第四章 實驗結果與討論 4.1 軸向力之結果與影響 4.2 破裂面積之結果與影響 第五章 結論與未來建議 5.1 結論
5.2 未來建議
二. 實驗的設備
2.1 實驗系統規劃及設置
2.1.1 鑽頭
本實驗中鑽削所使用的鑽頭，係運用 18 組不同幾何形狀(階梯角 和鑽尖角)之電鑄鑽石階梯鑽，分別對石英玻璃材料進行鑽孔加工，
並應用不同鑽石粒度及鑽削條件，看其破裂之情形。如圖 2.1 所示。
2.1.2 實驗硬體設置
本實驗係利用電鑄鑽石階梯鑽來鑽削石英玻璃材料，如圖 2.2 所示。並運用其不同的轉速、不同的進給速率和不同的啄鑽深度，以 進行實驗研究，並搭配許多不同的實驗設備，如 CNC 綜合加工中心 機、動力計、電荷放大器等……，來探討電鑄鑽石階梯鑽對於石英玻 璃材料鑽削的特性。
2.1.3 鑽削軸向力數據擷取架構
因鑽削石英玻璃時，其出口之破裂面積與其鑽削軸向力有關。故 本研究需要量取鑽削石英玻璃出口之鑽削軸向力。在實驗過程中，為 了量取鑽削石英玻璃時其所承受之軸向力，在工件夾具座的下方會安 置一 Kistler-9257 動力計。Kistler-9257 動力計透過 Kistler-5011 電荷 放
大器，可以將微小軸向力的電荷訊號放大，並轉換成電壓訊號，最後 透過 NI-6110S 卡與 GPIB 卡，將電壓訊號傳送至個人電腦中，且以 LabVIEW 的界面監控，並記錄其整個鑽削石英玻璃數據，以即時了 解於不同的加工條件下，其鑽削軸向力對石英玻璃材料加工之影響。
其實驗架構與數據擷取，如圖 2.3 和 2.4 所示。其量測方法是在其入 口時擷取點 A，出口時擷取點 C，在用其入口與出口的平均值求出點 B，量其軸向力。如圖 2.5 所示。
2.1.4 綜合加工中心機操控系統
電腦數值控制(Computer Numerical Control，CNC)係利用 NC 程 式的 GM 指令碼，以輸入控制系統之記憶體，經電腦編譯計算後，透 過位移控制系統，將所計算之資訊傳至驅動器，以驅動馬達使之以自 動標準化來加工零件。本實驗過程，主要是利用一部立式綜合加工中 心機做鑽孔加工，且使用其控制面板來編譯鑽孔程式。在鑽削加工過 程中，吾人可以轉速及進給速率進行鑽孔調整。為了提高數據量測的 準確度，故須採用一標準操作流程，以維持每個工件加工後的一致 性。有關鑽孔操作流程，如圖 2.6 所示。
2.2 實驗設備簡介
2.2.1、V-30 立式綜合加工中心機
本實驗的加工是採用麗偉 11 kW 馬力(V-30 型)之立式綜合加工中 心機，對石英玻璃進行鑽孔加工，其主軸最高轉速為 6000 rpm，如 圖 2.7 所示。
2.2.2、動力計(Kistler-9257 型)
本實驗所使用之動力計係瑞士 Kistler-9257 型，如圖 2.8 所示。
2.2.3、電荷放大器(Kistler-5011 型)
有關 Kistler-5011 電荷放大器之外觀圖，如圖 2.9 所示。
2.2.4、磁驅泵浦(Pump)
本實驗所使用之冷卻系統動力係使用 PAN WORLD 公司所生產 之磁驅泵浦(Magnet Pump)，其內部參數和外觀圖，如表 2.1 與圖 2.10 所示。
2.2.5、資料擷取卡
本 實 驗 資 料 擷 取 是 透 過 美 商 國 家 儀 器 公 司 (NI) 所 生 產 的 DAQ-NI6110S 資料擷取卡，當作電腦與量測儀器之間資料擷取的橋
梁。其輸出與輸入之解析度為 12 位元，而最大取樣速率為 5MS/s。
如圖 2.11 所示。
2.2.6、破裂面積量測儀器
