[[alternative]]Investigation of awj(abrasive-water-jet) machining of brittle materials

碩士[[abstract]]磨粒流噴射能有效的加工鋼、鈦合金、複合材料和陶瓷材料等難加工的材料。在高加工角度(90到45度)的磨料噴射加工中，所應用的領域有切割、劃線及鑽孔。另外運用在微切削、拋光和清除上，則是利用到小加工角度(0到45度)的磨料噴射。本研究的主旨在探討利用磨料噴射切割化學剛化玻璃以及精密研磨拋光碳化鎢材的可行性。本論文利用各種粒徑的氧化鋁粉及碳化矽粉做為加工磨料，台灣康寧顯示玻璃股份有限公司所提供的化學剛化玻璃及不同鈷含量之碳化鎢則為加工試驗材料。研究結果顯示，由於碳化鎢及鈷的移除速率不同，鈷含量高(18%)比鈷含量低(0到3%)之精密研磨碳化鎢材，較難改善其表面粗糙度。由於碳化矽磨料有較高的硬度值，可以比氧化鋁磨料得到更好的材料移除率。至於磨料噴射切割的過程中，本論文提出了一種新的雷射搭配磨料噴射之混合切割法，此加工法是利用雷射穿透剛化玻璃的剛化層以及利用磨料噴射完成剩餘的切割加工，本研究驗證了此加工法的可行性。[[abstract]]Water abrasive jet (WAJ) is regarded as one of the very effective ways of machining difficult-to-machine materials such as steel, titanium alloys, composite and ceramic materials. Its applications can range from cutting/dicing/drilling when applying the AWJ with a high impact angle to micro-cutting/polishing/cleaning where the impact angle is kept very low. This research aimed to study the feasibility of using AWJ to cut the chemically toughened cover glasses and to polish the precision ground tungsten carbide (WC) materials. Alumina (Al2O3) and silicon carbide (SiC) particles of various sizes were used as the abrasives. Chemically toughened Gorilla (Corning) glass and WC of different cobalt concentrations were the tested materials. It is founded that, owing to the different removal rate between Co and WC, surface roughness of precision ground WC specimen of high Co concentration (18%) is more difficult to be improved than those of lower Co concentration (0~3%). SiC abrasives, having the higher hardness value, can achieve better material removal than Al2O3. As to the AWJ dicing process, a novel laser/AWJ hybrid dicing process where using laser to penetrate the toughened layer and AWJ to finish the dicing process was proposed and verified in this study.[[tableofcontents]]致謝.......................................................I 目錄.......................................................V 圖目錄...................................................VIII 表目錄....................................................XII 第一章 緒論..............................................1 1-1 研究背景................................................1 1-2 研究背景與目的...........................................3 第二章 文獻回顧與理論基礎 ...................................7 2-1 磨料噴射加工之基本原理.....................................7 2-2 乾式與濕式磨料噴射對工件表面的影響 ...........................8 2-3 濕式磨料噴射加工之優缺點及特點.............................10 2-4 影響加工表面的因素.......................................11 2-4-1 磨料粒徑的影響........................................11 2-4-2 磨料濃度的影響........................................12 2-4-3 操作法的影響 ..........................................13 2-4-4 幫浦壓力的影響........................................14 2-4-5 噴嘴內徑的影響........................................15 2-4-6 加工角度的影響........................................15 2-4-7 噴嘴與工件距之影響.....................................16 2-4-8 加工材料的影響........................................16 2-5 田口法.................................................18 2-5-1田口直交表............................................18 2-5-2品質損失函數 .........................................20 第三章 實驗規劃與設備.......................................22 3-1實驗規劃................................................22 3-2 