Strunjire cu Viteze Mari. Scule Diamantate Incercari Accelerate de Fiabilitate
PROIECT DE DIPLOMĂ
STRUNJIRE CU VITEZE MARI. SCULE DIAMANTATE. ÎNCERCĂRI ACCELERATE DE FIABILITATE
INTRODUCERE
Dezvoltarea și evoluția firească a proceselor de prelucrare plecând de la viteze de așchiere de zeci de metri pe minut în anul 1800, până la 100 m/min în anul 1900, o mie de metri pe minut în 1980 sau câteva mii în 1994 au impus implicit și o tendință de studiere continuă a acestor procese sub aspectul elementelor ce concură nemijlocit la realizarea lor, a condițiilor lor de desfășurare, a nivelului regimurilor de lucru. În ultimii ani,creșterea cererilor în domeniul aeronauticii, care utilizează materiale cu proprietăți superioare din punct de vedere mecanic (în special aliaje metalice), a impus o metodă nouă de prelucrare, cunoscută sub numele de "așchiere cu viteză mare" ( HSM ), datorită necesitații de a ameliora condițiile economice și tehnice ale procesului de așchiere.
Majoritatea fenomenelor fizice ale procesului de așchiere se modifică odată cu aplicarea vitezelor mari de strunjire, astfel sunt mai puțin studiate și de aici apare necesitatea de a cerceta teoretic și experimental acest proces cât de mai aproape.
În ultimii ani, au fost făcute eforturi de raționalizare a procesului de strunjire cu viteze mari, aceasta au fost orientate către creșterea productivității și obținerea unor timpi cât mai mici prin modificarea parametrilor regimurilor de așchiere, cum ar fi adâncimea de așchiere (t), avansul de așchiere (s) și viteza principală de așchiere (v), care determină și volumul " V " de material îndepărtat în unitatea de timp, conform relației (1) .
V = t*s*v [mm3/min ] (1)
Posibilitățile de mărire a volumului de material îndepărtat rezultă din extremizarea relației (1) în raport cu calitatea suprafeței, precizia impusă, durabilitatea sculelor, forța de strângere exersată de dispozitivele de fixare de pe mașinile unelte, etc. Sunt utilizate două soluții:
creșterea secțiunii așchiei când viteza este destul de ridicată;
creșterea vitezei de așchiere .
Creșterea secțiunii așchiei conduce la o creștere proporțională a forței de așchiere, ceea ce nu este convenabil mai ales atunci când viteza are valori foarte ridicate.
A doua soluție, respectiv de creștere a vitezei de așchiere, pentru mărirea rentabilității procesului, a fost totdeauna o preocupare constantă a specialiștilor din domeniul prelucrărilor prin așchiere. Creșterea vitezei are o influență inversă, întrucât se reduce nivelul forțelor de așchiere, se ameliorează calitatea suprafețelor prelucrate și se îmbunătățește fragmentarea naturală a așchiilor, etc.
În domeniul studiat, tehnica așchierii cu viteză mare este recunoscută ca una din tehnologiile de prelucrare cheie pentru obținerea unei productivități mărite și a unei precizii înalte de fabricație. Apariția ei, alături de alte metode neconvenționale de prelucrare ca: prelucrarea ultrasonică, prelucrarea cu scânteie electrică, prelucrarea electrochimică sau cu laser, este legată de necesitatea ce a apărut vis-a-vis de cererile tot mai stringente de prelucrare a materialelor cu coeficientul de rezistență / greutate foarte ridicat. Dacă pentru celelalte metode de prelucrare neconvenționale s-au stabilit deja câteva condiții de aplicare, pentru așchierea cu viteze mari concluziile sunt mai puțin concludente. Din acest motiv această tehnologie, sau mai exact așchierea cu viteze mari este în atenția inginerilor și cercetătorilor în ultimii ani. În scopul accelerării cercetărilor în acest domeniu în țările cu mare tradiție industrială ca SUA, fosta URSS, Franța, Germania, Japonia, Italia, Cehia s-au creat asociații de studiu formate din universități grupate cu parteneri industriali , sau chiar s-au elaborat programe naționale pentru a stabili un limbaj comun la acest subiect. Au fost vizate aspectele constructive legate de mașinile unelte pentru prelucrarea cu mare viteză, durabilitatea sculelor și condițiile de desfășurare a acestor procese.
