超音波振動輔助加工於玻璃材料加工研究

超音波振動輔助加工於玻璃材料加工研究

楊忠義 、許富銓 、蕭美技 、李正雄2 成形研發處模具組 2.金國立高雄應用科技大學 模具系 E-m [email protected]

應用於 度的提升、加工 性協助及具有提 超音波的高頻振 製程的成本， 程程序。但因超音波輔助加工是在現有的加工製程中加入高頻低振幅的振 動（施於刀具或是工件上），由於其振動機制的加入，大幅提升了原製程之加工變數，使得在操作者的使用 是需相當有經驗的人員進行操作。本研究擬以車削機制，模擬建構出超音波輔助振動 單刃切削之數學模型，藉由理論 振動車削過程中，刀具與工作之間作用狀況以及其 瞬 寶石、矽、石英、 鎢、…、等等）。 是由一受靜負載之工具，在工具上施以超音波（20~40kHz） 表面，使加工面 ，硬脆材料的應 、加工深度及加工精度等等都一直在提 升，傳統式懸浮磨料的方式由於加工過程中磨料難以進入工件與工具之間，加工效降低，懸浮磨料的流動 更使得加工精度難以控制而漸漸不敷使用。

旋轉超音波加工（Rotary Ultrasonic Machining RUM）是以傳統超音波加工為基礎所發展出來的，其主 要的差異是在於將原本懸浮流動的磨料（大多為鑽石粉未）固定在一工具上，將鑽石優良的切削性能與超 音波加工的特性結合，突破傳統超音波加工精密加工的能力。圖 1 中所示即是一 RUM 之示意圖，將具有 鑽石粉未的工具結合三軸向可程式控制平台，來進行各式精研磨加工。 1 1 2 1.金屬工業研究發展中心 精微 ail : zyya

摘

要

在國內，超音波振動技術被廣泛的應用於塑膠熔接製程及清洗製程，但亦有許多研究提出將其 機械加工製程上。相關超音波輔助機械加工研究與探討文獻中顯示，不論於加工表面粗糙 應力的降低、刀具壽命的提升和切削溫度的降低上，超音波引入輔助機械加工都具有正向 升加工特性的功能。而超音波研削則應用於高硬脆性非導體材料或碳化鎢銑削加工，結合 動與燒結鑽石刀具以高速旋轉研削的方式進行加工，加工之表面即為研磨面，除了省掉後處理 加工時間亦可大幅降低，減少製 上難以快速入門，或 的推導探討出在超音波 時切削過程之加工速度分析。 關鍵詞：超音波振動加工

1. 前 言

超音波加工最早在 1950 年被提出，主要針對超硬材料的加工（如氧化鋁、氧化鋯、藍 早期所建構之超音波加工結構 高頻振動，工具和工件接觸面上通具有高硬度磨料之研磨液，藉由工具帶動磨料衝擊工件 產生裂紋，持續作用後裂紋會成長而使材料剝落達到除料的效果。然而，隨著科技的發展 用越來越廣泛（如電漿設備中之矽盤、石英擴散盤等），工件複雜度

