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【摘要】一般对陶瓷材料钻孔的原因，主要是因其具有一些高温的特殊性质及在航空、核子、自动化、和切削刀具应用上之需求。本文简介了回转式超音波加工机 （RUSM）钻孔原理。
【关键词】陶瓷材料；钻孔；回转式超音波
脆性材料之开孔方法有超音波、雷射、电子束、水刀等，依材之机械性质、孔径、孔深、孔精度之要求不同而异。钻孔加工（Drilling）随着零件的迷你化，钻孔直径缩小化当属必然的现象。以往小孔径都是以高速钢钻头和深孔钻头进行小孔加工，这些钻头由于加工效率低，故无法满足目前性能需求。小孔径钻孔加工是属于外界供油加工，同时由于切屑排除困难，所以必须采行分段钻孔加工（step drilling），因而欲缩短加工时间似乎不大可能。小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例，而最容易发生的麻烦应该是折损，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔径几乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速钢钻头裡对凿锋缘（chisel edge）有重大影响，很容易产生过当的止推力。同时会使同心圆的形状变差。结果将会导致材质性刚性相互作用，并使钻头产生挠曲，被钻穴所弯曲、孔径扩大等，孔穴精度不良现象。为克服上述缺点之考量及满足加工效率、切屑排出及钻头形状、刚性等要求，开发能够从事小孔径稳定加工之极小直径内部供油钻头乃是迫不及待之要务。
几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。本研究主要是运用旋转式超音波加工（RUSM）对斜?陶瓷材料的实验方法。
一、超声波加工的原理
超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。
加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。
与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。
二、陶瓷材料的回转超音波加工
本文主要是探讨运用旋转式超音波加工（RUSM）对斜度陶瓷材料的实验方法，加工过程中虽然脆性破坏（微切屑）仍支配着对斜工陶瓷材料移除机构，若不能适当地控制加工参数，便会造成粗糙度差及较深的次表面裂纹。超音波加工（USM）为加工或精密加工科技技术驱动过程，为非传统机械材料移除过程有较低的材料移除率，其材料移除机构包括冲击（impacting）、锤击（hammering）、孔蚀（cavitations）。一般可应用于加工具传导性或非传导性之非金属材料，比较适于低延性及硬度高于40HRC，例如非晶质玻璃、金硅氮化物、镍/钛合金等，孔径76μm均可加工，亦即深度与直径比可达大约3：1。先进陶瓷由于具有许多优越性质（例如提升温度时之高强度和高耐磨耗阻力）受到许多工业上之应用。因其优越性质而得到广泛应用但受限制于 高加工成本上。因此，对于陶瓷有效率的加工过程是迫切的需求。
如使用鋁作为镀层陶瓷材料时，此陶瓷材料绝缘性质大于或等于100Ωcm，因此使用EDM加工并不可行。而使用LBM仍存在其问题点；变形时产生之裂缝和陶瓷层之热应力会直接影响其使用性能（疲劳寿命）。解决此问题最佳的方法即是使用超音波加工（USM），可先穿透陶瓷镀层紧接着再运用EDM加工，并配合运用或不使用超音波的辅助来加工。另亦使用新的UC装置，尝试使用切削刀具在主切削震动方向朝工件呈10°～30°做切削加工。
回转超音波加工（RUM）之超音波钻孔仅应用于脆性材料，被视为一种对先进陶瓷有效率加工方法，此种加工技术主要原则是以高频率（16-40kHz）和较低之波对波（pk-pk）震荡频率（2-30μm），向刀具或工件进给，Azarhoushang et al.提出此切削过程与一般超音波钻孔（Ultrasonic Drilling）不同。我们所谓的回转式超音波加工是归属于超音波加工（Ultrasonic Machining）。超音波加工，其金属的移除效应是借着漂浮泥浆之磨料颗粒，以循环超音波方式重复冲击工件表面，超音波加工方式钻孔是以圆形刀具做超音波加工过程，回转之刀具可以加以强调的是针对圆柱外形组件之磨除过程及产生高准确的原因。对陶瓷材料移除率研究而言刀具是最主要影响因素，当转速及切削深度增加时延性百分比亦增加，而当频率增加时延性百分比却降低。此可显示出当钻石刀具颗粒由较细磨料粒度改变至较大颗粒时延性百分比会随着增加，主要是因对陶瓷材料的研磨情况下，可观察到细的磨粒较粗的磨料粒度有较少脆性破坏所造成，进给率之增加粗糙度亦呈线性增加，控制进给率可提高孔之质量，由于超音波加工时刀具稳定震荡之进给将可降低加工时间减少工件残留应力及应变硬化，因而与传统加工比较可获得促进工件表面质量，并提升刀具寿命之优点。
