ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Прецизионная обработка твердых и хрупких материалов является достаточно сложной, в связи с чем были разработаны новые и надежные технологии, например, точение с наложением ультразвуковых колебаний (UVAT), обеспечивающее повышенные скорость съема материала, качество поверхности и срок службы инструмента. Цель работы. Точение твердых материалов с использованием экономичного твердосплавного инструмента с покрытием вместо дорогостоящих керамических и КБН-пластин до сих пор не получило широкого распространения из-за износа инструмента и ограничений обработки. Для достижения лучшей обрабатываемости твердых материалов группа исследователей предприняла попытку токарной обработки, используя твердосплавный инструмент с различными покрытиями, различные методы охлаждения и др. Тем не менее исследователями было предпринято мало попыток по ультразвуковому точению твердых материалов (UVAHT). Более того, в открытой литературе редко сообщается о сравнительной оценке UVAHT с использованием анализа размерностей. Методы исследования. В данном исследовании проводится сравнительная оценка износа инструмента и потребляемой электрической мощности во время традиционного точения (CT) и ультразвукового точения твердых материалов (UVAHT) из стали AISI 52100 (62 HRC) с использованием твердосплавного инструмента TiAlSiN с PVD-покрытием. Эксперименты проводились с различной скоростью резания, подачей и глубиной резания, при этом частота и амплитуда колебаний оставались постоянными на уровне 20 кГц и 20 мкм соответственно. Далее была разработана теоретическая модель для прогнозирования износа инструмента и потребляемой электрической мощности с использованием концепции анализа размерностей, т. е. π-теоремы Бекингема, учитывающей влияние скорости резания, частоты и амплитуды колебаний при постоянной подаче и глубине резания 0,085 мм/об и 0,4 мм соответственно. Безразмерные группы созданы для выявления сложных связей и оптимизации условий обработки. Износ инструмента и потребляемая электрическая мощность измерялись экспериментально и статистически анализировались с использованием π-теоремы Бекингема. Результаты и обсуждение. Благодаря использованию анализа размерностей удалось получить представление о процессе UVAHT. Результаты показывают, что параметры ультразвуковых колебаний оказывают существенное влияние на износ инструмента и потребляемую электрическую мощность. Безразмерные группы представляют собой методическую основу для уточнения режимов обработки. Износ инструмента и потребляемая электрическая мощность возрастали с увеличением скорости резания, глубины резания и подачи. Однако этот эффект был более значимым при традиционном точении, чем при ультразвуковом точении твердых материалов. Потребление энергии возрастало с увеличением скорости резания, частоты и амплитуды колебаний. Однако увеличение потребляемой электрической мощности было более заметным при изменении скорости резания, чем при изменении частоты и амплитуды колебаний. Износ по задней поверхности возрастает с увеличением скорости резания и амплитуды колебаний и уменьшается с увеличением частоты колебаний. Это исследование способствует лучшему пониманию основной динамики UVAHT, что поможет улучшить технологические процессы прецизионной обработки твердых материалов. В статье исследуется практическое значение этих открытий для прецизионной обработки твердых материалов.

1. Ultrasonically assisted turning of aviation materials / V.I. Babitsky, A.N. Kalashnikov, A. Meadows, A.A.H.P. Wijesundara // Journal of Materials Processing Technology. – 2003. – Vol. 132. – P. 157–167. – DOI: 10.1016/s0924-0136(02)00844-0.

2. Babitsky V.I., Mitrofanov A.V., Silberschmidt V.V. Ultrasonically assisted turning of aviation materials: simulations and experimental study // Ultrasonics. – 2004. – Vol. 42. – P. 81–86. – DOI: 10.1016/j.ultras.2004.02.001.

3. Vivekananda K., Arka G.N., Sahoo S.K. Design and analysis of ultrasonic vibratory tool (UVT) using FEM, and experimental study on ultrasonic vibration-assisted turning (UAT) // Procedia Engineering. – 2014. – Vol. 97. – P. 1178–1186. – DOI: 10.1016/j.proeng.2014.12.396.

4. Liu Y., Li J., Zhang L. Effects of ultrasonic vibration on cutting forces and machined surface quality in turning of AISI 1045 steel // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 101. – P. 1137–1147. – DOI: 10.1038/s41598-022-21236-x.