圖 1 固定鑽石磨料之超音波加工示意圖【3】 文獻研究顯示，超音波輔助機械研磨/加工不僅可以使切削溫度降低、高頻振動使刀具具 提升加工精度的效果，更因刀具高頻且微量的衝擊工件表面使得加工面產生微量極淺層豐 於每次切削時去除。因此不論是於加工表面粗糙度、加工應力及切削溫度的降低或刀具壽 波振動的引入都具有正向性的協助。如 Isobe 等[1]以#100 電鑄鑽石磨棒實驗在 4000rpm 及 下對 NAK80 材料進行研磨加工，並加工出 Rz0.14μm 之研磨表面。Pei 等[2]亦實驗證明了 低加工應力，提升 MRR 值並適合於陶瓷材料之加工。Zeng 等[3]亦以旋轉式超音波研磨加 明超音波輔助研磨加工具有低刀具磨耗、高 MRR 及高加工精度等特性。西村等[4]以超音波 難切削材料進行切削實驗並與一般切削加工進行比較。實驗證明，在切削深度 1.5mm 狀 表面粗糙度約為超音波輔助切削的 5 倍，而切削應力更是超音波輔助切削的 24 倍！鐵等 和#140 粗磨粒超音波研磨氧化鋯，探討氧化鋯的脆性-延性轉變特徵，其研究發現加工摩擦 加工溫度低、材料內部的微觀裂紋和表面的破碎的狀況減少，改善加工表面。其次是超音 粒切削力的合向量產生了改變，使得材料產生形式上局部塑性化，導致切深所需的法向磨 域所產生 助微孔鑽削探討了在金屬微孔加工之高速鑽削技術，其提出傳統高速鑽削具有入鑽時難以 裂及壽命短、排屑困難、潤滑不易及孔的垂直度和真圓度不佳。超音波輔助加工改變了傳 由於刀具與工件是瞬間接觸並在很小的位移上獲得極大的瞬時速度和加工速度，因此在局 了極高的能量，產生了沖擊作用。另是由於超音波的高頻振動，使得加工區域得到極淺 有自我清潔及 加工硬化區，並 命的提升，超音 60kHz 高頻振動 超音波加工可降 工進行實驗，證 輔助切削針對 況下，一般切削之 [5]研究以粒度#80 力小、磨削力小、 波的作用使得磨 削力降低，切屑 呈片狀脫落。實驗證明超音波研磨區 之切削溫度約為一般磨削溫度的 1/3~1/5。曾[6]則以超音波輔 定心、鑽頭易斷 統的切削機制， 部的區域上產生 層的加工硬化作用， 硬化作用使得刀具與材料的摩擦系數降低，降低切削力。脈沖式的切削也提高了刀具的相對剛性，增加散 熱的空間降低加工溫度，提升刀具壽命。楊[7]以三軸可程式數值控制的方式進行超音波輔助研磨加工。其 不但可完整的支援市面上 CAM 軟體所規劃的程式路徑，更可具備數控銑床設備刀具補正功能達到高精度研 磨。圖 2 實例所示為一鎢鋼磨擦焊接頭，其磨擦端底部設計為內凹圓弧使得一般光學投影研磨無法加工， 利用放電加工又相當費時且需製作電極。RUM 則僅需單一製程即可完成 5um 以下高精度成形研磨，工時節 省放電製程的 3/4 以上。利用相同的製程方法，亦可快速的完成陶瓷磨擦焊接頭的加工，如圖 3 所示。

圖 2 超音波可程式研磨加工之鎢鋼

圖 3 氧化鋯陶瓷磨擦焊接頭

2. 運動模型推論

超音波振動系靠壓電材料高頻的做長度變化。如圖 4 中所示，當電源正極與壓電陶瓷之正極相接，負 極與負極相接時，壓電陶瓷之長度會伸長。相反的，電源之負極與壓電陶瓷之正極相接，正極與負極相接 時，其壓電陶瓷長度之縮短，在開路狀況時則是其自由長。 圖 4 壓電材料受到能量的極性變化所產生之變形示意圖 假設壓電片固定於一平面上，伸長點 P 會因高頻的電極極性改變而進行 sin 波型運動，如圖 5 中所示。

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 si 果 分析超音波振動之運動狀況後可推論出位移點 P 之位移方程式可假設如式(1)，而 P 點即為振動加工時 之刀具夾持點。透過運動動力學推導，則超音波振動所造成之刀具位移（ ）、速 及加速度 可 表示成公式(1)-(3) 切削速度並非定值而亦 sin 曲線振盪變化。

P

P’

P’’

