Ultraschall-Bearbeitung: Prinzipien, Merkmale, Prozessgesetze und Anwendungen | MachineMFG

Ultraschall-Bearbeitung: Grundsätze, Merkmale, Verfahrensgesetze und Anwendungen

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Funkenerosion (EDM) und elektrochemische Bearbeitung (ECM) können nur leitende metallische Werkstoffe bearbeiten, nicht aber nichtleitende nichtmetallische Werkstoffe.

Im Gegensatz dazu ermöglicht die Ultraschallbearbeitung (USM) nicht nur die Bearbeitung von spröden und harten metallischen Werkstoffen wie Hartlegierungen und gehärtetem Stahl, sondern eignet sich auch besser für die Bearbeitung von nichtleitenden nichtmetallischen Werkstoffen wie Glas, Keramik, Halbleiter, Germanium und Siliziumwafern.

Darüber hinaus kann USM für Anwendungen wie Reinigung, Schweißen und zerstörungsfreie Prüfung eingesetzt werden.

Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente Vibrationswellen auf die Oberflächen zweier zu verschweißender Objekte übertragen. Unter Druck reiben die beiden Oberflächen aneinander, was zu einer Verschmelzung der Molekularschichten führt.

Zu den für das Ultraschallschweißen erforderlichen Komponenten gehören ein Ultraschallgenerator, ein Konverter, ein Booster und Schweißwerkzeuge.

I. Grundsätze der Ultraschall-Bearbeitung

Zu den Hauptkomponenten eines Ultraschallschweißsystems gehören ein Trio aus Ultraschallgenerator, Schallwandler, Verstärker, Schweißkopf, Form und Rahmen.

Beim Ultraschallschweißen wird ein 50/60 Hz-Strom über einen Ultraschallgenerator in elektrische Energie von 15, 20, 30 oder 40 KHz umgewandelt. Die umgewandelte hochfrequente elektrische Energie wird wiederum über einen Wandler in eine mechanische Bewegung mit der gleichen Frequenz umgewandelt.

Anschließend wird die mechanische Bewegung über eine Reihe von Verstärkungseinrichtungen, die die Amplitude verändern können, auf den Schweißkopf übertragen. Der Schweißkopf überträgt die empfangene Schwingungsenergie auf die Fuge des zu schweißenden Werkstücks. In diesem Bereich wird die Schwingungsenergie durch Reibung in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die zu schweißenden Bereiche schmelzen.

Mit Ultraschall lassen sich nicht nur Metalle und Duroplaste schweißen, sondern auch Gewebe und Folien bearbeiten.

Konkret, Ultraschallbearbeitung (USM) ist ein Verfahren zur Bearbeitung harter und spröder Werkstoffe durch den Einsatz von Ultraschallschwingungen an der Stirnfläche des Werkzeugs in Kombination mit der Wirkung einer Schleifsuspension.

USM ist das Ergebnis der kombinierten Wirkung von mechanischem Aufprall und abrasivem Schleifen durch die Vibration von Schleifmitteln unter Ultraschallwellen, wobei der kontinuierliche Aufprall der Schleifmittel der Hauptfaktor ist.

Bei der Ultraschallbearbeitung wird eine Suspension aus einem Flüssigkeits-Schleifmittel-Gemisch zwischen den Werkzeugkopf und das Werkstück eingebracht. Ein leichter Druck wird in Richtung der Vibrationen des Werkzeugkopfes ausgeübt.

Die vom Ultraschallgenerator erzeugte Ultraschallfrequenz wird vom Wandler in mechanische Schwingungen umgewandelt. Die Amplitude wird durch den Amplitudenstab auf 0,01-0,15 mm verstärkt und dann an das Werkzeug übertragen.

Die Stirnfläche des Werkzeugs wird in Ultraschallschwingungen versetzt, wodurch die Schleifpartikel in der Suspension kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstücks aufschlagen und diese abschleifen. Dies führt dazu, dass das Material im Bearbeitungsbereich in feine Partikel zerkleinert wird, die dann aus dem Material entfernt werden.

