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高速銑削SKD61 模具鋼用端銑刀製程參數最佳化設計

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Academic year: 2021

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(1)

高速銑削 SKD61 模具鋼用端銑刀製程參數最佳化設計

呂淮熏

國立虎尾科技大學機械與電腦輔助工程系

摘 要

本研究以田口法探討高速銑削 SKD61 模具鋼用端銑刀製程參數最佳化設 計。評估銑削製程之性能指標為刀具壽命,影響刀具壽命之製程參數有主軸轉 速、每刃進給、軸向切深、徑向切深、螺旋角、徑向切削角、徑向離隙角、軸 向切削角與軸向離隙角。文中藉由田口法,以刀具壽命為性能指標求得製程參 數最佳水準組合。驗證結果顯示,以田口法所得製程參數最佳水準組合,確實 能夠有效改善刀具壽命。

關鍵詞:田口法,高速銑削,端銑刀,最佳化,刀具壽命。

OPTIMAL PROCESS PARAMETER DESIGN OF END-MILL FOR HIGH SPEED CUTTING SKD61 MOLD STEEL

Huai-Shiun Lu

Department of Mechanical and Computer-Aided Engineering National Formosa University

Yunlin, Taiwan 632, R.O.C.

Key Words: Taguchi method, high speed cutting, end-mill, optimization, tool life.

ABSTRACT

This study uses the Taguchi method for the optimal processing parameter design of end-milling for high speed the cutting of SKD61 mold steel. Tool life is the major performance index of the cutting process.

The cutting processing parameters of end-milling for high speed cutting are spindle speed, feed per tooth, radial depth of cut, axial depth of cut, helix angle, radial rake angle, radial relief angle, axial rake angle and axial relief angle. The optimal processing parameters can be evaluated by the Taguchi method. The results of confirmation experiments show that the Taguchi method can be effectively used to evaluate the optimal processing parameters. Thus, the tool life of high speed cutting tools for SKD61 mold steel can be improved effectively.

一、前 言

由於航太產業、模具加工業、汽機車零件產業與 3C 產品等加工領域發達,使得銑削工件的端銑刀需求量大 增,且科技的進步,使產品的精密度要求越來越高,故高

精度刀具需求相當迫切需要。切削刀具是製造工業上非常 重要的技術工具,刀具品質的好壞,直接影響切削性能、

刃口磨損、刀具壽命…等。刀具之刀刃研磨是刀具製造最 重要過程,也是決定刀具幾何形狀精度及切削性能之關 鍵。刀具刀刃幾何形狀複雜,具不同的工件材料,其適用

(2)

的刀具幾何角度基本上也不相同。

SKD61

模具鋼具有高韌性、高強度、耐磨耗、易切 削及容易表面處理等特性,為業界在製做模具上有相當 的應用,模具鋼因而稱之。目前 SKD61 模具鋼之加工方 式為先採粗切削加工至預留尺寸,再經手工研磨、拋光 等加工製程,然後再經試模、合模,直到合乎要求為止,

相當費時且耗費成本。由於高速銑削精度極高,故若使 用高速銑削,可因此縮短手工研磨及拋光之工時,顯著 縮短製模週期,大大縮減了製造成本與時程,故模具的 製作若得以應用高速銑削的方式進行有效率的加工,將 對產業界的競爭力有著其莫大的助益[1]。因此,研磨適 當的刀具幾何角度及選用最佳的切削條件來高速銑削

SKD61

模具鋼,以增進刀具壽命,降低生產成本,是模 具製造業者所企盼的。

粗銑製程之切削性能,主要是刀具壽命,而刀具壽命 與製程參數是息息相關的,製程參數包含刀具幾何角度與 切削條件。為了得到良好的切削性能,除了機器本身必須 具備足夠的剛性與動態特性外,選用適當的製程參數值也 是必備的。如何藉由有系統、有效率的實驗方法,而能夠 提供最佳的製程參數值,是工程上所期望的。

近年來,學者們以刀具壽命為性能指標探討切削製程 參數最佳化,提出許多相關的見解與探討。學者曹中丞[2]

應用田口方法探討銑削 6061 鋁合金時以刀腹磨耗為性能 指標探討最適切削參數。湯富俊[3]以氮化鋁鈦 (TiAlN) 鍍 膜 碳 化 鎷 球 形 端 銑 刀 高 速 銑 削 SKD61 模 具 鋼 (40-

53HRC)