圖 5 壓電陶瓷伸長及縮短所產生之 n 波型結 示意圖 T

x

度(

V

T) (

a

T) ，方程式(2)顯示出在超音波振動加工其刀具 是以

t

A

x

_T

=

sin

ω

t

A

V

T

(1)

ω

ω

cos

=

t

A

a

T

ω

sin

ω

2 2

−

=

(2)

(3)

在方程式(1)~(3)中，

ω

=

2

π

f

，

f

為刀具振動頻率。假設振幅

A

=

1

，

以不同的頻率（1Hz、10Hz、20Hz） 對方程式(2)做圖可以發現，頻率越高時其速度變化越大。根據公式計算，在 20kHz 之振動頻率下其速度的 變化將會是每 1/20000 秒做±1.26m 的速度變化，具有相當驚人的質點速度。 不同頻率之速度變化 -150 -100 -50 0 50 100 150 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間 速度 1Hz 10Hz 20Hz 圖 6、不同頻率下之速度變化曲線圖

假設

V

_W為機台設備所提供之刀具進給速度，並設定其為一定值，則振動切削之總速度（ ）可如式(4) 表示。 s

V

W W T S

=

V

V

A

t

V

V

+

=

ω

cos

ω

+

以公式(4)對時間做圖後

(4)

，可以得到圖 7 之切削速度曲線圖；若超音波振動使刀具速度（ ）呈 sin 曲 線變化，則刀具進給速率（ ）為定值時會使整個速度曲線往上移。而圖 8 所示則是未 運動速度 狀況下在頻率為 1Hz 時之做圖。 T

V

加入機台 W

V

-10 -5 0 5 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 週期=1/f S

V

W

V

T

V

圖 7、切削速度分析曲線圖 -30 -20 -10 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.8 1 1.2 位移曲線 0 0.6 速度曲線 加速度曲線 -50 -40 圖 8、在 1Hz 率下對公式(1)、(2)及(3)做圖 2.1 等效曲柄滑塊運動： 由上述假設之速度分析顯示，超音波運動可以模擬為機構中常見的簡協運動，故本文可將其等效為機 構動力學中之曲柄滑塊運動機構，如圖 9 所示。假設紅包虛線代表刀具位置最低點，藍色是刀具位置最高 點，振幅即為其中間距離，而曲柄每秒旋轉的圈數即是頻率值。 之頻

圖 9、等效曲柄滑塊機構 在上述假設狀況下，本文可以將原本裝置於機床上不旋轉的振動主軸模擬成如圖 10 所示之機構。 圖 10、振動加工機床運動模型示意圖 圖 10 所示亦可顯看出，振幅具有讓刀具與工件分離之動作，故在其加工的過程中會出現一個空間，此 空間可以讓切削液順利的引入於切削點，達到有效的降溫與潤滑。如圖 11 所示，式(2)與式(4)顯示，在實際 加工過程中因機台會給刀具一個固定的進給速度 ，當 反向速度大於 時即會使得刀具與工件產生脫 離的現像，在脫離的過程中即可達到斷屑及有效使切削液吸入於工件與刀具脫離的空間，增加潤滑、冷卻 效果。 位移量/振幅

Tool

workpiece

W

V

V

_T

V

_W

差而產生之脫離區 例限以前，應力 超過降伏點以後 應力應變將會以非線性變化，直至鋼材斷裂。而現玻璃材料則是典型的脆性材料，其應力應變關係會呈線 2 所示。當玻璃材料受到應力作用後，其在極小的應變即會 產生破裂、破壞。如圖 13 中所示，脆性材料在破壞會以裂紋的產生來進行，假設硬度極高之磨粒在施加應 力給玻璃材料後，其會產生極淺層的塑性變形，當塑性變形超過其可承受深度時即產生裂紋，當裂紋產生 後其尖點因應力集中效應急速的使裂紋成長後斷裂。因此，許多學者提出在其應變承受許可之加工深度下 對玻璃材料做塑性加工，亦提出許多論文佐證其可行性。 圖 11、加工過程因速度

