文獻回顧

高強度鋼材的切削研究在現今的工業生產或科學研究上都是一個受到相當重視的 問題，也扮演著相當重要的角色，尤其在自動化加工、齒輪、軸承、刀具、模具及航 太零組件的開發與測試階段上，而切削加工之所以受到重視，主要歸功於加工與其他 的加工方式比較具有以下之優點，如被加工件的幾何形狀和需求加工品質的高變化 性，以及製造複雜曲面時的高彈性與加工能力等。因此在高強度鋼材的切削研究主題 方面相當多，有關金屬切削加工之刀刃磨耗問題探討：機械式鑽削是一種經濟效益高、

符合產業需求且應用廣泛加工方式[1]；不僅加工時間短，且孔的圓度較佳及限制條件 少(如：加工物不必有導電性、設備操作簡單……等)之優點，使用最為廣泛。Inconel 718 鑽削微細孔時，所必須考慮的因素有很多，較為重要的有：鑽頭的材料、鑽頭的幾何 形狀、鑽削加工條件、工件厚度及鑽頭挾持長度等；且因鑽頭直徑小，散熱不易，刀 具常會因為高溫而加速鈍化，因此磨耗與斷裂會比一般的大鑽頭嚴重[2]；另外，小徑 鑽頭剛性低、高細長比的特性，常因過大的扭矩或推力而使得鑽頭在鑽孔過程中產生 斷裂，因此須要妥善的配置各參數值，才能有效地延長鑽頭壽命降低生產成本及提昇 生產效率，以期能在鑽削過程中充分發揮鑽頭之特性，做最有效且經濟的鑽削。

有關金屬切削加工之刀刃磨耗問題探討

洪坤宏[3] 利用 Po/Mechanic 分析軟體進行微鑽針幾何最佳化，再利用田口法找 出微鑽針鑽削球格陣列﹙BGA﹚基板之最佳加工參數，且也探討微鑽針在刀腹磨耗面 積為最小之最佳鑽削參數情況下，鑽削BGA 基板至 8000 孔其刀腹磨耗壽命曲線。梁 為翔[4] 經由自行開發之刀腹磨耗影像處理量測系統，計算出以最佳參數每鑽削 1000 孔後之刀腹磨耗面積與平均磨耗寬度，建立刀腹磨耗壽命曲線圖，最後再利用多項式 曲線擬合求出壽命曲線之整體誤差均方根值。

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簡志聰[5] 在高速工具鋼﹙SKH9﹚微鑽削之研究中探討微鑽削軸向力變化對微鑽 刀具磨耗的關連，針對微鑽削過程，藉由軸向力反應變化，同時對應於刀具磨耗現象，

並配合加工精度變化趨勢比對分析，進一步瞭解微鑽針在加工過程中所遭遇的變化及 影響。

Hanasaki[6] 以特殊刀面之鍍層碳化鎢刀具車削鎳基合金，發現鍍層刀具對溝槽磨 耗及刀腹磨耗有不錯的抵抗能力，並指出在低速切削時，刀具壽命取決於刀刃碎裂和 黏著式磨耗；高速時則決定於因為刀具溫度上升導致的磨耗。

Harris 等人[7] 以刀腹磨耗量測配合金相觀察來決定刀具之使用限制。

J.T.Lin [8] 使用 PCD 刀片切削 SiCp/鋁合金複合材料，於實驗中分別改變不同的 切削速度與進給率，在設定刀腹磨耗寬為 0.25 mm 的條件下，將實驗數據以回歸法與 標準泰勒方程式來描述刀具性能，並歸納出刀具達到磨耗極限所需的時間隨著切削速 度與進給量的增加而縮短。

C.B.Lin[9] 以 PCD 刀具切削 SiCp/A356 鋁合金，利用液態氮冷卻法，搭配不同之 進給率與切削深度，來觀察並歸納刀腹磨耗量與加工面粗糙度之間的關係。