Obwohl jeder Schlag eine kleine Menge Material abträgt, ermöglicht die hohe Frequenz von über 16.000 Schlägen pro Sekunde eine gewisse Bearbeitungsgeschwindigkeit.

Gleichzeitig führen der hydraulische Schlag und die Kavitation, die durch die Ultraschallschwingungen am Werkzeugende verursacht werden, zum Eindringen der Flüssigkeit in die Risse des Werkstückmaterials und beschleunigen den Zerstörungsprozess.

Durch den hydraulischen Aufprall zirkuliert die Suspensionsflüssigkeit im Bearbeitungsspalt und sorgt für eine rechtzeitige Erneuerung der abgenutzten Schleifpartikel.

1) Prinzip des Metallschweißens mit Ultraschall

Das Prinzip des Ultraschallschweißens von Metallen besteht in der Nutzung mechanischer Schwingungsenergie bei Ultraschallfrequenzen (über 16 KHz), um identische oder verschiedene Metalle auf eine einzigartige Weise.

Während der Ultraschalluntersuchung Schweißverfahrenwird weder Strom auf das Werkstück übertragen noch eine Hochtemperaturwärmequelle eingesetzt. Die Schwingungsenergie wird lediglich unter statischem Druck in Reibungs- und Verformungsenergie zwischen den Werkstücken sowie in einen begrenzten Temperaturanstieg umgewandelt.

Die thermochemische Verbindung zwischen den Fugen ist ein Festkörperschweißverfahren, das ohne Schmelzen des Grundwerkstoffs abläuft. Dadurch werden die Probleme der Spritzer und der Oxidation, die beim Schweißen auftreten, wirksam überwunden. Widerstandsschweißen.

Ultraschall-Metallschweißmaschinen können Einzelpunktschweißen, Mehrpunktschweißen und Kurzstreifenschweißen an feinen Drähten oder dünnen Blechen aus Nichteisenmetallen wie Kupfer, Silber, Aluminium und Nickel durchführen. Sie werden häufig zum Schweißen von Thyristordrähten, Sicherungsbändern, elektrischen Leitungen, Lithiumbatteriepolen und Polohren verwendet.

2) Prinzip des Kunststoffschweißens mit Ultraschall

Wenn Ultraschallwellen auf die Kontaktfläche thermoplastischer Werkstoffe einwirken, erzeugen sie zehntausendmal pro Sekunde hochfrequente Schwingungen. Diese hochfrequenten Schwingungen werden, sobald sie eine bestimmte Amplitude erreicht haben, durch die Schweißnaht auf den Schweißbereich übertragen und wandeln die Ultraschallenergie in Wärme um.

Der Schallwiderstand an der Verbindungsstelle der beiden Schweißnähte im Schweißbereich ist groß, wodurch lokal hohe Temperaturen entstehen. Aufgrund der schlechten Wärmeleitung von Kunststoffen kann die Wärme nicht sofort abgeleitet werden und staut sich im Schweißbereich, wodurch die Kontaktflächen der beiden Kunststoffe schnell schmelzen.

Bei Anwendung eines bestimmten Drucks verschmelzen die Kunststoffe zu einer Einheit. Wenn die Ultraschallwellen aufhören, wird der Druck für einige Sekunden aufrechterhalten, um die Verfestigung zu ermöglichen und eine robuste Molekülkette zu bilden, um den Schweißzweck zu erreichen. Die Website Schweißfestigkeit an die Stärke des ursprünglichen Materials heranreichen kann.

Die Qualität des Ultraschall-Kunststoffschweißens hängt von drei Faktoren ab: der Amplitude des Schallkopfes, dem angewandten Druck und der Schweißzeit. Sowohl die Schweißzeit als auch der Druck des Schweißkopfes können eingestellt werden, während die Amplitude durch den Schallkopf und den Amplitudenstab bestimmt wird.

