Применение осциллирующих движений инструмента для повышения качества обрабатываемой поверхности

Аннотация

Обработка хрупких материалов --- одна из сложных технологических операций. В исследованиях, посвященных вопросам обработки материалов, уделяется внимание поиску технологического решения механообработки труднообрабатываемых оптических элементов. Одним из современных решений является резание с применением осциллирующих движений режущей кромки инструмента. Такой метод позволяет улучшить качество получаемой поверхности оптических элементов и увеличить толщину срезаемого слоя. В качестве источника осциллирующих движений используют пьезоэлемент или магнитострикционный преобразователь. Рассмотрен микропривод, который включает в себя актюаторы из пьезокерамики. Выбор такого микропривода обусловлен энергоэффективностью привода, быстрой реакцией пьезоэлемента, низким нагревом, высокими жесткостью и точностью. Предложена схема микропривода, описана его работа, приведен пример траекторий движений инструмента, реализована конструкция, которая испытана при обработке образцов. Полученные детали проверены на высокоточном измерительном оборудовании. По результатам проведенного эксперимента доказана состоятельность применяемого метода для обработки оптических элементов на получистовой операции с использованием осциллирующих движений. Улучшено качество обработанной поверхности благодаря уменьшению шероховатости по сравнению с обычным резанием. Приведены графики изменения параметров для всех образцов

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Образцов А.Е., Утенков В.М., Кузнецов П.М. Применение осциллирующих движений инструмента для повышения качества обрабатываемой поверхности. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2026, № 3 (158), c. 102--119. EDN: KBXPCC

Литература

[1] Теплова Т.Б. Квазипластичное удаление поверхностного слоя твердых хрупких материалов с получением нанометрового рельефа поверхности. Горные науки и технологии, 2010, № 8, с. 73--88. EDN: MWIVRJ

[2] Захаревич Е.М., Шавва М.А., Лапшин В.В. и др. Ультрапрецизионная алмазная обработка хрупких материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Технологии обработки материалов, 2016, № 3, с. 60--65. EDN: WKRLYF

[3] Шавва М.А., Лапшин В.В., Грубый С.В. Сверхточная обработка хрупких оптических материалов в нанометровом диапазоне толщин срезаемого слоя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 4, с. 52--59. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2016-4-52-59

[4] Козочкин М.П., Солис Н.В. Определение угла сдвига стружки при ультразвуковом точении с помощью высокоскоростной видеосъемки. Вестник РУДН. Сер. Инженерные исследования, 2010, № 3, с. 60--65. EDN: MVJCGJ

[5] Сергиев А.П., Владимиров А.А., Швачкин Е.Г. К вопросу о виброрезании. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015, № 4, с. 60--65. EDN: TVFGJT

[6] Приписнов Я.А., Гришина О.И. Современные методы механической обработки композиционных материалов (обзор). Труды ВИАМ, 2018, № 10, с. 53--61. DOI: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-10-53-61

[7] Сергиев А.П., Владимиров А.А., Макаров А.В. и др. Физические основы процесса вибрационного резания при точении. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, № 3, с. 94--102. DOI: https://doi.org/10.12737/24626

[8] Kumar S., Wu C.S., Padhy G.K., et al. Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: a status review. J. Manuf. Process, 2017, vol. 26, pp. 295--322. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.02.027

[9] Shen X.H., Zhang J.H., Yin T.J., et al. A study on cutting force in micro end milling with ultrasonic vibration. Adv. Mater. Res., 2010, vol. 97-101, pp. 1910--1914. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.97-101.1910

[10] Adnan A.S., Subbiah S. Experimental investigation of transverse vibration-assisted orthogonal cutting of AL-2024. Int. J. Mach. Tools. Manuf., 2010, vol. 50, no. 3, pp. 294--302. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2009.11.004

[11] Shamoto E., Moriwaki T. Ultaprecision diamond cutting of hardened steel by applying elliptical vibration cutting. CIRP Ann.-Manuf. Technol., 1999, vol. 48, no. 1, pp. 441--444. DOI: https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)63222-3

[12] Shen X.H., Zhang J., Xing D.X., et al. A study of surface roughness variation in ultrasonic vibration-assisted milling. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2012, vol. 58, no. 5, pp. 553--561. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-011-3399-y

[13] Nath C., Rahman M. Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting. Int. J. Mach. Tools. Manuf., 2008, vol. 48, no. 9, pp. 965--974.DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2008.01.013

[14] Liu K., Li X.P., Rahman M., et al. A study of the cutting modes in the grooving of tungsten carbide. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2004, vol. 24, no. 5, pp. 321--326. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-003-1565-6

[15] Alam K., Mitrofanov A.V., Silberschmidt V.V. Experimental investigations of forces and torque in conventional and ultrasonically-assisted drilling of cortical bone. Med. Eng. Phys., 2011, vol. 33, no. 2, pp. 234--239. DOI: https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2010.10.003

[16] Peng Y., Liang Z., Wu Y., et al. Characteristics of chip generation by vertical elliptic ultrasonic vibration-assisted grinding of brittle materials. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2012, vol. 62, no. 5-8, pp. 563--568. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-011-3839-8

[17] Shamoto E., Suzuki N., Moriwaki T., et al. Development of ultrasonic elliptical vibration controller for elliptical vibration cutting. CIRP Ann. Manuf. Technol., 2002, vol. 51, no. 1, pp. 327--330. DOI: https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61528-5

[18] Suzuki N., Yan Z., Hino R., et al. Ultraprecision micro-machining of single crystal germanium by applying elliptical vibration cutting. IEEE International Symposium on MicroNanoMechanical and Human Science, 2006. DOI: https://doi.org/10. 1109/MHS.2006.320323

[19] Brehl D.E., Dow T.A. Review of vibration-assisted machining. Precis. Eng., 2008, vol. 32, no. 3, pp. 153--172. DOI: https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2007.08.003

[20] Guo J., Suzuki H., Higuchi T. Development of micro polishing system using a magnetostrictive vibrating polisher. Precis. Eng., 2013, vol. 37, no. 1, pp. 81--87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2012.07.003

[21] Guo J., Morita S.Y., Hara M., et al. Ultra-precision finishing of micro-aspheric mold using a magnetostrictive vibrating polisher. CIRP Ann. Manuf. Technol., 2012, vol. 61, no. 1, pp. 371--374. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.141

[22] Loh B.G., Kim G.D. Correcting distortion and rotation direction of an elliptical trajectory in elliptical vibration cutting by modulating phase and relative magnitude of the sinusoidal excitation voltages. Proc. Inst. Mech. Eng. B. J. Eng. Manuf., 2012, vol. 226, no. 5, pp. 813--823. DOI: https://doi.org/10.1177/0954405411431375

[23] Yin Z., Fu Y., Li H., et al. Mathematical modeling and experimental verification of a novel single-actuated ultrasonic elliptical vibrator. Adv. Mech. Eng., 2017, vol. 9, no. 12. DOI: https://doi.org/10.1177/1687814017745413

[24] Snyman J.A., Heyns P.S., Vermeulen P.J. Vibration isolation of mounted engine through optimization. Mech. Mach. Theory., 1995, vol. 30, no. 1, pp. 109--118. DOI: https://doi.org/10.1016/0094-114X(94)00023-E

[25] Chattopadhyay A., Li J., Haozhong G. Coupled thermo-piezoelectric-mechanical model for smart composite laminate. AIAA J., 1999, vol. 37, no. 12, pp. 1633--1638. DOI: https://doi.org/10.2514/2.645