不同銑削加工方法對表面粗糙度之影響
李冠宗 李宗保 林裕翔 曾華南 何劭威 張開維
機械工程系
摘要
本文以塑膠鏡片模具之下模仁為例，運用數種 CAM 銑削加工方法配合高速加工機切削，以 6061 鋁 合金為材料，研究不同刀具路徑與刀具對留痕高及表 面粗糙度之影響，依據刀具的參數設定，量測比較粗 糙度之之值，尋求最佳之加工方式，作為加工鏡片模 具之參考。在比較切削表面粗糙度實驗結果，得知於 圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距時，選用尖刀刀具及 採用最佳化等高精加工；圓鼻半徑大於兩相鄰路徑節 距時，選用球刀刀具及採用平行路徑加工，可獲得最 佳表面粗造度值。 關鍵詞：表面粗糙度，銑削加工壹、緒言
一般而言高速銑削與傳統銑削加工不同之處在於 高速銑削是以較淺的銑削深度配合高進给量，並在高 轉速的銑削條件下進行銑削加工，因此可使加工成獲 得較小的銑削力及較低的銑削溫度，達到良好的加工 精度。 樓成章［1］探討 6061-T651 鋁合金在傳統切速及 高切線速度下，不同的切深及進給速度對切削力、表 面粗糙度、切削成型以及刀具磨耗之影響，實驗結果 顯示，當切深固定，切削力隨著切速的增加而降低， 但在1500m/min 之切速附近有一異常的突起，其原因 乃工具機主軸轉速有加大現象。 許彰印［2］探討球型端銑刀在自由曲面的加工過 程中，加工後表面粗糙度的改善為一大問題，分析結 果顯示切削速度、進給、刀具半徑對於表面粗糙度影 響顯著。 廖俊雄［3］比較鋁合金高速銑削與一般銑削之表 面粗糙度的差異，實驗結果在相同的切削條件下，側 面銑削之表面粗糙度比窄槽銑削優 2~5 倍;另高速銑 削與一般銑削在懸臂樑式銑削狀態下，碳化鎢刀具之 銑削效率比高速鋼刀具高3~5 倍。 許皋毓［4］探討銑削加工，紀錄高速銑削技術應 用於模具加工的各種現象，並與一般傳統模具銑削加 工做一評比，實驗結果顯示，高速銑削模具鋼可以得 到0.5μm 的表面平均粗糙度(Ra) ，如提高銑削轉速則 加工效率為一般銑削的4.5 倍。 賴廷鏤［5］有系統的探討鋁合金 6061-T6 材料， 以嵌置合成鑽石刀具之面銑刀銑削加工，利用田口氏 方法中之直交表規劃實驗參數之配置，得出以面銑刀 加工鋁合金6061-T6，其表面粗糙度可達到 Ra =0.548 μm 之鏡面粗糙度規格需求，且最佳條件之預估粗糙 度和驗證實驗結果非常接近，誤差僅為6.6%。 影響工件表面粗糙度的原因很多，包括刀具的幾 何形狀、工件材料、切削液、刀具磨耗、工具機的振 動、切削顫振、進給速度和深度等等，本文以逆向工 程製程取得塑膠鏡片之 3D 點資料，據以建構其下模 仁模型，利用 CAM 軟體產生精加工程式，最後以高 速切削中心銑削下模仁，探討刀具幾何形狀及加工路 徑對加工表面粗糙度之影響。貳、實驗程序
一、實驗所需設備：
軟體（1）ATOS V5.4﹕非接觸式光學 3D 點群照像 （2）Imageware V11﹕逆向工程(RE)-曲面建構 （3）Pro/E wildfire 2.0 ﹕3D-CAD 繪圖軟體 （4）PowerMILL 6.0﹕3D –CAM 加工軟體 硬體：（1）ATOS I﹕非接觸式光學 3D 點群照像設備 （2）高速切削中心機(QM-765) （3）表面量測儀(SV-3000) 二、本實驗流程如圖 1 所示，各實驗流程說明如下： 圖1 實驗操作流程圖 （1）鏡片掃描
利用ATOS（Advanced TOpometric Sensor）光學 量測系統以光柵投影方式對塑膠鏡片作高度解 析掃描，取得鏡片之點群資料，亦輸出成點群資 料與三角網格曲面資料格式（STL 檔），如圖 2 所示。 （a） （b） 圖2（a）塑膠鏡片掃描（b）三角網格曲面資料 （2）建構模型 將 塑 膠 鏡 片 之 點 群 資 料 ， 利 用 逆 向 工 程 軟 體 Imageware 進行鏡片之 class A 自由曲面建構。 （3）下模仁模型建構 將鏡片之曲面資料透過Pro/E Widlfire 軟體建構鏡 片實體模型所產生模型如圖3 所示。 圖3 Pro/E 建立模仁塊 （4）加工程式建構 利用電腦輔助製造(CAM)軟體 PowerMill 建構加工 程式，本文以R3 球刀及 15°尖刀銑削 6061 鋁合金 材料，分別以螺旋銑削、放射狀銑削、平行銑削及 最佳化等高銑削(如圖 4) 所示進行下模仁加工，其 銑削參數(X Y 進給率與 Z 進給率)如表 1 與 2 所示， 主軸轉速設定為12000rpm。 （1）鏡片模型逆向 （2）鏡片模型建立 （3）下模仁模型建 （4）加工程式建模 （5）下模仁銑削 （6）檢測
