Ultraschallbearbeitung (USM):Mechanik, Prozessparameter, Elemente, Werkzeuge und Eigenschaften

In diesem Artikel werden wir über die Ultraschallbearbeitung diskutieren:- 1. Ultraschallbearbeitung (USM) und Ultraschallbearbeitungswerkzeug 2. Mechanik von USM 3. Prozessparameter von USM und ihre Wirkung 4. Komponenten der Ultraschallbearbeitung 5. Eigenschaften von Ultraschallbearbeitung.

Inhalt:

1. Ultraschallbearbeitung (USM) und Ultraschallbearbeitungswerkzeug
2. Mechanik von USM
3. Prozessparameter von USM und seine Wirkung
4. Komponenten der Ultraschallbearbeitung
5. Eigenschaften von USM

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1. Ultraschallbearbeitung (USM) und Ultraschallbearbeitungswerkzeug :

Der Einsatz von Ultraschall bei der Bearbeitung wurde erstmals 1945 von L. Balamuth vorgeschlagen. Der erste Bericht über die Ausrüstung und Technologie erschien 1951-52. Bis 1954 wurden die Werkzeugmaschinen nach dem Ultraschallprinzip konstruiert und gebaut. Ursprünglich war USM ein Veredelungsbetrieb für die von den Elektrofunkenmaschinen bearbeiteten Bauteile. Diese Verwendung verlor jedoch aufgrund der Entwicklungen in der Elektroerosionsbearbeitung an Bedeutung.

Aber mit dem Boom der Festkörperelektronik wurde die Bearbeitung von elektrisch nichtleitenden, halbleitenden und spröden Werkstoffen immer wichtiger und aus diesem Grund wieder die Ultraschallbearbeitung an Bedeutung und Bedeutung gewonnen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Typen von Ultraschallwerkzeugmaschinen entwickelt. Natürlich ist die USM-Technik noch lange nicht perfekt.

Das grundlegende USM-Verfahren besteht darin, dass ein Werkzeug (aus einem duktilen und zähen Material) mit einer sehr hohen Frequenz vibriert und ein kontinuierlicher Strahl einer Schleifmittelaufschlämmung in den kleinen Spalt zwischen dem Werkzeug und der Arbeitsfläche fließt. . Das Werkzeug wird nach und nach mit gleichmäßiger Kraft vorgeschoben. Der Aufprall der harten Schleifkörner bricht die harte und spröde Arbeitsfläche, was zum Abtrag des Arbeitsmaterials in Form von kleinen Abriebpartikeln führt, die von der Schleifmittelaufschlämmung weggetragen werden. Das Werkzeugmaterial, das zäh und duktil ist, nutzt sich viel langsamer ab.

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2. Mechanik von USM:

Die Physik der Ultraschallbearbeitung ist weder vollständig noch unumstritten.

Die Gründe für die Materialentfernung während des USM sind vermutlich:

(i) Das Hämmern der Schleifpartikel auf der Arbeitsfläche durch das Werkzeug,

(ii) Der Aufprall der freien Schleifpartikel auf der Arbeitsfläche,

(iii) Erosion aufgrund von Kavitation und

(iv) Die chemische Wirkung der verwendeten Flüssigkeit.

Eine Reihe von Forschern haben versucht, Theorien zu entwickeln, um die Eigenschaften der Ultraschallbearbeitung vorherzusagen. Das von M.C. Shaw wird im Allgemeinen gut akzeptiert und erklärt den Materialabtragsprozess trotz seiner Einschränkungen einigermaßen gut. In diesem Modell wird der direkte Einfluss des Werkzeugs auf die werkstückberührenden Körner (die für den Großteil des Materialabtrags verantwortlich sind) berücksichtigt.

Außerdem werden folgende Annahmen getroffen:

(i) Die Abtragsrate des Arbeitsmaterials ist proportional zum Volumen des Arbeitsmaterials pro Schlag,

(ii) Die Abtragsrate des Arbeitsmaterials ist proportional zur Anzahl der Partikel, die pro Zyklus aufprallen,

(iii) Die Abtragsrate des Arbeitsmaterials ist proportional zur Frequenz (Anzahl der Zyklen pro Zeiteinheit),

(iv) Alle Auswirkungen sind identisch,

(v) Alle Schleifkörner sind identisch und kugelförmig.

Betrachten wir nun den Einfluss eines starren, kugelförmigen Schleifkorns mit einem Durchmesser auf die Arbeitsfläche. Abbildung 6.9 zeigt die Eindrückung, die durch einen solchen Aufprall zu einem bestimmten Zeitpunkt verursacht wird.