實驗設備...............................................27 3-2-1 夾治具製作: ..........................................27 3-2-2 磨料噴射機 ..........................................29 3-2-3 超音波震洗機 ..........................................29 3-2-4 磨料................................................30 3-2-5 電子磅秤.............................................31 3-2-6 光學顯微鏡...........................................31 3-2-7 掃描式電子顯微鏡.......................................32 3-2-8 雷射共軛焦顯微鏡.......................................33 3-2-9 超高精度三次元測定機(UA3P).............................34 3-3 加工材料...............................................35 3-4 加工參數...............................................37 3-4-1 磨料噴射拋光鈷含量20%之碳化鎢...........................37 3-4-2 磨料噴射拋光鈷含量18%之碳化鎢...........................38 3-4-3 磨料噴射拋光鈷含量8%之碳化鎢............................39 3-4-4 磨料噴射拋光鈷含量0%碳化鎢..............................39 3-4-5 玻璃材料.............................................40 3-4-6 強化玻璃材料 ..........................................41 第四章 結果與討論.........................................43 4-1 拋光加工...............................................44 4-1-1 氧化鋁與不同噴射參數對WC-Co 20%表面粗糙度影響.............44 4-1-2 氧化鋁之粒徑大小對WC-Co 20%表面粗糙度影響.................45 4-1-3 氧化鋁與不同噴射參數對WC-Co 18%表面粗糙度影響.............51 4-1-4 氧化鋁濃度對WC-Co 18%表面粗糙度影響.....................53 4-1-5 氧化鋁與不同噴射參數對WC-Co 8%表面粗糙度影響..............54 4-1-6 加工時間對氧化鋁拋光WC-Co 8%表面粗糙度影響................56 4-1-7 碳化矽加工鈷含量WC-Co 18%表面粗糙度影響 ..................57 4-1-8碳化矽加工鈷含量WC-Co 0%表面粗糙度影響....................61 4-1-9 不同磨料噴射參數對玻璃表面粗糙度影響......................63 4-2 磨料噴射對強化玻璃之移除加工:..............................65 4-2-1 強化玻璃加工之基礎研究 ..................................66 4-2-2 護膜保護下之磨料噴射強化玻璃加工..........................67 4-2-3 雷射切割搭配磨料噴射加工強化玻璃..........................70 第五章 結論................................................81 第六章 未來展望.............................................83 參考文獻...................................................85 附錄......................................................92 附錄一 磨料噴射基本參數與公式 ..................................92 附錄二 碳化鎢與碳化硼之噴頭材料其性能與用途比較...................93 圖目錄 圖1- 1 碳化鎢表面經輪磨後之加工痕跡 ............................................... 2 圖1- 2 無氧銅經鑽石刀切削後加工痕跡及毛邊 ................................... 2 圖1- 3 刀輪切割玻璃產生之裂紋情形【4】 ......................................... 2 圖1- 4 雷射切割玻璃產生之裂紋情形【5】 ......................................... 3 圖2- 1 磨料噴射加工示意圖 .................................................................... 7 圖2- 2 花崗岩加工前之表面形貌Scanning Electron Microscope(SEM) 圖【17】 ............................................................................................ 9 圖2- 3 花崗岩加工後之表面形貌(SEM)【17】 ..................................... 9 圖2- 4 重量百分比濃度對沖蝕體積的影響【25】 .............................. 13 圖2- 5 壓力對沖蝕體積的影響【25】 .................................................. 15 圖2- 6 噴頭與工件的距離對沖蝕體積的影響【25】 .......................... 16 圖2- 7 線性加工痕跡之實驗前後SEM 圖【29】................................ 17 圖2- 8 微渠道之實驗前後SEM 圖【29】 ............................................ 17 圖2- 9 直交表示意圖【30】 .................................................................. 19 圖2- 10 其因子反應表及因子反應圖【30】 ........................................ 19 圖2- 11 品質損失函數【30】 ................................................................ 