TWI523718B - 應用於超音波加工的工具單元 - Google Patents

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TWI523718B
TWI523718B TW103128739A TW103128739A TWI523718B TW I523718 B TWI523718 B TW I523718B TW 103128739 A TW103128739 A TW 103128739A TW 103128739 A TW103128739 A TW 103128739A TW I523718 B TWI523718 B TW I523718B
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廖浩延
馮奎智
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周振嘉
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    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
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Description

應用於超音波加工的工具單元
本發明係與一種應用於超音波加工的工具單元有關，特別係與一種應用於脆硬材料之切割成型時，精度可達微米級的工具單元有關。
超音波加工方法，可應用於脆硬材料之切割成型。超音波加工設備之加工方式，主要透過超音波提供高頻率的振幅，並使得超音波加工設備前端的工具單元能夠快速地振動，而對樣品進行加工。
隨著科技發展日趨進步，工業級產品之尺寸日趨縮小，超音波加工設備發展需逐漸的朝向如何提升加工精度。目前超音波加工設備，從刀頭至變幅桿，多數接合介面採用螺絲旋轉固定，或是使用金屬扣環接合，所以介面仍存在許多間隙，造成波動傳遞仍有許多的障礙，並且容易使得工具振幅不均，因此無法達到微米級加工效果，而停留在毫米級加工效果。為了使超音波的傳遞能夠均勻化，最好的方式仍是減少或消除接合面的孔隙，因此本發明針對如何有效的減少間隙的問題提出相關解決方式。
另外，超音波加工設備的工具單元，目前皆以金屬工具為主，但由於超音波加工振動快，金屬工具磨耗快，使用壽命有限，且若工具針對脆硬材料進行加工，則金屬工具更容易損壞。為了改善工具的使用壽命，可以利用電漿技術將鑽石或類鑽碳鍍膜在底材表面。然而，該方法只限定為沉積出薄膜鑽石，底材並非鑽石層，因而對於磨耗而言，當鑽石 薄膜層消耗或因為碰撞碎裂後，底材部分將無耐磨耗作用，因此耐磨耗行為將變差。可以見得利用電漿技術於刀具鍍置鑽石薄膜、若未考慮底材與鑽石間的介面接合性，仍難以獲得理想之刀具結構。故，有必要發展出一種可應用為長時效之耐磨耗、具韌性耐碰撞的刀具結構，使刀具在長期工作下，仍維持良好之微米切割尺寸。
本發明之一目的在於提供一種超音波加工設備的工具單元，其硬度足以長期耐磨耗，並且其結構能均勻地傳遞超音波，而使加工精度能達到微米級。
為了達到上述之目的，本發明提供一種應用於超音波加工的工具單元，包括一變幅桿、一刀具及一接合部。刀具具有一微米尺寸的陣列結構，並適合連接於該變幅桿下方。接合部包括一金屬材料，裝設於變幅桿及刀具之間。在變幅桿、接合部及刀具於接合前及接合後，接合部具有一外型上的變化。刀具至少包括一底材及一鑽石層。底材具有一上表面及一下表面，下表面位於上表面的相反側，其中上表面接觸變幅桿或接合部，下表面供設置該鑽石層。底材的材料可選自一熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間的鋼質材料、碳化鎢及其組合物所構成的群組。鑽石層的材料可選自一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間的鑽石材料、一多晶鑽石、一鑽石燒結體及其組合物所構成的群組。