La noi în țara stadiul acestor cercetări se afla incă la început, studiile si lucrările publicate în acest domeniu sunt foarte puține și datează din perioadă apropiată ca timp.
Stadiul atins în ultimii 20 ani pe plan mondial, referitor la o parte dintre aceste aspecte precum și relativ la fizica procesului de așchiere cu viteză mare, constituie baza și motivația acestei lucrări.
CAPITOLUL 1. STADIUL STUDIULUI ACTUAL ÎN DOMENIUL DE PRELUCRARE PRIN STRUNJIRE CU VITEZE MARI
1.1. Definirea noțiunii de viteză mare de așchiere și clasificarea procedeelor de prelucrare
1.1.1. Istoric despre așchierea cu mare viteză
Tehnica modernă solicită prelucrarea cu viteză mare (rapidă) și chiar foarte mare (ultrarapidă) a metalelor, tehnologiile actuale nefiind satisfăcătoare în unele privințe.
Fig.1.1. Diagrama evoluției cercetărilor privind prelucrarea cu viteze mari
Sporirea productivității procesului de așchiere prin mărirea vitezei de la unități și zeci de metri pe minut până la mii de metri pe minut nu este nouă în domeniul prelucrărilor prin așchiere. În pofida faptului, că tehnologia de prelucrare cu mare viteză ( High Speed Machining – HSM ) nu a fost tratată organizat decât după anul 1970 și numai pentru domenii ca cele al aeronauticii, automobilelor sau armatei. În figura 1.1 este o diagramă evoluției în timp a acestei tehnici de prelucrare prin așchiere cu viteze mari, de unde se constată că dezvoltarea proceselor de așchiere cu mare viteză a cunoscut câteva etape istorice în funcție de evoluția cunoștințelor legate de elementele ce sunt implicate în mecanismul de așchiere. Aceste elemente sunt legate de rezultatele înregistrate în construcția mașinilor unelte în ceea ce privește puterea, turația și avansul maxim de care sunt capabile și de performanțele materialelor prelucrate. Fapt care trebuie să ne atragă atenția asupra istoricului studiului abordat.
Primele studii despre așchierea cu mare viteză au fost realizate de Salomon, în 1931, care sublinia pentru prima dată interesul experimental în această direcție, avertizând totodată că mărirea vitezei dă o creștere proporțională a temperaturii și uzurii sculei și că pot apare din aceste motive fenomene secundare în zona de așchiere. Același lucru a fost subliniat și de inginerii sovietici care lucrau în uzinile din Leningrad(St. Petersburg), în anul 1932, iar mai târziu în lucrările lui Saint Chely , Klementev.
Treizeci de ani mai târziu, studiile lui Vaughn ( 1960 ) și Recht ( 1964 ) și apoi ale lui Pomey în 1966, contraziceau parțial rezultatele lui Salomon și introduceau conceptul de așchiere adiabatică. În 1972, Arndt a confirmat concluziile lui Vaughn și Recht indicând că odată cu creșterea vitezei, așchia exercită asupra sculei o forță de inerție proporțională cu viteza la pătrat, ceea ce poate compensa rezistența la tensiunea dinamică de alunecare, sumată cu o plasticitate ridicată. Din 1970, cercetările despre așchierea cu mare viteză capătă o nouă pornire spontană, astfel că în SUA în laboratoarele NASA apăreau noi rezultate, rămase secrete până în 1980. În urmă cu câțiva ani ele au devenit publice, permițând aplicarea lor în industria de mașini unelte.
După 1980 sunt, de asemenea, semnalate cercetări și în alte țări ca Franța, Japonia, Italia, Germania, Cehoslovacia, etc. Astfel în 1980, la expoziția din Chicago, apoi în 1983 la Paris și mai târziu în alte orașe apăreau primele strunguri cu 10.000 rot/min pentru diferite scopuri. În 1986 firma "MACHINO FURAISO" – Japonia fabrică un strung universal cu o mare gamă de turații și avansuri. La sfârșitul anului 1984, în Germania, 18 firme industriale și Școala Superioară din Darmstadt lucrează pentru perfecționarea tehnologiilor HSM în cazul frezării. În decembrie 1988, cu ocazia simpozionului ținut în același oraș, s-a constituit un "cerc de informații", grupând 25 de firme care schimbă rezultatele obținute în acest domeniu.