Diese drei Faktoren wirken zusammen und haben einen optimalen Wert. Wenn die Energie diesen optimalen Wert übersteigt, ist die Menge des geschmolzenen Kunststoffs hoch und das geschweißte Material neigt zu Verformungen.

Ist die Energie zu niedrig, ist die Schweißnaht nicht fest, und auch der ausgeübte Druck sollte nicht zu hoch sein. Der optimale Druck ist das Produkt aus der Kantenlänge des Schweißteils und dem optimalen Druck pro Millimeter der Kante.

II. Merkmale der Ultraschall-Bearbeitung

1. Breites Spektrum an Anwendungen:

a. Kann traditionell schwer zu bearbeitende Metalle und nicht-metallisch Materialien wie gehärteter Stahl, rostfreier Stahl, Titan, Legierungen und insbesondere nichtleitende nichtmetallische Materialien wie Glas, Keramik, Quarz, Silizium, Achat, Edelsteine und Diamanten. Sie kann auch leitfähige harte metallische Werkstoffe wie gehärteter Stahl und Hartlegierungen, allerdings mit geringerer Produktivität.

b. Geeignet für die Bearbeitung von tiefen Löchern, dünnwandigen Teilen, schlanken Stangen, Komponenten mit geringer Steifigkeit und komplex geformten Teilen mit hohen Anforderungen.

c. Ideal für die Präzisionsbearbeitung mit hoher Genauigkeit und geringer Oberflächenrauhigkeit Komponenten.

2. Niedrige Schnittkraft und Stromverbrauch:

Durch die örtlich begrenzte, sofortige Einwirkung entstehen bei der Ultraschallbearbeitung nur minimale makroskopische Schnittkräfte, was zu einer geringeren Schnittbelastung und Hitzeentwicklung führt.

3. Hohe Bearbeitungsgenauigkeit und geringe Oberflächenrauhigkeit:

Mit der Ultraschallbearbeitung lassen sich eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit (Maßgenauigkeit bis zu 0,005-0,02 mm) und eine geringe Oberflächenrauhigkeit (Ra-Wert von 0,05-0,2) erzielen. Der Prozess hinterlässt keine Eigenspannung oder Verbrennungsspuren auf der bearbeiteten Oberfläche und eignet sich daher für dünnwandige, enge Spalte und Bauteile mit geringer Steifigkeit.

4. Geeignet für die Bearbeitung komplex geformter Kavitäten und geformter Oberflächen.

5. Werkzeuge können aus relativ weichen Materialien hergestellt werden, die komplizierte Formen.

6. Ultraschall-Bearbeitungsgeräte haben im Allgemeinen eine einfache Struktur, so dass sie leicht zu bedienen und zu warten sind.

III. Prozessgesetze der Ultraschall-Bearbeitung

1. Bearbeitungsgeschwindigkeit und deren Einflussfaktoren:

Die Bearbeitungsgeschwindigkeit bezieht sich auf die Menge des pro Zeiteinheit abgetragenen Materials und wird in mm angegeben.3/min oder g/min.

Zu den Faktoren, die die Bearbeitungsgeschwindigkeit beeinflussen, gehören die Werkzeugamplitude und -frequenz, der Vorschubdruck, die Art und Korngröße des Schleifmittels, das Werkstückmaterial und die Konzentration der Schleifmittelsuspension.

a. Einfluss der Werkzeugamplitude und -frequenz:

Eine zu hohe Amplitude und eine zu hohe Frequenz können das Werkzeug und den Amplitudenstab stark beanspruchen. Eigenspannung. Die Amplitude liegt im Allgemeinen zwischen 0,01-0,1 mm und die Frequenz zwischen 16.000-25.000 Hz.

