CN105382941A - 应用于超音波加工的工具单元 - Google Patents

Abstract

一种应用于超音波加工的工具单元，包括一变幅杆、一刀具及一接合部。刀具具有一微米尺寸的阵列结构，并适合连接于该变幅杆下方。接合部包括一金属材料，装设于变幅杆及刀具之间。在变幅杆、接合部及刀具于接合前及接合后，接合部具有一外型上的变化。刀具至少包括一底材及一钻石层。底材的上表面接触变幅杆或接合部，下表面供设置该钻石层。底材的材料是一热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料、碳化钨或其组合物。钻石层的材料是一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的钻石材料、一多晶钻石、一钻石烧结体或其组合物。

Description

应用于超音波加工的工具单元

技术领域

本发明涉及一种应用于超音波加工的工具单元，特别涉及一种应用于脆硬材料的切割成型时，精度可达微米级的工具单元。

背景技术

超音波加工方法，可应用于脆硬材料的切割成型。超音波加工设备的加工方式，主要透过超音波提供高频率的振幅，并使得超音波加工设备前端的工具单元能够快速地振动，而对样品进行加工。

随着科技发展日趋进步，工业级产品的尺寸日趋缩小，超音波加工设备发展需逐渐的朝向如何提升加工精度。目前超音波加工设备，从刀头至变幅杆，多数接合接口采用螺丝旋转固定，或是使用金属扣环接合，所以接口仍存在许多间隙，造成波动传递仍有许多的障碍，并且容易使得工具振幅不均，因此无法达到微米级加工效果，而停留在毫米级加工效果。为了使超音波的传递能够均匀化，最好的方式仍是减少或消除接合面的孔隙，因此本发明针对如何有效的减少间隙的问题提出相关解决方式。

另外，超音波加工设备的工具单元，目前皆以金属工具为主，但由于超音波加工振动快，金属工具磨耗快，使用寿命有限，且若工具针对脆硬材料进行加工，则金属工具更容易损坏。为了改善工具的使用寿命，可以利用电浆技术将钻石或类钻碳镀膜在底材表面。然而，该方法只限定为沉积出薄膜钻石，底材并非钻石层，因而对于磨耗而言，当钻石薄膜层消耗或因为碰撞碎裂后，底材部分将无耐磨耗作用，因此耐磨耗行为将变差。可以见得利用电浆技术于刀具镀置钻石薄膜、若未考虑底材与钻石间的接口接合性，仍难以获得理想的刀具结构。故，有必要发展出一种可应用为长时效的耐磨耗、具韧性耐碰撞的刀具结构，使刀具在长期工作下，仍维持良好的微米切割尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超音波加工设备的工具单元，其硬度足以长期耐磨耗，并且其结构能均匀地传递超音波，而使加工精度能达到微米级。

为了达到上述的目的，本发明提供一种应用于超音波加工的工具单元，包括一变幅杆、一刀具及一接合部。刀具具有一微米尺寸的阵列结构(arraystructure)，并适合连接于该变幅杆下方。接合部包括一金属材料，装设于变幅杆及刀具之间。在变幅杆、接合部及刀具于接合前及接合后，接合部具有一外型上的变化。刀具至少包括一底材及一钻石层。底材具有一上表面及一下表面，下表面位于上表面的相反侧，其中上表面接触变幅杆或接合部，下表面供设置该钻石层。底材的材料是一热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料、碳化钨或其组合物。钻石层的材料是一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的钻石材料、一多晶钻石、一钻石烧结体或其组合物。

在一实施例中，上述刀具除了底材及钻石层之外，还包括一表层，表层与底材分别设于钻石层的相对两侧。底材的材料为热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料。钻石层包括一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的电着钻石颗粒及一热膨胀系数介于4.80×10^-6K^-1至13.80×10^-6K^-1之间的电着金属层，例如：镍、钴或钼。并且，表层包括一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至13.50×10^-6K^-1之间的非金属材料，使其结构更致密。

在一实施例中，上述工具单元的刀具的表层的材料例如：钻石、碳化钛或其组合物。并且，刀具的表层与中间层之间具有一金属缓冲层，金属缓冲层的材料例如：镍、钛、铝或其组合物。

在一实施例中，上述工具单元的变幅杆材料例如：钢、不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金或其组合物。

