Ultraschallbearbeitung erklärt: Prozess, Komponenten, Vorteile, Nachteile & Anwendungen

Ultraschallbearbeitung ist ein unkonventionelles, subtraktives Bearbeitungsverfahren, das in der Industrie weit verbreitet ist, um spröde und harte Materialien zu bearbeiten. Aufgrund ihrer hohen Präzision ist sie die empfohlene Methode für kritische Komponenten. Erfahren Sie mehr über den Ultraschallbearbeitungsprozess, das Funktionsprinzip, wichtige Teile, Vor- und Nachteile.

Definition der Ultraschallbearbeitung

Die Ultraschallbearbeitung gehört zu den unkonventionellen Bearbeitungsverfahren und wird speziell für die Bearbeitung harter und spröder Materialien eingesetzt. Sie wird auch weit in der Keramikbearbeitung verwendet.

Im Gegensatz zu anderen unkonventionellen Verfahren wie Laserschneiden oder Erodieren erzeugt die Ultraschallbearbeitung keine Wärme und keine Restspannungen am Bauteil. Daher können Keramik und spröde Teile ohne Bruch bearbeitet werden.

Ultraschallbearbeitung wird auch Ultraschallschwingungsbearbeitung genannt, da sie ein Werkzeug verwendet, das mit hoher Frequenz schwingt und in Kombination mit Schleifpartikeln Material vom Werkstück abträgt.

Hauptkomponenten der Ultraschallmaschine

Eine Ultraschallmaschine besteht hauptsächlich aus fünf Schlüsselkomponenten:

• Elektromechanischer Wandler
• Sonotrode
• Steuergerät
• Schleifsuspension
• Schleifpistole

Elektromechanischer Wandler

Der elektromechanische Wandler ist mit dem Steuergerät verbunden. Das Steuergerät verfügt über einen elektronischen Oszillator, der einen hochfrequenten Wechselstrom im Bereich von 28–40 kHz erzeugt.

Der Wandler wandelt diesen oszillierenden Strom in mechanische Schwingungen um. Es gibt hauptsächlich zwei Wandlerarten in Ultraschallmaschinen:

• Piezoelektrischer Wandler
• Magnetostriktiver Wandler

Sonotrode

Der Wandler treibt die Sonotrode mit hoher Frequenz und niedriger Amplitude an. Ein Ende der Sonotrode ist mit dem Wandler verbunden, das andere Ende trägt das Werkzeug. Die Sonotrode besteht aus niedriglegiertem Stahl.

Steuergerät

Das Steuergerät überträgt die Leistung. Es besitzt einen elektronischen Oszillator, der hochfrequenten Wechselstrom erzeugt.

Schleifsuspension

Schleifmaterialien wie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, mit Wasser gemischt, bilden eine Schleifsuspension. Der Wasseranteil liegt zwischen 20–60 %.

Schleifpistole

Die Schleifpistole führt das Gemisch aus Schleifpartikeln und Wasser unter kontrolliertem Druck zwischen Sonotrode und Werkstück zu.

Funktionsprinzip der Ultraschallbearbeitung

Die Ultraschallbearbeitung entfernt Material durch Magnetostriktion. Das bedeutet: Jedes magnetische Material ändert seine Größe und Form unter Magnetisierung.

Das Steuergerät/Leistungsgerät liefert hochfrequenten Wechselstrom an den Wandler. Dieser wandelt elektrische Energie in mechanische Schwingung um.

Der Wandler versetzt die Sonotrode in hochfrequente, niedrigamplitudige Schwingung. Die Frequenz variiert von 20–30 kHz, die Amplitude von 0,01–0,06 mm.

Wenn die Sonotrode schwingt und gegen das Werkstück drückt, fließt die Schleifsuspension zwischen Sonotrode und Werkstück. Der Aufprall der Sonotrodenschwingung und die Reibung zwischen Schleifpartikeln und Werkstückoberfläche tragen die gewünschten Metallpartikel von der Arbeitsfläche ab.

