2025年10月30日

帶您了解什麼是超音波輔助加工？

超音波輔助加工原理

超音波輔助加工是一種非常規的減材加工製程，它利用高頻率微振動的能量從工件上移除材料。一般而言，超音波電能透過換能器傳輸至切削刀具，賦予刀具高頻率的微振動，超音波振動範圍通常超過20kHz（每秒超過20,000次振盪），以協助銑削、鑽孔與磨削加工。

超音波輔助加工多用於先進材料的加工，其效益在於硬脆或難切削材料（如精密陶瓷 Al₂O₃／氧化鋁、ZrO₂／氧化鋯、SiC／碳化矽、石英玻璃）、光學玻璃、碳化鎢／鎢鋼、硬鋼、模具鋼、耐熱合金（如Ti-6Al-4V／鈦合金、Inconel 718／鎳基合金）等方面特別顯著。

超音波加工材料去除的加工原理, 資料來源 : Precise Drilling of Holes in Alumina Ceramic (Al2O3) by Rotary Ultrasonic Drilling and its Parameter Optimization using MOGA-II

(圖1. 超音波加工材料去除的加工原理, 資料來源 : Precise Drilling of Holes in Alumina Ceramic (Al2O3) by Rotary Ultrasonic Drilling and its Parameter Optimization using MOGA-II)

高頻微振動如同連續的「錘擊」動作，在工件內部產生微裂縫。工件表面接連受到切削刀具的微振打擊，累積應力至一定程度即形成微裂縫。這些微裂縫的生成使材料更容易從工件分離。

因此，超音波輔助加工常用於加工微結構特徵，如微鑽孔（了解更多：超音波輔助微鑽孔加工－SiC碳化矽陶瓷）、深鑽孔（了解更多：超音波輔助深鑽孔加工－S45C中碳鋼）、銑削微型內螺紋（了解更多：超音波輔助M2內螺紋銑削加工－Al2O3氧化鋁陶瓷）、或高深寬比開槽銑削（了解更多：超音波輔助全開槽銑削加工－SCM440鉻鉬合金鋼）。

(圖2. 漢鼎超音波輔助加工模組, 作為先進材料加工的製程解決方案)

漢鼎超音波加工模組的獨特設計與尖端技術

漢鼎超音波加工模組：產品資訊

[一套超音波加工模組]

(圖3. 漢鼎超音波輔助加工模組刀把產品系列)

一套超音波加工模組包含：

超音波驅動器
超音波刀把（HBT、HSK、CAT 系列）
功率傳輸器
外接控制盒

1) 超音波驅動器 — 用於產生超音波電能並自動偵測切削刀具的適當共振頻率。客戶可依加工目標材料，透過功率等級百分比調整超音波振幅。

(圖4. 漢鼎超音波輔助加工模組 - 超音波驅動器)

2) 超音波刀把 — 漢鼎提供主流規格：HBT、HSK、CAT 系列，可與多數CNC加工中心的主軸型式兼容。

(圖5. 漢鼎超音波輔助加工模組 - 超音波刀把系列)

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3) 功率傳輸器 — 安裝在超音波刀把旁，用於傳輸超音波電能至刀把產生微幅振動。兩者之間須保持0.5mm的空隙（為「非接觸式」超音波電能傳輸技術）。

(圖6. 漢鼎超音波輔助加工模組 - 超音波功率傳輸器)

(圖7. 使用漢鼎超音波輔助加工模組的實際加工過程)

4) 外接控制盒 — 與超音波驅動器介面相同。驅動器一般會安裝在工具機的電控箱內，加工人員可透過此面板控制驅動器。

(圖8. 漢鼎超音波輔助加工模組 - 外接控制盒)

[超音波模組與機台整合示意]

(圖9. 漢鼎超音波輔助加工模組安裝與機台整合示意圖)

以下為功率傳輸器與刀把安裝位置說明。

(圖10. 漢鼎超音波刀把與功率傳輸器配合安裝示意圖)

漢鼎超音波加工模組：尖端技術

[非接觸式超音波電能傳輸]

從換能器（velocity transformer／transducer）到切削刀具的超音波電能傳輸方式，各品牌有所不同。漢鼎超音波刀把採用獨特的「非接觸式（無線）超音波電能傳輸技術」，內建壓電元件於刀把中，協助傳輸超音波電能至刀把，並使切削刀具產生高頻率（20～32kHz）微振動。