Wenn D der Durchmesser der Vertiefung zu einem bestimmten Zeitpunkt und h die entsprechende Eindringtiefe ist, erhalten wir aus Abb. 6.9

Die verschiedenen Werkzeugpositionen während eines Zyklus sind in Abb. 6.11 dargestellt. Die Position A zeigt den Moment an, in dem die Werkzeugstirnfläche das Schleifkorn berührt, und die Bewegungsdauer von A nach B repräsentiert den Aufprall. Die Einrückungen, verursacht durch die Korn auf dem Werkzeug und die Arbeitsfläche an der äußersten unteren Position des Werkzeugs sind in Abb. 6.12 dargestellt. Wenn der Weg, den das Werkzeug von der Position A zur Position B zurücklegt, h (die Gesamteindrückung) beträgt, dann-

Da die Fließspannung σ und die Brinellhärte H gleich sind, ergeben die Gleichungen (6.6) und (6.7) –

Dieser Materialabtrag erfolgt durch die direkte Hämmerwirkung der Körner aufgrund des vibrierenden Werkzeugs. Einige Körner, die von der sich schnell bewegenden Werkzeugstirnfläche reflektiert werden, treffen auch auf die Arbeitsfläche auf, und wir können die durch diese frei beweglichen Körner verursachte Eindrückung abschätzen. Abbildung 6.13 zeigt eine vom Werkzeug reflektierte Körnung. Während der Vibration beträgt die maximale Geschwindigkeit der Werkzeugstirnfläche 2πvA.

Da die ursprüngliche Geschwindigkeit eines Schleifkorns klein ist, liegt seine maximale Geschwindigkeit offensichtlich in der Größenordnung von 2πvA. Die entsprechende maximale kinetische Energie des Schleifkorns ist also gegeben durch –

Wobei ρ die Dichte des Schleifmaterials ist. Geht man davon aus, dass beim Eindrücken durch ein solches auftreffendes Korn die Anpresskraft linear mit dem Eindruck zunimmt, dann –

Vergleich der Werte von h_w und h’_w Unter normalen Bedingungen sehen wir, dass h’_w ist sehr klein im Vergleich zu h_w , so dass der größte Teil des Materials durch die direkt auftreffenden Schleifkörner abgetragen wird.

Relation (6.11) gibt an, dass die Materialabtragsrate proportional zu d ^1/4 . ist , aber eigentlich ist es proportional zu d. Diese Diskrepanz zwischen der theoretischen Vorhersage und der beobachteten Tatsache wurde von Shaw wie folgt erklärt.

Die tatsächliche Form eines Schleifkorns ist nicht kugelförmig, wie in Abb. 6.14 gezeigt. Anstelle einer glatten Oberfläche hat es Vorsprünge mit einem durchschnittlichen Durchmesser d₁ .

Der durchschnittliche Durchmesser der Vorsprünge ist proportional zum Quadrat des Nenndurchmessers des Korns (d). Also,

Relation (6.18) zeigt, dass mrr proportional zu d ist, was auch experimentell bestätigt wurde.

Die Shaw-Theorie hat eine Reihe von Einschränkungen. Beispielsweise werden die Auswirkungen der Variation von A, F und v nicht korrekt vorhergesagt. Wenn F erhöht wird, erhöht sich mrr, wie in Abb. 6.15 gezeigt. Dies wird auch durch die Beziehung (6.18) bestätigt. In der Praxis beginnt Q jedoch ab einem gewissen Wert von F abzunehmen, da die Schleifkörner unter starker Belastung zerkleinert werden.

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3. Prozessparameter von USM und seine Wirkung:

Die wichtigen Parameter, die den Prozess beeinflussen, sind:

(i) Häufigkeit:

Wie aus Beziehung (6.18) ersichtlich, steigt der mrr linear mit der Frequenz an. Auch in der Praxis nimmt der mrr mit der Frequenz zu (siehe Abb. 6.16a), aber die tatsächliche Kennlinie ist nicht exakt linear. Der mrr ist tendenziell etwas niedriger als der theoretisch vorhergesagte Wert.

(ii) Amplitude:

Wenn die Schwingungsamplitude erhöht wird, wird erwartet, dass der mrr ansteigt, wie aus der Beziehung (6.18) ersichtlich ist. Die tatsächliche Art der Variation ist in Abb. 6.16b für verschiedene Werte der Frequenz dargestellt. Auch hier unterscheidet sich die tatsächliche Charakteristik etwas von der theoretisch vorhergesagten. Die Hauptursache für die Diskrepanz ist die Tatsache, dass wir die Eindringdauer Δt unter Berücksichtigung der Durchschnittsgeschwindigkeit (=A/(T/4)) berechnet haben. Die Charakteristik der Variation von Δt, gegeben durch –

ist ganz anders als der ungefähre Ausdruck, d. h. (h / A)(T / 4).

