星期一, 5月 16

    浅谈超音波加工技术应用于孔加工领域优势

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    ■汉鼎智慧科技/ 章宏道 产品经理

    微小孔径及径深比孔加工的挑战

    钻孔加工(Drilling)随着零件的迷你化,钻孔直径缩小化 的需求是当前大势所趋,随着产品零件特性要求日新月 异,对要求更微小孔径及更大径长比深孔的加工技术需 求日益殷切。以往小孔径都是以高速钢钻头和深孔钻头 进行小孔加工,这些钻头由于加工效率低,故无法满足 目前性能要求。

    小孔径钻孔加工需要由外部供给切削油加工,同时由於切屑排除困难,通常必须采行分段钻孔加工(step drilling)的手法达成微小孔径的加工,因而欲缩短加工 时间似乎不大可能。

    小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例,而最容易产生的问题是钻头刀具断裂,其主要的原因大部份是 切屑阻塞引起。然而,由于小孔径几乎都是L/D=5 (径 深比)以上的深孔,故切屑在高速钢钻头裡对凿锋缘 (chisel edge)有重大影响,很容易产生过当的止推力。 同时会使同心圆的形狀变差。结果将会导致材质性刚性 相互作用,并使钻头产生挠曲,被钻穴弯曲、孔径扩大 等,孔穴精度不良现象。为克服上述缺点之考量及满足加工效率、切屑排出及钻 头形狀、刚性等要求,开发能够从事小孔径稳定加工之创新解决方案乃是迫不及待之要务。

    图 1:不同加工方法的表面粗糙度数值比较

    超音波辅助加工对孔加工效率与品质带来的主要效益

    首先,由于有超音波振动的关系,除了因摩擦降低使 切屑变薄,并增加切屑排出速度外,更会因为钻头中 心侧及稜角侧之切屑排出速度差减少,故横向卷绕切屑会变小,而且会形成平滑螺旋狀或带狀的切屑,使切屑排出更为顺畅,因而不需要分级进刀即可从事深 孔加工。

    其次,因有超音波振动,故对抑制孔穴入口处钻头 振颤振动有相当程度的效果。因此也不易产应变圆 (Strain round)借着凿尖锤系作用限制钻头,钻头笸加 工物件间歇性接触,降低钻头弹性变形恢復力及摩擦 力,相对的也能减少径向作用力的变动。

    第三,因增加了超音波振动,在倾斜孔加工裡孔穴的应变也变小了。

    第四,借由超音波振动加工,使用直径30μm 极小 径钻头从事不锈钢钻孔加工变得更容易。经由我司客 户实际应用验证的经验分享,其可以轻易完成板厚达 3.6mm的不锈钢薄板进行通孔加工(径深比:L/D = 12),单孔加工循环时间仅需要2.5秒以下,所使用的 钻头刀具寿命平均可以完成近2,000孔的加工。不但效率大幅提升且拥有高可靠度的加工过程,大幅减少 加工失败带来的巨大损失。

    以超音波加工进行铸铁材料的孔加工比较结果

    根据南亚技术学院机械系王士荣副教授的研究结 果(摘自南亚学报第29期)显示,王教授以铸铁 材料(FC30),分別以三种不同的加工方法进行孔 加工,比较其不同方法加工孔的品质,采用超音波 加工 (Ultrasonic cutting) 钻石磨棒、传统切削钻头 (Common cutting) 及线切割(Wire cutting) 表面轮廓 加工,针对加工后的孔壁表面粗糙度进行影响探讨。其比较结果如(图1)所示,发以超音波加工的孔壁 表面粗糙度最佳,以Rmax而言,超音波加工较传统 切削相差了 6.5 倍 Rmax 粗糙度以上,Rmax 兩者之 间大约相差 27.56μm。另在Ra 粗糙度方面则减少了 10.2倍大约3.9μm。