在一實施例中，上述刀具除了底材及鑽石層之外，還包括一表層，表層與底材分別設於鑽石層的相對兩側。底材的材料係為熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間的鋼質材料。鑽石層包括一熱膨脹 係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間的電著鑽石顆粒及一熱膨脹係數介於4.80×10-6K-1至13.80×10-6K-1之間的電著金屬層，例如：鎳、鈷及鉬。並且，表層包括一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至13.50×10-6K-1之間的非金屬材料，其結構的緻密程度大於電著鑽石層。
在一實施例中，上述工具單元的刀具之表層的材料例如：鑽石、碳化鈦或其組合物。並且，刀具之表層與中間層之間具有一金屬緩衝層，金屬緩衝層的材料例如：鎳、鈦、鋁或其組合物。
在一實施例中，上述工具單元的變幅桿材料例如：鋼、不鏽鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金或其組合物。
在一實施例中，上述變幅桿之材料係為一鋼材，此時接合部包括一焊料，例如：銀銅、銀鋁、銀鎂、鋁銅、鋁鎂、銅鎂或其組合物。上述焊料還包括一添加物，例如：矽或鈦，例如一銀銅鎂鋁矽鈦合金，其中銀成分佔10wt%至50wt%、銅成分佔10wt%至50wt%、鎂成分佔0wt%至40wt%之間、鋁金屬成分佔0wt%至40wt%之間、矽金屬成分佔0wt%至20wt%之間、鈦金屬成分佔0wt%至20wt%之間。
在一實施例中，接合部之材料適合於600至650℃進行硬焊，而產生一介金屬化合物，其焊接強度可提高為600kg/mm2至800kg/mm2，其中該介金屬化合物係選自Ag、Ag3Fe2、FeCu4、Cu4W6、Al4Si、Mg2Si、Mg5Si6、Mg2Al3、MgAl2、MgAl、Mg2Al3、Al2W、Al5W、Al4W、FeSi、AlFe、AlFe3、TiC、FeTi所構成的群組。
在一實施例中，上述工具單元的變幅桿之下表面包括一錐形凸柱，接合部具有一錐形孔，可供錐形凸柱插接於其中，刀具之底材的上 表面具有一圓形凹槽，圓形凹槽的錐度與接合部的錐度相同，可供接合部置入其中。變幅桿的錐形凸柱之底端具有一第一直徑。接合部的錐形孔底端具有一第二直徑，且接合部具有一外徑。刀具的圓形凹槽具有一內徑。在變幅桿、接合部及刀具三者尚未接合前，第一直徑係大於第二直徑，外徑小於內徑，在三者接合後，接合部被錐形凸柱壓迫而使外徑變形而大於內徑。
在一實施例中，上述工具單元的變幅桿之下表面包括一凹槽，接合部具有一穿孔，凹槽的錐度與接合部的錐度相同，可供接合部置入其中，刀具之底材的上表面具有一凸柱，適合插接於穿孔中。
在一實施例中，上述工具單元的接合部的材料包括一形狀記憶合金，形狀記憶合金的相變溫度介於-180至110℃之間。
在一實施例中，上述工具單元的變幅桿、接合部及刀具的底材之材料的熱膨脹係數不同，其中接合部係為一熱膨脹係數介於10.7×10-6K-1至19.00×10-6K-1之間的金屬材料。
本發明的工具單元藉由刀具的多層結構之間的材料匹配而提高其硬度及耐磨耗，並且藉由刀具、接合部及變幅桿的緊密接合而能使超音波的波動傳遞更容易，使整體工具單元的振幅更加均勻，其裝設於超音波加工設備時，其加工精度可達到微米級。
1‧‧‧超音波加工設備
2,2a,2b,2c‧‧‧工具單元
21,21A,21B,21a,21b,21c‧‧‧刀具
22,22a,22b,22c‧‧‧變幅桿
23,23a,23b,23c‧‧‧接合部