Constructorul francez Realmeca propune constituirea de centre de fabricație bazate pe așchierea cu mare viteză, de capacități mici și medii, și astfel în 1991, 9 parteneri industriali (grupul PSA Peugeot, Citroen și Renault pentru industria de automobile, Aerospațiale, Dassault-Aviation și SNECMA pentru industria aeronautică, Bisard Machines-outils, Precise-France și Renault Automatisation în calitate de constructori de mașini și arbori principali), patru laboratoare universitare (Școală Centrală din Nantes, Universitatea din Metz și Universitatea din Tulon et du Var și în sfârșit INSA din Lyon) și centrul național francez de studii tehnologice CETIM s-au asociat pentru studierea procedeelor de așchiere cu mare și foarte mare viteză și stabilirea de caiete de sarcini necesare pentru punerea lor în practică. În România primele lucrări relative la aceste aspecte au început să apară după anul 1970.
1.1.2. Definirea noțiunii de „viteză mare”
Gamele vitezelor de așchiere și de avans utilizate la testarea sau așchierea cu scule metalice a câtorva materiale rezultă din clasificările lui Malle din 1989 și Scherer din 1992 și sunt prezentate în figura 1.3
Fig. 1.2. Gamele vitezelor de așchiere și de avans în funcție de materialul prelucrat; a – material prelucrat – viteza principală de așchiere; b – turația n – viteza de avans; c – viteza de avans – viteza principală de așchiere.
Ca definiție a așchierei cu viteze mari poate sa serveasca următoarea:
Așchierea cu viteză mare este o operație de îndepărtare de material cu viteze de așchiere care, pentru un material dat, sunt de două până la cinci ori mai ridicate decât cele convenționale utilizate pentru același material.
Asemenea viteze de așchiere antrenează temperaturi care, în planul de forfecare, sunt suficient de ridicate pentru ca proprietățile mecanice ale materialelor așchiate să fie diminuate, făcând astfel ca unele concluzii cunoscute despre procesul de așchiere să nu mai fie conlcudente. Pentru oțel, de exemplu, rezultă că viteza mare de așchiere, în momentul actual, înseamnă viteze din intervalul 250 – 2000 m/min și avansuri cuprinse între 1,5 și 6 mm. Studiile consacrate fenomenelor care însoțesc procesul de așchiere în acest domeniu de viteze sunt adesea insuficiente sau contradictorii, nepermițând tragerea unor concluzii unanim acceptate și cu aplicabilitate generală în proiectarea constructivă și tehnologică. Astăzi este unanim acceptat că procesele de așchiere în general, dar mai ales cele cu viteze mari, sunt influențate de temperatura și frecarea din zona de așchiere și că pentru o mai bună înțelegere a acestor aspecte trebuie studiată fizica acestui proces.
În acest gen de preocupări se încadrează și prezenta lucrare.
1.1.3. Progresul așchierii cu viteză mare
Creșterea productivității prin creșterea vitezei a fost impusă de progresele teoriei așchierii și de cele din domenii aflate în relație directă cu procesul de așchiere. În consecință viteza mare a fost impusă prin:
– apariția comenzii electronice, totdeauna mai perfecționată și mai puțin scumpă decât comanda tradițională;
– apariția mașinilor cu comandă numerică de mare flexibilitate tehnologică și ideală pentru fabricarea seriilor mici și medii de piese;
– necesitatea rentabilizării producției;
– necesitatea unor timpi de fabricație reduși;
– nevoia unei calități superioare pentru suprafețele prelucrate;
– nevoia micșorării stocurilor de piese;
– nevoia reducerii timpului de stocare a mijloacelor circulante pe perioada cât are loc fabricația.
1.1.4. Aplicarea tehnologiei pe scară industrială
Principalele motive invocate pentru a dezvolta acest domeniu sunt: frica utilizatorilor (legată de securitatea procesului) și lipsa datelor tehnico-economice. Două ramuri cheie, (proiectarea și construcția de mașini-unelte) nu sunt suficient de pregătite pentru realizarea echipamentului necesar acestor scopuri, care să corespundă așchierii cu viteze mari.
