Ultraschallbearbeitung: Technologie, Vor- und Nachteile

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Die metallverarbeitende Industrie ist in diesem Entwicklungsstadium in der Lage, die komplexen Aufgaben des Schneidens und Bohrens von Werkstücken unterschiedlicher Härte zu lösen. Möglich wurde dies durch die Entwicklung grundlegend neuer Möglichkeiten der Materialbeeinflussung, darunter eine breite Gruppe elektromechanischer Verfahren. Eine der effektivsten Technologien dieser Art ist die Ultraschallbearbeitung (UZO), die auf den Prinzipien der elektroakustischen Strahlung basiert.

Prinzipien der dimensionalen GGM

Bei der dimensionalen Bearbeitung wirken die üblichen mechanischen Schneid- und Schleifmittel als direktes Einflussmittel. Der Hauptunterschied bei dieser Methode liegt in der Energiequelle, die das Werkzeug antreibt. In dieser Funktion arbeitet der Ultraschallstromgenerator mit Frequenzen von 16–30 kHz. Er provoziertSchwingungen der gleichen Schleifkörner mit Ultraschallfrequenz, was die charakteristische Bearbeitungsqualität sicherstellt. Darüber hinaus ist die Vielf alt der Arten mechanischer Einwirkungen zu beachten. Dies sind nicht nur die üblichen Schneid- und Schleifelemente, sondern auch die Verformung der Struktur unter Beibeh altung ihres Volumens. Darüber hinaus sorgt die Ultraschallkalibrierung dafür, dass die Partikel des Werkstücks auch während des Schneidens auf ein Minimum reduziert werden. Körner, die das Material beeinträchtigen, enth alten Mikropartikel, die das Design des Produkts nicht beeinträchtigen. Eine Zerstörung des Gefüges durch die Probenahme erfolgt zwar nicht, jedoch kann es zu einer unkontrollierten Rissausbreitung kommen.

Unterschiede zur Plasmatechnik

In Bezug auf die Bearbeitungsqualität weisen Ultraschall- und Plasmaverfahren viele ähnliche Merkmale auf, die die Möglichkeit des hochpräzisen Schneidens bieten. Aber auch zwischen ihnen gibt es einen signifikanten Unterschied im Arbeitsprinzip. Wenn also UZO mit der Energieunterstützung eines elektrischen Wellengenerators einen intensiven Aufprall auf das Schleifpulver von der Seite des Trimmwerkzeugs beinh altet, dann verwendet das Plasmabearbeitungsverfahren ein mit Ionen und Elektronen geladenes ionisiertes Gas als Arbeitsmedium. Das heißt, die Technologien der Ultraschall- und Plasmabearbeitung erfordern gleichermaßen die Unterstützung eines ausreichend leistungsstarken Energiegenerators. Im ersten Fall handelt es sich um ein elektrisches Ultraschallgerät und im zweiten Fall um Hochtemperaturgas- oder isothermische Anlagen, die das Temperaturregime des Arbeitsmediums auf 16.000 °C bringen können. Ein wichtiger Bestandteil der Plasmabehandlung ist der Einsatz von Elektroden und PlasmaSubstanzen, die eine hohe Leistung des geführten Lichtbogens des Schneidwerkzeugs liefern.

Ultraschallbehandlungsgeräte

Nun lohnt es sich, näher auf die Ausrüstung einzugehen, die bei der Umsetzung des GGM verwendet wird. In der Großindustrie werden für solche Zwecke Maschinen verwendet, die mit einem Generatorsatz zur Erzeugung von Wechselstrom mit Ultraschallfrequenz ausgestattet sind. Der erzeugte Strom wird zur Wicklung des Magnetwandlers geleitet, der wiederum ein elektromagnetisches Feld für den Arbeitskörper der Anlage erzeugt. Die Ultraschallbearbeitung beginnt damit, dass der Stempel der Maschine in einem elektromagnetischen Feld zu vibrieren beginnt. Die Frequenzen dieser Vibration werden vom Generator anhand der eingestellten Parameter eingestellt, die im Einzelfall erforderlich sind.

Der Stempel besteht aus einem magnetostriktiven Material (einer Legierung aus Eisen, Nickel und Kob alt), das sich unter Einwirkung eines magnetischen Wandlers in linearen Abmessungen ändern kann. Und in der letzten kritischen Phase wirkt der Stempel durch Schwingungen, die entlang des Wellenleiterkondensators geführt werden, auf das Schleifpulver ein. Darüber hinaus können Umfang und Leistung der Verarbeitung unterschiedlich sein. Auf den betrachteten Geräten wird industrielle Metallbearbeitung unter Bildung massiver Strukturen durchgeführt, aber es gibt auch kompakte Geräte mit einem ähnlichen Funktionsprinzip, auf denen hochpräzise Gravuren durchgeführt werden.

