星期四, 5月 19

    浅谈超音波加工技术应用于高硬度合金钢材及模具案例

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     ■汉鼎智慧科技

    什么是超音波?

    音波是人耳能感受到的一种纵波,一般人听觉的频率上 限在 16 ~ 20 kHz,故频率高于 16 kHz,即称之为超音 波。超音波由于频率可以很高,因而传播的方向性很强。 超音波传递过程中,介质振动的加速度非常大。(附图1) 超音波在工业上的应用极为广泛,如超音波探伤、超音 波清洁、制造乳液、促进化学反应、超音波焊接、金属 及塑胶塑性加工、切削、研磨……等等。本文介绍的范围 聚焦应用超音波加工技术於各种先进材料的切削及研磨 的应用领域。超音波切削与研磨加工的方法大致可区分 为:固定式超音波加工(USM, UltraSonic Machining)、 旋转超音波加工 (RUM, Rotary Ultrasonic Machining) 两大类型

    图 1

    超音波如何进行加工?

    超音波加工应用于先进材料的加工原理,是根据各种材 料本身具备的延性加工特性中的临界切削深度,以高达 每秒20,000至50,000次的微量冲击去除材料,辅以 转的方式将材料刮除的复合型态的加工方法。可以广泛应用于各种硬脆材料、难切削材料、耐高温超合金与复合材料等特殊工艺需求的场合。例如:BK7光学玻璃 的临界切削深度为50 nm,当切屑厚度小于等于临界 切削深度时,其切削的型态与传统的金属材料切削并 无不同;但是,当切屑厚度逐渐增加时,超过该材料 的延性加工临界切削深度时,随即会产生材料破裂的 现象,造成加工失败的结果。(附图2)。但是如此微小的临界切削深度,以目前一般的加工设备的运动解 析度而言是不可能达成的,需要藉助於超精密的加工 设备方能达成,因此早在1950年代超音波加工技术被提出,主要针对硬脆材料的加工解决方案,应用于氧化铝、氧化锆、蓝宝石、硅、石英、微晶玻璃等硬脆材料。我们可以经由德国 Aachen University 的实 验结果得知(附图3),将超音波加工设备安装於传统 的车床设备上,透过超音波发振器及具备振幅放大结 构的刀具固定装置,根据超音波振幅传递与放大的正 弦波设计,将刀具固定于超音波振幅最大的位置,对 硬脆的光学玻璃材料进行切削。采用的超音波加工频 率达 39~40 kHz,最大振幅为 5 µm。可以得到如图 3的切屑结果,呈现如同车削传统金属的连续卷曲的切屑结果,验证了以旋转超音波加工技术可以用传统 的工具机进行非常精微的切削型态,取代了高价不可攀的超精密加工设备及其极微细运动分辨率的技术障碍。

    图 2

    图 3

    超音波加工的优势

    旋转超音波加工技术已在光学元件、硬脆性材料、难切削材料、耐高温超合金与复合材料等需要特殊工艺 的场合,验证了超音波加工的特殊性与优越性。

    其带来的主要加工效益分別为:

    •切削力降低40% •切削效率提升300% •刀具寿命有效提升 •减少硬脆材料工件微裂缝现象 •改善工件加工表面粗糙度

    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,并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4)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。

    图 4

    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,根据笔者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5)。 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。 •刀具壽命与可靠度提高。 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。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(硅)、SiN氮化硅(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。

    图 5

    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需要这些成功案例参 见(附图6)。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7)。

    图 6

    图 7

    超音波加工对于钨钢加工的案例

    近期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8)需要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)

    图 8

    另外,对于高硬度的硬质合金(碳化钨钢)的材料移 除率提昇上,也有显著的成效,有利于当加工特征无 法以线切割的方式进行粗加工的情况下,采用超音波 加工技术应用,能发挥整体加工效率的提昇,如(附 图9)。超音波加工对于高硬度合金材料的镜面加工应 用上,我们也有初步的进展,根据测试案例的结果显 示,运用超音波加工技术搭配适当的钻石磨棒刀具, 可以达到接近光学镜面要求的等级表面,如(附图10),目前正著力於更高层次的应用技术发展中。

    图 9

    图 10 

    图 11

    最后,针对模具加工过程中经常面对的石墨材料的加 工案例,我们也有初步的心得分享,如(附图11),被 主要产生两个重要的进步,在各种加工条件下观察备 加工石墨材料的边缘发现其崩边现象大幅的缩小,大 幅增加了石墨材料零件的加工的可靠度;此外,加工 效率的提昇与原来的方法及刀具相比,也有两倍左右 的效率提昇。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。

    关于汉鼎智慧科技股份有限公司

    由于半导体、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。未来决胜关键将是在于高 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。汉鼎智慧科技 股份有限公司是由科技部新型态价值创造计划支持创 立的新创公司,同时也是国立中兴大学根据上述计划 所衍生的企业。成立於2018年5月9日,我们专注 於新材料加工技术产品与提供系统解答方案,愿景是 成为全球新材料加工技术与服务业者的隐形冠军,成 为领先全球的独创技术与解决方案领导者及客户最值 得信赖的合作伙伴,提供客户们全球最高性价比值的 新材料加工技术产品和最佳客户体验服务。目前公司 成员近20余位,具有理工背景的硕博士员工佔公司 员工6成以上,拥有坚强的创新技术研发能力与团队。


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