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研究生： 陳建民
Jian-Min Chen
論文名稱： 鑽石線鋸切割碳化矽與氧化鋁陶瓷材料之特性研究
Slicing Silicon Carbide and Alumina with Diamond Wire Saw
指導教授： 左培倫
Pei-Lum Tso
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： 2003
畢業學年度： 91
語文別： 中文
中文關鍵詞： 延性磨削 、固定鑽石線鋸 、氧化鋁 、碳化矽 、硬脆材料
外文關鍵詞： Ductile regime, Fixed diamond wire saw, Alumina, Silcon carbide, Brittle materials
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    • 陶瓷材料目前廣泛的使用於半導體之基板材料、機械零件、光電元件上，但由於硬脆陶瓷材料極難機械加工，加上硬脆陶瓷材料的需求也逐年增加，在過去中使用游離磨料加工硬脆材料，其效率過低與磨料浪費性過高，為了更有有效率的達到工業上所需求的高精度及較佳的表面品質，因此本論文透過固定鑽石線鋸鋸切硬脆陶瓷材料(氧化鋁與碳化矽)，分析其線鋸鋸切特性及量測表面粗操度，並使用掃描式電子顯微鏡觀察硬脆陶瓷材料的切屑生成型態，藉由切屑型態研究脆性破壞模式與延性加工模式下的材料移除機制，最後藉由控制參數以達到硬脆陶瓷材料之延性加工而使得加工效率較高與表面粗操度較佳之外，同時亦可以使得加工變質層較薄，以提高加工上品質的需求。

    At present, ceramic materials are extensively used in substrate materials of semiconductor, mechanical and photoelectric devices. Not only brittle materials are very hard to machining, but also the requirement increase with time. Free abrasive machining for brittle materials had been used in the past, however its efficiency was so low and waste a lot of slurry. In order to gain high accuracy and fine surfaces quality in industrial requirement more efficiently, so this paper uses Fixed Diamond Wire Saw to slice Silicon Carbon and Alumina. 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 condition 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.

    頁次 英文摘要 ………………………………………………………… Ⅰ 中文摘要 ………………………………………………………… Ⅱ 誌謝 ………………………………………………………… Ⅲ 目錄 ………………………………………………………… Ⅳ 圖目錄 ………………………………………………………… Ⅶ 表目錄 ………………………………………………………… ⅩⅡ 第一章 簡介 1-1 研究背景 …………………………………………………………1 1-2 鑽石線鋸 …………………………………………………………6 1-3 陶瓷材料 ………………………………………………………10 1-4 問題描述 ………………………………………………………11 第二章 文獻回顧 ……………………………………………14 第三章 實驗設備與實驗架構 …………………………………21 3-1 實驗設備 ……………………………………………………21 3-1-1 單一鑽石線鋸鋸切試驗機 ………………………………………21 3-1-2 張力感測儀器 ……………………………………………………22 3-1-3 掃描式電子顯微鏡(SEM) …………………………………………23 3-1-4 光學顯微鏡 ……………………………………………………24 3-1-5 3D粗糙度量測儀 ………………………………………………24 3-1-6 電阻尺 …………………………………………………………24 3-1-7 表面粗糙計 ………………………………………………………25 3-2 實驗架構與參數設定……………………………………………26 3-2-1 實驗材料 …………………………………………………………27 3-2-2 實驗方式 …………………………………………………………29 3-2-3 機台參數控制 ……………………………………………………35 3-2-4 切屑觀察 …………………………………………………………36 第四章 陶瓷材料之鋸切特性 …………………………………37 4-1 鋸切磨削機構 ………………………………………………37 4-1-1 材料移除切屑體積大小 …………………………………………37 4-1-1 鑽石線鋸之力量分布情況 ……………………………………40 4-2 陶瓷材料之鋸切後探討 ………………………………………42 4-2-1 速度對表面粗糙度的影響 …………………………………………42 