超音波輔助加工技術：開創CMC陶瓷基複合材料高效製造新時代

2025年11月18日


 

 超音波輔助加工技術：開創CMC陶瓷基複合材料高效製造新時代 



陶瓷基複合材料（CMCs, Ceramic Matrix Composites）以高強度、耐高溫與優異耐磨特性著稱，廣泛應用於航太、賽車及汽車產業。然而，這些特性同時也使其加工難度極高。傳統磨削與鑽孔製程常面臨高切削阻力、工具磨耗快、裂紋生成多與加工效率低等問題。

為解決這一問題，漢鼎智慧科技（HIT）推出超音波輔助加工技術，成功在碳纖陶瓷煞車碟盤（CCB）上展現突破性成果：
  • 材料移除率（MRR）提升 3.3倍
  • 砂輪壽命延長 3倍
  • 鑽孔週期縮短 5倍
  • 孔脆裂尺寸降至 ≤0.1mm
  • 刀具壽命延長 4倍
 

 

【為何陶瓷基複合材料（CMCs）難以加工？】

 

🔘 哪些材料特性導致崩角、毛邊與高熱問題？

 

低斷裂韌性與缺乏塑性變形

陶瓷基複合材料（CMCs）的脆性使得裂縫容易從微小缺陷處擴散，而非形成連續切屑，導致加工面不穩定、邊緣易崩。

跑車用碳纖陶瓷煞車碟盤局部結構
(圖1. 跑車用碳纖陶瓷煞車碟盤局部結構)
 

高硬度與磨蝕陶瓷性相

如SiC、Al₂O₃等陶瓷相極具磨耗性，造成刀具快速磨損與切削熱集中。
 

非均質與異向性結構

纖維增強結構造成切削力波動大、界面剝離，導致切邊模糊、毛邊增生。
 

熱傳導性低易集中切削熱

加工時，切削熱能集中在刀具與工件接觸區，易導致過熱與材料毀損。
 

氧化敏感性

高溫下，碳纖維基相容易氧化脆化，使韌性進一步下降並導致材料邊緣崩裂。


 

🔘 傳統加工方式的限制

 

磨削製程：加工時間長、高切削熱導致砂輪嚴重磨耗

由於陶瓷材料極硬且具磨蝕性，鑽石磨粒易鈍化並脫落，導致磨削速率必須維持在低切深與低進給條件下，以避免脆裂與過熱。然而材料硬度造成加工時高切削熱生成，加上砂輪迅速磨耗與頻繁修整，使得材料移除率低、砂輪消耗高。

 

鑽孔製程：加工時間長、孔品質差、刀具嚴重磨耗

CMC鑽孔通常耗時長且易產生邊緣裂紋，因為其高硬度與非均質結構使刀刃長時間接觸硬磨料，刀具的鑽石塗層迅速剝落。為避免鑽孔崩邊，往往必須犧牲加工效率，進一步延長週期時間。
 
 

【HIT超音波技術的創新解決方案】

 

🔘 超音波輔助磨削機制


HIT超音波加工模組在磨削過程中提供砂輪每秒超過20,000次的軸向高頻微振動，使砂輪與工件週期性分離與撞擊，將傳統的連續摩擦轉化為微衝擊除料模式，大幅提升材料移除效率。此外，這種週期性分離能促進切削液進入加工區（刀具與工件接觸介面），實現砂輪冷卻降溫與高效排除切屑。

HIT超音波輔助磨削技術在碳纖陶瓷煞車碟盤CCB加工應用
(圖2. HIT超音波輔助磨削技術在碳纖陶瓷煞車碟盤CCB加工應用)


 

🔘 超音波輔助鑽孔機制


在鑽孔中，超音波的微衝擊切削促進脆性材料內部產生微裂紋，使材料去除過程更受控。短接觸時間與低摩擦熱可防止孔口崩邊，同時讓切削液能更容易流入加工區域，有效提升整體鑽孔品質。

 
 

【HIT超音波輔助加工陶瓷基複合材料（CMCs）成功案例】

 

🔘 HIT超音波輔助陶瓷基複合材料CMC磨削加工

 
表A. 超音波磨削CMC：加工資訊
  材料   碳纖陶瓷煞車碟盤（C/SiC）
  加工特徵   平面磨削（粗加工）
  使用刀把   HBT-40-W01 超音波砂輪刀把
  使用砂輪            #80 Φ120mm 電著鑽石砂輪            
 
 

碳纖陶瓷煞車碟盤 (CCB) : 平面磨削加工條件

 
表B. 加工參數（傳統 vs. 超音波）
   主軸轉速 
(S: rpm)		  進給率 
(mm/min)		   徑向切深  
(Ae: mm)		   軸向切深  
(Ap: mm)		  超音波功率 
(%)
 HIT 超音波  5,952  1,200  20 0.020 100
原製程 900 0.008 -
 
 
  • HIT超音波為砂輪提供高頻微振動，加工時砂輪與工件間歇性撞擊，創造出冷卻與切屑排出的空間，有效降低磨削阻力。
  • 磨削阻力的降低使得進給率與切深可增加，每次加工能達到更高效率，最終達成3.3倍材料移除率提升（MRR）。同時，改善砂輪冷卻與排屑機制使砂輪壽命延長3倍。
 
 

碳纖陶瓷煞車碟盤 (CCB) : 平面磨削加工結果

 
表C. 加工成果 — 超音波技術帶來更高MRR與更長砂輪壽命
   材料移除率 
(mm3/min)		 砂輪壽命
 (完成工件數/每顆砂輪) 
 HIT 超音波  480 3
原製程 144 1


