Ultraschallbearbeitung (USM) – Hauptteile, Arbeitsprinzip, Vor- und Nachteile bei der Anwendung

Ultraschallbearbeitung (USM) Die auch als Ultraschallvibrationsbearbeitung bezeichnete Bearbeitung ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem Material von der Oberfläche eines Teils durch Vibration eines Werkzeugs mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz gegen die Materialoberfläche in Gegenwart von Schleifpartikeln entfernt wird.

• Die Bewegung des Werkzeugs erfolgt senkrecht oder orthogonal zur Bauteiloberfläche. Der Werkzeugweg mit einer Amplitude von 0,05 mm bis 0,125 mm (0,002 Zoll bis 0,005 Zoll).
• Die Aufschlämmung wird durch Mischen feiner Schleifkörner in das Wasser gebildet. Diese Aufschlämmung fließt während des Bearbeitungsprozesses über das W/P und die Spitze des Werkzeugs. Die abrasiven Verstärkungspartikel in der Aufschlämmung helfen bei der Entfernung des Materials von der Oberfläche des W/P. Die Korngrößen des Schleifmaterials liegen typischerweise im Bereich von 100 bis 1000. Die kleineren Körner (d. h. die höhere Kornzahl) führen zu glatten Oberflächen.
• Dieser Bearbeitungsprozess wird normalerweise verwendet, um spröde Materialien und Materialien mit hoher Härte zu bearbeiten.

Funktionsprinzip der Ultraschallbearbeitung

Ein elektrischer Strom mit hoher Frequenz (im Ultraschallbereich, dh 18 kHz bis 40 kHz) wird verwendet, um mechanische Schwingungen mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz zu erzeugen. Die erzeugte mechanische Vibration wird zum Bearbeiten der Oberfläche eines Teils in Gegenwart von Schleifkornpartikeln in Form einer Aufschlämmung verwendet. Der Schlamm fließt über Werkzeug und Werkstück. Wenn das Werkzeug gegen das W/P drückt, splittert die Schleifpartikel enthaltende Aufschlämmung die Materialien von der Oberfläche ab.

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Hauptteile

Die Ultraschall-Bearbeitungsmaschine besteht aus zwei Hauptteilen, Wandler und Sonotrode (auch als Horn bezeichnet), die mit Kabeln an eine elektronische Steuereinheit angeschlossen sind.

Die Funktion verschiedener Teile wird unten beschrieben

1. Wandler:

Der Wandler besteht hauptsächlich aus einem Zylinder, der aus piezoelektrischer Keramik besteht. Es wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingung um. Der Wandler vibriert dann die Sonotrode mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz.

2. Sonotrode:

Es besteht aus kohlenstoffarmem Stahl. Ein Ende davon ist mit dem Wandler verbunden und das andere Ende enthält ein Werkzeug. Die Sonotrode vibriert mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz und entfernt durch Abrieb Material von der w/p, wo sie sie berührt.

3. Steuereinheit:

Die Steuereinheit besteht aus einem elektronischen Oszillator, der einen Wechselstrom mit hoher Frequenz erzeugt. Die erzeugte Frequenz liegt normalerweise zwischen 18 kHz und 40 kHz im Ultraschallbereich.

Arten von USM

1. Rotations-Ultraschall-Vibrationsbearbeitung (RUM):

Bei RUM darf sich ein vertikal rotierendes Werkzeug um die Achse der Sonotrode drehen. Die Oberfläche des Werkzeugs ist mit Diamanten imprägniert, die zum Schleifen der Oberfläche des Teils verwendet werden. Schleifschlamm wird bei diesem Maschinentyp nicht zum Materialabtrag verwendet.

2. Chemisch unterstütztes USM:

Bei dieser Bearbeitung wird eine chemisch reaktive Schleifflüssigkeit für den Bearbeitungsprozess verwendet.

Funktion des Ultraschallbearbeitungsprozesses

• Der Wandler und die Sonotrode sind mit einem Kabel an der Steuereinheit befestigt.
• Das Steuergerät verfügt über einen elektronischen Oszillator, der einen Wechselstrom mit hohen Ultraschallfrequenzen zwischen 18 kHz und 40 kHz erzeugt.
• Dieser hochfrequente Wechselstrom wird dem Wandler zugeführt. Der Wandler wandelt diesen Wechselstrom in mechanische Schwingung um und überträgt diese mechanische Schwingung auf die daran befestigte Sonotrode.
• Die Sonotrode wird durch den Wandler mit niedriger Amplitude und hoher Frequenz in Schwingung versetzt. Wenn diese vibrierende Sonotrode auf die Oberfläche des w/p auftrifft, entfernt sie das Material davon. Die Aufschlämmung fließt zwischen Werkzeug und Werkstück und hilft beim Abtragen des Materials von der Oberfläche.
• Die bei der Ultraschallbearbeitung verwendete Aufschlämmung enthält 20 bis 60 Volumenprozent Wasser, Aluminiumoxid, Borcarbid und Siliziumcarbidpartikel.
• So funktioniert die Ultraschallbearbeitung.

Vorteile

• Dieses Bearbeitungsverfahren ist in der Lage, sprödes und hartes Material mit hoher Präzision zu bearbeiten.
• Es kann zerbrechliche Materialien wie Glas und nichtleitende Metalle bearbeiten, die nicht mit nicht-traditionellen Methoden wie elektrochemischer Bearbeitung oder elektroerosiver Bearbeitung bearbeitet werden.
• Es ist in der Lage, Teile mit hoher Toleranz herzustellen.
• Das bearbeitete Material wird nicht verzerrt. Und das liegt daran, dass die Sonotrode keine Wärme gegen das w/p erzeugt.
• Es wurde keine Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Materials beobachtet.
• Die hergestellten bearbeiteten Teile erfordern weniger Nachbearbeitung, da im Prozess keine Grate vorhanden sind.

Nachteile

• Die Metallentfernung ist aufgrund von Mikroabsplitterungen oder Erosionsmechanismen langsam.
• Der Verschleiß der Sonotrodenspitze tritt schneller ein.
• Die Bearbeitung von tiefen Löchern ist mit diesem Verfahren nicht einfach, da der Schleifschlamm nicht am Boden des Lochs fließen kann (außer Rotations-Ultraschallbearbeitung).
• Ultraschall-Vibrationsbearbeitung kann nur zur Bearbeitung von Materialien mit einem Härtewert von mindestens 45 HRC (HRC:Rockwell-Skala zur Messung der Härte eines Materials) verwendet werden.

Bewerbung

• Es wird häufig verwendet, um spröde und harte Materialien zu bearbeiten. Glas, Hartmetalle, Keramik, Edelsteine ​​und gehärtete Stähle sind die gängigsten Materialien, die von USM bearbeitet werden.
• Es ist eine sehr präzise Bearbeitungsmethode und wird bei der Herstellung von mikroelektrochemischen Systemkomponenten wie mikrostrukturierten Glaswafern verwendet.

Referenz: wikipedia.org