超音波在高溫下之應用

2

是將高頻電訊號輸入至換能器使電能轉換為機械能，產生高頻的機械 振動，最後再利用振幅放大器增加工具端的振幅輸出，提升加工效率。

在上述利用超音波輔助的加工法中，超音波輔助成形加工主要是於成 形期間將超音波振動的能量作用於模具或工件上，再進行成形，為一 種複合成形之加工方式。成形加工時之超音波振動，會引起模具與工 件之間的摩擦力改變、提高工件表面的溫度、增加材料成形性、使材 料塑流應力及回彈量降低，並降低成形時所需之應力，因此會達到傳 統塑性加工無法達到之加工成形界限。

1.3 超音波在高溫下之應用

近年來，超音波輔助加工不再只用於常溫下，應用於高溫下的製 程也越來越多，如塑膠熔接、金屬焊接、熱壓成形等。超音波塑膠熔 接有價格低廉、機台穩定且效率高、產品優良等優點；超音波金屬焊 接則不需加助熔劑、且熔接時間短、可用於大量生產。近年來，超音 波熱壓成形開始應用於塑膠以及玻璃等材料，殷[1]與鄭[2]將超音波 振動應用於光學玻璃熱壓成形，熱壓機台示意圖如圖 1-1，利用紅外 線燈管對模具端加熱，達到所需之溫度(玻璃轉換溫度以上)後進行熱 壓，在熱壓期間施加超音波振動，結束熱壓後，脫模降溫即可取出成 品，流程如圖 1-2，而圖 1-3 顯示了超音波熱壓成形之時間與溫度的 關係。

圖1-1

圖1-2

：超音波輔

：超音波輔

3

輔助玻璃

輔助玻璃

璃熱壓機台

璃熱壓流程

台示意圖

程示意圖

圖 kbari 等[4

傳統未施

5  

術使得研磨過程中所需施加的外力明顯下降，且表面粗糙度、破斷強 度都有明顯的改善。

在超音波熔接加工方面，Shoh[5] 針對焊接介面，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 。 Bekmurazaeu 和 Volkov[6]發現聚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。

在超音波輔助成形方面，Blaha 與 Langenecker[7]對單晶鋅試片進 行拉伸試驗時，附加一超音波振動於負荷上，實驗結果發現施加超音 波振動時，材料之降伏應力會降低，且材料在塑性成形時，其材料塑 流應力會減少，此稱為Blaha effect 現象。Liu 與 Dung[8]以超音波振 動施加於塑膠平板上進行微結構壓印，並觀察塑膠平板溫度的變化，

發現塑膠工件表面會因摩擦導致溫度升高，超過其轉換溫度，使成形 性升高。Mekaru 與 Takahashi[9] 提出超音波奈米轉印做為新的奈米 轉印技術，以超音波振動替代了熱產生器，此時模具上的式樣與工件 表面之間便會產生摩擦熱，證明使用高頻率振動會引起熱變形，並改 善轉印精度。殷[1]對光學玻璃進行超音波輔助熱壓實驗，發現施加 超音波後可降低成形力量以及提高成形性。鄭[2]研發光學玻璃熱壓 機台進行實驗，發現此製程可降低玻璃熱壓成形所需的溫度及力量，

並提高成形性。

6

關於超音波換能器之有限元素分析， Abdullah 與 Pak[10]利用有 限元素軟體ANSYS 針對壓電換能器做模態以及頻率響應分析，並建 立2D 與 3D 模型進行比較，但並未與實驗相驗證。Chen 與 Zhang[11]

利用ANSYS 模擬壓電換能器做頻率響應分析，並說明模擬結果與實 驗相符。此外，在放大器底端放置一平板作暫態分析，發現除了原本 的振動頻率外會在平板上出現次頻脈衝，頻率約為原本的十分之一。

Andrade 等[12]利用 ANSYS 對壓電換能器進行頻率響應分析，並在底 端觀測環境潛在輻射的變化，最後藉由實驗證實上述分析。

1.5 研究動機與目標

高溫成形有易成形、可產出高精度產品等優點，而超音波輔助加 工則可降低成形時的應力，若結合兩者，將超音波應用於高溫下之製 程，針對較難加工之材料如陶瓷、玻璃等進行成形加工，能有效降低 成形力、提高成形性。但由於對振動系統加溫並不容易，必須解決預 防壓電材料受熱會損壞的冷卻問題，目前相關文獻仍很缺乏。

常溫下超音波振動系統的振動情形如共振頻率、振動型態以及振 幅等可由模擬中預測得知，而相關的有限元素分析已有許多文獻可供 參考。但若超音波應用於高溫的製程，如鄭[2]的超音波輔助光學玻 璃熱壓機台，由於壓電端需保持常溫，升溫與冷卻系統會使超音波振

7  

動系統呈現溫度梯度分佈，此時材料參數會因溫度而有所改變，故共 振頻率會因此偏移。為了使振動系統在高溫時的共振頻率與電子訊號 產生器之輸出頻率相符，必須修改振動系統之外形。但此時系統有溫 度分佈，材料參數不均會導致無法以理論公式求得其外形，故現階段 只能以試誤法進行外形修改，但此方法效率低。除此之外，超音波振 動的振幅亦會影響加工後的玻璃成品，但設計振動系統時並無法得知 其振動的振幅，且由於熱壓機台的限制，振幅的量測並不容易。