(iii) Statische Belastung (Vorschubkraft):

Mit einer Zunahme der statischen Belastung (d. h. der Vorschubkraft) steigt der mrr tendenziell an. In der Praxis neigt sie jedoch dazu, über einen bestimmten kritischen Wert der Kraft hinaus abzunehmen, wenn die Körner beginnen, zerkleinert zu werden. Die Art der Variation des mrr mit der Vorschubkraft (für verschiedene Amplituden) ist in Abb. 6.17a dargestellt.

(iv) Härteverhältnis von Werkzeug und Werkstück:

Das Verhältnis von Werkstückhärte und Werkzeughärte beeinflusst den mrr ganz erheblich, die Kennlinie ist wie in Abb. 6.17b dargestellt. Neben der Härte spielt die Sprödigkeit des Werkstoffes eine sehr dominante Rolle. Tabelle 6.2 gibt die relativen Zeitspanvolumen für verschiedene Werkstoffe an, wobei die anderen Parameter gleich bleiben. Ein spröderes Material wird offensichtlich schneller bearbeitet.

(v) Korngröße:

Relation (6.18) gibt an, dass der mrr proportional zum mittleren Korndurchmesser d ansteigen sollte. Wenn d jedoch zu groß wird und sich dem Betrag der Amplitude A annähert, nimmt die Quetschneigung zu, was zu einem Abfall des mrr führt, wie in Abb. 6.18a gezeigt.

(vi) Schleifmittelkonzentration in der Aufschlämmung:

Da die Konzentration direkt die Anzahl der Körner steuert, die einen Aufprall pro Zyklus erzeugen, und auch die Stärke jedes Aufpralls, wird erwartet, dass der mrr von C abhängt. Aber die Beziehung (6.18) zeigt, dass der mrr erwartet wird proportional zu C ^1/4 . sein . Die tatsächliche Variation ist in Abb. 6.18b für B₄ . dargestellt C- und SiC-Schleifmittel. Dies stimmt ziemlich gut mit der theoretischen Vorhersage überein. Da der mrr mit C ^1/4 . ansteigt , ist der Anstieg des mrr ziemlich gering, nachdem C 30% überschritten hat. Eine weitere Erhöhung der Konzentration hilft also nicht.

Einige physikalische Eigenschaften (z. B. Viskosität) des für die Aufschlämmung verwendeten Fluids beeinflussen auch den mrr. Versuche zeigen, dass der mrr mit steigender Viskosität sinkt (Abb. 6.19a).

Obwohl der mrr ein sehr wichtiger Faktor für die Beurteilung der Leistung eines USM-Vorgangs ist, muss auch die erzielte Oberflächenqualität für eine angemessene Bewertung berücksichtigt werden. Bei einer USM-Operation hängt die Oberflächengüte hauptsächlich von der Größe der Schleifkörner ab. Abbildung 6.19b zeigt einen typischen Verlauf des Mittelwertes der Oberflächenunebenheit mit der mittleren Korngröße sowohl für den Werkstoff Glas als auch für Wolframcarbid.

Es ist klar, dass die Oberflächenbeschaffenheit bei Glas viel empfindlicher auf die Korngröße reagiert. Dies liegt daran, dass bei einer hohen Härte die Größe der durch einen Sprödbruch abgelösten Bruchstücke nicht stark von der Größe der auftreffenden Partikel abhängt.

Auswirkungen von USM auf Materialien:

Da die erforderliche Schnittkraft sehr gering ist, erzeugt der Prozess keine nennenswerten Spannungen und Erwärmungen. Die Materialstruktur bleibt also unberührt. Beim Durchschneiden eines Lochs kann es jedoch zu Absplitterungen an der Austrittsseite des Lochs kommen. Um dies zu vermeiden, wird das Werkstück aus sprödem Material auf einer üblicherweise aus Glas bestehenden Unterlage befestigt.

