Ultrasoonbewerking: Principes, Voordelen en Toepassingen

Wat is ultrasoonbewerking?

Ultrasoonbewerking (USM) is een vervaardigingsproces waarbij harde en bros materialen worden verwijderd met behulp van een assiaal oscillerend gereedschap dat werkt op ultrasonore frequenties [18–20 kilohertz (kHz)].

Tijdens deze oscillatie wordt een abrasieve suspensie van B₄C of SiC continu toegevoerd in de bewerkingszone tussen een zacht gereedschap (messing of staal) en het werkstuk. De abrasieve deeltjes worden daarbij als het ware in het oppervlak van het werkstuk 'gehammeld', wat leidt tot het afbreken van fijn materiaal.

Het oscillerende gereedschap, met amplitudes van 10 tot 40 µm, oefent een statische druk uit op de abrasieve korrels en zakt af naarmate materiaal wordt verwijderd, zodat de gewenste gevorm ontstaat. Balamuth ontdekte USM in 1945 tijdens ultrasoon-slijpen van abrasieve poeders. Industriële toepassingen begonnen in de jaren '50 met de introductie van nieuwe werktuigmachines. USM kenmerkt zich door de afwezigheid van nadelige effecten op de metallurgische structuur van het werkstukmateriaal.

Werkprincipe van ultrasoonbewerking

Het proces werkt op dezelfde principes als ultrasoonlassen. De machine genereert een hoogfrequente trilling (ca. 20.000–30.000 Hz) met een lage amplitude (25–50 µm). Deze trilling wordt overgebracht op de abrasieve deeltjes in de suspensie, waardoor deze de bros werkstuk onder druk zetten en materiaal van het contactoppervlak verwijderen.

Onderdelen van een ultrasoonbewerkingsmachine

1. Voeding
2. Transducers (magnetostrictief)
3. Hoogfrequentegenerator
4. Amplitudetransformator (gereedschaphorn)
5. Koelingssysteem
6. Gereedschappen
7. Gereedschaphouder
8. Duit
9. Oplossingen (abrasieve suspensies)
10. Pompen

1. Voeding

Het proces vereist een wisselstroomvoeding van 50–60 Hz.

2. Transducers (magnetostrictor)

Deze transducer is magnetostrictief van aard: het verandert de frequentie van mechanische trillingen op basis van magnetostrictie en trilt in opwaartse en neerwaartse richting.

3. Hoogfrequentegenerator

Converteert de conventionele 50/60 Hz voeding naar hoogfrequente elektrische energie (meestal 20–40 kHz) die naar de transducer wordt geleid.

4. Amplitudetransformator of gereedschaphorn

Verbindt het gereedschap met de transducer en versterkt de trillingamplitude (van ca. 0,025 mm naar werkbare waarden). Het concentreert de trilling ook naar de gereedschappunt. Het gereedschap wordt gelast, gebrazeerd, gesoldeerd of gelast aan de horn.

5. Koelingssysteem

Koud water strom door een mantel rond de transducer om warmte af te voeren.

6. Gereedschappen

Gemaakt van zacht, duktiel materiaal zoals wolframcarbide, roestvrij staal, titanium of koper. De vorm van het gereedschap komt overeen met de te produceren kaviteit.

7. Gereedschaphouder

Houdt het gereedschap vast.

8. Duit

Gemaakt van wolfram om slijtage door de abrasieve suspensie te weerstaan.

9. Oplossingen

Continu toevoer van siliciumcarbide, boorcarbide of gemengde alumina suspensies in water of olie.

10. Pompen

Voorzien de duit van abrasieve suspensie.

Materiaalverwijderingsmechanisme

Drie verschillende mechanismen spelen een rol:

1. Mechanische abrasie door direct hammeren van abrasieve korrels tussen het trillende gereedschap en het werkstuk.
2. Micro-scheuring door vrije impact van deeltjes die willekeurig het werkstuk raken.
3. Cavitatie-erosie in de suspensiestroom (minder dan 5% van totale materiaalverwijdering).

