工具设计低频振动切削表面性质
富山庄中村
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吴克群Ohara3,
Zongwei任
Naohiko杉- 1百货公司、Nakamura-tome精密工业有限公司,有限公司Hakusan,石川,日本
- 2组件开发,Nakamura-tome精密工业有限公司,有限公司Hakusan,石川,日本
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- 4机械工程系,工程研究生院,东京大学,Bunkyo,东京,日本
低频振动切削是一种加工技术芯片的应用打破了周期性振动沿着一个特定的轴。周期振动恶化工件的表面粗糙度和圆度相比没有振动切削。在这项研究中,加工表面的性质在低频振动模拟。基于仿真结果,一个工具旨在减少表面周期振动特性的影响。实际加工实验使用该工具来澄清工具形状之间的关系,表面粗糙度和圆度在低频振动。使用该工具在低频振动切削,表面粗糙度降低(从5.74µm .94µm类风湿性关节炎和23.09µm - 6.66µmRz),平均圆度改善(从2.95 4.73µmµm)和最大圆度下降(从15.34到3.61(µmµm)相比传统的工具。
1介绍
在车削过程中,生成芯片,可在工具和工件纠缠,造成机器停机时间和失败(Copenhaver et al ., 2017)。此外,这些芯片可能会导致外部设备,如芯片输送机故障。作为对策,高压冷却剂和芯片断路器用于长芯片分解成一小部分(Berglind Ziegert, 2015)。然而,所产生的热量的泵高压冷却剂影响机床的加工精度。此外,还有这些设备与空间面积相关的问题。对于芯片断路器,几种类型的芯片芯片断路器不能被打破。
作为一种替代方法,振动偏置电脑数值控制(CNC)是用来打破的芯片在加工工具是十分响亮。例如,史密斯et al。(伍迪et al ., 2008;史密斯et al ., 2009;史密斯et al ., 2010偏置)使用数控单点产生破碎的芯片加工操作。chip-breaking路径添加一个正弦信号到传统的刀具轨迹。这种方法扩展到modulation-assisted加工(MAM)和调制工具路径(MTP)。曼et al。(曼et al ., 2011;郭et al ., 2013;Yeung et al ., 2013)报道,小离散芯片加工塑性合金时可以生成。他们强调,加工表面的纹理是影响调制条件(曼et al ., 2011)。此外,低频振动切削,100赫兹的低频调制,抑制加工造成的失真,降低了切削力与振动切削振动(W / O)(不Yeung et al ., 2013)。Berglind和Ziegert (2015)这种方法适用于螺纹加工。Copenhaver et al。(2017)进行了基本研究力量,全球温度、进给运动,刀具磨损,芯片MTP的形成。
因此,介绍了低频振动切削等老妈和MTP打破芯片和使用。关于vibration-assisted切割,在1970年代,分手的影响芯片测试车床上使用一个振动器杆夹紧机制(大臣和Shinozaki, 1970)。通过使用一个设备和一个压电元件安装在一台机器来生成在一个椭圆振动轨迹,这种方法可以有效地降低切削力和抑制毛刺的生成与W / O振动(森胁Shamoto, 1995)。
利用低频振动的影响,尤其是在钻井。重要的研究是进行vibration-assisted钻井打破芯片。例如,冈et al。(2006)增加了一个控制的正弦振动钻轴方向恒定的进给运动。振动条件之间的关系如振动振幅、频率、钻头进给速率,芯片形成和钻探温度进行调查。Pecata和Brinksmeier (2014)进行碳纤维增强塑料/ Ti6Al4V栈的vibration-assisted钻井材料。布莱西et al。(2019)显示芯片是有效的,即使在小直径钻孔,芯片去除率增加通过减少频率和振幅增加。特别是,该方法采用航空材料,如碳纤维增强塑料/ Ti6Al4V,碳纤维增强塑料/铝,Ti-6Al-4V钛合金(侯赛因et al ., 2019;Seeholzer et al ., 2019;杨et al ., 2019;侯赛因et al ., 2020;Paulsen et al ., 2020)。
