Hoe beïnvloedt ultrageluidvibratie de kraskracht bij het snijden van SiCp/Al-composieten?

De technologie van het ultrasonisch-assisteerde krassen (UVAS) combineert hoge frequentie ultrageluidvibratie met het traditionele krassen om de materiaalverwijdering te verbeteren. Het toepassen van ultrageluidvibratie wijzigt het mechanisme van de materiaalverwijdering en maakt de analyse van de kraskracht complexer. Dit biedt een interessante benadering voor micro-efficiënt snijden, wat met name nuttig is bij het bewerken van composietmaterialen zoals SiCp/Al.

De kracht die tijdens het snijden ontstaat, kan worden verdeeld in twee hoofdcomponenten: de elastisch-plastische deformatieweerstand van het materiaal tegen de gereedschapszijde en de wrijving tussen het gereedschap en het materiaal zelf. Het is van belang te begrijpen dat de weerstand van het materiaal tegen de gereedschapstemperatuur en de mate van vervorming van het materiaal onder invloed van de gereedschapsactie zowel invloed hebben op de uiteindelijke kraskracht. Bij broze materialen, zoals SiCp/Al, is de verhouding tussen de normale kracht en de tangentiële kracht doorgaans tussen de 1,5 en 3, waardoor het model in dit geval zich primair richt op de krachten langs de x-as.

De deformatieweerstand die wordt veroorzaakt door het extrusiedruk van de snijkant op de voorkant van het gereedschap is de belangrijkste kracht die nodig is om het snijkrul te vormen. In dit kader wordt de kracht die nodig is voor het vormen van het snijkrul als volgt uitgedrukt:

waarbij $\tau_1$ de schuifsterkte van het materiaal is, $S_1$ het schuifoppervlak is, en $\phi_1$ de schuifhoek is.

Ultrasonisch-assisteerde krassen werken door de werking van een hoge frequentie, vibrerende energie die direct op het gereedschap wordt overgedragen. De amplitude en frequentie van deze vibraties kunnen de kracht die wordt uitgeoefend op de SiC-deeltjes in het composiet aanzienlijk beïnvloeden. Het proces veroorzaakt niet alleen een elastisch-plastische vervorming maar kan ook een verandering in de breukpatronen van de deeltjes teweegbrengen. Specifiek, wanneer de tool de kritische hoogte van de SiC-deeltjes bereikt, worden de deeltjes in de matrix gedrukt of verwijderd, afhankelijk van de hoogte van het contactmoment.

De kans op breuk in SiC-deeltjes wordt beïnvloed door twee mechanismen: brosbreuk en vermoeiingsbreuk. In het geval van UVAS, aangezien de ultrageluidamplitude meestal slechts enkele microns bedraagt, wordt de stress die op de SiC-deeltjes wordt uitgeoefend meestal niet groot genoeg om de deeltjes te breken door brosbreuk. In plaats daarvan leidt de herhaalde belasting van de ultrageluidtrillingen meestal tot vermoeiingsbreuk, een proces dat kan worden gekarakteriseerd door de sterkte van de deeltjes die afhankelijk is van het beschadigingsfactor $D$.

Een belangrijk aspect van dit proces is het effect van de zijwaartse wrijving die optreedt wanneer het gereedschap de matrixmaterialen, zoals aluminium (Al), raakt. De rol van wrijvingskrachten in zowel het schuiven van het gereedschap langs de matrix als het rollen van de SiC-deeltjes, beïnvloedt de algehele krachten die op het gereedschap werken. De schuifwrijvingskracht en de rollende wrijvingskracht kunnen wiskundig worden uitgedrukt als volgt:

waarbij $\tau_m$ de schuifsterkte van de Al-matrix is en $S_m$ het wrijvingsoppervlak is tussen het gereedschap en de matrix.

Er kan een nauwkeurige voorspelling van de krachten die optreden tijdens het ultrasonisch-assisteerde snijden worden gemaakt door de eerder genoemde krafteregels en modellen te combineren. De experimentele resultaten die zijn verkregen uit tests op SiCp/Al-composieten met verschillende volumefracties bevestigen dat de ultrageluidvibraties niet alleen de mechanische eigenschappen van de materialen beïnvloeden, maar ook de dynamiek van de deeltjesbeweging. Dit heeft directe implicaties voor de toepassing van deze technologie in de microbewerking.