211,211A,211B‧‧‧底材
2111‧‧‧(底材表面的)凸部
2112‧‧‧(底材表面的)凸部
212‧‧‧多晶鑽石層
213‧‧‧鑽石層
2131‧‧‧電著金屬層
2132‧‧‧電著鑽石顆粒
214‧‧‧金屬緩衝層
215‧‧‧(鑽石鍍膜)表層
216‧‧‧凹槽
221,221c‧‧‧凸柱
231‧‧‧錐形孔
d0‧‧‧變幅桿的錐形凸柱之底端的直徑
d1‧‧‧接合部的錐形孔底端的直徑
D1‧‧‧接合部的外徑
D0‧‧‧刀具的圓形凹槽之內徑
圖1係為本發明的超音波加工設備之一實施例的示意圖。
圖2係為本發明之應用於超音波加工的工具單元之一實施例的示意圖。
圖3係為本發明之工具單元及其刀具結構之第一實施例的示意圖。
圖4係為本發明之工具單元及其刀具結構之第二實施例的示意圖。
圖5係為本發明之工具單元及其緊配結構之第一實施例的示意圖，說明三種緊配方式。
圖5A至圖5C係為圖5所示之工具單元的緊配結構的分解示意圖。
圖6係為本發明之工具單元及其緊配結構之第二實施例示意圖。
圖7係為本發明之工具單元及其緊配結構之第三實施例示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。
參閱圖1，為本發明的超音波加工設備之一實施例。在一超音波加工設備1上安裝一本發明的工具單元2，其適用於硬脆材料，例如：陶瓷材料、玻璃、矽基板、碳化矽、藍寶石基板等材料之切割成型。
參閱圖2，為本發明之應用於超音波加工的工具單元之一實 施例的示意圖。工具單元2包含一刀具21、一變幅桿22以及一接合部23。變幅桿22夾設於超音波加工設備1下方，刀具21透過接合部23緊密接合於變幅桿22的下方。值得一提的是，刀具21是由多個材料層組成，藉由多個材料層的材料特性匹配，使刀具21不但可與接合部23及變幅桿22緊密接合，且刀具21的硬度足以使其加工硬脆材料的精度達到微米等級。此外，本發明亦利用刀具21、接合部23與變幅桿22三者的材料特性，使三者之間的連接結構更加緊密，進而使超音波加工設備1所產生的波動順利地經由變幅桿22傳遞至刀具21。
在本發明的實施例中，變幅桿22的材質可為輕合金材質或鋼鐵材質，例如：鋼(熱膨脹係數介於11.00×10-6K-1至13.00×10-6K-1之間)、不鏽鋼(熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間)、鋁合金(熱膨脹係數介於21.00×10-6K-1至25.00×10-6K-1之間)、鎂合金(熱膨脹係數介於25.00×10-6K-1至28.00×10-6K-1之間)、鈦合金(熱膨脹係數介於9.00×10-6K-1至13.00×10-6K-1之間)或其組合物(熱膨脹係數可能介於9.00×10-6K-1至28.00×10-6K-1之間)。接合部23的材料則需考量變幅桿22材質而定。對於輕合金材質之變幅桿22，其與接合部23及刀具21之間的連接適合採用緊配結構，亦即藉由接合部23受緊迫變形使刀具21和變幅桿22緊密固鎖而使三者形成一整體。對於鋼鐵材質之變幅桿22，其與接合部23及刀具21之間的連接適合採用硬焊結構，亦即將接合部23作硬焊處理使其變形並產生良好機械特性的介金屬化合物，而使刀具21和變幅桿22緊密固鎖而使三者形成一整體。概括而言，接合時無論採用緊配結構或硬焊結構，接合部23皆會產生外型上的變化。
關於刀具21的結構，以圖3及圖4列舉實施例說明如下。
參閱圖3，為本發明之工具單元2的刀具結構之第一實施例。相較於圖4，圖3之實施例顯示一形狀較複雜、較難以加工成型的刀具21A結構。刀具21A包含一底材211A、一中間層213及一表層215。中間層213位於底材211A及表層215之間。在表層215與中間層213之間還具有一金屬緩衝層214。在本實施例中，底材211A可為鋼、不鏽鋼等鋼鐵材質製成。中間層213包含一電著金屬層2131與一電著鑽石顆粒2132。金屬緩衝層214之結構可為單層或多層金屬鍍膜。表層215可為一鑽石鍍膜，也可為一鑽石和碳化物之組合膜。
