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研究生： 陳勇廷
Yong-Ting Chen
論文名稱： 先進鑽石樹脂線鋸鋸切特性與磨耗之研究
Study on the Sawing Characteristics and the Wear Behavior of Advanced Diamond Wire Saw
指導教授： 左培倫
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 99
中文關鍵詞： 延性磨削 、先進鑽石線鋸 、氧化鋁 、硬脆材料
外文關鍵詞： Ductile Regime Grinding, Advanced Diamond Wire Saw, Alumina, Bonding Strength
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    • 摘要

    近十幾年來，固定磨粒線鋸切割技術之發展相當迅速，固定磨粒線鋸依使用的鑽石附著方式的不同大致可分為三種線鋸：樹脂、電鍍及硬銲線鋸。其中電鍍及硬銲不易製作成細的線鋸，為了達到窄切縫與低製造成本，發展樹脂鑽石線鋸勢必為一個重要的研究方向。
    而樹脂鑽石線鋸的缺點在於鋸切加工時，鑽石磨粒較易脫落；原因在於樹脂難以將鑽石磨粒固定於線芯上。因此本研究嘗試使用先進鑽石磨粒ＡＢＣＤ（Active Braze Coating Diamond），其對樹脂結合劑有較佳的附著力，期望改善樹脂線鋸對鑽石磨粒的抓持力。鑽石在鋸切時其壽命會隨切速的增加而減低，但如果鑽石的破裂及脫落的比率可以降低，則工具的壽命或切速會相對提高。由於銅衣ＡＢＣＤ不會被撞脫落而且強度仍高，所以鋸片的壽命和切速都會同時提高。
    以觀察切屑及參數控制，使先進鑽石樹脂線鋸控制在延性模式內，了解先進鑽石線鋸鋸切硬脆材料(精密陶瓷氧化鋁)之鋸切特性，以得到良好的表面粗糙度及較佳的鋸切效率為研究的目標。

    Abstract

    In recent years,the development of the slicing technology with Fixed Diamond Wire Saw is very fast.In order to lower the manufacturing cost of wire saw and to close the kerf loss,it is very important to develpoe the resin-bonded diamond wire saw.During the process of resin-bonded wire saw slicing,most diamond grits are knocked off ,so the resinoid diamond wire saw performs way below its potential.In order to gain fine surface quality and high accuracy in industrial requirement more efficiency,so this paper uses Advanced Diamond Wire Saw (ABCD wire saw) to slice Alumina. The advantage of using ABCD wire saw is the ABCD grain have strong retention on the resin matrix, so the Advanced Diamond Wire Saw has great tool life.Further,to analyze saw slicing properties and measure surface roughness, we use SEM to measure chip formation of ceramic materials. These methods can help us to know the brittle fracture mode and ductile regime grinding mode in ceramic materials remove modes. Finally, we control parameters to gain ductile regime grinding mode of slicing ceramic materials. These methods can slice more efficiently and improve surface roughness more excellently. Ductile regime produces thin deteriorate layer and increases requirement of industry.

