文獻回顧

針對超音波加工相關的研究相當多，超音波振動應用於輔助加工之 研究，在切削加工方面，Dam 等【3】利用超音波振動進行陶瓷材料加工研 究，探討加工速率、刀具磨耗及表面粗度。實驗結果證明，韌性較高的材 料其加工速率低、刀具磨耗高而表面粗度低；而脆性較高的材料其加工特 性則剛好相反。Sinn 等【4】利用超音波振動輔助木頭切削，針對軟與硬之 木材在乾與濕的狀態下，與傳統切削進行比較。研究結果顯示，施加超音 波振動能降低摩擦力，並使所需之切削力較傳統減少超過 50%。

在超音波熔接加工方面，Shoh【5】針對於焊接介面，以凸起尖端的導 能器建立理論模型，進而提出超音波焊接時的熔接機構。Sovetov 等【6】

研究超音波焊接，實驗結果發現，當焊件表面上具有 V 形凸起的結構時，

此結構具有聚集能量的作用。Bekmurazaeu 和 Volkov【7】發現導能器具有 集中超音波能量的作用，且較軟材料製造出的導能器其加熱速度較快。

應用超音波振動於成形加工之研究，在抽拉成形加工方面，Siegert 和 Mock【8】將超音波振動應用於線材抽拉成形之研究，研究中以徑向超音波 振動方式探討抽拉速度及振幅對於抽拉應力之影響，實驗證明由於超音波 振動的作用使得抽拉力減少、抽拉速度可較傳統抽拉快，因此適當控制抽 拉力、超音波振幅及抽拉速度，可以達到傳統抽拉成形無法達到之材料成 形界限。Murakawa 等【9-10】同樣對超音波振動於線材抽拉成形進行研究，

分別對傳統抽拉、軸向超音波振動抽拉及徑向超音波振動抽拉進行實驗比

Petruzelka 等【14】利用軟體 VISIOPLAST 對超音波振動於管材抽拉成形進 行模擬分析。研究中以心軸位置在縱向超音波振動波形之固定振動回路振 動節點、反節點及非節點位置，分析抽拉期間傳統抽拉與有超音波振動之 抽拉，其材料流動率、變形率、變形、應力及塑性力分佈改變較大之區域。

Jin【15】則利用軟體 DEFORM-2D 和 DEFORM-3D 對超音波振動線材抽拉成形 進行模擬分析。研究中以徑向超音波振動抽拉及軸向超音波振動抽拉進行 模擬分析，分析模擬之抽拉力、加工硬化的減少、抽拉線內部之應力與應 變分佈均與實驗值接近。Hayashi 等【16】以有限元素法軟體 ABAQUS 對線 材抽拉成形進行超音波振動模擬分析，瞭解超音波振動抽拉成形之抽拉力 幅放大率為設計目標。Seah 等【17】利用有限元素分析法輔助振幅放大器 設計，且利用實際加工振幅放大器進行量測比較。研究結果證明，由有限 元素分析可瞭解振幅放大器在不同共振模態的自然頻率，且分析的共振頻 率比傳統理論近似解更為快速準確。同時可藉由動態分析計算振幅放大器 在操作條件下的應力特性。Amin 等【18】同樣以有限元素分析來輔助振幅 放大器設計進行研究，以四種不同幾何形狀進行形狀最佳化模擬設計，求 得最大振幅放大率，且藉由工作應力分析，選用振幅放大器的材料。Adachi

和 Ueha【19】認為施加一些可振動分量於振動系統上，因反作用力關係可 修正系統的振動模態，並提出一種使振幅放大器振幅分佈均勻的方法，研 究中設計一種限制波動放大器（Wave-trapped Horn），如圖 1-4 所示，控 制彈性系統的振動模態，實驗證明限制波動放大器能有效改善大型振幅放 大器的輸出振幅分佈。Cardoni 和 Lucas【20】針對方塊型振幅放大器（Block Horn）的振幅分佈改良設計進行研究，利用有限元素分析輔助設計，並設 計一些溝槽與細狹縫於振幅放大器如圖 1-5 所示，來獲得較均勻的振幅分 佈，研究結果證明，增加溝槽與細狹縫能有效使輸出振幅的分佈較為均勻。

何【21】則針對超音波振幅放大器的端面輸出振幅分佈進行分析研究，研 究中利用有限元素分析，嘗試以外陡切、內陡切、外斜切、內斜切等方式 來改善振幅分佈，如圖 1-6 所示。Cardoni 等【22】利用有限元素分析，針 對複合式超音波刀具，在工作時因共振頻率附近之諧振模態影響，造成刀 片振動時的彎曲，產生疲勞破壞及工作性能不佳的問題進行改良。調整方 塊型振幅放大器長度由全波長改至半波長，利用第一縱向模態共振取代第 二縱向模態共振，排除第二縱向模態頻率附近的諧振模態影響振幅放大器 振動性能。

圖 1-4：限制波動放大器

圖 1-5：具溝槽及細狹縫之振幅放大器

圖 1-6：振幅放大器外陡切、內陡切、外斜切、內斜切示意圖

近年來，最佳化設計的概念常應用於工程研究與實務上，但概觀國內 外於振幅放大器設計的相關技術研究，最佳化設計應用在超音波相關的領 域其文獻並不多，且多以簡單的幾何形狀之振幅放大器為研究對象，目標 也多以放大率為主，較缺乏對於振幅放大器振幅分佈的探討。蔡【23】比 較數種曲線型振幅放大器之理論放大率，並針對軸對稱懸垂曲線型振幅放 大器（Catenoidal Horn），以理論放大率為目標，進行最佳化設計，得到 相同截面積下振幅放大器之最大放大率。洪【24】研究中應用有限元素軟 體 ABAQUS/STANDARD 以及最佳化程式 MOST，針對軸對稱之階梯型振幅放大 器，進行最佳化設計，以獲得振幅放大器之最大放大率。