回转式超音波钻削之研究

1、迴轉式超音波鑽削之研究1郭桂林 2曹中丞 1蕭國忠1台北科技大學車輛工程系,台北市忠孝東路3段1號 , e-mail: .tw2大華技術學院自動化工程系, 新竹縣芎林鄉大華路1號, e-mail: .tw摘要迴轉式超音波加工之材料移除機制，除了衝擊移除機制外，還有磨削及滾削二種材料移除機制。相較於固定式超音波加工，迴轉式超音波加工具有加工阻抗小、材料移除率大、加工精度高及面粗度低的優點。本研究之目的係利用超音波加工之原理與特性，以迴轉式超音波鑽孔機進行陶瓷煞車片鑽削加工之研究。並探討其加工參數於材料移除率、孔徑誤差與圓孔面粗度之關聯

2、性。關鍵字: 超音波鑽削，材料移除機制，迴轉式 1. 前言隨著近來原油價格的飆漲，其意謂高油價的時代已經來臨。因此如何有效的對油料善加使用，就變得非常重要了。早期的汽車煞車碟片有較重且易磨損之缺點，加上其成分具有石綿，因此大部份已開發國家都已禁止這類產品進口。取而代之的汽車煞車碟片，是以陶瓷材料所製成，其優點是耐高溫、耐磨耗與耐腐蝕。然一種經由碳纖維強化後的陶瓷基複合材料所做成的煞車碟片，較陶瓷材料煞車碟片具有更佳的機械性質，其不僅重量較傳統石綿及鑄鐵製之煞車碟片輕，且不易磨損、不易變形，壽命更可高達30萬公里，幾乎與車子本身的壽命一樣長1。然煞車碟片只是煞車系統中的一個零件，它必須與其他零件

3、組裝在一起。因此在煞車碟片上鑽孔，便勢在必行了。然麻花鑽於鑽削複合材料過程中，容易發生出、入口的脫層及毛邊現象，如圖1所示，常令加工業者頭痛不已，但已有不少學者專家提出不同論述2-6。縱觀以上論述，本研究目的係利用超音波加工的原理與特性，以迴轉式超音波加工方式，進行汽車陶瓷煞車片鑽孔加工，以瞭解迴轉式超音波加工品質及加工效率，並探討其材料移除率、孔徑誤差、圓孔面粗度與加工參數間之關聯性。2. 實驗試片與設備2.1試片分析利用日本電子光學公司(JEOL)所製之JSM-5410電子顯微鏡，搭配Oxford所製之能量散佈光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)，

4、以進行工件的內含元素成份分析。本實驗採用之碟式煞車片試片有三種，試片一 (陶瓷基複合材料)、試片二 (鐵纖維)與試片三 (纖維狀水美石鎂礦)。三種試片於EDS分析之結果，如圖2 圖4所示。試片一經EDS分析後，銅元素成份約為13.5 %。因銅的熱傳導性佳，可增加煞車片的散熱效果。在400 500 °F時，添加氧化銅會有較佳之制動效果。試片二經EDS分析結果可知，鐵元素含量約為73.5 %，耐磨劑(鋯石ZnSiO4)、石墨、氧化鋁、硫酸鋇等成份約佔煞車材料的20 %，鋯石形成之鋅元素含量約為13.8 % 。試片三經EDS分析後，鎂元素含量高達68.5 %，其他尚有添加氧化鎂樹脂硬化劑、

5、Mg2SiO4耐磨耗添加劑。2.2實驗設置與方法將欲鑽孔之工件放置在承載平台上，鑽孔時，將長度為12 mm，且其直徑為5.3 mm 之電鑄鑽石磨粒超音波振盪工具頭固接於錐體下端。打開抽水泵電源，將冷卻用水液注向超音波振盪工具頭，啟動超音波電源控制箱及個人電腦。利用共振頻率偵測及補償系統，來自動偵測超音波振盪工具頭之共振點，再調整Z軸迴轉速度鈕至設定的迴轉速率。將超音波振盪工具頭接觸於工件表面，經由高速但輕微的撞擊於工件表面，來加工工件。有關迴轉式超音波鑽孔機機台及控制元件配置，如圖5所示。本實驗所用之加工參數，如表1所示。選用L16(215)直交表，以找出迴轉式超音波鑽孔機於鑽削陶瓷基複合材料

