研究動機及目的

第一章 緒論

1.1 研究動機及目的

Inconel 為航太工業常用材料，在細小鑽針鑽削有一定限制及加工之困難度，文獻 參考過程中有不同探討加工特性之紀錄，但尚無大量觀察振動對磨耗之相關連探討，

因此萌發研究之動機。觀察Inconel718 研究論文中,發現刀口鑽削磨秏論文均有完整紀 錄與文獻討論及研究探討，唯獨振動與磨秏相關聯區塊，尚較少人探討磨耗與頻譜分 析之相關研究，因此引發調查及研究之動機。若準確掌握鑽頭磨耗的情況，在鑽頭發 生破壞前更換上新鑽頭，則可避免鑽頭發生崩裂的情況、確保加工零件品質。目前業 界係使用刀具壽命管理機制，經過實際的鑽削測試找出鑽頭的使用壽命，但此方法受 限於每支鑽頭之使用壽命皆不相同，因而必須取使用壽命之下限，但有時即使在刀具 使用壽命內亦會發生鑽頭崩裂異常，因此若能從振動頻譜來預測刀具磨耗情形，則可 避免不必要的成本消秏，更能及時更換鑽頭，有效地提升加工品質及效率。

Inconel 718 鎳基超合金因為具耐高溫之特性，經常應用在航太零組件之製造上，

對精密度也有較高的要求。Inconel 718鎳基合金為 International Nickel 公司於 1959 年開發成功，屬於析出硬化型合金，應用溫度在-250℃ 到 650℃之間，具有良好 的抗拉強度、衝擊韌性、抗腐蝕性、抗氧化性及耐疲勞性等機械性質，因此被廣泛地 應用於製造航太零件的材料，如渦輪葉片、燃燒室、渦輪盤、噴嘴導葉、高壓渦輪段 之內、外機匣及扣件等。其中燃燒室之冷卻孔數量為5~6 千個，另外內機匣及噴嘴導 葉也有冷卻孔需鑽孔加工。引擎原製造廠(Original engine manufacturer, OEM)，如GE、

RR 等，雖然允許以放電加工方式鑽孔，但放電加工效率差且加工時間長。即使以專 用之群孔放電加工機鑽孔加工，但是其設備投資大，又需針對各零件設計專用之放電 電極，且加工速率仍比雷射鑽孔為慢，目前使用之雷射鑽孔是發動機零件之冷卻孔鑽 孔的最佳加工方式。

除此之外，要提高產品的競爭力，經濟的考量也是相當重要的因素。因此要對製 程與參數有相當的瞭解與掌握，才能提升工具機的效能，以提高產品精度與縮短加工

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時間、增加經濟效益。

高速微鑽針是微細加工的一種，在鑽削中，因刀具微小化及主軸轉速越來越快，

由於刀具本身的型態、刀具的磨耗、鑽削過程中的振動問題等一些物理現象對其影響，

若刀具在鑽削時發生振動過大或者鑽削力過大的影響下，進而影響刀具剛性而發生斷 裂，將會對於加工時間、精密度與成本發生不良影響，製造技術的新領域。隨著尖端 科技與加工技術的進步，為了發展達微小元件的精密加工，由傳統鑽削轉成微鑽削中，

對於高精密與高效率加工機平台、刀具的微小化方面仍需要研究與加以探討。

當微細加工尺寸與精度要求特別高之同時，振動方面要求也就更趨於嚴格。因為振 動對於加工精度、加工表面粗糙度都有不良影響，會增大工具磨耗，加速材料疲勞進 而破壞.

直徑在 0.1~0.4mm 左右者稱為微細孔加工。由於微細鑽孔操作方便且經濟性高常 被使用。本研究主要在探討觀察Inconel718 微鑽削之加工特性，高速微鑽針是細微鑽 削加工的一種，在鑽削中其過程產生的振動問題等一些物理現象對其影響越來越重 要，並對鑽削材料後之真圓度、鑽頭鑽削後鑽腹磨秏，並找出最佳加工條件，以提供 參考。

本論文是針對微鑽針實驗,是以工業界廣泛使用之碳化鎢鑽針，並採用 0.3 m 之 鑽針，針對不同加工參數觀察微鑽針刀腹磨秏及孔徑變化的影響，透過適當的實驗分 組配置，並將各組實驗所得之刀腹磨秏及孔徑誤差關係圖，找出最佳參數，分析各項 最佳參數，藉由實驗結果來深入了解鑽削Incone1718 鎳基合金的最佳加工特性。

設定微鑽針實驗，依不同加工條件，利用頻譜分析擷取訊號得到資料，配合田口 法分析獲得研究成果,田口實驗計劃法，運用直交表的觀念，可以相對性較少的實驗次 數，獲得有用的統計資料，有利於做初步或大範圍的工作分析，求出變數的最佳組合，

本實驗是利用間接測量法使用加速規(accelerationsensor)搭配訊號擷取卡，在鑽削過程 中擷取物理量轉換成振動信號和振動頻譜圖(spectrum)，使用訊號擷取卡可收集機具操 作過程各種可能發生振動的原因，提升設備及刀具的可靠度(reliability)及可用度

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(availability)，紀錄鑽頭加工過程中的信號特徵，探討不同磨耗型態對振動頻率的影響 本研究利用振動分析的技術，加速規搭配訊號擷取卡，紀錄鑽頭加工過程信號特 徵，由頻率域的信號得知鑽頭各部份磨耗的狀態，並每隔次鑽孔量取一次磨耗量，分 別量取鑽腹磨秏(flank wear)、利用所紀錄的磨秏量來推斷刀具磨耗順序，並利用人為 破壞的方法將鑽頭四種磨秏所對應的振動頻率分離出來，探討不同磨耗型態對振動頻 率的影響。找尋出振動信號的特徵，可吻合刀具磨耗的順序，因此對於日後生產加工 時，可節省刀具損壞時的處理過程。

本文將以Inconel 718 為對象，微鑽削之加工特性，如真圓度、鑽腹磨耗、在不同 轉速,進給率,材料厚度, 衝頭長度在田口式分析下,找出最佳加工條件，以提供業界 參考。並選擇實驗少有效率之田口式品質方法，找出微鑽頭最小磨耗之最佳鑽削參數 組合。加工過程中，鑽削振動一直是難以探討的一個項目，一般文獻多以直接實驗的 方式討論加工參數對結果的影響，或研究鑽削力之動態分析，振動文獻不多見。

對於鎳基超耐熱合金而言，要如何在不同厚度/進幾率/轉速/鑽針長度限制的條件 下得到高精度與高速微鑽針細微鑽削表現效果，在鑽削中，其過程產生的振動問題等 一些物理現象對其影響越來越重要。本研究以不同進給率、材料厚度含鑽針間距等因 素實驗過後之針頭，用 SEM 來觀察及記錄擴孔真圓度值、在製造機械零件的過程之中，

其目標都是在追求以節省資本的方式來製造機械零件與提升機械零件的品質，而對於 材料品質的提升，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，刀具常會因為振動而加速鈍化，因此磨耗與斷裂會比一 般的大鑽頭嚴重；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。

一直都是工業界相當矚目的問題。所以本文以田口式品質方法進行實驗，以減少實驗 時間增加效率的方式，瞭解鑽削對各加工特性的有效性及可靠性，以及找出實驗組合，

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希望可以提供相關鑽削條件及參考依據給業界和加工者作為參數的選擇。 因此配置最 佳鑽削參數，有效地延長鑽頭壽命及提昇生產效率，是值得探討的方法。