石英玻璃的材料特性与常见应用
石英玻璃材料特性
石英玻璃（Quartz glass），如名字一般，是一种成分只含二氧化硅（SiO2）的特种工业技术玻璃，也经常被称作熔融石英（Fused Silica）。由于石英玻璃膨胀系数低、耐高温，即便在温度剧变的环境下，仍可维持材料的稳定性。且石英玻璃的化学稳定性和电绝缘性良好，对一般酸有较好的耐酸性，即便是浓度极高的酸性化学药物，也不易受到侵蚀。石英玻璃抗压强度高，也因此具备高硬度、易碎等特性。
石英玻璃常见应用
由于石英玻璃具备良好的光穿透特性，不仅限于可见光，从紫外光到红外光范围的波长光，都能表现出良好的穿透性。这样的特性使石英玻璃在光学产业中，作为光纤陀螺仪（fiber optic gyroscope）、棱镜、镜片等的理想材料。另外，石英玻璃的耐热、耐酸、抗压等优良特性，也广泛应用在半导体产业多道制程中，如清洗用的石英清洗槽（quartz cell）、扩散制程的石英管（quartz tube）、刻蚀制程固定用的石英刻蚀环（quartz ring），以及石英坩埚（quartz crucible）等。
图1. 放置矽晶圆片的塑胶制晶舟 (石英晶舟也适用)
如何加工石英玻璃？
石英玻璃：铣削加工
图2. 工业材料铣削加工过程
可使用专门设计来加工陶瓷，且硬脆度类似石英玻璃的高精度CNC铣削加工机来加工石英玻璃。由于石英玻璃自身的硬脆特性，若施加的加工能量超过其强度极限时，容易形成微细裂纹和崩碎缺陷，影响加工工件表面质量，因此很难通过常规方式来加工，且在铣削过程中，须谨慎使用适当的工艺步骤及参数选择。
石英玻璃：切割加工
图3. 使用高压水刀切割工业材料
由于石英玻璃硬脆的特性，需要使用钻石切割刀，且须使用优化后的加工工艺参数来做加工。较常见的石英玻璃切割刀，包括钻石线和线锯、切锯、二氧化碳激光器、水刀等。
石英玻璃：钻孔加工
图4. 在铣床进行工业材料钻孔加工
石英玻璃也可以使用镀钻钻头或钻具做钻孔加工。可利用聚焦透镜直接打小孔，或是使用切割机打大孔。由于材料的硬脆性，造成在打孔时，较不易控制孔内壁光洁度及精度。另外，为了预防刀具磨耗过快，必须在加工过程中，使用适当的冷却系统。
石英玻璃加工难点
石英玻璃加工：加工工件质量的挑战
图5. 次表面裂纹的产生是石英玻璃加工的一大加工难点 (示意图)
虽然石英玻璃有着高抗压强度，它仍属典型的硬脆性材料。表面出现小瑕疵，即可能对整体材料强度造成严重影响。尤其在石英玻璃钻孔加工时，若控制好施加的切削能量，工件很容易产生严重的次表面裂纹（sub-surface damage）或崩碎。另外，在加工石英玻璃时，会产生大量粉尘，容易填塞镀钻钻头缝隙。这不仅会影响刀具寿命的稳定性，也会严重破坏工件钻孔质量。
石英玻璃加工：加工效率的挑战
图6. 为维持好的加工工件质量, 有时难以兼顾加工效率
虽然石英玻璃相对有较良好的加工性质，但其硬脆性仍为加工带来莫大的挑战。在加工石英玻璃时，针对切削力的控制非常重要。若对工件施加过度的切削能量，容易造成材料的碎裂或崩碎，因此经常导致加工过程较为费时。
汉鼎超声波能为石英玻璃加工带来哪些助益呢？
汉鼎的超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，每秒超过20,000次的纵向微振动。这样类似快速啄钻、抬刀的机制应用在钻削上，可帮助刀具掌控定位精度，並有效降低钻削时的扭矩；同时配合中心出水的功能，达到有效润滑、冷却，使钻削过程更容易断屑，排屑过程更顺畅。
图7. 汉鼎超声波加工技术带来高频纵向振动辅助排屑过程
超声波提供刀具的高频纵向振动，其高频率且快速地啄钻下刀、抬刀，能使刀具稳定控制钻孔时孔的位置精度，大幅降低刀具打滑造成扩孔的情况，有效维持加工工件钻孔质量。
另外，超声波提供的高频微振动可有效降低钻削时的推力（thrust force）和扭矩（torque），减少刀具与工件之间的磨擦。另外，钻削时更容易断屑的情况下，能够降低缠屑的发生，切屑形状变小，达到有效延长、稳定刀具寿命。
图8. 汉鼎超声波加工技术帮助降低切削力, 带来更稳定的刀具寿命
这项技术应用在微钻孔以及深钻孔加工占有强大的优势，特别是针对硬脆性的先进材料加工，包括工业陶瓷、石英玻璃、硬质合金等。
图9. 汉鼎超声波加工技术在石英微钻孔与深钻孔加工都得到绝佳的结果