De experimentele aanpak bestaat doorgaans uit een unidirectionele krasprocedure waarbij de SiCp/Al-composieten met verschillende volumefracties (15%, 30% en 45%) worden getest onder zowel normale als ultrasonische vibratiecondities. De materiaaleigenschappen van de composieten, waaronder dichtheid, elasticiteitsmodulus en hardheid, worden bepaald door middel van deze tests. Deze waarden dienen als belangrijke parameters bij het optimaliseren van het productieproces en het selecteren van geschikte materialen voor specifieke toepassingen.

Naast de technieken die al besproken zijn, wordt het verder begrijpen van de interactie tussen de tool en de SiCp/Al-composieten tijdens het snijproces van cruciaal belang. Het gedrag van de deeltjes onder belasting kan leiden tot veranderingen in de prestaties van het gereedschap, evenals in de uiteindelijke kwaliteit van het snijoppervlak. Het integreren van vibraties van hoge frequentie heeft ook het potentieel om de slijtvastheid van het gereedschap te verbeteren, wat essentieel is voor langdurig gebruik in geavanceerde productieomgevingen.

Hoe Ultrasone Trillings de Oppervlaktekwaliteit in Slijpprocessen Verbeteren

De snelheid van de toevoer beïnvloedt direct het volume van het te verwijderen materiaal per tijdseenheid, wat leidt tot een toename van de slijpkracht. Deze verhoogde kracht veroorzaakt een toename van de totale warmteflux die gegenereerd wordt in de slijpzone, wat op zijn beurt resulteert in een hogere temperatuur. Volgens figuur 3.31d neemt de slijptemperatuur echter af naarmate de ultrasone amplitude toeneemt. Dit komt doordat een hogere ultrasone amplitude enerzijds de tangentiële slijpkracht en de totale warmteflux vermindert. Anderzijds zorgt een hogere amplitude voor een sterker vernevelingseffect wanneer de nanovloeistof in contact komt met de slijpschijf, wat de contact- en scheidingskenmerken tussen de slijpkorrels en het werkstuk versterkt. Dit vergemakkelijkt de penetratie van nanovloeistofdruppels met een betere verneveling in de slijpzone, wat de temperatuur tijdens het slijpen verlaagt.

De ultrasone vibratie heeft echter niet alleen invloed op de temperatuur, maar ook op de morfologie van het oppervlak van het werkstuk. De oppervlaktekwaliteit kan aanzienlijk worden verbeterd door het gebruik van ultrasone trillingen tijdens het slijpen. Dit proces beïnvloedt de dynamiek van de slijpkorrels, die door de vibraties in de slijpzone worden gemanipuleerd. Het gebruik van ultrasone trillingen vermindert de mechanische belasting op het werkstukoppervlak, wat resulteert in een meer gecontroleerde slijping en een verbeterde afwerking van het oppervlak.

Modellering van Oppervlakte Morfologie

In figuur 3.32a wordt het schema van ultrasone vibratie slijpen voor lagerbanen getoond. Langsgolvende ultrasone trillingen worden toegepast op de slijpschijf, terwijl de schijf tegelijkertijd ronddraait rond de spil om een duikslijpproces van de lagerring uit te voeren. Om de beweging van de slijpkorrels tijdens het ultrasone slijpen beter te begrijpen, wordt het werkstuk in figuur 3.32b uitgevouwen. De slijpschijf met straal Rs draait met een snelheid vc, terwijl het werkstuk met straal Rw zich voortbeweegt met snelheid vw. De slijpdiepte wordt aangeduid als ap. Het coördinatenstelsel is zodanig opgezet dat de oorsprong van de coördinaten zich aan het linkereinde van het werkstuk bevindt, aangeduid als OW. De x-as vertegenwoordigt de lengterichting, de y-as de breedte en de z-as de dikte. De lengtes van het werkstuk, lw, en de breedte, bw, worden respectievelijk aangeduid.

De trajectoirevergelijking van een slijpkorrel Gmn is gedefinieerd door (3.40), waarbij de coördinaten (x0, y0, z0) het punt van eerste contact tussen de slijpschijf en het werkstuk vertegenwoordigen. De parameters Δd, Δl geven de afstand tussen de slijpkorrels en de oorsprong aan in respectievelijk de cirkel- en asrichting van de slijpschijf. hmn is de hoogte van de korreluitstulping en hmax de maximale uitstulping van de korrel. Het roterende gedrag van de slijpschijf wordt gedefinieerd door de hoek θ = ωT, waarbij ω de hoeksnelheid is, en de faseverschillen tussen de verschillende korrels door φ = 2πfΔd/ωRs. Door het verschil in diameters van de slijpschijf en de lengte van het sn pad worden vereenvoudigde vergelijkingen toegepast voor de berekeningen, zodat (3.41) kan worden gebruikt om de beweging van de korrels verder te modelleren.

