Development and manufacturing of a device for ultrasonic assisted milling

Abstract

Machinability, along with all its involved aspects, is the most crucial machining cost-determining parameter. Its optimization is, however, fundamentally limited by the existing technology. To transcend such limitations, new alternative technologies arise, as is the case with Ultrasonic Assisted Machining (UAM). Therefore, the present thesis aims to reimagine a conventional milling tool holder to allow for the application of an ultrasonic vibration system, seeking to increase machining efficiency. Chapter 1 serves as an introduction to the study, providing a brief overview of the project and its main objectives. General considerations and basic concepts of the machining technology are addressed. Chapter 2 is dedicated to a comprehensive overview of the ultrasonic machining technology. Initial developments of ultrasonics applied to distinct machining operations are briefly mentioned. However, ultrasonic assisted machining is the main addressed technique, with the milling process being the primary point of focus. The influence of the technology in key machining parameters is explored, as well as its underlying principles and general considerations, such as frequency, amplitude, and resonance. Additionally, a definition of different types of ultrasonic assisted machining systems and a comprehensive kinematic analysis are also provided. Chapter 3, the core of the document, describes the complete development of the ultrasonic assisted milling system. An existing system is analyzed and, through reverse engineering, its corresponding issues and efficiency-impeding factors are identified. Solutions for these limitations are proposed, and consequently, a complete redesign of the system is established, aiming for a more compact and functional design. Every aspect, from part design and optimization to production and consequent assembly, is addressed, recurring to an intensive FEA analysis to validate the proposed updated system. Three different studies are conducted: eigenfrequency determination, impedance curve plotting, and thermal expansion prediction for a shrink-fit type of tool fixation. Finally, in Chapter 4, conclusions are drawn regarding the optimized system and its applications in the machining industry. The chapter includes a comprehensive overview of the project and suggestions for future improvements, providing valuable insights into the practical implications of this research and its potential for advancing the field of machining. Overall, the developed system yields a significant contribution to the machining field, presenting an innovative approach to ultrasonic assisted machining, having the potential to reduce cutting forces, improve surface finish and reduce tool wear, ultimately leading to cost savings and increased productivity.

A maquinabilidade, em conjunto com os seus aspetos envolventes, é o principal fator determinante do custo de maquinagem. Porém, a sua otimização está limitada pela tecnologia existente. Variadas tecnologias de maquinagem não convencionais, como a Maquinagem Assistida por Ultrassons (UAM), pretendem transcender estas limitações. Deste modo, a presente dissertação visa a completa reimaginação de um cone de fresagem convencional para a aplicação de um sistema de vibração ultrassónica, a fim de aumentar a sua eficiência de maquinagem. O Capítulo 1 contém a introdução ao estudo e um breve sumário do projeto e dos seus principais objetivos. São abordados conceitos básicos de maquinagem, assim como algumas considerações gerais. Uma visão global sobre a maquinagem por ultrassons é dada no Capítulo 2. É efetuada uma abordagem cronológica da sua aplicação a diferentes tipos de operações. No entanto, a maquinagem assistida por ultrassons é o principal foco do estudo, com especial detalhe para o processo de fresagem. A influência da aplicação de vibração aos parâmetros de corte é investigada, assim como os princípios subjacentes da tecnologia e alguns conceitos como frequência, amplitude e ressonância. Vários sistemas deste tipo são apresentados e é feita uma análise cinemática integral do processo. O principal foco da presente dissertação está incluído no Capítulo 3, o qual descreve o completo desenvolvimento do sistema de fresagem assistida por ultrassons. Um sistema do tipo é analisado e, através de técnicas de engenharia inversa, são identificadas as suas limitações. Soluções são propostas e o sistema é totalmente redesenhado, visando uma geometria mais compacta e funcional. Todas as etapas, incluindo a projeção, otimização, produção e montagem dos componentes necessários são descritas, sendo o sistema validado através de uma extensiva simulação por elementos finitos. São efetuados três estudos: determinação da frequência de ressonância, obtenção da curva de impedância do sistema e previsão da expansão térmica do cone para a introdução da ferramenta de corte. Finalmente, no Capítulo 4, são apresentadas as conclusões acerca do sistema otimizado e sua respectiva aplicação na indústria. Além disso, o projeto é resumido e sugestões para trabalhos futuros são feitas, fornecendo informações sobre as implicações práticas do estudo, bem como seus principais contributos para a indústria de maquinagem. No geral, o sistema desenvolvido provou-se de elevado valor para a indústria, apresentando um método inovador na aplicação de vibrações aos processos convencionais, tendo o potencial para reduzir forças de corte e o consequente desgaste da ferramenta, melhorar o acabamento superficial e, deste modo, reduzir os custos e aumentar a produtividade.