2025Jahr 10Monat 28Tag

Was ist Ultraschall-unterstütztes Bearbeiten? | Hantop Intelligence Tech.

Funktionsprinzip der Ultraschall-unterstützten Bearbeitung

Die Ultraschall-unterstützte Bearbeitung ist ein nicht-konventionelles, subtraktives Fertigungsverfahren, das die Kraft von Hochfrequenzvibrationen nutzt, um Material von der Werkstückoberfläche zu entfernen. Der Bereich der Ultraschallvibration liegt typischerweise über 20kHz (20.000 Schwingungen pro Sekunde), was als geräuschloser Prozess wahrgenommen wird, da das menschliche Ohr solche hohen Frequenzen nicht hören kann.

In der Regel wird die Ultraschallenergie über einen Wandler (Transducer) an das Schneidwerkzeug übertragen, wodurch das Werkzeug mit hochfrequenten Mikrovibrationen versorgt wird, die den Fräs-, Bohr- und Schleifprozess erleichtern. Die Ultraschall-unterstützte Bearbeitung wird hauptsächlich für die Bearbeitung fortschrittlicher Materialien eingesetzt, insbesondere bei harten und spröden sowie schwer zerspanbaren Materialien wie technische Keramiken (Al2O3 / Aluminiumoxid, ZrO2 / Zirkonoxid, SiC / Siliziumkarbid, Quarz Glas), optisches Glas, Wolframkarbid, Edelstahl, gehärteter Stahl und hitzebeständige Legierungen (Ti-6Al-4V / Titanlegierung, Inconel 718 / Nickellegierung) usw.

(Bild 1. Funktionsprinzip der rotierenden Ultraschallbearbeitung zur Materialabtragung, quelle: Precise Drilling of Holes in Alumina Ceramic (Al2O3) by Rotary Ultrasonic Drilling and its Parameter Optimization using MOGA-II)

Die hochfrequenten Mikrovibrationen wirken wie eine kontinuierliche Serie von Hammerschlägen, die Mikrorisse in der Werkstückoberfläche erzeugen, um die Materialentfernung zu erleichtern. Die Oberfläche des Werkstücks wird konstant durch die Schläge des Werkzeugs beansprucht, wodurch Spannungen im Material entstehen, die schließlich Mikrorisse bilden. Diese Mikrorisse ermöglichen eine einfache Entfernung des Materials vom Werkstück.

Daher wird die Ultraschall-unterstützte Bearbeitung häufig für die Bearbeitung von Mikrostrukturen eingesetzt, wie z. B. Mikrobohrungen (mehr dazu bei der Ultraschall-unterstützten Mikrobohrung von Siliziumkarbid), Bohren kleiner und tiefer Löcher (mehr dazu bei der Ultraschall-unterstützten Tieflochbohren von CK45 Kohlenstoffstahl), Fräsen kleiner Innengewinde (mehr dazu bei der Ultraschall-unterstützten M2-Gewindebearbeitung von Aluminiumoxid) oder Fräsen von Schlitzen mit hohem Aspektverhältnis (mehr dazu bei der Ultraschall-unterstützten Vollnutfräsen von 42CrMo4-Legierungsstahl).

(Bild 2. Das HIT-Ultraschallmodul dient als Lösung für die Bearbeitung fortschrittlicher Materialien und bietet einen optimierten Bearbeitungsprozess)

Einzigartige, hochmoderne Technologie des HIT-Ultraschall Bearbeitungs Moduls

HIT-Ultraschall Bearbeitungs Modul: Produktinformation

[Ein Satz des HIT-Ultraschall Bearbeitungs Moduls]

(Bild 3. Produktserie des HIT-Ultraschall Bearbeitungs Moduls)

Ein Satz des HIT-Ultraschallbearbeitungsmoduls enthält: a) einen Ultraschalltreiber b) einen Ultraschall-Werkzeughalter (Serien HBT, HSK, CAT) c) einen Ultraschall-Leistungssender d) ein externes Bedienfeld.

a) Ultraschallgenerator - Er wird verwendet, um Ultraschallleistung zu erzeugen und automatisch die richtige Schwingungsfrequenz für das jeweilige Schneidwerkzeug zu erkennen. Der Kunde kann die Ultraschallschwingungsamplitude durch Einstellung des Leistungspegels (Prozentwert) anpassen – je nach zu bearbeitendem Material.

(Bild 4. HIT Ultraschall-unterstütztes Bearbeitungsmodul – Ultraschallgenerator)

b) Ultraschall-Werkzeughalter - HIT bietet die gängigsten Spezifikationen: HBT-, HSK- und CAT-Serien, die mit den meisten Spindeltypen in CNC-Bearbeitungszentren kompatibel sind.

