Ultraschallbearbeitung (USM): Grundlagen, Prozessparameter, Komponenten und Vorteile

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

Inhalt:

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

1. Ultraschallbearbeitung (USM) und Ultraschallbearbeitungswerkzeug

Der Einsatz von Ultraschall in der Zerspanung wurde erstmals 1945 von L. Balamuth vorgeschlagen. Der erste Bericht über Ausrüstung und Technologie erschien 1951–52. Bis 1954 waren Werkzeugmaschinen nach dem Ultraschallprinzip konstruiert und gebaut. Ursprünglich war USM ein Finish-Verfahren für Komponenten, die durch Funkenerosionsmaschinen bearbeitet wurden. Diese Bedeutung nahm ab durch Entwicklungen in der Funkenerosion.

Doch mit dem Boom in der Festkörperelektronik wurde die Bearbeitung elektrisch nicht leitender, halbleitender und spröder Werkstoffe immer wichtiger – und die Ultraschallbearbeitung gewann wieder an Bedeutung. In jüngster Zeit wurden verschiedene Typen ultraschallgestützter Werkzeugmaschinen entwickelt. Natürlich ist die USM-Technik noch lange nicht perfekt.

Der grundlegende USM-Prozess umfasst ein Werkzeug (aus zähem, duktilem Material), das mit sehr hoher Frequenz schwingt, und einen kontinuierlichen Fluss einer Abrasivsuspension im kleinen Spalt zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche. Das Werkzeug wird mit gleichmäßiger Kraft langsam Vorschub gegeben. Der Aufprall der harten Abrasivkörner bricht die harte, spröde Werkstückoberfläche, wodurch Werkstoff in Form kleiner Verschleißpartikel abgetragen wird, die von der Abrasivsuspension abtransportiert werden. Das Werkzeugmaterial, zäh und duktil, verschleißt deutlich langsamer.

2. Mechanik der USM

Die Physik der Ultraschallbearbeitung ist weder vollständig noch unumstritten.

Die Gründe für Materialabtrag bei USM werden vermutet als:

• (i) Hammerwirkung der Abrasivpartikel auf die Werkstückoberfläche durch das Werkzeug
• (ii) Aufprall freier Abrasivpartikel auf die Werkstückoberfläche
• (iii) Erosion durch Kavitation
• (iv) Chemische Wirkung der verwendeten Flüssigkeit

Verschiedene Forscher haben Theorien zur Vorhersage der USM-Eigenschaften entwickelt. Das von M.C. Shaw vorgeschlagene Modell ist allgemein anerkannt und erklärt den Materialabtragsprozess trotz seiner Limitationen recht gut. In diesem Modell wird der direkte Aufprall des Werkzeugs auf die Körner, die mit dem Werkstück in Kontakt stehen (verantwortlich für den Hauptanteil des Materialabtrags), berücksichtigt.

Die getroffenen Annahmen sind:

• (i) Die Werkstoffabtragsrate ist proportional zum Volumen des pro Aufprall abgetragenen Werkstoffs
• (ii) Die Werkstoffabtragsrate ist proportional zur Anzahl der pro Zyklus aufprallenden Partikel
• (iii) Die Werkstoffabtragsrate ist proportional zur Frequenz (Zyklen pro Zeiteinheit)
• (iv) Alle Aufprälle sind identisch
• (v) Alle Abrasivkörner sind identisch und kugelförmig

Betrachten wir nun den Aufprall eines starren, kugelförmigen Abrasivkorns mit Durchmesser d auf die Werkstückoberfläche. Abb. 6.9 zeigt die durch einen solchen Aufprall verursachte Eindrückung zu einem Zeitpunkt.