近年来,低频振动加工与数控系统的发展已经变得越来越容易。在先前的研究中,低频振动应用于饲料方向在转动过程中,芯片和破坏效果确认(宅一生et al ., 2016)。此外,该方法可以应用于圆柱形状,蜡烛和弧(宅一生et al ., 2018)。除了芯片打破,低频振动切削加工期间降低切削力和切削平均温度(Maroju et al ., 2017)。此外,它被证实,低频振动切削减少了切削力与W / O振动(Yeung et al ., 2013)。相比之下,W / O振动、切削力的平均值较低是由于未雕琢的部分;然而,切削力的最大值是根据实验结果(高宅一生et al ., 2018)。据报道,推力值可能受到振动频率的影响(杨et al ., 2019)。
虽然低频振动切削芯片分手等优势,也有劣势。例如,工件的表面粗糙度与W / O高于振动。表面粗糙度的恶化是一个主要问题关于使用低频振动切削的加工操作,精度是必需的。这限制了其应用于粗,尤其是在转弯。在低频振动切削,芯片打破当工具的工作材料。此外,据报道振动条件影响加工表面的纹理(冈et al ., 2006)。宅一生et al。(2020)确认调整振幅比影响表面粗糙度,可以提高通过改变工具的轨迹参数优化(宅一生et al ., 2020)。
此外,圆度可以提高通过调整频率比(宅一生et al ., 2020)。因此,在某种程度上,表面粗糙度和圆度可以通过优化提高振幅和频率比率。然而,偏离W / O振动通常观察到在这种情况下。此外,有限的研究进行的改善表面性质基于上述参数值和切削条件。因此,本研究旨在改善表面粗糙度和圆度的影响通过模拟低频振动切削加工表面轮廓和工具的形状,表面有积极影响的属性。基于模拟验证了该方法的有效性和实际加工实验。工具的形状和切削力之间的关系可以澄清下低频振动测量切削力在实际的加工实验。虽然先前的研究讨论了改善表面粗糙度通过调整参数的低频振动,本文表明,表面粗糙度和圆度可以提高了几何优化工具。理论连续最优截面的几何工具,该工具结构有两个鼻子R设置和直线部分。刀具寿命和切削阻力并不显著不同的传统工具,和工具可以用于实际加工。
2材料和方法
2.1低频振动切削方法的概述
低频振动切削打破了芯片通过应用振动的工具。它是一个过程的叠加振动切削饲料,如所示图1。所示图1,空气切割部分是来自工具路径之间的关系。这意味着这部分的芯片坏了。振动参数的正弦信号的振幅和频率。
图1。低频振动切削的概念。
指定轴振动应用于基于以下方程:
在哪里我低频振动的频率比率[-]对主轴转速年代(最低−1),K低频振动的振幅比[-]的进给速率F(毫米/牧师)。分手芯片,有必要设置频率和振幅比率的工具路径通过的区域已经被切断,生成和毛边的部分。尖端的位置获得使用以下方程:
主轴和刀刃位置计算基于计算公式。根据频率和振幅比率,毛边的部分的位置和大小变化相对于主轴的阶段。当频率比设置我= 1.0,未割的部分不是生成的。
2.2实验装置
在这项研究中,一个multi-turret数控车床和两个纺锤波的左右,两个塔楼Z设在,X设在,Y设在上方,和一个炮塔X设在,Z设在,Y设在下部。在实验中,较低的炮塔和右轴被用于加工。较低的炮塔有三个轴,可以达到正确的轴,如图所示图2一个。所示表1,304不锈钢,因为它是容易芯片处理问题。材料的直径是39.4毫米。硬质合金刀片(DNMG150408N-SM Tungaloy)与一个R0.8菱形55°鼻子作为传统的工具。切割速度是90米/分钟,进给速率。2 mm /牧师,切削深度是2毫米。低频振动切削的理由我= 5,K= 1.5。夹具是构造,如图所示图2一个9121年测功器是安装在,基斯特勒公司tool-mounting区域。5019系统测功器放大器是基斯特勒公司,高速模拟测量单元是一个NR-HA08(日本基恩士)系统,以及使用的数据记录器是一个nr - 500(日本基恩士)系统,如图所示图2 b。表面粗糙度测量使用SURFCOM 1500 dx系统(东京Seimitsu)金刚石触针2μm半径和60°角。圆度测量使用RONDCOM 44(东京Seimitsu)系统,配备了碳化钨针直径1.6毫米的测量元件。