,探討加工參數對刀具磨耗 (壽命)、切屑形成、

切屑形式、切削力及表面粗糙度之影響及加工參數的重要 性評估。Yang 等學者[4]探討車削 S45C 中碳鋼時,分別以 刀具壽命及表面粗糙度為性能指標,尋找最佳切削參數。

李炳寅等學者[5]使用氮化鋁鈦鍍膜碳化鎷圓鼻端銑刀高 速銑削 SKD61 模具鋼,分析切削條件對刀具壽命及刀具磨 耗之影響,結果顯示,在同一切削速度下,不同進給率,

其刀具壽命之差異不明顯。林文鋒等學者[6]以刀具壽命與 金屬移除率為切削性能指標,應用模糊田口法探討側面銑 削 SUS304 不銹鋼重切削製程時切削參數最適化設計。謝 雨泓[7]研究切削 NAK80 模具鋼最佳刀具幾何外形設計,

以刀具壽命為性能指標,應用田口法探討刀具幾何角度參 數最佳水準組合。Chang 等學者[8]探討高速端銑 SKD61 模具鋼 (HRC40) 粗銑製程時,以刀具壽命及金屬移除率 為性能指標之最佳切削參數設計。阮岱珈等學者[9]研究高 速切削 SKD61 模具鋼時刀具幾何角度對切削性能之影響 並以多項式網路建構刀具磨耗預測模式。

由文獻探討可知,過去研究者大都只單獨針對切削條 件或刀具幾何角度對切削性能的影響尋找最適合的製程參 數。本文則將刀具幾何角度與切削條件等共九個製程參數 結合在一起,在一定的製程參數值範圍內,探討以刀具壽 命為性能指標,高速銑削 SKD61 模具鋼用端銑刀之製程參 數最適化設計。文中首先以直交表進行實驗佈置,利用刀

具研磨軟體搭配五軸工具磨床研磨實驗所需要端銑刀,再 對 SKD61 模具鋼進行高速銑削,最後以田口參數設計尋找 一組最佳製程參數組合。分析結果,可提供給模具加工業 或刀具製造業做為研發高速銑削 SKD61 用端銑刀之參考 依據。

二、實驗設置

本 文 旨 在 探 討 以 刀 具 壽 命 為 性 能 指 標 高 速 切 削

SKD61

模具鋼用端銑刀製程參數最適化設計。實驗規劃分 成兩部份,即端銑刀研磨與高速銑削實驗。

實驗所需要的端銑刀是以直徑 8 mm 的碳化鎢圓棒在 鼎維工業股份有限公司出品之 TG-5PLUS 工具磨床上研磨 完成,砂輪主軸最高轉速為 6000 rpm。研磨完成的端銑刀 是以 Zoller genius3 刀具量測儀進行端銑刀各個幾何角度 量測。

銑削實驗採用的加工機為匠澤工具機廠出品之 B8 型 高速綜合加工機,主軸最高轉速為 22000 rpm。實驗材料 為 SKD61 模具鋼,硬度 HRC40,工件尺寸為 200 mm × 50

mm × 80 mm

。端銑刀伸長量保持在 38 mm,靜態偏擺保持 在 0.5 mm 以內,刀具動平衡以 Haimer TD-99 刀具動平衡 機進行刀具偏擺的量測,刀具動平衡測試要求在 0.02G 以 內。銑削完成的端銑刀以 OLYMPUS STM5-BDZ 3D 工具 顯微鏡量測儀來量測端銑刀之側刃及端刃刀腹磨耗量。

三、實驗設計

1.

切削性能評估

實驗是以刀具壽命來做為評估切削性能的指標。一般 而言刀具壽命越長,刀腹磨耗率越小,因此,本文以刀具 之刀腹磨耗率來取代刀具壽命。刀腹磨耗有端面刀腹磨耗 與側刃刀腹磨耗。刀腹磨耗率定義如下:

刀腹磨耗率 = 刀腹磨耗平均值

切削時間

(1)

2.