Dimensionale RCD-Technik

Nach der Installation und Vorbereitungdes Zielmaterials wird die abrasive Aufschlämmung dem Bereich der Operation zugeführt - dh dem Raum zwischen der Oberfläche des Produkts und dem oszillierenden Ende. Als Schleifmittel selbst werden übrigens meist Silizium- oder Borkarbide verwendet. In automatisierten Linien wird Wasser für die Pulverförderung und -kühlung verwendet. Die direkte Ultraschallbearbeitung von Metallen besteht aus zwei Arbeitsgängen:

• Durchschlagendes Eindringen von Schleifpartikeln in die vorgesehene Oberfläche des Werkstücks, wodurch ein Netzwerk von Mikrorissen gebildet wird und Mikropartikel des Produkts durchstochen werden.
• Zirkulation von Schleifmaterial in der Bearbeitungszone - verbrauchte Körner werden durch Ströme neuer Partikel ersetzt.

Eine wichtige Voraussetzung für die Effektivität des gesamten Prozesses ist es, in beiden Verfahren bis zum Ende des Zyklus ein hohes Tempo beizubeh alten. Andernfalls ändern sich die Bearbeitungsparameter und die Schleifrichtungsgenauigkeit nimmt ab.

Prozesseigenschaften

Für eine bestimmte Aufgabe optimale Bearbeitungsparameter sind voreingestellt. Dabei werden sowohl die Gest altung der mechanischen Einwirkung als auch die Eigenschaften des Werkstückmaterials berücksichtigt. Die durchschnittlichen Eigenschaften der Ultraschallbehandlung können wie folgt dargestellt werden:

• Der Frequenzbereich des Stromgenerators reicht von 16 bis 30 kHz.
• Die Schwingungsamplitude des Stempels oder seines Arbeitswerkzeugs - das untere Spektrum zu Beginn des Vorgangs beträgt 2 bis 10 Mikrometer und das obere Niveau kann 60 Mikrometer erreichen.
• Sättigung der abrasiven Aufschlämmung - von 20 bis 100.000. Körner pro 1 cm Würfel.
• Durchmesser der Schleifelemente - von 50 bis 200 Mikron.

Die Variation dieser Parameter ermöglicht nicht nur eine individuelle hochpräzise lineare Bearbeitung, sondern auch die exakte Ausbildung komplexer Nuten und Ausschnitte. In vielerlei Hinsicht ist das Arbeiten mit komplexen Geometrien durch die Perfektion der Eigenschaften der Stempel möglich geworden, was die Schleifmittelzusammensetzung in verschiedenen Modellen mit dünnem Überbau beeinflussen kann.

Entgraten mit RCD

Dieser Vorgang basiert auf einer Erhöhung der Kavitation und der erosiven Aktivität des akustischen Feldes, wenn ultrakleine Partikel ab 1 Mikrometer in den Strahlmittelstrom eingebracht werden. Diese Größe ist vergleichbar mit dem Wirkungsradius der Stoßschallwelle, die es ermöglicht, schwache Gratstellen zu zerstören. Der Arbeitsprozess wird in einem speziellen flüssigen Medium mit einer Glycerinmischung organisiert. Als Behälter wird auch eine spezielle Ausrüstung verwendet - ein Phytomixer, in dessen Glas sich Schleifmittel und ein Arbeitsteil befinden. Sobald das Arbeitsmedium mit einer akustischen Welle beaufschlagt wird, beginnt die zufällige Bewegung von abrasiven Partikeln, die auf die Oberfläche des Werkstücks einwirken. Feine Körner aus Siliziumkarbid und Elektrokorund in einer Mischung aus Wasser und Glyzerin sorgen für eine effektive Entgratung bis zu einer Größe von 0,1 mm. Das heißt, die Ultraschallbehandlung bietet eine genaue und hochpräzise Entfernung von Mikrodefekten, die selbst nach herkömmlichem mechanischem Schleifen zurückbleiben könnten. Wenn es sich um große Grate handelt, ist es sinnvoll, die Intensität des Prozesses zu erhöhen, indem dem Behälter chemische Elemente hinzugefügt werdenwie blaues Vitriol.