Bei der tatsächlichen Bearbeitung ist es notwendig, die Resonanzfrequenz an die verschiedenen Werkzeuge anzupassen, um eine maximale Amplitude und eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erreichen.

b. Einfluss des Speisedrucks:

Das Werkzeug sollte während der Bearbeitung einen angemessenen Vorschubdruck haben. Ein zu geringer Druck vergrößert den Spalt zwischen der Werkzeugstirnfläche und der Werkstückoberfläche und verringert die Aufprallkraft des Schleifmittels auf das Werkstück.

Eine Erhöhung des Drucks verringert den Spalt, aber wenn der Spalt bis zu einem gewissen Grad abnimmt, verringert sich die Umlauf- und Erneuerungsgeschwindigkeit des Schleifmittels und der Arbeitsflüssigkeit, wodurch die Produktivität sinkt.

c. Einfluss von Schleifmittelart und Partikelgröße:

Für Werkstoffe mit unterschiedlicher Festigkeit bei der Bearbeitung können verschiedene Schleifmittel gewählt werden. Eine höhere Schleifmittelstärke führt zu einer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeit, aber auch die Kosten müssen berücksichtigt werden. Für die Bearbeitung von Materialien wie Edelsteinen oder Diamanten müssen Diamantschleifmittel verwendet werden.

Borkarbid eignet sich für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl und harten Legierungen, während Aluminiumoxid-Schleifmittel für die Bearbeitung von Materialien wie Glas, Quarz, Silizium und Germanium verwendet werden.

d. Einfluss des Werkstückmaterials:

Harte und spröde Materialien lassen sich bei der Bearbeitung leichter entfernen, während Materialien mit guter Zähigkeit schwieriger zu bearbeiten sind.

e. Einfluss der Konzentration der Schleifmittelsuspension:

Eine geringere Konzentration der Schleifmittelsuspension bedeutet weniger Schleifpartikel im Bearbeitungsspalt, was zu einer deutlichen Verringerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit führen kann, insbesondere bei großen Flächen und großen Tiefen.

Eine Erhöhung der Schleifmittelkonzentration verbessert die Bearbeitungsgeschwindigkeit, aber eine zu hohe Konzentration kann die Zirkulation und den Aufprall der Schleifmittelpartikel im Bearbeitungsbereich beeinträchtigen, was zu einer Verringerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit führt.

2. Bearbeitungsgenauigkeit und beeinflussende Faktoren:

Die Genauigkeit der Ultraschallbearbeitung wird durch die Präzision der Werkzeugmaschine und der Vorrichtung sowie durch die Größe der Schleifpartikel, die Präzision und den Verschleiß der Werkzeuge, die Stärke der seitlichen Schwingungen, die Bearbeitungstiefe und die Eigenschaften des Werkstückmaterials beeinflusst.

3. Qualität der Oberfläche:

Die Ultraschallbearbeitung liefert eine ausgezeichnete Oberflächenqualität, ohne dass Oberflächenschichten oder Brandflecken entstehen. Die Oberflächenrauheit hängt hauptsächlich von der Größe der Schleifmittelpartikel, der Ultraschallamplitude und der Materialhärte des Werkstücks ab.

Kleinere Schleifpartikelgröße, kleinere Ultraschallamplitude und härteres Werkstückmaterial führen zu einer verbesserten Oberflächenrauheit, da der Rauheitswert hauptsächlich durch die Größe und Tiefe der Rillen bestimmt wird, die jeder Schleifpartikelaufschlag auf dem Werkstückmaterial hinterlässt.

Obwohl die Produktivität der Ultraschallbearbeitung im Vergleich zur Funkenerosion und elektrochemischen Bearbeitung geringer ist, sind die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität besser.

Besonders wichtig ist, dass sie Halbleiter und nichtmetallische, harte und spröde Materialien wie Glas, Keramik, Quarz, Silizium, Achat, Edelsteine und Diamanten bearbeiten kann, die mit anderen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind.

Außerdem wird es häufig bei der Endbearbeitung von gehärtetem Stahl eingesetzt, Hartlegierung Formen, Drahtziehwerkzeuge und Kunststoffformen, die durch Funkenerosion bearbeitet werden, um die Oberflächenrauhigkeit weiter zu verringern.