製程參數選擇及其水準值之決定

為求減少實驗次數,本文應用直交表來進行實驗的配 置與分析,且仍可獲得與全因子實驗非常相近之分析效 果,藉以達到降低實驗次數與成本之目的。影響刀具壽命 主要有切削條件與刀具幾何角度。切削條件有主軸轉速

(A)

、每邊進給 (B)、軸向切深 (C) 及徑向切深 (D) 等四 個參數;刀具幾何角度主要有螺旋角 (E)、徑向切削角

(F)

、徑向離隙角 (G)、軸向切削角 (H) 及軸向離隙角 (I) 等五個參數。本文將這九個製程參數視為影響刀具壽命的 可控制因子,各可控制因子分別設定三個水準。有關本實 驗選用之製程參數及其水準值,如表一所示。

(3)

表一 製程參數及其水準值

符號 製程參數 單位 水準 1 水準 2 水準 3

A

主軸轉速

rpm 10000 15000 20000 B

每刃進給

mm/t 0.02 0.04 0.06 C

軸向切深

mm 0.6 0.8 1 D

徑向切深

mm 0.6 0.8 1

E

螺旋角

25 35 45

F

徑向切削角

4 8 12 G

徑向離隙角

7 12 17 H

軸向切削角

2 5 8 I

軸向離隙角

4 8 12

表二 實驗佈置

A B C D E F G H I No. (rpm) (mm/t) (mm) (mm) (

度) (度) (度) (度) (度)

1 10000 0.02 0.6 0.6 25 4 7 2 4 2 10000 0.02 0.6 0.6 35 8 12 5 8 3 10000 0.02 0.6 0.6 45 12 17 8 12 4 10000 0.04 0.8 0.8 25 4 7 5 8 5 10000 0.04 0.8 0.8 35 8 12 8 12 6 10000 0.04 0.8 0.8 45 12 17 2 4 7 10000 0.06 1.0 1.0 25 4 7 8 12 8 10000 0.06 1.0 1.0 35 8 12 2 4 9 10000 0.06 1.0 1.0 45 12 17 5 8 10 15000 0.02 0.8 1.0 25 8 17 2 8 11 15000 0.02 0.8 1.0 35 12 7 5 12 12 15000 0.02 0.8 1.0 45 4 12 8 4 13 15000 0.04 1.0 0.6 25 8 17 5 12 14 15000 0.04 1.0 0.6 35 12 7 8 4 15 15000 0.04 1.0 0.6 45 4 12 2 8 16 15000 0.06 0.6 0.8 25 8 17 8 4 17 15000 0.06 0.6 0.8 35 12 7 2 8 18 15000 0.06 0.6 0.8 45 4 12 5 12 19 20000 0.02 1.0 0.8 25 12 12 2 12 20 20000 0.02 1.0 0.8 35 4 17 5 4 21 20000 0.02 1.0 0.8 45 8 7 8 8 22 20000 0.04 0.6 1.0 25 12 12 5 4 23 20000 0.04 0.6 1.0 35 4 17 8 8 24 20000 0.04 0.6 1.0 45 8 7 2 12 25 20000 0.06 0.8 0.6 25 12 12 8 8 26 20000 0.06 0.8 0.6 35 4 17 2 12 27 20000 0.06 0.8 0.6 45 8 7 5 4

3.

直交表的選擇與實驗佈置

直交表的選擇與製程參數的總自由度有關。在高速切 削實驗中,三水準的製程參數有九個,製程參數間之交互 作用於本規劃實驗中忽略不計,因為製程參數之自由度為 水準數減一,故製程參數的總自由度為 18。直交表的自由 度必須大於或至少等於所有製程參數之自由度,L27直交表

1 刀刃各部位名稱[10]

3D

2 圓鼻端銑刀研磨流程圖

共有 26 個自由度,故 L27直交表可配置 13 個三水準因子,

因此符合本實驗之要求,故本實驗選擇 L27直交表。其製 程參數配置如下,將主軸轉速置於 L27直交表的第一行、

每刃進給置於第二行、軸向切深置於第三行、徑向切深置 於第四行、螺旋角置於第五行、徑向切削角置於第六行、

徑向離隙角置於第七行、軸向切削角置於第八行、軸向離 隙角置於第九行,實驗佈置如表二所示。

四、端銑刀研磨

端銑刀是由刀柄和刀刃所組成,而刀柄是燒結在刀座 上,再把刀座裝在高速主軸上,來進行銑削加工。刀刃是 端銑刀最主要部位,刀刃各部位名稱,如圖 1 所示。圖 2 為端銑刀研磨流程圖。

(4)

表三 端銑刀幾何角度量測結果

螺旋角 (度) 徑向切削角 (度) 徑向離隙角 (度) 軸向切削角 (度) 軸向離隙角 (度)

No.

