本發(fā)明涉及一種超聲波加工成型裝置，特別涉及一種超聲波微米精度加工成型裝置。

背景技術(shù)：

超聲波加工設(shè)備目前主要應(yīng)用于切斷或貫穿硬脆材料。一般的超聲波加工成型機(jī)的加工方式是利用超聲波產(chǎn)生器連接變幅桿及刀具，超聲波產(chǎn)生器產(chǎn)生每秒1.5萬次以上的超聲波振動并提供給變幅桿及刀具使其產(chǎn)生共振，再利用刀具使待要加工的工件切削或貫穿。

然而，已知的超聲波加工成型機(jī)，由于變幅桿與刀具是使用固鎖的方式來接合，因此變幅桿與刀具的設(shè)計會受到彼此結(jié)構(gòu)的限制。如圖1，已知的變幅桿呈現(xiàn)倒三角錐形，變幅桿與超聲波產(chǎn)生器的接合部位1比變幅桿與刀具的接合部位2粗，此結(jié)構(gòu)會使得變幅桿與刀具的接合部位2的振幅大于超聲波產(chǎn)生器提供的振幅，因此容易使刀具磨耗嚴(yán)重，且無法提供較大面積的成型加工。若任意加大變幅桿與刀具的接合部位2的面積，在加工過程中容易使加工面變形，因此無法加工出公差小于微米級的形狀或尺寸為微米級的精細(xì)結(jié)構(gòu)。此外，變幅桿的接合部位1與接合部位2之間的振幅誤差會造成變幅桿與刀具之間產(chǎn)生波傳遞的干擾，影響超聲波加工成型機(jī)的加工精度。

由以上說明可以知道，超聲波加工成型機(jī)因采用傳統(tǒng)的變幅桿結(jié)構(gòu)可能造成的缺點(diǎn)有：

一、在加工過程中變幅桿的振幅在垂直方向上的變化量大，工作面積小，使加工精度難以控制，無法滿足現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)的精密及大量生產(chǎn)的需求。

二、容易使刀具磨損嚴(yán)重，亦無法控制精度及評量加工時的情況，因此無法將加工尺寸微小化。

因此，如何改善上述缺點(diǎn)以提高超聲波加工精度是本領(lǐng)域亟欲解決 的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種能提高加工精度的超聲波微米精度加工成型裝置。

為了達(dá)到上述目的之一或全部目的，本發(fā)明提供一種超聲波微米精度加工成型裝置，其包括：超聲波產(chǎn)生模塊、刀具及變幅桿。超聲波產(chǎn)生模塊用以提供超聲波頻率震蕩；刀具設(shè)置于超聲波產(chǎn)生模塊下方，并具有微米級精度結(jié)構(gòu)；變幅桿設(shè)置于超聲波產(chǎn)生模塊及刀具之間，并接收超聲波產(chǎn)生模塊的超聲波頻率震蕩，其中該變幅桿在三維空間中的輪廓藉由X軸、Y軸及Z軸所形成的坐標(biāo)來表示，該X軸、該Y軸及該Z軸三者中任兩者相互垂直，并且變幅桿具有第一截面及第二截面，第一截面及第二截面都垂直于變幅桿的Z軸方向且彼此平行，第一截面位于變幅桿與該刀具的接合處，而第二截面與刀具的距離大于第一截面與刀具的距離，第一截面的面積大于或等于第二截面的面積，變幅桿接收超聲波產(chǎn)生模塊的超聲波頻率震蕩后，變幅桿在X軸方向產(chǎn)生第一變形量，變幅桿在Y軸方向產(chǎn)生第二變形量，變幅桿在Z軸方向產(chǎn)生第三變形量，第一變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％，第二變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％。

在一個實(shí)施例中，變幅桿具有第三截面，該第三截面平行于第一截面及第二截面，第三截面與該刀具的距離大于第二截面與該刀具的距離，其中第三截面的面積大于或等于第二截面的面積，用以將第二截面的振幅放大，在提高加工精度的情形下，同時可增加生產(chǎn)效率。