Om de oppervlakte van het werkstuk na het slijpen te berekenen, moet de initiële morfologie van de slijpschijf eerst worden gereconstrueerd en het werkstuk opgedeeld in een rooster. Vervolgens wordt de hoogtewaarde z(i, j) van de slijpkorrel op elk punt Q(i, j) van het werkstukrooster berekend, op basis van de bewegingstrajecten van de slijpkorrels. De interferentie van meerdere slijpkorrels wordt ook in overweging genomen bij het berekenen van de uiteindelijke hoogte van elk punt op het werkstuk. Het minimum van de hoogte van alle punten geeft de eindmorfologie van het werkstuk weer.

Proces van Oppervlakte Berekeningen

Om de morfologie van het werkstukoppervlak nauwkeurig te berekenen, worden de volgende stappen gevolgd:

1. Reconstructie van de slijpschijf: Er wordt aangenomen dat de slijpkorrels sferisch zijn, waarbij de grootte van de korrels willekeurig wordt gegenereerd volgens een normale verdeling, terwijl de positie van de korrels uniform verdeeld is.

2. Opdeling van het werkstukrooster: Het werkstukoppervlak wordt verdeeld in kleine roostercellen om de nauwkeurigheid van de berekeningen te verhogen. Hoe kleiner de celgrootte, hoe nauwkeuriger de simulatie, maar ook langzamer.

3. Berekening van de korreltrajecten: De ultrasone vibraties veranderen de relatieve beweging tussen de slijpkorrels en het werkstuk, wat het slijppatroon beïnvloedt. Elke slijpkorrel beweegt willekeurig langs het snijpad en veroorzaakt materiaalverwijdering. De locatie van de contactpunten van de korrels wordt bepaald door de methode van het tekenverschil, wat de berekening efficiënt maakt.

4. Generatie van de werkstukoppervlakte: Nadat de berekeningen voor alle secties zijn uitgevoerd, wordt de uiteindelijke morfologie van het werkstukoppervlak gecreëerd door de interactie van de slijpkorrels met het werkstukmateriaal.

De invloed van de ultrasone trillingen kan niet alleen als een thermisch effect worden beschouwd, maar ook als een middel om de slijpmethode zelf te verbeteren. Het gebruik van ultrasone vibraties helpt de interactie tussen de slijpkorrels en het werkstuk te verfijnen, waardoor de slijpkracht kan worden gecontroleerd en de oppervlakteruwheid kan worden verminderd.

Met de vooruitgang in het modelleren van de oppervlaktekwaliteit kan de precisie in het slijpen van werkstukken aanzienlijk worden verbeterd, wat vooral belangrijk is in sectoren waar ultrafijne afwerking vereist is, zoals de productie van lagers, optische instrumenten en medische apparatuur.

Hoe het oppervlak van een werkstuk te voorspellen na ultrasone slijpvibratie

Bij het slijpen van een werkstuk met behulp van ultrasone vibratie kan de resulterende oppervlaktevorm voorspeld worden door de interactie van de slijpdeeltjes met het werkstukmateriaal. De hoogte na het slijpen door een enkel slijpkorrel kan worden berekend door de dieptes van de interferentie van alle abrasieve deeltjes over het werkstukoppervlak te verkrijgen. Als we ervan uitgaan dat het werkstukmateriaal volledig wordt verwijderd door de slijpbewegingen en de residuele hoogte wordt bijgewerkt volgens de gegeven formule, kan de morfologie van het werkstukoppervlak na de ultrasone slijpvibratie worden bepaald.

Het aantal slijpkorrels (N) op het slijpwiel bepaalt de gesimuleerde werkstukoppervlakte. In het simulatieproces werd een werkstukoppervlak van 1,5 mm verwerkt door 1880 korrels. Het algoritme voor het berekenen van de verdeling van de niet-bewerkte snijdikte (UCT) en het stroomdiagram van de werkstukoppervlakte worden weergegeven in Figuur 3.34. Hierbij wordt het aantal willekeurig gegenereerde slijpkorrels aangegeven door n, terwijl k het berekende aantal slijpkorrels is. De diameters van de korrels volgen een normale verdeling, terwijl de positie van de slijpkorrels een uniforme verdeling volgt.