本研究為了有效預測不同溫度下振動系統的共振頻率與振幅，將 針對有溫度梯度時的超音波振動系統進行有限元素分析，並將模擬結 果與實驗進行比對，建立一個可靠的有限元素分析系統來預測超音波 系統的振動情形。但由於文獻中熱壓機台的設計，升溫時，振動系統 的振幅放大器位於加熱爐之真空腔體內，不易量測到振動時的振幅與 模擬值相比較，故本研究設計了一個可量測放大器底端振幅、仿真但 簡化的加溫系統進行研究。未來將可利用此模型設計出能在真實熱壓 機台所需之工作溫度下正常運作的振動系統，也能藉由分析預測出實 驗較難量測之振動系統輸出的振幅。

1.6 研究方法與步驟

本研究步驟主要分為以下三個階段：

8

(1) 建立參數化幾何模型：根據京華超音波股份有限公司所提供的 換能器振動子與傳動子的設計圖，以及本實驗室自行設計之振 幅放大器，將模型幾何尺寸參數化，建立有限元素分析模型。

(2) 初步(常溫)模型分析驗證：針對常溫之超音波振動系統做模態 分析以及頻率響應分析，了解常溫下的振動特性，並將結果與 實驗量測值相互比對，以驗證初步的常溫模型。

(3) 進階(高溫)模型分析驗證：針對有溫度梯度分佈的超音波振動 系統進行分析，首先以熱傳分析及結構分析得到其溫度分佈與 熱膨脹後之外形，再將上述結果代入模態分析以及頻率響應分 析得知共振時的振動情形。最後將模擬結果與實驗量測值相互 比對，建立完整的有限元素分析系統。

1.7 論文架構

本論文一共分為五章，在第一章先簡單介紹超音波加工、研究動 機與目標以及研究方法。第二章針對本研究的超音波系統進行較深入 的介紹，並簡介使用的軟體及分析原理。第三章進行常溫模型的實驗 量測以及有限元素分析，並相互驗證。第四章則針對不同溫度分佈的 模型進行分析與討論。第五章則為結論與未來展望。

9  

第二章 超音波系統與有限元素分析簡介

本研究中所使用的超音波系統可應用於多種超音波輔助成形加 工，此系統是由電子訊號產生器、振動子(換能器)(Transducer)、傳動 子(Booster)以及振幅放大器(Horn)所組成。而本研究之有限元素分析 將針對振動子、傳動子以及振幅放大器所組成的完整超音波振動系統 進行分析。以下將介紹超音波系統之組件以及有限元素之分析原理。

2.1 超音波壓電換能器簡介

常見的換能器分為磁致伸縮換能器(Magnetostrictive transducers) 以及陶瓷壓電換能器(Piezoelectric transducer)兩種，本研究使用的是 京華超音波股份有限公司所提供的陶瓷壓電換能器。此類壓電換能器 近年來開始廣泛應用於壓電開關、印刷噴頭、壓電陶瓷繼電器等用途，

而本研究則將壓電換能器應用於超音波系統中，利用電子訊號產生器 內部的振盪電路產生超音波頻率信號，再經由振動子中的壓電陶瓷片，

藉由壓電效應將電能轉換為機械能，產生超音波頻率的機械振動，最 後再利用傳動子以及振幅放大器增加工具端的振幅輸出，提升加工效 率。圖2-1 為超音波振動系統之原理示意圖。圖 2-2 為各式壓電換能 器。

在本研究 US-35，圖

阻抗(Impe 壓電換能器

edance)最 器，此時的

圖

3：35KH

振動系統之

振動子的

13  

2.2.2 壓電陶瓷片

壓電陶瓷片的主要功能是使得機械能與電能可以相互轉換。對壓 電陶瓷施加壓力時，它就會產生電位差，此為正壓電效應；如果對壓 電陶瓷施加電壓，它就會產生機械形變，此為逆壓電效應。如果對壓 電陶瓷施加一個高頻振動，它就會產生高頻電流；如果在壓電陶瓷上 施加高頻的電訊號，它就會產生高頻的機械振動。而在本研究則是施 加一高頻交流電壓，使壓電片有正負方向的高頻機械振動。

極化是成為壓電材料的一個重要程序，因為壓電材料具有機械能 與電能之間的能量轉移特性，加電場於壓電材料時，帶有電性的電荷 會產生相對位移，因而產生雙極子，經過極化後，會將原本雜亂的極 子成為規則排列的極子。故施加電壓之後，壓電片會沿極化軸變形，

在高頻振動之下則會形成縱向的振動型態。

壓電材料因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電 場耦合的效應，而壓電理論為分析壓電材料具力學與電學耦合特性之 理論，可以藉由以下數學方程式來表示[15,16]：

介電方程式(Dielectric Equation)：

E

D 

其中 D：電位移(Electric Displacement) ε：介電係數(Permittivity)

14

E：電場強度(Electric Field Strength)

虎克定律(Hooke’s Law)：

虎克定律(Hooke’s Law)：