在一個實(shí)施例中，變幅桿具有第四截面，該第四截面平行于第一截面及第二截面，第四截面與刀具的距離大于第二截面與刀具的距離，其中第四截面的面積小于第二截面的面積，用以調(diào)整第二截面的振幅。

在一個實(shí)施例中，超聲波產(chǎn)生模塊具有超聲波控制箱及換能器，超聲波控制箱提供換能器電能及振動模態(tài)，而換能器接收電能及振動模態(tài)后產(chǎn)生超聲波頻率震蕩，并將超聲波頻率震蕩傳遞至變幅桿。

在一個實(shí)施例中，超聲波產(chǎn)生模塊提供的超聲波頻率震蕩的振幅大于或等于變幅桿的該第一截面的振幅。

在一個實(shí)施例中，變幅桿的材料選自由不銹鋼、模具鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金所構(gòu)成的組。

在一個實(shí)施例中，變幅桿的第一截面具有復(fù)數(shù)個取樣點(diǎn)，該復(fù)數(shù)個取樣點(diǎn)中的每一個在Z軸方向產(chǎn)生第三變形量，計算此第三變形量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，標(biāo)準(zhǔn)偏差除以該第三變形量的平均值大于0％且小于1％，使變幅桿20的該第一截面的振幅小于或等于超聲波產(chǎn)生模塊提供的超聲波頻率震蕩的振幅。

本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置，其變幅桿的結(jié)構(gòu)能配合具有微米尺寸及微米精度結(jié)構(gòu)的刀具或具有微米級陣列結(jié)構(gòu)的刀具，不但可以使超聲波微米精度加工成型裝置將工件的形狀及樣式達(dá)到微米級精度，并且可做到已知的加工模式難以做到的形狀及精度。

附圖說明

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的變幅桿。

圖2示出本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置。

圖3A-3E示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的變幅桿及刀具。

圖4示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的變幅桿。

圖5示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的刀具。

圖6示出經(jīng)本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置加工后的工件。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點(diǎn)與功效，在以下結(jié)合參考附圖之一的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明中將變得明了。以下實(shí)施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或后等，僅是用于參照附圖中的方向。因此，這些方向用語僅是用于說明而并非是用于限制本發(fā)明。

請參閱圖2，其示出本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置10。本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置10用于將硬脆材料或金屬材料精密加工成型，例如玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石、硅晶圓、鋁、鐵、工具鋼等材料。超聲波微米精度加工成型裝置10包括：一個超聲波產(chǎn)生模塊11、一個刀具13、及一個變幅桿20、一個可精密調(diào)整的機(jī)座14、一個X-Y精密加工平臺15、一個Z軸精密位移控制系統(tǒng)16、一個加工冷卻循環(huán)系統(tǒng)17，及 一個精密定位系統(tǒng)18，其中超聲波產(chǎn)生模塊11具有一個超聲波控制箱111及一個換能器112，且變幅桿20設(shè)置于超聲波產(chǎn)生模塊11及刀具13之間，刀具13設(shè)置于變幅桿20的下方，并具有微米級精度結(jié)構(gòu)。超聲波控制箱111連接換能器112，用以提供換能器112電能及振動模態(tài)，換能器112設(shè)置于機(jī)座14上，用以提供超聲波頻率震蕩，并且換能器112夾設(shè)固定于刀具13上。X-Y精密加工平臺15設(shè)置于Z軸精密位移控制系統(tǒng)16上，加工液冷卻循環(huán)系統(tǒng)17與精密定位系統(tǒng)18連接于X-Y精密加工平臺15上。加工時將欲加工工件固定于X-Y精密加工平臺15上，使用精密定位系統(tǒng)18定位刀具13與加工工件的位置，并調(diào)整刀具13與加工工件兩者之間的距離，開啟加工液冷卻循環(huán)系統(tǒng)17使加工液循環(huán)后，使用Z軸精密位移控制系統(tǒng)16使加工工件與刀具13接近，到一定距離后即開始加工成型，當(dāng)完成加工成型后刀具13退出，即完成加工程序。