Teile mit RCD reinigen

Auf den Oberflächen von Arbeitsmetallrohlingen können verschiedene Arten von Beschichtungen und Verunreinigungen vorhanden sein, die aus dem einen oder anderen Grund nicht durch herkömmliche abrasive Reinigung entfernt werden dürfen. In diesem Fall wird auch die Technologie der Kavitations-Ultraschallbearbeitung in einem flüssigen Medium verwendet, jedoch mit einer Reihe von Unterschieden zur vorherigen Methode:

• Der Frequenzbereich variiert von 18 bis 35 kHz.
• Organische Lösungsmittel wie Freon und Ethylalkohol werden als flüssiges Medium verwendet.
• Um einen stabilen Kavitationsprozess und eine zuverlässige Fixierung des Werkstücks aufrechtzuerh alten, ist es erforderlich, den resonanten Betriebsmodus des Phytomischers einzustellen, dessen Flüssigkeitssäule der halben Länge der Ultraschallwelle entspricht.

Ultraschallunterstütztes Diamantbohren

Die Methode beinh altet die Verwendung eines rotierenden Diamantwerkzeugs, das durch Ultraschallschwingungen angetrieben wird. Die Energiekosten für den Behandlungsprozess übersteigen das Volumen der erforderlichen Ressourcen mit herkömmlichen mechanischen Einwirkungsmethoden und erreichen 2000 J/mm3. Mit dieser Leistung bohren Sie bis zu einem Durchmesser von 25 mm mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/min. Auch die Ultraschallbearbeitung von Materialien durch Bohren erfordert den Einsatz von Kühlmittel in großen Mengen bis zu 5 l/min. Flüssigkeitsströme waschen auch feines Pulver von den Oberflächen des Werkzeugs und des Werkstücks aus,bei der Zerstörung des Strahlmittels gebildet.

Kontrolle der RCD-Leistung

Der technologische Prozess steht unter der Kontrolle des Bedieners, der die Parameter der einwirkenden Vibrationen überwacht. Dies gilt insbesondere für die Amplitude von Schwingungen, die Schallgeschwindigkeit sowie die Stärke der Stromzufuhr. Mit Hilfe dieser Daten wird die Kontrolle der Arbeitsumgebung und der Einwirkung des Schleifmittels auf das Werkstück sichergestellt. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei der Ultraschallbearbeitung von Instrumenten, wenn mehrere Betriebsmodi der Ausrüstung in einem technologischen Prozess verwendet werden können. Die fortschrittlichsten Kontrollmethoden beinh alten die Beteiligung automatischer Mittel zur Änderung der Verarbeitungsparameter auf der Grundlage der Messwerte von Sensoren, die die Parameter des Produkts aufzeichnen.

Vorteile der Ultraschalltechnologie

Der Einsatz der RCD-Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen, die sich je nach konkreter Implementierungsmethode in unterschiedlichem Maße manifestieren:

• Die Produktivität des Bearbeitungsprozesses steigt um ein Vielfaches.
• Ultraschall-Werkzeugverschleiß wird im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungsmethoden um das 8-10-fache reduziert.
• Beim Bohren nehmen die Bearbeitungsparameter in Tiefe und Durchmesser zu.
• Erhöht die Genauigkeit der mechanischen Bewegung.

Technische Mängel

Eine breite Anwendung dieser Methode wird noch durch eine Reihe von Mängeln behindert. Sie hängen hauptsächlich mit der technologischen Komplexität der Organisation zusammen. Prozess. Darüber hinaus erfordert die Ultraschallbearbeitung von Teilen zusätzliche Vorgänge, einschließlich der Zufuhr von Schleifmaterial zum Arbeitsbereich und des Anschlusses von Geräten zur Wasserkühlung. Diese Faktoren können auch die Arbeitskosten erhöhen. Bei der Wartung industrieller Prozesse steigen auch die Energiekosten. Zusätzliche Ressourcen werden nicht nur benötigt, um die Funktion der Haupteinheiten sicherzustellen, sondern auch für den Betrieb von Schutzsystemen und Stromabnehmern, die elektrische Signale übertragen.

Schlussfolgerung

Die Einführung der Ultraschall-Schleiftechnologie in Metallbearbeitungsprozesse war auf Einschränkungen bei der Verwendung traditioneller Methoden zum Schneiden, Bohren, Drehen usw. zurückzuführen. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Drehmaschine ist die Ultraschall-Metallbearbeitung in der Lage, Materialien mit erhöhter Härte effektiv zu bewältigen. Der Einsatz dieser Technologie ermöglichte die Bearbeitung von gehärtetem Stahl, Titankarbidlegierungen, wolframh altigen Produkten usw. Gleichzeitig wird eine hohe Genauigkeit der mechanischen Wirkung bei minimaler Beschädigung der in der Bearbeitung befindlichen Struktur garantiert Bereich. Doch wie bei anderen innovativen Technologien wie Plasmaschneiden, Laser- und Wasserstrahlbearbeitung gibt es auch beim Einsatz solcher Metallbearbeitungsverfahren noch wirtschaftliche und organisatorische Probleme.