在一实施例中，上述变幅杆的材料为一钢材，此时接合部包括一焊料，例如：银铜、银铝、银镁、铝铜、铝镁、铜镁或其组合物。上述焊料还包括一添加物，例如：硅或钛，例如一银铜镁铝硅钛合金，其中银成分占10wt％至50wt％、铜成分占10wt％至50wt％、镁成分占0wt％至40wt％之间、铝金属成分占0wt％至40wt％之间、硅金属成分占0wt％至20wt％之间、钛金属成分占0wt％至20wt％之间。

在一实施例中，接合部的材料适合于600至650℃进行硬焊，而产生一介金属化合物，其焊接强度可提高为600kg/mm²至800kg/mm²，其中该介金属化合物是Ag、Ag₃Fe₂、FeCu₄、Cu₄W₆、Al₄Si、Mg₂Si、Mg₅Si₆、Mg₂Al₃、MgAl₂、MgAl、Mg₂Al₃、Al₂W、Al₅W、Al₄W、FeSi、AlFe、AlFe₃、TiC或FeTi。

在一实施例中，上述工具单元的变幅杆的下表面包括一锥形凸柱，接合部具有一锥形孔，可供锥形凸柱插接于其中，刀具的底材的上表面具有一圆形凹槽，圆形凹槽的锥度与接合部的锥度相同，可供接合部置入其中。变幅杆的锥形凸柱的底端具有一第一直径。接合部的锥形孔底端具有一第二直径，且接合部具有一外径。刀具的圆形凹槽具有一内径。在变幅杆、接合部及刀具三者尚未接合前，第一直径大于第二直径，外径小于内径，在三者接合后，接合部被锥形凸柱压迫而使外径变形大于内径，使刀具、接合部及变幅杆能紧密接合。

在一实施例中，上述工具单元的变幅杆的下表面包括一凹槽，接合部具有一穿孔，凹槽的锥度与接合部的锥度相同，可供接合部置入其中，刀具的底材的上表面具有一凸柱，适合插接于穿孔中。

在一实施例中，上述工具单元的接合部的材料包括一形状记忆合金，形状记忆合金的相变温度介于-180至110℃之间。

在一实施例中，上述工具单元的变幅杆、接合部及刀具的底材的材料的热膨胀系数不同，其中接合部为一热膨胀系数介于10.7×10^-6K^-1至19.00×10^-6K^-1之间的金属材料。

本发明的工具单元借由刀具的多层结构之间的材料匹配而提高其硬度及耐磨耗，并且借由刀具、接合部及变幅杆的紧密接合而能使超音波的波动传递更容易，使整体工具单元的振幅更加均匀，其装设于超音波加工设备时，其加工精度可达到微米级。

附图说明

图1为本发明的超音波加工设备的一实施例的示意图。

图2为本发明的应用于超音波加工的工具单元的一实施例的示意图。

图3为本发明的工具单元及其刀具结构的第一实施例的示意图。

图4为本发明的工具单元及其刀具结构的第二实施例的示意图。

图5为本发明的工具单元及其紧配结构的第一实施例的示意图，说明三种紧配方式。

图5A至图5C为图5所示的工具单元的紧配结构的分解示意图。

图6为本发明的工具单元及其紧配结构的第二实施例示意图。

图7为本发明的工具单元及其紧配结构的第三实施例示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照附图的方向。因此，这些方向用语仅是用于说明并非是用于限制本发明。

参阅图1，为本发明的超音波加工设备的一实施例。在一超音波加工设备1上安装一本发明的工具单元2，其适用于硬脆材料，例如：陶瓷材料、玻璃、硅基板、碳化硅、蓝宝石基板等材料的切割成型。

参阅图2，为本发明的应用于超音波加工的工具单元的一实施例的示意图。工具单元2包含一刀具21、一变幅杆22以及一接合部23。变幅杆22夹设于超音波加工设备1下方，刀具21透过接合部23紧密接合于变幅杆22的下方。值得一提的是，刀具21是由多个材料层组成，借由多个材料层的材料特性匹配，使刀具21不但可与接合部23及变幅杆22紧密接合，且刀具21的硬度足以使其加工硬脆材料的精度达到微米等级。此外，本发明亦利用刀具21、接合部23与变幅杆22三者的材料特性，使三者之间的连接结构更加紧密，进而使超音波加工设备1所产生的波动顺利地经由变幅杆22传递至刀具21。