4-2-2 進給對表面粗糙度的影響 …………………………………………45 4-2-3 冷卻液對鋸切特性的影響 …………………………………………48 4-3 切屑型態 ………………………………………………………49 4-4 效率探討 ………………………………………………………50 4-4-1 切口大小 ……………………………………………………50 4-4-2 材料移除體積 …………………………………………………52 第五章 切屑生成與材料移除機制 ……………………………56 5-1 陶瓷材料之材料移除模式 ……………………………………56 5-2 切屑生成機構 …………………………………………………59 5-3 切屑判斷原則 …………………………………………………61 5-4 鑽石線鋸的材料移除模式 ……………………………………62 第六章 陶瓷材料之切屑研究 …………………………………66 6-1 氧化鋁切屑大小與分類 ………………………………………66 6-2 碳化矽切屑大小與分類 ………………………………………75 6-3 切屑型態與參數關係 …………………………………………81 6-4 切屑與表面粗糙度的關係 ………………………………………83 6-5 延性切屑與脆性破壞切屑 ………………………………………85 6-6 建構延性模式加工硬脆材料 ……………………………………86 6-6-1切屑觀察 ………………………………………………………86 6-6-1 參數控制陶瓷材料臨界切深 …………………………………86 第七章 結論及未來展望 ………………………………………90 7-1 結論 ……………………………………………………………90 7-2 未來展望 ………………………………………………………91 參考文獻 …………………………………………………………93 圖 目 錄 頁次 圖1-1 外周刃鋸片示意圖………………………………………………2 圖1-2 內周刃鋸片示意圖………………………………………………2 圖1-3 葉片鋸示意圖 …………………………………………………3 圖1-4 複線式線鋸鋸切晶棒 …………………………………………3 圖1-5 固定磨粒線鋸示意圖 …………………………………………5 圖1-6 浮游磨粒線鋸示意圖 …………………………………………5 圖1-7 鑽石線鋸套筒(1) ………………………………………………9 圖1-8 鑽石線鋸套筒(2) ………………………………………………9 圖2-1 磨削三階段圖與切深示意圖 …………………………………14 圖2-2 延性與脆性表面觀察圖 ………………………………………15 圖2-3 臨界切深與溫度關係 …………………………………………15 圖2-4 碳化鎢材料之延性切屑與脆性切屑型態 ……………………16 圖2-5 複線式切割 ……………………………………………………18 圖2-6 H.K.Tönshoff，H Hillmann-Apmannn所使用之線鋸示意圖…18 圖2-7 各種成形的線 …………………………………………………19 圖2-8 固定磨粒線鋸擺動接觸式示意圖 ……………………………19 圖2-9 固定磨粒線鋸類神經網路參數研究圖 ………………………20 圖3-1 鑽石線鋸機 ……………………………………………………22 圖3-2 張力感測器 ……………………………………………………22 圖3-3 掃描式電子顯微鏡 ……………………………………………23 圖3-4 光學顯微鏡 ……………………………………………………24 圖3-5 3D WYKO 粗糙量測儀 …………………………………………25 圖3-6 電阻尺 …………………………………………………………25 圖3-7 表面粗糙儀 …………………………………………………26 圖3-8 陶瓷材料試片示意圖 ………………………………………28 圖3-9 鑽石線鋸 ……………………………………………………28 圖3-10 實驗流程圖 …………………………………………………34 圖3-11 機台操作示意圖 ……………………………………………35 圖3-12 脆性切屑生成示意圖 ………………………………………36 圖3-13 連續形切屑的生成 …………………………………………36 圖4-1 鑽石線鋸材料移除機制 ………………………………………38 圖4-2 磨粒切削示意圖 ………………………………………………39 圖4-3 線鋸受力圖(1) ………………………………………………40 圖4-4 線鋸受力圖(2) ………………………………………………40 圖4-5 線鋸受力圖(3) ………………………………………………41 圖4-6 橫切面及縱切面示意圖 ………………………………………42 圖4-7 速度和表面粗糙度的關係圖(1) ……………………………43 圖4-8 速度和表面粗糙度的關係圖(2) ……………………………43 圖4-9 速度和表面粗糙度的關係圖(3) ……………………………44 圖4-10 速度和表面粗糙度的關係圖(4) ……………………………44 圖4-11 速度和表面粗糙度的關係圖(5) ……………………………45 圖4-12 進給和表面粗糙度的關係圖(1) ……………………………46 圖4-13 進給和表面粗糙度的關係圖(2) ……………………………46 圖4-14 進給和表面粗糙度的關係圖(3) ……………………………47 圖4-15 進給和表面粗糙度的關係圖(4) ……………………………47 圖4-16 進給和表面粗糙度的關係圖(5) ……………………………48 圖4-17 線與水平面的形成頃角示意圖 ……………………………49 圖4-18 