簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 吳育儒
Wu, Yu-Ru
論文名稱： 含硼聚晶鑽石輪刀開發與繞射階梯光柵模仁製作研究
Development of a BD-PCD wheel-tool and research of diffractive echelle grating mould machining
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： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 109
中文關鍵詞： 繞射階梯光柵 、放電加工 、傾斜式高速快淺研削 、含硼聚晶鑽石刀具
英文關鍵詞： Diffractive echelle grating, Electrical discharge machining, Inclined high-speed & fast shallow grinding, boron-doped polycrystalline composite diamond
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：216  下載：54 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 本研究旨在開發一傾斜式高速快淺研削技術(High speed & fast shallow grinding)，並應用於繞射階梯光柵(Diffractive echelle grating)模仁的製作。主要目的是為提高繞射階梯光柵製作技術之加工效率與降低其製作成本。研究之初，設計並開發含硼聚晶鑽石(Boron doped polycrystalline composite diamond, BD-PCD)圓盤刀具，透過錐度彈簧套筒設計，使含硼聚晶鑽石刀片與刀軸同時獲致自動對心與鎖固功能。為減少圓盤刀具於放電加工修整時，切刃邊緣因尖端放電而發生的角隅磨耗，本研究提出一種「犧牲電極(Sacrificial electrode)」的策略，使放電電場均勻化，抑制尖端放電現象，以提高刀具角隅精度。此外，為使鑽石輪刀依光柵閃耀角傾斜一角度，以進行傾斜式高速快淺研削加工，本研究開發一加工軸傾角研削模組，並提出對光柵閃耀角的共向研削法，可有效抑制研削延性材料(Ni-P合金)的毛邊生成。而透由優化後的加工參數，亦可於碳化鎢材料上，成功創成光柵常數2.75 μm至8 μm的繞射階梯光柵微結構，且具優異之分光效果。

    The main purpose of the thesis is to develop a technique of inclined high-speed & fast shallow grinding and use in generation of diffractive echelle grating mold to enhance the processing efficiency and decrease the cost for grating mold production. First, a wheel-tool made of boron-doped polycrystalline composite diamond with a sharp corner is schemed and machined. A spring collet which possesses a taper of 1:4 is designed to provide for assembly auto-center between the tool and shank. To avoid the corner wear of wheel-tool during forming, a strategy of sacrificial electrode employed is proposed. This is helpful in making a uniform electric field and suppressing localization at tool-end region to obtain more accurate machining. In addition, a set of inclined clamping mechanism which can stably locate a high-speed spindle to guide the wheel-tool to grind along the blaze angle of grating is developed. A co-direction grinding, in which grinding is carried out along long side of grating and normal direction of blaze plane is proposed to restrain burrs from occurrence. Experimental results demonstrate that the inclined high-speed & fast shallow grinding with co-direction grinding can generate micro grating array with grating constants of 2.75, 4.0 and 8.0 µm, respectively. These machined diffractive echelle grating array can really achieve the separation of light for different wavelengths.

    摘要 iii Abstract iv 致謝 v 目錄 vi 表目錄 x 圖目錄 xi 符號說明 xv 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 4 1.5.1 階梯光柵文獻回顧 4 1.5.2 階梯光柵製作技術文獻回顧 6 1.5.3 聚晶鑽石應用文獻回顧 12 第二章 階梯光柵製作技術之相關原理 15 2.1 階梯光柵繞射原理 15 2.2 無電鍍(Ni-P)原理 17 2.2.1 無電鍍鎳氧化還原反應過程 17 2.2.2 無電鍍鎳磷之特性 18 2.3 精微放電加工原理 18 2.4 研削原理 20 2.4.1 研削基本原理 20 2.4.2 研削之延性材料移除機制 22 2.4.3 研削之脆性材料移除機制 23 2.4.4 高速快淺研削原理 25 第三章 實驗所需設備 27 3.1 精微加工機 27 3.2 高速主軸 29 3.3 CNC立式銑床 30 3.4 放電鑽孔機 30 3.5 CNC線切割放電加工機 31 3.6 實驗所須之量測儀器設備 32 3.6.1 工具顯微鏡 32 3.6.2 掃描式電子顯微鏡 32 3.6.3 雷射掃描式共軛焦顯微鏡 33 3.6.4 分散式拉曼光譜儀 33 3.7 實驗所用材料 34 3.7.1 含硼聚晶鑽石素材 