În sfârșit, nu trebuie scăpată din vedere și ignoranța manifestată o perioadă de timp la studierea acestei tehnologii și protecția rezultatelor obținute care n-a ușurat întotdeauna dialogul dintre cercetare și industrie.
Astăzi, există încă puține informații despre echipamentele specifice ale mașinilor pentru așchierea cu viteză mare (legat de supravegherea procesului, de proces în sine, evacuarea așchiei, protecție, etc.), despre utilizarea lor (scule așchietoare, port-scule), despre parametrii de utilizare și despre influența așchierii cu viteză mare asupra gamei de fabricație și asupra calității suprafețelor realizate.
Cercetările efectuate până în prezent asupra câtorva procedee de prelucrare rapidă (strunjire, frezare, rectificare) au dus la concluzia că până în momentul de față utilizatorii potențiali rămân în continuare sceptici la experimentarea acestei tehnologii, ea fiind posibilă numai pe standuri și dispozitive de încercare a forței de așchiere.
În ultimul timp, apare frecvent necesitatea optimizării procesului de așchiere, în raport cu valorile minime ale forțelor de așchiere. Acest lucru avantajează solicitarea mecano-termică a sistemelor tehnologice, consumul de energie și scule așchietoare, iar la mașinile unelte de turație mare, favorizează introducerea sistemelor adaptive de comandă în funcție de forță. Realizarea acestor deziderate este posibilă prin cunoașterea structurii rezistențelor și forțelor de așchiere, modul de realizare și dependența lor de materialele ce vin în contact, regimul de lucru, geometria sculei și mediul de așchiere.
1.2. Forța de așchiere
Forța necesară pentru detașarea așchiei trebuie cunoscută atât pentru proiectarea
mașinii-unelte, a dispozitivelor și sculelor așchietoare cât și pentru stabilirea unor valori limită
ale mărimii acesteia, în funcție de rezistența sau, de cele mai multe ori, de rigiditatea semifabricatului prelucrat. În procesul de așchiere, starea de tensiuni este complexă; totuși, practica a demonstrat că deformările cele mai mari se datoresc, în primul rând, compresiunii
care are loc în stratul așchiat. Teoretic, se poate determina mărimea forței de așchiere considerând stratul așchiat ca o epruvetă supusă la compresiune, figura 1.3. În aceste condiții, tensiunile unitare normale ce apar în epruvetă se supun legii politropice a comprimării plastice:
σ0* = σn * ln (2)
Figura 1.3 Epruvetă comprimată
σ este tensiunea unitară care apare în epruvetă datorită forței de apăsare P;
σ0 – limita convențională de curgere;
l0 – lungimea inițială a epruvetei supusă la deformare;
l – lungimea epruvetei deformate sub acțiunea forței P;
n – constanta care depinde de material și de forma epruvetei deformate.
Forța de așchiere are o mărime și direcție de acțiune ce depind de: calitatea materialului prelucrat, mărimea elementelor regimului de așchiere, parametrii geometrici ai sculei așchietoare, lichidele de răcire-ungere.
Forța de așchiere, din considerente de ordin practic, se consideră prin componentele ei: -pe direcția mișcării principale, Fz:
-pe direcția mișcării de avans, Fx;
-radială față de semifabricat, Fy, figuraFig. 1.4.
Forța rezultantă R are valoare:
R= (3)
Fig1.4 Componentele forței de așchiere
1.3.Factorii care influențează mărimea forței de așchiere
Regimul de așchiere
Rezultatele cercetărilor experimentale confirmă valabilitatea relației (4), stabilind
dependența dintre mărimea componentelor forței de așchiere și elementele regimului de așchiere în forma:
Unde, CFx și YF sunt mărimi care se determină experimental pentru anumite condiții de lucru.
