圖圖圖
圖 1.1 複合材料於各行業之應用圖複合材料於各行業之應用圖複合材料於各行業之應用圖複合材料於各行業之應用圖
圖 圖 圖
圖 1.2 各產業各產業各產業各產業 2009 年年年年 11 月月月月目前目前目前目前碳纖維材料的使用比例碳纖維材料的使用比例碳纖維材料的使用比例 碳纖維材料的使用比例
圖 圖 圖
圖 1.3 波音波音波音波音 787 機體零件所用材料機體零件所用材料機體零件所用材料機體零件所用材料
圖 圖圖
圖 1.4 衝浪板衝浪板衝浪板衝浪板
圖圖
圖圖 1.5 高爾夫球具高爾夫球具高爾夫球具高爾夫球具
第二章第二章第二章
第二章 實驗設備實驗設備實驗設備 實驗設備
2.1 實驗系統設置實驗系統設置實驗系統設置 實驗系統設置
2.1.1 綜合加工中心機之操控綜合加工中心機之操控綜合加工中心機之操控綜合加工中心機之操控
因本研究需使用一部立式電腦數值控制（Computer Numerical Control，CNC）綜合加工中心機，以做為精確控制鑽孔加工之用。而 所謂電腦數值控制，係利用 NC 程式指令輸入數值控制系統之記憶體 後，經由電腦編譯計算，透過位移控制系統，將加工資訊傳至驅動器 以驅動伺服馬達之過程，來自動標準化加工零件。本研究所用之立式 綜合加工中心機係麗偉公司所製(LEADWELL V30)，如圖 2.1 所示。
其控制面板可以編寫所需鑽孔程式分別以主軸轉速、進給速率和鑽孔 深度進行調整。在整個鑽削加工過程中，鑽削參數(階梯直徑比、階梯 角、進給速率與主軸轉速)均會影響複合材料之出口脫層、扭矩與鑽削 推力。
2.1.2 鑽削推力擷取實驗架構硬體設置鑽削推力擷取實驗架構硬體設置鑽削推力擷取實驗架構硬體設置鑽削推力擷取實驗架構硬體設置
有關階梯鑽頭鑽削複合材料之鑽削推力擷取實驗配置，如圖 2.2
方向的鑽削推力訊號擷取出來，然後再透過 Kstler-5011 的電荷放大器 將鑽削推力訊號放大，並且用個人電腦中的 LabVIEW 監控程式將擷 取鑽削推力儲存起來。有關鑽削鑽削推力訊號擷取之配置，如圖 2.3 所示。
2.1.3 C-Scan 脫層掃描實驗硬體設置脫層掃描實驗硬體設置脫層掃描實驗硬體設置脫層掃描實驗硬體設置
本研究採用 C-Scan 超音波的方法，進行碳纖維複合材料的脫層量 測。藉由 100MHz 的類比/數位(Analog/Digital，A/D)卡與缺陷分析軟 體(Defect Analysis Software)，可將掃描到不同深度位置所傳回的超音 波電壓訊號轉換成不同的顏色，顯示在電腦螢幕上，並儲存在電腦硬 碟中。本研究量測脫層之設備為 ACOULAB SCANUP4.1，其系統組 合與連結原理，如圖 2.4 所示。
2.2 實驗設備簡介實驗設備簡介實驗設備簡介 實驗設備簡介
2.2.1 立式綜合加工中心機立式綜合加工中心機立式綜合加工中心機立式綜合加工中心機
本研究所使用之立式綜合加工中心機係麗偉(LEADWELL) V-30 型號，其主軸最大馬力 11kW，最高轉速為 6000rpm，如圖 2.5 所示。
2.2.2 Kistler-9257 動力計動力計動力計 動力計
本研究所使用之動力計係 Kistler-9257 型，如圖 2.6 所示。
2.2.3 Kistler-5011 電荷放大器電荷放大器電荷放大器 電荷放大器
研究所使用之 Kistler-5011 電荷放大器，如圖 2.7 所示。其為數位 調整，具有 1 組測量通道，測量範圍為 ±10 ~ ±999000 pC，感應器敏 感度 0,01 ~ 9990 pC/M.U.及輸出信號為 0 ~ 10 V 等，其它詳細規格，
如表 2.1 所示。
2.2.4 NI DAQ6110-S 介面卡介面卡介面卡介面卡
