TWI564109B - 超音波微米精度加工成型裝置 - Google Patents

Description

超音波微米精度加工成型裝置

本發明係與一種超音波加工成型裝置有關，特別係與一種超音波微米精度加工成型裝置有關。

超音波加工設備目前主要應用於切斷或貫穿硬脆材料。一般的超音波加工成型機的加工方式是利用超音波產生器連接變幅桿及刀具，超音波產生器產生每秒1.5萬次以上的超音波振動並提供給變幅桿及刀具使其產生共振，再利用刀具使欲加工的工件切削或貫穿。

然而，習知的超音波加工成型機，由於變幅桿與刀具是使用固鎖的方式來接合，因此變幅桿的設計會有所限制。如圖1，習知的變幅桿係呈現約一倒三角錐形，變幅桿與超音波產生器的接合部位2比變幅桿與刀具的接合部位1粗，此結構會增加振幅，使得變幅桿與刀具的接合部位1的振幅大於超音波產生器提供的振幅，此種結構無法提供較大面積的成型加工；若變幅桿任意加大面積，在加工過程中無法控制加工面之變形情形，且刀具磨耗嚴重，因此無法加工出公差小於微米級之形狀或尺寸為微米級之精細結構。此外，變幅桿在加工面上震盪時所產生的誤差會使得超音波加工成型機無法控制變幅桿振動的狀態，造成變幅桿與刀具產生波傳遞的干擾，因此傳統超音波在加工過程具有下列缺點：

一、一般的變幅桿在振盪時其垂直變化量大，工作面積小，加工精度難以控制，無法滿足現階段產業的精密及大量生產的需求。

二、加工尺寸因刀具磨損嚴重，因此無法將加工尺寸微小化，亦無法控制精度及評量加工時的情況。

綜合以上所述，如合改善上述缺失以提升超音波加工精度是本領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的在於提供一種能提供加工精度之超音波微米精度加工成型裝置。

為了達到上述之一或全部目的，本發明提供一種超音波微米精度加工成型裝置，其包括：一超音波產生模組、一刀具及一變幅桿。超音波產生模組用以提供超音波頻率震盪；刀具設置於超音波產生模組下方，並具有一微米級精度結構；變幅桿設置於超音波產生模組及刀具之間，並接收超音波產生模組的超音波頻率震盪，並且變幅桿具有一第一截面及一第二截面，第一截面及第二截面皆垂直於變幅桿且彼此平行，第一截面係位於變幅桿與該刀具的接合處，而第二截面與刀具的距離大於第一截面與刀具的距離，第一截面的面積大於或等於第二截面的面積，其中變幅桿具有一X軸、一Y軸及一Z軸，Z軸係垂直於第一截面，而X軸、Y軸及Z軸三者中任兩者係相互垂直，變幅桿接收超音波產生模組的超音波頻率震盪後，變幅桿在X軸方向產生一第一形變量，變幅桿在Y軸方向產生第二形變量，變幅桿在Z軸方向產生一第三形變量，第一形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%，第二形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%。

在一實施例中，變幅桿具有一第三截面，其平行於第一截面及第二截面，第三截面與該刀具的距離大於第二截面與該刀具的距離，其中第三截面的面積係大於或等於第二截面的面積。

在一實施例中，變幅桿具有一第四截面，其平行於第一截面及第二截面，第四截面與刀具的距離大於第二截面與刀具的距離，其中第四截面的面積係小於第二截面的面積。

在一實施例中，超音波產生模組具有一超音波控制箱及一換能器，超音波控制箱提供換能器電能及振動模態，而換能器接收電能及振動模態後產生超音波頻率震盪至變幅桿。

在一實施例中，超音波產生模組提供的超音波頻率震盪的振幅係大於或等於變幅桿的振幅。

在一實施例中，變幅桿的材料係選自不鏽鋼、模具鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金所構成之群組。

