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研究生： 蔡永興
Yung-hsing Tsai
論文名稱： 應用可撓式磁力輔助拋光工具之二維振動研究
Study of two-dimensional vibration using flexible magnetic-assisted polishing tool
指導教授： 顏炳華
Biing-hwa Yan
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 123
中文關鍵詞： 不鏽鋼拋光 、振動輔助 、磁性磨料 、磁力研磨 、拋光墊拋光
外文關鍵詞： stainless steel polishing, vibration-assisted, magnetic abrasive, magnetic abrasive finishing, polishing pad
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    • 傳統的振動輔助方式，多為平行或垂直於工件表面的單軸向往復振動機制，垂直工件表面的振動輔助機制易造成研磨刮痕加深，導致不易得到鏡面效果，而平行工件表面則易造成在同一表面出現重複研磨痕跡，造成表面研磨不均。
    本研究突破以往的振動輔助機構設計限制，以二維度（X-Y平面）橢圓形振動方式輔助磁力研磨加工，其主要目的為利用磁刷旋轉運動與工件二維振動的相互作用，形成緻密十字交叉加工路徑，進而改善加工效率與提高工件的表面品質。研究中除了探討利用鋼砂混和SiC磨粒所組成之非結合式磁性磨粒搭配振動輔助之拋光法外，進一步配合羊毛氈拋光墊輔助，觀察其對於不鏽鋼試片表面粗糙度之改善情形以及SEM表面形貌變化。
    經由田口驗證實驗可以得知，對於表面粗糙度的改善最佳參數組合為：振動平台X軸方向振動頻率1Hz、SiC重量2g、鋼砂重量3.5g、研磨液重量3g、振動平台轉速1500rpm、振動平台振幅0.9mm、鋼砂號數＃120、磁極轉速550rpm（A2B2C2D3E3F3G3H2），並證明在磁力輔助二維振動拋光墊研磨加工最佳參數組合下，能於5分鐘內有效改善不鏽鋼表面粗糙度由Ra 0.14μm改善至0.03μm，改善率達78.57%。且表面粗糙度會隨著加工時間增加而降低，在研磨25分鐘後能達到Ra 0.02μm，表面改善率提高至85.71%。
    進一步針對磨料比例進行實驗，得知機油重量固定為3g時，SiC粉末以及鑽石粉末各添加1g時所獲得的表面粗糙度值最好，可於5分鐘內將不鏽鋼表面粗糙度從原始值Ra 0.14μm改善至Ra 0.025μm，並於25分鐘時達到Ra 0.01μm，達到卓越的鏡面效果。利用此磨料對粗面不銹鋼做加工，可在5分鐘內將其表面粗糙度從原始值Ra 0.23μm改善至Ra 0.02μm，並於25分鐘時達到Ra 0.01μm，顯現出最佳磨料比例優良的表面粗糙度改善能力。

    The normal vibration directions of vibration-assisted magnetic abrasive finishing are all parallel or perpendicular to the surface of workpiece. It’s shortcomings are easily lead to more scratches on the surface, and difficult to obtain mirror effect.
    This study break through previous studies,design a mechanism of two-dimensional(XY plane) vibration assisted to magnetic abrasive finishing. In the study we will use the steel particles and SiC abrasive mixture composed of non-associative with a vibration-assisted magnetic abrasive finishing, then use the polishing pad with vibration-assisted, watch the SEM surface and surface roughness.
    Taguchi experiment can verify that, for the improvement of surface roughness parameters for the best: X Axis Frequency 1Hz, SiC weight of 2g, Grit weight 3.5g, slurry weight 3g, vibration platform speed 1500rpm, Vibration Amplitude 0.9mm, Grit numbers # 120, pole speed of 550rpm（A2B2C2D3E3F3G3H2）.And proved vibration assisted magnetic abrasive finishing method in the best parameter combinations, can effectively improve within 5 minutes of stainless steel surface roughness by the Ra0.14μm down to 0.03μm, to improve the rate of 78.57%, ground 25 minutes later more up to Ra0. 02μm, the surface to improve the rate increased to 85.71%.
    Then study to abrasive ratio, we got when slurry weight 3g, increase SiC weight 1g and diamond powder 1g, the surface roughness will get better. Can effectively improve within 5 minutes of stainless steel surface roughness by the Ra0.14μm down to 0.025μm, ground 25 minutes later more up to Ra0. 01μm, and get outstanding results in mirror effect. Use this abrasive ratio to polishing the rough stainless steel,can effectively improve within 5 minutes of stainless steel surface roughness by the Ra0.23μm down to 0.02μm, ground 25 minutes later more up to Ra0. 01μm, Show the best abrasive ratio have excellent improve capacity in surface roughness.