3. 玻璃材料加工特性

玻璃的應力應變拉伸曲線與一般金屬鋼材不同，一般金屬在拉伸應力沒有超過比 與應變會呈近線性變化關係，當應力超過彈性限後應變速度會增加而應力幾乎沒有增加， 性關係變化直至破壞，幾乎沒有降伏點，如圖 1 圖 12、玻璃與鋼鐵之應力應變曲線差異曲線示意圖

圖 、脆性材料之破壞機制理論

旋轉超音波振動研磨玻璃加工

推論顯示，超音波加工機制有如刀具在做極高頻、低振幅的衝擊加工，因此其是以裂紋成長的 方 到材料移除的效果。旋轉超音波則是結合一般研磨機制與超音波振動衝擊機制來進行加工。如圖 14 所示，(a)為傳統超音波加工之材料移除模型、(b)是傳統旋轉磨削機制，(c)中顯示出，由於振動的衝擊使 得脆性材料產生了微裂紋，而在磨削過程中因微裂紋會有應力集中之效果，故可以有效降低研磨阻力與提 升研磨效率。 圖 15 中所示即為以超音波振動磨削玻璃後之加工狀況。圖中顯示，旋轉研磨破壞因其主要是以撕裂的 方式來達到加工之目的，故其破壞之狀況很難控制，在圖 15 中可以明顯的看出其呈現出破壞的程度並不均 勻的現象，而超音波衝擊因其加工深度極淺（約數μm~20μm），且以高頻密集的作用於材料上，在微觀上 是局部具有極大的作用力，但在巨觀上又是每次以極微量的加工方式來進行（假設每秒加工深度為 1mm， 20kHz 的超音波振動可將這 1mm 分做 20000 次加工，即每次加工 0.00005mm 的深度），因此其加工後之表 面破壞結構相當的細小與微量。 13

4.

由上述 式來達 圖 14、旋轉超音波之作用機制

圖 15、旋轉超音波振動加工之玻璃加工表面 本文以固定頻率（18.8kHz）及刀具以不同的功率、振幅、加工速度及刀具轉速進行玻璃材料加工測試， 實驗結果顯示參數 B 為最佳結果，C 則為測試最差。圖 17 則是以最佳及最差參數進行轉角加工之狀況，成 果亦顯示出在轉角加工時其所得之效果仍是相當良好。圖 18 為進行加工脆邊量的量測，在最佳參數下脆邊 量可控制於 3μm 以內。 圖 16、不同超音波加工參數於薄片玻璃加工狀況

旋轉撕裂破壞

超音波振動衝擊破壞

A B 參數 參數 C D 參數 參數

圖 17、最佳及較佳之參數轉角加工狀況 因此未來相關超音 本研究以超音波振動輔助研磨方法進行玻璃磨邊加工實驗。加工結果顯示，超音波振動所產生之加工 破壞是極微細且有別於傳統研磨機制（以撕裂的方式進行材料移除）。因超音波振動使刀具具有高頻及極微 振幅的跳動，使得刀具以衝擊的方式在微觀下進行加工，材料在極給局部區域受大極高能量的衝擊（由本 文前述之當頻率提升，其加速度將以次方倍的放大倍率放大，因此刀具之作用力將因質量加速度的提升而 提升），因此當玻璃受到刀具衝擊後會對玻璃進行粉碎加工，其產生之碎邊狀況將會比一般研磨加工所得之 狀況更為優良。而本研究在實際加工進行佐證後得到最小碎邊量 3μm 以內，更可完整的符合產業的需求。 B C 參數 之轉角加工 參數 之轉角加工 圖 18、參數最佳與最差之脆邊量比較

5. 結 論

如本文前述，單軸向的超音波振動，其運動方程式可以完全的以簡諧運動來表示， 波運動及加工動態分析將可以以此為基礎進行深入研究。

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