20 圖2- 12 SKD61 模具鋼(a)(c)(e)加工前與(b)(d)(f)加工後SEM與表面形 貌分析圖【28】 .............................................................................. 21 圖3- 1 磨料噴射加工與各加工參數示意圖 .......................................... 24 圖3- 2 磨料噴射對加工表面的加工狀態 .............................................. 24 圖3- 3 拋光實驗流程圖 .......................................................................... 25 圖3- 4 移除實驗流程圖 .......................................................................... 26 圖3- 5 夾治具Pro-E 設計圖 ................................................................... 27 圖3- 6 夾治具控制角度的Pro-E 設計圖 .............................................. 28 圖3- 7 夾治具實體圖 .............................................................................. 28 圖3- 8 夾治具中控制角度的實體圖 ...................................................... 28 圖3- 9 濕式磨料噴射機 .......................................................................... 29 圖3- 10 超音波震洗機 ............................................................................ 29 圖3- 11 磨料(a)白色氧化鋁(b)綠色碳化矽實體圖 ............................... 30 圖3- 12 電子磅秤 .................................................................................... 31 圖3- 13 光學顯微鏡 ................................................................................ 31 圖3- 14 掃描式電子顯微鏡 .................................................................... 32 圖3- 15 雷射共軛焦顯微鏡 ................................................................... 33 圖3- 16 超高精度三次元測定機 ............................................................ 34 圖3- 17 雷射切割強化玻璃之示意圖 .................................................... 36 圖3- 18 磨料噴射加工強化玻璃之(a)~(c)過程示意圖 ......................... 36 圖4- 1(a)(c)(e)加工前、(b)(d)(f)使用#800 的白色氧化鋁加工含鈷量 20%碳化鎢之Confocal 圖 .............................................................. 45 圖4- 2(a)(c)(e)加工前(b)(d)(f)使用#1500 的白色氧化鋁加工含鈷量 20%碳化鎢之Confocal 圖 .............................................................. 47 圖4- 3(a)(c)(e)加工前(b)(d)(f)使用#3000 的白色氧化鋁加工含鈷量 20%碳化鎢之Confocal 圖 .............................................................. 48 圖4- 4 田口設計之直交表與加工結果 .................................................. 49 圖4- 5 田口分析均值比 .......................................................................... 50 圖4- 6 田口分析之信噪比分析圖 .......................................................... 51 圖4- 7(a)(c)(e)加工前(b)(d)(f)使用#800 白色氧化鋁加工鈷含量18%碳 化鎢之Confocal 圖 .......................................................................... 53 圖4- 8(a)(c)(e)加工前(b)(d)(f)使用#800 白色氧化鋁加工鈷含量18%碳化鎢之Confocal 圖 .......................................................................... 54 圖4- 9(a)(c)(e)加工前(b)(d)(f)使用#800 白色氧化鋁加工鈷含量8%碳 化鎢之Confocal 圖 .......................................................................... 55 圖4- 10WC-Co 8%之加工時間與表面粗糙度的影響 .......................... 56 圖4- 11 (a)(c)加工前(b)(d)使用#800 白色氧化鋁加工鈷含量8%碳化鎢 之Confocal 圖 .................................................................................. 57 圖4- 12#1000 碳化矽加工(a)5 分鐘(b)10 分鐘(c)20 分鐘(d)30 分鐘之 Confocal 圖 ....................................................................................... 58 圖4- 13#2000 碳化矽加工(a)5 分鐘(b)10 分鐘(c)20 分鐘(d)30 分鐘之 Confocal 圖 ....................................................................................... 