高文顯及江彥明先生[10] 使用非平衡磁控濺鍍法置備類鑽碳﹙DLC﹚系列薄膜，

主要目的為探討濺鍍過程中掺雜氣體的改變來提昇DLC 薄膜鑽削性質。實驗結果顯 示，最好的鍍膜微鑽針為2N(2)的鍍層參數為氮氣流量 2Sccm：以直徑磨耗、孔徑粗糙 度、刀角磨耗、平均刀腹磨耗、釘頭大小均可鑽削至6000 孔以上，可做為印刷電路板 Printed Circuit Board，簡稱 PCB）微孔鑽削應用的最佳鍍層。

Ezugwn 等人[11] 以高速鋼鑽頭﹙High Speed Steel,HSS﹚鑽削與鎳基合金 Inconel 718 同一屬性之 Inconel 901 材料，觀察刀具破壞及提出較適合之幾何形狀鑽頭，提出 鑽頭磨耗之位置主要為刀腹磨耗﹙flank wear﹚及鑽緣磨耗﹙margin wear﹚且由於連續 式組合切刃型切屑(Built-up edge ；BUE﹚的生成造成進一步的破壞。

關於各種鑽削加工方面的研究：

Hiroki Endo[12] 在使用直徑 1mm 的傳統 HSS 麻花鑽頭鑽削 POM、PEI 工程用

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塑膠板的實驗中發現，在高轉速的情形下因為主軸偏晃幅度較大而造成入孔擴孔較嚴 重，而進給過慢時容易造成鑽頭在工件表面滑移造成定心度不佳。

H. Takeyama[13] 在使用超音波鑽削來減少鑽孔毛邊的產生之中指出，當鑽延性材 料時會產生毛邊，而鑽較脆之材料會造成邊緣破裂，另外，鑽複合材料則會產生剝離、

破裂等現象，因此藉由進給方向之超音波振動來改善鑽孔毛邊的產生。

Xin Wang[14] 針對印刷電路板與玻璃纖維進行細徑孔振動鑽削研究中指出，使用 振動鑽削不僅能降低鑽削推力，亦可獲得較佳之孔品質與精確度。

Shiva Kalidas[15] 針對 MoS2 被覆碳化鎢鑽頭與氮化鋁鈦(TiN、TiAlN)被覆高速 鋼鑽頭，探討356 鋁合金分別在乾切削與濕切削對於孔加工時，發現孔的大小與孔的 表面品質都受到工件溫度升高與鑽頭排屑溝被阻塞的影響。實驗結果指出在使用MoS2 被覆碳化鎢鑽頭比在使氮化鋁鈦(TiN、TiAlN)披覆高速鋼鑽頭產生的擴孔量還大，而 所有被覆鑽頭在濕切削時都能大大提升孔品質與加工效率，此乃因為濕切削時可降低 鑽削溫度並減少排屑溝的阻塞。

陳興文[16] 之研究主要是針對微小鑽頭之設計參數對鑽孔效果的影響進行分析 探討，以尋求最佳參數設計，改良微細鑽頭的性能，提升PCB 的微鑽孔製成效率。

施文雄[17] 之研究則是針對微細鑽頭設計及製造之關鍵技術進行研究，包括微細 鑽頭鑽槽之磨製法及鑽頂幾何之改良，並以加工模式分析碳化鎢材料鑽頭切削參數之 控制以增進微細鑽頭之鑽削效能。

呂彥明等人[18] 證明餘隙角之大小對於鑽削性能而言具有相當影響力，同時發現 研磨角度對於餘隙角度亦造成影響。

在採用田口氏實驗法來探討鑽削特性分析的研究

田口實驗計劃法源於1950 年田口玄一博士之倡導，可以減少相對於傳統實驗所需 的龐大且繁雜的實驗次數，有利於做初步或大範圍的工作分析，此方法迅速方便且分 析簡單，並能瞭解各設計參數對目標函數之影響，進而得到最佳化參數組合。所以田 口法已廣泛應用在不同的製造加工領域；田口法為結合技術與統計之方法，令製程與

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產品設計達到最佳狀態，進而改善產品品質並降低製造成本。強調的重點是在產品或 製程設計時就考慮品質問題。

