Deutsch
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M20-R
Rps-Sonic
M20-R
Einführung
Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Ultraschallbearbeitung um einen nicht-thermischen, nicht chemischen und nicht elektrischen Bearbeitungsprozess, bei dem die chemische Zusammensetzung, die Materialmikrostruktur und die physikalischen Eigenschaften des Werkstücks unverändert bleiben. Der UM-Prozess wird manchmal auch als Ultraschall-Schlagschleifen (UIG) oder Vibrationsschneiden bezeichnet und kann zur Erzeugung einer Vielzahl komplexer Merkmale in modernen Materialien eingesetzt werden.
UM ist ein mechanisches Materialabtragsverfahren, das zur Bearbeitung sowohl leitfähiger als auch nichtmetallischer Materialien mit Härten von mehr als 40 HRC (Rockwell-Härte gemessen auf der C-Skala) eingesetzt werden kann. Der UM-Prozess kann zur Bearbeitung präziser Mikromerkmale, runder und ungewöhnlich geformter Löcher, blinder Hohlräume sowie Außen-/Innendurchmesser-Merkmalen verwendet werden. Es können mehrere Merkmale gleichzeitig gebohrt werden, wodurch sich die Gesamtbearbeitungszeit häufig erheblich verkürzt.
Hochfrequente Energie mit niedriger Amplitude wird auf die Werkzeugbaugruppe übertragen. Zwischen Werkzeug und Werkstück strömt ein konstanter Strahl Schleifmittelbrei. Das vibrierende Werkzeug schleift in Kombination mit der Schleifaufschlämmung das Material gleichmäßig ab und hinterlässt ein präzises Umkehrbild der Werkzeugform. Das Werkzeug kommt nicht mit dem Material in Kontakt; nur die Schleifkörner berühren das Werkstück.
Beim UM-Prozess wird ein niederfrequentes elektrisches Signal an einen Wandler angelegt, der die elektrische Energie in hochfrequente (~20 KHz) mechanische Schwingungen umwandelt (siehe Abbildung 2). Diese mechanische Energie wird auf eine Horn- und Werkzeugbaugruppe übertragen und führt zu einer unidirektionalen Vibration des Werkzeugs mit Ultraschallfrequenz und bekannter Amplitude. Die Standardschwingungsamplitude beträgt typischerweise weniger als 0,002 Zoll. Die Leistungsstufe für diesen Prozess liegt im Bereich von 50 bis 3000 Watt. Auf das Werkzeug wird Druck in Form einer statischen Belastung ausgeübt.
Zwischen Werkzeug und Werkstück strömt ein konstanter Strahl Schleifmittelbrei. Zu den häufig verwendeten Schleifmitteln gehören Diamant, Borkarbid, Siliziumkarbid und Aluminiumoxid. Die Schleifkörner werden in Wasser oder einer geeigneten chemischen Lösung suspendiert. Zusätzlich zur Bereitstellung von Schleifkörnern für die Schneidzone wird die Aufschlämmung auch zum Wegspülen von Schmutz verwendet. Das vibrierende Werkzeug schleift in Kombination mit der Schleifaufschlämmung das Material gleichmäßig ab und hinterlässt ein präzises Umkehrbild der Werkzeugform.
Bei der Ultraschallbearbeitung handelt es sich um einen losen Schleifbearbeitungsprozess, der eine sehr geringe Kraft auf das Schleifkorn erfordert, was zu einem geringeren Materialbedarf und minimaler bis gar keiner Beschädigung der Oberfläche führt. Der Materialabtrag während des UM-Prozesses kann in drei Mechanismen eingeteilt werden: mechanischer Abrieb durch das direkte Einschlagen der Schleifpartikel in das Werkstück (schwer), Mikroabplatzungen durch den Aufprall der frei beweglichen Schleifmittel (gering) und durch Kavitation verursachte Erosion und chemische Wirkung (geringfügig). 2
Die Materialabtragsraten und die auf der bearbeiteten Oberfläche erzeugte Oberflächenrauheit hängen von den Materialeigenschaften und Prozessparametern ab, einschließlich der Art und Größe des verwendeten Schleifkorns und der Schwingungsamplitude sowie der Porosität, Härte und Zähigkeit des Materials. Im Allgemeinen ist die Materialentfernungsrate bei Materialien mit hoher Materialhärte (H) und Bruchzähigkeit (KIC) geringer.
