Ultrasonische Bewerking (USM): Kerncomponenten, Principes, Voor- en Nadelen, Toepassingen

Ultrasonische bewerking (USM), ook ultrasoontrillingsbewerking genoemd, is een proces waarbij materiaal van een onderdeel wordt verwijderd door lage-amplitude, hoge-frequentie trillingen van een gereedschap tegen het oppervlak in de aanwezigheid van abrasieve deeltjes.

• De gereedschapsbeweging is verticaal/orthogonaal aan het oppervlak. Amplitude: 0,05-0,125 mm (0,002-0,005 inch).
• De slurry (water met fijn abrasief) stroomt over werkstuk en gereedschapspunt. Korrelgrootte: 100-1000. Kleinere korrels (hoger getal) geven gladder resultaat.
• Gebruikt voor broze materialen en materialen met hoge hardheid.

Werkprincipe van Ultrasonische Bewerking

Een hoogfrequente elektrische stroom (18-40 kHz) genereert mechanische trillingen van lage amplitude en hoge frequentie. Deze trillingen worden gebruikt voor bewerking in aanwezigheid van abrasieve korrels in slurry. De slurry stroomt tussen gereedschap en werkstuk. Wanneer het gereedschap op het werkstuk drukt, splijten de abrasieve deeltjes in de slurry materiaal af.

Hoofdonderdelen

De machine bestaat uit twee hoofdonderdelen: transducer en sonotrode (hoorn), verbonden met een elektronische besturingseenheid.

1. Transducer

Bevat een cylinder van piezo-elektrisch keramisch materiaal. Converteert elektrische energie naar mechanische trillingen. Laat de sonotrode trillen met lage amplitude, hoge frequentie.

2. Sonotrode (Hoorn)

Gemaakt van laagcarboonstaal. Een einde aan transducer, ander einde bevat het gereedschap. Trilt met lage amplitude, hoge frequentie en verwijdert materiaal door abrasie bij contact.

3. Besturingseenheid

Bevat een elektronische oscillator die wisselstroom van hoge frequentie produceert (18-40 kHz, ultrasoonbereik).

Typen USM

1. Rotatoire Ultrasonische Trillingsbewerking (RUM)

Een verticaal draaiend gereedschap draait om de as van de sonotrode. Het oppervlak is geïmpregneerd met diamanten voor afslijpen. Geen abrasieve slurry nodig.

2. Chemisch-Geassisteerde USM

Gebruikt een chemisch reactieve abrasieve vloeistof voor bewerking.

Werking van het Ultrasonische Bewerkingsproces

• Transducer en sonotrode aangesloten op besturingseenheid.
• Oscillator produceert wisselstroom 18-40 kHz.
• Stroom naar transducer → mechanische trillingen → sonotrode.
• Sonotrode trilt met lage amplitude, hoge frequentie. Bij contact met werkstuk wordt materiaal verwijderd. Slurry stroomt tussen gereedschap en werkstuk en helpt bij verwijdering.
• Slurry bevat 20-60% water per volume, aluminiumoxide, boorcarbide, siliciumcarbide deeltjes.
• Zo werkt ultrasonische bewerking.

Voordelen

• Bewerkt broze/harde materialen met hoge precisie.
• Kan fragiele materialen (glas) en niet-geleidende metalen bewerken (waar ECM/EDM faalt).
• Hoge tolerantieonderdelen mogelijk.
• Geen vervorming (geen warmteopwekking).
• Geen verandering in fysieke eigenschappen.
• Minder nabewerking nodig (geen graten).

Nadelen

• Lange materiaalverwijdering door micro-afbrokkeling/erosie.
• Sonodrodetop slijt sneller.
• Diepe gaten moeilijk (slurry bereikt bodem niet, behalve RUM).
• Alleen materialen met hardheid ≥ 45 HRC (Rockwell C-schaal).

Toepassingen

• Glas, carbiden, keramiek, edelstenen, geharde stalen.
• Precisiebewerking voor micro-elektrochemische systeemcomponenten (bijv. micro-gestructureerde glas wafers).

Bron: wikipedia.org