在一實施例中，變幅桿的第一截面具有複數個點，每一該點在Z軸方向產生第三形變量，計算此第三形變量的一標準差，標準差除以該些第三形變量的平均值大於0%且小於1%。

10‧‧‧超音波微米精度加工成型裝置

11‧‧‧超音波產生模組

111‧‧‧超音波控制箱

112‧‧‧換能器

13‧‧‧刀具

14‧‧‧可精密調整的機座

15‧‧‧X-Y精密加工平台

16‧‧‧Z軸精密位移控制系統

17‧‧‧加工冷卻循環系統

18‧‧‧精密定位系統

20‧‧‧變幅桿

210‧‧‧第一截面

220‧‧‧第二截面

230‧‧‧第三截面

240‧‧‧第四截面

圖1係為習知技術的變幅桿。

圖2係為本發明之超音波微米精度加工成型裝置。

圖3A~3E係為本發明之一實施例的變幅桿及刀具。

圖4係為本發明之一實施例的變幅桿。

圖5係為本發明之一實施例的刀具。

圖6係為本發明之超音波微米精度加工成型裝置加工後的工件。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參閱圖2，其為本發明之超音波微米精度加工成型裝置10。本發明之超音波微米精度加工成型裝置10係用於將硬脆材料或金屬材料精密加工成型，例如玻璃、陶瓷、藍寶石、矽晶圓、鋁、鐵、工具鋼等材料。超音波微米精度加工成型裝置10包括：一超音波產生模組11、一刀具13、及一變幅桿20、一可精密調整的機座14、一X-Y精密加工平台15、一Z軸精密位移控制系統16、一加工冷卻循環系統17，及一精密定位系統18，其中超音波產生模組具有一超音波控制箱111及一換能器112，且變幅桿20設置於超音波產生模組11及刀具13之間，刀具13設置於變幅桿20的下方，並具有一微米級精度結構。超音波控制箱111連接換能器112，用以提供換能器112電能及振動模態，換能器112設置於機座14上，用以提供超音波頻率振盪，並且換能器112夾設固定於刀具13上。X-Y精密加工平台15設置於Z軸精密位移控制系統16上，加工液冷卻循環系統17與精密定位系統18連接於X-Y精密加工平台15上。加工時將欲加工工件固定於X-Y精密加工平台15 上，使用精密定位系統18定位刀具13與加工工件的距離與位置，開啟加工液冷卻循環系統17使加工液循環後，使用Z軸精密位移控制系統16使加工工件與刀具13接近，到一定距離後即開始加工成型，當完成加工成型後刀具13退出，即完成加工程序。

參閱圖3A~3E，其係為本發明之一實施例的變幅桿20及刀具13。變幅桿20具有沿著A-B線段切割的一第一截面210及沿著C-D線段切割的一第二截面220，第一截面210及第二截面220皆垂直於變幅桿20且彼此平行，第一截面210係位於變幅桿20與刀具13的接合處，而第二截面220與刀具13的距離大於第一截面210與刀具13的距離，其中第一截面210的面積大於或等於第二截面220的面積。變幅桿20具有一X軸、一Y軸與一Z軸，Z軸係為變幅桿20的震盪方向，而X軸、Y軸及Z軸三者中任一兩者係相互垂直。變幅桿20接收超音波產生模組11的超音波頻率震盪後，變幅桿20在X軸產生一第一形變量，變幅桿20在Y軸產生一第二形變量，變幅桿20在Z軸產生一第三形變量，第一形變量比第三形變量係為X軸與Z軸的側振比，第二形變量比第三形變量係為Y軸與Z軸的側振比。第一形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%，第二形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%。因此變幅桿20的第一截面210會形成X軸方向與Y軸方向約略相等的形狀。此外，由於第一截面210的面積大於或等於第二截面220的面積，變幅桿20在Z軸第一截面210上的振動幅度會比在Z軸第二截面220上的振動幅度小或相等，且變幅桿20在接近第一截面210的部位會較厚。其中，變幅桿20具有沿著E-F線段切割的一第三截面230，其平行於第一截面210及第二截面220，第三截面230與13刀具的距離大於第二截面220與刀具13的距離。第三截面 230的面積係大於或等於第二截面220的面積，即形成如圖3A~3C之中間較細而兩端較粗的變幅桿20。變幅桿13具有沿著G-H線段切割的第四截面240，其平行於第一截面210及第二截面220，第四截面240與刀具13的距離大於第二截面220與刀具13的距離，其中第四截面240的面積係小於第二截面220的面積，形成如圖3D的變幅桿20。在另一實施例中，本發明之變幅桿20亦可如圖3E所示具有多段較細的部位，而靠近刀具的部位較厚且粗。

如圖4，其係為本發明之一實施例的變幅桿20。超音波微米精度加工成型裝置10變幅桿20的材料係例如為不鏽鋼、模具鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金之任一金屬。在加工工件前，需先以有限元素數值分析法進行變幅桿20及刀具13加工面的振動狀態分析模擬，變幅桿20的節點、振幅位置及刀具13與變幅桿20的連接需克服波干擾、傳遞之問題。變幅桿20的第一形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%，第二形變量除以第三形變量的值大於0%且小於1%。在另一實施例中，變幅桿20的第一截面210具有複數個點，每一該點在Z軸方向產生一第三形變量，計算該些第三形變量的一標準差，此標準差係為一般統計學中定義的標準差。標準差除以第三形變量的平均值係為變幅桿的不均勻度，該不均勻度大於0%且小於1%。在此設計規範下，超音波產生模組提供的超音波頻率震盪的振幅係大於或等於變幅桿20的振幅。