在本发明的实施例中，变幅杆22的材质可为轻合金材质或钢铁材质，例如：钢(热膨胀系数介于11.00×10^-6K^-1至13.00×10^-6K^-1之间)、不锈钢(热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间)、铝合金(热膨胀系数介于21.00×10^-6K^-1至25.00×10^-6K^-1之间)、镁合金(热膨胀系数介于25.00×10^-6K^-1至28.00×10^-6K^-1之间)、钛合金(热膨胀系数介于9.00×10^-6K^-1至13.00×10^-6K^-1之间)或其组合物(热膨胀系数可能介于9.00×10^-6K^-1至28.00×10^-6K^-1之间)。接合部23的材料则需考虑变幅杆22材质而定。对于轻合金材质的变幅杆22，其与接合部23及刀具21之间的连接适合采用紧配结构，亦即借由接合部23受紧迫变形使刀具21和变幅杆22紧密固锁而使三者形成一整体。对于钢铁材质的变幅杆22，其与接合部23及刀具21之间的连接适合采用硬焊结构，亦即将接合部23作硬焊处理使其变形并产生良好机械特性的介金属化合物，而使刀具21和变幅杆22紧密固锁而使三者形成一整体。概括而言，接合时无论采用紧配结构或硬焊结构，接合部23皆会产生外型上的变化。

关于刀具21的结构，以图3及图4列举实施例说明如下。

参阅图3，为本发明的工具单元2的刀具结构的第一实施例。相较于图4，图3的实施例显示一形状较复杂、较难以加工成型的刀具21A结构。刀具21A包含一底材211A、一中间层213及一表层215。中间层213位于底材211A及表层215之间。在表层215与中间层213之间还具有一金属缓冲层214。在本实施例中，底材211A可为钢、不锈钢等钢铁材质制成。中间层213包含一电着金属层2131与一电着钻石颗粒2132。金属缓冲层214的结构可为单层或多层金属镀膜。表层215可为一钻石镀膜，也可为一钻石和碳化物的组合膜。

本实施例的刀具21A使用既有加工方式于钢铁材料加工出所要的形状作为底材211A，再以电着钻石颗粒2132(热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间)并镀制钻石表层215(热膨胀系数为1.00×10^-6K^-1)而形成多层钻石复合膜于底材211A表面上。图3所示的底材211A表面具有复数凸部2111及2112，这些凸部2111、2112的形状可以相同或不同，其具有微米尺寸，可排列成一阵列结构(arraystructure)。电着金属层2131采用镍(热膨胀系数介于13.00×10^-6K^-1至13.40×10^-6K^-1之间)、钴(热膨胀系数介于13.00×10^-6K^-1至13.80×10^-6K^-1之间)、钼(热膨胀系数约4.80×10^-6K^-1)或其组合物(热膨胀系数可能介于4.80×10^-6K^-1至13.80×10^-6K^-1之间)等金属材料，可和底材211A形成良好键结性，钻石颗粒2132利用电着金属层2131黏着于底材211A上。随后镀制金属缓冲层214，其材料为镍、铝或钛，可为单层或多层以上的镀膜。随着金属缓冲层214与电着金属层2131的材料匹配，金属缓冲层214可和电着金属层2131形成高强度的界面。最后再镀制钻石镀膜于金属缓冲层214上而形成致密的钻石表层215。上述多层钻石复合膜结构可提高刀具21A的耐磨性。由于金属缓冲层214提供与钻石表层215较接近的材料匹配条件，因此钻石表层215与金属缓冲层214的接合性优于习知将钻石膜直接镀在底材表面上。

另外，于镀制钻石表层215的过程中，钻石成份可能与金属缓冲层214生成碳化物，例如碳化钛(TiC；热膨胀系数介于7.70×10^-6K^-1至13.50×10^-6K^-1之间)，因此钻石表层可能是一钻石与碳化钛的组合膜(热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至13.50×10^-6K^-1之间)，此碳化物除本身质硬、强度佳，可提供金属缓冲层214与钻石表层215一良好接合接口外、也可作为钻石表层215成长的基材，使钻石表层215更容易镀制、表面结构更致密。

