淺談超音波加工技術應用於孔加工領域優勢
微小孔徑及徑深比孔加工的挑戰
鑽孔加工(Drilling)隨著零件的迷你化，鑽孔直徑縮小化 的需求是當前大勢所趨，隨著產品零件特性要求日新月 異，對要求更微小孔徑及更大徑長比深孔的加工技術需 求日益殷切。以往小孔徑都是以高速鋼鑽頭和深孔鑽頭 進行小孔加工，這些鑽頭由於加工效率低，故無法滿足 目前性能要求。
小孔徑鑽孔加工需要由外部供給切削油加工，同時由 於切屑排除困難，通常必須採行分段鑽孔加工(step drilling)的手法達成微小孔徑的加工，因而欲縮短加工 時間似乎不大可能。
小孔徑加工中可能發生的故障及其發生的比例，而最容易產生的問題是鑽頭刀具斷裂，其主要的原因大部份是 切屑阻塞引起。然而，由於小孔徑幾乎都是L/D=5 (徑 深比)以上的深孔，故切屑在高速鋼鑽頭裡對鑿鋒緣 (chisel edge)有重大影響，很容易產生過當的止推力。 同時會使同心圓的形狀變差。結果將會導致材質性剛性 相互作用，並使鑽頭產生撓曲，被鑽穴彎曲、孔徑擴大 等，孔穴精度不良現象。為克服上述缺點之考量及滿足加工效率、切屑排出及鑽 頭形狀、剛性等要求，開發能夠從事小孔徑穩定加工之創新解決方案乃是迫不及待之要務。
超音波輔助加工對孔加工效率與品質帶來的主要效益
首先，由於有超音波振動的關係，除了因摩擦降低使 切屑變薄，並增加切屑排出速度外，更會因為鑽頭中 心側及稜角側之切屑排出速度差減少，故橫向捲繞切 屑會變小，而且會形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使 切屑排出更為順暢，因而不需要分級進刀即可從事深 孔加工。
其次，因有超音波振動，故對抑制孔穴入口處鑽頭 振顫振動有相當程度的效果。因此也不易產應變圓 (Strain round)藉著鑿尖錘係作用限制鑽頭，鑽頭笸加 工物件間歇性接觸，降低鑽頭彈性變形恢復力及摩擦 力，相對的也能減少徑向作用力的變動。
第三，因增加了超音波振動，在傾斜孔加工裡孔穴的 應變也變小了。
第四，藉由超音波振動加工，使用直徑30μm 極小 徑鑽頭從事不銹鋼鑽孔加工變得更容易。經由我司客 戶實際應用驗證的經驗分享，其可以輕易完成板厚達 3.6mm的不銹鋼薄板進行通孔加工(徑深比：L/D = 12)，單孔加工循環時間僅需要2.5秒以下，所使用的 鑽頭刀具壽命平均可以完成近2,000孔的加工。不但效率大幅提升且擁有高可靠度的加工過程，大幅減少 加工失敗帶來的巨大損失。
以超音波加工進行鑄鐵材料的孔加工比較結果
根據南亞技術學院機械系王士榮副教授的研究結 果(摘自南亞學報第29期)顯示，王教授以鑄鐵 材料(FC30)，分別以三種不同的加工方法進行孔 加工，比較其不同方法加工孔的品質，採用超音波 加工 (Ultrasonic cutting) 鑽石磨棒、傳統切削鑽頭 (Common cutting) 及線切割(Wire cutting) 表面輪廓 加工，針對加工後的孔壁表面粗糙度進行影響探討。其比較結果如(圖1)所示，發以超音波加工的孔壁 表面粗糙度最佳，以Rmax而言，超音波加工較傳統 切削相差了 6.5 倍 Rmax 粗糙度以上，Rmax 兩者之 間大約相差 27.56μm。另在Ra 粗糙度方面則減少了 10.2倍大約3.9μm。