【关键词】陶瓷材料；钻孔；回转式超音波
脆性材料之开孔方法有超音波、雷射、电子束、水刀等，依材之机械性质、孔径、孔深、孔精度之要求不同而异。钻孔加工（Drilling）随着零件的迷你化，钻孔直径缩小化当属必然的现象。以往小孔径都是以高速钢钻头和深孔钻头进行小孔加工，这些钻头由于加工效率低，故无法满足目前性能需求。小孔径钻孔加工是属于外界供油加工，同时由于切屑排除困难，所以必须采行分段钻孔加工（step drilling），因而欲缩短加工时间似乎不大可能。小孔径加工中可能发生的故障及其发生的比例，而最容易发生的麻烦应该是折损，其主要的原因大部份是切屑阻塞引起。然而，由于小孔径几乎都是L/D=5以上的深孔，故切屑在高速钢钻头裡对凿锋缘（chisel edge）有重大影响，很容易产生过当的止推力。同时会使同心圆的形状变差。结果将会导致材质性刚性相互作用，并使钻头产生挠曲，被钻穴所弯曲、孔径扩大等，孔穴精度不良现象。为克服上述缺点之考量及满足加工效率、切屑排出及钻头形状、刚性等要求，开发能够从事小孔径稳定加工之极小直径内部供油钻头乃是迫不及待之要务。
几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。本研究主要是运用旋转式超音波加工（RUSM）对斜?陶瓷材料的实验方法。
一、超声波加工的原理
超声波加工（ultrasonic machining，USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。
加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。
与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。
二、陶瓷材料的回转超音波加工
本文主要是探讨运用旋转式超音波加工（RUSM）对斜度陶瓷材料的实验方法，加工过程中虽然脆性破坏（微切屑）仍支配着对斜工陶瓷材料移除机构，若不能适当地控制加工参数，便会造成粗糙度差及较深的次表面裂纹。超音波加工（USM）为加工或精密加工科技技术驱动过程，为非传统机械材料移除过程有较低的材料移除率，其材料移除机构包括冲击（impacting）、锤击（hammering）、孔蚀（cavitations）。一般可应用于加工具传导性或非传导性之非金属材料，比较适于低延性及硬度高于40HRC，例如非晶质玻璃、金硅氮化物、镍/钛合金等，孔径76μm均可加工，亦即深度与直径比可达大约3：1。先进陶瓷由于具有许多优越性质（例如提升温度时之高强度和高耐磨耗阻力）受到许多工业上之应用。因其优越性质而得到广泛应用但受限制于 高加工成本上。因此，对于陶瓷有效率的加工过程是迫切的需求。
如使用鋁作为镀层陶瓷材料时，此陶瓷材料绝缘性质大于或等于100Ωcm，因此使用EDM加工并不可行。而使用LBM仍存在其问题点；变形时产生之裂缝和陶瓷层之热应力会直接影响其使用性能（疲劳寿命）。解决此问题最佳的方法即是使用超音波加工（USM），可先穿透陶瓷镀层紧接着再运用EDM加工，并配合运用或不使用超音波的辅助来加工。另亦使用新的UC装置，尝试使用切削刀具在主切削震动方向朝工件呈10°～30°做切削加工。
回转超音波加工（RUM）之超音波钻孔仅应用于脆性材料，被视为一种对先进陶瓷有效率加工方法，此种加工技术主要原则是以高频率（16-40kHz）和较低之波对波（pk-pk）震荡频率（2-30μm），向刀具或工件进给，Azarhoushang et al.提出此切削过程与一般超音波钻孔（Ultrasonic Drilling）不同。我们所谓的回转式超音波加工是归属于超音波加工（Ultrasonic Machining）。超音波加工，其金属的移除效应是借着漂浮泥浆之磨料颗粒，以循环超音波方式重复冲击工件表面，超音波加工方式钻孔是以圆形刀具做超音波加工过程，回转之刀具可以加以强调的是针对圆柱外形组件之磨除过程及产生高准确的原因。对陶瓷材料移除率研究而言刀具是最主要影响因素，当转速及切削深度增加时延性百分比亦增加，而当频率增加时延性百分比却降低。此可显示出当钻石刀具颗粒由较细磨料粒度改变至较大颗粒时延性百分比会随着增加，主要是因对陶瓷材料的研磨情况下，可观察到细的磨粒较粗的磨料粒度有较少脆性破坏所造成，进给率之增加粗糙度亦呈线性增加，控制进给率可提高孔之质量，由于超音波加工时刀具稳定震荡之进给将可降低加工时间减少工件残留应力及应变硬化，因而与传统加工比较可获得促进工件表面质量，并提升刀具寿命之优点。