本實施例的刀具21A係使用既有加工方式於鋼鐵材料加工出所要的形狀作為底材211A，再以電著鑽石顆粒2132(熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間)並鍍製鑽石表層215(熱膨脹係數為1.00×10-6K-1)而形成多層鑽石複合膜於底材211A表面上。圖3所示的底材211A表面具有複數凸部2111及2112，這些凸部2111、2112的形狀可以相同或不同，其具有微米尺寸，可排列成一陣列結構。電著金屬層2131採用鎳(熱膨脹係數介於13.00×10-6K-1至13.40×10-6K-1之間)、鈷(熱膨脹係數介於13.00×10-6K-1至13.80×10-6K-1之間)、鉬(熱膨脹係數約4.80×10-6K-1)或其組合物(熱膨脹係數可能介於4.80×10-6K-1至13.80×10-6K-1之間)等金屬材料，可和底材211A形成良好鍵結性，鑽石顆粒2132係利用電著金屬層2131黏著於底材211A上。隨後鍍製金屬緩衝層214，其材料為鎳、鋁或鈦，可為單層或多層以上的鍍膜。隨著金屬緩衝層214與電著金屬層2131的材料匹配，金屬緩衝層214可和電著金屬層2131形成高強度之介面。最後再鍍製鑽石鍍膜於金 屬緩衝層214上而形成緻密的鑽石表層215。上述多層鑽石複合膜結構可提高刀具21A的耐磨性。由於金屬緩衝層214提供與鑽石表層215較接近的材料匹配條件，因此鑽石表層215與金屬緩衝層214的接合性優於習知將鑽石膜直接鍍在底材表面上。
另外，於鍍製鑽石表層215的過程中，鑽石成份可能與金屬緩衝層214生成碳化物，例如碳化鈦(TiC；熱膨脹係數介於7.70×10-6K-1至13.50×10-6K-1之間)，因此鑽石表層可能是一鑽石與碳化鈦的組合膜(熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至13.50×10-6K-1之間)，此碳化物除本身質硬、強度佳，可提供金屬緩衝層214與鑽石表層215一良好接合介面外、也可作為鑽石表層215成長的基材，使鑽石表層215更容易鍍製、表面結構更緻密。
將本實施例所得之多層鑽石複合膜與習知技術相比較，習知技術未考慮鑽石鍍層與底材層結構的關係，如晶格匹配性、鍍製膜與底材的接合性等。但本實施例的多層鑽石複合膜，除提供多層鑽石結構外，鑽石膜與底材間及各金屬膜間的接合性也遠超過習知鑽石鍍膜與底材間的接合性。因前述特性，是故即便在長時效、高磨耗的超音波加工環境，也能表現出高耐磨與高抗疲勞之表徵，更適合應用於超音波加工的超硬刀具上。
參閱圖4，為本發明之工具單元2的刀具結構之第二實施例。圖4之實施例顯示一形狀較圖3簡單、易加工成型的刀具21B結構。刀具21B包括一底材211B及一鑽石層212，鑽石層212設置於底材211B的下方。底材211B係為碳化鎢材質(熱膨脹係數介於4.00×10-6K-1至7.00×10-6K-1之間)，而鑽石層212的組成包括鑽石燒結體及燒結助劑，其中鑽石成分超過85wt%，燒結助劑成分不超過15wt%。鑽石燒結體是將單晶鑽石跟多晶鑽石燒結，或 是單純由多晶鑽石燒結而形成的。燒結助劑的材料包含鐵、鈷、鎳。因多晶鑽石是多個單晶鑽石之集合體，較圖3所示之表層215的鑽石鍍膜有較佳的強度與耐磨耗特性，同時也較單晶鑽石具有更佳的均向性，因此以多晶鑽石為基材的鑽石層212其強度和硬度相當高。在本實施例中，刀具21B具有一陣列結構，其外型是由鑽石層212經加工而形成的，因此該陣列結構的硬度相當高。
關於變幅桿22、接合部23及刀具21之間的緊配結構，請參照圖5及圖5A至5C、圖6及圖7，並列舉實施例說明如下。