IV. Anwendungen der Ultraschall-Bearbeitung

1. Bearbeitung von Kavitäten und Gussformen:

Die Ultraschallbearbeitung wird hauptsächlich für die Bearbeitung von kreisförmigen Löchern, geformten Löchern, Hohlräumen, Verschachtelungen und Mikrolöchern in spröden und harten Materialien eingesetzt.

2. Schneidende Bearbeitung:

Die Ultraschallbearbeitung eignet sich zum Schneiden von spröden und harten Materialien wie Keramik, Quarz, Silizium und Edelsteinen, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu bearbeiten sind. Sie bietet Vorteile wie dünne Scheiben, schmale Schnitte, hohe Präzision, hohe Produktivität und Kosteneffizienz.

3. Reinigung mit Ultraschall:

Diese Methode basiert auf dem Kavitationseffekt, der durch die Reinigungslösung unter Einwirkung von Ultraschallwellen erzeugt wird. Der durch die Kavitation erzeugte starke Aufprall wirkt direkt auf die zu reinigende Oberfläche, wodurch sich die Verunreinigungen auflösen und von der Oberfläche ablösen.

Diese Methode wird hauptsächlich für die Präzisionsreinigung von kleinen und mittelgroßen Präzisionsteilen mit komplexen Geometrien eingesetzt, bei denen andere Reinigungsmethoden weniger effektiv sind, insbesondere bei tiefen Löchern, Mikrolöchern, gekrümmten Löchern, Sacklöchern, Nuten, engen Spalten usw. Es bietet eine hohe Produktivität und Reinigungsrate.

Derzeit wird es zur Reinigung von Halbleitern und integrierten Schaltkreisen, Instrumententeilen, elektronischen Vakuumgeräten, optischen Komponenten und medizinischen Instrumenten eingesetzt.

4. Ultraschallschweißen:

Beim Ultraschallschweißen wird die Oxidschicht von der Oberfläche der Werkstücke mit Hilfe von Ultraschallvibrationen entfernt und die Oberfläche des Grundmaterials freigelegt. Der Hochgeschwindigkeitsvibrationsstoß zwischen den beiden geschweißten Werkstückoberflächen bewirkt eine Reibungserwärmung und -verbindung.

Es kann zum Schweißen von Nylon, Kunststoffen und Aluminiumprodukten verwendet werden, die zur Oxidschichtbildung neigen. Es kann auch verwendet werden, um Zinn oder Silber auf die Oberflächen von Keramik und anderen nicht-metallischen Materialien aufzutragen und so deren Qualität zu verbessern. Schweißbarkeit.

5. Bearbeitung von Verbundwerkstoffen:

Um die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen und den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung von Hartmetallwerkstoffen wie Hartlegierungen und hitzebeständigen Legierungen zu verringern, wird die ultraschallunterstützte kombinierte Bearbeitung mit elektrochemischer oder funkenerosiver Bearbeitung eingesetzt.

Dies wird häufig für die Bearbeitung von Löchern oder schmalen Schlitzen in Bauteilen wie Einspritzdüsen und Drahtziehplatten verwendet, was zu einer erheblichen Steigerung der Produktivität und Qualität führt.

Ultraschall-Vibrationsschneiden (z. B. Drehen, Bohren(Gewindeschneiden) wurde über mehrere Jahrzehnte als neue Technologie für die Präzisionsbearbeitung und für schwer zerspanbare Werkstoffe entwickelt, die die Schnittkräfte, die Oberflächenrauheit und den Werkzeugverschleiß reduziert und die Produktivität erhöht.

Zu den häufigsten Anwendungen gehören das Ultraschall-Vibrationsdrehen, das Ultraschall-Vibrationsschleifen, die Ultraschallbearbeitung von tiefen und kleinen Löchern und das Gewindeschneiden, um nur einige zu nennen.

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