a
b
圖4 (a)螺旋 (b)放射狀 (c)平行 (d)最佳化等高 表1 球刀加工參數設定 刀具 主軸轉速 RPM 精加工工法 XY 進給率 mm/min Z 進給率 mm/min 螺旋 2000 800 放射狀 2000 800 平行 2000 800 R3 球刀 12000 最佳化等高 2000 800 表2 15°尖刀加工參數設定 刀具 主軸轉速 RPM 精加工工法 XY 進給率 mm/min Z 進給率 mm/min 螺旋 2000 800 放射狀 2000 800 平行 2000 800 15°尖刀 (刀尖半 徑0.5 mm) 12000 最佳化等高 2000 800 （5）下模仁銑削 將 加 工 程 式 匯 入 高 速 切 削 中 心 機 ［ 本 文 以 秀 豐 機 械 QM-765 型進行銑削］其成品如圖 5、6 所示。
(a) 最佳化等高 (b)螺旋
(c)
平行(d)
放射狀 圖5 R3 球刀銑削(a) 最佳化等高 (b)螺旋
(c)
平行(d)
放射狀 圖6 15°尖刀銑削 （6）下模型曲面檢測 本 文 以三 豐公 司之接 觸式 滑動表 面量 測儀器 SURFTEST SV-3000 Series 進行粗糙度檢測，根據 JIS 制標準規範，量測長度為 12.5mm，每段取樣長度為 2.5mm，量測速度是以每秒 1mm 滑動，量測到的參考 資料是以12500 點組成出來的曲線圖。為了避免量測 出來有圓弧曲線的干擾，增加了圓弧補正以去除輪廓 形狀，而留下原始量測的粗糙度值。（量測結果如表 3、4 及圖 7、8 所示）。参、結果與討論
本文以 R3 球刀與 15°尖刀按照放射狀、平行、最 佳化等高與螺旋精加工路徑，於6061 鋁合金材料銑削c d
鏡片下模塊之曲面結構，再利用表面量測儀器的探頭 與路徑外側軌跡成垂直方向，檢測其粗糙度之 Ra 與 Rmax值。 1. R3 球刀加工之曲面粗糙度分析 以球刀加工按不同加工路徑之檢測曲線如圖 7 所 示，表面粗糙度值如表3 所示，及成品外觀圖 5 所示； 由 於 球刀 的圓 鼻 半徑 大於 兩 相鄰 路徑 間 定值 節距 (Pitch)，依檢測數值顯示平行精加工時，其外觀看起 來是最平滑，且幾乎看不到工法的紋路，因為平行精 加工加工路徑是採左右來回方式，故在加工時切削速 度最穩定。以螺旋精加工與最佳化等高精加工，以螺 旋與圓形路徑方式加工，在接近圓心時切削速度雖然 會劇減或劇增現象，但刀鼻半徑值皆大於兩相鄰路徑 的節距(Pitch)值，故這兩種工法表面粗糙度值亦較為 接近。放射狀精加工係由外周向中心內銑削，每一刀 痕間具有一放射狀夾角，在工件外周路徑每一刀痕之 周向間距相對較大，所以工件外周之粗糙度值也較 大。故球刀的圓鼻半徑大於定值節距(Pitch)時：左右 來回路徑優於螺旋路徑，螺旋路徑優於同心圓路徑， 同心圓路徑優於放射狀路徑，故其加工方法優劣為［平 行精加工］優於［螺旋精加工］優於［最佳化等高精 加工］優於［放射狀精加工］。 2. 15°尖刀加工之曲面粗糙度分析 以15°尖刀加工按不同加工路徑之檢測曲線如圖 8 所示，表面粗糙度值如表4 所示，及成品外觀圖 6 所 示，由於15°尖刀加工時是以圓點接觸，刀痕較 R3 球 刀 明 顯。 由於 刀 尖的 圓鼻 半 徑越 接近 於 定值 節距 (Pitch)，依檢測數值顯示最佳化等高精加工是以一圓 圈為一循環，依定值節距(Pitch)往中心循序銑削，則 可獲得最佳的表面粗糙度； 螺旋精加工產生的螺旋 半徑其節距(Pitch)為由大到小，而刀尖的圓鼻半徑與 定值節距(Pitch)亦隨之改變，故表面粗糙度次之；而 平行精加工雖然是定值節距(Pitch)銑削，但其刀具本 身的錐角與工件表面接觸產生一個夾角α 做左右來回 式路徑，所造成表面粗糙度與同心圓或螺旋路徑有些 許的微小差異。放射狀精加工每次從圓心往外做徑向 銑削時，當刀鼻半徑等於兩相鄰路徑間定值節距(Pitch) 的時候都是平滑，但是越往外圓周則產生的兩相鄰刀 具路徑之夾角角越大，使得越外圍的刀痕越明顯，所 以在越接近圓心的地方會有比較光滑的面，超過一定 距離就有明顯的放射狀刀痕。故尖刀的圓鼻半徑接近 於定值節距(Pitch)時：同心圓路徑優於螺旋路徑，螺 旋路徑優於左右來回路徑，左右來回路徑優於放射狀 路徑，故其加工方法優劣為最佳化等高精加工﹥螺旋 精加工﹥平行精加工﹥放射狀精加工。 3. 