Ist D der Durchmesser der Eindrückung zu einem Zeitpunkt und h die entsprechende Eindringtiefe, erhalten wir aus Abb. 6.9 –

Die verschiedenen Werkzeugpositionen während eines Zyklus sind in Abb. 6.11 dargestellt. Position A markiert den Zeitpunkt, an dem die Werkzeugfläche das Abrasivkorn berührt, und die Bewegung von A nach B stellt den Aufprall dar. Die Eindrückungen, die das Korn am Werkzeug und an der Werkstückoberfläche in der äußersten unteren Werkzeugposition verursacht, sind in Abb. 6.12 gezeigt. Wenn die vom Werkzeug von Position A nach B zurückgelegte Strecke h beträgt (die gesamte Eindrückung), dann –

Da der Fließspannung σ und die Brinell-Härte H identisch sind, liefern Gleichungen (6.6) und (6.7) –

Diese Materialabtragsrate erfolgt durch die direkte Hammerwirkung der Körner durch das schwingende Werkzeug. Einige Körner, die von der schnell bewegten Werkzeugfläche reflektiert werden, prallen auch auf die Werkstückfläche, und wir können die durch solche frei bewegten Körner verursachte Eindrückung abschätzen. Abb. 6.13 zeigt ein vom Werkzeug reflektiertes Korn. Während der Schwingung beträgt die maximale Geschwindigkeit der Werkzeugfläche 2πvA.

Da die ursprüngliche Geschwindigkeit eines Abrasivkorns gering ist, ist seine maximale Geschwindigkeit offensichtlich in der Größenordnung von 2πvA. Die entsprechende maximale kinetische Energie des Abrasivkorns beträgt –

Wobei ρ die Dichte des Abrasivmaterials ist. Nimmt man an, dass die Kontaktkraft während der durch einen solchen aufprallenden Korn verursachten Eindrückung linear mit der Eindrückung zunimmt, dann –

Vergleicht man die Werte von h_w und h'_w unter normalen Bedingungen, sieht man, dass h'_w im Vergleich zu h_w sehr klein ist, und man kann schließen, dass der größte Teil des Materials durch die direkt aufprallenden Abrasivkörner abgetragen wird.

Relation (6.11) zeigt, dass die Materialabtragsrate proportional zu d^1/4 ist, tatsächlich ist sie jedoch proportional zu d. Diese Diskrepanz zwischen theoretischer Vorhersage und beobachteter Tatsache wurde von Shaw wie folgt erklärt.

Die tatsächliche Form eines Abrasivkorns ist nicht kugelförmig, wie in Abb. 6.14 gezeigt. Statt einer glatten Oberfläche hat es Vorsprünge mit durchschnittlichem Durchmesser d₁.

Der durchschnittliche Durchmesser der Vorsprünge ist proportional zum Quadrat des Nenn-Durchmessers des Korns (d). Also –

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

Die Shaw-Theorie hat diverse Limitationen. Sie sagt z. B. die Effekte von Variationen in A, F und v nicht korrekt vorher. Wenn F erhöht wird, steigt der mrr, wie in Abb. 6.15 gezeigt. Dies wird auch durch Relation (6.18) bestätigt. In der Praxis beginnt Q jedoch nach einem bestimmten F-Wert zu fallen, weil die Abrasivkörner unter hoher Last zerdrückt werden.

3. Prozessparameter der USM und ihre Wirkung

Die wichtigsten Parameter, die den Prozess beeinflussen, sind:

(i) Frequenz:

Wie aus Relation (6.18) ersichtlich, steigt der mrr linear mit der Frequenz. In der Praxis steigt der mrr auch mit der Frequenz (Abb. 6.16a), aber die tatsächliche Charakteristik ist nicht exakt linear. Der mrr neigt dazu, etwas niedriger zu sein als der theoretisch vorhergesagte Wert.

(ii) Amplitude:

Wenn die Schwingamplitude erhöht wird, wird ein Anstieg des mrr erwartet, wie aus Relation (6.18) ersichtlich. Die tatsächliche Variationsnatur ist in Abb. 6.16b für verschiedene Frequenzwerte dargestellt. Wieder weicht die tatsächliche Charakteristik etwas von der theoretisch vorhergesagten ab. Die Hauptquelle der Diskrepanz liegt darin, dass wir die Eindringdauer Δt unter Betrachtung der Durchschnittsgeschwindigkeit (=A/(T/4)) berechnet haben. Die Variationscharakteristik von Δt, gegeben durch –

ist deutlich von der durch den approximativen Ausdruck (h/A)(T/4) erhaltenen verschieden.