34 3.7.2 銅線電極 38 3.7.3 碳化鎢電極 38 3.7.4 無電鍍鎳磷合金 39 第四章 實驗方法 40 4.1 階梯光柵精微加工機設計開發 40 4.1.1 加工軸傾角研削模組設計與結構分析 40 4.1.2 階梯光柵精微加工機之自然頻率分析 44 4.1.3 階梯光柵加工模組裝與系統精度校正 48 4.2 含硼聚晶鑽石輪刀設計開發 56 4.2.1 鑽石輪刀之精密刀軸設計 56 4.2.2 鑽石輪刀之精密錐度彈簧套筒設計與製作 57 4.2.3 鑽石輪刀之精密錐孔放電成形 59 第五章 含硼聚晶鑽石輪刀之研削刃成形 60 5.1 w-EDM放電修整成形 60 5.1.1 漸進式多次放電修整 61 5.1.2 改善尖端放電造成角隅磨耗之策略 62 5.2 精微放電修整成形 64 第六章 階梯光柵模具之研削創成 65 6.1 階梯光柵微結構之高速快淺研削實驗 66 6.1.1 主軸轉數對機台振動的影響 68 6.1.2 研削方向對階梯光柵結構的影響 70 6.1.3 研削進深方向對階梯光柵結構的影響 72 6.1.4 各階梯研削方向對階梯光柵結構的影響 73 6.1.5 特徵完成順序對階梯光柵結構的影響 75 6.1.6 含硼聚晶鑽石輪刀研削磨石墨化分析 77 6.2 階梯光柵模仁之製作驗證 78 第七章 結論 84 7.1 結果 84 7.1.1 繞射階梯光柵加工軸傾角研削模組無段傾角設計 84 7.1.2 含硼聚晶鑽石圓盤刀具設計之貢獻 84 7.1.3 提出以犧牲電極修整刀具減少放電角隅磨耗之策略 85 7.1.4 低成本的階梯光柵模仁製作 85 7.1.5 提出以共向研削加工法加工階梯光柵 85 7.2 未來展望 86 參考文獻 87 個人簡歷 94 附錄 95 附錄A 高速主軸各轉數對於各軸位置誤差之影響 95

    1. PIDA,全球光電市場歷年趨勢, http:// www.optochina.net/html/zx/scfx/ 37130.html, 2012
    2. 邱冠智，光柵耦合器製造技術與射出成型之研究與應用，國立中正大學，機械工程研究所，碩士論文，2006
    3. 楊育勝，週期與閃耀角可調變光柵元件之設計研發，國立清華大學，動力機械工程學系，博士論文，2009
    4. 余能枋，矽基閃耀式光柵於Grismlens複合式分波多工器之研究，國立中央大學光電科學研究所，碩士論文，2004
    5. M. Iwai, S. Sano, W. Pan, K. Itagaki, Y. Murakami, M. Wang, T. Uematsu, K. Suzuki, Manufacturing of micro v-groove with an electrically conductive diamond electrode in EDM, ASPE, 2006
    6. T.W. Hwang, S. Malkin, Upper bound analysis for specific energy in grinding of ceramics, Wear, Vol231, pp 161–171, 1999
    7. Y.L Wu,W.Q Peng, Y. Liu, A novel fabrication method for micro optical waveguide mold based on fly-cutting technology, Optik, 2012
    8. M.A. Davies, B.S. Dutterer, Thomas J. Suleski, J.F. Silny, E.D. Kim, Diamond Machining of Diffraction Gratings for Imaging Spectrometers, Precision Engineering, Vol. 36, pp. 334–338, 2012
    9. 張智賢，桌上型雙主軸超精微CNC工具機開發與細胞鏡檢模仁製作研究，國立臺灣師範大學, 機電科技學系 碩士論文, 2011
    10. 羅德亨，微光學元件之製作與量測，國立中央大學光電科學研究所，碩士論文，2000
    11. 祝绍箕，全息光栅的制造技术及其改进，高速摄影与光子学，Vol.19，pp.79-86，1990
    12. 巴音贺希格，朱洪春，基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法，Vol.56，pp.3893-3899，2007
    13. F.Q XU, L Jin, W.H. Li, S. Pei, Bayanheshig, X.D. Qi, Influence of defocus of exposure system on diffraction wave front of plane holographic grating, Chinese journal of optics and applied optics, Vol.1, pp.57-61, 2008
    14. X. Tan, W.H. Li, Bayanheshig, X.D. Qi, Fabrication of ultraviolet holographic blazed grating, Optics and precision engineering, Vol.18, pp.1536-1542, 2010
    15. A. Wirgin, R. Deleuil, Theoretical and experimental investigation of a new type of blazed grating, Journal of the optical society of america, Vol.59, pp.1348-1357, 1969
    16. Bayanheshig, J.X. Gao, X.D. Qi, C.Q. Li, Manufacture for high diffraction efficiency grating in the first-order output of 10.6 μm laser, Journal of optoelectronics‧Laser, Vol 15, pp.1137-1140, 2004
    17. X.H. Wu, Y.T. Zhu, L. Wang, Optical design of high resolution echelle spectrograph, Optics and Precision Engineering, Vol.11, pp.442-447, 2003
    18. Y.G. Tang, N. Song, Bayanheshig, J. C. Cui, J.Y. Chen, Optical design of cross-dispersed echelle spectrograph, Optics and Precision Engineering, Vol.18, pp.1989-1995, 2010
