Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей

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.

Ультразвуковые колебания, точение твердых материалов, метод подобия, теорема бекингема, износ режущего инструмента, потребляемая электрическая мощность