量測 1 量測 2 量測 1 量測 2 量測 1 量測 2 量測 1 量測 2 量測 1 量測 2

1 24.91 24.91 3.58 3.42 6.62 6.90 1.99 2.03 4.90 4.46 2 34.90 35.01 6.63 6.80 11.76 11.76 5.10 5.07 8.62 8.66 3 44.94 45.02 11.85 11.20 16.59 16.18 7.28 7.51 12.70 12.76 4 24.96 25.02 2.98 3.71 6.99 6.77 4.52 4.99 8.52 8.55 5 35.00 35.03 7.28 6.71 11.57 11.72 8.05 8.32 12.53 12.43 6 44.99 45.01 11.03 12.22 15.93 15.80 2.58 2.38 4.79 4.64 7 25.05 25.01 3.06 3.37 6.76 6.89 7.98 8.25 12.75 12.74 8 34.93 35.03 7.71 8.32 11.77 11.85 2.00 2.39 4.52 4.87 9 44.81 44.95 11.36 11.12 16.26 16.26 4.79 5.19 8.70 8.67 10 25.07 25.05 8.30 8.21 16.85 16.72 2.15 2.39 8.79 8.82 11 35.09 35.06 10.86 11.18 6.63 6.71 5.43 5.09 12.61 12.32 12 44.94 44.83 2.97 3.48 11.52 11.02 7.82 7.58 5.11 4.86 13 25.05 25.07 7.40 7.86 16.93 16.98 4.88 4.99 12.54 12.50 14 35.11 35.04 10.75 11.83 6.84 7.58 8.45 8.17 4.77 4.96 15 44.97 45.05 3.92 3.03 11.63 11.53 2.45 1.96 8.92 8.52 16 25.06 25.14 7.77 7.85 16.57 16.85 7.79 7.99 4.68 4.80 17 34.97 34.91 12.13 11.16 6.93 6.65 2.72 2.32 8.95 8.51 18 44.95 44.95 3.63 3.68 11.23 11.59 5.42 5.27 12.56 12.50 19 25.00 25.07 12.06 12.12 12.03 11.76 2.73 2.51 12.53 12.54 20 34.86 34.93 3.35 3.45 16.16 16.26 5.22 4.97 4.70 4.67 21 44.98 45.04 7.36 7.30 6.51 6.70 8.25 8.15 8.87 8.56 22 25.03 25.01 11.60 10.54 11.87 11.82 5.74 5.54 4.23 4.80 23 34.83 34.81 2.92 3.45 16.72 16.66 8.03 7.84 8.82 8.43 24 45.04 45.06 8.07 7.90 7.17 6.70 1.75 1.33 12.40 12.43 25 25.04 25.02 11.75 10.52 11.96 12.02 8.08 8.24 8.46 8.35 26 34.85 34.89 3.23 2.83 16.60 16.76 1.83 1.54 12.50 12.49 27 45.04 45.01 7.89 7.57 6.44 7.86 4.57 4.51 4.96 4.77

刀具研磨部分是以直徑 8 mm 之碳化鎢圓棒為素材,

依表二之 E~I 行刀具幾何角度組合,以刀具研磨軟體搭配

TG-5PLUS

五軸工具磨床,研磨出實驗所需要的端銑刀。

研磨程序:徑向切削角 (含螺旋角)軸向切削角徑向離 隙角 (凹離隙)軸向離隙角。每一種刀具幾何角度組合研 磨二支端銑刀。研磨完成的端銑刀再藉由刀具角度量測儀 器 Zoller genius 3 進行刀具幾何角度量測,表三為實驗用 端銑刀各個幾何角度量測的結果。圖 3 為研磨完成端銑刀 照相圖。

五、銑削實驗

五軸工具磨床將不同刀具幾何角度之端銑刀研磨完 成之後,接著對 SKD61 模具鋼做高速銑削加工。銑削實驗 是在 B8 型高速綜合加工機上以噴氣方式進行加工,圖 4 為高速銑削實驗加工示意圖。

依表二所示之製程參數組合依序對 SKD61 模具鋼進 行銑削,實驗若達到以下兩個條件之一時,即連續銑削最 大總長度達 20 m 或刀腹崩潰 (出很長火花) 時,實驗即結

3 端銑刀照相圖

束,然後計算切削所需時間,並將刀具置於放大倍率為 100 倍的工具顯微鏡 (OLYMPUS STM5-BDZ) 上量取刀腹磨 耗量。刀腹磨耗量測點的位置,如圖 5 所示,A、B、C、

