星期四, 5月 19

    浅谈超音波加工技术应用于模具及精密零件加工领域

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    ■汉鼎智慧科技/ 章宏道 产品经理

    超音波加工应用的领域及市场商机

    超音波加工技术在应用领域的拓展,随着半导体、光电、 航太、医疗器材、能源、电动车、3C电子、精密机械等, 未来将大量采用轻量化、更硬韧和耐高温的先进材料, 而逐步普及与深入各种应用的范围,不断的深化,逐渐 成为各种产业领域的标準制程技术之一。因此新材料加 工已经成为CNC工具机产业的新蓝海市场,未来决胜 点将是在于高效率与高品质的硬韧与轻量化先进材料加 工技术与装备,不再是传统的精密金属切削技术。 (附 图一)

    图 1:超音加工技术适用材料与应用产业领域

    然而对于模具、精密机械零件的产业,对于新材料的应 用及改变,仍是漫漫长路,期待借由超音波加工技术也 能够对眼下的传统金属材料、更高等级的模具钢材和各 种工具合金钢的加工品质、效能,甚至简化目前制造程 序,达到快速生产制造、减少人工制程的依赖等的期待 殷切。

    本期我们将聚焦於传统金属材料加工范畴中,超音波加 工技术的应用能带来哪些改善效果,提供各位业界先进参考。

    超音波加工技术应用于模具产业分析

    超音波加工技术应用于模具及精密零件加工的领域已经 逐渐普及,根据笔著个人经验与市场交流心得显示,目前在使用各种特殊模具钢、合金工具钢、粉末高速钢 及钨钢等常见的材料范围中,可以分析出市场对于工 艺技术改善需求的具体目标期待,如(附图二)。

    图 2:超音波加工技术应用于模具产业需求分析

    在各种模具制造行业的领域中有著共同的需求,不外 乎如下列的几项关键的需求:
    ●数控自动化高光、镜面加工,减少甚至取代人工拋 光研磨工艺。
    ●减少或取代对于放电(电火花)工艺的依赖。
    ●减少各种加工工艺造成的表面应力残留或额外去除 表面硬化层的工艺。
    ●提供整体加工效率及降低加工成本。
    ●刀具寿命与可靠度提高。

    整体而言,根据目前超音波加工技术对于模具及精密 零件加工产业,已经在三大重要指标上获得成功的可 行性验证,分別是材料、制程与效能上明显改变。如 (附图三)。

    图 3:超音波加工技术对工艺产生的三大改变

    在材料上,超音波加工技术已被证实可以轻易的加工 非常硬韧的特殊合金工具钢材,甚至也可以迎接等级 更高的陶瓷材料(例如:SiC碳化硅、SiN氮化硅或陶 瓷基复合材料(例如:CMC)。

    对于制程工艺的改变,则是大量的以小径磨棒进行磨削加工来取代铣削的工艺,也因此可以借由磨削工艺制程,进一步精进至研磨拋光的工艺制程,取代长期以来需要依赖人工手工的研磨拋光,改善人为因素造成的负面影响及目前从业人才严重断层短缺的严峻问题。

    也可以结合时下对先进的金属雷射(激光)立体积层 制造技术的表面精加工与镜面加工的工艺需求,对于表面硬化层加工带来有效的解决方案;也可以应用于目前模具使用时需要维修焊补后的精加工工艺需求。

    整体而言对于模具及精密零件加工的效能,产生从根 本的变化,主要是减少或取代放电(电火花)及大部 分需要人工拋光的工艺需求;可以使用小径的磨棒工 具进行零件细微结构的直接加工。这些成功案例参见 (附图四)。目前在国外的刀具制造厂商也开始应用超 音波加工技术於特殊结构的刀具本体细微结构上的加 工案例,如(附图五)。

    图 4:DMGMORI 将超音波加工技术应用于模具加工案例

    图 5:DMGMORI 将超音波加工技术应用于刀具本体结构加工的案例

    超音波加工对于钨钢加工的案例

    近期本公司受客户委托进行一系列的钨钢材料的结构 加工测试研究,获得客户的肯定,协助客户解决长久 以来的工艺难题,并且活化了原本厂内的加工设备, 使得原来传统的数控加工中心机借由增设本公司的附掛型超音波加工模块后,摇身一变晋级为具备超音波 加工功能的复合加工设备,对于该客户大量的模具零 件加工解决了重大瓶颈,据客户私下透露,其投资报 酬率相当惊人,仅仅三个月就能回收。

    基於保障客户商业机密的权益,笔者仅能以本公司内 部自行验证的案例内容分享各位业界先进。整体而 言,超音加工技术对于钨钢材质的加工工艺可以达到 下列的优势:加工效率至少快六倍,取代原本需要进行放电(电火 花)工艺及人工拋光的需求,完全以数控加工中心机 结合超音波加工模块完成所有的加工工艺制程。如(附 图六)。

    图6:以超音波加工技术应用于钨钢加工的实际案例 ( 一 )

    加工完成后的表面粗糙度平均在Ra 0.1 um左右,完 全不需要后续的拋光研磨工艺。对于材料表面更带来 了没有表面硬化层的优势,完全不需要再进行后续的 处理工艺制程。 总结可以达成「四省两免」的效果,分別是: ●省制程、省设备、省时间、省空间 ●免错误、免管理电极(铜工) 另外一个以钨钢材质进行加工的验证案例,则是以钨 钢棒材(Ø16×27 mm),经过两个工序的装夹及总计5 支刀具的加工过程,采用超音波加工磨削的工艺,完 成钨钢螺丝头的整体加工,完全以磨棒工具加工完成 造型内孔、斜面及精密外螺牙等特征加工,整体加工 时间少于两小时即完成。此加工案例可以提供以冷锻 生产五金零件的模具加工工艺、航太精密螺丝加工的 产业参考导入使用,也同时重复验证国外先进技术也 可完全由国人自行完成,如(附图七)。

    图6:以超音波加工技术应用于钨钢加工的实际案例 ( 一 )

    总结,超音波加工技术能够发展的工艺应用领域实在 非常广泛多元,笔者与许多业界先进交流时,获得共 同的看法小结:超音波加工技术的应用领域,堪称「没有做不到、只有想不到」 。期待各位业界先进拨冗阅 读本文之后,能够促发各位无限的想像创意,共同参 与超音波加工技术工艺应用的发展。笔者期望借由本 文的分享,带来拋砖引玉的效果。

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    汉鼎智慧科技股份有限公司
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