(Bild 5. HIT Ultraschall-unterstütztes Bearbeitungsmodul – Ultraschall-Werkzeughalter)

c) Ultraschall-Leistungsübertrager - Er wird direkt neben dem Ultraschall-Werkzeughalter installiert und überträgt die Ultraschallleistung kontaktlos an den Werkzeughalter. Zwischen beiden Komponenten befindet sich ein 0,5mm Luftspalt („kontaktlose Ultraschall-Leistungsübertragungstechnologie“).

(Bild 6. HIT Ultraschall-unterstütztes Bearbeitungsmodul – Ultraschall-Leistungsübertrager)

(Bild 7. Tatsächlicher Bearbeitungsprozess mit dem HIT Ultraschall-unterstützten Bearbeitungsmodul)

d) Externes Bedienfeld - Das externe Bedienfeld besitzt dieselbe Benutzeroberfläche wie der Ultraschallgenerator. Maschinenbediener können den Generator über dieses Panel steuern, während sich der Generator selbst im Schaltschrank der Werkzeugmaschine befindet.

(Bild 8. HIT Ultraschall-unterstütztes Bearbeitungsmodul – Externes Bedienfeld)

[Schematische Darstellung der Maschinenintegration]

Nachfolgend wird die Integration des Moduls in die Maschine dargestellt.

(Bild 9. Installation und Maschinenintegration des HIT Ultraschall-unterstützten Bearbeitungsmoduls)

Eine Detailansicht zeigt die Positionierung des Ultraschall-Leistungsübertragers und des Werkzeughalters.

(Bild 10. Einbauposition von HIT Ultraschall-Werkzeughalter und Leistungsübertrager mit Montageschablone)

Einzigartiges Design der HIT-Ultraschalltechnologie

[Kontaktlose Ultraschall-Leistungsübertragung]

Die Methode bzw. Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschallleistung vom Schwinger (oder Wandler) auf das Schneidwerkzeug variiert je nach Hersteller. Der HIT-Ultraschall-Werkzeughalter verwendet eine einzigartige kontaktlose (kabellose) Ultraschall-Leistungsübertragung, bei der piezoelektrische Elemente integriert sind, die Hochfrequenz-Mikroschwingungen (20–32kHz) im Schneidwerkzeug erzeugen.

(Bild 11. Die einzigartige kontaktlose / kabellose Ultraschall-Leistungsübertragungs Technologie von HIT)

Zwischen dem Ultraschall-Leistungsübertrager und dem Werkzeughalter befindet sich ein 0,5mm Luftspalt. Dieses Design macht den regelmäßigen Austausch von Kohlebürsten oder Schleifringsystemen überflüssig, wie sie bei herkömmlichen Systemen erforderlich sind – was Kosten spart und eine höhere Spindeldrehzahl ermöglicht.

[Automatische Frequenzdetektion & Flexible Amplitudenanpassung]

Der Ultraschallgenerator erzeugt nicht nur die Ausgangsleistung, sondern erkennt auch automatisch die passende Werkzeugfrequenz durch automatisches Frequenz-Scanning und Frequenzsperrung. Da Werkzeuge unterschiedliche Geometrien und Schaftmaterialien besitzen, variiert ihre jeweilige Resonanzfrequenz. Der Generator sorgt während des gesamten Bearbeitungsprozesses für eine stabile Kopplung zwischen Frequenz und Werkzeug.

(Bild 12. Anzeige der vom HIT-Ultraschallgenerator erkannten Werkzeugfrequenz)

Der Benutzer kann die Amplitude der Ultraschallschwingung durch den Power-Level-Regler (0 – 100%) einstellen. Dies steuert die Schwingungsintensität in axialer Richtung. Die optimale Intensität hängt vom zu bearbeitenden Material ab – z. B. wird bei gehärteten Stählen oder hitzebeständigen Legierungen meist ein Leistungspegel von 80–100% verwendet, da hier eine stärkere Schlagkraft erforderlich ist.

(Bild 13. Einstellung der Ultraschallschwingungsamplitude über den Power-Level-Regler am Generator)

[Einfache Modulintegration]

Diese Technologie ist als Modulsystem und nicht als komplette Maschine konzipiert, wodurch sie sich einfach in bestehende CNC-Maschinen integrieren lässt. Das Modul fungiert als Upgrade für CNC-Maschinen – mit flexiblerem Platzbedarf, geringerem Energieverbrauch und niedrigeren Investitionskosten.