    目 錄 第一章 簡介 1-1 研究背景 …………………………………………………………1 1-2 線鋸切割 …………………………………………………………1 1-3 固定磨粒線鋸 ……………………………………………………2 1-4 問題描述 ………………………………………………………5 第二章 文獻回顧 ……………………………………………7 第三章 實驗設備與實驗架構 …………………………………16 3-1 實驗設備 ……………………………………………………17 3-1-1 單一鑽石線鋸鋸切試驗機 …………………………………17 3-1-2 張力感測儀器 ………………………………………………18 3-1-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) ……………………………………19 3-1-4 光學顯微鏡 ………………………………………………20 3-1-5 3D粗糙度量測儀 …………………………………………21 3-1-6 電阻尺 ……………………………………………………21 3-1-7 表面粗糙計 …………………………………………………22 3-2 實驗架構與參數設定 …………………………………………22 3-2-1 實驗耗材 ……………………………………………………23 3-2-2 實驗方式 ……………………………………………………24 3-2-3 機台參數控制 ………………………………………………31 3-2-4 切屑觀察 ……………………………………………………32 第四章 樹脂燒結鑽石線鋸探討 ………………………………33 4-1 製程方法 ……………………………………………………33 4-2 裸鑽樹脂燒結線鋸 ……………………………………………35 4-3 鍍鎳鑽石樹脂燒結線鋸 ………………………………………39 4-4 ＡＢＣＤ樹脂線鋸 ……………………………………………45 4-4-1 鑽石的ＡＢＣＤ……………………………………………45 4-4-2 ＡＢＣＤ樹脂燒結線鋸………………………………………46 第五章 精密氧化鋁之移除機制 ………………………………59 5-1 陶瓷材料之材料移除模式 ……………………………………59 5-2 切屑判斷原則 …………………………………………………63 5-3 氧化鋁切屑大小與分類 …………………………………………67 5-4 切屑與表面粗糙度的關係 ………………………………………69 5-5 建構延性模式加工氧化鋁陶瓷材料 ……………………………73 5-5-1 切屑觀察 ……………………………………………………74 5-5-2 參數控制陶瓷材料臨界切深 …………………………………74 第六章 樹脂線鋸壽命分析 ……………………………………79 6-1 延性加工之切口寬度 …………………………………………80 6-2 延性加工之磨削比 ……………………………………………83 6-3 延性加工之線鋸鋸切壽命分析 ………………………………85 6-3-1 裸鑽樹脂線鋸的鋸切壽命分析 …………………………… 86 6-3-2 鍍鎳鑽石樹脂線鋸的鋸切壽命分析 ……………………………86 6-3-3 ＡＢＣＤ樹脂線鋸的鋸切壽命分析 ……………………………87 6-4 鋸切壽命預測 …………………………………………………88 6-5 小結 ……………………………………………………………91 第七章 結論及未來展望 ……………………………………………93 7-1 結論 ……………………………………………………………93 7-2 未來展望 ………………………………………………………95 參考文獻 …………………………………………………………97 圖 目 錄 圖2-1 磨粒切屑示意圖……………………………………………7 圖2-2 複式線鋸示意圖………………………………………………8 圖2-3 扭矩強度實驗方法……………………………………………9 圖2-4 樣品所含添加物………………………………………………9 圖2-5 樣品所含添加物 ……………………………………………10 圖2-6 金屬添加物對樹脂燒結鑽石磨耗影響關係圖……………10 圖2-7 文獻所使用之線鋸示意圖…………………………………12 圖2-8 加工參數與工件表面粗糙度關係…………………………12 圖2-9 脆性切削(左)與延性切削(右)的切屑進行切屑觀察……13 圖2-10 氧化鋁材料延性模式與脆性破壞模式下的F/V值………13 圖2-11 加工參數對品質特性影響結果表………………………14 圖2-12 ＡＢＣＤ示意圖……………………………………………15 圖3-1 鑽石線鋸機………………………………………………18 圖3-2 張力感測器………………………………………………18 圖 3-3 掃描式電子顯微鏡………………………………………19 圖3-4 光學顯微鏡………………………………………………20 圖3-5 3D WYKO粗糙量測儀………………………………………21 圖3-6 電阻尺……………………………………………………21 圖3-7 表面粗糙儀…………………………………………………22 圖3-8 氧化鋁試片…………………………………………………23 圖3-9 機台操作示意圖…………………………………………31 圖3-10 脆性切屑生成示意圖………………………………………32 圖3-11 連續形切屑的生成…………………………………………32 圖4-1 7x7白鐵絞線…………………………………………36 圖4-2 裸鑽與碳化矽磨粒………………………………………36 圖4-3 裸鑽線鋸上膠燒結一次之示意圖………………………36 圖4-4 裸鑽線鋸上膠燒結一次之側面…………………………36 圖4-5 裸鑽線鋸上膠燒結二次之示意圖………………………37 圖4-6 裸鑽線鋸上膠燒結二次之側面圖………………………37 圖4-7 比較鍍鎳鑽石(左)和裸鑽(右)之大小與形貌…………40 圖4-8 鍍鎳鑽石線鋸上膠燒結一次之示意圖…………………40 圖4-9 鍍鎳鑽石線鋸上膠燒結一次之側邊圖…………………40 圖4-10 鍍鎳鑽石線鋸上膠燒結二次之中間圖……………………41 