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研究生： 陳元裕
Chen, Yuan-Yu
論文名稱： 中頻振動輔助研磨機開發與單晶鑽石陣列微溝磨削研究
Development of medium-frequency vibration assisted grinding machine and research of grinding micro-groove array on a monocrystalline diamond
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： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 154
中文關鍵詞： 單晶鑽石 、微溝槽陣列 、智能化磨削力回饋 、中頻振動輔助磨削
英文關鍵詞： Monocrystalline diamond, Microgroove array, Intellectualized grinding-force feedback, Medium-frequency vibration-assisted grinding
DOI URL： http://doi.org/10.6345/THE.NTNU.DME.007.2018.E08
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：93  下載：2 
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    • 本研究旨在對單晶鑽石材料，開發一種「中頻振動輔助磨削」的加工技術，目的在單晶鑽石材料上進行陣列微溝槽的磨削研究。實驗之初，先行開發低重心且左右對稱的高速研磨機雛型系統，並於此系統上建立「振動輔助磨削」、「高速快淺磨削」及「智能化磨削力回饋」等技術，使單晶鑽石能在數百nm深度下被磨削加工。「中頻振動」係利用壓電平台產生頻率500 Hz，振幅10 nm的往復式振動，用以推動單晶鑽石撞擊高速旋轉中的含硼聚晶鑽石磨輪，使單晶鑽石表面產生奈米級的微裂紋，以便磨輪能輕易將表面破碎層磨除，並降低磨削阻抗。實驗證實，在中頻振動輔助下，每道磨削深度0.3 μm時，可獲得Ra 0.03 µm的表面粗糙度，微溝槽能在高速快淺磨削機制下成形；為獲得更高的微溝表面品質，本研究於研磨機雛型系統上，建構智能化磨削技術，透由偵測壓電平台的即時回饋電流，感測磨削力，進行磨削進給速度之調變。由實驗證明，表面粗糙度從Ra 0.03 µm改善至Ra 0.01 µm，並能降低微溝表面的微細裂痕與顫振紋路發生。實驗證實，本研究成功磨削出3×3陣列，彼此間距80 μm的微細溝槽，且溝槽表面性狀具高一致性，證實本研究所開發之製程技術，能於單晶鑽石材料上，能進行微細溝槽之加工，其製程所需成本低，且容易控制，深具商業化價值。

    This study presents the development of a medium-frequency vibration-assisted grinding technique for grinding microgroove array on monocrystalline diamond (MCD). First of all, a high-speed grinding machine prototype with low-profile and bilateral symmetry design is developed in this study. A vibration-assisted technique, a high-speed & fast-shallow grinding, and an intellectualized grinding-force feedback are constructed on the prototype for grinding microgroove within a few hundred micrometres in depth for each stroke. The technique of ‘medium-frequency vibration’, by which a reciprocating vibration with the frequencies of 500 Hz and 10 nm in amplitudes is generated by the piezoelectric actuator, is operated to push the workpiece (i.e. MCD) for precisely crushing the high-speed rotation polycrystalline diamond (PCD) grinding wheel. Numerous nano-scale microcracks are thus created on the surface of the workpiece so that these microcracks facilitate material removal by the PCD wheel tool, and also helped lengthen tool life. Experimental results show that the microgrooves with a surface roughness of Ra0.03 µm can be achieved when medium-frequency vibration assistance and the 0.3 μm/stroke grinding depth are employed. Combining the designed intellectualized grinding-force feedback with regulating the real-time current of grinding, the surface finish of microgroove is improved from Ra0.03 µm drop to Ra0.01 µm, which minimizes microcracks and chatter marks. A consistent microgroove array of 3×3 with 80 μm in interval is verified successfully demonstrated that the proposed medium-frequency vibration-assisted grinding technique and the intellectualized grinding-force feedback should be useful for machining the microgrooves on monocrystalline diamond. It is expected that the developed hybrid techniques of this study will be contribute to the field of biomedical engineering industries.

