Ultrasonic assisted machining: cutting tool optimization

Abstract

Recentemente, o processo conhecido como torneamento assistido por ultrassons tem sido adotado por vários autores dado os vários benefícios característicos que este atribui ao processo tradicional. Desta forma, tornou-se sujeito a otimização para atingir melhores valores de rugosidade superficial, menores forças de corte e maior estabilidade na maquinagem. No entanto, a incorporação de um maior número de variáveis torna esta metodologia mais complexa, levando a optar por um modelo numérico com menor número de elementos. Consequentemente, a simplificação em excesso do efeito piezoelétrico sobre a forma de um perfeito comportamento harmónico no modelo numérico irá induzir uma otimização empírica. A presente dissertação descreve as consequências de uma caracterização incompleta do transdutor dentro do sistema acústico, assim como, a influência dos parâmetros de maquinagem no comportamento e eficiência deste. Para este propósito, os componentes do ultrassom foram desenvolvidos e desenhados para as condições de fabrico. Complementarmente, os resultados numéricos foram validados e avaliados experimentalmente através de perfis de rugosidade, topografias superficiais e morfologia da apara. Resultados sugerem quando a otimização incorpora o sistema ultrassónico por inteiro para os parâmetros selecionados, qualidade e uniformidade são asseguradas.

In recent years, Ultrasonic Assisted Turning (UAT) has been adopted owing to the enhanced capabilities added to the traditional process, therefore making its optimization a prevalent objective of many authors. However, the introduction of more variables makes this methodology more complex. Consequently, oversimplification of the piezoelectric effects through the assumption of a perfect harmonic behaviour from the numeric model will induce an empirical optimization. The present paper highlights the consequences of the transducer mischaracterization within the acoustic system, as well as, studies the influence of machining parameters on its behavior and performance. As such, the ultrasonic components were developed and designed for the intended turning conditions. Furthermore, the numeric results were validated and evaluated experimentally by roughness profiles, surface topography and chips morphology. The results suggest that when the optimization attenuates the full ultrasonic system at given parameters, uniformity and quality are ensured.