    目　錄 摘　要 i Abstract ii 謝　誌 iii 目　錄 iv 圖目錄 viii 表目錄 xii 第一章　緒論 1 1-1前言 1 1-2研究背景與目的 4 1-3研究架構 6 1-4文獻回顧 7 第二章　基本原理 12 2-1磁力研磨加工原理 12 2-2磁性磨粒之切削加工機制 15 2-3 PLC可程式控制器原理 17 2-4伺服馬達與伺服驅動器 19 2-5田口式品質工程 22 2-5-1田口方法概述 22 2-5-2實驗設計流程 22 2-5-3決定目標特性 23 2-5-4直交陣列表 25 2-5-5訊號/噪音比 26 2-5-6變異數分析 27 2-5-7驗證實驗 28 第三章　實驗設計與研究內容 30 3-1實驗流程規劃 30 3-2加工構想 32 3-3實驗材料 35 3-3-1工件材料 35 3-3-2磁性磨料 36 3-3-3研磨液 37 3-3-4拋光墊 37 3-4實驗設備 39 3-4-1磁力輔助二維振動研磨機 39 3-4-2磁通量密度計 40 3-4-3 2D表面粗度輪廓形狀量測機 40 3-4-4 3D表面粗度輪廓形狀量測機 41 3-4-5低真空掃描式電子顯微鏡 42 3-4-6精密電子天平 42 3-4-7超音波洗淨機 42 3-5實驗方法 43 3-5-1實驗參數設計 43 3-5-2實驗步驟 46 3-5-3表面粗糙度之量測 46 3-6磁力輔助振動拋光設備開發 47 3-6-1振動輔助機構設計 47 3-6-2磁極距離調整機構設計 48 3-6-3試片定位機構設計 49 3-6-4磁極鋼套形狀設計 50 3-6-5 PLC控制程式撰寫 54 第四章　結果與討論 59 4-1前置實驗 59 4-1-1機台穩定性分析 59 4-1-2不同磁極對於粗糙度之影響 60 4-1-2-1下磁極選用 60 4-1-2-2上磁極選用 60 4-1-3磁粒選用 62 4-1-4磁極間距對粗糙度之影響 62 4-1-5不同研磨液對於粗糙度之影響 63 4-1-6拋光墊對於表面形貌之影響 65 4-1-7實驗參數水準設計 66 4-2實驗結果分析 70 4-2-1振動輔助對磁力研磨之影響 70 4-2-2因子效果回應分析 73 4-2-3變異數分析（ANOVA）及F檢定（F-test） 76 4-2-4驗證實驗 77 4-3單因子實驗 79 4-3-1實驗條件與規劃 79 4-3-2振動平台X方向振動頻率對表面粗糙度之影響 80 4-3-3 SiC重量對表面粗糙度之影響 81 4-3-4鋼砂重量對表面粗糙度之影響 83 4-3-5研磨液重量對表面粗糙度之影響 85 4-3-6振動平台轉速對表面粗糙度之影響 87 4-3-7振動平台振幅對表面粗糙度之影響 89 4-3-8鋼砂號數對表面粗糙度之影響 90 4-3-9上磁極轉速對表面粗糙度之影響 92 4-3-10加工時間對表面粗糙度之影響 94 4-4磨料研究 97 4-4-1實驗條件與規劃 97 4-4-2奈米Fe3O4/C複合粉末重量對表面粗糙度之影響 98 4-4-3奈米Fe3O4/Fe複合粉末重量對表面粗糙度之影響 100 4-4-4鑽石粉末重量對表面粗糙度之影響 102 4-4-5磨料比例對表面粗糙度之影響 104 4-4-6最佳磨料比例加工時間對表面粗糙度之影響 108 4-4-7粗面試片研磨效果比較 113 第五章 結論 117 參考文獻 119 個人簡歷 123 圖目錄 圖1-1磁力研磨不同加工方式 2 圖2-1加工原理示意圖 14 圖2-2磁力輔助二維振動研磨之磨料加工示意圖 15 圖2-3 PLC基本結構 18 圖2-4伺服馬達範圍 19 圖2-5田口法實驗設計流程 23 圖2-6振動輔助平台未啟動之材料移除量 24 圖2-7振動輔助平台啟動之材料移除量 24 圖3-1實驗流程圖 31 圖3-2試片振動方向示意圖 32 圖3-3振動輔助磁力拋光設備示意圖 34 圖3-4磁力輔助拋光墊拋光示意圖 34 圖3-5自行設計之磁力輔助二維振動研磨機 39 圖3-6磁通量密度計 40 圖3-7 2D表面粗糙度量測儀 41 圖3-8 3D表面粗糙度量測儀 41 圖3-9低真空掃描式電子顯微鏡 42 圖3-10試片量測位置圖 46 圖3-11振動輔助機構爆炸圖 47 圖3-12振動輔助機構示意圖 48 圖3-13磁極距離調整機構設計示意圖 49 圖3-14試片定位機構設計示意圖 50 圖3-15磁極鋼套示意圖 50 圖3-16磁極鋼套尺寸圖 51 圖3-17與鋼套結合用塑膠套 51 圖3-18平面無缺口磁極鋼套尺寸圖 52 