本實驗之鑽孔結束後，必須量測其破裂面積，此破裂面積是利用 工具顯微鏡將破裂面積放大，並利用 Protech 2000 2.5D 軟體來分析 其破裂面積。如圖 2.12 所示。其破裂面積之量測是在其破裂面積上 擷取三點，並運用其三點之距離測量其破裂面積。如圖 2.13 所示。
其中 Ad 為破裂面積，Dmax 為破裂面積之最大之直徑，D 為最小之 直徑。其破裂圖，如圖 2.14 所示。
2.2.7、冷卻系統
鑽孔加工難免會產生熱，熱產生了工件就會產生應力，增加石英 玻璃的破裂，為了克服此問題，就設計了冷卻系統，如圖 2.15 所示，
其左下方是一個排水口，用一條水管拉到磁驅泵浦上，其右上方為一 注水口，從磁驅泵浦拉一條水管到注水口上，當磁驅泵浦一啟動後，
排水口就會開始吸水，而注水口就會開始注水，如此不斷的反覆，讓 石英玻璃在水下不斷冷卻，達到其冷卻的目的。
圖 2.1 鑽頭的形式
圖 2.2 實際架構圖
圖 2.4 電荷放大器與電腦
圖 2.5 軸向力之擷取圖
圖 2.6 綜合加工中心機操作面板
圖 2.8 Kistler-9257 動力計
圖 2.9 Kistler-5011 電荷放大器
圖 2.10 PAN WORLD 磁驅泵浦外觀圖
(a)破裂面積量測之架構圖
(b)電腦及比例尺
(c)VM99 型之操作平台
(d)VM99 型之顯微放大鏡 圖 2.12 破裂面積量測儀器
圖 2.13 破裂面積之量測圖
(a)石英玻璃未鑽削前之情形
(b)石英玻璃之入口破裂之情形
(c)石英玻璃之出口破裂之情形
圖 2.14 電鑄鑽石階梯鑽鑽削石英玻璃入口與出口處之破裂之情形
圖 2.15 冷卻系統
表 2.1 PAN WORLD 磁驅泵浦參數
型號(MODEL) NH-5PX
尺寸規格(SIZE) 14*14mm,1/2G 輸出(NOMINAL OUTPUT) 2.5W
電壓(VOLTAGE) 100-110
標準點(STD. POINT) 0.8m-2.6L/min or 0.8m-4.5L/min 轉速(SPEED) 2700 / 3100 RPM
馬 力 消 耗 (POWER CONSUMPTION)
5.0 / 5.5W 絕緣(INSULATION) E CLASS 序號(SERIAL NO) J100013
第三章 實驗參數定義與田口方法
實驗所使用的方法是將電鑄鑽石階梯鑽裝設在 V-30 立式綜合加
工中心機上，石英玻璃試片裝置在實驗設施上，再將設施內注入約一 半的水量，在搭配幫浦一抽一吸的水不斷循環下，了解在不同的六種 加工參數(鑽尖角、階梯角、鑽石粒度、主軸轉速、啄鑽深度及進給 速率)條件下，其於鑽削石英玻璃試片時，看其石英玻璃試片入口與 出口處之破裂情形為何，並記錄其數據分析之。
3.1.1 鑽頭
本實驗採用 18 組不同的電鑄鑽石階梯鑽，來鑽削石英玻璃試片，
藉以達到最小鑽削軸向力與破裂面積之實驗的目的，如圖 2.1 所示。
3.1.2 階梯角
所謂的階梯角即是二個不同直徑大小鑽頭之間所夾的角度，如圖 2.1 所示。若鑽頭的階梯角太小，將會影響此鑽頭的強度。反之，若 鑽頭的階梯角太大，將會影響此鑽頭的鑽削推力。本實驗所使用的階 梯角有 0 度、60 度及 130 度三種。
3.1.3 鑽尖角
所謂鑽尖角就是鑽頭的角度，鑽頭角度的大小將會影響鑽頭的壽
命也會影響鑽出工件的品質優劣與其內部的應力。本實驗所使用的鑽 尖角有 60 度 與 130 度 二種。
3.1.4 主軸轉速
一般而言，主軸轉速是一個很重要的條件，因為若主軸轉速太 慢，則工件無法鑽削；主軸轉速太快，則鑽頭壽命會縮短，故一般鑽 削玻璃的主軸轉速約在 5000 rpm 以上。本實驗所採用的主軸轉速有 5000 rpm、5400 rpm 與 5800 rpm 三種模式。
3.1.5 啄鑽深度
