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Werkzeugdefinition

Grundsätzlich sollten bei der Werkzeugdefinition folgende Punkte beachtet werden: Bei der Gestaltung der Werkzeugprofile/ -abmessungen muss die Korngrösse des zu verwendeten Schleifmittels allseitig an Innen- und Aussenkontur eingerechnet werden. Ebenfalls sollten die Werkzeuge bevorzugt so definiert werden, daß die Absaugung der Schleifmittelsuspension durch das Werkzeug möglich ist. Das Abtragvolumen mit Schleifmittelsuspensionsabsaugung beträgt werkstoffabhängig ein vielfaches gegenüber der Bearbeitung ohne Schleifmittelsuspensionsabsaugung.
Bei der konventionellen Ultraschallbearbeitung wird das Profil des Werkzeugs unter Inkaufnahme des materialabhängigen Werkzeugverschleisses - ähnlich wie beim Senkerodieren - im Werkstück abgebildet. Die resultierende Abbildung ist allseitig etwa um die Korngrösse der Schleifmittelkörnung zuzüglich des Maßes der seitlichen Auslenkung des Werkzeugs grösser. Eine seitliche Auslenkung ist meist dann gegeben, wenn die Achsen von Ultraschallsystem, Sonotrode und Werkzeug voneinander abweichen. Da die Resonanzfrequenz der Sonotrode zusammen mit dem Werkzeug auf die Betriebsfrequenz der Ultraschallbearbeitungsmaschine abgestimmt werden muß und Sonotroden eine relativ kostspielige Sache sind, haben wir hier einige Anregungen für den Praktiker zusammengestellt.
Sonotroden werden bei der Herstellung soweit nicht anderes vereinbart, als l/2 Resonatoren hergestellt und auf eine Resonanzfrequenz von 20 kHz abgeglichen. Zur Montage des Werkzeugs wird in erster Näherung die Masse des Werkzeugs von der Montagefläche der Sonotrode - zum Beispiel durch Drehen/ Fräsen - abgetragen.
Da der optimale Arbeitsbereich der Maschine zwischen 19,5 kHz und 20,5 kHz liegt, empfehlen wir den Verschleissbereich so zu definieren, daß die Sonotrode zusammen mit dem neuen Werkzeug auf 19,5 kHz abgestimmt und das Werkzeug während der Bearbeitung so lange verschlissen wird, bis eine Resonanzfrequenz von etwa 20,5 kHz erreicht ist.
Eine exakte Abstimmung der Sonotrode auf die Werkzeugmasse ist in Verbindung mit Messungen der Resonanzfrequenz mit Hilfe des Sonotroden-Messgerätes problemlos möglich.
Die Bauform der Sonotrode ist wesentlich für das Bearbeitungsergebnis. Um so enger die Frontabmessungen der Sonotrode dem Bearbeitungsprofil angenähert werden können um so problemloser ist die Verarbeitung und Abstimmung des Werkzeugs und die Arbeit auf der Maschine.
Die Beispiele betreffen Werkzeugprofile bis zu einer Länge von etwa 40 mm bei einer Arbeitsfrequenz von 20 kHz. Längere Werkzeuge für tiefere Bohrungen sollten auf l/2 oder ein mehrfaches davon abgestimmt und montiert werden.

Zur Abstimmung der Sonotroden zusammen mit den verwendeten Werkzeugen bildet das Sonotroden-Messgerät eine ideale Ergänzung. Das Sonotroden-Messgerät ermöglicht ausserdem die von der Maschine räumlich getrennte Herstellung und Abstimmung der Sonotroden auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems der Maschine sowie die Montage der Werkzeuge.

Werkstoffe zur Werkzeugherstellung
Die nachfolgende Aufstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie entstand im Rahmen unserer Arbeit aus der praktischen Erfahrung.
Wir empfehlen für die Herstellung von:

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einfachen Bohrwerkzeugen, nahtlos gezogene Rohre aus Cr-Ni, V2A oder V4A oder Monel. Die Wandstärke bei Werkzeugprofilen unter ø1,5 mm sollte nicht kleiner als 0,2 mm sein. Profile ab ø 3 mm sollten eine Wandstärke von 0,4 bis 0,5 mm aufweisen um genügend Leistung über den Querschnitt übertragen zu können.
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Tiefbohrwerkzeugen (über 40 Kaliber), Cr-Ni oder Monel-Profile, die durch Kaltkneten (Hämmern), verdichtet wurden. Derartige Profile mit kleinen Abmessungen werden zum Beispiel in der Brillenproduktion eingesetzt.
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gedrehten oder gefrästen Bohrwerkzeugen, Profile aus Cr-Ni, zum Beispiel Werkstoffnummer 4305. Die Wandstärke bei Profilen unter ø1,5 mm sollte nicht kleiner als 0,2 mm sein. Profile ab ø 3 mm sollten eine Wandstärke von mindestens 0,4 bis 0,5 mm aufweisen um genügend Leistung über den Querschnitt übertragen zu können. Bei der Bearbeitung ist darauf zu achten, daß beim Spanen keine Risse oder Verwerfungen der Oberflächen auftreten, die später beim Einsatz des Werkzeugs zu Rissbildungen im Profil führen können.
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Gravurwerkzeugen, geprägte Platten aus Kupfer oder Monel. Die Platten werden vor dem Prägevorgang geglüht und abgeschreckt. Dadurch wird das Material duktil und kann in einem relativ weiten Bereich verformt werden.
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grossflächigen Gravurwerkzeugen mit geringerer Präzision, Messingbronze. Diese werden durch Reliefgiessen - zum Beispiel in einer Gipsform - hergestellt.
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Weitere Werkzeuge für die Abbildung von komplexen Strukturen werden mit Galvanoplastik hauptsächlich aus Kupfer hergestellt. Eine relativ einfache Technik besteht darin, Metallfolien zu prägen oder auf andere Weise zu formen und anschliessend auf der Rückseite der Folien eine lötfähige Kupferschicht aufzugalvanisieren. Mit dieser Technik können sehr kleine Strukturen abgebildet werden.
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Stahllegierungen können grundsätzlich auch zur Werkzeugherstellung eingesetzt werden. Der Nachteil dieses Werkstoffs liegt nach unserer Ansicht darin, daß der, während der Ultraschallbearbeitung durch Verschleiss abgetragene Materialanteil in der Schleifmittelsuspension zu Verklumpungen führt und im Lauf der Zeit die Zirkulation der Schleifmittelsuspension beeinträchtigt. Die Rostbildung kann zwar durch eine entsprechende Chemie im Trägermedium der Schleifmittelsuspension reduziert werden, jedoch besteht bei Einsatz derartiger Rostschutzmittel das Risiko, daß Werkstücke aus empfindlichen Werkstoffen oder Beschichtungen - zum Beispiel bei der Bearbeitung optischer Komponenten - beschädigt werden.
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Titanlegierungen eigenen sich vorzüglich zur Herstellung von Bearbeitungswerkzeugen. Der Nachteil liegt hauptsächlich in den Beschaffungskosten und der erschwerten Verarbeitung. Das Verschleissverhalten von Titanlegierungen ist besser als bei V4A.

 

Zur Abstimmung der Sonotroden zusammen mit den verwendeten Werkzeugen bildet das:Sonotroden-Messgerät
eine ideale Ergänzung. Das Sonotroden-Messgerät ermöglicht ausserdem die von der Maschine räumlich getrennte Herstellung und Abstimmung der Sonotroden auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallsystems der Maschine sowie die Montage der Werkzeuge.

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