تاثير جهت ارتعاش بر نيروي برشي در فرزكاري به‌كمك ارتعاش اولتراسونيك

The Effect of Vibration Direction on Cutting Force in Ultrasonic Vibration Assisted Milling

چكيده : در فرايند ماشينكاري، كاهش نيروي برشي مزاياي بسياري چون افزايش عمر ابزار و بهبود كيفيت سطح ماشينكاري‌ دارد. از جمله روش‌هاي جديد براي كاهش نيروي برشي، ماشينكاري به‌كمك ارتعاش اولتراسونيك است. در اين مقاله، تاثير جهت اعمال ارتعاش اولتراسونيك به قطعه‌كار در فرايند فرزكاري به‌كمك اولتراسونيك[i] بر نيروهاي برشي به‌صورت تجربي با انجام دو مجموعه متفاوت آزمايشي و به‌كمك يك تنظيم تجربي مخصوص مطالعه شده است. در مجموعه نخست، كه جهت پيشرويِ ابزار همراستا با ارتعاش قطعه‌كار است، نيروهاي برشي به‌دليل جدايش ابزار و قطعه‌كار از يكديگر در قسمت‌هايي از هر سيكل ارتعاشي، به‌طور متوسط 7/16 درصد نسبت به فرزكاري معمولي[ii]كاهش يافته‌اند. در مجموعه دوم اما، كه پيشروي ابزار عمود بر راستاي ارتعاش قطعه‌كار است، نيروهاي برشي در فرزكاري اولتراسونيكي به‌طور متوسط 5/53 درصد نسبت به فرزكاري معمولي افزايش يافته‌اند. دليل اين افزايش نيرو، وجود ضربه‌هاي جانبي متوالي بين ابزار و قطعه‌كار و عدم جدايش آنها از يكديگر است. نتايج تجربي نشان مي‌دهند كه تغيير رفتار اصطكاك در فرزكاري اولتراسونيكي تاثيري بر كاهش نيروي برشي ندارد و دليل اصلي كاهش نيروي برشي در فرايندهاي ماشينكاري ارتعاشي، جدايش ابزار و قطعه‌كار به‌سبب اعمال ارتعاش است. در حالتي كه پيشروي ابزار و ارتعاش قطعه‌كار همراستاست، برخلاف عمق برش شعاعي و نرخ پيشروي، سرعت برشي بر ميزان كاهش نيروي برشي در فرزكاري به‌كمك اولتراسونيك نسبت به فرزكاري معمولي موثر است، به‌گونه‌اي‌كه با افزايش سرعت برشي، نيروي برشي در اين دو فرايند به يكديگر نزديك مي‌شود.

Reduction of cutting force in a machining process offers several advantages including increase in tool life, and improvement in the quality of the machined surface. One of the new techniques for reducing cutting force relates to ultrasonic vibration assisted machining. In the present paper, the effect of the direction of applied ultrasonic vibrations to work piece on cutting forces in ultrasonic assisted milling (UAM) process with two different test sets and the aid of a special experimental setup have been studied. In the first set which the feed direction of tool is aligned with the work piece vibration, because of tool-work piece separation from each other in a portion of each vibration cycle, cutting force decreases 16.7% on average in comparison with its values in conventional milling (CM). In the second set of experiments which the feed direction of tool is perpendicular to work piece vibration orientation, cutting forces in UAM increases 53.5% on average compared to CM. The reason for this increase is the existence of consecutive lateral impacts between tool and work piece and not separation of them from each other. Experimental results show that the change of friction behavior in UAM does not have influence on the reduction of cutting force and the main reason for cutting force decrease in vibration assisted machining processes is separation of tool and work piece due to applied vibration. When the tool feed and work piece vibration is aligned, contrary to radial depth of cut and feed rate, the cutting speed affects on the cutting force reduction in UAM compared with CM such that as cutting speed increases, cutting force in these two processes approaches to each other and the amount of influence of ultrasonic vibrations on milling process decreases.