1、迴轉(zhuǎn)式超音波鑽削之研究1郭桂林 2曹中丞 1蕭國忠1臺北科技大學(xué)車輛工程系,臺北市忠孝東路3段1號 , e-mail: .tw2大華技術(shù)學(xué)院自動化工程系, 新竹縣芎林鄉(xiāng)大華路1號, e-mail: .tw摘要迴轉(zhuǎn)式超音波加工之材料移除機(jī)制，除了衝擊移除機(jī)制外，還有磨削及滾削二種材料移除機(jī)制。相較於固定式超音波加工，迴轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)。本研究之目的係利用超音波加工之原理與特性，以迴轉(zhuǎn)式超音波鑽孔機(jī)進(jìn)行陶瓷煞車片鑽削加工之研究。並探討其加工參數(shù)於材料移除率、孔徑誤差與圓孔面粗度之關(guān)聯(lián)

2、性。關(guān)鍵字: 超音波鑽削，材料移除機(jī)制，迴轉(zhuǎn)式 1. 前言隨著近來原油價(jià)格的飆漲，其意謂高油價(jià)的時(shí)代已經(jīng)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(diǎn)，加上其成分具有石綿，因此大部份已開發(fā)國家都已禁止這類產(chǎn)品進(jìn)口。取而代之的汽車煞車碟片，是以陶瓷材料所製成，其優(yōu)點(diǎn)是耐高溫、耐磨耗與耐腐蝕。然一種經(jīng)由碳纖維強(qiáng)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(jī)械性質(zhì)，其不僅重量較傳統(tǒng)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(dá)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(tǒng)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(fā)生出、入口的脫層及毛邊現(xiàn)象，如圖1所示，常令加工業(yè)者頭痛不已，但已有不少學(xué)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(zhuǎn)式超音波加工方式，進(jìn)行汽車陶瓷煞車片鑽孔加工，以瞭解迴轉(zhuǎn)式超音波加工品質(zhì)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(shù)間之關(guān)聯(lián)性。2. 實(shí)驗(yàn)試片與設(shè)備2.1試片分析利用日本電子光學(xué)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(jìn)行工件的內(nèi)含元素成份分析。本實(shí)驗(yàn)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(jié)果，如圖2 圖4所示。試片一經(jīng)EDS分析後，銅元素成份約為13.5 %。因銅的熱傳導(dǎo)性佳，可增加煞車片的散熱效果。在400 500 °F時(shí)，添加氧化銅會有較佳之制動效果。試片二經(jīng)EDS分析結(jié)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(zhàn)煞車材料的20 %，鋯石形成之鋅元素含量約為13.8 % 。試片三經(jīng)EDS分析後，鎂元素含量高達(dá)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(shí)驗(yàn)設(shè)置與方法將欲鑽孔之工件放置在承載平臺上，鑽孔時(shí)，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(bǔ)償系統(tǒng)，來自動偵測超音波振盪工具頭之共振點(diǎn)，再調(diào)整Z軸迴轉(zhuǎn)速度鈕至設(shè)定的迴轉(zhuǎn)速率。將超音波振盪工具頭接觸於工件表面，經(jīng)由高速但輕微的撞擊於工件表面，來加工工件。有關(guān)迴轉(zhuǎn)式超音波鑽孔機(jī)機(jī)臺及控制元件配置，如圖5所示。本實(shí)驗(yàn)所用之加工參數(shù)，如表1所示。選用L16(215)直交表，以找出迴轉(zhuǎn)式超音波鑽孔機(jī)於鑽削陶瓷基複合材料

6、時(shí)，各因子對孔徑誤差、圓孔面粗度及材料移除率之影響，進(jìn)而評估迴轉(zhuǎn)式超音波加工於陶瓷基複合材料之鑽孔優(yōu)缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)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(xué)變焦與2.5倍數(shù)位變焦拍立得相機(jī)，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(jié)果與討論3.1材料移除率變異數(shù)分析試片一試片三材料移除率之實(shí)驗(yàn)結(jié)果與變異數(shù)分析，如表2表5所示。從表3與表5結(jié)果顯示，進(jìn)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(jié)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(jìn)給速率，其他二因子影響較不明顯。3.2孔徑誤差變異數(shù)分析試片一試片三孔徑誤差之實(shí)驗(yàn)結(jié)果與變異數(shù)分析，如表6表9所示。從三種試片之分析結(jié)果得知，造成孔徑誤差之原因，皆與磨粒粒徑大小有關(guān)。因此在粒徑選擇及工具頭設(shè)計(jì)時(shí)，萬不可忽略。此外，由圖6觀察迴轉(zhuǎn)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(xiàn)象，相較傳統(tǒng)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(fā)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(jī)制有被吸收降低，造成出口處之毛邊情形產(chǎn)生。同時(shí)，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(chǎn)生，且出口處亦無脫層現(xiàn)象。雖然其出口處仍略有毛邊情形產(chǎn)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(xiàn)象發(fā)生。究其原因，試片三填充材纖維狀白雲(yún)石非常細(xì)小，其纖維長度約10m左右，如圖9所示。故超音波鑽孔時(shí)，孔緣周圍之纖維影響較小，且從EDS分析結(jié)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(shù)分析試片一試片三圓孔面粗度之實(shí)驗(yàn)結(jié)果與變異數(shù)分析，如表10表13所示。從其分析結(jié)果顯示，

9、粒徑大小與進(jìn)給速率對圓孔面粗度影響最為顯著，其次則為迴轉(zhuǎn)速率。此三個加工因子，在實(shí)際加工過程中，具有其實(shí)質(zhì)的意義。而加工靜壓力對圓孔面粗度則無明顯之關(guān)係。4. 結(jié)論1. 利用超音波於陶瓷基複合材料煞車片鑽孔確實(shí)可行。然工件之性質(zhì)(如強(qiáng)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(jié)果顯示，進(jìn)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(jié)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(jìn)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(guān)。因此在粒徑選擇及工具頭設(shè)計(jì)時(shí)，萬不可忽略。4. 粒徑大小與進(jìn)給速率對圓孔

10、面粗度影響最為顯著，其次則為迴轉(zhuǎn)速率。而加工靜壓力對圓孔面粗度則無明顯之關(guān)係。參考文獻(xiàn)1石育賢，陶瓷煞車片之產(chǎn)業(yè)評析，工業(yè)技術(shù)研究院經(jīng)貿(mào)中心之產(chǎn)業(yè)分析報(bào)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(xué)會研討會，臺南縣，崑山科技大學(xué)，(2003)。3潘孝得，深孔鑽削技術(shù)，機(jī)械工業(yè)雜誌，頁160-171，1993。4賀陳弘，蒲宏彥與姚國慶，碳纖維強(qiáng)化塑膠複合材料之鑽孔探討，機(jī)械工業(yè)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(jīng)費(fèi)補(bǔ)助(NSC 93-2212-E-027-022)，使本實(shí)驗(yàn)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，