圖4-11 鍍鎳鑽石線鋸上膠燒結二次之側邊圖……………………41 圖4-12 裸鑽線鋸磨耗形貌…………………………………………43 圖4-13 部分裸鑽已經脫落(左) 裸鑽被磨平(右)………………43 圖4-14 鍍鎳鑽石磨粒被磨平(左)磨平磨粒之側視圖(右)……44 圖4-15 鍍鎳鑽石線鋸之樹脂層開始磨耗龜裂…………………44 圖4-16 鍍鎳鑽石線鋸之磨粒開始脫落…………………………44 圖4-17 粒度大小在90~200μm ＡＢＣＤ………………………46 圖4-18 粒度90~200μm ＡＢＣＤ線鋸燒結一次之示意圖47 圖4-19 粒度90~200μm ＡＢＣＤ線鋸燒結一次之側邊視野圖47 圖4-20 粒度90~200μm ＡＢＣＤ線鋸燒結二次………………47 圖4-21 磨粒粒度90~200μm ＡＢＣＤ線鋸磨耗照片…………49 圖4-22 磨粒太大被撞落(左) 磨粒被磨平(右)………………49 圖4-23 粒度90μm以下上膠燒結二次之ABCD線鋸……51 圖4-24 磨粒粒度90μm以下之 ＡＢＣＤ線鋸磨耗照片…52 圖4-25 ＡＢＣＤ磨粒被磨平…………………………………52 圖4-26 磨粒粒度75μm以下之 ＡＢＣＤ線鋸鋸切前照片53 圖4-27 磨粒粒度75μm以下之 ＡＢＣＤ線鋸鋸切後照片53 圖4-28 磨粒粒徑75μm以下之 ＡＢＣＤ…………………54 圖4-29 粒徑75~90μm之間之 ＡＢＣＤ磨粒………………54 圖4-30 磨粒粒度75~90μm之 ＡＢＣＤ線鋸鋸切前照片55 圖4-31 被鹽酸侵蝕的ＡＢＣＤ、線鋸………………………56 圖4-32 磨石的表面樣貌………………………………………57 圖4-33 削銳10分鐘後ＡＢＣＤ磨粒的樣貌………………57 圖4-34 削銳10分鐘後ＡＢＣＤ磨粒的樣貌………………58 圖4-35 ＡＢＣＤ鑽石明顯顯露………………………………58 圖5-1-1 壓痕器與材料接觸示意圖……………………………59 圖5-1-2 塑性變形而生成的連續形切屑………………………60 圖5-1-3 粉末區域磨削模式(powder -regime grinding)…61 圖5-1-4 脆性破壞模式…………………………………………62 圖5-1-5 延性磨削型態…………………………………………62 圖5-1-6 脆性、延同時發生……………………………………62 圖5-1-7 A區放大圖……………………………………………62 圖5-2-1 鑽石磨粒延性磨削過程示意圖……………………...64 圖5-2-2 單顆鑽石磨粒脆性破壞移除機制示意圖………65 圖5-3-1 氧化鋁顆粒狀表面平滑型切屑…………………68 圖5-3-2 氧化鋁片狀破裂型切屑…………………………68 圖5-3-3 氧化鋁不規則毛邊型切屑………………………68 圖5-3-4 氧化鋁長條型切屑………………………………69 圖5-3-5 氧化鋁長條微捲型切屑…………………………69 圖5-4 縱切面與橫切面方向…………………………………70 圖5-5 脆性切屑、脆性加工面之SEM圖…………………71 圖5-6 脆性模式下的2Ｄ表面輪廓圖………………………72 圖5-7 延性切屑之SEM圖延性加工面之SEM圖……………72 圖5-8 延性模式下的2Ｄ表面輪廓圖…………………………73 圖5-9 鑽石線鋸材料移除機制………………………………75 圖5-10 裸鑽樹脂線鋸延性模式與脆性破壞模式下的F/V值76 圖5-11 鍍鎳鑽石線鋸延性模式與脆性破壞模式下的F/V值76 圖5-12 ＡＢＣＤ鑽石線鋸延性與脆性破壞模式下的F/V值77 圖5-13 建構鑽石線鋸鋸切延性模式………………………………78 圖6-1-1 氧化鋁材料切口比例與切速關係圖一…………………81 圖6-1-2 氧化鋁材料切口比例與切速關係圖二…………………81 圖6-1-3 氧化鋁材料切口比例與切速關係圖三…………………82 圖6-2 磨削比關係圖………………………………………84 圖6-3-1 裸鑽線鋸切速與線鋸壽命關係圖………………………86 圖6-3-2 鍍鎳鑽石線鋸切速與線速壽命關係圖………………87 圖6-3-3 ＡＢＣＤ線鋸切速與線鋸壽命關係圖………………88 圖6-4 不同線鋸切速與壽命關係圖………………………90 圖6-5-1 已達使用壽命………………………………………92 圖6-5-2 磨平的ABCD之SEM圖………………………92 示 意 圖 七股線芯鑽石線鋸剖面示意圖……………………………………4 七股絞線示意圖 ……………………………………………33 磨粒排列示意圖……………………………………………34 上膠燒結一次示意圖……………………………………38 上膠燒結二次示意圖……………………………………38 裸鑽磨耗過程示意圖……………………………………42 鍍鎳鑽石磨耗過程示意圖………………………………43 ABCD樹脂線鋸上膠燒結一次之示意圖……………48 ABCD樹脂線鋸上膠燒結二次之示意圖……………48 粒度90~200μm 之ABCD磨耗示意圖………………55 ＡＢＣＤ最佳搭配示意圖………………………………62 切口寬度示意圖……………………………………82 實驗流程圖2…………………………………… 28 實驗流程圖3…………………………………… 30 表 目 錄 表3-1掃描式電子顯微鏡規格表 ……………………………19 表3-2 氧化鋁材料特性…………………………………………23 表 3-3 鑽石線鋸的規格…………………………………………24 表 3-4參數及範圍選定…………………………………………26 表4-1鑽石線鋸的規格…………………………………………35 表 4-2鍍鎳鑽石線鋸的規格……………………………………39 表4-3 ＡＢＣＤ鑽石線鋸的規格………………………………46 表4-4 ＡＢＣＤ鑽石線鋸的規格………………………………50 表5-1氧化鋁切屑與表面粗糙度的關係表……………………70 表5-2氧化鋁切屑與加工機制的關係表………………………71 表6-1 延性模式實驗參數………………………………………79

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