    以传统切削加工而言,切削加工后造成较粗糙工件表 面结果主要是因高速切削条件下切削刀具的刀鼻半 径(tool nose radius)及刀口在加工时所产生积屑(build-up edges) 和毛边(scale)有关。而采用超音 波加工方式,其原理为在加工时所具有震荡频率时会 造成每次震荡时在刀具轴向方向会有微小进给和超音 波冲击动作(ultrasonic impact action)。因而钻石 刀具表面会受到磨料颗粒的冲击而变得粗糙,且第一 次加工出之工件表面其粗糙度会显得较差。但经第二 次以后刀具表面继续再加工时工件表面其粗糙度会被 磨料颗粒给慢慢磨平,所以工件表面粗糙度值会有所 改善,但刀具粗糙度再继续受磨料颗粒冲击到一定程度后,就不会改变加工后的结果。

    图 2:不同加工方法的表面粗糙度数值比较

    其切削主要是利用钻石刀具颗粒结合磨料颗粒來移除 材料,所以粗糙度与刀具钻石颗粒粒度大小有关。本 实验是以钻石刀具粒度325 号數颗粒切削铸铁材料, 又由于超音波加工所具有之振动方式可有效减少刀 口积屑所产生之刮痕及材料表面塑性变形(surface plastic deformation) 之 突 出(stick up) 与 皱 折 (wrinkly)。并可在加工表面上卸脱排出松散的卷缩 撕成带狀型式刮削的碎屑,也由于加工后之切屑具有 较薄以及较小型态,因而加工时比较容易移除且获得较佳之表面品质。其表面粗糙度比较如(图2)所示。

     

    图 3-1:超音波与传统钻孔品质比较      图 3-2:超音波与传统钻孔品质比较

     

    图 3-3:超音波与传统钻孔品质比较      图 4:超音波加工表面粗糙度与刀具参数之关系

    此外,比较以传统钻孔加工方式与超音波加工孔两种 不同方式加工,所产生的孔品质进行比较,分別以偏 转度、同心度及圆周度,可以发现以超音波加工的孔 品质上仍然明显优于传统钻孔加工所得到品质结果, 见(图3-1~图3-3)所示。
    最后,我们观察超音波加工表面粗糙度与刀具参数之 间的关系发现,当钻石刀具颗粒号數愈大时则加工后 工件表面粗糙度愈低。此即代表刀具的钻石颗粒号數 愈大时则钻石颗粒相对小之效应,因而造成经加工后 工件表面较细致之原因。

    在固定刀具进给及工件直径条件下,以不同钻石刀具 号數颗粒及有无超音波振荡加工设备情况下对加工后 表面粗糙度值之比较,由(图4)的比较上我们可发 现具有超音波震荡加工设备及较大号數之钻石刀具颗 粒情况下会有较小之表面粗糙度Rmax 值及Ra 粗糙 度值。当固定加工进给及钻石刀具颗粒号數条件下, 考虑变化不同刀具直径及有无超音波振荡加工设备, 对工件表面粗糙度做比较时即可知具有超音波震荡加 工设备及较小工件直径下有较低之表面粗糙度Rmax 值。

    总结

    若在相同加工进给、刀具直径及相同钻石刀具号數情 况下,可显示出使用超音波加工设备时,由于超音波 加工机中所产生的超音波动力來源可控制设备振动频 率及电流因而具有较稳定之完整材料移除使得材料延 性百分比增加,其意义即代表造成工件表面较细化切 削过程之原因,因此以具超音波加工机加工时就可获 得较低(佳)之表面粗糙度值。
    基於上述的实验结果,我们可以总结关键的成功因素 有下列四点:
    1.具超音波加工之超音波震动效果可产生较佳表面效 果(较低粗糙度)降低平均粗糙度提升偏转度、同心 度、圆周度等精度。
    2.钻石刀具颗粒越大时有较低之Ra。但传统钻头加 工由于钻削中当钻头刀刃积屑(burrs)形态产生时易 增加切削阻力导致加工后表面粗糙。
    3.由于超音波加工时刀具稳定震荡之进给将可降低加 工时间减少工件残留应力及应变硬化,因而与传统加 工比较可获得促进工件表面品质,并提升刀具寿命之 优点。
    4.传统切削刀具加工后会产生长且连续切屑型态,而 超音波加工由于极显著超音波震荡现象造成其切屑形狀为不连续之小碎屑型态。
    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。

    联络资讯

    章宏道 产品经理 电子邮件:James.Chang@hit-tw.com 公司网页:www.hit-tw.com ■

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