以傳統切削加工而言，切削加工後造成較粗糙工件表 面結果主要是因高速切削條件下切削刀具的刀鼻半 徑（tool nose radius）及刀口在加工時所產生積屑(build-up edges) 和毛邊（scale）有關。而採用超音 波加工方式，其原理為在加工時所具有震盪頻率時會 造成每次震盪時在刀具軸向方向會有微小進給和超音 波衝擊動作（ultrasonic impact action）。因而鑽石 刀具表面會受到磨料顆粒的衝擊而變得粗糙，且第一 次加工出之工件表面其粗糙度會顯得較差。但經第二 次以後刀具表面繼續再加工時工件表面其粗糙度會被 磨料顆粒給慢慢磨平，所以工件表面粗糙度值會有所 改善，但刀具粗糙度再繼續受磨料顆粒衝擊到一定程 度後，就不會改變加工後的結果。
其切削主要是利用鑽石刀具顆粒結合磨料顆粒來移除 材料，所以粗糙度與刀具鑽石顆粒粒度大小有關。本 實驗是以鑽石刀具粒度325 號數顆粒切削鑄鐵材料， 又由於超音波加工所具有之振動方式可有效減少刀 口積屑所產生之刮痕及材料表面塑性變形（surface plastic deformation） 之 突 出（stick up） 與 皺 摺 （wrinkly）。並可在加工表面上卸脫排出鬆散的捲縮 撕成帶狀型式刮削的碎屑，也由於加工後之切屑具有 較薄以及較小型態，因而加工時比較容易移除且獲得 較佳之表面品質。其表面粗糙度比較如(圖2)所示。
此外，比較以傳統鑽孔加工方式與超音波加工孔兩種 不同方式加工，所產生的孔品質進行比較，分別以偏 轉度、同心度及圓周度，可以發現以超音波加工的孔 品質上仍然明顯優於傳統鑽孔加工所得到品質結果， 見(圖3-1~圖3-3)所示。
最後，我們觀察超音波加工表面粗糙度與刀具參數之 間的關係發現，當鑽石刀具顆粒號數愈大時則加工後 工件表面粗糙度愈低。此即代表刀具的鑽石顆粒號數 愈大時則鑽石顆粒相對小之效應，因而造成經加工後 工件表面較細緻之原因。
在固定刀具進給及工件直徑條件下，以不同鑽石刀具 號數顆粒及有無超音波振盪加工設備情況下對加工後 表面粗糙度值之比較，由(圖4)的比較上我們可發 現具有超音波震盪加工設備及較大號數之鑽石刀具顆 粒情況下會有較小之表面粗糙度Rmax 值及Ra 粗糙 度值。當固定加工進給及鑽石刀具顆粒號數條件下， 考慮變化不同刀具直徑及有無超音波振盪加工設備， 對工件表面粗糙度做比較時即可知具有超音波震盪加 工設備及較小工件直徑下有較低之表面粗糙度Rmax 值。
總結
若在相同加工進給、刀具直徑及相同鑽石刀具號數情 況下，可顯示出使用超音波加工設備時，由於超音波 加工機中所產生的超音波動力來源可控制設備振動頻 率及電流因而具有較穩定之完整材料移除使得材料延 性百分比增加，其意義即代表造成工件表面較細化切 削過程之原因，因此以具超音波加工機加工時就可獲 得較低（佳）之表面粗糙度值。
基於上述的實驗結果，我們可以總結關鍵的成功因素 有下列四點：
1.具超音波加工之超音波震動效果可產生較佳表面效 果（較低粗糙度）降低平均粗糙度提升偏轉度、同心 度、圓周度等精度。
2.鑚石刀具顆粒越大時有較低之Ra。但傳統鑽頭加 工由於鑽削中當鑽頭刀刃積屑（burrs）形態產生時易 增加切削阻力導致加工後表面粗糙。
3.由於超音波加工時刀具穩定震蕩之進給將可降低加 工時間減少工件殘留應力及應變硬化，因而與傳統加 工比較可獲得促進工件表面品質，並提升刀具壽命之 優點。
4.傳統切削刀具加工後會產生長且連續切屑型態，而 超音波加工由於極顯著超音波震盪現象造成其切屑形 狀為不連續之小碎屑型態。
超音波加工技術能夠發展的工藝應用領域實在非常廣 泛多元，筆者與許多業界先進交流時，獲得共同的看 法小結：超音波加工技術的應用領域，堪稱「沒有做不到、只有想不到」。期待各位業界先進撥冗閱讀本文之後，能夠促發各位無限的想像創意，共同參與超 音波加工技術工藝應用的發展。筆者期望藉由本文的 分享，帶來拋磚引玉的效果。
聯絡資訊
章宏道 產品經理 電子郵件：James.Chang@hit-tw.com 公司網頁：www.hit-tw.com ■