德 霖 學 報 第 二 十 一 期 民 國 九 十 六 年 六 月 刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 削 參 數 最 佳 化 研 究 刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 車 削 參 數 最 佳 化 研 究 藍 天 雄 德 霖 技 術 學 院 機 械 工 程 系 副 教 授 育 達 商 業 技 術 學 院 資 訊 管 理 系 副 教 授 摘 要 減 低 刀 具 磨 耗 乃 現 今 電 腦 數 值 控 制 (CNC) 切 削 工 業 常 追 求 之 目 標 ; 本 研 究 依 據 國 家 粗 糙 度 標 準, 將 車 削 參 數 規 劃 在 細 加 工 區 間, 選 定 勝 傑 公 司 ECOCA-3807 數 值 控 制 車 床, 運 用 田 口 分 析 法, 以 容 納 四 個 因 子 4 ( 切 深 進 給 轉 速 刀 尖 中 心 度 ) 三 個 水 準 ( 低 中 高 ) 的 L (3 ) 直 交 表 ; 配 合 加 工 環 境 差 異, 導 9 3 入 三 個 因 子 ( 頂 心 切 削 液 刀 具 伸 長 量 ) 的 L (2 ) 外 直 交 表, 以 單 位 材 料 移 除 量 之 刀 具 磨 耗 程 度 為 品 4 質 特 性, 分 析 所 建 立 之 實 驗 ; 同 時 藉 由 SONY COLOR VIDEO 電 子 影 像 顯 微 鏡 量 測 刀 具 之 磨 耗, 分 析 並 建 立 最 適 切 削 參 數 組 合, 並 討 論 各 別 參 數 對 刀 具 磨 耗 之 影 響 ; 結 果 顯 示, 轉 速 與 切 深 對 刀 具 磨 耗 度 之 影 響 較 為 顯 著, 最 佳 切 削 參 數 之 實 際 切 削 結 果 的 確 達 成 令 人 滿 意 之 品 質 特 性 本 研 究 確 實 針 對 實 務 數 值 控 制 切 削 作 業, 提 供 一 套 經 濟 且 前 瞻 的 最 佳 切 削 參 數 分 析 方 法, 並 建 立 最 佳 切 削 參 數 之 參 考 依 據, 以 有 效 減 省 刀 具 成 本 與 設 置 時 間, 提 昇 數 控 切 削 產 業 之 競 爭 力 關 鍵 詞 : 電 腦 數 值 控 制 刀 具 磨 耗 直 交 表 CNC Turning Parameter Optimization for Tool Wear T. S. Lan Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, De Lin Institute of Technology Associate Professor, Department of Information Management, Yu Da College of Business Abstract Tool life is considered as the major objective in the modern CNC (computerized numerical control) machining industry. This paper is proposed to experimentally perform finish turning operations within the National Standard on an ECOCA-3807 CNC lathe. The Taguchi method is commenced through selection of 4 orthogonal array L (3 ) for four machining parameters (cutting depth, feed rate, spindle speed, and tool runoff) 9 with three different levels (low, medium, and high). A three-parameter (back centering, coolant, and tool 3 extension) environmental orthogonal array L (2 ) is also introduced for the deviations between experiment 4 and real industry to analyze the established experiment. The SONY COLOR VIDEO Microscope is utilized to evaluate the tool