Wie funktioniert die Ultraschallbearbeitung? Funktionsprinzip &Vorteile

In diesem Artikel erfahren Sie, was Ultraschallbearbeitung ist ? wie funktioniert es? Teile, Anwendungen , Vorteile, und Nachteile der Ultraschallbearbeitung. Herunterladen das kostenlose PDF Datei dieses Artikels am Ende.

Ultraschall-Bearbeitungsprozess

Was ist Ultraschall?

Der Begriff Ultraschall wird verwendet, um eine Vibrationswelle zu beschreiben, deren Frequenz über der oberen Frequenzgrenze des menschlichen Ohrs liegt, d. h. über 16 kHz.

Das Gerät zur Umwandlung jeglicher Energie in Ultraschallwellen ist der Ultraschallwandler.

Diese elektrische Energie wird in mechanische Schwingungen umgewandelt. Und dafür wird der piezoelektrische Effekt in der Magnetostriktionsanzeige verwendet, die von natürlichen oder synthetischen Kristallen oder einigen Metallen gezeigt wird.

Magne-trostriktion bedeutet dass die in ferromagnetischen Materialien auftretende Amplitudenänderung einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist.

In der Ultraschallbearbeitung wird ein mit 20 kHz bis 30 kHz längsschwingendes Werkzeug mit einer Amplitude zwischen 0,01 mm bis 0,06 mm mit leichter Kraft auf die Arbeitsfläche gedrückt.

Wenn das Werkzeug mit einer bestimmten Frequenz vibriert, fließt ein Schleifschlamm, normalerweise eine Mischung aus Schleifkörnern und Wasser mit einem festen Verhältnis (20 % – 30 %), unter Druck durch die Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche.

Die Stoßkraft, die aus der Vibration des Werkzeugendes und dem Schlammfluss durch die Arbeits-Werkzeug-Grenzfläche entsteht, bewirkt tatsächlich, dass Tausende von mikroskopisch kleinen Körnern das Arbeitsmaterial durch Abrieb entfernen. Das Werkzeug hat die gleiche Form wie die zu bearbeitende Kavität.

Das Verfahren wird eingesetzt, um harte und spröde Materialien zu bearbeiten, die entweder elektrisch leitend oder nicht leitend sind. Die Analyse des Mechanismus der Materialentfernung durch das USM-Verfahren zeigt, dass es manchmal als Ultraschallschleifen (USG) bezeichnet wird

Arbeitsprinzip der Ultraschallbearbeitung

Die Abbildung zeigt den Ultraschallbearbeitungsvorgang. Der elektronische Oszillator und Verstärker, auch als Generator bekannt, wandelt die verfügbare elektrische Energie niedriger Frequenz in hochfrequente Leistung in der Größenordnung von 20 kHz um, die dem Wandler zugeführt wird.

Der Wandler arbeitet mit Magnetron-Striktion. Die Hochfrequenzstromversorgung aktiviert den Stapel aus magnetostriktivem Material, der eine Vibrationsbewegung des Werkzeugs in Längsrichtung erzeugt. Die Amplitude dieser Schwingung ist für Schneidzwecke unzureichend. Dies wird daher durch eine mechanische Fokussiervorrichtung, die eine intensive Vibration der gewünschten Amplitude am Werkzeugende bereitstellt, auf das eindringende Werkzeug übertragen.

Die mechanische Fokussiervorrichtung wird manchmal als Geschwindigkeitstransformator bezeichnet. Dies ist ein sich verjüngender Schaft oder „Horn“ genannt. Sein oberes Ende wird an die Unterseite des magnetostriktiven Materials geklemmt oder gelötet. Sein unteres Ende ist mit Mitteln zum Befestigen des Werkzeugs versehen.

Alle diese Teile, einschließlich des Werkzeugs aus kohlenstoffarmem oder rostfreiem Stahl in der Form des gewünschten Hohlraums, wirken wie ein elastischer Körper, der die Vibrationen auf die Spitze des Werkzeugs überträgt.

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Die am häufigsten verwendeten Schleifmittel sind

Aluminiumoxid (Aluminiumoxid), Borcarbid, Siliziumcarbid und Diamantstaub. Bor ist das teuerste Schleifmittel und eignet sich am besten zum Schneiden von Wolframcarbid, Werkzeugstahl und Edelsteinen. Silizium findet die meiste Anwendung. Zum Schneiden von Glas und Keramik ist Aluminiumoxid am besten geeignet.

Die Schleifmittelaufschlämmung wird durch Pumpen auf die Arbeitswerkzeug-Grenzfläche verteilt. Ein gekühltes Kühlsystem wird verwendet, um die Schleifmittelaufschlämmung auf eine Temperatur von 5 bis 6 °C zu kühlen. Eine gute Methode besteht darin, die Aufschlämmung in einem Bad in der Schneidzone zu halten.