參閱圖5，為本發明之工具單元2a的緊配結構之第一實施例，係將變幅桿、接合部及刀具三者的形狀及尺寸等機械結構設計如圖5A至5C所示，來達成緊密固鎖的目的。在本實施例中，變幅桿22a為輕合金材質製成，例如：鋁合金、鎂合金或鈦合金。變幅桿22a之下表面包括一錐形凸柱221。接合部23a具有一錐形孔231，可供錐形凸柱221插接於其中。刀具21a之底材的上表面具有一圓形凹槽216，圓形凹槽216的錐度與接合部23a的錐度相同，因此可供接合部23a置入其中。變幅桿22a的錐形凸柱221之底端具有一第一直徑d0。接合部23a的錐形孔231底端具有一第二直徑d1，且接合部23a具有一外徑D1。刀具21a的圓形凹槽216具有一內徑D0。在變幅桿22a、接合部23a及刀具21a三者尚未接合前，第一直徑d0略大於第二直徑d1，外徑D1小於內徑D0，在三者接合後，接合部23a被錐形凸柱221壓迫而變形，使外徑D1大於內徑D0，而形成緊密固鎖。概括而言，本實施例是藉由變幅桿22a的一第一直徑d0及接合部23a的第二直徑d1之尺寸設計來控制接合部23a的形變量，進而控制變幅桿22a、接合部23a與刀具21a三者接合的緊迫程 度。
仍請參閱圖5的結構，說明本發明之工具單元2a的緊配結構之第二實施例，若接合部23a的材料係採用一形狀記憶合金，例如：鎳鋁合金(相變溫度介於-180至100℃之間)、鎳鈦合金(相變溫度介於-50至110℃之間)或其組合物(相變溫度可能介於-180至110℃之間)，亦可達成緊密固鎖的目的。形狀記憶合金於低溫(亦即低於麻田散體相變溫度)時為收縮狀態，高溫(亦即高於沃斯田體相變溫度)時為伸長及擴張狀態。因此可於低溫收縮狀態時將形狀記憶合金加工成所需的接合部23a形狀，並於低溫時進行組裝接合。接合後回復高溫或常溫時，接合部23a相對地伸長或擴張而回復為原狀，此時將產生足夠的接合應力使變幅桿22a與刀具21a緊密地固鎖在一起。
仍以圖5的結構說明本發明之工具單元2a的緊配結構之第三實施例，其利用變幅桿、接合部及刀具三者的材料的熱膨脹係數的匹配或差異性，來達成緊密固鎖的目的。在本實施例的緊配結構中，接合部23a的材料可選用一熱膨脹係數介於10.7×10-6K-1至19.00×10-6K-1之間的金屬材料，例如黃銅(熱膨脹係數介於17.5×10-6K-1至19.00×10-6K-1之間)、銅(熱膨脹係數介於16.5×10-6K-1至17.00×10-6K-1之間)或不鏽鋼(熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間)。
配合圖5的結構，若變幅桿22a的熱膨脹係數大於接合部23a的熱膨脹係數，且接合部23a的熱膨脹係數大於刀具21a的熱膨脹係數，在低溫(例如：5℃)時加工至所需的尺寸，並進行組裝或接合，則當回復常溫(例如：25℃)時，由於熱膨脹係數的差異，造成變幅桿22a的體積膨脹量大於接合部23a的體積膨脹量，且接合部23a的體積膨脹量大於刀具21a的體積膨脹 量，配合圖5所示的工具單元2a結構，三者體積膨脹量的差異將能提供足夠的應力而使三者緊密接合。值得一提的是，當工具單元2a開始運作時，溫度可能上升至例如45℃，此時變幅桿22a、接合部23a及刀具21a三者的接合會更緊密。
參閱圖6，為本發明之工具單元2b的緊配結構之第四實施例。圖6的變幅桿22b的凸部與接合部23b的穿孔之外型與圖5所示不同，顯示在圖5的三種緊配方式下，變幅桿22b、接合部23b及刀具21b的結構或尺寸可視實際需要而調整，不限於圖5所示的構造。
參閱圖7，為本發明之工具單元2的緊配結構之第五實施例。在本實施例中，工具單元2c的變幅桿22c之下表面包括一凹槽，接合部23c具有一穿孔，凹槽的錐度與接合部23c的錐度相同，可供接合部23c置入其中，刀具21c之底材的上表面具有一凸柱221c，適合插接於穿孔中。