图2。实验系统的配置。
表1。加工条件。
表面粗糙度的最大高度Rz和算术平均身高类风湿性关节炎计算按照JIS B 0601标准。
3与低频振动相关问题
3.1由低频振动切削表面形貌
利用模拟演示被加工表面属性通过绘制工具轨迹基于工具的鼻子R、频率比、振幅比(宅一生et al ., 2020)。工具路径可以计算如下:
图3是一个彩色地图对加工表面的高度时的参数我和K分别为5和1.5。轴表示提要的位置,阶段,分别和表面工件的高度。这使得视觉确认切削区域,空气切割,加工表面时我和K值是不同的。仿真方法是基于一个Z-map。工件表面的部门宽度设置为5μm和在轴向和圆周方向。9°,分别。该部门脊的宽度代表的尖端形状工具1μm计算。从图3,这是确认表面是如何完成的振动。尖端的阶段变化,工件之间的接触点和工具也变化。所示图3 c,表面粗糙度恶化的结合我和K。
图3。表面粗糙度的预测低频振动(我= 5,K= 1)。
基于仿真结果所示图3的参数我和K分别为5和1.5,低频振动切削的表面粗糙度是高出210.5%类风湿性关节炎和高213.2%Rz相比之下,在W / O振动。
随后,表面粗糙度和圆度进行评估使用2.2节中描述的实验系统。表面粗糙度变化取决于阶段,如图所示图4;表2。在图4,水平和垂直轴表示阶段的工件表面粗糙度,分别。在低频振动切削表面粗糙度高334.4%类风湿性关节炎和192.9%Rz相比之下,在W / O振动。
图4。测量表面粗糙度。
表2。表面粗糙度结果的总结。
所示表3期间,平均和最大圆度低频振动切削高出146.4%和575.8%,分别比,在W / O振动。的形状,观察趋势一个椭圆形状,类似于仿真结果。基于切削力的结果表4与W / O振动相比,高低频振动切削的切削力是50.8%的主要力量,推力的68%,和40.8%的饲料力的最大值。的平均值,这三个组件的值在低频振动切削是低于W / O振动。
表3。总结圆度的结果。
表4。总结切削力的结果。
3.2低频振动切削的挑战
低频振动切削的表面粗糙度导致了类风湿性关节炎值高出334.4%的W / O振动。周期变化的低频振动切削的刀具轨迹改变了凸性的高度上形成完成的表面和表面粗糙度的影响。
图5显示了刀位轨迹变化与表面粗糙度之间的关系我= 5,K= 1.5。在图5,Z代表了轴向位置。橙色和蓝色的线条代表刀具轨迹和表面粗糙度在每个阶段,分别。所示图5,观察表面粗糙度的高峰阶段,尖端的路径距离最大,这与命令加料速度的两倍。这是当K≤2。的范围K> 2被认为是难以使用在实际应用中由于机器上振动的影响。优化的必要性振幅根据加工材料的特点,讨论了在一个先前的研究(Paulsen et al ., 2020)。实用范围被报道的芯片分手及其对表面粗糙度的影响(宅一生et al ., 2020)。
图5。前沿和表面粗糙度的阶段。
此外,即使参数等我(频率比)K(振幅比)调整,尖端路径之间的间距不改变在点尖端路径之间的差距是最广泛的。因此,这个问题不能被解决通过调整参数。在W / O振动,表面粗糙度可以通过调整进给速率提高。报道,饲料率增加或减少生产加工路径,打破了芯片(史密斯et al ., 2010)。对于低频振动切削,获得最大的饲料率如下:
在这里,F马克斯送的最大速度(毫米/牧师)在低频振动切削,然后呢F是吩咐加料速度(毫米/牧师)。我是低频振动的频率比[-],然后呢K是低频振动的振幅比[-]。因此,有一个周期性的吩咐和最大的饲料率之间的变化。调整进给速率基于最大进给速率可能导致不恰当的工具切割条件或在加工时间显著增加。因此,它更难调整进给速率在低频振动切削比W / O。
