CN106182153B - 超声波微米精度加工成型装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声波微米精度加工成型装置，其包括：超声波产生模块、刀具及变幅杆。超声波产生模块用以提供超声波频率震荡。刀具设置于超声波产生模块下方，并具有微米级精度结构。变幅杆设置于超声波产生模块及刀具之间，并且变幅杆具有第一截面及第二截面，第一截面位于变幅杆与刀具的接合处，而第二截面与刀具的距离大于第一截面与刀具的距离，其中第一截面的面积大于第二截面的面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波加工成型装置，特别涉及一种超声波微米精度加工成型装置。
背景技术
超声波加工设备目前主要应用于切断或贯穿硬脆材料。一般的超声波加工成型机的加工方式是利用超声波产生器连接变幅杆及刀具，超声波产生器产生每秒1.5万次以上的超声波振动并提供给变幅杆及刀具使其产生共振，再利用刀具使待要加工的工件切削或贯穿。
然而，已知的超声波加工成型机，由于变幅杆与刀具是使用固锁的方式来接合，因此变幅杆与刀具的设计会受到彼此结构的限制。如图1，已知的变幅杆呈现倒三角锥形，变幅杆与超声波产生器的接合部位1比变幅杆与刀具的接合部位2粗，此结构会使得变幅杆与刀具的接合部位2的振幅大于超声波产生器提供的振幅，因此容易使刀具磨耗严重，且无法提供较大面积的成型加工。若任意加大变幅杆与刀具的接合部位2的面积，在加工过程中容易使加工面变形，因此无法加工出公差小于微米级的形状或尺寸为微米级的精细结构。此外，变幅杆的接合部位1与接合部位2之间的振幅误差会造成变幅杆与刀具之间产生波传递的干扰，影响超声波加工成型机的加工精度。
由以上说明可以知道，超声波加工成型机因采用传统的变幅杆结构可能造成的缺点有：
一、在加工过程中变幅杆的振幅在垂直方向上的变化量大，工作面积小，使加工精度难以控制，无法满足现阶段产业的精密及大量生产的需求。
二、容易使刀具磨损严重，亦无法控制精度及评量加工时的情况，因此无法将加工尺寸微小化。
因此，如何改善上述缺点以提高超声波加工精度是本领域亟欲解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能提高加工精度的超声波微米精度加工成型装置。
为了达到上述目的之一或全部目的，本发明提供一种超声波微米精度加工成型装置，其包括：超声波产生模块、刀具及变幅杆。超声波产生模块用以提供超声波频率震荡；刀具设置于超声波产生模块下方，并具有微米级精度结构；变幅杆设置于超声波产生模块及刀具之间，并接收超声波产生模块的超声波频率震荡，其中该变幅杆在三维空间中的轮廓藉由X轴、Y轴及Z轴所形成的坐标来表示，该X轴、该Y轴及该Z轴三者中任两者相互垂直，并且变幅杆具有第一截面及第二截面，第一截面及第二截面都垂直于变幅杆的Z轴方向且彼此平行，第一截面位于变幅杆与该刀具的接合处，而第二截面与刀具的距离大于第一截面与刀具的距离，第一截面的面积大于或等于第二截面的面积，变幅杆接收超声波产生模块的超声波频率震荡后，变幅杆在X轴方向产生第一变形量，变幅杆在Y轴方向产生第二变形量，变幅杆在Z轴方向产生第三变形量，第一变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％，第二变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％。
在一个实施例中，变幅杆具有第三截面，该第三截面平行于第一截面及第二截面，第三截面与该刀具的距离大于第二截面与该刀具的距离，其中第三截面的面积大于或等于第二截面的面积，用以将第二截面的振幅放大，在提高加工精度的情形下，同时可增加生产效率。
在一个实施例中，变幅杆具有第四截面，该第四截面平行于第一截面及第二截面，第四截面与刀具的距离大于第二截面与刀具的距离，其中第四截面的面积小于第二截面的面积，用以调整第二截面的振幅。
在一个实施例中，超声波产生模块具有超声波控制箱及换能器，超声波控制箱提供换能器电能及振动模态，而换能器接收电能及振动模态后产生超声波频率震荡，并将超声波频率震荡传递至变幅杆。