D

等 4 個點為圓鼻刀端刃的刀腹磨耗量,E、F、G、H 等

4

個點為圓鼻刀側刃的刀腹磨耗量。本文是取 A、B、C、

D

、E、F、G、H 等 8 點磨耗量的平均值除以切削時間所 得刀腹磨耗率作為刀具壽命判斷之依據。每一製程參數組 合重覆實驗兩次,實驗結果如表四所示。

(5)

4 高速銑削實驗加工示意圖

FB

CG

D H E

E A

5 端銑刀刀腹磨耗量測點示意圖

六、分析與討論

經由銑削實驗得到刀腹磨耗率之品質特性,接下來以 田口參數設計進行製程參數最佳化設計,其步驟如下:

(

一) 將實驗結果轉換成 S/N 值。

(

二) 將 S/N 值作各因子水準的平均 S/N 值回應表。

(

三) 藉由 S/N 值回應表找出製程參數最佳水準組合。

(

四) 變異數分析。

(

五) 進行確認實驗。

1. S/N

比計算

在田口方法中,將各品質特性轉為 S/N 比,利用 S/N 比找出品質最佳及變異最小的設計。在田口法中將品質特 性分為望小特性、望大特性及望目特性三種。刀具壽命越 長,刀腹磨耗率越小,則切削性能越佳,因此,刀腹磨耗 率為望小特性。望小特性之 S/N 比計算式為:

2 1

10 log( ) dB

n i i

y n η

=

= −

(2)

式中,yi為各組在第 i 次之實驗值,n 為各組實驗之次數,

本文之 n 為 4。將表四所列實驗結果代入公式 (2) 轉換成

S/N

比,結果列於表四最右一行。通常 S/N 比愈大,表示 品質特性愈佳。

2.

製程參數最佳化水準組合

表四 實驗結果及其相對應的S/N 切削時間 (min) 刀腹磨耗率 (mm/min)

No.

量測 1 量測 2 量測 1 量測 2

S/N

(dB) 1 1.000 1.750 0.30815 0.17803 11.984 2 17.500 17.500 0.01588 0.01270 36.846 3 17.500 17.500 0.01368 0.01586 36.589 4 0.500 0.375 0.45120 0.97150 2.413 5 8.750 8.750 0.02845 0.03007 30.671 6 8.750 8.750 0.02366 0.02481 32.309 7 0.500 0.333 0.11003 0.26607 13.825 8 5.833 5.833 0.04359 0.04439 27.133 9 5.833 5.833 0.03925 0.03738 28.330 10 3.833 4.167 0.06402 0.06900 28.536 11 1.000 1.167 0.23110 0.23723 12.609 12 1.667 1.667 0.15099 0.14079 16.714 13 5.833 5.833 0.04079 0.03482 28.422 14 1.583 1.833 0.21674 0.19436 13.729 15 3.417 3.917 0.07392 0.05655 23.634 16 3.889 3.889 0.05959 0.06234 24.296 17 2.000 2.278 0.13408 0.13909 17.291 18 3.889 3.889 0.06309 0.06769 23.684 19 0.875 0.875 0.23092 0.22366 12.867 20 1.000 1.125 0.21980 0.18227 13.897 21 0.250 0.125 0.35260 0.43880 8.002 22 0.875 1.063 0.28223 0.25894 11.346 23 1.750 1.438 0.15163 0.17984 15.580 24 0.375 0.250 0.41240 0.41120 7.706 25 2.583 2.500 0.15217 0.16326 16.037 26 2.917 2.917 0.06589 0.07182 23.233 27 0.208 0.292 0.76322 0.42637 4.178

S/N

比回應表主要目的是決定每一個因子的最適水 準。根據 S/N 比的定義,S/N 比越大代表品質越佳 (損失 越小),故要選擇各因子 S/N 比較大的水準。

由表四刀腹磨耗率之 S/N 比值,計算每個控制因子的 每一水準平均值,結果如表五所示。在望小品質特性中,

S/N

比增加時,會同時減少製程變異與平均值,因此要找 尋最高之 S/N 比參數組合即為最佳參數組合,故由表五刀 腹磨耗率之 S/N 比回應表可知,每一製程參數最佳水準 為:主軸轉速取第一水準 (10000 rpm)、每刃進給取第三水 準 (0.06 mm/t)、軸向切深取第一水準 (0.6 mm)、徑向切深 取第一水準 (0.6 mm)、螺旋角取第二水準 (35°)、徑向切 削角取第二水準 (8°)、徑向離隙角取第三水準 (17°)、軸 向 切 削 角 取 第 一 水 準 (2°) 、 軸 向 離 隙 角 取 第 三 水 準

