BEARBEITUNG VON KERAMISCHEN MATERIALIEN
Die Ultraschall-Bearbeitungstechnologie kann Herstellern helfen, den Durchsatz für moderne Keramikkomponenten zu verbessern.
Von der Raketenhaube der nächsten Generation für Abwehrsysteme bis hin zu Hüftimplantatkomponenten für die medizinische Industrie sind keramische Werkstoffe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. Keramische Werkstoffe wie Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) und Siliziumnitrid besitzen viele vorteilhafte Eigenschaften: extreme Zähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Beständigkeit gegen chemische Korrosion, um nur einige zu nennen. Diese und andere Eigenschaften machen Keramik für Designer attraktiv, die Bauteile mit außergewöhnlicher Haltbarkeit benötigen. Leider stellen dieselben Eigenschaften auch Herausforderungen bei der Herstellung dar, die ohne geeignete Technologie nur schwer zu bewältigen sind.
Bauteile aus weicherem optischem Glas können effektiv mit numerisch gesteuerten (CNC) Werkzeugmaschinen hergestellt werden, indem ein rotierendes Schneidwerkzeug verwendet wird, das mit Diamanten imprägniert ist. Bei der Anwendung dieses Verfahrens auf Keramiken verschleißen Schneidwerkzeuge jedoch viel schneller, da Werkzeug und Werkstück aufgrund der Härte des Materials größere Kräfte aushalten. Um die erhöhte Kraft zu kompensieren, muss der Maschinenbediener die Werkzeugspindelgeschwindigkeit erhöhen und gleichzeitig den Schnittvorschub (die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug in das Teil bewegt wird) verringern. Dies führt letztendlich zu längeren Zykluszeiten und geringerer Effizienz.
Ultraschall-Bearbeitung
Eine als ultraschallgestützte Bearbeitung bekannte Technik kann dabei helfen, die mit der traditionellen CNC-Bearbeitung verbundenen Herausforderungen zu meistern. Ultraschall-Bearbeitungszentren * beinhalten Technologien zur kostengünstigen Bearbeitung keramischer Bauteile. Bei der Ultraschallbearbeitung wird dem rotierenden Werkzeug eine Auf- und Abschwingung hinzugefügt, wodurch das Schneiden dieser sehr harten Materialien einfacher ist.
Die Amplitude der Oszillationen ist klein (Mikrometer), aber effektiv zum Entfernen von Material, wenn das Werkzeug bei seiner idealen Frequenz oszilliert. Die Aufrechterhaltung der idealen Frequenz, gemessen in Kilohertz (kHz), stellt sicher, dass die Maschine mit der höchsten Effizienz arbeitet und vorhersagbare Ergebnisse liefert.
Die proprietäre Software ** ermittelt die ideale Oszillationsfrequenz für jedes Werkzeug, indem sie während der Ersteinrichtung einen Frequenzdurchlauf durchführt. Der Frequenzdurchlauf identifiziert die optimale Frequenz (typischerweise zwischen 20 und 40 kHz) durch Analyse der Größe, Form und Masse des für den Job verwendeten Werkzeugs. Sobald die ideale Frequenz ermittelt wurde und der Zyklus beginnt, passt die Software die Frequenz automatisch an, während das Teil bearbeitet wird, um die Spitzenleistung der Ultraschallbearbeitung zu erhalten. Die Frequenzverschiebung kann von einigen Hertz bis zu Hunderten Hertz reichen, abhängig von der Änderung der Bearbeitungsbedingungen, wenn das Werkzeug mit dem Teil in Kontakt steht.
Fortschrittliche Bearbeitungsprozesse für harte Keramikmaterialien bieten folgende Vorteile:
Deutlich reduzierte Kräfte auf das Werkstück und das Werkzeug während der Bearbeitung, wodurch der Bediener die Freiheit hat, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen
Reduzierte Zykluszeiten im Vergleich zu Standard-Schleif- / Fräsmaschinen
Minimaler Werkzeugverschleiß und längere Standzeit durch verringerte Kraft auf das Teil und das Werkzeug
Erhöhte Präzision der bearbeiteten Bauteile durch vorhersagbarere Standzeit
Reduzierte Werkzeugkosten
Reduzierte Spindeldrehzahlen, insbesondere für Bohrungen bis 0,007 Zoll.