    摘要 i Abstract ii 致謝 iii 目錄 iv 表目錄 viii 圖目錄 x 符號說明 xvi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的 2 1.4 研究方法 3 1.5 文獻回顧 5 1.5.1 精微鑽石工具機發展 5 1.5.2 微溝槽成形應用 6 1.5.3 含硼聚晶鑽石成形與應用 9 1.5.4 振動輔助技術應用 11 第二章 實驗原理 15 2.1 鑽石與石墨材料特性 15 2.1.1 單晶鑽石合成原理 17 2.1.2 磨削加工效果與單晶鑽石晶格方向討論 18 2.2 磨削原理與應用 21 2.2.1 磨削原理 21 2.2.2 硬脆材料移除機制 25 2.3 壓電效應與控制 26 2.3.1 壓電效應的位移性能 27 2.3.2 振動磨削原理與特徵 28 2.4 研磨機伺服系統控制與訊號回饋 30 2.5 智能化線上磨削力感測與回饋控制 31 第三章 實驗所需設備 33 3.1 CNC立式綜合加工機 33 3.2 CNC線切割放電機 33 3.3 放電鑽孔機 34 3.4 高速主軸與驅動控制器 35 3.5 量測儀器 36 3.5.1 光學工具顯微鏡 36 3.5.2 掃描式電子顯微鏡 36 3.5.3 雷射共軛焦顯微鏡 37 3.5.4 共焦拉曼光譜量測設備 38 3.6 實驗所用材料 39 3.6.1 含硼聚晶鑽石磨輪基材 39 3.6.2 銅線電極 40 3.6.3 人造單晶鑽石 41 3.6.4 球墨鑄鐵(Ductile iron) 41 3.6.5 鋁合金(Al 6061) 42 第四章 實驗方法 43 4.1 振動輔助研磨機設計與開發 44 4.1.1 振動輔助研磨機設計 44 4.1.2 振動輔助研磨機分析 48 4.1.3 結構鑄造、製作與組裝 54 4.2 含硼聚晶鑽石輪刀設計開發 56 4.2.1 含硼聚晶鑽石輪刀設計 56 4.2.2 錐度彈簧套筒設計與成形 56 4.2.3 含硼聚晶鑽石輪刀之錐孔放電成形 58 4.3 含硼聚晶鑽石輪刀修整實驗 61 4.3.1 w-EDM輪刀磨刃放電修整成形 61 4.3.2 放電之隅角磨耗與磨刃輪廓修整 64 4.3.3 含硼聚晶鑽石磨輪輪刀拉曼分析 65 第五章 單晶鑽石微溝槽磨削成形實驗 67 5.1 微溝槽磨削加工實驗 67 5.1.1 磨削速度影響 68 5.1.2 磨削進給率影響 75 5.1.3 磨削深度影響 79 5.1.4 磨削誤差影響實驗 82 5.2 中頻振動輔助磨削加工實驗 84 5.2.1 磨削振動輔助PZT平台振幅影響 89 5.2.2 磨削振動輔助PZT平台頻率影響 93 5.3 磨削電流偵測與平台位置誤差訊號之回饋 97 5.3.1 輪刀磨削速度與平台電流回饋與位置誤差之影響 99 5.3.2 輪刀磨削進給速度與平台電流回饋與位置誤差之影響 100 5.3.3 輪刀磨削進給深度與平台電流回饋與位置誤差之影響 101 5.3.4 振動輔助磨削之平台電流回饋與位置誤差之振幅影響 102 5.3.5 振動輔助磨削之平台電流回饋與位置誤差之頻率影響 104 5.4 含硼聚晶鑽石磨輪磨耗探討 107 5.5 含硼聚晶鑽石刀具與單晶鑽石表面石墨化層探討 112 5.6 單晶鑽石陣列微溝磨削驗證 114 5.7 智能化微溝磨削實驗 118 第六章 結論與未來展望 127 6.1 結論 127 6.2 研究成果 128 6.3 研究貢獻 129 6.4 未來展望 130 參考文獻 131 附錄A 支撐座鑄件之退火過程 137 附錄B 各軸於1秒內不同轉數下平台位置之回饋誤差 138 附錄C 微溝槽之表面粗糙度量測(微溝輪廓皆以非等比例繪製) 145 附錄D 壓電平台之頻率與振幅訊號回饋 152 附錄E 最佳化支撐座結構設計 154

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