本研究所使用之 NI DAQ6110-S 介面卡，如圖 2.8 所示。其具有 4 個同步取樣類比輸入，而每通道取樣率為 5 MS/s。且有 2 個 16 位元類 比輸出，單通道取樣率為 4 MS/s，而雙通道取樣率則為 2.5 MS/s。此 外，NI DAQ6110-S 介面卡還具有 8 個數位 I/O 通道及 2 個 24 位元計 數器、類比和數位觸發。
2.2.5 階梯鑽頭階梯鑽頭階梯鑽頭階梯鑽頭
有關本研究所使用之階梯鑽頭，如圖 2.9 所示。其主要材質為高 速鋼，且其大端直徑為 10mm，而小端直徑分別為 2、4、6 mm，鑽尖 角為 118 deg。其它詳細規格，如表 2.2 所示。
圖圖
圖圖 2.1 綜合加工中心機綜合加工中心機綜合加工中心機 綜合加工中心機
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圖 2.3 鑽削推力擷鑽削推力擷鑽削推力擷取實際架構流程圖鑽削推力擷取實際架構流程圖取實際架構流程圖取實際架構流程圖
圖 圖 圖
圖 2.4 ACOULAB SCANUP4.1 脫層量測系統組合脫層量測系統組合脫層量測系統組合 脫層量測系統組合
圖 圖 圖
圖 2.5 LEADWELL V-30 型之立式綜合加工中心機型之立式綜合加工中心機型之立式綜合加工中心機 型之立式綜合加工中心機
圖 圖 圖
圖 2.7 Kistler-5011 電荷放大器電荷放大器電荷放大器電荷放大器
(a)
(b)
(c) 圖圖
圖圖 2.9 階梯鑽頭階梯鑽頭階梯鑽頭階梯鑽頭 小端直徑為
小端直徑為小端直徑為
小端直徑為 4mm 小端直徑為
小端直徑為 小端直徑為
小端直徑為 2mm
小端直徑為 小端直徑為 小端直徑為
小端直徑為 6mm
表表
表表 2.1 Kistler-5011 電荷放大器規格電荷放大器規格電荷放大器規格電荷放大器規格
規格 單位 Type 5011 B00Y26Y38 類型
5011B00Y26Y38 模型(Model) 19'' rack module 調整(Adjustment) Digital
測量範圍(Measuring range) pC ±10...±999000 通道號(No. of channels) 1
頻率範圍(Frequency range) kHz ≈0...200
-3 dB, Filter "OFF"
輸出信號(Output signal) V 0...10
供應(Supply) V 115/230 VAC switchable 工作溫度範圍(Operating temperature range) °C 0...50
質量(Mass) kg ≈2
連接(Connection) BNC neg.
寬度(Width) mm 94
高度(Height) mm 141
深度(Depth) mm
195.00
Dimensions with desktop case Type 5747A1
表表
表表 2.2 階梯鑽頭幾何參數階梯鑽頭幾何參數階梯鑽頭幾何參數 階梯鑽頭幾何參數
鑽頭材質 高速鋼
大端直徑(mm) 10
小端直徑(mm) 2、4 與 6 大端刃長(mm) 122
小端刃長(mm) 12 鑽尖角(deg) 118 螺旋角(deg) 30
階梯角(deg) 80、100 與 120
第三章第三章第三章
第三章 實驗參數定義與實驗規劃實驗參數定義與實驗規劃實驗參數定義與實驗規劃 實驗參數定義與實驗規劃
3.1 實驗參數定義實驗參數定義實驗參數定義 實驗參數定義