換句話說，與習知超音波加工設備的變幅桿相比，習知的變幅桿需藉由一上寬下窄的號角形結構來將超音波的振幅放大才能增加生產效率。而本發明的變幅桿則是將變幅桿與刀具接合的部位放大面積來增強結構及控制振幅，使得超音波產生模組提供的振幅與變幅桿共振的振幅能 維持在適當的振幅，再藉由控制側振比(第一形變量比第三形變量及第二形變量比第三形變量)及不均勻度來提高超音波加工成型裝置的加工精度。

如圖5，其係為本發明之一實施例的刀具13。本發明之刀具13具有一微米尺寸及微米精度結構。在一實施例中刀具13可以為圓柱狀、圓形、方形、菱形、橢圓形，並且用來製程一微米級陣列溝槽形狀結構，該微米級陣列溝槽形狀結構可為陣列圓柱、方柱、菱形柱及橢圓柱柱狀陣列。如圖6，其係為本發明之超音波微米精度加工成型裝置10加工後的工件，其可達到對於加工工件精密成型之功效，並且可製程陣列圓孔、方孔、菱形孔、橢圓孔孔狀陣列或不規則形狀溝槽及牆的態樣。本發明之超音波微米精度加工成型裝置10，藉由初始設計即計算成型頭或刀具13微結構震盪模式及共振頻率，製作各種不同態樣之具微米尺寸及微米精度結構之成型頭或微米刀具陣列，並由振動頻譜檢測設備檢測其實際頻率、模態，變形量是否在要求範圍內，不但可以使超音波加工對工件的各式複雜形狀及樣態達到微米級精度，並且可做到其他加工模式無法做到的特殊成型形狀。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

13‧‧‧刀具

20‧‧‧變幅桿

210‧‧‧第一截面

220‧‧‧第二截面

230‧‧‧第三截面

Claims (6)

1. 一種超音波微米精度加工成型裝置，其包括：一超音波產生模組，用以提供超音波頻率震盪；一刀具，其設置於該超音波產生模組下方，並具有一微米級精度結構；以及一變幅桿，其設置於該超音波產生模組及該刀具之間，並接收該超音波產生模組的超音波頻率震盪，其中該超音波頻率震盪的振幅係大於或等於該變幅桿的振幅，並且該變幅桿具有一第一截面及一第二截面，該第一截面及該第二截面皆垂直於該變幅桿且彼此平行，該第一截面係位於該變幅桿與該刀具的接合處，而該第二截面與該刀具的距離大於該第一截面與該刀具的距離，該第一截面的面積大於該第二截面的面積，其中該變幅桿具有一X軸、一Y軸及一Z軸，該Z軸係垂直於該第一截面，而該X軸、該Y軸及該Z軸三者中任兩者係相互垂直，該變幅桿接收該超音波產生模組的超音波頻率震盪後，該變幅桿在該X軸方向產生一第一形變量，該變幅桿在該Y軸方向產生一第二形變量，該變幅桿在該Z軸方向產生一第三形變量，該第一形變量除以該第三形變量的值大於0%且小於1%，該第二形變量除以該第三形變量的值大於0%且小於1%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波微米精度加工成型裝置，其中該變幅桿具有一第三截面，其平行於該第一截面及該第二截面，該第三截面與該刀具的距離大於該第二截面與該刀具的距離，其中該第三截面的面積係大於或等於該第二截面的面積。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波微米精度加工成型裝置，其中該變幅 桿具有一第四截面，其平行於該第一截面及該第二截面，該第四截面與該刀具的距離大於該第二截面與該刀具的距離，其中該第四截面的面積係小於該第二截面的面積。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波微米精度加工成型裝置，其中該超音波產生模組具有一超音波控制箱及一換能器，該超音波控制箱提供該換能器電能及振動模態，而該換能器接收電能及振動模態後產生超音波頻率震盪至該變幅桿。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波微米精度加工成型裝置，其中該變幅桿的材料係選自不鏽鋼、模具鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金所構成之群組。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波微米精度加工成型裝置，其中該變幅桿的該第一截面具有複數個點，每一該點在該Z軸方向產生該第三形變量，計算該些第三形變量的一標準差，該標準差除以該些第三形變量的平均值大於0%且小於1%。