參閱圖3A-3E，其示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的變幅桿20A、20B、20C、20D、20E及刀具13。變幅桿20A、20B、20C、20D、20E在三維空間中的輪廓可藉由一個X軸、一個Y軸與一個Z軸所形成的坐標(biāo)來表示，而X軸、Y軸及Z軸三者中任兩者相互垂直。圖3A-3E中，Y軸為射出紙面的方向。變幅桿20A、20B、20C、20D、20E具有沿著A-B線段切割的一個第一截面210及沿著C-D線段切割的一個第二截面220，第一截面210及第二截面220都垂直于變幅桿20A、20B、20C、20D、20E的Z軸方向且彼此平行，第一截面210位于變幅桿20A、20B、20C、20D、20E與刀具13的接合處，而第二截面220與刀具13的距離D2大于第一截面210與刀具13的距離D1，其中第一截面210的面積A1大于或等于第二截面220的面積A2。

變幅桿20A、20B、20C、20D、20E接收超聲波產(chǎn)生模塊11的超聲波頻率震蕩后，變幅桿20A、20B、20C、20D、20E在X軸產(chǎn)生一個第一變形量(amount of deformation)，變幅桿20A、20B、20C、20D、20E在Y軸產(chǎn)生一個第二變形量，變幅桿20A、20B、20C、20D、20E在Z軸產(chǎn)生一個第三變形量，第一變形量與第三變形量之比為X軸與Z軸的側(cè)振比，第二變形量與第三變形量之比為Y軸與Z軸的側(cè)振比。第一變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％，第二變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％。

此外，由于第一截面210的面積大于或等于第二截面220的面積，變幅桿20在第一截面210的Z軸方向上的振幅會比在第二截面220的Z軸方向上的振幅小或相等。

在圖3A至圖3C中，變幅桿20A、20B、20C還具有沿著E-F線段切割的一個第三截面230，該第三截面230平行于第一截面210及第二截面220，第三截面230與13刀具的距離D3大于第二截面220與刀具13的距離D2。第三截面230的面積A3大于或等于第二截面220的面積A2，即形成鄰近第二截面220的部位較細(xì)而其上下兩端較粗的變幅桿20A、20B、20C結(jié)構(gòu)，如此，第二截面220的振幅可以被放大，在提高加工精度的情形下，同時可增加生產(chǎn)效率。

在圖3D中，變幅桿20D具有沿著G-H線段切割的第四截面240，該第四截面240平行于第一截面210及第二截面220，第四截面240與刀具13的距離D4大于第二截面220與刀具13的距離D2，其中第四截面240的面積A4小于第二截面220的面積A2，用以調(diào)整第二截面220的振幅。

在圖3E的實(shí)施例中，變幅桿20E的第一截面210及第二截面220之間具有階梯狀結(jié)構(gòu)250，較鄰近刀具13的部位較粗。

如圖4，其示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的變幅桿20。超聲波微米精度加工成型裝置10變幅桿20的材料例如為不銹鋼、模具鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金及鈦合金中的任一種金屬。在加工工件前，需先使用有限元素數(shù)值分析法進(jìn)行變幅桿20及刀具13加工面的振動狀態(tài)分析模擬，變幅桿20的節(jié)點(diǎn)、振幅位置及刀具13與變幅桿20的連接需克服波干擾、傳遞的問題。變幅桿20的第一變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％，第二變形量除以第三變形量的值大于0％且小于1％。在另一實(shí)施例中，變幅桿20的第一截面210具有復(fù)數(shù)個取樣點(diǎn)P、P₁，該復(fù)數(shù)個取樣點(diǎn)P、P₁中的每一個在Z軸方向產(chǎn)生第三變形量，計算這些第三變形量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，此標(biāo)準(zhǔn)偏差是一般統(tǒng)計學(xué)中定義的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差除以第三變形量的平均值為變幅桿的不均勻度，該不均勻度大于0％且小于1％，使變幅桿20的該第一截面的振幅小于或等于超聲波產(chǎn)生模塊提供的超聲波頻率震蕩的振幅。換句話說，在此設(shè)計規(guī)范下，超聲波產(chǎn)生模塊提供的超聲波頻率震蕩的振幅大于或等于變幅桿20的該第一截面的振幅。

