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超音波振動輔助難削材加工之研究

摘要"

近幾年來,難削材的加工技術已經成為新的研究熱點,研究成果與以往相比,雖然提高了技術水準,但由於其加工過程複雜,影響因素眾多,難削材加工技術的研究仍存在許多急需解決的問題。本文以CNC加工機台架設超音波刀把振動輔助難切削材包括鈦合金、鎳基合金(Inconel 718)、光學模具鋼(STAVAX)與藍寶石等材質,並建立超音波輔助加工的基本特性及工件表面形貌與刀具磨耗。另外亦探討不同難削材合適製程參數及其對材料表面形貌之影響。實驗結果顯示刀具伸出長度及鎖緊力對刀具振幅有一定的影響程度。適當的振幅對鈦合金與Inconel 718加工才會有較佳的效果,過大的振幅反而會使表面粗糙度急遽上升,刀具磨耗增加等負面效果。Inconel 718材料振幅達5.04µm,磨耗較明顯。此外超音波輔助加工經實驗證實可有效改善刀具磨耗的情形。在藍寶石方面,使用超音波輔助鑽石磨棒斜向進刀的方式其表面粗糙度較佳的趨勢,臨界切深可提升至50µm,鑽石粒徑較大(250µm)的鑽石磨棒脫落及磨耗較少,且切屑較不易附著在鑽石磨棒的磨削面上。

關鍵詞:超音波輔助加工、難切削材、刀具磨耗

前言

隨著科技進展與社會演進(環保綠能、智能化機械與少子化趨勢),先進製造技術在未來新興產業所扮演的角色愈來愈重要。傳統機械加工難以切削或甚至不能做到切削的材料可稱為「難削材料」,如金屬類之鈦基,鎳基超合金,與非金屬類之藍寶石水晶玻璃、碳化矽、氧化鋯、碳纖複合材料等等。但因其機械性質優異,適合於航太、汽車、醫工產業、與精密光學零件、光電與應用十分廣泛。近年來,國內工具機市場的變化相當迅速,由汽車發展到3C、光電、生醫進而到現在的航太產業,隨著市場的變化,加工材料也由傳統的鋁、鋼、鐵、銅等單純構型實心的零件進展到現今的硬脆材料(玻璃、陶瓷)、高碳鋼(模具鋼)、高溫合金、非鐵合金(鈦、鉻鎳合金)等中空、薄壁、複雜孔位等零件,由於加工材料性質的不同,工件型態精度要求更嚴苛,目前脆硬材料切削加工的困難點普遍存在於加工因素匹配不當易產生脆裂邊與刀具磨損快速等問題,材料愈硬加上硬化層越深導致加工的難度與技術門檻大為提高。許多的研究與實例顯示超音波加工是硬脆材料加工的有效方法,迴轉式超音波輔助加工(Rotary Ultrasonic Machining;RUM)是利用傳統機械結合超音波振動的複合式加工方法,移除材料的方式是以原有的機制來移除,而超音波則是賦予額外的能量,使原本連續性的切削變為間斷性的切削;有別於超音波加工(Ultrasonic machining;USM)藉由超音波振動使磨料漿體產生能量進而達成材料移除的目的 [1-8]。本文針對五種難切削材(鈦合金、Inconel 718、光學模具鋼和藍寶石),進行案例之探討,建立超音波刀把的基本特性及工件表面形貌與探討刀具磨耗的情形,希望藉由不同難削材對有無超音波輔助之敏感程度差異來檢視超音波輔助加工是否對於所有硬脆材或難削材都有一定的加工效能,透過加工驗證達到提升刀具壽命與切削效能,也提高工件精度與品質,達到高質化的切削效果。

實驗設備與條件

超音波加工是利用浸泡於磨料混合液中,以高頻率的振動進行加工,其振動頻率一般均大於20KHz,工具的形狀需與工件預加工的形狀相同,工具高速往復的振動,驅使液體中磨料高頻率的振動衝擊工件表面,來進行材料的去除,(如圖1所示)。旋轉式超音波輔助加工是利用傳統旋轉運動結合超音波振動的複合式加工方法,移除材料的機制,(如圖2所示),使原本連續性的切削行為轉變成間斷性的方式;能使切削液能順利進入帶走切屑,減少工件與刀具間的切削阻力與降低刀具的磨耗情形延長刀具的壽命。超音波刀把之所以能將刀具產生一定振幅的高頻振動是靠刀具內的壓電材料所致,而壓電材料為一種電介質材料,它能使機械能與電能產生互換的關係。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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