若將圖7的結構配合機械結構設計來達成緊密固鎖時，接合部23c外徑與變幅桿22c的凹槽內徑相配合。在變幅桿22c、接合部23c與刀具21c三者接合前，錐形凸柱221c的頂端直徑大於接合部23c之穿孔頂端的直徑，接合後，接合部23c被凸柱221c壓迫而變形而達成緊密接合。
此外圖7的結構中，接合部23c亦可採用形狀記憶合金，或是利用熱膨脹係數的差異來達成緊密固鎖。需注意的是，圖7的結構中，變幅桿22c的熱膨脹係數應小於接合部23c的熱膨脹係數，且接合部23c的熱膨脹係數應小於刀具21c的熱膨脹係數，方能達成緊密固鎖的目的。
依據圖5至圖7所示的緊配結構，接合部與變幅桿之間或是接合部與刀具之間，皆具有更大的接合面積與接合力，故可較習知螺絲旋轉 固定或是使用金屬扣環接合有更緊密之接合。因此，超音波的波動更容易由變幅桿傳遞至刀具，使工具單元的振幅更加均勻，進而使工具單元的加工精度達到微米級。
關於變幅桿22、接合部23及刀具21之間的硬焊結構，請參照圖2，列舉實施例說明如下。
在本實施例中，變幅桿22為鋼鐵材質製成。對接合部23包括一焊料，對其施以硬焊處理(brazing)使刀具21與變幅桿22結合。由於變幅桿21的材料熔點低，例如不銹鋼材質製成的變幅桿21，則熔點約在1500℃。若配合碳化鎢材料製成的刀具21之底材，熔點約在2870℃，則接合部23的硬焊溫度為700℃即可硬焊完成，並會在接合部23及刀具21之間產生一介金屬化合物，以增加焊接強度。
詳細來說，硬焊處理(brazing)的硬焊溫度一般高於450℃。然而，由於刀具21具有鑽石成份，故接合部23與刀具21之間適合的硬焊溫度最好低於700℃，以避免將鑽石結構催化變成石墨，較佳的硬焊溫度為600℃至650℃之間。依據成相原理，兩種或多種合金材料具有一共晶溫度。因此，選用銀銅鎂鋁矽鈦合金材料為主，製成的接合部23有共晶溫度，所以硬焊時可降低硬焊溫度，故接合部23可在硬焊溫度不高於700℃即可與刀具21完成硬焊，並會產生介金屬化合物，以增加焊接強度。據上述，接合部23的焊料可選用銀銅(熱膨脹係數介於17.00×10-6K-1至18.00×10-6K-1之間；共晶溫度780℃)、銀鋁(熱膨脹係數介於19.00×10-6K-1至23.00×10-6K-1之間；共晶溫度介於567℃至726℃之間)、銀鎂(熱膨脹係數介於19.00×10-6K-1至25.00×10-6K-1之間；共晶溫度介於492℃至756℃之間)、鋁銅(熱膨脹係數介 於17.00×10-6K-1至23.00×10-6K-1之間；共晶溫度介於547℃至596℃之間)、鋁鎂(熱膨脹係數介於23.00×10-6K-1至25.00×10-6K-1之間；共晶溫度459℃)、銅鎂(熱膨脹係數介於17.00×10-6K-1至25.00×10-6K-1之間；共晶溫度介於570℃至797℃之間)或其組合物(熱膨脹係數介於17.00×10-6K-1至25.00×10-6K-1之間；共晶溫度介於492℃至780℃之間)。上述焊料還可包括一添加物，例如：矽或鈦，以增加強度。
在本實施例的接合部23之焊料中，銀成分佔10wt%至50wt%、銅成分佔10wt%至50wt%、鎂成分佔0wt%至40wt%之間、鋁金屬成分佔0wt%至40wt%之間、矽金屬成分佔0wt%至20wt%之間、鈦金屬成分佔0wt%至20wt%之間。由於銀銅鎂鋁矽鈦合金組成的焊料(共晶溫度介於459℃至638℃之間)，可與變幅桿22和刀具21的底材反應產生一介金屬化合物。該介金屬化合物可能包含Ag、Ag3Fe2、FeCu4、Cu4W6、Al4Si、Mg2Si、Mg5Si6、Mg2Al3、MgAl2、MgAl、Mg2Al3、Al2W、Al5W、Al4W、FeSi、AlFe、AlFe3、TiC、FeTi等成分，其焊接強度可達600kg/mm2至800kg/mm2，大幅提高焊接強度使變幅桿22和刀具21在硬焊後形成一體化之工具單元2，因此使超音波的波動傳遞更容易，且工具單元2的振幅更加均勻，可使超音波加工設備的工具單元2的加工精度達到微米級。