加工路徑之刀具比較分析 (1)最佳化等高精加工：刀具的圓鼻半徑大於兩相鄰 路徑節距(如球刀)時，其留痕高所造成的表面粗造度 較刀具的圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距(如尖刀) 大；故尖刀刀具最適用於最佳化等高精加工加工。 (2)螺旋路徑：刀具的圓鼻半徑大於兩相鄰路徑節距 (如球刀)時，其留痕高所造成的表面粗造度較刀具的 圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距(如尖刀)小，但粗造 度值相差不會太多，故基於刀具的耗損率因素，球刀 刀具最較適用於螺旋路徑加工。 (3)平行路徑：刀具的圓鼻半徑大於兩相鄰路徑節距 (如球刀)時，其留痕高所造成的表面粗造度較刀具的 圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距(如尖刀)小，基於粗 造度與刀具的耗損率等因素，球刀刀具最適用於平行 路徑加工。 (4)放射狀路徑：刀具的圓鼻半徑大於兩相鄰路徑節 距(如球刀)時，其留痕高所造成的表面粗造度較刀具 的圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距(如尖刀)大，但兩 種刀具粗造度值都比其它工法大太多，除非有加工紋 路考量外，此種放射狀路徑工法應排除在外。
圖7 R3 球刀加工之粗糙度變化 圖8 15°尖刀加工之粗糙度變化 表3 R3 球刀粗糙度值 工法 粗糙度 螺旋 放射狀 平行 最佳化等高 Ra (μm) 0.536 2.173 0.373 0.785 Rmax (μm) 3.873 14.031 2.715 5.325 表4 15°尖刀粗糙度值 工法 粗糙度 A 螺旋 B 放射狀 C 平行 D 最佳化等高 Ra (μm) 0.728 1.372 0.698 0.525 Rmax (μm) 4.957 9.987 4.999 3.426
肆、結論
塑膠鏡片模具之模仁加工表面粗糙度影響後續鑽 以石膏研磨模仁表面之工作時間與表面品質，進而決 定鏡片外表之最佳平滑度、折射、聚焦等。因此模仁 加工對塑膠鏡片產品品質的好壞有決定性之影響，如 果加工方法選擇不當，將造成塑膠鏡片瑕疵及不必要 的損失。因此，在加工前應針對鏡片模仁的幾何形狀 選擇對此最佳的加工方法。按前述實驗分析，比較不 同加工刀具與加工路徑對模仁之曲面粗糙度，其結論 如下： (1) 當圓鼻半徑接近於兩相鄰路徑節距時，選用尖刀 刀具，使用最佳化等高精加工，可獲得最佳表面 粗造度值；由於尖刀刀具壽命較短的耗損率亦相 對提高。 (2) 當圓鼻半徑大於兩相鄰路徑節距時，選用球刀刀 具，使用平行路徑加工，可獲得最佳表面粗造度 值；但刀具的耗損率亦相對減少。亦為本文最理 想的加工方法。參考文獻
［1］樓成章，〈鋁合金高速銑削特性之研究〉(國立成 功大學機械工程研究所，碩士論文，1991) 。 ［2］許彰印<球型端銑刀於高進給下加工之表面粗糙 度統計模式分析>(大同大學:機械工程研究所， 碩士論文，1995) 。 ［3］廖俊雄，〈鋁合金高速切削對表面精度影響之研 究〉(國立中正大學機械工程研究所，碩士論文， 1994) 。 ［4］許皋毓<模具加工趨勢之研究與探討>(國立台灣 大學:機械工程研究所，碩士論文，1995) 。 ［5］賴廷鏤，<鋁合金 6061-T6 銑削加工表面粗糙度 最佳化切削參數研究>(元智大學:機械工程研究 所，碩士論文，1997) 。The analyses of machined surface in the end milling of Al6061：a study of the
milling method and surface roughness
Kuan-Tzong Lee, Thong-Bow Lee
Department of Mechanical Engineering
Abstract
This paper presents the experimental analyses of the surface roughness in the end milling of aluminum alloys Al6061. The influences of the cutting methods (spiral cutting, radial cutting, parallel cutting and optimized constant height cutting) and cutting tools (ball end cut and knife end cut) on the surface roughness are investigates.