在一个实施例中，超声波产生模块提供的超声波频率震荡的振幅大于或等于变幅杆的该第一截面的振幅。
在一个实施例中，变幅杆的材料选自由不锈钢、模具钢、工具钢、铝合金、镁合金及钛合金所构成的组。
在一个实施例中，变幅杆的第一截面具有复数个取样点，该复数个取样点中的每一个在Z轴方向产生第三变形量，计算此第三变形量的标准偏差，标准偏差除以该第三变形量的平均值大于0％且小于1％，使变幅杆的该第一截面的振幅小于或等于超声波产生模块提供的超声波频率震荡的振幅。
本发明的超声波微米精度加工成型装置，其变幅杆的结构能配合具有微米尺寸及微米精度结构的刀具或具有微米级阵列结构的刀具，不但可以使超声波微米精度加工成型装置将工件的形状及样式达到微米级精度，并且可做到已知的加工模式难以做到的形状及精度。
附图说明
图1示出现有技术的变幅杆。
图2示出本发明的超声波微米精度加工成型装置。
图3A-3E示出本发明的一个实施例的变幅杆及刀具。
图4示出本发明的一个实施例的变幅杆。
图5示出本发明的一个实施例的刀具。
图6示出经本发明的超声波微米精度加工成型装置加工后的工件。
具体实施方式
本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下结合参考附图之一的优选实施例的详细说明中将变得明了。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是用于参照附图中的方向。因此，这些方向用语仅是用于说明而并非是用于限制本发明。
请参阅图2，其示出本发明的超声波微米精度加工成型装置10。本发明的超声波微米精度加工成型装置10用于将硬脆材料或金属材料精密加工成型，例如玻璃、陶瓷、蓝宝石、硅晶圆、铝、铁、工具钢等材料。超声波微米精度加工成型装置10包括：一个超声波产生模块11、一个刀具13、及一个变幅杆20、一个可精密调整的机座14、一个X-Y精密加工平台15、一个Z轴精密位移控制系统16、一个加工液冷却循环系统17，及一个精密定位系统18，其中超声波产生模块11具有一个超声波控制箱111及一个换能器112，且变幅杆20设置于超声波产生模块11及刀具13之间，刀具13设置于变幅杆20的下方，并具有微米级精度结构。超声波控制箱111连接换能器112，用以提供换能器112电能及振动模态，换能器112设置于机座14上，用以提供超声波频率震荡，并且换能器112夹设固定于刀具13上。X-Y精密加工平台15设置于Z轴精密位移控制系统16上，加工液冷却循环系统17与精密定位系统18连接于X-Y精密加工平台15上。加工时将欲加工工件固定于X-Y精密加工平台15上，使用精密定位系统18定位刀具13与加工工件的位置，并调整刀具13与加工工件两者之间的距离，开启加工液冷却循环系统17使加工液循环后，使用Z轴精密位移控制系统16使加工工件与刀具13接近，到一定距离后即开始加工成型，当完成加工成型后刀具13退出，即完成加工程序。
参阅图3A-3E，其示出本发明的一个实施例的变幅杆20A、20B、20C、20D、20E及刀具13。变幅杆20A、20B、20C、20D、20E在三维空间中的轮廓可藉由一个X轴、一个Y轴与一个Z轴所形成的坐标来表示，而X轴、Y轴及Z轴三者中任两者相互垂直。图3A-3E中，Y轴为射出纸面的方向。变幅杆20A、20B、20C、20D、20E具有沿着A-B线段切割的一个第一截面210及沿着C-D线段切割的一个第二截面220，第一截面210及第二截面220都垂直于变幅杆20A、20B、20C、20D、20E的Z轴方向且彼此平行，第一截面210位于变幅杆20A、20B、20C、20D、20E与刀具13的接合处，而第二截面220与刀具13的距离D2大于第一截面210与刀具13的距离D1，其中第一截面210的面积A1大于或等于第二截面220的面积A2。
变幅杆20A、20B、20C、20D、20E接收超声波产生模块11的超声波频率震荡后，变幅杆20A、20B、20C、20D、20E在X轴产生一个第一变形量(amount of deformation)，变幅杆20A、20B、20C、20D、20E在Y轴产生一个第二变形量，变幅杆20A、20B、20C、20D、20E在Z轴产生一个第三变形量，第一变形量与第三变形量之比为X轴与Z轴的侧振比，第二变形量与第三变形量之比为Y轴与Z轴的侧振比。第一变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％，第二变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％。