将本实施例所得的多层钻石复合膜与现有技术相比较，现有技术未考虑钻石镀层与底材层结构的关系，如晶格匹配性、镀制膜与底材的接合性等。但本实施例的多层钻石复合膜，除提供多层钻石结构外，钻石膜与底材间及各金属膜间的接合性也远超过现有钻石镀膜与底材间的接合性。因前述特性，是故即便在长时效、高磨耗的超音波加工环境，也能表现出高耐磨与高抗疲劳的表征，更适合应用于超音波加工的超硬刀具上。

参阅图4，为本发明的工具单元2的刀具结构的第二实施例。图4的实施例显示一形状较图3简单、易加工成型的刀具21B结构。刀具21B包括一底材211B及一钻石层212，钻石层212设置于底材211B的下方。底材211B为碳化钨材质(热膨胀系数介于4.00×10^-6K^-1至7.00×10^-6K^-1之间)，而钻石层212的组成包括钻石烧结体及烧结助剂，其中钻石成分超过85wt％，烧结助剂成分不超过15wt％。钻石烧结体是将单晶钻石跟多晶钻石烧结，或是单纯由多晶钻石烧结而形成的。烧结助剂的材料包含铁、钴、镍。因多晶钻石是多个单晶钻石的集合体，较图3所示的表层215的钻石镀膜有较佳的强度与耐磨耗特性，同时也较单晶钻石具有更佳的均向性，因此以多晶钻石为基材的钻石层212其强度和硬度相当高。在本实施例中，刀具21B具有一阵列结构，其外型是由钻石层212经加工而形成的，因此该阵列结构的硬度相当高。

关于变幅杆22、接合部23及刀具21之间的紧配结构，请参照图5及图5A至5C、图6及图7，并列举实施例说明如下。

参阅图5，为本发明的工具单元2a的紧配结构的第一实施例，将变幅杆、接合部及刀具三者的形状及尺寸等机械结构设计如图5A至5C所示，来达成紧密固锁的目的。在本实施例中，变幅杆22a为轻合金材质制成，例如：铝合金、镁合金或钛合金。变幅杆22a的下表面包括一锥形凸柱221。接合部23a具有一锥形孔231，可供锥形凸柱221插接于其中。刀具21a的底材的上表面具有一圆形凹槽216，圆形凹槽216的锥度与接合部23a的锥度相同，因此可供接合部23a置入其中。变幅杆22a的锥形凸柱221的底端具有一第一直径d0。接合部23a的锥形孔231底端具有一第二直径d1，且接合部23a具有一外径D1。刀具21a的圆形凹槽216具有一内径D0。在变幅杆22a、接合部23a及刀具21a三者尚未接合前，第一直径d0略大于第二直径d1，外径D1小于内径D0，在三者接合后，接合部23a被锥形凸柱221压迫而变形，使外径D1大于内径D0，而形成紧密固锁。概括而言，本实施例是借由变幅杆22a的一第一直径d0及接合部23a的第二直径d1的尺寸设计来控制接合部23a的形变量，进而控制变幅杆22a、接合部23a与刀具21a三者接合的紧迫程度。

仍请参阅图5的结构，说明本发明的工具单元2a的紧配结构的第二实施例，若接合部23a的材料采用一形状记忆合金(ShapeMemoryAlloys)，例如：镍铝合金(相变温度介于-180至100℃之间)、镍钛合金(相变温度介于-50至110℃之间)或其组合物(相变温度可能介于-180至110℃之间)，亦可达成紧密固锁的目的。形状记忆合金于低温(亦即低于马氏体相变温度(martensitictransformationtemperature))时为收缩状态，高温(亦即高于奥氏体相变温度(austenitetransformationtemperature))时为伸长及扩张状态。因此可于低温收缩状态时将形状记忆合金加工成所需的接合部23a形状，并于低温时进行组装接合。接合后回复高温或常温时，接合部23a相对地伸长或扩张而回复为原状，此时将产生足够的接合应力使变幅杆22a与刀具21a紧密地固锁在一起。