超声波的高频率微振动能够稳定控制切削力，大幅降低次表面裂纹与脆裂的发生。透过有效提升加工效率、加强刀具寿命的稳定性，以及产出更高质量的工件，超声波辅助加工技术提供了一个改善加工过程的解决方案。
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汉鼎成功案例分享：石英玻璃加工
石英玻璃：微钻孔加工
图10. 石英玻璃微钻孔加工工件
汉鼎在一块60x30x20mm的石英玻璃工件上，进行Φ0.3x5.4mm的微钻孔加工。使用汉鼎的HSKE40超声波刀柄，并整合中心出水、自动换刀及CNC自动化系统。汉鼎完成300孔的石英玻璃微钻孔加工，每孔加工时间约40秒以内。配合优化后的加工工艺参数，可有效提升加工效率。在加工工件质量上，也维持良好的精度重复性，且孔壁无显著脆裂或次表面裂纹。
图11. 石英玻璃微钻孔超声波辅助加工过程
这个加工工艺的产品被广泛应用在半导体产业及光学产业，特别用作石英板、石英刻蚀环、石英基板的透镜板等。
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石英玻璃：深钻孔加工
图12. 石英玻璃深钻孔加工工件
汉鼎在一块100x100x30mm的石英玻璃工件上，进行Φ3x65mm的深钻孔加工。使用汉鼎的HSKA63超声波刀柄，并整合中心出水、自动换刀及CNC自动化系统。汉鼎成功将材料去除率（Material Removal Rate，MRR）从原本的65.54 mm3/min，提升至533.64 mm3/min。整体加工效率提升超过85%，钻孔时间从原本每孔加工26分44秒，降低至每孔3分17秒。除了加工效率的改善外，加工工件钻孔质量也合乎客户标准。
图13. 石英玻璃深钻孔超声波辅助加工过程
这个加工工艺的产品被广泛应用在光学产业以及国防航天产业，特别是用作石英镜片、石英反射器镜片、光纤、陀螺仪石英镜片等。
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石英玻璃加工常见问题
Q1 加工石英玻璃时，通常会有大量粉尘的产生。积累的粉尘可能会填塞钻石钻头上颗粒的缝隙，而严重影响刀具寿命及加工工件钻孔质量。汉鼎的超声波加工技术如何处理这样的问题呢？
A1 汉鼎超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，每秒超过20,000次的纵向微振动。这样的机制可有效降低钻削时的推力和扭矩，且汉鼎标准配置的高压中心出水（70bar）能帮助排屑过程更顺畅。汉鼎超声波的高频率微振动可以让切削液更容易进入工件，达到有效冷却与润滑并顺利排出切屑，降低刀具填塞发生率，稳定刀具寿命。
图14. 汉鼎超声波加工驱动模组
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Q2 欲使用汉鼎超声波加工模组系统进行石英玻璃加工时，如何适当调整进给率及超声波振幅等加工工艺参数呢？
A2 汉鼎拥有坚强的研发与技术团队，期望提供客户所需服务，并帮助客户克服加工石英玻璃的难点。针对技术服务，其中包括提供优化后的加工工艺参数及其他相关服务，来确保客户端在使用汉鼎超声波辅助加工产品时，能获得最佳的使用体验。让客户了解到，这不仅是购买一项产品，更重要的是团队合作间知识与技术的交流。
图15. 汉鼎超声波加工刀柄
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參考資料
1. Top-Seiko - Fused silica : Key properties & popular applications
2. AZO Materials - Fused Silica/Quartz Glass : Properties and Applications of Fused Silica/Quartz Glass by Goodfellow Ceramic & Glass Division
3. Heraeus - Properties of fused silica
4. 微孔钻削扭矩特性
5. 石英玻璃种类、用途和工艺
6. 基于材料去除机理的石英玻璃旋转超声端面铣削工艺研究