Die Körnung des Schleifmittels variiert zwischen 200er und 2000er Körnung. Grobe Körnungen eignen sich gut zum Schruppen, während feinere Körnungen, beispielsweise Körnung 1000, zum Schlichten verwendet werden. Frische Schleifmittel schneiden besser und der Schleifschlamm sollte daher regelmäßig ausgetauscht werden

Genauigkeit von USM

Die maximale Penetrationsgeschwindigkeit in weiche und spröde Materialien wie weiche Keramiken liegt in der Größenordnung von 20 mm min, aber für harte und zähe Materialien ist die Penetrationsgeschwindigkeit geringer. Maßgenauigkeiten bis zu t0,005 mm sind möglich und Oberflächengüten bis hinunter zu einem Ra-Wert von 0,1-0,125 Mikron können erzielt werden.

Zur Schlichtbearbeitung ist ein minimaler Eckenradius von 0,10 mm möglich. Das Größenspektrum der USM-Maschinen reicht von einem leichten tragbaren Typ mit einer Leistungsaufnahme von etwa 20 W bis hin zu schweren Maschinen mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 2 kW.

Einschränkungen des Prozesses

Die Haupteinschränkung des Verfahrens sind seine relativ niedrigen Zerspanungsraten. Das maximale Zeitspanvolumen beträgt 3 mm®/s und der Stromverbrauch ist hoch. Die Tiefe zylindrischer Bohrungen ist derzeit auf das 2,5-fache des Werkzeugdurchmessers begrenzt.

Der Verschleiß des Werkzeugs vergrößert den Winkel des Lochs, während scharfe Ecken abgerundet werden. Dies impliziert, dass der Werkzeugwechsel bei der Herstellung von genauen Sacklöchern unerlässlich ist. Außerdem ist das Verfahren in seiner jetzigen Form auf die Maschine auf vergleichsweise kleine Flächen beschränkt.

Jüngste Entwicklung

Vor kurzem hat eine neue Entwicklung in der Ultraschallbearbeitung stattgefunden, bei der ein mit Diamantstaub imprägniertes Werkzeug verwendet wird und keine Aufschlämmung verwendet wird. Das Werkzeug hat sowohl bei Ultraschallfrequenzen oszilliert als auch gedreht. Wenn es nicht möglich ist, das Werkzeug zu drehen, kann das Werkstück gedreht werden.

Diese Innovation hat einige der Nachteile des herkömmlichen Verfahrens beim Bohren tiefer Löcher beseitigt. Beispielsweise können die Lochabmessungen innerhalb von +0,125 mm gehalten werden. Löcher mit einer Tiefe von bis zu 75 mm wurden in Keramik gebohrt, ohne dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit abnahm, wie dies bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist.

Anwendung der Ultraschallbearbeitung

Die Einfachheit des Prozesses macht ihn für eine breite Palette von Anwendungen wirtschaftlich, wie zum Beispiel:

• Erstellen von runden Löchern und Löchern jeder Form, für die ein Werkzeug hergestellt werden kann. Durch Bewegen des Werkstücks während des Schneidens kann die Bandbreite der erzielbaren Formen erweitert werden.
• Bearbeitungen wie Bohren, Schleifen und Fräsen an allen leitenden und nichtleitenden Materialien.
• Bearbeitung von Glas, Keramik, Wolfram und anderen Hartmetallen, Edelsteinen wie synthetischem Rubin.
• Beim Schneiden von Gewinden in Komponenten aus Hartmetallen und Legierungen durch Drehen und Verschieben entweder des Werkstücks oder des Werkzeugs.
• Bei der Herstellung von Wolframkarbid- und Diamantdrahtziehwerkzeugen und Werkzeugen für Schmiede- und Extrusionsverfahren.
• Befähigung eines Zahnarztes, Löcher jeder Form in Zähne zu bohren, ohne Schmerzen zu verursachen.

Vor- und Nachteile der Ultraschallbearbeitung

Vorteile

• Extrem harte und spröde Materialien können problemlos bearbeitet werden.
• Hochpräzise Profile und eine gute Oberflächengüte lassen sich leicht erzielen.
• Das bearbeitete Werkstück ist spannungsfrei.
• Die Metallentfernungsrate ist niedrig.
• Da während des Prozesses keine Wärme entsteht, bleiben die physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmaterials unverändert.
• Der Betrieb ist geräuschlos.
• Der Betrieb des Geräts ist ziemlich sicher.

Nachteile

• Die Metallentfernungsrate ist niedrig.
• Die Erstausstattungskosten sind höher als bei herkömmlichen Werkzeugmaschinen.
• Dieser Prozess ist nicht für die Entfernung von Schwermetallen geeignet
• Die Werkzeugkosten sind ebenfalls hoch.
• Schwierigkeiten treten bei der Bearbeitung weicherer Materialien auf
• Der Stromverbrauch ist ziemlich hoch.
• Die Größe der bearbeitbaren Kavität ist begrenzt.

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Schlussfolgerung

Die Ultraschallbearbeitung hat viele Vorteile in der Fertigungsindustrie. Ich hoffe, ich habe alles über USM abgedeckt. Wenn Sie Fragen zu diesem Thema haben, können Sie sie in den Kommentaren stellen.

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