仍以图5的结构说明本发明的工具单元2a的紧配结构的第三实施例，其利用变幅杆、接合部及刀具三者的材料的热膨胀系数的匹配或差异性，来达成紧密固锁的目的。在本实施例的紧配结构中，接合部23a的材料可选用一热膨胀系数介于10.7×10^-6K^-1至19.00×10^-6K^-1之间的金属材料，例如黄铜(热膨胀系数介于17.5×10^-6K^-1至19.00×10^-6K^-1之间)、铜(热膨胀系数介于16.5×10^-6K^-1至17.00×10^-6K^-1之间)或不锈钢(热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间)。

配合图5的结构，若变幅杆22a的热膨胀系数大于接合部23a的热膨胀系数，且接合部23a的热膨胀系数大于刀具21a的热膨胀系数，在低温(例如：5℃)时加工至所需的尺寸，并进行组装或接合，则当回复常温(例如：25℃)时，由于热膨胀系数的差异，造成变幅杆22a的体积膨胀量大于接合部23a的体积膨胀量，且接合部23a的体积膨胀量大于刀具21a的体积膨胀量，配合图5所示的工具单元2a结构，三者体积膨胀量的差异将能提供足够的应力而使三者紧密接合。值得一提的是，当工具单元2a开始运作时，温度可能上升至例如45℃，此时变幅杆22a、接合部23a及刀具21a三者的接合会更紧密。

参阅图6，为本发明的工具单元2b的紧配结构的第四实施例。图6的变幅杆22b的凸部与接合部23b的穿孔的外型与图5所示不同，显示在图5的三种紧配方式下，变幅杆22b、接合部23b及刀具21b的结构或尺寸可视实际需要而调整，不限于图5所示的构造。

参阅图7，为本发明的工具单元2的紧配结构的第五实施例。在本实施例中，工具单元2c的变幅杆22c的下表面包括一凹槽，接合部23c具有一穿孔，凹槽的锥度与接合部23c的锥度相同，可供接合部23c置入其中，刀具21c的底材的上表面具有一凸柱221c，适合插接于穿孔中。

若将图7的结构配合机械结构设计来达成紧密固锁时，接合部23c外径与变幅杆22c的凹槽内径相配合。在变幅杆22c、接合部23c与刀具21c三者接合前，锥形凸柱221c的顶端直径大于接合部23c的穿孔顶端的直径，接合后，接合部23c被凸柱221c压迫而变形而达成紧密接合。

此外图7的结构中，接合部23c亦可采用形状记忆合金，或是利用热膨胀系数的差异来达成紧密固锁。需注意的是，图7的结构中，变幅杆22c的热膨胀系数应小于接合部23c的热膨胀系数，且接合部23c的热膨胀系数应小于刀具21c的热膨胀系数，方能达成紧密固锁的目的。

依据图5至图7所示的紧配结构，接合部与变幅杆之间或是接合部与刀具之间，皆具有更大的接合面积与接合力，故可较现有螺丝旋转固定或是使用金属扣环接合有更紧密的接合。因此，超音波的波动更容易由变幅杆传递至刀具，使工具单元的振幅更加均匀，进而使工具单元的加工精度达到微米级。

关于变幅杆22、接合部23及刀具21之间的硬焊结构，请参照图2，列举实施例说明如下。

在本实施例中，变幅杆22为钢铁材质制成。对接合部23包括一焊料，对其施以硬焊处理(brazing)使刀具21与变幅杆22结合。由于变幅杆21的材料熔点低，例如不锈钢材质制成的变幅杆21，则熔点约在1500℃。若配合碳化钨材料制成的刀具21的底材，熔点约在2870℃，则接合部23的硬焊温度为700℃即可硬焊完成，并会在接合部23及刀具21之间产生一介金属化合物，以增加焊接强度。