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4. Komponenten der Ultraschallbearbeitung:

Die wichtigsten Komponenten der Maschine sind:

(i) Akustikkopf :

Der Akustikkopf (Abb. 6.22) ist vielleicht der wichtigste Teil der Maschine. Seine Funktion besteht darin, eine Schwingung im Werkzeug zu erzeugen. Es besteht aus einem Generator zur Bereitstellung eines hochfrequenten elektrischen Stroms, einem Wandler zur Umwandlung in eine mechanische Bewegung in Form einer hochfrequenten Schwingung, einer Halterung zum Halten des Kopfes und einem Konzentrator zur mechanischen Verstärkung der Schwingung bei gleichzeitiger Übertragung auf das Werkzeug.

Die meisten Wandler arbeiten nach dem magnetostriktiven Prinzip aufgrund des hohen Wirkungsgrades, der hohen Zuverlässigkeit im Bereich von 15-30 kHz, der niedrigen Versorgungsspannung und der einfachen Kühlanordnung. Stanzteile werden verwendet, um Verluste wie bei Transformatoren zu reduzieren. Die Abmessungen sind so gewählt, dass die Eigenfrequenz mit der Netzfrequenz übereinstimmt. Fast alle modernen Maschinen verwenden die Magnetostriktionswandler aus Nickel (Stanzungen von 0,1-0,2 mm Dicke).

Der Hauptzweck des Konzentrators besteht darin, die Amplitude auf das zum Schneiden erforderliche Niveau zu erhöhen. Es werden verschiedene Arten von Konzentratoren verwendet (Abb. 6.23a). Abbildung 6.23b zeigt, wie die Amplitude der Längsschwingung der Wandler-Konzentrator-Anordnung verstärkt wird. Es ist zu beachten, dass das System wie gezeigt an einem Knotenpunkt am Hauptkörper gehalten werden muss.

(ii) Zufuhrmechanismus :

Das Ziel des Vorschubmechanismus besteht darin, die Arbeitskraft während des Bearbeitungsvorgangs aufzubringen. Ein Instrument, das die Bewegung des Werkzeugs anzeigt, zeigt die Bearbeitungstiefe an.

Die grundlegenden Arten von Zufuhrmechanismen sind:

(a) Gegengewichtstyp,

(b) Federtyp,

(c) Pneumatische und hydraulische Ausführung,

(d) Motortyp.

(iii) Werkzeug:

Das Werkzeug besteht aus einem starken, aber gleichzeitig duktilen Metall. Im Allgemeinen werden rostfreie Stähle und kohlenstoffarme Stähle für die Herstellung der Werkzeuge verwendet. Aluminium- und Messingwerkzeuge verschleißen zehn- bzw. fünfmal schneller als Stahlwerkzeuge. Die geometrischen Merkmale werden durch den Prozess bestimmt. Der Durchmesser des um das Werkzeug umschriebenen Kreises sollte nicht mehr als das 1,5- bis 2-fache des Durchmessers des Endes des Konzentrators betragen, und das Werkzeug sollte so kurz und steif wie möglich sein.

Wenn das Werkzeug hohl ausgeführt ist, sollte die Innenkontur parallel zur Außenkontur sein, um einen gleichmäßigen Verschleiß zu gewährleisten. Die Dicke einer Wand oder eines Vorsprungs sollte mindestens das Fünffache der Korngröße des Schleifmittels betragen. Bei einem Hohlwerkzeug sollten die Wände nicht dünner als 0,5 mm bis 0,8 mm ausgeführt werden. Bei der Werkzeugkonstruktion sollte das seitliche Spiel berücksichtigt werden, das je nach Korngröße des Schleifmittels normalerweise in der Größenordnung von 0,06 mm bis 0,36 mm liegt.

(iv) Schleifmittelaufschlämmung:

Die gebräuchlichsten Schleifmittel sind – (i) Borcarbid (B₄ C), (ii) Siliziumkarbid (SiC), (iii) Korund (Al₂ .) O₃ ), (iv) Diamant und (v) Borsilicarbid (sehr effizient), dessen Schleifkraft etwa 10 % höher ist als die von B₄ C. B₄ C ist das beste und effizienteste unter den anderen, aber es ist teuer. SiC wird auf Glas, Germanium und einigen Keramiken verwendet. Die Schnittzeit bei SiC beträgt ca. 20-40 % mehr als bei B₄ C. Korund ist viel weniger effizient und die Schnittzeit beträgt etwa das 3-4-fache der von B₄ C. Diamantstaub wird nur zum Schleifen von Diamanten und Rubinen verwendet.

Obwohl Wasser die am häufigsten verwendete Flüssigkeit in der Aufschlämmung ist, werden auch andere Flüssigkeiten wie Benzol, Glycerin und Öle verwendet. Es hat sich gezeigt, dass der mrr mit steigender Viskosität tendenziell abnimmt.

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5. Eigenschaften von USM:

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