Definiție

Prelucrarea rotativă cu ultrasunete (rotary ultrasonic machining = RUM), așa cum este ilustrată în Fig. 8, este un proces de prelucrare hibrid care combină mecanismele de îndepărtare a materialului de șlefuire abrazivă și prelucrarea cu ultrasunete (ultrasonic machining = USM) (Churi 2010; Legge 1964). În RUM, unealta este un burghiu cu carotă cu abrazive diamantate lipite cu metal. În timpul găuririi, unealta rotativă vibrează axial la o frecvență ultrasonică (de obicei 20 kHz) și se deplasează de-a lungul direcției axiale către piesa de prelucrat cu o viteză de avans constantă sau sub o presiune constantă. Lichidul de răcire pompat prin miezul mașinii de găurit îndepărtează deșeurile și menține temperatura de tăiere scăzută.

Elementele mașinii

Mașina rotativă cu ultrasunete constă în principal din două sisteme majore, așa cum este ilustrat în Fig. 9, un sistem de ax ultrasonic și un sistem de răcire.

Componentele majore ale sistemului de ax cu ultrasunete includ un ax ultrasonic, o sursă de alimentare cu ultrasunete, un motor electric, un dispozitiv de alimentare și un panou de control. La fel ca în prelucrarea cu ultrasunete, axul cu ultrasunete include (1) generator de înaltă frecvență (sursă de alimentare cu ultrasunete sau oscilator electronic), (2) traductor ultrasonic și (3) transformator ultrasonic de amplitudine și suport pentru scule.

Există două mașini RUM diferite cu două tipuri de dispozitive de alimentare (viteză de avans constantă și presiune constantă). Pentru tipul de mașini cu avans constant, avansul constant este aplicat pe unealtă (sau piesa de prelucrat) pentru a deplasa scula (sau piesa de prelucrat) către piesa de prelucrat (sau unealtă). Pentru celălalt tip de mașini, se aplică o presiune constantă asupra uneltei (sau piesei de prelucrat) pentru a deplasa unealta (sau piesa de prelucrat) către piesa de prelucrat (sau unealtă).

Motorul de deasupra axului ultrasonic furnizează mișcarea de rotație a sculei, iar viteze diferite pot fi obținute prin reglarea controlerului de viteză a motorului de pe panoul de control.

Sistemul de răcire este compus din pompă, rezervor lichid de răcire, regulator de presiune, aparate de debit și presiune și supape. Sistemul de răcire furnizează lichid de răcire axului și interfeței de prelucrare.

Scula de tăiere utilizată în RUM este un burghiu cu carotă supraabraziv, care este un fel de roată de șlefuit în formă de cupă, așa cum este ilustrat în Fig. 10.

Variabilele de intrare și efectele lor

Deoarece RUM este un proces de prelucrare hibrid, unele variabile de intrare sunt legate de șlefuirea abrazivă, iar altele sunt legate de prelucrarea cu ultrasunete. Pentru mașinile cu avans constant, forța de tăiere este variabilă; pentru mașinile cu presiune constantă, viteza de avans este variabilă.

Variabilele importante de intrare în RUM pot fi clasificate în patru categorii:

• Variabile de prelucrare: amplitudinea vibrațiilor ultrasonice, frecvența vibrațiilor ultrasonice, viteza de rotație a sculei și sarcina statică.

• Variabilele sculei: tipul abraziv, dimensiune abraziv, concentrație abraziv, tipul de aderență și geometria sculei (fante, diametru exterior și grosime perete).

• Variabile de răcire: tipul lichidului de răcire, debitul lichidului de răcire și presiunea lichidului de răcire

• Variabilele majore de ieșire în RUM includ forța de tăiere (pentru mașina de tip cu avans constant); rata de îndepărtare a materialului, cuplul, rugozitatea suprafeței, uzura sculei și ciobirea marginilor (pentru materiale fragile); bavura marginii (pentru materiale ductile); și delaminare (pentru materiale compozite).

Efecte asupra forței de tăiere

Creșterea vitezei de rotație a sculei sau a puterii ultrasonice și scăderea vitezei de avans duc la scăderea forței de tăiere în RUM a compozitelor din siliciu, oțel inoxidabil, plastic armat cu fibră de carbon (carbon fiber reinforced plastic = CFRP), ceramică și titan (Cong 2013; Liu et al. 2012; Churi 2010). În RUM de alumină, forța de tăiere scade remarcabil pe măsură ce viteza de avans scade, viteza de rotație a sculei crește sau dimensiunea abrazivului crește; și scade ușor odată cu creșterea amplitudinii ultrasunetelor sau scăderea concentrației abrazive (Liu et al. 2012). În RUM de carbură de siliciu (SiC), efectul puterii ultrasonice nu este semnificativ. Viteza mai mare de rotație a sculei și viteza de avans mai mică au ca rezultat o forță de tăiere mai mică (Churi 2010).

