Welt der Fertigung
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Mit Ultraschall besser zerspanen

Mehr Produktivität und bessere Oberflächen

In der Fertigung werden vermehrt schwer zerspanbare Werkstoffe wie beispielsweise Hartmetalle, Keramiken und faserverstärkte Kunststoffe bearbeitet. Mit konventionellen spanenden Fertigungsverfahren lassen sich diese Materialien aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes jedoch nur mit großem Aufwand zerspanen. Die ultraschallunterstützte Zerspanung hat sich in diesem Feld deshalb als geeignetes Mittel erwiesen, um diesem Nachteil entgegenzuwirken.

Bei der ultraschallunterstützten Zerspanung wird der Kinematik des konventionellen Bearbeitungsprozesses eine zusätzliche hochfrequente Schwingung überlagert. Diese erzeugt an der Werkzeugschneide Schwingungsamplituden im Bereich von wenigen Mikrometern und sorgt dadurch für eine hochfrequente Änderung der Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise des Vorschubs. Zu den Konsequenzen zählen dabei unter anderem eine Verringerung der Zerspankräfte, höhere Zeitspanvolumina und nachweislich eine günstigere Spanbildung sowie Verbesserung der Werkstückqualität.

Bei Verfahren wie dem Fräsen oder dem Schleifen hat sich bestätigt, dass sich diese positiven Effekte teilweise bereits bei einer Schwingungsanregung axial zum Werkstück, das bedeutet senkrecht zur Schnittrichtung, einstellen. Eine weitere Optimierung der Prozessergebnisse erreichen Anwender, indem sie den Abläufen eine Schwingung in Schnittrichtung überlagern und somit die Schnittgeschwindigkeit hochfrequent modulieren.

Verbesserte Bauteilqualität bei geringerem Verschleiß Mithilfe von Ultraschall lassen sich sprödharte Materialien und Hochleistungswerkstoffe bis zu fünfmal produktiver bearbeiten als mit konventionellen Verfahren. Neben einer hohen Produktivität weist die Technologie zudem noch weitere Vorteile auf: Dazu zählen beispielswiese die Produktion von hochwertigen Oberflächen oder die Möglichkeit, Präzisionsbohrungen durchzuführen. Dies resultiert daraus, dass beim Vorgang rotierende, diamantbesetzte Werkzeuge mit einer Frequenz von 20 Kilohertz pulsieren. Mithilfe von Diamantkörnern, die in die Werkstückoberfläche eingehämmert werden, brechen somit feine, störende Partikel aus.

Durch ihre pulsierende Bewegung befinden sich die Bohr- und Schleifwerkzeuge jedoch nicht permanent im Eingriff, was für eine weniger starke thermische Belastung und eine erhöhte Standzeit des Tools sorgt. Zudem treten Mikrorisse im Werkstück seltener auf als bei konventionellen Bearbeitungsverfahren wie zum Beispiel dem Schleifen. Die rotierende Bewegung des Werkzeugs stellt in erster Linie die Rundheitspräzision am Werkstück sicher und entfernt abgetragene Werkstoffpartikel. Da bei einer ultraschallunterstützten Fertigung nur wenig Reibung entsteht, kommt der größte Teil der eingesetzten Energie dem Trennmechanismus zugute.

Aufgrund der hohen Energieausbeute kommt das Verfahren deshalb mit vergleichsweise kleinen Prozesskräften aus – ein entscheidender Vorteil, wenn dünne Bauteilwandungen gefordert sind, wie beispielsweise in der Automobil- oder Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt oder der optischen Industrie. Doch trotz dieser Vorteile gilt für alle Ultraschall-Vorgänge: Sämtliche Komponenten sowie Stell- und Regelgrößen müssen exakt aufeinander abgestimmt sein, damit der Vorgang effizient abläuft. Verfügen Anwender über dieses Know-how, beherrschen sie den Prozess sicher und erzielen optimale Ergebnisse.

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