(圖11. 漢鼎開發的獨特非接觸／無線超音波電能傳輸技術)

超音波功率傳輸器與刀把之間須維持0.5mm的空氣間隙。此設計省去傳統超音波加工產品中，須定期更換碳刷與導電滑環的需求，不僅降低生產成本，亦避免限制主軸轉速提升。

[自動頻率偵測與彈性振幅調整]

超音波驅動器不僅用於產生超音波電能（輸出），還具備透過自動頻率掃描與頻率鎖定功能來偵測並搜尋切削刀具的適當共振頻率（輸入）。由於不同切削刀具具有不同幾何形狀與台金材質，共振頻率不盡相同。超音波驅動器的功能即是在加工過程中持續定位適當共振頻率，確保輸出-輸入之間的穩定互動。

(圖12. 漢鼎超音波驅動器所偵測的切削刀具對應共振頻率顯示)

客戶可透過驅動器上的「Power Level」旋鈕（0%至100%）調整超音波振幅，藉此調整切削刀具在軸向（Z 軸方向）的振動強度。振動強度因加工材料不同而異；例如加工硬鋼或超硬合金時，通常將功率百分比設定在80%～100%區間，因為這些材料需要較強的撞擊力來協助切削。

(圖13. 透過驅動器上的Power Level旋鈕可調整超音波振幅)

[模組系統的簡易安裝]

此技術以模組形式包裝，而非整機配置，因此可輕鬆整合至現有CNC加工中心機台。該模組可視為CNC機台的升級方案，具備更靈活的空間運用、更低的能耗以及更划算的投資選項。

漢鼎超音波加工模組的生產優勢

以下說明漢鼎超音波輔助加工為加工產線帶來的三大優勢。
⚠️依不同加工製程與用途，其中一兩項優勢可能較為突出。

更高的加工效率

如前所述，超音波輔助加工透過切削刀具持續以高頻微振擊打工件，在材料內部產生微尺度裂縫。微裂縫促使材料更易從工件被移除，進而提升材料移除率（MRR，Material Removal Rate）。在相同時間內移除更多材料代表總加工時間變短，從而提升加工效率。

更長的刀具壽命

在傳統加工中，面對先進材料時，尤其是高硬度或具特定材料特性而產生長而纏結的切屑時，通常會產生高切削阻力與切削熱。此外，先進材料部件往往對品質有嚴格要求，可能需使用專用或高階的切削刀具。高切削阻力與切削熱容易加速刀具磨損，導致生產成本提高。

採用漢鼎超音波輔助加工技術後，刀具在軸向（Z 軸方向）上的微振動使刀具在加工時抬離工件，形成間歇性接觸。這改善了切削液的流入、促進切屑及切削熱的排出，同時減少切削阻力。切削阻力與切削熱的降低，進而有助於刀具壽命的穩定與延長。

(圖14. 使用漢鼎超音波後, 切屑形態明顯較無超音波情況小且利於排除)

(圖15. 使用漢鼎超音波後, 陶瓷粉塵排出更佳, 刀具不易填塞積屑, 磨損大幅減少)

更佳的工件品質

在先進材料加工中，工件品質（如孔品質或表面品質）通常是客戶下單的關鍵決定因素。

超音波加工技術最顯著的效益可見於鑽孔品質：切削阻力降低後，尤其在鑽削脆性材料微孔時，脆裂邊（Edge-cracks）尺寸可大幅縮小。

(圖16. 使用漢鼎超音波後, 玻璃材料微鑽孔出孔處脆裂邊顯著縮小)

另一項顯著優勢是表面品質的改善，表現在更低的表面粗糙度（Surface Roughness）與刀痕的去除。切削阻力與切削熱降低使刀具磨損減少，進而降低刀具與工件間的摩擦。

(圖17. 使用漢鼎超音波後, 表面粗糙度降低且刀痕減輕)

在維持優異工件品質與穩定刀具壽命的前提下，加工參數可進一步優化以達成更高的加工效率。綜合來看，漢鼎超音波加工模組並非仰賴魔術戲法，而是一套為先進材料加工製程提供優化解決方案，旨在提供升級製程的專業技術。

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超音波輔助加工原理