59 圖4- 14#4000 碳化矽加工(a)5 分鐘(b)10 分鐘(c)20 分鐘(d)30 分鐘之 Confocal 圖 ....................................................................................... 60 圖4- 15 碳化矽各粒徑之加工時間對表面粗糙度的趨勢圖 ................ 61 圖4- 16 碳化矽粉拋光WC-Co0%之(a)(c)(d)加工前，(b)(d)(f)加工後圖 ........................................................................................................... 62 圖4- 17 加工玻璃材料之(a)~(i)成果圖 ................................................. 65 圖4- 18 強化玻璃經磨料噴射加工(90°，2 kgf/cm2)後移除量為7.4mm3 之UA3P 掃描圖 .............................................................................. 66 圖4- 19 強化玻璃經磨料噴射加工(90°，1.5 kgf/cm2)後移除量為 1.4mm3 之UA3P 掃描圖 ................................................................. 67 圖4- 20 強化玻璃經磨料噴射加工(75°，2 kgf/cm2)後移除量為7.5mm3 之UA3P 掃描圖 .............................................................................. 67 圖4- 21 護膜在強化玻璃上製作加工區 ................................................ 68 圖4- 22 強化玻璃搭配護膜(a)~(f)實驗之Confocal 圖 ........................ 70 圖4- 23 在不同幫浦壓力下加工時間與加工深度之比較圖 ................ 70 圖4- 24 磨料噴射搭配雷射切割之複合加工示意圖 ........................... 71 圖4- 25 雷射加工後(a)100 倍，(b)200 倍之OM 圖: ........................... 72 圖4- 26 雷射加工後(a)、(b)1000 倍之SEM 圖: .................................. 72 圖4- 27 雷射搭配磨料噴射，幫浦壓力1.5(kgf/cm2)、加工時間30 秒 之Confocal(a)、(b)分析圖 ............................................................. 73 圖4- 28 雷射搭配磨料噴射2(kgf/cm2)、30 秒之Confocal 分析圖 .... 74 圖4- 29 雷射搭配磨料噴射2(kgf/cm2)、60 秒之Confocal 分析圖 .... 74 圖4- 30 磨料噴射2.5(kgf/cm2) (a)30 秒(b) 60 秒之OM 圖 ................. 76 圖4- 31 磨料噴射2(kgf/cm2) (a)30 秒(b)60 秒之OM 圖 ..................... 76 圖4- 32 磨料噴射加工前後之寬度比較圖 ............................................ 77 圖4- 33 磨料噴射雷射劃線(a)加工前(b)加工後SEM 圖 .................... 77 圖4- 34 複合式加工改良示意圖 ........................................................... 78 圖4- 35 加工前後深度變化圖 ............................................................... 79 圖4- 36 磨料噴射加工後深度趨勢圖 .................................................... 80 表目錄 表1- 1 各加工法優缺點比較 ................................................................... 5 表1- 2 濕式磨料噴射加工之應用領域與實例 ....................................... 6 表2- 1 各式粒徑的名稱及粒徑大小之比對表 ..................................... 12 表3- 1 磨料噴射拋光鈷含量20%碳化鎢之加工參數 ......................... 37 表3- 2 磨料噴射拋光鈷含量18%碳化鎢之加工參數 ......................... 38 表3- 3 磨料噴射拋光鈷含量8%碳化鎢之加工參數 ........................... 39 表3- 4 磨料噴射拋光鈷含量0%碳化鎢之加工參數 ........................... 39 表3- 5 玻璃材料之加工參數 ................................................................. 40 表3- 6 玻璃材料之加工參數 ................................................................. 40 表3- 7 強化玻璃材料之加工參數 ......................................................... 41 表3- 8 強化玻璃搭配護膜之加工參數 ................................................. 41 表3- 9 雷射搭配磨料噴射之加工參數 ................................................. 41 表3- 10 雷射搭配磨料噴射之加工參數 ............................................... 41 表3- 11 雷射搭配磨料噴射之加工參數 ............................................... 42 表3- 12 雷射搭配磨料噴射之加工參數 ............................................... 42 表4- 1 磨料噴射加工法與差異性 ......................................................... 43 表4- 2 田口設計實驗之控制因子與水準數 ......................................... 49 表4- 3 玻璃表面拋光加工結果 ............................................................. 64[[note]]學號: 600370240, 學年度: 10