HIT超音波磨削使碳纖陶瓷煞車碟盤CCB的材料移除率提升3.3倍
(圖3. HIT超音波磨削使碳纖陶瓷煞車碟盤CCB的材料移除率提升3.3倍)


HIT超音波磨削使砂輪壽命延長3倍
(圖4. HIT超音波磨削使砂輪壽命延長3倍)


🧠 了解更多案例報告：碳纖陶瓷煞車碟盤（CCB）平面磨削加工




🔘 HIT超音波輔助陶瓷基複合材料CMC鑽孔加工
 
表D. 超音波鑽孔CMC：加工資訊
  材料   碳纖陶瓷煞車碟盤（C/SiC）
  加工特徵   Φ5 x 5mm (盲孔)  *徑深比 1:1         
  使用刀把     HBT-40 超音波刀把
  使用刀具        Φ5mm 鑽石鑽頭
 
 

碳纖陶瓷煞車碟盤 (CCB) : 鑽孔加工條件

 
表E. 加工參數（傳統 vs. 超音波）
  主軸轉速
(S: rpm)		 進給率
 (mm/min) 		 Q值-啄鑽量
(mm)		  軸向切深 
(Ap: mm)		 超音波功率
(%)
 HIT 超音波   4,000~6,500  2~8  0.16~1.00  2.5~5 50
原製程 4,000 1 0.04 5 -
 
 
  • 在HIT超音波加工過程中，刀具間歇性撞擊工件，創造刀具冷卻與切屑排出的空間，有效降低鑽削阻力。
  • 鑽削阻力的降低使加工參數可進一步優化，單孔加工時間較原製程縮短5倍，達到更高加工效率。
  • 刀具與工件的撞擊頻率更高但力道更輕，孔邊緣脆裂尺寸明顯縮小，鑽孔品質提升5倍。
  • 相較於未使用超音波的加工，在相同參數下，單支鑽頭完成的孔數增加，刀具壽命延長4倍。
 
 

碳纖陶瓷煞車碟盤 (CCB) : 鑽孔加工結果

 
表F. 加工成果 — 超音波技術帶來更高效率、更佳孔品質與更長刀具壽命
  加工時間
 (分鐘/每孔) 		  孔脆裂邊尺寸 
(mm)		  完成鑽孔數量 
(孔數/每支鑽頭)
 HIT 超音波  3 0.1 12
原製程 15 0.5 3


HIT超音波鑽孔使加工效率提升5倍
(圖5. HIT超音波鑽孔使加工效率提升5倍)


HIT超音波鑽孔使孔品質提升5倍
(圖6. HIT超音波鑽孔使孔品質提升5倍)


HIT超音波鑽孔使刀具壽命延長4倍
(圖7. HIT超音波鑽孔使刀具壽命延長4倍)


🧠 了解更多案例報告：碳纖陶瓷煞車碟盤（CCB）鑽孔加工
 
 

【產業應用場域】

 

🔘 汽車與賽車產業：碳纖陶瓷煞車碟盤（CCB, Carbon-Ceramic Brake Disc）


碳纖陶瓷煞車碟盤廣泛應用於賽車產業 - 圖片來源: Gemanis Industries LLC
(圖8. 碳纖陶瓷煞車碟盤廣泛應用於賽車產業 - 圖片來源: Gemanis Industries LLC)


碳纖陶瓷（C/SiC）煞車碟盤因其高剛性、輕量化與卓越耐熱性，廣泛用於GT與耐久賽車。其輕量化結構可改善轉向反應、加快油門響應並維持煞車穩定性。陶瓷基體材料具有極佳抗氧化與耐磨性能，即使在潮濕或混合環境下也能保持穩定表現。不過，這類碟盤需適當預熱與墊片磨合，對衝擊與熱衝擊敏感，且成本相對高昂。


 

🔘 航太產業：飛機結構支架（Aircraft Brackets）


AI生成模擬圖, 顯示航太應用中採用CMC製作的飛機結構支架
(圖9. AI生成模擬圖, 顯示航太應用中採用CMC製作的飛機結構支架)
 

陶瓷基複合材料（CMC）被廣泛用於飛機引擎艙罩、排氣導管與隔熱防護等高溫區域。CMC支架具有低熱膨脹率、優異抗氧化性與高溫剛性，能有效減輕重量並降低緊固件受熱變形負荷。然而，其成本較高、缺口敏感度高、且加工公差要求嚴苛。
 
 

【常見問題（FAQs）】

 

🔘 Q1. 哪種鑽石粒度最適合CMC磨削加工？


建議使用粒度#60～#120的粗粒鑽石砂輪進行大量除料的粗加工。以#80為起點，如需更佳邊緣品質再改用細粒。推薦使用電著鑽石砂輪搭配HIT超音波磨削技術，可降低磨削阻力、改善冷卻與切屑排出，並能進一步優化參數以提升材料移除率。

 

🔘 Q2. 哪種超音波振幅最適合CMC鑽孔？


在CMC鑽孔中，100%超音波功率（約15µm振幅）通常過於強烈，可能導致微崩邊與孔邊緣脆裂。HIT超音波鑽孔技術可實現間歇接觸與斷裂切削，避免過度撞擊，同時保持低鑽削阻力，減少工件邊緣損傷。建議在碳纖陶瓷煞車碟盤（CCB）鑽孔時使用約50%超音波功率以取得最佳平衡。



💡 了解更多HIT超音波先進材料加工方案（陶瓷、石英玻璃、光學玻璃、複合材料等）

📖 參考資料

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漢鼎智慧科技 Hantop Intelligence Tech.
✨超音波先進材料製程解決方案✨
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