Ultraschallbearbeitung (USM): Prinzip, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- & Nachteile

Heute lernen wir Ultraschallbearbeitung (USM) kennen: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile mit Diagramm. USM ist ein unkonventionelles Zerspanungsverfahren für spröde und harte Materialien. Entstand 1950 zur Nachbearbeitung von EDM-Oberflächen. Heute in vielen Industrien durch niedrige Kosten, keine Wärmeeinbringung, effektive Bearbeitung verbreitet.

Ultraschallbearbeitung:

Prinzip:

Basiert auf Ultraschallschweißen. Nutzt Ultraschallwellen zur Erzeugung hochfrequenter, niederamplitudiger Kraft als Antrieb für Abrasivpartikel. Ultraschallmaschine erzeugt Schwingungen ~20.000–30.000 Hz, Amplitude 25–50 µm. Hochfrequente Vibration überträgt sich auf abrasive Partikel in der Suspension (Schlämme). Dadurch Eindrücken der Partikel in sprödes Werkstück → Materialabtrag an Kontaktfläche.

Ausrüstung:

Stromversorgung (Power Source):

Hochfrequente, hochspannende Stromversorgung für Ultraschallwellen. Wandelt Niederfrequenz (60 Hz) in Hochfrequenz (20 kHz) um.

Magnetostriktiver Wandler (Magnetostrictive Transducer):

Wandelt elektrisches Signal in mechanische Schwingung. In USM magnetostriktiver Typ (Nickel/Nickellegierung).

Verstärker (Booster):

Mechanische Schwingung vom Wandler → Verstärker → Verstärkung → Horn.

Werkzeug (Tool):

Muss so beschaffen sein, dass Eindrücken der Abrasivpartikel keinen spröden Bruch am Werkzeug verursacht. Daher zähe, starke, duktile Materialien: Stahl, rostfreier Stahl etc.

Werkzeughalter / Horn (Tool Holder / Horn):

Verbindet Werkzeug mit Wandler. Überträgt verstärkte Schwingung auf Werkzeug. Hohe Dauerfestigkeit erforderlich.

Abrasivsuspension (Abrasive Slurry):

Wässrige Suspension abrasiver Partikel. Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid. Zuführ- und Rückführsystem für Suspension vorhanden.

Arbeitsprozess:

Materialabtrag durch Eindrücken abrasiver Partikel auf Werkstück. Ablauf:

Diagramm der Ultraschallmaschine

• Niederfrequenter Strom → Stromversorgung → Umwandlung in Hochfrequenzstrom
• Hochfrequenzstrom durch Wandler → Umwandlung in hochfrequente mechanische Schwingung
• Schwingung durch Verstärker → Verstärkung → Horn
• Horn (Werkzeughalter) überträgt verstärkte Schwingung auf Werkzeug → Werkzeug schwingt mit Ultraschallfrequenz
• Schwingendes Werkzeug versetzt Abrasivpartikel in hochfrequente Schwingung → Partikel schlagen auf Werkstück → Materialabtrag

Anwendungen:

• Bearbeitung harter, spröder Materialien: Hartmetall, Keramik, Glas etc.
• Bearbeitung von Werkzeugen und Dornen: Bohrer, Ziehmaschinen etc.
• Fertigung von Siliziumnitrid-Turbinenschaufeln
• Schneiden von Diamanten in gewünschter Form
• Bearbeitung nichtleitender harter Materialien, die nicht durch ECM/EDM bearbeitbar sind (schlechte Leitfähigkeit)

Vor- und Nachteile:

Vorteile:

• Harte Materialien leicht bearbeitbar
• Keine Wärmeeinbringung → kein Werkstückhärten, keine Strukturveränderung
• Nichtleitende Metalle/Nichtmetalle (nicht per ECM/EDM bearbeitbar) bearbeitbar
• Keine nennenswerten Späne

Nachteile:

• Deutlich langsamer als andere mechanische Verfahren
• Hoher Werkzeugverschleiß (Abrasivpartikel wirken auf Werkstück und Werkzeug)
• Nur harte Materialien bearbeitbar; duktile Metalle nicht
• Tiefe Bohrungen nicht möglich

Das war der vollständige Überblick über Ultraschallbearbeitung: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile. Bei Fragen kommentieren Sie gerne. Wenn Ihnen der Artikel gefällt, teilen Sie ihn in sozialen Netzwerken. Abonnieren Sie unsere Website für weitere interessante Artikel. Vielen Dank fürs Lesen.