平均和最大的圆度值在低频振动切削比,在W / O。这是因为,在W / O振动,刀具轨迹是周期性的改变,和工件不经常接触前沿在削减,这降低了圆度。
4设计刀具的低频振动
4.1建议的几何工具
本研究提出了一种工具,改善表面粗糙度和圆度形状解决低频振动切削的缺点。表面粗糙度恶化由于几何工具和路径之间的关系与传统的工具,如所示图3。这有两种策略来改善。第一个是刀具刀尖半径的增加,第二是使用直尺的刀具,如所示图6。初步实验显示,一个大鼻子刀具半径不充分改善表面粗糙度。然而,当刀具直尺,如硬切割的工具,工件和刀具之间的接触面积增加,使颤振振动更可能。鉴于抖振振动展品负面影响加工表面,直的部分应该最大限度地短。因此,一个大鼻子刀具半径和直尺,类似于一个雨刷刀具,提出了。商用雨刷芯片直部分要么是太短,等。2毫米,或太长,如超过。45毫米。此外,这两个R1和R2在商业雨刷工具R平均小于该工具。该工具由直线部分l半径和两个部分R1和R2,见图6。正如前面提到的,一个长直节振动诱发喋喋不休;因此,有必要准确地确定这些参数考虑低频振动切削机理。
图6。设计策略的低频振动切削工具。
4.2优化工具的形状
图7提出了该刀具的示意图。正如前面提到的,刀具的直线部分的鼻子。提高加工表面的粗糙度,参数l,R1,R2,见图7应该确定。
图7。参数提出了低频振动切削工具。
确定长度l,有必要获得提要在低频振动切削量。然而,由于切割造成的轻微的前沿,如图所示图3 b可以re-cut,成品表面。一般来说,提要数量考虑未来切削可以计算如下:
Nf和Nb提到即将到来的数量和之前的切割路径,分别。的第一部分方程代表了最低饲料数量即将到来的切割,而第二部分是最大的饲料数量之前的切割。基于情商。6之间的关系,我,K,可以获得最大的饲料量。在图8,黑色线条代表提要数量的刀具,和橙色线表示最大的饲料,其垂直轴是在右边。最大的饲料发生在两个相邻的阶段饲料路径相互交叉。最大的饲料时。4毫米我和K分别是5和1.5。图8 b给更大范围的最大的饲料我和K。它可以观察到最大的饲料量随不同的组合我和K。此外,通过设置阈值最大的饲料量2F,一个适当的范围我和K可以确定,我集中在5和K决定了范围。考虑到周期性的情商。6为其他值,可以实现相同的结果我。
图8。最大的饲料量在低频振动。
相比之下,W / O振动,确定合适的参数我和K可以使提要小于2F在低频振动切削。虽然有一个最佳组合我和K最低的饲料量,一系列的计算是必要的。此外,的值我5以外,最大的饲料都是2F参数的影响K可以忽略。因此,在这项研究中,最大的饲料中低频振动切削被认为是2F。
在低频振动切削过程中,工具的直接部分边缘影响工件表面时其长度大于2F,理论表面粗糙度是0。相反,当它小于2F表面粗糙度是更大的,因为所有的饲料是剩余工件表面的影响R部分前后直线部分。扇贝的高度大约是表达了以下方程:
因此,该工具的最优值形状可以首先确定加工条件在一定程度上(进给速率),然后优化直管段的长度。然而,如果直段的长度超过一定水平时,它可能有一个负面影响切削阻力。因此,他们的长度是有限的。提出了工具的长度设置为.41点mm,只要是两次F= 2毫米/牧师,完成饲料使用。因此,该工具所示图9。
图9。提出了制造刀具。
图10介绍了表面粗糙度的低频振动切削仿真传统和提出的工具。在图10,水平和垂直轴代表的纵向位置和阶段工件,分别。所示的条件是相同的图3。观察,使用该工具,可以减少表面粗糙度的实施率达5.00µmµm类风湿性关节炎从19.45µm 56µmRz。因此,提出了vibration-assisted切割工具是有效的。
图10。表面粗糙度的低频振动切削仿真(我= 5,K= 1.5)。
5个结果