详细来说，硬焊处理(brazing)的硬焊温度一般高于450℃。然而，由于刀具21具有钻石成份，故接合部23与刀具21之间适合的硬焊温度最好低于700℃，以避免将钻石结构催化变成石墨，较佳的硬焊温度为600℃至650℃之间。依据成相原理，两种或多种合金材料具有一共晶温度。因此，选用银铜镁铝硅钛合金材料为主，制成的接合部23有共晶温度，所以硬焊时可降低硬焊温度，故接合部23可在硬焊温度不高于700℃即可与刀具21完成硬焊，并会产生介金属化合物，以增加焊接强度。据上述，接合部23的焊料可选用银铜(热膨胀系数介于17.00×10^-6K^-1至18.00×10^-6K^-1之间；共晶温度780℃)、银铝(热膨胀系数介于19.00×10^-6K^-1至23.00×10^-6K^-1之间；共晶温度介于567℃至726℃之间)、银镁(热膨胀系数介于19.00×10^-6K^-1至25.00×10^-6K^-1之间；共晶温度介于492℃至756℃之间)、铝铜(热膨胀系数介于17.00×10^-6K^-1至23.00×10^-6K^-1之间；共晶温度介于547℃至596℃之间)、铝镁(热膨胀系数介于23.00×10^-6K^-1至25.00×10^-6K^-1之间；共晶温度459℃)、铜镁(热膨胀系数介于17.00×10^-6K^-1至25.00×10^-6K^-1之间；共晶温度介于570℃至797℃之间)或其组合物(热膨胀系数介于17.00×10^-6K^-1至25.00×10^-6K^-1之间；共晶温度介于492℃至780℃之间)。上述焊料还可包括一添加物，例如：硅或钛，以增加强度。

在本实施例的接合部23的焊料中，银成分占10wt％至50wt％、铜成分占10wt％至50wt％、镁成分占0wt％至40wt％之间、铝金属成分占0wt％至40wt％之间、硅金属成分占0wt％至20wt％之间、钛金属成分占0wt％至20wt％之间。由于银铜镁铝硅钛合金组成的焊料(共晶温度介于459℃至638℃之间)，可与变幅杆22和刀具21的底材反应产生一介金属化合物。该介金属化合物可能包含Ag、Ag₃Fe₂、FeCu₄、Cu₄W₆、Al₄Si、Mg₂Si、Mg₅Si₆、Mg₂Al₃、MgAl₂、MgAl、Mg₂Al₃、Al₂W、Al₅W、Al₄W、FeSi、AlFe、AlFe₃、TiC、FeTi等成分，其焊接强度可达600kg/mm²至800kg/mm²，大幅提高焊接强度使变幅杆22和刀具21在硬焊后形成一体化的工具单元2，因此使超音波的波动传递更容易，且工具单元2的振幅更加均匀，可使超音波加工设备的工具单元2的加工精度达到微米级。

依据上述所有实施例，概括而言，本发明的超音波加工设备的工具单元，至少包括一变幅杆、一刀具及一接合部。刀具具有一微米尺寸的阵列结构，并适合连接于该变幅杆下方。接合部至少包括一金属材料，装设于变幅杆及刀具之间。在变幅杆、接合部及刀具接合前及接合后，接合部具有一外型上的变化。上述刀具至少包括一底材及一钻石层。钻石层设于底材的下方。底材具有一上表面及一下表面，下表面位于上表面的相反侧。底材的上表面接触变幅杆。底材与钻石层的材料匹配至少应如下：底材的材料是一热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料、碳化钨或其组合物。钻石层的材料至少包括一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的钻石材料。

具有上述基本结构的工具单元，当其安装于超音波加工设备上，对陶瓷或脆硬材料进行加工时，其精度确实可达到微米尺寸，且可保持具长时间和具耐磨耗的加工功效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即但凡依照本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻，并非用来限制本发明的权利范围。

标记说明：

1超音波加工设备

2,2a,2b,2c工具单元

21,21A,21B,21a,21b,21c刀具

22,22a,22b,22c变幅杆

23,23a,23b,23c接合部

211,211A,211B底材

2111(底材表面的)凸部

2112(底材表面的)凸部

212多晶钻石层

213钻石层

2131电着金属层

2132电着钻石颗粒

214金属缓冲层

215(钻石镀膜)表层

216凹槽

221、221c凸柱

231锥形孔

d₀变幅杆的锥形凸柱的底端的直径

d₁接合部的锥形孔底端的直径

D₁接合部的外径

D₀刀具的圆形凹槽的内径

Claims (15)

1.一种应用于超音波加工的工具单元，包括：

一变幅杆；

一刀具，具有一微米尺寸的阵列结构，并适合连接于该变幅杆下方，其包括：

一底材，其具有一上表面及一下表面，该下表面位于该上表面的相反侧，其中该底材的材料是一热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料、碳化钨或其组合物；