所謂的啄鑽深度係指，鑽頭鑽削到一定的深度後，再拉回至指 定的位置(距離)，且反覆不停地直到鑽穿為止，而不是一次就把工件 直接鑽穿。此法不僅可以防止鑽削過熱的問題，且又可防止鑽頭斷裂 的問題。本實驗啄鑽深度採用 0.5 mm、1 mm 及 1.5 mm 三種模式進 行。
3.1.6 進給速率
進給速率的大小會影響工件切削出來的表面粗度與刀具壽命，但 不是進刀越慢刀具壽命會越長，有時反而會有相反的結果。由於加工
試片的厚度較小，為了可以比較詳細觀察鑽削過程中的軸向力分佈，
故鑽削時的切削速率採用較低的進給速度，以稍微拉長鑽削過程時 間。因此實驗選擇的進給速度有 8、10 及 20 mm/min，並撘配 3 種不 同主軸轉速做不同實驗規畫。
3.1.7 軸向力
實驗量測的軸向力，是取鑽削時鑽頭出口前的軸向力大小。為量 測 鑽 削 時 出 口 的 軸 向 力 ， 本 實 驗 係 利 用 Kistler-9257 動 力 計 與 Kistler-5011 電荷放大器，先將 Z 方向的軸向力擷取出來再放大，且 透過個人電腦的 LabVIEW 監控程式，將整個電鑄鑽石階梯鑽鑽削過 程的軸向力變化記錄，並儲存之，最後再透過計算擷取目標位置(鑽 頭出口前)的軸向力。
3.1.8 鑽石粒度
所謂的粒度即是指每一英寸(2.54 公分)×每一英寸(2.54 公分)面積 所能通過的粒徑大小。若粒度越小，則工件加工後表面會越粗糙。反 之，若粒度越大，則工件加工後表面越細緻。然不管電鑄的粒度大或 小，均會影響整體鑽孔的品質與軸向力大小，故本實驗所採用的粒度
3.2 田口方法
田口方法最大的特點在於可以較少的實驗數據，取得有用的資訊 進行要素特性分析。此法雖不如全因子分析可以真正找出確切的最佳 化條件，然其仍較全因子分析法有以下特點：(1)基於品質損失函數 之品質特性、(2)實驗因子的定義與選擇、(3)S/N 比、(4)田口直交表。
通常在實施田口方法分析的步驟有下列十項：
1. 選定實驗品質特性。
2. 判定品質特性之理想機能。
3. 列出所有影響品質特性的重要因子。
4. 定出信號因子的水準數。
5. 定出控制因子的水準數。
6. 定出干擾因子的水準數。若必要時，可進行干擾實驗。
7. 選定適當的直交表，並安排完整的實驗計劃。
8. 執行實驗，並記錄實驗的數據。
9. 進行資料分析。
10. 確認實驗。
田口式直交表雖以較少的實驗次數(相對於全因子法)，以獲得有 用的統計資訊，然總會有精度上的損失。但對解決工程品質狀況而
言，田口式直交表亦已足夠應付。其中，田口方法最大的特色在於可
(3) 望大特性（Larger the Better）：當表示值為正，且其值越大越好，
則其特性值稱之為望大特性。如材料之各種強度、生產產能、能 源使用效率等。將公式 3.2 中之 yi倒數，則可得到望大特性的品質 損失公式為:
田口博士將平均品質損失函數以對數轉換、乘 10，且取反號，
將其稱為 S/N 比，以作為品質的同義字。故 S/N 比可以寫成:
MSD
N
S/ 10log [3.4]
透過田口直交表可以預測出最佳參數的組合，然此組合不一定會 出現在田口直交表中。通常都是預測值，故為增加其預測的準確性，
吾人須做一很關鍵的假設，即每一個因子的效應是獨立的，且其任何 兩個因子之間沒有交互作用(Interaction)，或是說任何兩個因子間沒有 相互作用。
第四章 實驗結果與討論
本實驗研究係透過田口式實驗方法，以探討電鑄鑽石階梯鑽於鑽 削石英玻璃材料之破裂影響。其主要目的是了解鑽削參數(鑽尖角、
主軸轉速、啄鑽深度、進給速率、階梯角與磨粒粒度)，對於電鑄鑽
主軸轉速、啄鑽深度、進給速率、階梯角與磨粒粒度)，對於電鑄鑽