(iii) Statische Belastung (Vorschubkraft):

Mit zunehmender statischer Belastung (Vorschubkraft) neigt der mrr zum Anstieg. In der Praxis nimmt er jedoch ab einem kritischen Kraftwert ab, da die Körner anfangen, zerdrückt zu werden. Die Variationsnatur des mrr mit der Vorschubkraft (für verschiedene Amplituden) ist in Abb. 6.17a gezeigt.

(iv) Härteverhältnis von Werkzeug und Werkstück:

Das Verhältnis der Werkstückhärte zur Werkzeughärte beeinflusst den mrr signifikant, die Charakteristik ist in Abb. 6.17b dargestellt. Neben der Härte spielt die Sprödigkeit des Werkstückmaterials eine dominierende Rolle. Tabelle 6.2 zeigt relative Materialabtragsraten für verschiedene Werkstoffe bei sonst gleichen Parametern. Ein spröderer Werkstoff wird schneller bearbeitet.

(v) Korngröße:

Relation (6.18) zeigt, dass der mrr proportional zum mittleren Korndurchmesser d ansteigen sollte. Wird d jedoch zu groß und nähert sich der Amplitude A, nimmt die Zerdrückungstendenz zu, was zu einem mrr-Abfall führt, wie in Abb. 6.18a gezeigt.

(vi) Abrasivkonzentration in der Suspension:

Da die Konzentration direkt die Anzahl der pro Zyklus aufprallenden Körner und die Größe jedes Aufpralls steuert, wird erwartet, dass der mrr von C abhängt. Relation (6.18) zeigt jedoch, dass der mrr proportional zu C^1/4 sein sollte. Die tatsächliche Variation ist in Abb. 6.18b für B₄C- und SiC-Abrasive dargestellt. Dies stimmt recht gut mit der theoretischen Vorhersage überein. Da der mrr mit C^1/4 steigt, ist der Anstieg nach Überschreiten von 30 % Konzentration gering. Eine weitere Erhöhung der Konzentration hilft nicht.

Einige physikalische Eigenschaften (z. B. Viskosität) der für die Suspension verwendeten Flüssigkeit beeinflussen den mrr ebenfalls. Experimente zeigen, dass der mrr mit steigender Viskosität abfällt (Abb. 6.19a).

Obwohl der mrr ein sehr wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Leistung eines USM-Vorgangs ist, muss auch die erzielte Oberflächenqualität für eine ordnungsgemäße Bewertung berücksichtigt werden. Bei USM hängt die Oberflächenbeschaffenheit hauptsächlich von der Abrasivkorngröße ab. Abb. 6.19b zeigt eine typische Variation des Mittelwerts der Oberflächenunebenheit mit der mittleren Korngröße für Glas und Hartmetall als Werkstückmaterial.

Deutlich wird, dass die Oberflächenqualität bei Glas viel empfindlicher auf die Korngröße reagiert. Dies liegt daran, dass bei hoher Härte die Größe der durch spröden Bruch gelösten Fragmente nicht stark von der Größe der aufprallenden Partikel abhängt.

Auswirkungen der USM auf Materialien:

Da die beteiligten Schnittkräfte sehr gering sind, erzeugt der Prozess keine nennenswerten Spannungen und Erwärmung. Die Materialstruktur bleibt unverändert. Beim Durchbohren kann jedoch an der Austrittsseite des Lochs Ausbrechen auftreten. Um dies zu vermeiden, wird das spröde Werkstück meist auf eine Basis, oft aus Glas, befestigt.

4. Komponenten der Ultraschallbearbeitung

Die wichtigsten Komponenten der Maschine sind:

(i) Akustischer Kopf:

Der akustische Kopf (Abb. 6.22) ist vielleicht der wichtigste Teil der Maschine. Seine Funktion ist die Erzeugung einer Schwingung im Werkzeug. Er besteht aus einem Generator für hochfrequenten Wechselstrom, einem Wandler zur Umwandlung in mechanische Hochfrequenzschwingung, einem Halter für den Kopf und einem Konzentrator zur mechanischen Verstärkung der Schwingung bei der Übertragung auf das Werkzeug.