    19. C.B. Lee, T. Kuriyagawa, D.K. Woo, S.K. Lee, Optimizing the fabrication process of a high-efficiency blazed grating through diamond scribing and molding, Journal of micromechanics and microengineering, Vol. 20, pp.55028-55035, 2010
    20. K. Ikeuchi, J. Yanagimoto, Valuation method for effects of hot stamping process parameters on product properties using hot forming simulator, Journal of Materials Processing Technology , Vol.211, pp.1441-1447, 2011
    21. 龔立偉，自由空間波長多工器之設計與製作，國立中央大學光電研究所，碩士論文，2003。
    22. C.C. Chen, M.H. Li, C.Y. Chang, J.K. Sheu, G.C Chi, W.T. Cheng, J.Y. Chang, T. Ito, J.H. Yeh, GaN diffractive microlenses fabricated with gray-level mask, Optics Communications, vol.215, pp.75-78, 2003
    23. D. Resnik, D. Vrtacnik, U. Aljancic, S. Amon, Wet etching of silicon structures bounded by (311) sidewalls, Microelectronic engineering, vol.51, pp.555-566, 2000
    24. I. Zubel, M. Kramkowska, K. Rola, Silicon anisotropic etching in TMAH solutions containing alcohol and surfactant additives, Sensors and Actuators, Vol.178, pp.126-135, 2012
    25. M. Guilmain, A. Jaouad, S. Ecoffey, D. Drouin, SiO2 shallow nanostructures ICP etching using ZEP electroresist, Microelectronic Engineering , vol.88 , 2505–2508, 2011
    26. 田浩廷，方解石極性選擇繞射式光學元件設計與製作，國立中央大學，光電科學研究所，碩士論文，2003
    27. 張育淇，極化繞射光學元件製作與檢測，國立中央大學，光電科學研究所，碩士論文，2002
    28. 黃明宏，聚二甲基矽氧烷應用於可饒液晶顯示器的研究，國立中山大學，光電工程學系，碩士論文，2009
    29. X.D. Sun, D.F. Kuang, G.G. Mu, Etching blazed grating into quartz substrate with selectivity 1:1 against photoresist by inductively coupled plasma technology, Optik, Vol.122, pp.402-405, 2011
    30. D.T. Tran, C. Fansler, T.A. Grotjohn, D.K. Reinhard, J. Asmussen, Investigation of mask selectivities and diamond etching using microwave plasma-assisted etching, Diamond & Related Materials, Vol.19, pp.778–782, 2010
    31. K. Suzuki, Y. Shiraishi, N. Nakajima, M. Iwai, S. Ninomiya, Y. Tanaka, T. Uematsu, "Development of New PCD Made Up of Boron Doped Diamond Particles and its Machinability by EDM", Advanced Materials Research, Vol. 76-78, pp. 684-689, 2009
    32. C. J. Morgan, R. R. Vallance, E. R. Marsh, Micro machining glass with polycrystalline diamond tools shaped by micro electro discharge machining, Journal of micromechanics and microengineering, Vol.14, pp1687-1692, 2004
    33. 張勝祥，利用微細放電法加工絕緣陶瓷之研究，國立雲林科技大學，機械工程系，碩士論文，2008
    34. D.Y. Sheu, Multi-spherical probe machining by EDM Combining WEDG technology with one-pulse electro-discharge, Journal of materials processing technology, Vol.149, pp.597-603, 2004
    35. C. J. Morgan, R. R. Vallance, E. R. Marsh, Micro-machining and micro-grinding with tools fabricated by micro electro-discharge machining, International journal of nanomanufacturing, Vol.1, pp.242-258, 2006
    36. 吳漢強，立體顯示用之繞射光學元件設計，國立雲林科技大學，光電工程研究所，碩士論文，2008
    37. 蔡振宏，雙光柵光調制器之設計研究，國立中央大學，光電科學研究所，碩士論文，2006
    38. C Palmer, Diffraction grating handbook, New York 14605 USA, 2005
    39. Z.H. Li, Z.Y. Chen, S.S. Liu, F. Zheng, A.G. Dai, Corrosion and wear properties of electroless Ni-P plating layer on AZ91D magnesium alloy, Transactions of nonferrous metals society of china, Vol.18, pp.819-824, 2008.
