مدل‌سازي نيروي برشي در فرزكاري به كمك ارتعاش آلتراسونيك و بررسي تجربي آن

Modeling the cutting force in ultrasonic-vibration assisted milling and its empirical study

محاسبه نيروي برشي در همه فرآيندهاي ماشينكاري از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. در اين مقاله، ضخامت براده تغيير شكل نيافته در فرآيند فرزكاري به كمك ارتعاش آلتراسونيك يك بُعدي محاسبه و سپس، مدلي براي تعيين نيروي برشي در اين فرآيند ارايه شده است. روابط تحليلي نشان مي‌دهند كه بيشينه نيروي برشي در فرزكاري آلتراسونيكي بيشتر از فرزكاري معمولي است ولي، ميانگين نيروي برشي در فرزكاري آلتراسونيكي كاهش يافته است. براي راستي آزمايي مدل‌سازي پيشنهاد شده، به كمك يك تنظيم تجربي خاص و اِعمال ارتعاش يك بُعدي در راستاي پيشروي به قطعه‌كار، نيروي برشي در فرزكاري معمولي و ارتعاشي به صورت تجربي اندازه‌گيري شده است. بزرگتر بودن بيشينه نيروي برشي در فرزكاري آلتراسونيكي و كاهش ميانگين نيروي برشي در آن نسبت به فرزكاري معمولي، در نتايج تجربي نيز مشاهده مي‌شود. مقايسه مقادير متوسط نيروي برشي نشان مي‌دهد كه روابط تحليلي براي پيش‌بيني نيروي برشي در فرزكاري معمولي به طور متوسط 16% و در فرزكاري آلتراسونيكي به طور متوسط 40% خطا دارد. با توجه به اينكه محاسبه تحليلي ضخامت براده تغيير شكل نيافته و نيروي برشي در فرزكاري آلتراسونيكي و همچنين مقايسه نيروهاي تجربي با نيروهاي مدل‌سازي شده، براي نخستين بار در اين مقاله انجام شده است، مي‌توان دقت روابط ارايه شده را قابل قبول دانست.

Calculation the cutting force in machining processes is of great importance. In this paper, undeformed chip thickness in one-dimensional ultrasonic vibration assisted milling is calculated and then, a model for determining the cutting force in this process is presented. Analytical relations show that in ultrasonic assisted milling (UAM), the maximum cutting force is greater than in conventional milling (CM), but the average cutting force is decreased. To verify the proposed relations, with the aid of a particular experimental setup, one-dimensional vibration in feed direction is applied to workpiece and cutting force in CM and UAM is measured experimentally. Greater maximum cutting force in UAM and decrease of average cutting force in UAM compared to CM is observed experimentally as well. Comparison of average values of cutting force shows that the analytical relations for predicting the cutting force have 16% average error in CM and 40% average error in UAM. Given that the analytical calculation of undeformed chip thickness and cutting force in UAM and also comparison of experimental forces with the modeled ones has been done in this paper for the first time, the accuracy of proposed relations are acceptable.