Darüber hinaus hat die Ultraschallbearbeitung eine verbesserte Oberflächenqualität im Vergleich zum Standard-CNC-Schleifen / Fräsen gezeigt. Dies ist besonders wichtig, wenn ein nachfolgender Polierprozess erforderlich ist, um die erforderlichen Teilespezifikationen zu erreichen. Je genauer die Oberflächenform und -rauhigkeit des Teils nach dem Schleifvorgang ist, desto weniger Zeit wird für das Polieren benötigt.
* Wie die von OptiPro Systems entwickelte OptiSonic ™ -Serie. ** IntelliSonic ™, entwickelt von OptiPro Systems.
Tests und Ergebnisse
Gründliche Tests haben gezeigt, wie der Einsatz von Ultraschall-Bearbeitungstechnologien die Herstellungseffizienz keramischer Werkstoffe steigern kann. In einigen Fällen wurden die Zykluszeiten im Vergleich zur Standard-CNC-Bearbeitung um 50% oder mehr reduziert. Vor kurzem wurden zwei Tests durchgeführt, um die Fähigkeiten der Ultraschallbearbeitung in verschiedenen Schneidszenarien zu bewerten.
Der erste Test umfasste die Ultraschallbearbeitung von Aluminiumoxid. Die Aluminiumoxid-Familie der technischen Keramiken ist nach Reinheitsgraden gruppiert. Aluminiumoxid mit höherer Reinheit ist ideal für anspruchsvollere Anwendungen.1 Um den Nutzen der Ultraschallbearbeitung zu messen, wurden runde Taschen mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Tiefe von 50 mm zu Aluminiumoxid bearbeitet. Durch Hinzufügen einer Ultraschallunterstützung zu einem Diamantwerkzeug mit 12,7 mm Durchmesser wurde die Spindel mit einer programmierten Vorschubgeschwindigkeit von 1.650 mm / min auf 8.511 U / min eingestellt. Jede Tasche wurde in einer Zykluszeit von 6 Minuten und 30 Sekunden fertiggestellt. Im Vergleich dazu dauerte die Bearbeitung einer dieser Bohrungen mit einer herkömmlichen CNC-Fräsmaschine mehr als 1 Stunde und erforderte, dass das Werkzeug aufgrund von übermäßigem Verschleiß nach jeder Bohrung ausgetauscht werden musste. Das Diamantwerkzeug des Ultraschallgeräts zeigte nach der Herstellung von 12 Löchern einen sehr geringen Verschleiß.
Der zweite Test wurde durchgeführt, um die Wirksamkeit der Ultraschallbearbeitung mit Siliziumnitrid zu bestimmen. Siliziumnitrid hat eine einzigartige Kornstruktur, die nicht nur eine außerordentlich hohe Zähigkeit, sondern auch eine außergewöhnlich hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweist.2 In diesem Test führte ein 4-mm-Diamantkernbohrer einen geraden Z-Achsen-Einzug in das Bauteil durch, um eine Struktur zu erzeugen Loch mit einer Tiefe von 13 mm. Mit Ultraschallunterstützung umfassten die Kernbohrparameter eine Spindeldrehzahl von 6.511 U / min und eine Vorschubgeschwindigkeit von 1 mm / min. Obwohl eine Vorschubgeschwindigkeit von 1 mm / min klein erscheint, ist sie angesichts der extremen Härte von Siliziumnitrid ideal. Bei diesen Parametern betrug die Gesamtzykluszeit zur Fertigstellung des Bohrlochs 15 Minuten, drei Mal schneller als bei der Standard-CNC-Bearbeitung.
Erweiterte Funktionen
Da der Markt für keramische Bauteile weiter wächst, ist es wichtig, dass Hersteller mit der neuesten Technologie ausgestattet sind. Ultraschall-Bearbeitungszentren bieten mehr Funktionen als herkömmliche CNC-Schleif- / Fräsmaschinen und eignen sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. Unabhängig davon, ob es sich um ein leichtes Werkstück, lange Kerne, kleine Löcher oder komplexe geometrische Merkmale handelt, das Hinzufügen von Ultraschallschwingungen zu einem Diamantschleifwerkzeug erhöht die Effizienz und erhöht die Werkzeugstandzeit. Hersteller, die Ultraschall-Bearbeitungszentren verwenden, können einen höheren Durchsatz von Keramikbauteilen erzielen, während sie weniger Zeit und Geld für den Kauf neuer Werkzeuge aufbringen.
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