6、時，各因子對孔徑誤差、圓孔面粗度及材料移除率之影響，進而評估迴轉式超音波加工於陶瓷基複合材料之鑽孔優缺點。本實驗之表面粗度量測，係採用日本 Mitutoyo-210型粗度量測儀。利用鑽石探針在工件上移動，可得到工件表面的平均面粗度()值。此外，利用Nikon所製之反射式顯微鏡，搭配Canon之6倍光學變焦與2.5倍數位變焦拍立得相機，可直接觀測工件之圓孔直徑與超音波振盪工具頭之磨耗情形。在觀察之後，直接拍照留存。3. 結果與討論3.1材料移除率變異數分析試片一試片三材料移除率之實驗結果與變異數分析，如表2表5所示。從表3與表5結果顯示，進給速率因子對材料移除率之影響最為顯著，其他因子之影響則微

7、乎其微。此外，從表4結果得知，加工靜壓力對材料移除率影響最為顯著，其次則為進給速率，其他二因子影響較不明顯。3.2孔徑誤差變異數分析試片一試片三孔徑誤差之實驗結果與變異數分析，如表6表9所示。從三種試片之分析結果得知，造成孔徑誤差之原因，皆與磨粒粒徑大小有關。因此在粒徑選擇及工具頭設計時，萬不可忽略。此外，由圖6觀察迴轉式超音波鑽孔後之外觀圖，試片一於入口處不會有脫層與毛邊現象，相較傳統式麻花鑽孔改善很多。但是於試片一之出口處有則毛邊情形發生。主要原因是試片一含有延性材料之銅絲，如圖7所示。因此超音波對延性材料衝擊移除機制有被吸收降低，造成出口處之毛邊情形產生。同時，本研究採用固定磨粒供給方式

8、，因此衝擊移除動能沒有自由磨粒供給方式大。試片二入口處沒有毛邊情形產生，且出口處亦無脫層現象。雖然其出口處仍略有毛邊情形產生，但相較於試片一之出口處毛邊情形，已大幅改善。主要是試片二本身材料具有70 % 以上之鐵纖維成份所致，如圖8所示。另外，試片三入口處及出口處皆沒有毛邊與脫層現象發生。究其原因，試片三填充材纖維狀白雲石非常細小，其纖維長度約10m左右，如圖9所示。故超音波鑽孔時，孔緣周圍之纖維影響較小，且從EDS分析結果得知，試片三所含延性銅元素僅3.4 %，因此可獲得最佳之圓孔。3.3圓孔面粗度變異數分析試片一試片三圓孔面粗度之實驗結果與變異數分析，如表10表13所示。從其分析結果顯示，

9、粒徑大小與進給速率對圓孔面粗度影響最為顯著，其次則為迴轉速率。此三個加工因子，在實際加工過程中，具有其實質的意義。而加工靜壓力對圓孔面粗度則無明顯之關係。4. 結論1. 利用超音波於陶瓷基複合材料煞車片鑽孔確實可行。然工件之性質(如強化纖維長短及延性材料)，是影響超音波鑽孔缺陷的主因。2. 從表3與表5結果顯示，進給速率因子對材料移除率之影響最為顯著，其他因子之影響則微乎其微。此外，從表40結果得知，加工靜壓力對材料移除率影響最為顯著，其次則為進給速率，其他二因子影響較不明顯。3. 造成孔徑誤差之原因，與磨粒粒徑大小有關。因此在粒徑選擇及工具頭設計時，萬不可忽略。4. 粒徑大小與進給速率對圓孔

10、面粗度影響最為顯著，其次則為迴轉速率。而加工靜壓力對圓孔面粗度則無明顯之關係。參考文獻1石育賢，陶瓷煞車片之產業評析，工業技術研究院經貿中心之產業分析報告書，(2001)。2曹中丞，郭桂林，特用鑽頭對碳纖維複合材料鑽削之軸向推力研究，2003中國材料工程學會研討會，台南縣，崑山科技大學，(2003)。3潘孝得，深孔鑽削技術，機械工業雜誌，頁160-171，1993。4賀陳弘，蒲宏彥與姚國慶，碳纖維強化塑膠複合材料之鑽孔探討，機械工業雜誌，頁180-194，1993。5W. Marx and S. Trink, "Manufacturing Methods for Cutting, M

11、achinig and Drilling Composite Materials," Technical Report, No. AD-B0342029, 1978.6W. König, C. Wulf, P. Grass and H. Willerscheid, "Machining of Fiber Reinforced Plastics," Ann. CRIP, Vol. 34, No. 2 pp. 537-548, 1985.誌謝本研究承國科會經費補助(NSC 93-2212-E-027-022)，使本實驗得以順利完成，特表誌謝。圖1 麻花鑽於鑽削複合材料過程中，