Parametrii geometrici ai sculei
Fig.1.5. Influența vitezei
Mărimea unghiului de degajare, conducând la micșorarea coeficientului de comprimare plastică a așchiei va conduce implicit la micșorarea forțelor de așchiere, figura 1.6. Unghiul de atac, influențând mărirea sau micșorarea grosimii așchiei, odată cu creșterea sa va conduce la micșorarea forței de așchiere. O mare influență o are mărimea unghiului de atac în stabilirea raportului între mărimile componentelor Fx și R, ale forței de așchiere:
; (5)
; (6)
unde Fxy este componenta forței de așchiere normală pe muchia principală de așchiere a sculei.
Materialul prelucrat și materialul sculei, lichidele de răcire-ungere.
Lichidele de răcire-ungere. Micșorând coeficientul de frecare pe fața de degajare, totodată contribuind la formarea unei zone de “predistrugere” în fața tăișului sculei, lichidele de răcire-ungere pot contribui la reducerea mărimii forțelor de așchiere, mai ales în domeniul grosimilor mici de așchiere.
Fig. 1.6. Influența parametrilor geometrici
1.4. Motivații ale așchierii cu viteză mare
Creșterea productivității prin creșterea vitezei a fost impusă de progresele teoriei așchierii și de cele din domenii aflate în relație directă cu procesul de așchiere. În consecință viteza mare a fost impusă prin:
apariția comenzii electronice, totdeauna mai perfecționată și mai puțin scumpă decât comanda tradițională;
apariția mașinilor cu comandă numerică de mare flexibilitate tehnologică și ideală pentru fabricarea seriilor mici și medii de piese;
necesitatea rentabilizării producției;
necesitatea unor timpi de fabricație reduși;
nevoia unei calități superioare pentru suprafețele prelucrate;
nevoia micșorării stocurilor de piese;
nevoia reducerii timpului de stocare a mijloacelor circulante pe perioada cât are loc fabricația.
1.5. Aplicarea tehnologiei pe scară industrială
Principalele motive invocate pentru a da răspuns la această întrebare sunt: frica utilizatorilor (legată de securitatea procesului) și lipsa datelor tehnico-economice. Două ramuri cheie, (proiectarea și construcția de mașini-unelte) nu sunt suficient de pregătite pentru realizarea echipamentului necesar acestor scopuri, care să corespundă așchierii cu viteze mari.
În sfârșit nu trebuie scăpată din vedere ignoranța manifestată o bună bucată de timp relativ la studierea acestei tehnologii și protecția rezultatelor obținute care n-a ușurat întotdeauna dialogul dintre cercetare și industrie.
Așa se face că, în momentul actual, există încă puține informații despre echipamentele specifice ale mașinilor pentru așchierea cu viteză mare (legat de supravegherea procesului, de proces în sine, evacuarea așchiei, protecție, etc.), despre utilizarea lor (scule așchietoare, port-scule), despre parametrii de utilizare și despre influența așchierii cu viteză mare asupra gamei de fabricație și asupra calității suprafețelor realizate.
Cercetările efectuate până în prezent asupra câtorva procedee de prelucrare rapidă (strunjire, frezare, rectificare) au dus la concluzia că până în momentul de față utilizatorii potențiali rămân în continuare sceptici la experimentarea acestei tehnologii, ea fiind posibilă numai pe standuri și dispozitive de încercare a forței de așchiere.
În ultimul timp apare frecvent necesitatea optimizării procesului de așchiere în raport cu valorile minime ale forțelor de așchiere. Acest lucru avantajează solicitarea mecano-termică a sistemelor tehnologice, consumul de energie și scule așchietoare, iar la mașinile unelte de turație mare, favorizează introducerea sistemelor adaptive de comandă în funcție de forță. Realizarea acestor deziderate este posibilă prin cunoașterea structurii rezistențelor și forțelor de așchiere, modul de realizare și dependența lor de materialele ce vin în contact, regimul de lucru, geometria sculei și mediul de așchiere.
CAPITOLUL 2. FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ PROCESUL DE AȘCHIERE. PROCESUL DE AȘCHIERE, COMPONENTĂ A SISTEMULUI TEHNOLOGIC DE GENERARE A SUPRAFEȚELOR PRIN AȘCHIERE.
2.1. Sistemul tehnologic
Sistemul reprezintă o reuniune ordonată de elemente în interacțiune care permite realizarea unui obiectiv definit în prealabil prin intermediul unui plan. Această definiție încorporează trei elemente esențiale:
un SCOP (un obiectiv) care motivează conceperea sistemului;
o anumită ORGANIZARE (ordonare) bine definită a elementelor sale;
un flux asigurat de ENERGIE, MATERIALE, INFORMAȚII.