Direct hammeren is het dominante mechanisme. Zachte materialen worden eerst plastisch vervormd en later langzamer verwijderd. Harde, bros materialen (glas) tonen een hogere verwerkingsnelheid waarbij vrije impact zichtbaarder is.

Factoren die de sneesnelheid beïnvloeden

• Korrelgrootte van het abrasief
• Type abrasiefmateriaal
• Concentratie van de suspensie
• Trillingamplitude
• Frequentie

Nauwkeurigheid: Maximale indringingssnelheid in zachte, bros materialen (zoals keramiek) is ca. 20 mm/min. Dimensionele nauwkeurigheid tot ±0,005 mm en oppervlakteafwerking tot Ra 0,1–0,125 µm zijn haalbaar. Minimale hoekstraal van 0,10 mm bij afwerkbewerking. Machinevermogen varieert van 20 W (draagbaar) tot 2 kW (zwaar).

Toepassingen

• Borgen van ronde en willekeurig gevormde gaten
• Boren, slijpen, profileren en frezen van geleidende en niet-geleidende materialen
• Bewerken van glas, keramiek, wolframcarbide, edelstenen (synthetische robijn)
• Gezinden snijden in harde metalen en legeringen
• Productie van trekdraden (wolframcarbide, diamant) en smedt/extrusiematrijzen
• Tandheelkundige toepassingen: pijnloos boren van gaten in tanden

Voordelen

• Bewerking van bros, niet-geleidende, harde en kruipende materialen
• Geen warmteontwikkeling → geen structurele veranderingen in werkstuk
• Geschikt voor niet-metalen die niet bewerkbaar zijn met EDM/ECM
• Grat- en vervormingsvrij proces
• Combineerbaar met EDM, ECG, ECM
• Stille werking
• Bedienbaar door zowel geschoolde als ongeschoolde operators
• Hoge nauwkeurheid en uitstekende oppervlaktekwaliteit
• Onafhankelijk van elektrische geleidbaarheid van het materiaal

Nadelen

• Lange materiaalverwijderingssnelheid door micro-scheuring/erosie
• Snelle slijtage van de sonotrode-punt
• Diepgatenboren moeilijk (slibstromingbeperking), behalve bij rotatie-ultrasoonbewerking
• Alleen materialen met hardheid ≥ 45 HRC bewerkbaar

Beperkingen

De hoofdbepersking is de lage metaalsneesnelheid (max 3 mm³/s) bij hoge energieverbruik. Gaatdiedpte beperkt tot 2,5× gereedschapsdiameter. Gereedschapslijtage vergroot gathoek en verrundt scherpe hoeken → gereedschapsvervang noodzakelijk voor nauwkeurige blinde gaten. Beperkt tot kleinere oppervlaktes.

Gereedschapsmateriaal moet zuchtig en duktil zijn. Heel duktiele metalen (aluminium) geven korte gereedschapslevensduur; oplossing: laagkoolstofstaal of roestvrij staal. Materiaalverwijderingssnelheid daalt met verhouding werkstukhardheid/gereedschapshardheid. Korrelgrootte moet afgestemd zijn op trillingamplitude; afwijking verlaagt sneesnelheid. Bij diepgatenboren zijn speciale slibtoevoertechnieken nodig (gedwongen circulatie, wisselende korrelgroottes, zuiging).

Recente ontwikkelingen

Nieuwe ontwikkeling: diamantgeïmpregneerd gereedschap zonder suspensie, gecombineerd met rotatie. Dit lost diepgatenproblemen op: gatdimensies binnen ±0,125 mm, gaten tot 75 mm diepte in keramiek zonder snelheidsverlies.

Veelgestelde vragen

In ultrasoonbewerking wordt materiaal verwijderd door: A. Abrasieve suspensie tussen gereedschap en werkstuk (correct)

Functie van transducer: C. Omzetten van elektrische energie in mechanische trillingen

In ultrasoonbewerking beweegt het gereedschap: D. Trilt in longitudinale richting