wear for unit material removed. Through the analytical practice of Taguchi method, the optimum cutting conditions are received. It is shown that the surface speed and depth of cut are the most critical parameters to the tool life. Additionally, the optimum parameters are exemplified to reach satisfactory tool wear after machining. Through this study, the analytical orientation of the optimum cutting parameters for the machining industry is established. The setup time of the machining operation, machining cost, as well as competition of the industry are deemed to be improved. Keywords: computerized numerical control, tool wear, orthogonal array
德 霖 學 報 第 二 十 一 期 壹 前 言 切 削 加 工 為 機 械 製 造 加 工 方 法 之 一, 隨 著 科 技 發 展 的 進 步, 非 傳 統 的 金 屬 加 工 技 術, 已 朝 向 少 切 屑 無 切 屑 的 高 精 度 數 值 控 制 加 工 [1] 數 值 控 制 車 削 加 工 對 金 屬 切 削 而 言 是 常 見 的 基 本 製 程, 在 加 工 精 密 且 細 微 的 要 求 下, 切 深 進 給 與 轉 速 仍 為 數 值 控 制 車 削 加 工 之 主 要 參 數 [2]; 刀 具 成 本 乃 切 削 成 本 之 重 要 部 分 之 一, 然 而, 車 削 加 工 作 業 之 設 置, 常 依 賴 實 務 經 驗 作 切 削 參 數 之 設 定 [3], 以 降 低 刀 具 磨 耗 切 削 加 工 的 可 控 制 參 數, 大 致 是 工 件 轉 速 進 刀 深 度 進 給 速 率 以 及 刀 具 材 料 型 式 的 選 擇 等 而 影 響 加 工 精 度 的 因 素 甚 多, 如 刀 具 及 工 件 材 質 工 具 機 精 度 切 削 條 件 切 削 液 等 ; 電 腦 數 值 控 制 (CNC) 車 床 為 現 今 切 削 加 工 之 主 軸, 整 體 而 言, 在 CNC 車 床 切 削 工 作 時, 主 要 需 考 量 切 削 條 件, 以 符 合 切 削 作 業 之 精 度 要 求, 同 時 又 要 能 提 高 加 工 效 率, 降 低 加 工 成 本 依 經 驗 或 切 削 便 覽 選 擇 參 數, 通 常 較 為 主 觀, 且 容 易 造 成 刀 具 及 機 器 損 傷 [4]; 甚 或 因 其 它 因 素, 使 得 效 率 低 落 成 本 增 加 ; 為 了 改 善 上 述 困 擾, 如 何 經 濟 地 研 究 並 建 立 一 套 有 效 的 製 程 參 數 依 據, 以 降 低 刀 具 磨 耗 及 成 本, 亦 為 當 前 相 當 重 要 之 課 題 業 界 在 金 屬 切 削 產 品 的 考 量 上 不 外 乎 以 品 質 成 本 為 要 點, 因 而 本 研 究 設 定 細 切 削 之 刀 具 磨 耗 為 目 標, 考 量 品 質 為 第 一 優 先, 其 次 再 考 量 刀 具 成 本 ; 故 本 研 究 將 車 削 參 數 規 劃 在 細 加 工 區 間, 以 田 口 氏 品 質 設 計 法 [5, 6, 7] 來 進 行 實 驗 規 劃, 並 採 用 外 直 交 表 來 配 合 實 驗, 以 符 合 實 務 業 界 之 不 同 加 工 環 境 需 求, 期 能 快 速 選 擇 最 佳 加 工 參 數, 以 降 低 刀 具 磨 耗 及 成 本, 並 保 有 一 定 精 度 ; 本 研 究 確 實 針 對 實 務 數 值 控 制 切 削 作 業, 建 立 一 套 最 佳 切 削 參 數 之 分 析 及 參 考 依 據, 有 效 減 省 刀 具 成 本 與 設 置 時 間 2.1 刀 具 磨 耗 貳 理 論 背 景 刀 具 磨 耗 為 刀 具 在 切 削 時 熱 和 摩 擦 所 產 生 的 物 理 作 用 和 化 學 作 用 的 綜 合 