【行业资讯】超声波切割应用技术

针对近年来航空航天、汽车、3C等行业涉及到的难加工材料、蜂窝复合材料、软体材料、太阳能基体材料等加工难题，超声波振动切削装置能改善零超声振动切削技术，是把超声波振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术，是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。主要包含超声ELID复合高效镜面磨削装备、空间椭圆超声超精密车削装备、超声频-低频复合振动钻削装备、齿轮齿根/齿面超声振动强化装备、超声系列刀柄及超声刀具等，实现难加工零件高品质加工。

在对玻璃、陶瓷、金属以及树脂等难切削材料进行切割加工时，容易出现以下各种各样的问题

由于发生磨轮刀片磨粒钝化*1、及气孔堵塞*2 等现象，致使加工负荷增大。随着加工负荷变大*3，会进一步增加加工物崩裂及毛刺的形成，导致磨轮刀片发生破损,、异常磨损以及加工物烧伤等不良现象的发生。

*1 磨轮刀片头部的磨粒产生磨损，且表面磨粒发生钝化的现象。在这种状态下，磨轮刀片就难以正常进行加工。

*2 由于在磨轮刀片头部粘附了加工物的切削碎屑及胶膜粘合剂等，致使表面磨粒不能突出的现象。在这种状态下与磨粒钝化一样，磨轮刀片就难以正常进行加工。

*3 使用较细的磨粒或提高进刀速度，会导致加工负荷上升。通过观察主轴电流值的变化，可确认加工负荷是否在上升。

由于该类型磨轮刀片的适用范围受到限制，因此在选择结合剂时，为防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，工艺上要求磨轮刀片产生适度的损耗，所以使用树脂类以外的结合剂会比较困难。另外，在选择磨粒尺寸时，也需要采用尺寸较大的#320～#600磨粒。

为了解决在难切削材料加工过程中出现的如上所述的问题，本公司开发出作为其解决方案之一的超声波切割技术。

超声波切割加工原理

采用超声波技术进行切割加工时，将安装在主轴后方的超声波振动器所产生的前后振动，经过主轴及磨轮刀片的基台传递到磨轮刀片的外圆部分，并转换成半径方向上的膨胀运动。通过这种振动转换方式，能够获得超声波加工所需要的理想的振动方向。

图1.超声波振动发生的原理

通过超声波的作用使磨轮刀片在半径方向上产生瞬间的伸缩式振动，就能在非常短的时间内，使磨粒与加工物之间在高加速度状态下反复进行碰撞。（图2）其结果是一边使加工物表面产生微小的破碎层，一边对其进行加工，因此能大幅度地降低磨轮刀片的加工负荷。另外，由于超声波的振动，致使磨轮刀片与加工物之间产生间隙，从而大大改善了磨粒的冷却效果，并且通过防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，能够提高加工物的加工质量，并延长磨轮刀片的使用寿命。（图4、5）

图2.超声波切割加工原理

图3.比较在加工钠玻璃时的主轴电流值

[加工条件]

加工物:钠玻璃 厚度为 1mm

主轴转速: 12000 rpm

进刀量: 0.5 mm

超声波OFF

由于磨轮刀片的头部被磨削，使表面磨粒无法突出，从而导致磨粒钝化现象的发生。

超声波ON

在超声波ON的状态下，能够保持表面磨粒突出在外。

图4、5.防止磨粒钝化的效果

超声波切割的优点

通过减少加工负荷，改善磨粒的冷却状况，能够获得良好的效果。

1.原来因磨轮刀片发生破损而无法使用的磨粒细度为#2000左右的电铸结合剂磨轮刀片也能够对玻璃、石英、陶瓷等脆性材料实施切割加工。其结果可大幅度地改善加工质量。另外，采用与原来尺寸相同的磨粒实施加工时，由于加工负荷得到了降低，所以也能够使进给速度得到大幅度的提高。（图6、7）

图6.比较在加工石英玻璃时的进给速度

[加工条件]

加工物:石英玻璃 厚度为300μm

磨轮刀片: ＃2000电铸型

主轴转速: 12000 rpm

超声波OFF

进给速度: 1 ㎜/sec(超声波OFF)※磨轮刀片发生破损

超声波ON

进给速度: 6㎜/sec(超声波ON)

2.在加工树脂和金属等韧性材料时，由于磨粒的冷却效果和超声波的作用，也能够抑制切削碎屑粘附在磨轮刀片的头部，从而能防止因气孔堵塞而导致加工不良现象的发生（毛刺增大）。

超声波OFF

进给速度: 20㎜/sec(超声波OFF)

超声波ON

进给速度: 20㎜/sec(超声波ON)

图7.加工QFN时产生的电极毛刺

[加工条件]

加工物: QFN (全金属)

磨轮刀片: #360电铸型

主轴转速: 12000rpm

进给速度: 20㎜/sec

3.由于能采用强度虽然较高，但容易发生磨粒钝化及气孔堵塞的电铸类结合剂，并且还可选择尺寸较小的磨粒，所以能减小磨轮刀片的厚度,从而提高了材料的成品率。