Ultraschall steigert Produktivität beim Zerspanen harter Werkstoffe

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Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

JUNG Hebe- und Transporttechnik GmbH

Fastems Systems GmbH

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Außer der industriellen Endbearbeitung einer Vielzahl von Bauteilen in der Medizintechnik wird das Superfinishing insbesondere in der Automobilindustrie als Endbearbeitungsverfahren für Nockenwellen, Getriebewellen und Kurbelwellen angewandt. Die Grenzen der Superfinishtechnologie liegen in den geringen Abtragsraten, dem hohen Werkzeugverschleiß, der schwierigen Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen, der schnellen Zusetzung des Steinwerkzeugs, den fehlenden Druckeigenspannungen an der Werkstückoberfläche nach dem Prozess und den begrenzten Möglichkeiten zur Erzeugung neuer Oberflächenstrukturen.

Ultraschallsuperfinishing von Präzisionsbauteilen

Um den Prozess kostengünstiger zu gestalten, wurde innerhalb des Innonet-Projekts „Sonic Finish“ der Superfinishprozess mit einer Ultraschallschwingung zu einem Hybridprozess erweitert. Das Projektkonsortium bestand aus dem Fraunhofer-IPT, dem KSF-Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung, potenziellen Endanwendern sowie Maschinen-, Werkzeug- und Softwareherstellern.

Es wurde eine kompakte, adaptive Systemeinheit, die erstmals das Ultraschallsuperfinishing von Präzisionskomponenten ermöglicht, entwickelt. Ziel war es, am Beispiel der Bearbeitung zylindrischer Präzisionsbauteile durch die zusätzlich eingebrachte Schwingungsenergie höhere Abtragsraten bei niedrigerem Werkzeugverschleiß zu erreichen.

Longitudinalschwingung in Ultraschallfrequenz unterstützt Abtrag des Zerspanungswerkzeugs

Beim ultraschallunterstützten Superfinishprozess wird der konventionellen Kinematik eine hochfrequente Longitudinalschwingung des Werkzeugs mit einer Ultraschallfrequenz von etwa 20 kHz und einem Hub von 22 bis 32 μm in radialer Richtung zum Werkstück überlagert. Bei harten Materialien kommt es durch die hochfrequente Schwingung zur Bildung von Mikrorissen an der Werkstückoberfläche, die den Materialabtrag erleichtern. Der Abtrag kann mit Bandwerkzeugen parameter- und werkstoffabhängig bis zu 70% erhöht werden.

Darüber hinaus wird bei der Bearbeitung von (Hart-)Metallen eine optimierte Oberflächenstruktur für Notlaufeigenschaften erzeugt. Bild 3 zeigt das prototypische Ultraschall-Superfinishmodul als 3D-Modell, das konstruiert und aufgebaut wurde. Dieses prototypische Modul wurde in eine Superfinish-Werkzeugmaschine integriert. Die Projektergebnisse, die durch das interdisziplinäre Projektteam erarbeitet wurden, sollen die Wettbewerbssituation der Maschinen-, Werkzeug- und Softwarehersteller in Deutschland verbessern.

Höhere Abtragsraten durch ultraschallunterstütztes Schleifen

Beim ultraschallunterstützten Schleifprozess wird der Spindelrotation eine hochfrequente axiale Schwingbewegung des Werkzeugs mit Ultraschallfrequenz überlagert. Gegenüber dem konventionellen Schleifprozess lässt sich durch diese überlagerte Kinematik eine höhere Abtragsrate und eine wirtschaftlichere Bearbeitung besonders von sprödharten Materialien wie Glas und Keramik erreichen.

Die Kombination von Werkzeugrotation und -oszillation führt zu einem diskontinuierlichen Kontakt des Werkzeugs mit der Werkstückoberfläche. Dadurch werden einerseits Mikrorisse und -abplatzungen in der Werkstückoberfläche erzeugt, andererseits wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert.

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