結 果 刀 具 由 開 始 切 削 達 到 刀 具 壽 命 判 據 以 前 所 經 過 的 切 削 時 間 稱 為 刀 具 壽 命, 刀 具 壽 命 判 據 一 般 採 用 刀 具 磨 損 量 的 某 個 預 定 值, 也 可 以 把 某 一 現 象 的 出 現 作 為 判 斷 依 據, 如 振 動 激 化 加 工 表 面 粗 糙 度 惡 化, 斷 屑 不 良 和 崩 刃 等 [8] 達 到 刀 具 壽 命 後, 應 將 刀 具 重 磨 轉 位 或 廢 棄, 而 刀 具 在 廢 棄 前 的 各 次 刀 具 壽 命 之 和 稱 為 刀 具 總 壽 命 泰 勒 提 出 的 刀 具 壽 命 和 切 削 速 度 之 間 相 互 制 約 的 經 驗 公 式 為 vt n = c 式 中 T 為 刀 具 壽 命 ( 分 ); v 為 切 削 速 度 ( 米 / 分 ); n 和 c 為 常 數 ( 與 切 削 條 件 有 關 ) 生 產 中 常 根 據 加 工 條 件, 按 最 低 生 產 成 本 或 最 高 生 產 率 原 則, 來 確 定 刀 具 壽 命 和 擬 定 工 時 定 額 刀 具 磨 損 表 現 ( 如 圖 一 ) 為 在 刀 具 後 面 上 出 現 的 磨 損 帶 缺 口 和 崩 刃 等, 包 括 前 面 常 出 現 的 月 牙 窪 狀 的 磨 損, 及 後 面 有 時 出 現 的 氧 化 坑 和 溝 紋 狀 磨 損 等 在 不 同 切 削 速 度 的 條 件 下, 刀 具 受 上 述 一 種 或 幾 種 磨 損 機 理 的 作 用, 當 這 些 磨 損 擴 展 到 一 定 程 度 以 後 就 引 起 刀 具 失 效, 不 能 繼 續 使 用 圖 一 刀 具 的 磨 損 形 式 58
刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 削 參 數 最 佳 化 研 究 2.2 田 口 方 法 田 口 實 驗 計 畫 法 是 一 種 品 質 改 善 的 實 驗 計 畫 法 [9], 透 過 實 際 操 作 或 電 腦 模 擬 的 手 段 決 定 設 計 參 數, 以 最 低 成 本 與 最 短 時 間 內 生 產 高 品 質 為 目 標 為 了 減 少 傳 統 分 析 所 需 之 大 量 實 驗, 田 口 法 依 設 計 參 數 ( 即 控 制 因 子 control factor) 及 水 準 (level) 的 數 目 選 用 適 當 的 直 交 表, 透 過 有 效 的 分 析, 可 快 速 找 到 使 產 品 變 異 縮 小 的 設 計 或 製 程, 並 能 瞭 解 各 設 計 參 數 對 品 質 特 性 的 影 響, 進 而 得 到 最 佳 參 數 組 合, 其 分 析 流 程 如 圖 二 所 示 圖 二 田 口 法 分 析 流 程 圖 參 研 究 設 計 本 研 究 採 田 口 氏 直 交 表 實 驗 法, 以 較 少 的 實 驗 次 數, 獲 得 有 用 的 統 計 資 訊, 雖 然 理 論 上 會 有 精 度 上 的 損 失 ( 通 常 bias 的 情 況 不 能 完 全 排 除 ), 但 對 於 解 決 工 程 品 質 問 題 的 目 的 而 言, 田 口 氏 直 交 表 應 是 足 夠 用 的 而 切 削 參 數 在 田 口 法 的 應 用 上 區 分 為 分 為 可 控 制 與 不 可 控 制 可 控 制 者 稱 為 控 制 因 子, 本 研 究 選 定 切 削 速 度 進 給 量 切 削 深 度 刀 尖 中 心 度 三 個 水 準 ( 低 中 4 高 ) 的 L9 (3 ) 內 直 交 表 ; 而 不 可 控 制 者 稱 為 環 境 因 子, 本 研 究 選 定 刀 柄 伸 長 頂 心 切 削 液 三 3 項 的 L4 (2 ) 外 直 交 表 依 田 口 實 驗 法 建 立 內 外 直 交 表, 選 定 各 水 準 參 數 區 間, 進 行 品 質 特 性 之 實 驗, 利 用 SONY COLOR VIDEO CAMERA 電 子 顯 微 鏡 ( 如 圖 三 ), 透 過 灰 階 設 定, 自 動 判 讀 並 量 取 精 切 削 後 之 刀 腹 磨 耗 的 寬 度 基 準 V (mm)( 如 圖 四 ) 之 數 據 結 果 並 除 以 該 切 刃 所 移 除 B2 之 材 料 總 體 積, 定 義 成 為 刀 具 磨 耗 比 ( µ m -2 ), 作 為 刀 具 磨 耗 品 質 特 性 藉 由 田 口 分 析 技 巧 建 立 刀 具 磨 耗 比 為 品 質 特 性 之 實 驗 表, 分 析 並 尋 求 最 小 刀 具 磨 耗 目 標 下 之 最 適 切 削 條 件 進 而 將 最 佳 切 削 參 數, 在 數 控 車 床 上 進 行 實 際 切 削, 以 驗 證 刀 具 磨 耗 比 是 否 符 合 預 期 結 果 59