此外，由于第一截面210的面积大于或等于第二截面220的面积，变幅杆20在第一截面210的Z轴方向上的振幅会比在第二截面220的Z轴方向上的振幅小或相等。
在图3A至图3C中，变幅杆20A、20B、20C还具有沿着E-F线段切割的一个第三截面230，该第三截面230平行于第一截面210及第二截面220，第三截面230与刀具13的距离D3大于第二截面220与刀具13的距离D2。第三截面230的面积A3大于或等于第二截面220的面积A2，即形成邻近第二截面220的部位较细而其上下两端较粗的变幅杆20A、20B、20C结构，如此，第二截面220的振幅可以被放大，在提高加工精度的情形下，同时可增加生产效率。
在图3D中，变幅杆20D具有沿着G-H线段切割的第四截面240，该第四截面240平行于第一截面210及第二截面220，第四截面240与刀具13的距离D4大于第二截面220与刀具13的距离D2，其中第四截面240的面积A4小于第二截面220的面积A2，用以调整第二截面220的振幅。
在图3E的实施例中，变幅杆20E的第一截面210及第二截面220之间具有阶梯状结构250，较邻近刀具13的部位较粗。
如图4，其示出本发明的一个实施例的变幅杆20。超声波微米精度加工成型装置10变幅杆20的材料例如为不锈钢、模具钢、工具钢、铝合金、镁合金及钛合金中的任一种金属。在加工工件前，需先使用有限元素数值分析法进行变幅杆20及刀具13加工面的振动状态分析模拟，变幅杆20的节点、振幅位置及刀具13与变幅杆20的连接需克服波干扰、传递的问题。变幅杆20的第一变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％，第二变形量除以第三变形量的值大于0％且小于1％。在另一实施例中，变幅杆20的第一截面210具有复数个取样点P、P1，该复数个取样点P、P1中的每一个在Z轴方向产生第三变形量，计算这些第三变形量的标准偏差，此标准偏差是一般统计学中定义的标准偏差。标准偏差除以第三变形量的平均值为变幅杆的不均匀度，该不均匀度大于0％且小于1％，使变幅杆20的该第一截面的振幅小于或等于超声波产生模块提供的超声波频率震荡的振幅。换句话说，在此设计规范下，超声波产生模块提供的超声波频率震荡的振幅大于或等于变幅杆20的该第一截面的振幅。
换句话说，与已知超声波加工设备的变幅杆相比，已知的变幅杆被制作成一个上宽下窄的号角形或倒三角锥形结构来将超声波的振幅放大，虽然可以增加生产效率，但难以提高加工精度。而本发明的变幅杆则是将变幅杆与刀具接合的部位放大面积来增强结构及控制振幅，使得超声波产生模块提供的振幅与变幅杆共振的振幅能维持在适当的振幅，再藉由控制侧振比(第一变形量比第三变形量及第二变形量比第三变形量)及不均匀度来提高超声波加工成型装置的加工精度。
如图5，其示出本发明的一个实施例的刀具13A、13B、13C、13D。本发明的刀具13A、13B、13C、13D具有微米尺寸及微米精度结构。在一个实施例中，刀具13A为多个微米级的方形柱体131B及沟槽131A所排列而成的方阵。刀具13B为多个微米级的三角形柱体132及沟槽132A所排列而成的方阵。刀具13C为多个微米级的半圆形柱体133及沟槽133A所排列而成的方阵。刀具13D为多个微米级的半椭圆形柱体134及沟槽134A所排列而成的方阵。这些方阵也称为「阵列结构(Array Structure)」。例如，阵列结构131是由多个沟槽131A及方形柱体131B所排列而成。具有此阵列结构的刀具13A、13B、13C、13D可以在所加工的工件上制作出多个排列成方阵样式的微米级沟槽。
如图6，其示出经本发明的超声波微米精度加工成型装置10加工后的工件30，在工件30上所制作的结构可达到微米级的精度，并且可制作排列成方阵样式的多个墙320及这些墙320之间的沟槽310。墙320的样式可以采用方形、三角形、半圆形、半椭圆形的墙。沟槽310的样式可以采用方形底、三角形底、半圆形底、半椭圆形底的沟槽。
