第二章 刀具設計與實驗規劃
2.1 刀具設計
一般而言，如欲使刀具具有直線可調式且機構簡易功能者，非螺 旋機構莫屬。故本研究可利用 ER16 筒座的節距來調整內部鎢鋼鑽頭 的伸長量，以設計出一種具可調整式階梯管鑽，如圖 2.1 所示。其拆 除外鑽連結座後之可由調整式刀具內部零件，如圖 2.2 所示。本研究 藉由可調整鎢鋼鑽頭之伸長量，以進行所需鑽削加工鎢鋼鑽頭伸長量 參數，做為探討此刀具設計鑽削良窳之可行性。
圖 2.1 可調整式階梯管鑽
圖 2.2 可調整式階梯管鑽內部零件組合
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2.2 可調整式階梯管鑽之各零件設計
有關本研究所設計出之可調整式階梯管鑽的剖視圖，如圖 2.3 所 示。而可調整式階梯管鑽之各零件散佈圖，如圖 2.4 所示。而其整個 可調整式階梯管鑽之爆炸圖，如圖 2.5 所示。
圖 2.3 可調整式階梯管鑽之剖視圖
圖 2.4 可調整式階梯管鑽之各零件
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圖 2.5 可調整式階梯管鑽之爆炸圖
至於可調整式階梯管鑽之整體零件圖之照片，如下所示：
(1)可調整式階梯管鑽本體，如圖 2.6 所示。
圖 2.6 可調整式階梯管鑽之本體
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(2)時規皮帶輪及內襯，如圖 2.7 所示。
圖 2.7 時規皮帶輪及內襯
(3)滾針軸承固定螺帽，如圖 2.8 所示。
圖 2.8 滾針軸承固定螺帽
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(4)止脫螺帽，如圖 2.9 所示。
圖 2.9 止脫螺帽
(5)調整尾座，如圖 2.10 所示。
圖 2.10 調整尾座
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(6)ER16 筒座，如圖 2.11 所示。
圖 2.11ER16 筒座
(7)外鑽連結座，如圖 2.12 所示。
圖 2.12 外鑽連結座
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圖 2.14 麻花鑽頭
圖 2.15 鎢鋼鑽頭
圖 2.16 外部管鑽與內部鎢鋼鑽頭
2.4 實驗數據定義
本研究實驗參數規劃係以 CNC 加工機主軸轉速、進給速率、麻 花鑽頭、外部電鑄鑽石管鑽及鎢鋼鑽頭伸長量組合，做為整個實驗參
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各實驗參數定義如下：
(1)CNC 加工機主軸轉速分別採用正轉 1000rpm、1500rpm。
(2)伺服馬達轉速分別採用逆轉 800rpm、1200rpm、1600rpm。
(3)鑽頭採用 ø10mm 麻花鑽頭加工、ø10mm 外部管鑽加工，以及 ø5.5mm 鎢鋼鑽頭與外部管鑽同時加工。
(4)進給速度使用 30、35、40mm/min。
(5)ø5.5mm 鎢鋼鑽頭伸長量以外部管鑽頂端伸長量 3mm、4mm 進行 LabVIEW 程式軸向力擷取系統(圖 2.17)下進行，其整個鑽頭出口時的 數據擷取分布圖，如圖 2.18 所示。本研究所擷取之軸向力，係取鑽 頭出口處時最大軸向力。
圖 2.17LabVIEW 程式軸向力擷取系統
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圖 2.18LabVIEW 程式軸向力數據擷取分布圖
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第三章實驗設備
3.1 實驗設備介紹
本研究係以 CNC 立式加工機輔以軸向力量測儀器，以進行可調 整式階梯管鑽實驗測試之用，其相關設備儀器規格介紹於後。
1.CNC 立式加工機(麗偉 V30)
本實驗使用 CNC 立式加工機(麗偉 V30)夾取可調整式階梯管鑽 加工，如圖 3.1 所示。
圖 3.1 CNC 立式加工機(麗偉 V30)
2.伺服馬達控制器
使用伺服馬達控制器(圖 3.2)，並設定外部鑽頭轉速，以達到實 驗所需。
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圖 3.2 伺服馬達控制器
3.Kistler-9257 動力計
本研究使用 Kistler-9257 動力計，以量測鑽削軸向力，如圖 3.3 所示。
圖 3.3 Kistler-9257 動力計
4.Kistler-5011 電荷放大器
利用電荷放大器將動力計所截取訊號放大，以取得所需之量測數 值，如圖 3.4 所示。
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圖 3.4 Kistler-5011 電荷放大器
5.Delta 0.4Kw motor 外接伺服馬達
透過伺服馬達控制器，且利用外接之 400w 伺服馬達以時規皮帶 連接時規皮帶輪，藉以控制外部電鑄鑽管之轉速，以進行外鑽鑽削加 工，如圖 3.5 所示。
圖 3.5 Delta 400w 伺服馬達
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6.人機介面
有關伺服馬達轉速之人機介面操作說明如下：
(1)啟動伺服馬達進入主介面，如圖 3.6 所示。
圖 3.6 伺服馬達主介面
(2)伺服馬達轉向選擇介面，如圖 3.7 所示。
圖 3.7 伺服馬達轉向選擇介面
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(3)輸入轉速介面，如圖 3.8 所示。
圖 3.8 輸入轉速介面 (4)確認轉向與轉速與啟動，如圖 3.9 所示。
圖 3.9 確認轉向與轉速與啟動
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3.2 實驗步驟