德霖學報 第二十一期 圖三 電子影像顯微鏡 圖四 刀腹磨耗 肆 實驗步驟 4.1 實驗條件 本實驗使用 ECOCA-3807 數值控制車床(最高轉速 3000rpm) 如圖五 工件材料為 ϕ 40mm 260mm 的 S45C 中 碳 鋼 鋼 棒 其 最 高 切 削 速 度 為 339.292 m/min 選 用 東 芝 WTJNR2020K16 型刀柄 及住友電工 AC700G 型 TNMG-160404 捨棄式刀片參考拋棄式刀片 如 圖六 其建議切削速度範圍 如圖七 切削速度值定為 250 m/min 200 m/min 及 150 m/min 其 切削深度為 1mm 2 mm 及 3 mm 其進給速率為 0.2 mm/rev 0.3 mm/rev 及 0.4 mm/rev 作為三 個水準 如表一 圖五 ECOCA PC-3807 型 CNC 車床 60
刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 削 參 數 最 佳 化 研 究 圖 六 刀 柄 與 刀 片 圖 七 切 削 條 件 範 圍 表 一 實 驗 水 準 範 圍 61
德 霖 學 報 第 二 十 一 期 4.2 實 驗 操 作 本 研 究 以 刀 具 磨 耗 為 品 質 特 性, 其 回 應 值 為 μm2, 為 望 小 特 性, 依 田 口 實 驗 配 置 ( 如 圖 八 ), 進 行 實 際 切 削 以 分 析 實 驗 並 以 SONY COLOR VIDEO CAMERA MOLD 電 子 影 像 顯 微 鏡 量 測 刀 具 之 磨 耗 所 得 數 據 根 據 品 質 特 性 計 算 直 交 表 中 實 驗 的 SN 比 與 y, 並 繪 出 SN 比 與 y 的 效 應 圖, 及 決 定 控 制 因 子 的 最 佳 水 準 組 合, 進 而 納 入 系 統 中 執 行 驗 證 圖 八 實 驗 配 置 5.1 刀 具 磨 耗 量 測 結 果 伍 結 果 討 論 本 研 究 藉 由 電 子 影 像 顯 微 鏡 量 測 可 棄 式 刀 片 之 刀 腹 磨 耗 的 寬 度, 以 判 斷 刀 具 磨 耗 情 形, 考 量 每 刀 刃 因 配 合 田 口 實 驗 表 規 劃 參 數 設 定, 故 材 料 移 除 量 不 同, 因 而 將 材 料 車 削 總 體 積 除 以 刀 片 磨 耗 長 度 VB2, 作 為 刀 具 磨 耗 比 判 斷 的 基 礎, 單 位 為 μm2 5.2 S/N 比 計 算 本 研 究 採 用 田 口 法 之 望 小 特 性, 並 結 合 外 直 交 表, 依 下 式 計 算 其 SN 比 SN n 1 = 10 log10 n i= 1 2 STB y i 單 位 db 其 結 果 如 表 二 所 示 在 表 二 中,SN 比 較 大 值 代 表 刀 具 磨 耗 比 較 佳, 其 中 第 9 項 實 驗 數 據 為 9 個 實 驗 中 最 佳 切 削 條 件 62
刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 削 參 數 最 佳 化 研 究 表 二 刀 具 磨 耗 實 驗 結 果 5.3 繪 製 回 應 圖 依 據 S/N 比 回 應 表 ( 如 表 三 ), 藉 由 MINITAB 14 軟 體 繪 製 如 圖 九 所 示 之 回 應 圖 及 圖 十 所 示 之 因 子 靈 敏 度 ; 圖 九 中 斜 率 代 表 該 條 件 在 因 子 所 佔 有 之 影 響, 可 根 據 因 子 回 應 圖 選 最 大 值 作 為 最 佳 切 削 參 數, 根 據 回 應 圖 選 定 最 佳 切 削 參 數 組 合 為 A3(150 m/min)b3 (3 mm)c1(0.2 mm/rev) D1(0.1mm) 根 據 選 定 之 最 佳 切 削 參 數 組 合 A3 B3 C1 D1, 其 S/N 比 預 測 值 為 : 預 測 最 佳 S/N= 132+(134.1-132) +(136-132) +(133-132) +(132.5-132) = 139.6 若 改 用 顯 著 因 子 選 定, 參 考 回 應 表 中 的 靈 敏 度 平 均 之 1/2 值 來 判 斷 : 則 靈 敏 度 A>0.0123, 靈 敏 度 B>0.0123, 靈 敏 度 C<0.0123, 靈 敏 度 D<0.0123, 故 因 子 A B 為 顯 著 因 子,C D 為 不 顯 著 因 子 表 三 S/N 比 回 應 表 63