基于分析结果,实验阐明表面粗糙度,圆度,和低频振动切削的切削力安装该工具multi-turret数控车床,如图所示图2。实验配置中列出表1。切割速度是90米/分钟,进给速率。2 mm /牧师,切削深度是2毫米。低频振动切削的参数(我,K)= (。51。5),(。5,2),(。55, 2). The combinations of我和K被改变了,他们的影响进行调查。
5.1切割芯片
图11提出了一种比较两个工具之间的芯片类型。四种模式基于切削方法和刀具被用于实验。与传统和工具,提出芯片分解振动时补充道,与长块W / O振动。根据结果,vibration-assisted加工我= 5,K= 1.5可以可靠地打破芯片。此外,卷曲半径的减少芯片使用该工具是小的比传统的工具。这是由于工具和芯片之间的接触长度。更专注的方向应该是芯片速度的差异之间的正面和背面。
图11。降低芯片(我= 5,Kvibration-assisted切削= 1.5)。
5.2表面粗糙度
图12介绍了表面粗糙度的结果获得了使用该工具(我= 5,K= 1.5)。表2总结了表面粗糙度的改变振动的条件。实验结果表明,表面粗糙度在使用该工具从5.74µm .94µm显著提高类风湿性关节炎6.66和23.09µmµmRz。
图12。结果提出了表面粗糙度测量的工具。
从表2,几点必须被考虑。首先,模拟和测量之间的误差很小的传统工具。这是真正的为例,无振动。然而,当使用该工具,模拟和测量之间的错误不是可以忽略不计;也就是说,实验结果比仿真结果性能降低。这可能是由于切割与该工具是稍微不那么稳定的由于接触长度。然而,该工具的表面粗糙度是优于传统的切削振动(使用传统工具W / O)和vibration-assisted切割。当的参数振动我和K被改变,并没有显著的差异。的影响我和K应该进一步研究;然而,当参数K大,表面性能退化。这表明有一个大的振幅影响切削稳定性。此外,限制之间的关系我和K应该考虑打破芯片。当参数我被设置为55,每个旋转振动相位变化。此外,表面粗糙度将改善由于色散效应的工具路径(宅一生et al ., 2018)。特别是,这种效应只在传统的仿真结果证实了工具。因此,这一领域需要进一步调查。
5.3圆
图13介绍了车削后工件的圆度。圆度是其中一个最重要的加工结果的评估。在正常的情况下将在上述条件下,平均圆度是1.92µm和最大圆度是2.27µm,如图所示图13和表3。所示图13 b, C、vibration-assisted加工没有产生圆度的质量正常的转变过程,这是一个常见的问题与vibration-assisted加工有关。
图13。圆度测量结果为该工具。
然而,当该工具使用,平均圆度改进,如图所示图13 b, C。平均圆度µm从4.73µm下降到2.95,而最大圆度降低了从15.34到3.61(µmµm。
5.4切削力
并给出了切削力的结果图14和表4。数据计算从10振动周期。机床坐标系统的说明图2。对于低频振动切削与拟议中的工具,切削力的平均值几乎是一样的W / O振动。对于最大切削力,推力,本金,和饲料低频振动的力值减少了46.2%,58.1%,和34.4%,分别比W / O振动。
图14。切削力的结果(我= 5,K= 1.5)。
的平均和最大使用该工具的切削力值被发现是低于传统的工具。最大和平均推力,最大的区别是,在使用该工具下降了29.7%和35.7%,分别比使用传统的工具。
5.5刀具磨损
低频振动切削对刀具寿命的影响进行了研究使用常规和提出的工具。在实验中,实际加工使用multi-turret执行数控车床(nty3 - 100),并使用电子显微镜观察刀具磨损(日本基恩士,VK-X210)。条件是V = 90米/分钟,F = 2毫米/牧师和t =。4毫米。材料是SUS304。non-coated插入(Tungaloy DNMA150408 TH10)作为传统的工具。图15显示了减少距离和侧面磨损宽度在水平和垂直轴,分别。从图15,提出了工具与低频振动切削和传统工具W / O振动表现出几乎相同的服务生活。
图15。比较芯片侧面磨损在振动切削宽度。
6的讨论
