超声波切割应用技术

本公司开发出可适用于加工电子零部件（陶瓷类零部件）及光学零部件（光学电子零部件、光学通讯零部件）的超声波切割技术，该应用技术能够对迄今为止加工困难的玻璃以及陶瓷等难切削材料进行切割加工。

过去加工难切削材料时遇到的难题

在对玻璃、陶瓷、金属以及树脂等难切削材料进行切割加工时，容易出现以下各种各样的问题

  • 由于发生磨轮刀片磨粒钝化*1、及气孔堵塞*2 等现象，致使加工负荷增大。随着加工负荷变大*3，会进一步增加加工物崩裂及毛刺的形成，导致磨轮刀片发生破损,、异常磨损以及加工物烧伤等不良现象的发生。

    *1 磨轮刀片头部的磨粒产生磨损，且表面磨粒发生钝化的现象。在这种状态下，磨轮刀片就难以正常进行加工。
    *2 由于在磨轮刀片头部粘附了加工物的切削碎屑及胶膜粘合剂等，致使表面磨粒不能突出的现象。在这种状态下与磨粒钝化一样，磨轮刀片就难以正常进行加工。
    *3 使用较细的磨粒或提高进刀速度，会导致加工负荷上升。通过观察主轴电流值的变化，可确认加工负荷是否在上升。

  • 由于该类型磨轮刀片的适用范围受到限制，因此在选择结合剂时，为防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，工艺上要求磨轮刀片产生适度的损耗，所以使用树脂类以外的结合剂会比较困难。另外，在选择磨粒尺寸时，也需要采用尺寸较大的#320～#600磨粒。

为了解决在难切削材料加工过程中出现的如上所述的问题，本公司开发出作为其解决方案之一的超声波切割技术。

超声波切割加工原理

采用超声波技术进行切割加工时，将安装在主轴后方的超声波振动器所产生的前后振动，经过主轴及磨轮刀片的基台传递到磨轮刀片的外圆部分，并转换成半径方向上的膨胀运动。通过这种振动转换方式，能够获得超声波加工所需要的理想的振动方向。（图1）

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图1.超声波振动发生的原理

通过超声波的作用使磨轮刀片在半径方向上产生瞬间的伸缩式振动，就能在非常短的时间内，使磨粒与加工物之间在高加速度状态下反复进行碰撞。（图2）其结果是一边使加工物表面产生微小的破碎层，一边对其进行加工，因此能大幅度地降低磨轮刀片的加工负荷。另外，由于超声波的振动，致使磨轮刀片与加工物之间产生间隙，从而大大改善了磨粒的冷却效果，并且通过防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，能够提高加工物的加工质量，并延长磨轮刀片的使用寿命。（图4）

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图2.超声波切割加工原理
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图3.比较在加工钠玻璃时的主轴电流值

[加工条件]
加工物:钠玻璃 厚度为 1mm
主轴转速: 12000 rpm
进刀量: 0.5 mm

  • 超声波OFF
    由于磨轮刀片的头部被磨削，使表面磨粒无法突出，从而导致磨粒钝化现象的发生。

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  • 超声波ON
    在超声波ON的状态下，能够保持表面磨粒突出在外。

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图4.防止磨粒钝化的效果

超声波切割的优点

通过减少加工负荷，改善磨粒的冷却状况，能够获得良好的效果。

1.原来因磨轮刀片发生破损而无法使用的磨粒细度为#2000左右的电铸结合剂磨轮刀片也能够对玻璃、石英、陶瓷等脆性材料实施切割加工。其结果可大幅度地改善加工质量。另外，采用与原来尺寸相同的磨粒实施加工时，由于加工负荷得到了降低，所以也能够使进给速度得到大幅度的提高。（图5、6）

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图5.比较在加工石英玻璃时的进给速度

[加工条件]
加工物:石英玻璃 厚度为300μm
磨轮刀片: ＃2000电铸型
主轴转速: 12000 rpm

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  • 超声波OFF
    进给速度: 1 ㎜/sec(超声波OFF)※磨轮刀片发生破损

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  • 超声波ON
    进给速度: 6㎜/sec(超声波ON)

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2.在加工树脂和金属等韧性材料时，由于磨粒的冷却效果和超声波的作用，也能够抑制切削碎屑粘附在磨轮刀片的头部，从而能防止因气孔堵塞而导致加工不良现象的发生（毛刺增大）。

  • 超声波OFF
    进给速度: 20㎜/sec(超声波OFF)

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  • 超声波ON
    进给速度: 20㎜/sec(超声波ON)

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图7.加工QFN时产生的电极毛刺
[加工条件]
加工物: QFN (全金属)
磨轮刀片: #360电铸型
主轴转速: 12000rpm
进给速度: 20㎜/sec

3.由于能采用强度虽然较高，但容易发生磨粒钝化及气孔堵塞的电铸类结合剂，并且还可选择尺寸较小的磨粒，所以能减小磨轮刀片的厚度,从而提高了材料的成品率。

超声波切割专用磨轮刀片

迪思科公司通过灵活运用丰富的磨轮刀片专业生产技术，成功地开发出超声波切割专用磨轮刀片。另外，其结合剂类型也可以从树脂结合剂、金属结合剂、电铸结合剂中进行选择，努力满足客户多种要求。