1.將碳纖維複合材料固定於動力計上，如圖 3.10 所示。
圖 3.10 碳纖維複合材料固定
2.於伺服馬達輸入轉向、轉速後啟動。
3.啟動 LabVIEW 程式監控系統開始擷取數據，如圖 3.11 所示。
圖 3.11 LabVIEW 程式監控系統擷取
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4.啟動 CNC 加工機。
5.停止 LabVIEW 程式監控並儲存數據。
3.3 軸向力擷取
本研究在量取鑽削加工時的軸向力，因加工時軸向力大小將影響 鑽頭壽命以及碳纖維複合材料的脫層。在實驗過程中為取得碳纖維複 合材料加工時承受的軸向力，故在加工材料夾具下方裝置 Kistler-9527 動力計，在鑽削過程中可以取得實驗所需的數據。而動力計透過 Kistler-5011 電荷放大器將鑽削時產生的軸向力電荷訊號放大並轉成 電壓訊號將訊號傳至電腦中，以 LabVIEW 軟體介面監控並記錄鑽削 數據了解不同加工條件下鑽削時的軸向力。
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第四章實驗結果與討論
4.1 實驗數據
本研究 22 組實驗之軸向力出口處實驗數 據，如表 4.1 所示。
在實驗數據表中可以觀察到內外鑽(3)與內外鑽(4)出口處的軸 向力數據在 16.19N~46.77N 之間。而內外鑽(4)鑽削功能較佳，
此因鎢鋼鑽頭以完整鑽削碳纖維 複合材料後，外部管鑽才連接
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19 1000 1600 內外鑽(4) 30 21.59
20 1500 1600 內外鑽(4) 30 17.99
21 1000 1600 內外鑽(3) 30 27.88
22 1500 1600 內外鑽(3) 30 35.98
圖 4.1 第 1 組實驗數據圖
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圖 4.2 第 2 組實驗數據圖
圖 4.3 第 3 組實驗數據圖
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圖 4.4 第 4 組實驗數據圖
圖 4.5 第 5 組實驗數據圖
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圖 4.6 第 6 組實驗數據圖
圖 4.7 第 7 組實驗數據圖
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圖 4.8 第 8 組實驗數據圖
圖 4.9 第 9 組實驗數據圖
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圖 4.10 第 10 組實驗數據圖
圖 4.11 第 11 組實驗數據圖
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圖 4.12 第 12 組實驗數據圖
圖 4.13 第 13 組實驗數據圖
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圖 4.14 第 14 組實驗數據圖
圖 4.15 第 15 組實驗數據圖
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圖 4.16 第 16 組實驗數據圖
圖 4.17 第 17 組實驗數據圖
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圖 4.18 第 18 組實驗數據圖
圖 4.19 第 19 組實驗數據圖
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圖 4.20 第 20 組實驗數據圖
圖 4.21 第 21 組實驗數據圖
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圖 4.22 第 22 組實驗數據圖
4.2 實驗結果
根據實驗數據表第 1 組實驗至第 18 組實驗每三組實驗為 一循 環組，且 每三組 的實驗數 據都相 差無幾 。 本實驗 以麻花 鑽 頭為對照組實驗出口處的軸向力在 28~61N 之區間，而以內外鑽 (3)的數據為 27~49N，此間距的軸向力在與麻花鑽頭鑽削時的軸 向力非常接近。而以內外鑽(4)時，所得的數據為 16~22N 之間，
而此 實驗出口 處的軸 向力最小 。 從以 上實驗數 據中， 吾人可 驗 證 本 研 究 可 調 整 式 階梯管鑽可 用 於 碳 纖 維 複 合 材 料 上 加 工 。
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36 較適合低 CNC 主軸轉速(1000 rpm)與低進給速率(30 mm/min)鑽 削加工。至於內鑽伸長量之多寡，會影響其鑽削之軸向力大小。
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藉由不同刀具鑽削實驗，可驗證可調整式階梯管鑽於碳纖維 複合材料鑽削加工是可行的。
5.3 建議
本研究所設計之可調整式階梯管鑽，其主要功能在於可調整其內 部鑽頭之伸長量，且可搭配外管鑽同時進行鑽削加工，以達到降低其 鑽削軸向力之目的。同時，其內部鑽頭更改為可汰換式，並可依照不 同需求替換不同型式鑽頭進行鑽削加工。整體而言，此刀具組於設計 之初有過長、笨重、且體積過大的缺陷，若可改善上述之缺點，在零 件的材料選取與調整機構再簡化上，將可大幅度減少其重量與製作成 本，且其於組裝上也較輕巧。當要替換鑽頭或調整內部鑽頭伸出量尺 寸時，其拆卸工具也不需大尺寸的工具來拆卸。
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