氧化鋁材料切口比例與速度關係圖(1) ……………………51 圖4-19 氧化鋁材料切口比例與速度關係圖(2) ……………………52 圖4-20 氧化鋁材料鋸切效率圖(1) …………………………………53 圖4-21 氧化鋁材料鋸切效率圖(2) …………………………………53 圖4-22 氧化鋁材料鋸切效率圖(3) …………………………………54 圖4-23 氧化鋁材料鋸切效率圖(4) …………………………………54 圖5-1 壓痕器與材料接觸示意圖 ……………………………………56 圖5-2 塑性變形而生成的連續形切屑 ………………………………57 圖5-3 粉末區域磨削模式(powder-regime grinding) ……………58 圖5-4 磨削加工材料移除模式 ………………………………………60 圖5-5(a)(b)(c)(d) Zhang BI，H.TOKURA，M.YOSHIKAWA氧化鋁刻痕 機制示意圖 ……………………………………………………………61 圖5-6 單顆鑽石磨粒延性切削示意圖 ………………………………63 圖5-7 單顆鑽石磨粒脆性破壞移除機制示意圖 ……………………64 圖6-1 (a)~(f)光學顯微鏡氧化鋁切屑圖 …………………………67 圖6-1 (g)~(j)光學顯微鏡氧化鋁切屑圖 …………………………68 圖6-2 氧化鋁顆粒狀表面平滑型切屑(1) …………………………69 圖6-3 氧化鋁顆粒狀表面平滑型切屑(2) …………………………70 圖6-4 氧化鋁片狀破裂型切屑(1) …………………………………70 圖6-5 氧化鋁片狀破裂型切屑(2) …………………………………70 圖6-6 氧化鋁片狀破裂型切屑(3) …………………………………71 圖6-7 氧化鋁片狀破裂型切屑(4) …………………………………71 圖6-8 氧化鋁片狀破裂型切屑(5) …………………………………71 圖6-9 氧化鋁不規則毛邊型型切屑(1) ……………………………72 圖6-10 氧化鋁不規則毛邊型型切屑(2) …………………………72 圖6-11 氧化鋁不規則毛邊型型切屑(3) …………………………72 圖6-12 氧化鋁不規則毛邊型型切屑(4) …………………………73 圖6-13 氧化鋁不規則毛邊型型切屑(5) …………………………73 圖6-14 氧化鋁長條型切屑(1) ……………………………………73 圖6-15 氧化鋁長條型切屑(2) ……………………………………74 圖6-16 氧化鋁長條型切屑(3) ……………………………………74 圖6-17 氧化鋁長條微捲型切屑(1) …………………………………74 圖6-18 氧化鋁長條微捲型切屑(2) …………………………………75 圖6-19 (a)(b)光學顯微鏡碳化矽切屑圖……………………………75 圖6-19 (c)(d)光學顯微鏡碳化矽切屑圖……………………………76 圖6-20 碳化矽大型顆粒型切屑(1) …………………………………77 圖6-21 碳化矽大型顆粒型切屑(2) …………………………………77 圖6-22 碳化矽大型顆粒型切屑(3) …………………………………77 圖6-23 碳化矽大型顆粒型切屑(4) …………………………………78 圖6-24 碳化矽大型顆粒型切屑(5) …………………………………78 圖6-25 碳化矽微小顆粒型切屑(1) …………………………………78 圖6-26 碳化矽微小顆粒型切屑(2) …………………………………79 圖6-27 碳化矽微小顆粒型切屑(3) …………………………………79 圖6-28 碳化矽長條型切屑(1) ………………………………………79 圖6-29 碳化矽長條型切屑(2) ………………………………………80 圖6-30 碳化矽長條型切屑(3) ………………………………………80 圖6-31 碳化矽長條型切屑(4) ………………………………………80 圖6-32 氧化鋁切屑型態與加工參數關係圖 ………………………82 圖6-33 碳化矽切屑型態與加工參數關係圖 ………………………82 圖6-34 氧化鋁切屑與表面粗糙度的關係圖 ………………………84 圖6-35 碳化矽切屑與表面粗糙度的關係圖 ………………………84 圖6-36氧化鋁材料延性模式與脆性破壞模式下的F/V值 …………88 圖6-37碳化矽材料延性模式與脆性破壞模式下的F/V值 …………88 圖6-38 建構鑽石線鋸鋸切延性模式 ………………………………89 表 目 錄 頁次 表1-1纜線鑽石線鋸的規格……………………………………………9 表3-1 掃描式電子顯微鏡規格表 ……………………………………23 表3-2 氧化鋁材料特性 ………………………………………………27 表3-3 碳化矽材料特性 ………………………………………………27 表3-4 實驗規劃表 ……………………………………………………29 表3-5 氧化鋁材料實驗規劃表(1)~(4) ……………………………30 表3-5 氧化鋁材料實驗規劃表(5)~(8) ……………………………31 表3-5 碳化矽材料實驗規劃表(1)~(4) ……………………………32 表6-1 氧化鋁切屑與加工參數關係表 ………………………………81 表6-2 碳化矽切屑與加工參數關係表 ………………………………81 表6-3 氧化鋁切屑與表面粗糙度的關係表 …………………………83 表6-4 碳化矽切屑與表面粗糙度的關係表 …………………………83 表6-5 氧化鋁切屑與加工機制的關係表 ……………………………85 表6-6 碳化矽切屑與加工機制的關係表 ……………………………85

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