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淺談超音波加工技術應用於模具及 精密零件加工領域

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超音波加工應用的領域及市場商機
超音波加工技術在應用領域的拓展,隨著半導體、光電、 航太、醫療器材、能源、電動車、3C電子、精密機械等, 未來將大量採用輕量化、更硬韌和耐高溫的先進材料, 而逐步普及與深入各種應用的範圍,不斷的深化,逐漸 成為各種產業領域的標準製程技術之一。因此新材料加 工已經成為CNC工具機產業的新藍海市場,未來決勝 點將是在於高效率與高品質的硬韌與輕量化先進材料加 工技術與裝備,不再是傳統的精密金屬切削技術。 (附 圖一) 

然而對於模具、精密機械零件的產業,對於新材料的應 用及改變,仍是漫漫長路,期待藉由超音波加工技術也 能夠對眼下的傳統金屬材料、更高等級的模具鋼材和各 種工具合金鋼的加工品質、效能,甚至簡化目前製造程 序,達到快速生產製造、減少人工製程的依賴等的期待 殷切。
本期我們將聚焦於傳統金屬材料加工範疇中,超音波加 工技術的應用能帶來哪些改善效果,提供各位業界先進 參考。

超音波加工技術應用於模具產業分析
超音波加工技術應用於模具及精密零件加工的領域已經 逐漸普及,根據筆著個人經驗與市場交流心得顯示,目前在使用各種特殊模具鋼、合金工具鋼、粉末高速鋼 及鎢鋼等常見的材料範圍中,可以分析出市場對於工 藝技術改善需求的具體目標期待,如(附圖二)。
在各種模具製造行業的領域中有著共同的需求,不外 乎如下列的幾項關鍵的需求:
●數控自動化高光、鏡面加工,減少甚至取代人工拋 光研磨工藝。
●減少或取代對於放電(電火花)工藝的依賴。
●減少各種加工工藝造成的表面應力殘留或額外去除 表面硬化層的工藝。
●提供整體加工效率及降低加工成本。
●刀具壽命與可靠度提高。

整體而言,根據目前超音波加工技術對於模具及精密 零件加工產業,已經在三大重要指標上獲得成功的可 行性驗證,分別是材料、製程與效能上明顯改變。如 (附圖三)。
在材料上,超音波加工技術已被證實可以輕易的加工 非常硬韌的特殊合金工具鋼材,甚至也可以迎接等級 更高的陶瓷材料(例如:SiC碳化矽、SiN氮化矽或陶 瓷基複合材料(例如:CMC)。

對於製程工藝的改變,則是大量的以小徑磨棒進行磨 削加工來取代銑削的工藝,也因此可以藉由磨削工藝 製程,進一步精進至研磨拋光的工藝製程,取代長期 以來需要依賴人工手工的研磨拋光,改善人為因素造 成的負面影響及目前從業人才嚴重斷層短缺的嚴峻問 題。
也可以結合時下對先進的金屬雷射(激光)立體積層 製造技術的表面精加工與鏡面加工的工藝需求,對於 表面硬化層加工帶來有效的解決方案;也可以應用於 目前模具使用時需要維修焊補後的精加工工藝需求。
整體而言對於模具及精密零件加工的效能,產生從根 本的變化,主要是減少或取代放電(電火花)及大部 分需要人工拋光的工藝需求;可以使用小徑的磨棒工 具進行零件細微結構的直接加工。這些成功案例參見 (附圖四)。目前在國外的刀具製造廠商也開始應用超 音波加工技術於特殊結構的刀具本體細微結構上的加 工案例,如(附圖五)。

超音波加工對於鎢鋼加工的案例
近期本公司受客戶委託進行一系列的鎢鋼材料的結構 加工測試研究,獲得客戶的肯定,協助客戶解決長久 以來的工藝難題,並且活化了原本廠內的加工設備, 使得原來傳統的數控加工中心機藉由增設本公司的附 掛型超音波加工模組後,搖身一變晉級為具備超音波 加工功能的複合加工設備,對於該客戶大量的模具零 件加工解決了重大瓶頸,據客戶私下透露,其投資報 酬率相當驚人,僅僅三個月就能回收。
基於保障客戶商業機密的權益,筆者僅能以本公司內 部自行驗證的案例內容分享各位業界先進。整體而 言,超音加工技術對於鎢鋼材質的加工工藝可以達到 下列的優勢:
加工效率至少快六倍,取代原本需要進行放電(電火 花)工藝及人工拋光的需求,完全以數控加工中心機 結合超音波加工模組完成所有的加工工藝製程。如(附 圖六)。
加工完成後的表面粗糙度平均在Ra 0.1 um左右,完 全不需要後續的拋光研磨工藝。對於材料表面更帶來 了沒有表面硬化層的優勢,完全不需要再進行後續的 處理工藝製程。 總結可以達成「四省兩免」的效果,分別是: ●省製程、省設備、省時間、省空間 ●免錯誤、免管理電極(銅工) 另外一個以鎢鋼材質進行加工的驗證案例,則是以鎢 鋼棒材(Ø16×27 mm),經過兩個工序的裝夾及總計5 支刀具的加工過程,採用超音波加工磨削的工藝,完 成鎢鋼螺絲頭的整體加工,完全以磨棒工具加工完成 造型內孔、斜面及精密外螺牙等特徵加工,整體加工 時間少於兩小時即完成。此加工案例可以提供以冷鍛 生產五金零件的模具加工工藝、航太精密螺絲加工的 產業參考導入使用,也同時重複驗證國外先進技術也 可完全由國人自行完成,如(附圖七)。
總結,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
漢鼎智慧科技股份有限公司
章宏道 產品經理
電子郵件:James.Chang@hit-tw.com
公司網頁:www.hit-tw.com■

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