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。(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。其頻率等相關資訊會顯示於外接控制盒螢幕。(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以及砂輪系列，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)🌟搶先了解最新砂輪系列刀把產品，用於【半導體製程設備部件－石英環、碳化矽晶圓載盤等】大面積除料磨削加工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 — 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。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於外接控制盒螢幕)客戶可透過外接控制盒上的「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. 透過外接控制盒上的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。🔎 了解更多【超音波加工先進材料成功案例】📺【超音波加工先進材料－實際加工影片】搶先看-漢鼎智慧科技 Hantop Intelligence Tech.✨超音波先進材料製程解決方案✨☎️ +886-4-2285-0838📧 sales@hit-tw.com

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。(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。(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 1,200 200.020100原製程9000.008-  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 4803原製程1441(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)(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 2.5~550原製程4,00010.045-  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 30.112原製程150.53(圖5. HIT超音波鑽孔使加工效率提升5倍)(圖6. HIT超音波鑽孔使孔品質提升5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）(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）(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）鋁基碳化矽(AlSiC) : 散熱板磨削(粗加工)碳化矽(SiC)：微鑽孔加工碳化矽(SiC)：曲面磨削(粗加工)碳化矽(SiC)：螺旋擴孔研磨加工碳化矽(SiC) : (D100-砂輪刀把)底磨加工氧化鋁(Al2O3)陶瓷 : 微鑽孔加工氧化鋁(Al2O3)陶瓷 : 外型磨削加工石英玻璃(Quartz Glass) : (D80-砂輪刀把)側磨-粗磨加工石英玻璃(Quartz Glass) : 極座標磨削加工石英玻璃(Quartz Glass) : 微流道擺線加工玻璃(Glass) : 微鑽孔加工不鏽鋼(SUS304) : 曲面微鑽孔_通孔加工不鏽鋼(SUS420) : 微銑削&微鑽孔加工📖 參考資料Machining of ceramic matrix composites: Challenges in surface integrity, Materials Today: Proceedings JournalThe new challenges of machining Ceramic Matrix Composites (CMCs): Review of surface integrity, International Journal of Machine Tools and ManufactureThe Pros & Cons of Advanced Ceramics, MSC Industrial Direct Co., Inc.Ceramic Matrix Composites, BCC ResearchCeramic Matrix Composites Offer Lighter, More Durable Engine Parts, SAE Media Group (Pratt & Whitney)Arris Composites, Airbus collaborate on composites research for lightweighting cabin brackets, CompositesWorldBrake Designs For Cars, What Do They Mean?, Gemanis Industries LLCStudy of the machining quality of CMC ceramic composite during high-speed grinding, Journal of Physics: Conference Series-漢鼎智慧科技 Hantop Intelligence Tech.✨超音波先進材料製程解決方案✨☎️ +886-4-2285-0838📧 sales@hit-tw.com