Parameter der Ultraschallbearbeitung:
Das Ultraschall-Vibrationsbearbeitungsverfahren ist eine effiziente Schneidtechnik für schwer zerspanbare Materialien. Es wurde festgestellt, dass der USM-Mechanismus von diesen wichtigen Parametern beeinflusst wird.
Amplitude der Werkzeugschwingung (a0)
Frequenz der Werkzeugschwingung (f)
Werkzeugmaterial
Art des Schleifmittels
Korngröße bzw. Körnung der Schleifmittel – d0
Vorschubkraft - F
Kontaktbereich des Werkzeugs – A
Volumenkonzentration des Schleifmittels in der Wasseraufschlämmung – C
Verhältnis von Werkstückhärte zu Werkzeughärte; λ=σw/σt
| Artikel | Parameter |
| Schleifmittel | Borcarbid, Aluminiumoxid und Siliziumcarbid |
| Korngröße (d0) | 100 – 800 |
| Schwingungsfrequenz (f) | 19 – 25 kHz |
| Schwingungsamplitude (a） | 15 - 50 µm |
| Werkzeugmaterial | Weicher Stahl aus Titanlegierung |
| Verschleißverhältnis | Wolfram 1,5:1 und Glas 100:1 |
| Lücke überschnitten | 0,02–0,1 mm |
Obwohl die Fertigungstechnologien für Materialien wie Metalle und deren Legierungen gut entwickelt sind, bestehen bei der Herstellung harter und spröder Materialien wie Keramik und Glas immer noch erhebliche Probleme. Ihre hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften führen zu langen Bearbeitungszyklen und hohen Produktionskosten. Die Ultraschallbearbeitung (USM) mit losen Schleifpartikeln, die zur Materialentfernung in einer flüssigen Aufschlämmung suspendiert sind, gilt als wirksame Methode zur Herstellung dieser Materialien. Diese Arbeit gibt zunächst einen kurzen Überblick über USM und befasst sich dann hauptsächlich mit der Entwicklung eines Simulationsmodells dieses Prozesses unter Verwendung einer netzfreien numerischen Technik, der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Um den Materialabtrag und die Wechselwirkung der Schleifpartikel bei USM zu verstehen, wird die Rissbildung auf der Arbeitsfläche untersucht, die durch zwei Schleifpartikel beeinflusst wird. Außerdem werden Experimente durchgeführt, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren. Das SPH-Modell hat sich für die Untersuchung von USM als nützlich erwiesen und ist in der Lage, die Bearbeitungsleistung vorherzusagen.
Harte und spröde Materialien wie Glas, Keramik und Quarzkristall erlangen in den letzten Jahren aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften wie hoher Härte, hoher Festigkeit, chemischer Stabilität und geringer Dichte immer mehr Aufmerksamkeit. Hochleistungsprodukte aus diesen Materialien spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Industriebereichen, darunter in der Halbleiter-, optischen Komponenten-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie [1, 2]. Bei der Herstellung harter und spröder Materialien bestehen jedoch immer noch erhebliche Probleme wie lange Bearbeitungszyklen und hohe Produktionskosten. Besondere Schwierigkeiten stellen die Herstellung von Mikro-/Nanostrukturen mit hoher Bearbeitungseffizienz, hohen Aspektverhältnissen und guten Oberflächen dar, die keine Eigenspannungen und Mikrorisse aufweisen. Daher besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung präziser und effizienter Mikrobearbeitungstechniken für diese Materialien.
Zur Bearbeitung harter und spröder Materialien wurden nicht-traditionelle Bearbeitungstechniken wie Elektroentladungsbearbeitung und Laserstrahlbearbeitung vorgeschlagen. Allerdings weisen auch diese Prozesse erhebliche Einschränkungen auf, da die bearbeiteten Oberflächen immer hitzebedingten Schäden wie Recast-Schichten und thermischer Belastung ausgesetzt sind. Die Ultraschallbearbeitung (USM) ist eine weitere alternative Methode zur Herstellung sowohl leitfähiger als auch nicht leitfähiger harter und spröder Materialien. Dabei handelt es sich um einen vollständig mechanischen Prozess, der weder Hitze noch chemischen Einflüssen ausgesetzt ist. Daher würde USM die Bearbeitungsobjekte nicht thermisch beschädigen und auch keine nennenswerten Eigenspannungen und chemischen Veränderungen hervorrufen.