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配置超声波主轴的设备

超声波主轴作为选配项目可配置在 DAD3350型设备上。
本公司计划将来逐步扩大可安装该主轴的产品系列。

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超声波切割应用技术

本公司开发出可适用于加工电子零部件（陶瓷类零部件）及光学零部件（光学电子零部件、光学通讯零部件）的超声波切割技术，该应用技术能够对迄今为止加工困难的玻璃以及陶瓷等难切削材料进行切割加工。

过去加工难切削材料时遇到的难题

在对玻璃、陶瓷、金属以及树脂等难切削材料进行切割加工时，容易出现以下各种各样的问题

  • 由于发生磨轮刀片磨粒钝化*1、及气孔堵塞*2 等现象，致使加工负荷增大。随着加工负荷变大*3，会进一步增加加工物崩裂及毛刺的形成，导致磨轮刀片发生破损,、异常磨损以及加工物烧伤等不良现象的发生。

    *1 磨轮刀片头部的磨粒产生磨损，且表面磨粒发生钝化的现象。在这种状态下，磨轮刀片就难以正常进行加工。
    *2 由于在磨轮刀片头部粘附了加工物的切削碎屑及胶膜粘合剂等，致使表面磨粒不能突出的现象。在这种状态下与磨粒钝化一样，磨轮刀片就难以正常进行加工。
    *3 使用较细的磨粒或提高进刀速度，会导致加工负荷上升。通过观察主轴电流值的变化，可确认加工负荷是否在上升。

  • 由于该类型磨轮刀片的适用范围受到限制，因此在选择结合剂时，为防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，工艺上要求磨轮刀片产生适度的损耗，所以使用树脂类以外的结合剂会比较困难。另外，在选择磨粒尺寸时，也需要采用尺寸较大的#320～#600磨粒。

为了解决在难切削材料加工过程中出现的如上所述的问题，本公司开发出作为其解决方案之一的超声波切割技术。

超声波切割加工原理

采用超声波技术进行切割加工时，将安装在主轴后方的超声波振动器所产生的前后振动，经过主轴及磨轮刀片的基台传递到磨轮刀片的外圆部分，并转换成半径方向上的膨胀运动。通过这种振动转换方式，能够获得超声波加工所需要的理想的振动方向。（图1）

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图1.超声波振动发生的原理

通过超声波的作用使磨轮刀片在半径方向上产生瞬间的伸缩式振动，就能在非常短的时间内，使磨粒与加工物之间在高加速度状态下反复进行碰撞。（图2）其结果是一边使加工物表面产生微小的破碎层，一边对其进行加工，因此能大幅度地降低磨轮刀片的加工负荷。另外，由于超声波的振动，致使磨轮刀片与加工物之间产生间隙，从而大大改善了磨粒的冷却效果，并且通过防止磨粒钝化及气孔堵塞等现象的发生，能够提高加工物的加工质量，并延长磨轮刀片的使用寿命。（图4）

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图2.超声波切割加工原理
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图3.比较在加工钠玻璃时的主轴电流值

[加工条件]
加工物:钠玻璃 厚度为 1mm
主轴转速: 12000 rpm
进刀量: 0.5 mm

  • 超声波OFF
    由于磨轮刀片的头部被磨削，使表面磨粒无法突出，从而导致磨粒钝化现象的发生。

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  • 超声波ON
    在超声波ON的状态下，能够保持表面磨粒突出在外。

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图4.防止磨粒钝化的效果

超声波切割的优点

通过减少加工负荷，改善磨粒的冷却状况，能够获得良好的效果。

1.原来因磨轮刀片发生破损而无法使用的磨粒细度为#2000左右的电铸结合剂磨轮刀片也能够对玻璃、石英、陶瓷等脆性材料实施切割加工。其结果可大幅度地改善加工质量。另外，采用与原来尺寸相同的磨粒实施加工时，由于加工负荷得到了降低，所以也能够使进给速度得到大幅度的提高。（图5、6）

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图5.比较在加工石英玻璃时的进给速度

[加工条件]
加工物:石英玻璃 厚度为300μm
磨轮刀片: ＃2000电铸型
主轴转速: 12000 rpm

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  • 超声波OFF
    进给速度: 1 ㎜/sec(超声波OFF)※磨轮刀片发生破损

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  • 超声波ON
    进给速度: 6㎜/sec(超声波ON)

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2.在加工树脂和金属等韧性材料时，由于磨粒的冷却效果和超声波的作用，也能够抑制切削碎屑粘附在磨轮刀片的头部，从而能防止因气孔堵塞而导致加工不良现象的发生（毛刺增大）。

  • 超声波OFF
    进给速度: 20㎜/sec(超声波OFF)

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  • 超声波ON
    进给速度: 20㎜/sec(超声波ON)

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图7.加工QFN时产生的电极毛刺
[加工条件]
加工物: QFN (全金属)
磨轮刀片: #360电铸型
主轴转速: 12000rpm
进给速度: 20㎜/sec

3.由于能采用强度虽然较高，但容易发生磨粒钝化及气孔堵塞的电铸类结合剂，并且还可选择尺寸较小的磨粒，所以能减小磨轮刀片的厚度,从而提高了材料的成品率。

超声波切割专用磨轮刀片

迪思科公司通过灵活运用丰富的磨轮刀片专业生产技术，成功地开发出超声波切割专用磨轮刀片。另外，其结合剂类型也可以从树脂结合剂、金属结合剂、电铸结合剂中进行选择，努力满足客户多种要求。

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配置超声波主轴的设备

超声波主轴作为选配项目可配置在 DAD3350型设备上。
本公司计划将来逐步扩大可安装该主轴的产品系列。

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