運用長脈衝雷射大面積精密拋光技術於SKD61模具鋼之系統參數最佳化設計與改質層微結構分析之研究

Translated title of the thesis: Optimization of Process Parameters of Large Area Polishing and Microstructure Study of the Heat Affected Zone of the SKD 61 Tool Steel Using Long Pulse Laser
  • 陳 亭萱

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

本文之研究目的為以長脈衝摻鐿光纖雷射(Ytterbium-doped fiber laser Yb:fiber laser)對SKD61工具鋼進行大面積之精密雷射拋光加工。 本研究將進行三個階段的實驗,分別為田口實驗設計、全因子實驗及重要因子水準改變實驗,探討與雷射拋光有關之六個加工參數:脈衝?率、掃描速度、脈衝寬度、掃描頻率、重疊率及離焦量,對於SKD61試件之表面粗糙度與表面形貌的影響,藉由三維粗度儀量測而得之表面粗糙度、空間傅立葉分析、材料承壓比曲線及轉移函數,找出可以達到符合要求之表面粗糙度及平坦度之拋光參數組合,以作為對大面積試片拋光加工之參考依據。另外,雷射拋光的過程中將會產生改質層,由於本研究使用之SKD61工具鋼主要用於製作模具,改質層的厚度、硬度、彈性模數將會影響其磨耗性質,因此在進行雷射拋光的前後,需對SKD61工具鋼試件進行各種微結構分析,本實驗中利用掃描式電子顯微鏡、奈米壓痕計、聚焦離子束、往復式磨耗試驗機及X光繞射儀等等設備進行量測,以比較拋光前後之微結構材料特性之改變。為了加以預測雷射拋光之溫升及改質層厚度,本研究利用Comsol多物理場耦合軟體,以熱傳、流體及表面驅動流方程式建立理論模型,模擬SKD61工具鋼受脈衝雷射加熱後之溫度分佈及改質層厚度。 根據拋光實驗之結果,試件之表面粗糙度可由0 283μm降至0 150μm,改善了47%;而由空間傅立葉分析可知,與雷射拋光掃描方向垂直之形貌會有效地降低其振幅,平行方向之形貌則與固化後形成之波紋有關。並綜合表面粗糙度、空間傅立葉分析及材料承壓比分析,可找出SKD61工具鋼之最佳雷射拋光加工條件。由微結構檢測可知,改質層厚度會隨雷射劑量及熔池中最高溫的增加而增加,硬度及彈性模數則會隨雷射劑量的增加而下降;此外,改質層的厚度與磨耗率有正比的關係;磨耗係數則會隨表面粗糙度增加而增加。由X光繞射分析則可知鐵(110)之強度越高,殘留應變會越高。經由數值分析而得之改質層厚度與實驗值比較有14 37%的誤差。
Date of Award2014 Jul 21
Original languageChinese
SupervisorJen-Fin Lin (Supervisor)

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運用長脈衝雷射大面積精密拋光技術於SKD61模具鋼之系統參數最佳化設計與改質層微結構分析之研究
亭萱, 陳. (Author). 2014 Jul 21

Student thesis: Master's Thesis