实验结果显示,表面粗糙度和圆度的恶化引起的低频振动切削形状可以减少设计一个合适的工具。该工具的表面粗糙度明显低于传统的工具,因为直的部分工具来填补缺口,减少了凸性的点之间的差距尖端路径增加大小。有几个测量值之间的差异在模拟和那些从实际加工中获得使用该工具。根据切削条件下,芯片的形式成为撕裂类型和机器表面蒙上阴影。这可能影响了仿真和实际加工结果的差距。这种情况可能会发生,因为减少了外围速度和材料(不锈钢)。圆度的工具是提高相对于传统的工具。这个结果是由于这一事实的影响周期连续加工路径减少了部分,和切削刃与工件的接触更加一致。
对于使用传统工具的切削力,平均价值没有明显不同于W / O振动,而每个切削力的最大值是高于W / O振动。这一趋势可以归因于存在切削力的峰值由于周期振动;然而,创建毛边的部分导致了较低的平均价值。提出的工具,切削力的最大值高于W / O振动。最大值的推力和主要力量,差距大于这些传统的工具。直部分延长了时间的工具与工件接触。然后,周期轨迹变化导致切削力的峰值。这些因素被认为是影响切削方法之间的差距。比较的基础上提出的削减部队和常规工具,平均推力使用该工具的价值明显变小。一边前沿的角度提出工具比传统的小工具。 Thrust force decreases as the side cutting edge angle decreases in the case that side cutting edge corner is in contact with the workpiece (李et al ., 2007)。一边前沿的角度提出工具比传统的小工具。有可能建议工具的推力小于传统的工具,因为它的效果。切削力的变化影响了生活的工具。刀具寿命测量结果显示,之间没有显著差异提出工具与低频振动切削和传统工具W / O振动。这些削减负荷的变化之间的关系和生活工具将是未来研究的重点。本研究的结果表明,在低频振动切削表面粗糙度和圆度形状可以提高使用该工具。
7结论
本文提出了低频振动切削的刀具设计。在这项研究中,仿真和实验进行了澄清对表面粗糙度和圆度的影响。
1。在低频振动切削与拟议中的工具,表面粗糙度降低,从5.74µm .94µm类风湿性关节炎6.66和23.09µmµmRz,相比之下,传统的工具。
2。平均圆度的提议对低频振动工具改善,从4.73到2.95(µmµm,相比与传统的工具。从15.34µm最大值降低到3.61µm使用该工具。此外,低频振动的圆度应该作进一步的调查。
3所示。对于切削力,该工具的平均和最大价值低于传统的工具。的最大和平均推力提出工具,最大的区别是观察,低29.7%和35.7%,分别比常规的工具。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
作者的贡献
SN:写论文,编译之前的研究,分析实验数据。KN:支持处理实验和数据分析。柯:支持工具设计、加工条件实验。YN:进行加工实验,工具的设计。ZR:模拟和理论公式的发展。TK:支持数据分析和讨论。NS:审查和补充,以及论文的结构。
确认
作者要感谢鞭打有限公司有限公司提供的支持在这个研究。
的利益冲突
作者SN, KN KO, YN受雇于Nakamura-tome精密工业有限公司,有限公司
其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:低频振动、表面粗糙度、圆度、表面性质,工具设计,车床,转向
引用:中村年代,录像K, Ohara K,中村Y,任Z, Kizaki T和杉N(2023)工具设计低频振动切削表面性质。前面。Manuf抛光工艺。2:1079127。doi: 10.3389 / fmtec.2022.1079127
收到:2022年10月25日;接受:2022年12月28日;
发表:2023年1月13日。
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*通信:中村富山庄,shogo-nakamura@nakamura-tome.co.jp