一钻石层，位于该底材的该下表面，该钻石层的材料是一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的钻石材料、一多晶钻石、一钻石烧结体或其组合物；以及

一接合部，包括一金属材料，装设于该变幅杆及该刀具的该底材的该上表面之间，其中在该变幅杆、该接合部及该刀具于接合前及接合后，该接合部具有一外型上的变化。

2.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该刀具包括一表层，其与该底材分别设于该钻石层的相对两侧，其中该底材的材料为该热膨胀系数介于10.70×10^-6K^-1至17.30×10^-6K^-1之间的钢质材料，该钻石层包括一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至2.50×10^-6K^-1之间的电着钻石颗粒及一热膨胀系数介于4.80×10^-6K^-1至13.80×10^-6K^-1之间的电着金属层，并且该表层包括一热膨胀系数介于1.00×10^-6K^-1至13.50×10^-6K^-1之间的非金属材料。

3.如权利要求2所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该刀具的该钻石层所包含的该电着金属层的材料是镍、钴或钼。

4.如权利要求2所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该刀具的该表层的材料是钻石、碳化钛或其组合物。

5.如权利要求4所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该刀具的该表层与该钻石层之间具有一金属缓冲层，该金属缓冲层的材料是镍、钛、铝或其组合物。

6.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该刀具的该底材的材料为碳化钨，并且该钻石层包括一钻石烧结体及一烧结助剂，该钻石烧结体超过85wt%，该烧结助剂不超过15wt%，其中该钻石烧结体由一多晶钻石经烧结而得，该烧结助剂的成分是铁、钴、镍或其组合物。

7.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该变幅杆的材料是钢、不锈钢、铝合金、镁合金、钛合金或其组合物。

8.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该变幅杆的材料包括一钢材，且该接合部包括一焊料，该焊料是银铜、银铝、银镁、铝铜、铝镁、铜镁或其组合物。

9.如权利要求8所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该接合部的该焊料包括一添加物，该添加物是硅或钛。

10.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该变幅杆的材料包括一钢材，且该接合部包括一焊料，该焊料为一银铜镁铝硅钛合金，其中银成分占10wt%至50wt%、铜成分占10wt%至50wt%、镁成分占0wt%至40wt%之间、铝金属成分占0wt%至40wt%之间、硅成分占0wt%至20wt%之间、钛金属成分占0wt%至20wt%之间。

11.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该接合部的材料适合于600至650℃之间进行硬焊，而产生一介金属化合物，其焊接强度可提高为600kg/mm²至800kg/mm²，其中该介金属化合物是Ag、Ag₃Fe₂、FeCu₄、Cu₄W₆、Al₄Si、Mg₂Si、Mg₅Si₆、Mg₂Al₃、MgAl₂、MgAl、Mg₂Al₃、Al₂W、Al₅W、Al₄W、FeSi、AlFe、AlFe₃、TiC或FeTi。

12.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该变幅杆的该下表面包括一锥形凸柱，该接合部具有一锥形孔，可供该锥形凸柱插接于其中，该刀具的该底材的该上表面具有一圆形凹槽，该圆形凹槽的锥度与该接合部的锥度相同，可供该接合部置入其中，该锥形凸柱的底端具有一第一直径，该锥形孔底端具有一第二直径，该接合部具有一外径，该圆形凹槽具有一内径，在该变幅杆、该接合部及该刀具三者尚未接合前，该第一直径大于第二直径，该外径小于该内径，在该三者接合后，该接合部被该锥形凸柱压迫而使该外径变形大于该内径。

13.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该变幅杆的该下表面包括一凹槽，该接合部具有一穿孔，该圆形凹槽可供该接合部置入其中，该刀具的该底材的该上表面具有一凸柱，适合插接于该穿孔中而接触该变幅杆。

14.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该接合部的材料包括一形状记忆合金，该形状记忆合金的相变温度介于-180至110℃之间。

15.如权利要求1所述的应用于超音波加工的工具单元，其中该接合部为一热膨胀系数介于10.7×10^-6K^-1至19.00×10^-6K^-1之间的金属材料，并且该变幅杆、该接合部及该刀具的该底材三者的材料的热膨胀系数不同。