Voor de verificatie van dit model werd een experiment opgezet, waarbij een ultrasone handgreep werd geïnstalleerd op de spil. Het ultrasone signaal wordt door de transducer omgezet in mechanische trillingen, die vervolgens door een hoorn worden versterkt. Het maximale amplitude van de ultrasone trillingen was 4 μm, met een frequentie van 35 kHz. Het materiaal van het werkstuk was GCr15SiMn lagermateriaal, dat werd omgevormd tot een rechthoekige blok van 20 mm × 15 mm × 10 mm.

De parameters van de test zijn opgenomen in een tabel die de verschillende waardes van slijpsnelheid, werkstukbeweging, slijpdiepte en amplitude van ultrasone trillingen toont. Figuur 3.35 toont de opstelling van het experiment, waarbij het werkstuk wordt bewerkt onder verschillende conditions.

De resulterende oppervlaktevorm na slijpen werd geëvalueerd door het vergelijken van gemeten en gesimuleerde morfologieën onder verschillende amplitudes. Zoals te zien is in Figuur 3.36, vormt de traditionele slijpbeweging parallelle lineaire groeven langs de slijprichting. In de ultrasone vibratieslijptechniek worden sinusvormige patronen op het werkstukoppervlak waargenomen, die duidelijker worden naarmate de amplitude toeneemt. Bij een amplitude van 4 μm worden de golven veel meer uitgesproken, en de slijpsporen overlappen zich op het oppervlak, wat resulteert in een veel gladdere en fijnere afwerking dan bij traditionele slijptechnieken.

Daarnaast is er een sterke correlatie tussen de diepte en dichtheid van de groeven en de amplitude van de ultrasone trillingen. Bij hogere amplitudes nemen de groeven in dichtheid toe, wat leidt tot een effectievere verwijdering van materiaal en een verbetering van de oppervlaktekwaliteit. Deze golvende textuur is een kenmerk van het effect van de sinusvormige beweging van de slijpdeeltjes, wat typisch is voor ultrasone vibratiebewerking.

De verkregen resultaten suggereren dat de simulaties de werkelijke morfologieën goed kunnen voorspellen, waardoor het mogelijk wordt om het effect van verschillende verwerkingsparameters op de oppervlaktekwaliteit nauwkeurig te voorspellen en te beheersen. Dit biedt een krachtige tool voor het ontwerp en de optimalisatie van ultrasone slijpprocessen.

Naast de oppervlaktevorm moet ook de invloed van interne spanningen op het werkstuk worden overwogen. Residuele spanningen kunnen optreden als gevolg van de mechanische en thermische effecten die ontstaan tijdens het slijpen. De mechanische spanning wordt voornamelijk veroorzaakt door schuifkrachten en de belasting die de slijpkorrels uitoefenen, terwijl thermische spanningen ontstaan door de hoge temperaturen die tijdens het slijpen optreden. Het begrijpen van deze spanningen is essentieel, omdat ze de structurele integriteit van het werkstuk kunnen beïnvloeden, vooral in kritieke toepassingen zoals de luchtvaart- en auto-industrie, waar materialen zoals titaniumlegeringen worden bewerkt.

Een model voor het voorspellen van de residuele spanning is ontwikkeld door zowel mechanische als thermische spanningen in overweging te nemen. Dit model kan worden gebruikt om te voorspellen hoe de afmetingen van de slijpkorrels en de verwerkingsparameters zoals de snelheid van de slijpsteen en de werkstukbeweging de interne spanningen in het werkstuk beïnvloeden. Het ontwikkelen van processen die zowel de oppervlaktekwaliteit verbeteren als de residuele spanningen minimaliseren, is van groot belang voor het verlengen van de levensduur van het werkstuk en het voorkomen van vroegtijdige falen.

Wat is de invloed van elektrische ontlading op het frezen en draaien van titaniumlegeringen?

De combinatie van traditionele verspaningsmethoden met innovatieve technologieën, zoals elektrische ontladingsondersteunde bewerking (EDAM en EDAT), biedt veelbelovende voordelen voor de verwerking van moeilijk te bewerken materialen, zoals Ti–6Al–4V. Dit titaniumlegering wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie vanwege zijn sterkte en corrosiebestendigheid, maar het biedt aanzienlijke uitdagingen tijdens de mechanische bewerking. De rol van elektrische ontlading in deze processen is cruciaal, omdat het de efficiëntie van het bewerkingsproces verbetert door de materialen lokaal te verhitten, waardoor ze makkelijker te bewerken zijn.