Vorteile des HIT-Ultraschall-Bearbeitungsmoduls

Im Folgenden werden die drei Hauptvorteile der HIT-Ultraschall-unterstützten Bearbeitung dargestellt. Je nach Prozess kann einer dieser Aspekte besonders hervortreten.

Höhere Bearbeitungseffizienz

Wie zuvor beschrieben, arbeitet die Ultraschallbearbeitung mit hochfrequenten Mikroschlägen auf das Werkstück, die Mikrorisse erzeugen. Diese Mikrorisse erleichtern das Abtrennen des Materials, erhöhen die Materialabtragsrate und reduzieren so die Gesamtbearbeitungszeit – was zu höherer Effizienz führt.

Längere Werkzeuglebensdauer

Bei konventioneller Bearbeitung entstehen beim Zerspanen harter oder zäher Materialien hohe Schnittkräfte und Schnittwärme, die den Werkzeugverschleiß beschleunigen. Mit der Ultraschallunterstützung hebt sich das Werkzeug durch axiale Mikroschwingung periodisch vom Werkstück ab, was einen intermittierenden Kontakt schafft.

Dadurch verbessert sich der Einfluss des Kühlmittels, die Spanabfuhr wird erleichtert und die Schnittkraft reduziert. Weniger Kraft und Hitze bedeuten stabilere Bedingungen und eine deutlich längere Werkzeuglebensdauer.

(Bild 14. Mit HIT-Ultraschall entstehen kleinere Späne als ohne Ultraschall)

(Bild 15. Mit HIT-Ultraschall wird die Abfuhr von Keramikpartikeln verbessert, was den Werkzeugverschleiß stark reduziert)

Bessere Werkstückqualität

In der Bearbeitung von Hochleistungsmaterialien ist die Werkstückqualität (z. B. bei Mikrobohrungen oder Oberflächen) ein entscheidendes Kriterium.

Der auffälligste Vorteil der Ultraschalltechnologie zeigt sich bei der Bohrlochqualität: Die reduzierte Schnittkraft verringert die Größe der Randrisse deutlich, insbesondere beim Mikrobohren spröder Materialien.

(Bild 16. Mikrobohren von Glas: Mit HIT-Ultraschall werden die Randrisse an den Austrittslöchern deutlich reduziert)

Ein weiterer Vorteil ist die Verbesserung der Oberflächenqualität, gemessen an geringerer Rauheit und weniger Werkzeugspuren. Die geringeren Schnittkräfte und Temperaturen reduzieren den Werkzeugverschleiß und somit auch die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück.

(Bild 17. Mit HIT-Ultraschall ist die Oberflächenrauheit geringer und Werkzeugspuren werden minimiert)

Bei gleichbleibend hoher Werkstückqualität und stabiler Werkzeuglebensdauer können die Bearbeitungsparameter weiter optimiert werden, um eine noch höhere Effizienz zu erzielen. Das HIT-Ultraschall-Bearbeitungsmodul bietet somit eine technologisch optimierte Lösung für die Bearbeitung moderner Hochleistungsmaterialien.

Erfolgreiche Fallstudien der HIT-Ultraschallbearbeitung

Mikrobohren von Aluminiumoxid (Al2O3) Keramik

🔸 10-mal höhere Bearbeitungseffizienz 🕑
🔸 5-mal längere Werkzeuglebensdauer 💰

Spiralförmiges Schrägeintauchen von Siliziumcarbid (SiC)

🔸 72% bessere Oberflächenqualität ✨
🔸 Verbesserte Partikelabfuhr 💰

Seitenfräsen von Nickellegierung (Inconel 718)

🔸 80% höhere Effizienz 🕑
🔸 90% bessere Oberflächenqualität ✨
🔸 3-mal längere Werkzeuglebensdauer 💰

Trochoidales Nutenfräsen von Wolframcarbid

🔸 2-mal bessere Oberflächenqualität ✨
🔸 2-mal längere Werkzeuglebensdauer 💰

Vollnutfräsen von 42CrMo4-Legierungsstahl

🔸 2,5-mal bessere Oberflächenqualität ✨
🔸 300% längere Werkzeuglebensdauer 💰

🔎 Weitere Fallstudien zur Ultraschallbearbeitungstechnologie entdecken

📺 Videos zum Ultraschall-unterstützten Bearbeitungsprozess ansehen

-
Hantop Intelligence Tech.
✨Ultraschall-Prozesslösung für die Bearbeitung fortschrittlicher Materialien✨
☎️ +886-4-2285-0838
📧 sales@hit-tw.com