Die meisten Wandler arbeiten nach dem magnetostriktiven Prinzip wegen hoher Effizienz, hoher Zuverlässigkeit im 15–30 kHz Bereich, niedriger Versorgungsspannung und einfacher Kühlung. Blechpakete werden wie bei Transformatoren zur Verlustreduzierung eingesetzt. Die Dimensionen sind so gewählt, dass die Eigenfrequenz mit der elektrischen Versorgungsfrequenz zusammenfällt. Fast alle modernen Maschinen nutzen magnetostriktive Wandler aus Nickel (Blechpakete 0,1–0,2 mm Dicke).

Der Hauptzweck des Konzentrators ist die Amplitudenverstärkung auf das für den Schnitt nötige Niveau. Verschiedene Konzentratortypen werden verwendet (Abb. 6.23a). Abb. 6.23b zeigt, wie die Amplitude der Längsschwingung der Wandler-Konzentrator-Einheit verstärkt wird. Zu beachten: Das System muss an einem Knotenpunkt am Hauptkörper gehalten werden, wie dargestellt.

(ii) Vorschubmechanismus:

Ziel des Vorschubmechanismus ist das Aufbringen der Arbeitskraft während der Bearbeitung. Ein die Werkzeugbewegung anzeigendes Instrument zeigt die Bearbeitungstiefe an.

Grundtypen der Vorschubmechanismen sind:

• (a) Gegengewichts-Typ
• (b) Feder-Typ
• (c) Pneumatisch und hydraulisch
• (d) Motor-Typ

(iii) Werkzeug:

Das Werkzeug besteht aus einem starken, aber gleichzeitig duktilen Metall. Allgemein werden rostfreie Stähle und niedriglegierte Stähle verwendet. Aluminium- und Messingwerkzeuge verschleißen zehn- bzw. fünfmal schneller als Stahlwerkzeuge. Die geometrischen Merkmale werden vom Prozess bestimmt. Der Durchmesser des den Werkzeug umschreibenden Kreises sollte nicht mehr als 1,5- bis 2-mal den Durchmesser des Konzentratorendes betragen, und das Werkzeug sollte so kurz und steif wie möglich sein.

Wenn das Werkzeug hohl gefertigt wird, sollte der innere Kontur parallel zum äußeren verlaufen, um gleichmäßigen Verschleiß zu gewährleisten. Die Wandstärke sollte mindestens das Fünffache der Abrasivkorngröße betragen. Bei hohlen Werkzeugen sollten Wände nicht dünner als 0,5–0,8 mm sein. Beim Werkzeugdesign ist der seitliche Freiraum zu beachten, normalerweise 0,06–0,36 mm, abhängig von der Abrasivkorngröße.

(iv) Abrasivsuspension:

Die gängigsten Abrasive sind – (i) Borcarbid (B₄C), (ii) Siliciumcarbid (SiC), (iii) Korund (Al₂O₃), (iv) Diamant, (v) Borsilicid (sehr effizient), dessen Abrasivkraft ca. 10 % über der von B₄C liegt. B₄C ist das beste und effizienteste unter den übrigen, aber teuer. SiC wird für Glas, Germanium und einige Keramiken verwendet. Die Schneidzeit mit SiC ist ca. 20–40 % länger als mit B₄C. Korund ist weit weniger effizient, die Schneidzeit beträgt ca. 3- bis 4-mal die mit B₄C. Diamantstaub wird nur zum Schneiden von Diamanten und Rubinen verwendet.

Wasser ist die am häufigsten verwendete Flüssigkeit in der Suspension, aber auch Benzol, Glycerin und Öle werden eingesetzt. Es zeigte sich, dass der mrr mit steigender Viskosität abnimmt.

5. Eigenschaften der USM