曹中丞等人[19] 應用田口氏實驗方法來規劃鑽削 SUS 304 不鏽鋼之鑽削性能實 驗，以探討在不同被膜層與鑽削加工條件情況下，評估鑽削力與刀具壽命之影響。

陳文洲等人[20] 應用實驗設計法規劃鑽削 JIS S45C 碳鋼實驗，使用不同 Ti 基被 膜處理的鑽頭、進給率、主軸轉速，以求得最佳鑽削加工組合，並評估鑽腹磨耗寬度 與鑽孔品質之間的關係。

Nian[21] 應用田口實驗規劃法，設定切削速度、進給率與切削深度 3 個因子，並 且使用多目標特性(刀具壽命、切削力、表面粗糙度)，經由平均數分析，發展出一套 最佳化參數。

楊仁豪[22] 使用田口氏實驗方法尋求振動加工的最佳化參數，最後藉由實驗結果 探討振動鑽削加工技術對於加工品質的影響。

柯晟斌[23] 以田口氏實驗比較類鑽碳膜 (DLC)、氮化鋁鈦(TiN、TiAlN)及無鍍層 等三種銑刀，分別就表面粗糙度及尺寸精度等兩方面，進行實驗結果的分析與比較，

並以實驗數據之分析結果比較此三種刀具之切削能力。

謝政宏[24] 針對高速鋼﹙SKH56﹚鑽頭對 AISI 304 不鏽鋼工件的鑽削性能作研 究，以馬達轉速、工件厚度、鑽頭挾持長度及鑽唇角做為實驗參數，利用田口氏實驗 評估其擴孔量，並以擴孔量的大小為加工品質的優劣。吳世基先生等人[25] 應用田口 氏法規劃實驗，探討標準高速鋼鑽頭、刃槽高速鋼鑽頭及高速鋼端銑刀等三種不同鑽 削刀具對鋁合金材料鑽孔時，於鑽削過程中切屑形成及切屑毛邊型態的分析，並利用 田口氏法找出最佳的鑽削加工條件。

李漢州等人[26] 應用田口氏法實驗，選擇轉速、進給、頻率和振幅四個控制因數，

來評估其擴孔量、真圓度、孔壁表面粗糙度和毛邊。

林昭榮[27] 以田口方法來探討不鏽鋼最佳鑽削條件，發現以 SCO 鑽頭鑽削不鏽鋼 時，鑽唇角以135°為最佳化角度，使用可變進給率鑽削時定位性比使用固定進給率佳。

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陳弘哲[28] 以鑽頭研磨參數為研究對象，應用田口實驗計劃法規劃鑽頭研磨實 驗，以刀具研磨機加裝鑽頭附件研磨鑽頭，並使用綜合加工機進行低碳鋼材質工件的 鑽削。雖減少實驗次數但仍由田口實驗計劃法中所設定的實驗配置中取得數據，作為 分析的依據，藉由S/N 比輔助表取得鑽頭研磨參數的最適合條件。並透過變異數分析 的方式，得到鑽削性能實驗、鑽孔品質實驗中各因素對結果產生的影響程度。最後則 以最適合條件因素進行確認試驗，與工程推定值相較，重現性為3.61％~24.5％的圍內。

如Komanduri 等(1981)探討切屑(chip)的厚度與形狀變化，或是 Ueda 等(1982)研 究切屑(chip)的形成過程、破裂與流動應力。部份的學者 Matsumoto 等(1987)則把研 究重點放在加工過程切削力及應力的分佈以及分析切削流動所產生的熱量分佈上。當 然切削過程刀具的材質對切削特性有相當大的影響，因此也有部分的學者將研究重心 放在最適當刀具材質的研究上，並且探討那一種刀具材質最適合於加工高硬度及高強 度材料上。

具有高硬度及高強度的鋼材相當多，然而在高溫中仍能維持其高硬度及高強度特 性者莫過於鎳基合金，也因此鎳基合金較常應用於高溫操作環境及航太零組件的製造

具有高硬度及高強度的鋼材相當多，然而在高溫中仍能維持其高硬度及高強度特 性者莫過於鎳基合金，也因此鎳基合金較常應用於高溫操作環境及航太零組件的製造