5. Analysis of forces in vibro-impact and hot vibro-impact turning of advanced alloys / R. Muhammad, A. Maurotto, A. Roy, V.V. Silberschmidt // Applied Mechanics and Materials. – 2011. – Vol. 70. – P. 315–320. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.70.315.

6. Lotfi M., Amini S., Akbari J. Surface integrity and microstructure changes in 3D elliptical ultrasonic assisted turning of Ti–6Al–4V: FEM and experimental examination // Tribology International. – 2020. – Vol. 151. – P. 106492. – DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106492.

7. Ultrasonic Assisted Turning of mild steels / A. Celaya, N.N.L. Luis, J.C. Francisco, A. Lamikiz // International Journal of Materials and Product Technology. – 2010. – Vol. 37. – DOI: 10.1504/IJMPT.2010.029459.

8. Experimental study on the surface micro-geometrical characteristics of quenched steel in ultrasonic assisted turning / F. Jiao, X. Liu, C. Zhao, X. Zhang // Advanced Materials Research. – 2011. – Vol. 189–193. – P. 4059–4063. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.189-193.4059.

9. Comparing machinability of Ti-15-3-3-3 and Ni-625 alloys in UAT / A. Maurotto, R. Muhammad, A. Roy, V.I. Babitsky, V.V. Silberschmidt // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 1. – P. 330–335. – DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.059.

10. Experimental investigation of ultrasonic vibration assisted turning of 304 austenitic stainless steel / P. Zou, Y. Xu, Y. He, M. Chen, H. Wu // Shock and Vibration. – 2015. – Art. 817598. – DOI: 10.1155/2015/817598.

11. Kumar J., Khamba J.S. Modelling the material removal rate in ultrasonic machining of titanium using dimensional analysis // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2010. – Vol. 48. – P. 103–119. – DOI: 10.1007/s00170-009-2287-1.

12. Kugaevskii S.S., Ashikhmin V.N. Using local coordinate systems for dimensional analysis in the machining // Proceedings of the 4th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2018. – Springer, 2018. – P. 301–309. – DOI: 10.1007/978-3-319-95630-5_33.

13. Skelton R.C. Turning with an oscillating tool // International Journal of Machine Tool Design and Research. – 1968. – Vol. 8. – P. 239–259. – DOI: 10.1016/0020-7357(68)90014-0.

14. Mitrofanov A.V., Babitsky V.I., Silberschmidt V.V. Thermomechanical finite element simulations of ultrasonically assisted turning // Computational Materials Science. – 2005. – Vol. 32. – P. 463–471. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2004.09.019.

15. Ghule G.S., Sanap S. Ultrasonic vibrations assisted turning (UAT): A review // Advances in Engineering Design: Select proceedings of FLAME 2020. – Springer, 2021. – P. 275–285. – DOI: 10.1007/978-981-33-4684-0_28.

16. Nath C., Rahman M., Andrew S.S.K. A study on ultrasonic vibration cutting of low alloy steel // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – P. 159–165. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.04.047.

17. Experimental investigations on the ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel using coated carbide tool / G.S. Ghule, S. Sanap, S. Adsul, S. Chinchanikar, M. Gadge // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 68 (6). – P. 2093–2098. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.08.368.

18. Prediction of erosion volume of PDMS by cryogenic micro-abrasive jet machining based on dimensional analysis method and experimental verification / G. Zhang, Y. Sun, L. Xu, L. Wang, D. Zuo // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 114. – P. 2447–2455. – DOI: 10.1007/s00170-021-07020-7.

19. Singh N.K., Sign Y. Experimental investigation and modelling of surface finish in argon-assisted electrical discharge machining using dimensional analysis // Arabian Journal for Science and Engineering. – 2019. – Vol. 44. – P. 5839–5850. – DOI: 10.1007/s13369-01 9-03738-5.

20. Comprehensive experimental analysis and sustainability assessment of machining Nimonic 90 using ultrasonic-assisted turning facility / J. Airao, N. Khanna, A. Roy, H. Hegab // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 109. – P. 1447–1462. – DOI: 10.1007/s00170-020-05686-z.