(12

°),製程參數最佳水準組合為 A1

B

3

C

1

D

1

E

2

F

2

G

3

H

1

I

3。由 表五可知,在所給定的製程參數值設定範圍內,製程參數 對品質特性的影響依序為:徑向離隙角、主軸轉速、螺旋 角、徑向切削角、徑向切深、軸向離隙角、軸向切深、軸 向切削角、每刃進給。

(6)

表五 刀腹磨耗率之S/N比回應表

符號 控制因子 水準 1 水準 2 水準 3

Max-Min

A

主軸轉速

24.4643 20.4350 12.5385 11.9258 B

每刃進給

19.2271 18.4322 19.7785 1.3463 C

軸向切深

20.5918 17.9755 18.8709 2.6163 D

徑向切深

21.6280 18.3899 17.4199 4.2081

E

螺旋角

16.0808 21.2209 20.1361 5.1401

F

徑向切削角

16.1073 21.1988 20.1317 5.0915 G

徑向離隙角

10.1929 22.1036 25.1413 14.9484 H

軸向切削角

19.9747 17.9693 19.4937 2.0054

I

軸向離隙角

17.2960 19.0743 21.0674 3.7714 S/N

比之平均值 = 19.1459

表六 刀腹磨耗率之S/N比變異數分析

符號 製程參數 自由度 平方和 均方和

F

貢獻率 (%)

A

主軸轉速

2 661.6015 330.8008 35.94 28.38

B

每刃進給

2 8.3591 4.1796 0.45 0.36

C

軸向切深

2 32.0005 16.0003 1.74 1.37

D

徑向切深

2 87.5228 43.7614 4.75 3.75

E

螺旋角

2 131.9745 65.9873 7.17 5.66

F

徑向切削角

2 129.6204 64.8102 7.04 5.56 G

徑向離隙角

2 1122.6970 561.3490 60.98 48.16

H

軸向切削角

2 19.5966 9.7983 1.06 0.84

I

軸向離隙角

2 64.3671 32.1836 3.50 2.76

誤差

8 73.6435 9.2054 3.16

總和

26 2331.3830 100.00

F0.05(2,8) = 4.46

3.

變異數

(ANOVA)

分析

S/N

比回應表雖然可找出影響銑削製程顯著的控制因 子,但各因子間通常亦涵蓋著實驗誤差所造成之影響,為 追求更精確之資訊,可從事變異數分析。變異數分析可分 解出各個控制因子與誤差所造成的變動,可提供各控制因 子對工程系統之輸出變異更明確之數據分析。

S/N

比之變異數分析,取決於將每次實驗所得之各個 品質特性值轉成適當 S/N 比,然後以 STATISTICAL 統計 軟體對表四刀腹磨耗率之 S/N 比進行變異數分析,結果如 表六所示。由變異數分析可知,影響品質特性之顯著控制 因子 (F 比 > F0.05(2, 8)

= 4.46)

依序為徑向離隙角 (G)、主 軸轉速 (A)、螺旋角 (E)、徑向切削角 (F)、徑向切深 (D)。

誤差項的百分比,ρerror, 可用來評估本實驗是否具備 適當性或充分性,因為誤差項 (error) 是關係到控制因子 以外的不確定因子或無法控制的因子。根據經驗,若ρerror

15%

,可認為此實驗並無忽略一些重要因子;若ρerror

50%

,可推斷有些重要因子被忽略了,故實驗結果將不甚 理想。 在本研究中, 由刀腹磨耗率之變異數分析表可知,

誤差因素所引起的變動,其貢獻率最大僅占 3.16%,表示 本實驗設計之控制因子的選擇與安排頗為適當與合理,本

實驗的結果具有相當程度的可靠性。

4.