Efecte asupra rugozității suprafeței

În RUM de oțel inoxidabil și compozite CFRP, rugozitatea suprafeței crește pe măsură ce viteza axului sau viteza de avans crește. Rugozitatea suprafeței este cea mai scăzută atunci când puterea ultrasonică este de 20-40% (Cong 2013). În RUM de titan, rugozitatea suprafeței scade pe măsură ce viteza de rotație a sculei crește, viteza de avans scade sau puterea ultrasonică crește (Churi 2010). În RUM de SiC, viteza mai mare de rotație a sculei, viteza de avans mai mică, puterea ultrasonică mai mare și dimensiunea mai mare a granulelor abrazive duc la o rugozitate mai mică a suprafeței (Churi 2010).

Efecte asupra ciobirii marginilor (pentru materiale fragile)

În RUM de siliciu, viteza mai mare de rotație a sculei, puterea ultrasonică mai mare și viteza de avans mai mică duc la o grosime mai mică de așchiere a muchiei și o forță de tăiere mai mică. Așchierea mai mare a marginilor este aproape întotdeauna însoțită de o forță de tăiere mai mare (Cong 2013). În RUM de alumină, puterea ultrasonică nu are un efect semnificativ asupra așchierii marginilor. Sarcina statică mai mică și viteza de rotație mai mare a sculei duc la așchierea marginilor mai mică (Jiao et al. 2005a, b; Li et al. 2005, 2006). În RUM de SiC, viteza mai mare de rotație a sculei, viteza de avans mai mică, puterea ultrasonică mai mică și dimensiunea mai mare a granulelor abrazive duc la așchierea marginilor mai mică (Churi 2010).

Efecte asupra MRR (pentru mașina cu presiune constantă)

În RUM al ceramicii, MRR crește odată cu creșterea amplitudinii vibrației, a sarcinii statice, a vitezei de rotație a sculei sau a dimensiunii abrazivului (Pei et al. 1995b). MRR crește până la o valoare maximă pe măsură ce crește concentrația de abraziv. O creștere suplimentară a concentrației de abraziv duce la o MRR mai mică (Pei și colab. 1995b; Hu și colab. 2002).

Efecte asupra uzurii sculelor

În RUM a aluminei, odată cu scăderea frecvenței ultrasunetelor sau a concentrației de diamant sau odată cu creșterea sarcinii statice, a mărimii abrazivului și a rezistenței de aderență, uzura sculei scade. Uzura sculei scade la o valoare minimă și apoi crește pe măsură ce amplitudinea vibrației crește (Zeng et al. 2004).

Aplicații

RUM este cel mai frecvent utilizată în găurire. RUM este, de asemenea, extinsă la frezarea frontală (Pei et al. 1995a), șlefuirea cu discuri (Khanna și colab. 1995) și prelucrarea contururilor complexe (Ya et al. 2002).

RUM a fost folosită la prelucrarea aluminei, oxidului de beriliu, canazitului, compozitelor, feritei, sticlei, diamantului policristalin, carburii de siliciu, nitrurii de siliciu, oțelului inoxidabil, titanului, cermetului de oxid de uraniu, zirconiu etc. (Cong 2013).

Avantaje și dezavantaje

RUM este diferită de USM în mai multe aspecte. În primul rând, se folosește unealtă abrazivă fixă ​​în locul suspensiei abrazive libere. În al doilea rând, unealta se rotește. RUM moștenește unele avantaje ale USM, incluzând forța scăzută de tăiere, temperatură scăzută de tăiere și deteriorarea redusă a piesei de prelucrat.

În comparație cu USM, RUM este de aproximativ zece ori mai rapidă (Cleave 1976). Mai ales, este mult mai ușor să faci găuri adânci și mici cu RUM decât cu USM. Alte avantaje ale RUM includ rugozitatea îmbunătățită a suprafeței găurii (Graff 1975), presiunea și cuplul de tăiere scăzute (Cusumano et al. 1974), consumul de energie scăzut (Cleave 1976), ciobirea redusă (Cleave 1976; Legge 1966) și deteriorarea redusă a suprafeței și uzură redusă a sculei (Markov 1977).

Există câteva dezavantaje asociate cu RUM. (1) Numai găurile circulare pot fi prelucrate eficient. (2) Scula poate uza peretele găurii prelucrate, ceea ce limitează acuratețea, în special pentru găurile mici.