換句話說，與已知超聲波加工設(shè)備的變幅桿相比，已知的變幅桿被 制作成一個上寬下窄的號角形或倒三角錐形結(jié)構(gòu)來將超聲波的振幅放大，雖然可以增加生產(chǎn)效率，但難以提高加工精度。而本發(fā)明的變幅桿則是將變幅桿與刀具接合的部位放大面積來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及控制振幅，使得超聲波產(chǎn)生模塊提供的振幅與變幅桿共振的振幅能維持在適當(dāng)?shù)恼穹?，再藉由控制?cè)振比(第一變形量比第三變形量及第二變形量比第三變形量)及不均勻度來提高超聲波加工成型裝置的加工精度。

如圖5，其示出本發(fā)明的一個實(shí)施例的刀具13A、13B、13C、13D。本發(fā)明的刀具13A、13B、13C、13D具有微米尺寸及微米精度結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施例中，刀具13A為多個微米級的方形柱體131B及溝槽131A所排列而成的方陣。刀具13B為多個微米級的三角形柱體132及溝槽132A所排列而成的方陣。刀具13C為多個微米級的半圓形柱體133及溝槽133A所排列而成的方陣。刀具13D為多個微米級的半橢圓形柱體134及溝槽134A所排列而成的方陣。這些方陣也稱為「陣列結(jié)構(gòu)(Array Structure)」。例如，陣列結(jié)構(gòu)131是由多個溝槽131A及方形柱體131B所排列而成。具有此陣列結(jié)構(gòu)的刀具13A、13B、13C、13D可以在所加工的工件上制作出多個排列成方陣樣式的微米級溝槽。

如圖6，其示出經(jīng)本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置10加工后的工件30，在工件30上所制作的結(jié)構(gòu)可達(dá)到微米級的精度，并且可制作排列成方陣樣式的多個墻320及這些墻320之間的溝槽310。墻320的樣式可以采用方形、三角形、半圓形、半橢圓形的墻。溝槽310的樣式可以采用方形底、三角形底、半圓形底、半橢圓形底的溝槽。

本發(fā)明的超聲波微米精度加工成型裝置，在初始設(shè)計時即計算變幅桿與刀具的微結(jié)構(gòu)震蕩模式及共振頻率，變幅桿的結(jié)構(gòu)能配合具有微米尺寸及微米精度結(jié)構(gòu)的刀具或具有微米級陣列結(jié)構(gòu)的刀具，不但可以使超聲波微米精度加工成型裝置將工件的形狀及樣式達(dá)到微米級精度，并且可做到已知的加工模式難以做到的形狀及精度。

以上所描述的內(nèi)容僅是本發(fā)明的較優(yōu)選實(shí)施例，并不能以此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即凡是根據(jù)本發(fā)明申請專利范圍及發(fā)明說明內(nèi)容所作的簡單的等同變化與修改，都仍落入本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。另外本發(fā)明的任一實(shí)施例或申請專利范圍不必需公開本發(fā)明的全部目的或優(yōu)點(diǎn)或特點(diǎn)。此外，摘要部分和標(biāo)題僅是用來輔助專利文件搜索的用途，并 非用來限制本發(fā)明的權(quán)利范圍。

【符號說明】

超聲波微米精度加工成型裝置 10

超聲波產(chǎn)生模塊 11

超聲波控制箱 111

換能器 112

刀具 13、13A、13B、13C、13D

可精密調(diào)整的機(jī)座 14

X-Y精密加工平臺 15

Z軸精密位移控制系統(tǒng) 16

加工冷卻循環(huán)系統(tǒng) 17

精密定位系統(tǒng) 18

變幅桿 20、20A、20B、20C、20D、20E

第一截面 210

第二截面 220

第三截面 230

第四截面 240

階梯狀結(jié)構(gòu) 250

陣列結(jié)構(gòu) 131

方形柱體 131B

三角形柱體 132

半圓形柱體 133

半橢圓形柱體 134

溝槽 131A、132A、133A、134A

工件 30

溝槽 310

墻 320