    40. G. Stremsdoerfer, H. Omidvar, P. Roux, Y. Meas, R. Ortega-Borges, Deposition of thin films of Ni–P and Ni–B–P by dynamic chemical plating, Journal of Alloys and Compounds, Vol.466, pp. 391–397, 2008
    41. 許仁哲，內應力對無電鍍鎳銅磷析鍍於鋁基材上影響之研究，國立成功大學，材料科學及工程學系，博士論文，2004
    42. U.J. Huang, H.B. Lee, C.Y. Lee, Study on the electrodeposition process and mechanical properties of bi-layered Ni/Ni-P composite coating, Journal of science and engineering technology, Vol. 8, No. 1, pp. 45-50, 2012
    43. 廖運炫，放電加工之發展趨勢與研究現況，機械月刊，Vol.301， pp.374-387，2009
    44. 陳姿伶，多晶鑽石支線切割放電加工特性研究，國立臺灣師範大學，機械工程學系，碩士論文，2008
    45. 庄司克雄，“超精密加工と非球面加工”，NTS，ISBN4-8043-059-X C3050，2004
    46. 賴運正，“精微超硬研削工具線上開發與應用”，國立臺灣師範大學，機電科技學系，碩士論文，2010
    47. M. Miyashita, Ist Annual Precision Engineering Conference, North Carolina State University, Raleigh, NC, 1985
    48. S. Blackeley, R. O. Scattergood, "Mechanics of material removal in diamond turning", Proceedings of ASPE Annual Meeting, Rochester NY, USA, pp. 68-71, 1990
    49. V. C. Venkatesh, I. Inasaki, H. K. Toenshoff, T. Nakagawa, I. D. Marinescu, "Observations on polishing and ultra-precision machining of semiconductor substrate materials", Annals CIRP, Vol. 44, pp. 611-618, 1995
    50. T. Nakasuji, S. Kodera, S. Hara, H. Matsunaga, N. Ikawa, S. Shimada, "Diamond turning of brittle materials for optical components", Annals CIRP, Vol. 39, pp. 89-92, 1990
    51. B. K. A. Ngoi, P. S. Sreejith, "Ductile Regime Finish Machining-A Review", Int J Adv Manuf Technol, Vol. 16, pp. 547-550, 2000
    52. K. Ramesh, H. Huang, L. Yin, J. Zhao, "Microgrinding of deep micro grooves with high table reversal speed", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 44, pp. 39-49, 2004
    53. Aerotech，http://www.aerotech.com
    54. NSK：http://www.nsk-nakanishi.co.jp
    55. 台中精機：http://www.or.com.tw
    56. 嘉昇電機：http://zhcswj.cn.baimao.com/supply/4111475.htm
    57. 慶鴻：http://chmer.com
    58. AIXON漢磊精密科技有限公司：http://www.aixon.com.tw
    59. JEOL USA Inc. ：http://www.jeolusa.com
    60. KEYENCE Corporation：http://www.digitalmicroscope.com
    61. HORIBA Scientific：http://www.horiba.com
    62. 宋健民，“鑽石合成”，台北市：全華科技圖書股份有限公司，2000
    63. 陳偉恩，含硼聚晶鑽石材料最新研究之探討，華梵大學，碩士論文，2010
    64. 元祥金屬工業股份有限公司：http://www.yhm.com.tw
    65. 鄭元傑，碳化鎢件極微放電加工特性之研究，國立高雄應用科技大學，模具工程系，碩士論文，2008
    66. K. Zhang, D. Liu, Microstructure and properties of Ni-P coating by electroless plating, Corrosion science and protection technology, Vol.14, pp.346-358, 2002
    67. J.R. Banerjee, Free vibration of beams carrying spring-mass systems - A dynamic stiffness approach, Computers and Structures, Vol.104, pp.21–26, 2012
    68. M.T. Yan, T. J. Chuang, A Study of Path Compensation Strategy for the Rough Corner Cutting of Wire-EDM, Bulletin of the College of Engineering, N.T.U., Vol. 87, pp.109-117, 2003
    69. V. P. Astakhov and J. P. Davim, Tools (geometry and material) and tool wear, Chapter 2, Machining: Fundamentals and Recent Advances, Springer, London, ISBN: 978-1-84800-212-8, pp.37-38, 2008
    70. X.P. Xu, Y.Q. Yu, H.J. Xu, Effect of grinding temperatures on the surface integrity of a nickel- based superalloy, Journal of materials processing technology, Vol.129, pp.359-363, 2002
    71. 彭馨寬, 不同加工條件下劃切現象之分析, 國立成功大學, 機械工程學系 碩士論文, 2006

    下載圖示
    QR CODE