Ultraschall steigert Produktivität beim Zerspanen harter Werkstoffe

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Aufgrund dieser Effekte kann die Prozesskraft werkstoffabhängig bis zu 75% reduziert (Bild 4) und die Abtragsrate um 250 bis 300% erhöht werden. Um die genannten positiven Effekte zu erzielen, wird das Schleifwerkzeug mittels eines in der Schleifspindel integrierten Schwingungssystems zur axialen Oszillation angeregt. Wie Bild 4 zeigt, führt die Ultraschallunterstützung zu einer werkstoffabhängigen Schnittkraftreduktion, die sowohl durch eine Schwächung der Werkstückoberfläche als auch durch eine kontinuierliche Schärfung des Schleifwerkzeugs erklärt werden kann.

Steifigkeits- und schwingungsoptimierte Ultraschallschleifspindel entwickelt

Im Innonet-Projekt „Supersonic“ wurde am Fraunhofer-IPT eine Ultraschallschleifspindel entwickelt und innerhalb eines Fraunhofer-internen Projekts weiterführend ein Demonstrator eines steifigkeits- und schwingungsoptimierten Ultraschallsystems für die Ultraschallschleifspindel aufgebaut. Bild 5 zeigt die Ultraschallschleifspindel sowie das optimierte Ultraschallschwingsystem als Kernstück.

Das Ultraschallschwingsystem besteht aus einem piezoelektrischen Schallwandler zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen aus elektrischer Wechselspannung, einem Booster zu Verstärkung der Schwingungsamplitude und der Sonotrode oder der Topfschleifscheibe. Über die Sonotrode wird die Schwingung auf den Schleifbelag übertragen.

Alle Komponenten des Schwingsystems sind auf dieselbe Eigenfrequenz mit einem longitudinalen Eigenmode ausgelegt. In diesem Fall bildet sich über das gesamte Ultraschallschwingsystem eine stehende Longitudinalwelle mit fixen Schwingungsknotenpunkten aus. An diesen Knotenpunkten ist die Materialdehnung in axialer Richtung gleich null, daher ist dort die Anbindung des Ultraschallschwingungssystems an den Spindelumbau (Hohlwelle) platziert.

Ultraschallschleifspindel bietet radiale Systemsteifigkeit von bis zu 160 N/μm

Die Auslegung der Sonotrodenwerkzeuge wird über die Methode der finiten Elemente (FEM) realisiert. Am Institut wurde ein Algorithmus zur automatisierten Berechnung von Topfschleifscheiben zum Ultraschallschleifen entwickelt. Bisher am Markt vertretene Ultraschallschleifspindeln weisen sehr geringe Systemsteifigkeiten auf und sind deshalb für die Präzisionsfertigung nur bedingt geeignet.

Der am Fraunhofer-IPT aufgebaute Demonstrator eines steifigkeitsoptimierten Schwingsystems hat verbesserte Lagergeometrien an den Knotenpunkten sowie ein zusätzliches zuschaltbares Lagerelement auf. Damit wird insbesondere die radiale Systemsteifigkeit von rund 15 N/μm bisheriger Systeme auf 60 bis 160 N/μm erhöht. Mit dem Schwingsystem können Schwingungsamplituden am Schleifbelag je nach Werkzeuggeometrie von 20 bis 35 μm bei Ultraschallfrequenzen von 20 kHz erreicht werden.

Werkstücke aus Stahl mit Diamantwerkzeug bearbeiten

Beim ultraschallunterstützten Drehprozess wird der Drehmeißel zu Ultraschallschwingungen tangential zur Rotationsachse des Werkstücks angeregt. Somit kommt es zu einer hochfrequenten Unterbrechung des Schnitts. Dadurch wird es möglich, Stahlwerkstücke mit einen Diamantwerkzeug zu bearbeiten, weil Diffusionsvorgänge verlangsamt werden. Darüber hinaus wird die Werkzeugstandzeit verlängert, da die thermische Belastung reduziert wird.

Das Fraunhofer-IPT erforscht derzeit die Herstellung nicht nur von longitudinal schwingenden Sonotroden, sondern auch die gezielte Entwicklung von Biegeschwingern, um eine bessere Bearbeitung von komplexen Werkstücken mit einer optimierten Zugänglichkeit zu realisieren.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie in Aachen; Dr.-Ing. Christian Wenzel ist Oberingenieur im Bereich Produktionsmaschinen; Dipl.-Ing. Sophia Hannig ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut

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