淺談陶瓷材料的回轉(zhuǎn)超音波加工

【摘要】一般對(duì)陶瓷材料鉆孔的原因，主要是因其具有一些高溫的特殊性質(zhì)及在航空、核子、自動(dòng)化、和切削刀具應(yīng)用上之需求。本文簡介了回轉(zhuǎn)式超音波加工機(jī) （RUSM）鉆孔原理。

【關(guān)鍵詞】陶瓷材料；鉆孔；回轉(zhuǎn)式超音波

脆性材料之開孔方法有超音波、雷射、電子束、水刀等，依材之機(jī)械性質(zhì)、孔徑、孔深、孔精度之要求不同而異。鉆孔加工（Drilling）隨著零件的迷你化，鉆孔直徑縮小化當(dāng)屬必然的現(xiàn)象。以往小孔徑都是以高速鋼鉆頭和深孔鉆頭進(jìn)行小孔加工，這些鉆頭由于加工效率低，故無法滿足目前性能需求。小孔徑鉆孔加工是屬于外界供油加工，同時(shí)由于切屑排除困難，所以必須采行分段鉆孔加工（step drilling），因而欲縮短加工時(shí)間似乎不大可能。小孔徑加工中可能發(fā)生的故障及其發(fā)生的比例，而最容易發(fā)生的麻煩應(yīng)該是折損，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔徑幾乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速鋼鉆頭裡對(duì)鑿鋒緣（chisel edge）有重大影響，很容易產(chǎn)生過當(dāng)?shù)闹雇屏?。同時(shí)會(huì)使同心圓的形狀變差。結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)性剛性相互作用，并使鉆頭產(chǎn)生撓曲，被鉆穴所彎曲、孔徑擴(kuò)大等，孔穴精度不良現(xiàn)象。為克服上述缺點(diǎn)之考量及滿足加工效率、切屑排出及鉆頭形狀、剛性等要求，開發(fā)能夠從事小孔徑穩(wěn)定加工之極小直徑內(nèi)部供油鉆頭乃是迫不及待之要?jiǎng)?wù)。

幾十年來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動(dòng)系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。本研究主要是運(yùn)用旋轉(zhuǎn)式超音波加工（RUSM）對(duì)斜度陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)方法。

一、超聲波加工的原理

超聲波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法超聲波加工是磨料在超聲波振動(dòng)作用下的機(jī)械撞擊和拋磨作用與超聲波空化作用的綜合結(jié)果，其中磨料的連續(xù)沖擊是主要的。

加工時(shí)在工具頭與工件之間加入液體與磨料混合的懸浮液，并在工具頭振動(dòng)方向加上一個(gè)不大的壓力，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩通過換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l的機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將振幅放大到0.01～0.15mm，再傳給工具，并驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使懸浮液中的懸浮磨料在工具頭的超聲振動(dòng)下以很大速度不斷撞擊拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎成很細(xì)的微粒，從材料上被打擊下來。雖然每次打擊下來的材料不多，但由于每秒鐘打擊16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。

與此同時(shí)，懸浮液受工具端部的超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的液壓沖擊和空化現(xiàn)象促使液體鉆入被加工材料的隙裂處，加速了破壞作用，而液壓沖擊也使懸浮工作液在加工間隙中強(qiáng)迫循環(huán)，使變鈍的磨料及時(shí)得到更新。

二、陶瓷材料的回轉(zhuǎn)超音波加工

本文主要是探討運(yùn)用旋轉(zhuǎn)式超音波加工（RUSM）對(duì)斜度陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)方法，加工過程中雖然脆性破壞（微切屑）仍支配著對(duì)斜工陶瓷材料移除機(jī)構(gòu)，若不能適當(dāng)?shù)乜刂萍庸?shù)，便會(huì)造成粗糙度差及較深的次表面裂紋。超音波加工（USM）為加工或精密加工科技技術(shù)驅(qū)動(dòng)過程，為非傳統(tǒng)機(jī)械材料移除過程有較低的材料移除率，其材料移除機(jī)構(gòu)包括沖擊（impacting）、錘擊（hammering）、孔蝕（cavitations）。一般可應(yīng)用于加工具傳導(dǎo)性或非傳導(dǎo)性之非金屬材料，比較適于低延性及硬度高于40HRC，例如非晶質(zhì)玻璃、金硅氮化物、鎳/鈦合金等，孔徑76μm均可加工，亦即深度與直徑比可達(dá)大約3：1。先進(jìn)陶瓷由于具有許多優(yōu)越性質(zhì)（例如提升溫度時(shí)之高強(qiáng)度和高耐磨耗阻力）受到許多工業(yè)上之應(yīng)用。因其優(yōu)越性質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用但受限制于 高加工成本上。因此，對(duì)于陶瓷有效率的加工過程是迫切的需求。

如使用鋁作為鍍層陶瓷材料時(shí)，此陶瓷材料絕緣性質(zhì)大于或等于100Ωcm，因此使用EDM加工并不可行。而使用LBM仍存在其問題點(diǎn)；變形時(shí)產(chǎn)生之裂縫和陶瓷層之熱應(yīng)力會(huì)直接影響其使用性能（疲勞壽命）。解決此問題最佳的方法即是使用超音波加工（USM），可先穿透陶瓷鍍層緊接著再運(yùn)用EDM加工，并配合運(yùn)用或不使用超音波的輔助來加工。另亦使用新的UC裝置，嘗試使用切削刀具在主切削震動(dòng)方向朝工件呈10°～30°做切削加工。

回轉(zhuǎn)超音波加工（RUM）之超音波鉆孔僅應(yīng)用于脆性材料，被視為一種對(duì)先進(jìn)陶瓷有效率加工方法，此種加工技術(shù)主要原則是以高頻率（16-40kHz）和較低之波對(duì)波（pk-pk）震蕩頻率（2-30μm），向刀具或工件進(jìn)給，Azarhoushang et al.提出此切削過程與一般超音波鉆孔（Ultrasonic Drilling）不同。我們所謂的回轉(zhuǎn)式超音波加工是歸屬于超音波加工（Ultrasonic Machining）。超音波加工，其金屬的移除效應(yīng)是借著漂浮泥漿之磨料顆粒，以循環(huán)超音波方式重復(fù)沖擊工件表面，超音波加工方式鉆孔是以圓形刀具做超音波加工過程，回轉(zhuǎn)之刀具可以加以強(qiáng)調(diào)的是針對(duì)圓柱外形組件之磨除過程及產(chǎn)生高準(zhǔn)確的原因。對(duì)陶瓷材料移除率研究而言刀具是最主要影響因素，當(dāng)轉(zhuǎn)速及切削深度增加時(shí)延性百分比亦增加，而當(dāng)頻率增加時(shí)延性百分比卻降低。此可顯示出當(dāng)鉆石刀具顆粒由較細(xì)磨料粒度改變至較大顆粒時(shí)延性百分比會(huì)隨著增加，主要是因?qū)μ沾刹牧系难心デ闆r下，可觀察到細(xì)的磨粒較粗的磨料粒度有較少脆性破壞所造成，進(jìn)給率之增加粗糙度亦呈線性增加，控制進(jìn)給率可提高孔之質(zhì)量，由于超音波加工時(shí)刀具穩(wěn)定震蕩之進(jìn)給將可降低加工時(shí)間減少工件殘留應(yīng)力及應(yīng)變硬化，因而與傳統(tǒng)加工比較可獲得促進(jìn)工件表面質(zhì)量，并提升刀具壽命之優(yōu)點(diǎn)。