依據上述所有實施例，概括而言，本發明的超音波加工設備的工具單元，至少包括一變幅桿、一刀具及一接合部。刀具具有一微米尺寸的陣列結構，並適合連接於該變幅桿下方。接合部至少包括一金屬材料，裝設於變幅桿及刀具之間。在變幅桿、接合部及刀具接合前及接合後，接合部具有一外型上的變化。上述刀具至少包括一底材及一鑽石層。鑽石層 設於底材之下。底材具有一上表面及一下表面，下表面位於上表面的相反側。底材的上表面接觸變幅桿。底材與鑽石層的材料匹配至少應如下：底材的材料係選自一熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間的鋼質材料、碳化鎢及其組合物所構成的群組。鑽石層的材料至少包括一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間的鑽石材料。
具有上述基本結構的工具單元，當其安裝於超音波加工設備上，對陶瓷或脆硬材料進行加工時，其精度確實可達到微米尺寸，且可保持具長時間和具耐磨耗之加工功效。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
21A‧‧‧刀具
213‧‧‧鑽石層
22‧‧‧變幅桿
2131‧‧‧電著金屬層
23‧‧‧接合部
2132‧‧‧電著鑽石顆粒
211A‧‧‧底材
214‧‧‧金屬緩衝層
2111‧‧‧(底材表面的)凸部
215‧‧‧(鑽石鍍膜)表層
2112‧‧‧(底材表面的)凸部

Claims (15)

  1. 一種應用於超音波加工的工具單元，包括：一變幅桿；一刀具，具有一微米尺寸的陣列結構，並適合連接於該變幅桿下方，其包括：一底材，其具有一上表面及一下表面，該下表面位於該上表面的相反側，其中該底材的材料係選自一熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間的鋼質材料、碳化鎢及其組合物所構成的群組；一鑽石層，位於該底材之該下表面，該鑽石層的材料係選自一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間的鑽石材料、一多晶鑽石、一鑽石燒結體及其組合物所構成的群組；以及一接合部，包括一金屬材料，裝設於該變幅桿及該刀具的該底材的該上表面之間，其中在該變幅桿、該接合部及該刀具於接合前及接合後，該接合部具有一外型上的變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該刀具包括一表層，其與該底材分別設於該鑽石層的相對兩側，其中該底材的材料係為該熱膨脹係數介於10.70×10-6K-1至17.30×10-6K-1之間的鋼質材料，該鑽石層包括一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至2.50×10-6K-1之間的電著鑽石顆粒及一熱膨脹係數介於4.80×10-6K-1至13.80×10-6K-1之間的電著金屬層，並且該表層包括一熱膨脹係數介於1.00×10-6K-1至13.50×10-6K-1之間的非金屬材料，其結構的緻密程度大於該電著鑽石層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該刀具 之該鑽石層所包含的該電著金屬層之材料係選自鎳、鈷及鉬所構成的群組其中之一。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該刀具之該表層的材料係選自鑽石、碳化鈦及其組合物所構成的群組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該刀具之該表層與該鑽石層之間具有一金屬緩衝層，該金屬緩衝層的材料係選自鎳、鈦、鋁及其組合物所構成的群組。