確認實驗

為了確認本文所提出的演算法成功與否,本文應用田 口法中加法模式與信賴區間來作驗證。根據表五之 S/N 比 回 應 表 所 得 到 的 製 程 參 數 最 佳 水 準 組 合 為 A1

B

3

C

1

D

1

E

2

F

2

G

3

H

1

I

3。首先運用加法模式計算製程參數最佳水準組 合的 S/N 比。製程參數最佳水準組合之 S/N 比預測值

predicted

η 計算如下:

1 3 1 1 2 2 3 1

3

8

= 24.4643 + 19.7785 + 20.5918 + 21.6280 + 21.2209 + 21.1988 + 25.1413 + 19.9747 + 21.0674 8 19.1459

= 41.8985

predicted A B C D E F G H

I m

η η η η η η η η η η η

= + + + + + + + +

×

依據 TOP Green 刀具廠所生產的端銑刀之幾何角度及 本研究所得最佳幾何角度,進行研磨確認實驗所需要的端 銑刀,表七為確認實驗用端銑刀幾何角度量測結果。依本 研究所得製程參數最佳水準組合進行確認實驗,結果如表 八所示。確認實驗顯示,最佳製程參數實驗值之 S/N

(7)

表七 確認實驗用端銑刀幾何角度量測結果

螺旋角 (度) 徑向切削角 (度) 徑向離隙角 (度) 軸向切削角 (度) 軸向離隙角 (度) 量測一 量測二 量測一 量測二 量測一 量測二 量測一 量測二 量測一 量測二 現行角度 29.90 30.01 7.06 7.40 16.61 16.87 1.02 1.09 10.89 10.63 最佳角度 35.06 35.12 6.79 6.83 16.57 16.54 2.17 2.35 12.38 12.45

表八 現行製程參數設計與最佳製程參數設計之比較

現行設計 最佳設計 改善量

A = 10000 rpm

,B = 0.06 mm/t

A = 10000 rpm

,B = 0.06 mm/t

C = 0.6 mm

,D = 0.6 mm

C = 0.6 mm

,D = 0.6 mm

E = 30°

,F = 8°

E = 35°

,F = 8°

G = 17°

,H = 1°

G = 17°

,H = 2°

製程參數組合

I = 10° I = 12°

切削長度 (米)

60 60

量測一

0.340 0.311

量測二

0.312 0.288

刀腹磨耗量 (mm)

平均值

0.326 0.300 0.026

量測一

0.014 0.012

量測二

0.012 0.012

刀腹磨耗率 (mm/分)

平均值

0.013 0.012 0.001

S/N

比 (dB)

37.688 38.426 0.740

比為 38.426 dB,非常接近預測值,此說明「加法模式成 立」,並顯示製程參數最佳水準組合之實驗值其再現性良 好。

確認實驗之期望平均值的信賴區間 (confident interval,

CI)

ηpredicted±CI,CI 計算如下:

0.05;1,8

1 1

e eff

CI F V

η r

= × × +

(3)

式中

Ve

=

誤差變異數

eff

1

η =

+ 實驗總次數 顯著因子自由度和

r = 確認實驗的重複次數,本文 r = 2 本文確認實驗做了兩次,故

19 1

5.32 9.2054 7.6778 27 2

CI= × × + =

在 95%的信賴區間為 41.8985 ± 7.6778,即 49.5763 ≤ ηpredicted≤ 34.2207。

由表八可知確認實驗所得 S/N 比為 38.426 dB,落在上 述範圍內,此顯示本文所選擇的顯著因子是適當且正確 的,亦即實驗是成功的。

以現行設計之端銑刀在本研究所得切削條件下進行

銑削實驗並與最佳製程參數實驗之結果比較,結果列於表 八。由表八可知,當銑削長度達 60 m 時,刀腹磨耗量由

0.326 mm

降低到 0.300 mm,S/N 比由 37.688 dB 增加到

38.426 dB

。圖 6 與圖 7 為最佳設計製程參數與現行設計製 程參數下,當銑削長度達 60 m 時刀腹磨耗之照相圖。圖 8 表示在現行設計製程參數與最佳設計製程參數下,切削長 度與刀腹磨耗量之關係。圖中實線曲線為現行設計,虛線 曲線為最佳設計,由圖 8 顯示,虛線曲線大都在實線曲線 之下,此顯示在任一時段,最佳設計之端銑刀的刀腹磨耗 量小於現行設計端銑刀之刀腹磨耗量,亦即最佳設計之端 銑刀將有比較長的刀具壽命。

七、結 論

本研究係探討以刀具壽命為性能指標,高速銑削

SKD61

模具鋼用端銑刀製程參數最佳化設計。結論歸納如 下:

1.

由變異數分析可知,徑向離隙角對刀腹磨耗之影響最為 顯著,其貢獻度高達 48.16%,故刀具幾何角度設計時,

徑向離隙角為一最重要的控制因子。

2.