本发明的超声波微米精度加工成型装置，在初始设计时即计算变幅杆与刀具的微结构震荡模式及共振频率，变幅杆的结构能配合具有微米尺寸及微米精度结构的刀具或具有微米级阵列结构的刀具，不但可以使超声波微米精度加工成型装置将工件的形状及样式达到微米级精度，并且可做到已知的加工模式难以做到的形状及精度。
以上所描述的内容仅是本发明的较优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，即凡是根据本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等同变化与修改，都仍落入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必需公开本发明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索的用途，并非用来限制本发明的权利范围。
【符号说明】
超声波微米精度加工成型装置 10
超声波产生模块 11
超声波控制箱 111
换能器 112
刀具 13、13A、13B、13C、13D
可精密调整的机座 14
X-Y精密加工平台 15
Z轴精密位移控制系统 16
加工液冷却循环系统 17
精密定位系统 18
变幅杆 20、20A、20B、20C、20D、20E
第一截面 210
第二截面 220
第三截面 230
第四截面 240
阶梯状结构 250
阵列结构 131
方形柱体 131B
三角形柱体 132
半圆形柱体 133
半椭圆形柱体 134
沟槽 131A、132A、133A、134A
工件 30
沟槽 310
墙 320
Claims (6)
1.一种超声波微米精度加工成型装置，其包括：
超声波产生模块，用以提供超声波频率震荡；
刀具，其设置于该超声波产生模块下方，并具有微米级精度结构；以及
变幅杆，其设置于该超声波产生模块及该刀具之间，并接收该超声波产生模块的超声波频率震荡，其中该变幅杆在三维空间中的轮廓藉由X轴、Y轴及Z轴所形成的坐标来表示，该X轴、该Y轴及该Z轴三者中任两者相互垂直，并且该变幅杆具有第一截面及第二截面，该第一截面及该第二截面都垂直于该变幅杆的该Z轴方向且彼此平行，该第一截面位于该变幅杆与该刀具的接合处，该第二截面与该刀具的距离大于该第一截面与该刀具的距离，该第一截面的面积大于该第二截面的面积，该变幅杆接收该超声波产生模块的超声波频率震荡后，该变幅杆在该X轴方向产生第一变形量，该变幅杆在该Y轴方向产生第二变形量，该变幅杆在该Z轴方向产生第三变形量，该第一变形量除以该第三变形量的值大于0％且小于1％，该第二变形量除以该第三变形量的值大于0％且小于1％；
其中该超声波产生模块提供的超声波频率震荡的振幅大于或等于该变幅杆的该第一截面的振幅。
2.根据权利要求1所述的超声波微米精度加工成型装置，其中该变幅杆具有第三截面，该第三截面平行于该第一截面及该第二截面，该第三截面与该刀具的距离大于该第二截面与该刀具的距离，其中该第三截面的面积大于或等于该第二截面的面积。
3.根据权利要求1所述的超声波微米精度加工成型装置，其中该变幅杆具有第四截面，该第四截面平行于该第一截面及该第二截面，该第四截面与该刀具的距离大于该第二截面与该刀具的距离，其中该第四截面的面积小于该第二截面的面积。
4.根据权利要求1所述的超声波微米精度加工成型装置，其中该超声波产生模块具有超声波控制箱及换能器，该超声波控制箱提供该换能器电能及振动模态，而该换能器接收电能及振动模态后产生超声波频率震荡，并将超声波频率震荡传递至该变幅杆。
5.根据权利要求1所述的超声波微米精度加工成型装置，其中该变幅杆的材料选自由不锈钢、模具钢、工具钢、铝合金、镁合金及钛合金所构成的组。
6.根据权利要求1所述的超声波微米精度加工成型装置，其中该变幅杆的该第一截面具有复数个取样点，该复数个取样点中的每一个在该Z轴方向产生该第三变形量，计算该第三变形量的标准偏差，该标准偏差除以该第三变形量的平均值大于0％且小于1％。
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