前言
鎢鋼材料被廣泛應用在許多產業，包括模具加工、金屬加工、電子零件、精密零件等。鎢鋼材料的內螺紋孔特徵，多出現在沖床沖壓模具，以及精密模具零件的量產產線上。然而，鎢鋼材料本身的高硬度、耐磨耗等優良特性，同時也成為它難以加工的痛點。讓我們來深入了解超音波如何輔助鎢鋼內螺紋孔特徵的加工吧！
首要任務：了解鎢鋼材料特性
鎢鋼（Tungsten Carbide），主要由碳化鎢（WC）及鈷（Co）所構成的硬質合金。鎢鋼可以說是最硬、最耐磨的金屬之一，其硬度及密度約為鋼鐵（steel）的二至三倍。鎢鋼具有高硬度、耐磨耗、耐熱及耐腐蝕等優良性能，尤其是它的高硬度和耐磨耗。鎢鋼的莫氏硬度約為8.5～9，且鎢鋼的材料特性使它即使處在高溫險峻的環境下，材料也不易氧化變質。
圖1. 鎢鋼材料塊材示意圖
鎢鋼材料的高硬度及耐熱性使其被廣泛應用在許多產業，例如金屬加工、鎢鋼模具、採礦業的磨耗零件、金屬成形刀具、鋸片的切割刀片、電子產業等。其中鎢鋼在精密機械產業應用在許多產品，最常被用作切削刀具的材料；另外，高硬度、耐磨耗的材料特性也讓鎢鋼經常被用來製作適用於高速高溫環境下的高性能磨耗零件。
鎖定問題：鎢鋼內螺紋孔加工困難點
鎢鋼的高硬度使其極度難以加工。具備高硬度的材料通常也較脆，因此鎢鋼的硬脆性使其在加工過程中，容易產生脆裂、崩裂。一般來說，難以使用傳統的加工手法來加工鎢鋼材料。雖然可以使用一些特殊的刀具，如PCD 、CBN 以及陶瓷刀具來進行鎢鋼加工，但這些刀具很容易就因為磨耗而變鈍。
圖2. 金屬材料內螺紋孔加工示意圖
鎢鋼材料的內螺紋孔加工，加工困難度更是往上一層樓。過去針對鎢鋼材料的內螺紋孔加工，多使用放電加工的方式來進行。放電加工主要針對電極施以電壓，促成快速變化的電流放電產生火花，將被加工件融化切割、成型，放電持續進行中的溫度約1600℃以上，屬於熱能加工。
圖3. 放電加工設備示意圖
一般而言，無論加工何種材料，被加工件的表面會有一層變質產生。這樣的變質層又可稱為放電白層，也就是高溫融化後再凝固層，此變質層的硬度會比原材料硬度來得高，而且會使材料表面粗糙度增加，容易有氣孔、裂紋的產生，對產品使用壽命造成嚴重的影響。因此去除放電白層是必要的工序，以確保工件品質。由此可見，使用放電加工鎢鋼材料需進行多道工序（包括粗放電、精放電、CNC研磨等），並橫跨多台不同機台，工序複雜且耗時。
圖4. 螺紋切削刀具
在一般情況下，使用CNC機台來加工鎢鋼材料做內螺紋孔特徵，除了機台本身的精度難以控制之外，因為鎢鋼為高硬度材料，在切削阻力無法適當控制的情況下，小直徑內螺牙刀的刀具剛性受到挑戰；且加工的空間及角度受到限制，除了工序耗時之外，也很難確保工件的品質。這對於許多加工業者而言，在時間和人力資源上，都不符合成本效益。
對症下藥：漢鼎超音波輔助鎢鋼內螺紋孔加工
漢鼎的超音波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，每秒超過20,000次的縱向微振動。這樣的機制可有效降低切削力，並且幫助排屑過程更順暢。
圖5. 漢鼎超音波加工技術帶來高頻縱向振動輔助排屑過程
超音波高頻率振動不僅能能減少刀具和工件之間的摩擦力，還能有機會提升進給率。如此一來，大幅提升了工件的品質以及刀具壽命的穩定性；進給率的提高也進而節省了加工時間，有效提升加工效率。在提升加工效率的同時，切削力的控制與降低，也能夠有效在內螺牙刀直徑較小、剛性較弱的狀態下，維持內螺紋孔的精度，使工件能在最短的時間內完成加工，且符合客戶針對品質的標準。