德 霖 學 報 第 二 十 一 期 圖 九 S/N 比 回 應 圖 9% 1% 30% 60% 1 2 3 4 圖 十 因 子 靈 敏 度 百 分 比 再 以 A3 B3 C1 D1 參 數 組 合 在 數 控 車 床 上 進 行 確 認 實 驗, 結 果 如 表 四 所 示, 進 而 求 得 如 表 五 所 示 之 S/N 結 果 ; 由 表 五 之 S/N=139.3851 可 知, 實 驗 數 值 十 分 接 近 預 估 值 (S/N=139.6), 研 究 結 果 的 確 令 人 滿 意 表 四 刀 具 磨 耗 確 認 實 驗 表 五 最 佳 參 數 之 S/N 結 果 64
刀 具 磨 耗 考 量 下 之 數 控 削 參 數 最 佳 化 研 究 陸 結 論 本 文 依 據 國 家 粗 糙 度 標 準, 將 車 削 參 數 規 劃 在 細 加 工 區 間, 並 運 用 田 口 分 析 法, 以 刀 具 磨 耗 為 品 質 特 性 進 行 實 驗, 分 析 並 建 立 最 適 切 削 條 件 ; 結 果 顯 示, 轉 速 與 切 深 對 刀 具 磨 耗 度 之 影 響 較 為 顯 著, 細 切 削 各 項 數 據 所 決 定 的 最 佳 組 合 A3 B3 C1 D1 在 系 統 中 執 行 驗 證, 十 分 符 合 預 期 本 研 究 結 果 能 提 供 實 務 數 值 控 制 切 削 作 業, 一 套 經 濟 且 前 瞻 的 多 目 標 競 爭 式 最 佳 切 削 參 數 分 析 方 法, 並 建 立 最 佳 切 削 參 數 之 參 考 依 據, 以 縮 短 數 控 切 削 作 業 之 設 置 時 間, 提 昇 產 業 競 爭 力 未 來 更 可 針 對 不 同 刀 具 與 材 料 之 各 項 切 削 作 業, 建 立 關 聯 式 資 料 庫 檢 索 系 統, 供 數 控 切 削 業 界 實 務 參 考 誌 謝 本 研 究 承 蒙 行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 計 畫 ( 編 號 :NSC 95-2212-E-237-006) 補 助, 特 此 致 謝 參 考 文 獻 [1] C. Y. Nian, W. H. Yang, and Y. S. Tarng, Optimization of Turning Operations with Multiple Performance Characteristics, Elsevier Science,1998. [2] J. P. Davim, C. A. Conceicao Antonio, Optimization of Cutting Conditions in Machining of Aluminium Matrix Composites Using a Numerical and Experimental Model,Elsevier Science, 2001. [3] D. Gillibrand, M. Sarwar, and C. T. Pierce The Economic Benefit of Finish Turning with Coated Carbide, Elsevier Science, 1996. [4] O. Masory, Real-Time Estimation of Cutting Process Parameters in Turning, Journal of Engineering for Industry, Vol. 106, pp. 218-221, 1980. [5] 李 輝 煌, 田 口 方 法 - 品 質 設 計 的 原 理 與 實 驗, 高 立 圖 書 有 限 公 司, 2000 [6] 張 志 昌 " 應 用 田 口 法 於 大 型 引 伸 板 件 最 佳 壓 板 結 構 之 有 限 元 素 分 析 " 國 立 中 興 大 學 機 械 工 程 系 碩 士 論 文, 民 國 89 年 6 月 [7] 蘇 朝 墩, 品 質 工 程, 中 華 民 國 品 質 學 會,2002 [8] 林 維 新, 車 削 精 度 與 刀 具 磨 耗 可 靠 度 研 究, 國 立 中 央 大 學 機 械 工 程 研 究 所 博 士 論 文, 民 國 87 年 [9] A. Bendell, J. Disney, and W.A. Pridmore, Taguchi Methods: Applications in World Industry, IFS Publications, UK, 1989. 65
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