In this study, ultransonic vibration cutting system was contructed by installing throw-away-tool tip (KT 350) by screw lock on the bending vibration mode in free-free beam. During the conventional cutting and ultransonic conventional cutting of SM45C, variations of cutting force, roughness and acceleration were measured. The results were compared and analyzed in detail, and it was found that the ultransonic vibration cutting was more effective in reducing cutting force compareed with the conventional cutting .
The direction of the cutting tool plays a critical role in elliptical vibration cutting(EVC) where the cutting tool cuts workpiece in a trochoidal motion. In this study, EVC cutting device was developed using two parallel piezoelectric materials and it was observed that the rotation direction of the tool reverses as the EVC device undergoes resonance at which either flexural(cutting direction) or longitudinal( thrust direction) mode shapes occurs. To analytically explain reversal of the rotation direction, kinematic motion analysis of the tool was modified to incorporate amplification of the vibration amplitude and phase introduced by resonance. It successfully demonstrated, through Matlab simulation, reversal of the rotation direction of the cutting tool as the excitation frequency increases beyond resonance frequencies at which either flexural or longitudinal vibration occurs.
This paper presents 2-dimensional vibration cutting increases dynamic stiffness of tool support and improves the quality of machined surface in micro-machining. 2-dimensional vibration cutting is generated by two piezo actuators arranged orthogonally. A sine-type voltage is input to one actuator and a phase-shifted sine-type voltage is input the other. Then the vibration device actuates the tool in a 2-D elliptical motion with pulsed cutting force. It is a characteristic of 2-D vibration cutting that some negative thrust force occurs as the direction of friction on a tool rake surface is reversed. It helps not only chip flow smoothly and continuously but also cutting force be reduced. The quality of machined surface by 2-D vibration cutting depends on such parameters as vibration amplitude, frequency, cutting speed, depth of cut, etc. Compared to conventional cutting through tool path simulation and experiments under several conditions, the 2-D vibration cutting is verified to bring forth a great decrease of cutting forces, much better surface roughness and moreover much less burr.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology
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제5권5호
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pp.571-581
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2018
In the present study, monitoring of elliptical vibration cutting process by utilizing internal data in the ultrasonic elliptical vibration device without external sensors such as a dynamometer and displacement sensor is investigated. The internal data utilized here is the change of excitation frequency, i.e. resonant frequency of the device, voltages applied to the piezoelectric actuators composing the device, and electric currents flowing through the actuators. These internal data change automatically in the elliptical vibration control system in order to keep a constant elliptical vibration against the change of the cutting process. Correlativity between the process and the internal data is described by using a vibration model of ultrasonic elliptical vibration cutting and verified by several experiments, i.e. planing and mirror surface finishing of hardened die steel carried out with single crystalline diamond tools. As a result, it is proved that it is possible to estimate the elements of elliptical vibration cutting process, e.g. tool wear and machining load, which are important for stable cutting in such precision machining.
In this study, we designed an vibration cutting tool that can achieve improvements such as low cutting force, interrupted chip evacuation and better surface quality of cutting performance to obtain high-quality surface roughness and improvement of tool wear, which is an issue in the machining of high-hardness mold steel. Among the resonance frequency modes of the vibration cutting tool, the bending mode was used to maximize the driving amplitude of the vibration tool tip, and the resonance frequency was confirmed through the finite element method. After measuring the actual resonant frequency of the designed tool using an optical fiber sensor, the cutting force and machining surface of vibration cutting and conventional cutting were compared and analyzed in the turning process of high hardness mold steel (STAVAX). As a result of the experiment, the cutting force was reduced by about 20 % compared to the conventional cutting process, and the surface roughness was also improved by about 60 %. This study suggested that the tool wear and surface quality of high-hardness steel can be improved through the vibration cutting method in the machining of high hardness mold steel.
In order to predict vibration during end-milling process, the cutting dynamics was modelled by using neural network and combined with structural dynamics by considering dynamic cutting states. Specific cutting constants of the cutting dynamics model were obtained by averaging cutting forces and tool diameter, cutting speed, feed, axial depth radial depth were considered as machining factors. Cutting farces by test and by neural network simulation were compared and the vibration during end-milling was simulated.
The cutting mechanism of ultrasonic vibration machining is characterized as two phases, that is, an impact at the cutting edge and a reduction of cutting force due to non-contact interval between tool and workpiece. In this paper, in order to identify cutting dynamics of a system with ultrasonically vibrated cutting tool, an ARMA modeling is performed on experimental cutting force signals which have a dominant effect on cutting dynamics. The aim of this study is, through Dynamic Date System methodology, to find the inherent characteristics of an ultrasonic vibration cutting process by considering natural frequency and damping coefficient. Surface roughness and stability of cutting process under ultrasonic vibration are also considered
Three dimensional cutting is considered as an equivalent orthogonal cutting through the plane containing both the cutting velocity vector and the chip flow velocity vector in dynamic cutting process. An analytical expression of dynamic cutting force is obtained from the cutting parameters determined by the static cutting. Particular attention is paid to the energy supplied to the vibratory system of cutting tool with two degree of freedom. In this approach, the phase lag of the horizontal vibration of the tool behind the vertical vibration and the direction angle of the fluctuating cutting force is considered in point of stability limits. Chatter vibration can be effectively suppressed by relatively increasing the spring constant and the damping coefficient of the cutting system in the vertical cutting force direction. A good agreement is found between the stability limits predicted by theoretical value and experimental results.
This paper discusses the minimum cutting thickness with a continuous chip in sub-micrometer order precision diamond cutting. An ultra precision cutting model is proposed, in which the tool edge radius and the friction coefficient are the principal factors determining the minimum cutting thickness. The experimental results verify the proposed model and provide various supporting evidence. In order to reduce the minimum cutting thickness a vibration cutting method is applied, and the effects are investigated through a series of experiments under the same conditions as conventional cutting method.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제2권3호
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pp.41-46
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2001
This paper discusses the feasibility of improving micro-machining accuracy by using two-dimensional(2-D) vibration cutting. Vibration cutting is generated by two piezo actuators arranged orthogonally : one is actuated by a sine curve voltage input, and the other is actuated by a phase-shifted sine curve voltage. A tool attached to the vibrator oscillates in a 2-D elliptical motion, depending on the frequencies, amplitudes, and the phase shifts of two input signals and the workpiece feedrate. Along the elliptical tool locus, cutting is done in the lower part, and non-cutting is done in the upper part. By this way a unique feature of 2-D vibration cutting, that is, air lubrication between a tool and chips, is caused. Another unique feature of 2-D vibration cutting was experimentally verified, that is, some negative thrust force occurs as the direction of chip movement on a tool rake face is reversed. Those features not only help chips flow smoothly and continuously but also reduce cutting force, which results in a higher quality machined surface. Through tool path simulations and experiments under several micro-machining conditions, the 2-D vibration cutting, compared to conventional cutting, was found to result in a great decrease in the cutting force, a much smoother surface, and much less burr.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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