一般階梯鑽的用途是在同一次的鑽削動作中，可以產生不同直徑 的階梯孔，以作為沉頭螺絲鎖固之用。但是在鑽削碳纖維複材時，小 端直徑鑽頭會先鑽入材料中。而在小端直徑鑽頭鑽削時，會產生或多 或少的缺陷(脫層)，尤其在小端直徑鑽頭要出去的時候。當小端直徑 鑽頭鑽出材料後，大直徑鑽頭緊接著進入材料，此時大端直徑鑽頭會 將之前小端直徑鑽頭所產生的缺陷全部移除，如此整個階梯鑽鑽削複 材時，會比直接用大端直徑鑽頭鑽孔所得到的缺陷小，因此可以改善 整個鑽削品質。階梯鑽鑽削的動作與鑽削預鑽孔是一樣的，只是鑽削 預鑽孔時要更換鑽頭二次，而階梯鑽只需要一次。因為階梯鑽在其鑽 刃上會有二個不同直徑，因此在二個不同直徑交接處必需要有階梯角 接合。因此二個不同直徑所造成不同的階梯角接合，會對整個鑽削結 果有所影響。此外，如鑽頭進給速率越大，越容易產生脫層。轉速越 高，容易引起高溫(因摩擦生熱)，造成材料會軟化，致使整個鑽削推 力會降低，且容易造成刀具磨損。本研究鑽削實驗所用之階梯鑽材料 為高速鋼，其外觀如圖 3.1 所示。而實驗研究目的在於如何調整鑽削 參數，使鑽削缺陷越小越好。
在相關複合材料之鑽孔加工研究指出，高進給速率、層板內部強 度差、刀具不當的研磨與磨耗或較大之鑽尖角，均是造成鑽削加工品 質降低的主要原因[15-21]。Khashaba 等人實驗發現，進給速率與纖維 體積對鑽削之鑽削推力與扭矩有直接的影響；尤其是在高進給速率情 形下，當鑽削轉速增加時，鑽削推力與扭矩會隨之降低[32]。本研究 為了可以比較詳細觀察鑽削過程中的軸向力分佈，因此鑽削時的切削 速率採用 16~128 mm/min，以探討對鑽削複合材料之影響。
主軸轉速會影響到鑽頭的使用壽命與加工效率。根據文獻中指 出，當鑽削轉速增加時，鑽削推力與扭矩會隨之降低[32]，本次實驗 主軸轉速設定為別為 800、1200 及 1600rpm，分別探討主軸轉速對鑽 削複合材料之影響。
由於複合材料具有非均質的特性，故於鑽削複合材料時影響其鑽 削品質之因素甚多，如圖 3.2 所示。如鑽頭材料的種類(高速鋼、金剛 石、電鑄金剛石及碳化鎢等)、加工機台因素(機台之剛性及精確度 等)、環境影響(溫度、溼度、振動、電磁干擾及氣壓)、基材特性(熱固 性及熱塑性)、鑽削參數(進给速率、進给深度、主軸轉速及鑽削推 力)，以及其他因素(人為誤差及量測錯誤)等，皆為影響整個複合材料
3.2 實驗規劃實驗規劃實驗規劃 實驗規劃
3.2.1 試片與實驗設置試片與實驗設置試片與實驗設置試片與實驗設置
實驗試件是以環氧樹脂(Epoxy)爲基底，編織的 WFC200 碳纖維布 做補強材，其疊層順序爲[0/90]8S，且其熱壓完成後之厚度爲 4 mm，
切割成長寬 60mm 的方塊片。
在本研究所有鑽削過程中，均無添加任何切削液。且同時所有的 鑽削實驗皆在 11kW 麗偉(LEADWELL)型號為 V-30 之立式綜合加工中 心機平台上進行。並利用 Kistler-9273 型動力計，將 Z 軸方向的鑽削推 力訊號擷取出來，然後透過 Kistler-5019 型的電荷放大器將鑽削推力訊 號放大，並且用個人電腦中的 LabVIEW 監控程式將擷取鑽削推力儲 存起來。有關鑽削鑽削推力訊號擷取之配置圖，如圖 3.3 所示。
有關脫層之量測，本研究採用 C-Scan 超音波的方法，進行碳纖維 複合材料的脫層量測。藉由 100MHz 的類比/數位 (Analog/Digital，
A/D) 卡與缺陷分析軟體(Defect Analysis Software)，可將掃描到不同 深度位置所傳回的超音波電壓訊號轉換成不同的顏色，顯示在電腦螢 幕上，並儲存在電腦硬碟中。有關本研究量測脫層之試驗裝置，如圖 3.4 所示。
3.2.1 田口式實驗方法田口式實驗方法田口式實驗方法田口式實驗方法(Taguchi Method)
於 1950 年代，田口玄一(Taguchi Genichi)博士利用簡單的直交表 實驗設計與簡潔的變異數分析，並以少量的實驗數據進行分析，達到
於 1950 年代，田口玄一(Taguchi Genichi)博士利用簡單的直交表 實驗設計與簡潔的變異數分析，並以少量的實驗數據進行分析，達到