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該刀具之該底材之材料係為碳化鎢，並且該鑽石層包括一鑽石燒結體及一燒結助劑，該鑽石燒結體超過85wt%，該燒結助劑不超過15wt%，其中該鑽石燒結體係由一多晶鑽石經燒結而得，該燒結助劑之成分係選自鐵、鈷、鎳及其組合物所構成的群組。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該變幅桿的材料係選自鋼、不鏽鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金及其組合物所構成的群組中。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該變幅桿之材料包括一鋼材，且該接合部包括一焊料，該焊料係選自銀銅、銀鋁、銀鎂、鋁銅、鋁鎂、銅鎂及其組合物所構成的群組。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該接合部之該焊料包括一添加物，該添加物係選自矽及鈦所構成的群組其中之一。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該變 幅桿之材料包括一鋼材，且該接合部包括一焊料，該焊料係為一銀銅鎂鋁矽鈦合金，其中銀成分佔10wt%至50wt%、銅成分佔10wt%至50wt%、鎂成分佔0wt%至40wt%之間、鋁金屬成分佔0wt%至40wt%之間、矽成分佔0wt%至20wt%之間、鈦金屬成分佔0wt%至20wt%之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該接合部之材料適合於600至650℃之間進行硬焊，而產生一介金屬化合物，其焊接強度可提高為600kg/mm2至800kg/mm2，其中該介金屬化合物係選自Ag、Ag3Fe2、FeCu4、Cu4W6、Al4Si、Mg2Si、Mg5Si6、Mg2Al3、MgAl2、MgAl、Mg2Al3、Al2W、Al5W、Al4W、FeSi、AlFe、AlFe3、TiC、FeTi所構成的群組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該變幅桿之該下表面包括一錐形凸柱，該接合部具有一錐形孔，可供該錐形凸柱插接於其中，該刀具之該底材的該上表面具有一圓形凹槽，該圓形凹槽的錐度與該接合部的錐度相同，可供該接合部置入其中，該錐形凸柱之底端具有一第一直徑，該錐形孔底端具有一第二直徑，該接合部具有一外徑，該圓形凹槽具有一內徑，在該變幅桿、該接合部及該刀具三者尚未接合前，該第一直徑係大於第二直徑，該外徑小於該內徑，在該三者接合後，該接合部被該錐形凸柱壓迫而使該外徑變形而大於該內徑。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該變幅桿之該下表面包括一凹槽，該接合部具有一穿孔，該圓形凹槽可供該接合部置入其中，該刀具之該底材的該上表面具有一凸柱，適合插接於該穿孔中而接觸該變幅桿。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該接合部的材料包括一形狀記憶合金，該形狀記憶合金的相變溫度介於-180至110℃之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之應用於超音波加工的工具單元，其中該接合部係為一熱膨脹係數介於10.7×10-6K-1至19.00×10-6K-1之間的金屬材料，並且該變幅桿、該接合部及該刀具的該底材三者之材料的熱膨脹係數不同。
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