淺談超音波加工技術應用於模具及 精密零件加工領域
2021-05-31專題報導 來源出處：章宏道 產品經理
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。
漢鼎智慧科技股份有限公司
章宏道 產品經理
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