In zowel het conventionele frezen als in het gebruik van HF-EDAM (High-Frequency Electrical Discharge Assisted Milling), werd de slijtage van gereedschappen onder verschillende bewerkingsomstandigheden onderzocht. De resultaten tonen aan dat de gereedschapsverslijtage in beide gevallen varieerde, afhankelijk van de duur van de bewerking en de feedsnelheid. In HF-EDAM, waarbij een capaciteit van 100.000 pF werd gebruikt, werd een duidelijk verschil waargenomen in de hardheid van het bewerkte oppervlak in vergelijking met conventioneel frezen. Bij hogere feedsnelheden werd een hogere oppervlaktehardheid bereikt, vooral in conventioneel frezen (CM), als gevolg van het werkharden van Ti–6Al–4V. De EDM-technologie in HF-EDAM verminderde echter de snijkracht en de temperatuur, wat resulteerde in minder werkharding en een minder intensieve mechanische belasting van het materiaal.

Verder werd de plastische vervorming in het subsurface van het bewerkte Ti–6Al–4V onderzocht. In conventioneel frezen was er een aanzienlijke plastische vervorming in de β-granen onder het oppervlak, die een rotatie vertoonden in de richting van de snijbeweging. Dit effect werd vrijwel niet waargenomen bij HF-EDAM, waar de oppervlakte van het materiaal door de EDM-processen werd verzacht, wat leidde tot een kleinere mechanische belasting en een dunnere plastische laag. Dit is een belangrijke bevinding, aangezien de sterkte van het materiaal direct gerelateerd is aan de mate van plastische vervorming die optreedt tijdens de bewerking.

Een ander belangrijk aspect dat werd onderzocht, was de morfologie van de chips die tijdens het bewerkingsproces werden gegenereerd. De chipgrootte bij conventioneel frezen was groter dan bij EDAM, terwijl de chips die door EDM werden geproduceerd gaten vertoonden, die verder geclassificeerd konden worden in Type I (grotere gaten ontstaan door de kraters van de EDM) en Type II (kleinere gaten door buigen en breken tijdens de chipvorming). Deze verschillen in chipvorming hebben niet alleen invloed op de productkwaliteit maar ook op de efficiëntie van het bewerkingsproces. De EDM-geassisteerde bewerking leidde tot kleinere chips en minder plastische vloeiing, wat de kans op braamvorming vermindert.

In het geval van elektrisch ontlading ondersteunde draaitechnologie (EDAT), die het draaien combineert met elektrische ontlading, werd de effectiviteit van het proces verder onderzocht. EDAT biedt voordelen zoals een vermindering van de snijkracht en een betere oppervlaktekwaliteit doordat de plaatselijke verhitting het materiaal verzacht, wat het snijden vergemakkelijkt. Dit leidt tot een lager energieverbruik en een langere levensduur van de gereedschappen. Het gebruik van meerdere elektrische ontladingsbronnen om het materiaal tijdens het draaien meerdere keren te verhitten, verhoogt de efficiëntie van het proces aanzienlijk, vooral bij moeilijk te bewerken materialen zoals nikkellegeringen.

De invloed van snijkrachten in EDAT werd ook onderzocht. Het blijkt dat de snijkrachten in EDAT significant lager zijn dan bij conventioneel draaien, wat resulteert in minder slijtage van de gereedschappen en een betere controle over de bewerkingsparameters. Dit is bijzonder belangrijk bij het draaien van moeilijke materialen, waar een evenwicht tussen de snijkracht en het behoud van de materiaaleigenschappen essentieel is voor het succes van het proces.

Er is echter nog ruimte voor verbetering, vooral in de optimalisatie van de bewerkingsinstellingen van EDAM en EDAT. Bijvoorbeeld, de ontwikkeling van geavanceerdere elektrode- en gereedschapsmaterialen kan helpen bij het verminderen van de negatieve effecten van kratervorming en de opbouw van gereedschapsmateriaal. Het is ook belangrijk om de parameters van de elektrische ontlading te verfijnen om de controle over de oppervlakteveranderingen die optreden tijdens het bewerkingsproces te verbeteren.

Bovendien moeten fabrikanten zich bewust zijn van de interactie tussen verschillende parameters zoals de feedsnelheid, snijdiepte, en de kracht van de elektrische ontlading bij het aanpassen van de bewerkingsomstandigheden. Het creëren van een gedetailleerd procesmodel kan helpen bij het begrijpen van de effecten van deze factoren op het eindresultaat van de bewerking, wat cruciaal is voor het bereiken van de gewenste materiaaleigenschappen en oppervlaktekwaliteit.