圖3-19平面無缺口磁極鋼套示意圖 52 圖3-20平面無缺口磁極鋼套尺寸圖 53 圖3-21實心磁極示意圖 53 圖3-22空心磁極示意圖 54 圖3-23振動輔助磁力拋光機構PLC程式 58 圖4-1機台重現性實驗之粗糙度比較圖 59 圖4-2不同磁極對粗糙度之影響 61 圖4-3空心磁極之磁通量分布 61 圖4-4實心磁極之磁通量分布 62 圖4-5不同磁極距離對粗糙度之影響 63 圖4-6以水研磨試片實拍圖 64 圖4-7有無拋光墊對於試片表面SEM形貌比較 65 圖4-8挑選固定實驗時間之事前實驗 68 圖4-9有無振動對於試片表面SEM形貌比較 71 圖4-10二維振動輔助形成之交叉磨痕 72 圖4-11振動輔助開啟與否之比較圖 73 圖4-12表面粗糙度為目標值因子水準回應圖 75 圖4-13振動輔助研磨的鏡面效果 78 圖4-14振動平台X方向振動頻率單因子實驗圖 80 圖4-15振動平台X方向振動頻率對表面粗糙度改善率之影響 81 圖4-16 SiC重量單因子實驗圖 82 圖4-17 SiC重量對表面粗糙度改善率之影響 83 圖4-18鋼砂重量單因子實驗圖 84 圖4-19鋼砂重量對表面粗糙度改善率之影響 85 圖4-20研磨液重量單因子實驗圖 86 圖4-21研磨液重量對表面粗糙度改善率之影響 87 圖4-22振動平台轉速單因子實驗圖 88 圖4-23振動平台轉速對表面粗糙度改善率之影響 88 圖4-24振動平台振幅單因子實驗圖 89 圖4-25振動平台振幅對表面粗糙度改善率之影響 90 圖4-26鋼砂號數單因子實驗圖 91 圖4-27鋼砂號數對表面粗糙度改善率之影響 91 圖4-28上磁極轉速單因子實驗圖 93 圖4-29上磁極轉速對表面粗糙度改善率之影響 93 圖4-30加工時間對表面粗糙度影響實驗圖 94 圖4-31時間對表面粗糙度改善率之影響 95 圖4-32原始試片與L18最佳參數研磨後之3D輪廓比較圖 96 圖4-33 Fe3O4/C複合粉末重量對表面粗糙度影響實驗圖 99 圖4-34 Fe3O4/C複合粉末重量對表面粗糙度改善率之影響 100 圖4-35 Fe3O4/Fe複合粉末重量對表面粗糙度影響實驗圖 101 圖4-36 Fe3O4/Fe複合粉末重量對表面粗糙度改善率之影響 102 圖4-37鑽石粉末重量對表面粗糙度影響實驗圖 103 圖4-38鑽石粉末重量對表面粗糙度改善率之影響 104 圖4-39最佳參數下變更SiC與鑽石粉末比例對表面粗糙度影響實驗圖 106 圖4-40最佳參數下變更SiC與鑽石粉末比例對表面粗糙度改善率之影響 106 圖4-41田口最佳參數與最佳磨料比例的鏡面效果比較 107 圖4-42最佳磨料比例下加工時間對表面粗糙度影響實驗圖 109 圖4-43最佳磨料比例下加工時間對表面粗糙度改善率之影響 109 圖4-44二維振動研磨與二維振動拋光墊研磨對試片SEM表面形貌比較（5min） 110 圖4-45二維振動研磨與二維振動拋光墊研磨對試片SEM表面形貌比較（25min） 111 圖4-46 L18最佳參數與搭配最佳磨料研磨後之3D輪廓比較圖 112 圖4-47最佳磨料比例下加工時間對粗面試片表面粗糙度影響實驗圖 114 圖4-48最佳磨料比例下加工時間對粗面試片表面粗糙度改善率之影響 114 圖4-49粗面試片原始試片與最佳磨料比例研磨後之3D輪廓比較圖 115 圖4-50最佳磨料比例研磨粗面試片的鏡面效果 116 表目錄 表2-1 L18直交陣列表 26 表3-1 SUS304之化學組成成份 35 表3-2 SUS304之力學性能 35 表3-3 SiC磨料材料性質 36 表3-4國光牌SAE-40油品規格 37 表3-5第一階段實驗條件 44 表3-6 L18直交表加工參數配置表 45 表3-7 MITSUBISHI PLC FX3U-48M規格表 54 表4-1機油與矽油在相同的研磨條件下的研磨結果 65 表4-2實驗設定固定因子（Fixed Factors）與水準值 67 表4-3實驗設計可控因子與水準值 67 表4-4實驗結果（L18（21X37直交表）） 74 表4-5以表面粗糙度為目標值因子水準回應表 75 表4-6以表面粗糙度為品質特性之變異數分析與F檢定 77 表4-7田口驗證實驗結果 78 表4-8單因子實驗參數規劃 79 表4-8奈米Fe3O4/C複合粉末材料性質 97 表4-9奈米Fe3O4/Fe複合粉末材料性質 98 表4-10鑽石粉末材料性質 98

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