圖6. 漢鼎超音波加工技術幫助降低切削力, 帶來更穩定的刀具壽命
排屑過程變得順暢能同時減少過量的切屑在刀具和工件上產生摩擦。漢鼎超音波輔助加工帶來的高頻率微振動，除了能更容易斷屑以降低纏屑發生的情況之外，高速振動下的快速提刀、下刀，也讓切削液更容易進入工件，達到有效的潤滑。這也為工件品質及刀具壽命的穩定性帶來很大的助益。
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漢鼎超音波成功案例分享：鎢鋼內螺紋孔加工
鎢鋼展件：內螺紋孔與外形研磨加工
圖7. 鎢鋼內螺紋孔與外形研磨工件
漢鼎在一塊50x70x10mm的鎢鋼塊材上進行內螺紋孔（M10x1.5P）以及外形研磨（h形狀）的加工。使用漢鼎的HSKA63超音波刀把，並整合中心出水、自動換刀及CNC自動化系統。相較於傳統放電加工須耗費超過12小時，漢鼎僅花不到5個小時完成整個加工過程。
圖8. 漢鼎超音波高效輔助鎢鋼高精度內螺紋孔加工
其中針對內螺紋孔特徵，將漢鼎超音波輔助加工技術置入CNC機台，全程僅在CNC機台上進行加工，1個小時內（約52分鐘）即可完成加工，相較於傳統放電加工需經過粗放電、精放電、CNC研磨等多道工序，耗費將近6個小時才能完成內螺紋孔特徵的加工。
經推估，加入超音波技術之後的加工參數仍可再進一步優化，在維持工件高精度品質的情況下，內螺紋孔特徵的加工工時有機會降低至35分鐘左右完成，加工效率有望提升超過30%。
這個特徵被廣泛應用在精密機械產業與電子產業，特別是用作鎢鋼精密沖壓模具及沖棒。
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鎢鋼加工常見問題
Q1 如何確定一般用來加工鎢鋼的刀具是否適用於漢鼎超音波加工模組系統呢？
A1 漢鼎超音波加工模組能根據客戶端適用的刀具，自動掃描到刀具適用的頻率（標準頻率範圍20 – 32kHz）。系統也可以依據客戶端使用的特殊刀具，針對掃頻範圍作適當的調整。多年來，已獲得大多數客戶端實際的加工應用驗證，一般加工廠常用的刀具皆適用漢鼎超音波加工模組系統。
圖9. 漢鼎超音波加工驅動模組
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Q2 欲使用漢鼎超音波加工模組系統進行鎢鋼加工時，如何適當地調整進給率及超音波振幅等加工參數呢？
A2 漢鼎擁有堅強的研發與技術團隊，期望提供客戶所需服務，並幫助客戶克服加工鎢鋼時的痛點。針對技術服務，其中包括提供優化後的加工參數及其他相關服務，來確保客戶端在使用漢鼎超音波輔助加工產品時，能獲得最佳的使用體驗。讓客戶了解到，這不僅僅是購買一項產品，更重要的是合作間知識、技術的交流。
圖10. 漢鼎超音波加工刀把
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參考資料
1. AZO Materials - What is Tungsten Carbide or Hard Metal?
2. A.L.M.T. Corp. SUMITOMO ELECTRIC GROUP - Characteristics of tungsten carbide
3. Premium Machining Co. - Machining of Tungsten Carbide
4. 放電加工表面品質之金相檢測分析