2 實驗參數二 [7] 9
表 1 3 實驗參數設置 [8] 13
表 1 4 部分因子法(幾何參數實驗) [13] 23
表 1 5 部分因子法實驗結果(單位：推力N，扭矩N-mm) [13] 24
表 1 6 加工參數實驗(進給速度固定) [13] 25
表 1 7 加工參數實驗(主軸轉速固定) [13] 25
表 2 1微鑽針型式與特性 [16] 30
表 2 2微鑽針優缺點比較 [16] 31
表 2 3幾何尺寸代號 42
表 2 4微型鑽針角度代號 43
表 2 5其它鑽削力學模型所使用之參數 44
表 3 1四分量動力計規格介紹 [19] 54
表 3 2測力數據採集系統規格介紹 [21] 54
表 3 3熱顯像儀規格介紹 [22] 54
表 3 4電荷放大器規格介紹 [20] 55
表 3 5實驗板材厚度 59
表 3 6實驗參數 59
表 3 7實驗配置表 60
表 3 8動力計(Type 9102C) [26] 64
表 3 9動力計(Type 9039) [27] 64
表 3 10電荷放大器(Type 5073) [28] 65
表 3 11 NI USB-9162 [22] 65
表 3 12幾何參數規劃表 75
表 3 13固定進給並調變轉速，並且先鑽0.15mm的孔 76
表 3 14固定轉速並調變進給，並且先鑽0.15mm的孔 76
表 4 1改變芯厚―推力 82
表 4 2改變芯厚―扭矩 82
表 4 3改變螺旋角―推力 83
表 4 4改變螺旋角―扭矩 83
表 4 5改變鑽尖角―推力 83
表 4 6改變鑽尖角―扭矩 83
表 4 7 Matlab求解(芯厚) 84
表 4 8 Matlab求解(螺旋角) 84
表 4 9 Matlab求解(鑽頂角) 84
表 4 10固定轉速，改變進給(推力值) 89
表 4 11固定轉速，改變進給(扭矩值) 90
表 4 12固定進給，改變轉速(推力值) 91
表 4 13固定進給，改變轉速(扭矩值) 92

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