影響刀腹磨耗之顯著控制因子依序為徑向離隙角、主軸 轉速、螺旋角、徑向切削角、徑向切深,其總貢獻度為

91.51%

3.

由確認實驗顯示,刀腹磨耗實驗值之 S/N 比與預測值之

S/N

比相當接近,此說明加法模式成立,並顯示製程參

(8)

(a)

(b)

6 最佳製程參數下高速銑削SKD61模具鋼60 m 刃與端刃刀腹磨耗照相圖

(a) (b)

7 現行製程參數下高速銑削SKD61模具鋼60 m 刃與端刃刀腹磨耗照相圖

數最佳水準組合之實驗其再現性良好,且由確認實驗亦 顯示,實驗值之 S/N 比落在預測值之 95%信賴區間內,

亦即實驗是成功的。

4.

由田口參數設計所得到的製程參數最佳水準組合為

A

1

B

3

C

1

D

1

E

2

F

2

G

3

H

1

I

3。確認實驗顯示,刀腹磨耗量降低

8.8%

5.

田口參數設計可用於解決端銑刀製程參數最適化設計 問題,因此本研究所得結果可提供給刀具製造廠或刀具 使用者尋求最佳刀具幾何角度及切削條件之參考。

參考文獻

1.

顏耀義,「高速銑削 SKD61 模具鋼表面粗糙度預測模 式之探討」,碩士論文,屏東科技大學,屏東 (2003)。

E = 30°, F = 8°, G = 17°, H = 1°, I = 10°

E = 35°, F = 8°, G = 17°, H = 2°, I = 12°

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

0 10 20 30 40 50 60 70

(m)

(m)

8 切削長度與刀腹磨量之關係 (切削條件A = 10000 rpm, B = 0.06 mm/t, C = 0.6 mm, D = 0.6 mm)

2.

曹中丞,「以田口方法探討切削參數的銑削最佳化設 計」,技術學刊,第 17 卷,第 4 期,第 551-557 頁 (2002)。

3.

湯富俊,「TiAlN 鍍膜碳化鎢刀具高速銑削硬化 SKD61 模具鋼之研究」,碩士論文,清華大學,新竹 (2000)。

4. Yang, W. H. and Tarng, Y. S., “Design Optimization of Cutting Parameter for Turning Operations Based on the Taguchi Method,” Journal of Materials Processing

Technology, Vol. 84, No. 1-3, pp. 122-129 (1998).

5.

李炳寅、阮信和蔡銘焜,「SKD61 模具鋼高速切削性能 分析」,技術學刊,第 17 卷,第 3 期,第 381-386 頁

(2002)

6.

林文鋒和呂淮熏,「模糊田口法於側面銑削重切削製程 切削參數最佳化設計之應用」,技術學刊,第 21 卷,

第 2 期,第 111-116 頁 (2006)。

7.

謝雨泓,「刀具設計與研磨模式之建構」,碩士論文,

臺灣科技大學,台北 (2006)。

8. Lu, H. S., Chang, C. K., Hwang, N. C., and Chung, C. T.,

“Grey Relational Analysis Coupled with Principal Component Analysis for Optimization Design of the Cutting Parameters in High-Speed End Milling,” Journal

of Materials Processing Technology, Vol. 209, No. 8, pp.

3808-3817 (2009).

9.

阮岱珈、呂淮熏和李炳寅,「高速切削 SKD61 模具鋼 刀具之幾何角度切削性能分析」,技術學刊,第 23 卷,

第 1 期,第 39-46 頁 (2008)。

10.

呂淮熏、李炳寅、鍾證違和鐘林樹,「刀具研磨進退刀 製程規劃」,技術學刊,第 22 卷,第 2 期,第 57-64 頁

(2007)

2009年 07 月 14 日 收稿 2009年 07 月 21 日 初審 2009年 09 月 03 日 複審 2009年 09 月 10 日 接受

數據

圖 4  高速銑削實驗加工示意圖  F B C G D HEEA 圖 5  端銑刀刀腹磨耗量測點示意圖 六、分析與討論 經由銑削實驗得到刀腹磨耗率之品質特性,接下來以 田口參數設計進行製程參數最佳化設計,其步驟如下:  ( 一)  將實驗結果轉換成 S/N 值。  ( 二)  將 S/N 值作各因子水準的平均 S/N 值回應表。  ( 三)  藉由 S/N 值回應表找出製程參數最佳水準組合。  ( 四)  變異數分析。  ( 五)  進行確認實驗。  1

參考文獻

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