本文針對難削材(鈦合金、鎳基合金)次擺線切削技術，進行不等分割與不等螺旋銑刀之優化設計。難切削材料通常具備高硬度、高延展性、高耐熱性及高韌性等特點，鈦合金與鎳基合金都具備難切削材料之特性，鈦合金切削加工易產生切削顫振及加工時產生的高溫，會使化學反應性強的鈦合金與刀具材料產生化學反應，導致刀具磨耗而影響刀具壽命。鎳基合金在切削加工時，切削力大且散熱速度慢而導致高的刀具溫度。切屑與刀具的積屑刀口(Build-up edge)現象，非常容易在切削鎳基合金時發生。因此，刀具設計和幾何參數優化在提高加工效率和降低成本方面扮演重要角色。為了解決這一問題，本文透過智慧型刀把，在加工過程中擷取銑削時產生的切削訊號，並應用田口法實驗尋找最佳刀具幾何設計，以獲得可高效率加工且刀具壽命長的銑刀，滿足難削材料銑削的性能與成本。
前言
關於航空器零件組成成本，發動機約佔其中27%，僅低於機身的38%，顯見發動機製造的重要性。然而航空發動機的渦扇發動機因具備高效率、低噪音、小體積、高可靠度設計等特性，目前居飛機市場之大宗。以波音757的渦扇發動機為例，其發動機及附屬零組件，因需要具備高強度及高耐熱性等特點，具備上述屬性的鈦合金與鎳基合金的使用量已超過一半而高達75%。
難削材料銑削是航太加工業者的一項重要挑戰，鈦合金(α-type、α+β-type、β-type)具備極佳的強度密度比與耐蝕性，也因其質量輕、耐腐蝕、耐高溫、疲勞強度大、熱膨脹係數小、非磁性、以及非毒性之金屬材料，且可藉由陽極處理產生多重色彩，因此廣泛應用於航太工業與日常生活中(如圖1)。然而，因為鈦合金本身的物理性質，例如高比強度、難以切削、易產生切削顫振、熱傳導率低及熱膨脹係數小而導致切削溫度高、以及加工時產生的高溫，會使化學反應性強的鈦合金與刀具材料產生化學反應，導致刀具磨耗、破損，而影響刀具壽命(高化學親和性)等[1](圖1(a))。
Inconel 718鎳基超合金(鎳含量在50%~55%)由於在高溫(700℃)下仍有良好的機械強度、疲勞限、以及高溫耐蝕性，故廣泛應用於高溫、高負荷、以及需耐腐蝕的環境[1](圖1(b))。然而由於Inconel 718鎳基超合金的熱傳導係數與比熱值均很小，且在高溫時有良好的機械性質，使得該材料在切削加工時，切削力大，散熱速度慢、導致高的刀具溫度。切屑與刀具的積屑刀口(Build-up edge)現象，容易在切削鎳基超合金時發生。除此之外，Inconel 718鎳基超合金具有沃斯田鐵型的基地，其中Nb的含量又較其他合金高，容易析出堅硬的γ"(Ni3Nb)二次相，造成切削時的加工硬化，使得刀具迅速磨損。
切削效率與刀具壽命是難削材料銑削的重要指標，因此刀具的設計和幾何參數扮演著關鍵角色。2007年Krain等學者[2]針對不同的刀具幾何形狀、進給率、切削深度、切削寬度和刀具鍍層材質對Inconel 718進行切削實驗，以上不同的因素對於最終刀具壽命及刀具磨耗影響性。2020年Octavio Pereira等學者[3]選用低溫微量潤滑(Cryo Minimum Quantity Lubrication; CryoMQL)，切削過程中低溫微量潤滑在工件和刀具之間生成一層保護層，其內部CryoMQL可為刀具之壽命提升約略57%。2011 年郭朝田[4]使用田口法實驗針對Inconel 718進行最佳化參數實驗，最終得出陶瓷刀具對Inconel 718的材料移除率(Material Removal Rate)與刀具壽命。2012年林其德[5]針對Mar-247與Inconel 718之材料進行切削研究。該研究選用不同的切削參數，拍攝刀具磨耗變化與切削後之表面粗糙度和溫度進行分析。最終求得加工時線速度越快會間接影響溫度的上升，硬化層將對刀具產生溝槽及凹坑磨耗，進而對切削後之表面粗糙度與刀具的壽命會有嚴重的影響。2019年Lu等學者[6]使用無線感測器刀把進行加工實驗，目的為了進行加工表面品質優化。最後使用森林算法(Random Forest Algorithm)對其表面質量進行分析，通過其表面平均參數進行評估，最終與隨機子空間法(Random Subspace Method)和裝袋法(Bagging)進行比較，證明了該方法的有效性，目的為了確保其表面粗糙度，減少加工時間與失敗品。
本文目標是針對難削材(鈦合金、鎳基合金)次擺線切削技術，進行不等分割與不等螺旋端銑刀之設計開發與參數優化。通過非均勻的切削刃分布和螺旋角度，不等分割與不等螺旋銑刀能夠在銑削過程中減輕切削負載，改善切削行為，並提高粗加工時刀具的效能，研究流程如圖2所示。
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