Die Bearbeitungszeit hängt ab von: Härte und Zähigkeit des Werkstücks, Korngröße der Schleifpartikeln, Amplitude der Sonotrodenschwingung und Wasseranteil in der Schleifsuspension. Glätte und Präzision hängen von Härte und Zähigkeit des Materials ab. Weichere Metalle ermöglichen sehr glatte, präzise Bearbeitung; harte, spröde Metalle erzeugen raue Oberflächen.

Arten der Ultraschallbearbeitung

Es gibt zwei Arten der Ultraschallbearbeitung:

• Rotary Ultraschallbearbeitung
• Chemisch unterstützte Ultraschallbearbeitung

Rotary Ultraschallbearbeitung

Bei der rotativen Ultraschallbearbeitung oszilliert das Werkzeug entlang der vertikalen Mittellinie. Keine Schleifsuspension wird verwendet. Stattdessen ist Diamant an der Werkzeugspitze eingearbeitet, der das Werkstück abschleift. Dieses Verfahren eignet sich für Keramik, Quarz usw. Rotary Ultraschallbearbeitung kann auch tiefe Bohrungen erzeugen, da keine Schleifsuspension das Lochende erreichen muss.

Chemisch unterstützte Ultraschallbearbeitung

Die chemisch unterstützte Ultraschallbearbeitung ähnelt der traditionellen, verwendet aber statt Wasser eine Chemikalie wie Fluorwasserstoffsäure zur Bildung der Schleifsuspension. Dies ermöglicht höhere Materialabtragsraten und bessere Oberflächenqualität im Vergleich zur traditionellen Ultraschallbearbeitung.

Anwendungen der Ultraschallbearbeitung

• Bearbeitung spröder und harter Materialien
• Bearbeitung von Teilen, wo Präzision entscheidend ist
• Profilieren von Bohrungen und Nuten
• Bearbeitung von Glas und Keramik
• Elektromechanische Teile, wo kleine, komplexe Bearbeitung wichtig ist
• Gravieren und Gewindeschneiden
• Schneiden und Ziehen harter Materialien

Vorteile der Ultraschallbearbeitung

• Bearbeitung harter und spröder Materialien möglich
• Für jede kleine und komplexe Form einsetzbar
• Glas einfach ohne Bruch bearbeitbar
• Während der Bearbeitung werden physikalische Eigenschaften der Metalle nicht verändert
• Höhere Präzision und Genauigkeit bei relativ geringen Kosten
• Keine Geometrieverzerrung, da keine Wärme entsteht
• Für leitende und nicht-leitende Metalle geeignet
• Kein hochqualifizierter Techniker erforderlich
• Fähig, präzise Toleranzteile herzustellen

Nachteile der Ultraschallbearbeitung

• Materialhärte muss mindestens 45 HRC betragen
• Produktionsrate sehr langsam – nicht für Massenfertigung geeignet
• Langsame Materialabtragsrate
• Hohe Verschleißrate der Sonotrode
• Tiefe Bohrungen schwer bearbeitbar, da Schleifpartikel das Lochende nicht erreichen
• Begrenzt auf kleine Bohrungen und Schnitte

Fazit: Ultraschallbearbeitung

Das war unser Artikel. Ich hoffe, Sie erhielten eine grundlegende Vorstellung vom Ultraschallbearbeitungsprozess, dessen Funktionsweise, Vor- und Nachteilen. Bei weiteren Fragen zur Ultraschallbearbeitung schreiben Sie gerne in die Kommentare – ich helfe gerne.

Sie möchten auch lesen:

• Schleifstrahlbearbeitung (Abrasive Jet Machining)
• Laserstrahlbearbeitung

Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Ultraschallbearbeitung

Welche Bewegung nutzt das Ultraschallmaschinenwerkzeug zum Materialabtrag?

Oszillierende Bewegung

Welcher Frequenzbereich der Werkzeugoszillation bei Ultraschallbearbeitung?

18–20 kHz

Was ist weicher bei Ultraschallbearbeitung? Werkzeug oder Werkstück?

Das Werkzeug ist weicher als das Werkstück bei der Ultraschallbearbeitung.

Wird bei Ultraschallbearbeitung Wärme erzeugt?

Bei der Ultraschallbearbeitung wird keine Wärme erzeugt.