Înțelegerea noțiunii de sistem se bazează pe următoarele elemente caracteristice:
conexiunea elementelor interne ale sistemului este mai puternică decât legăturile sistemului cu mediul;
orice sistem, indiferent de complexitatea sa, este un subsistem al unui sistem mai cuprinzător;
unitatea și complexitatea unui sistem presupune o anumită ordine în așezarea și funcționarea elementelor sale;
orice sistem este caracterizat printr-o anumită structură privită ca reuniune a tuturor subsistemelor componente până la cele mai mici elemente;
orice subsistem poate avea o multitudine de bucle de reacție care se închid pe anumite porțiuni din sistem sau chiar la nivelul întregului sistem;
Buna funcționare a unui sistem, indiferent de tipul lui, nu poate fi concepută fără a avea informații despre starea lui și a ne convinge că se încadrează în anumiți "parametri" sau "indicatori".
Structura sistemului tehnologic ce se utilizează la așchiere este arătată în
fig.x, unde:
ST – sistemul tehnologic;
MU – subsistemul “mașină-unealtă”;
D – subsistemul “dispozitiv”;
SF – subsistemul “semifabricat”;
S – subsistemul “sculă așchietoare”;
PA – procesul de așchiere;
Se poate face observația că legătura dintre sculă și semifabricat este făcută de "procesul de așchiere" care, este o legătură elastică.
Fig. 2. Structura sistemului tehnologic
Totodată se poate constata că legătura dintre mașina-unealtă și dispozitiv este rigidă ca și legătura dintre dispozitiv și semifabricat (piesă) precum și legătura dintre mașina-unealtă și sculă.
De modul cum se desfășoară procesul de așchiere precum și de caracteristicile sistemului tehnologic depinde calitatea piesei obținute. Sistemul tehnologic de prelucrare prin așchiere s-a dezvoltat continuu ajungându-se astăzi la sisteme tehnologice automate ce intră în componența sistemelor flexibile de prelucrare prin așchiere (SFPA).
Cercetările la ora actuală sunt îndreptate spre direcția obținerii pieselor în tehnica "zero defecte" dezvoltându-se în acest sens, ca o condiție necesară, sistemul de supraveghere, control și diagnoză (Computer Aided Quality – CAQ). Sistemul tehnologic de prelucrare prin așchiere capătă aspecte particulare în funcție de modul concret de generare a suprafeței dorite.
Cele arătate mai înainte indică faptul că problematica procesului de așchiere, datorită complexității sale, trebuie tratată sistemic.
2.2. Legile obiective ale desfășurării procesului de așchiere
Desfășurarea procesului de așchiere are loc numai dacă sunt îndeplinite legi obiective, structurate sistematic, deci pe mai multe nivele.
Primul nivel, constă în existența unui system tehnologic (ST) de prelucrare prin așchiere cu rol determinant în a realiza mișcarea relativă între sculă (S) și semifabricat (SF).
Al doilea nivel constă în existența componentelor sistemului tehnologic, care sunt:
semifabricatul (SF);
scula așchietoare (S);
mașina-unealtă (MU) cu rolul de a furniza energia necesară desfășurării
mișcării relative între sculă și semifabricat;
dispozitivul de prindere (D) al semifabricatului.
Procesul de așchiere se desfășoară într-un anumit mediu de așchiere, mediu ce poate fi, de regulă, lichid sau gaz.
Fiecare din elementele prezentate anterior trebuie să îndeplinească anumite
cerințe sau condiții.
2.3. Cerințe obiective pentru scula așchietoare
Prima cerință obiectivă pentru scula așchietoare (pentru tăișul sculei așchietoare) este ca duritatea ei să fie cel puțin cu câteva unități HRC mai mare decât a semifabricatului.
A doua cerință obiectivă constă în existența penei de așchiere în mișcare, ceea ce conduce la existența unui tăiș așchietor și a unui unghi de așezare funcțional având valori pozitive, deci, implicit a unui unghi de așezare constructiv și de poziție mai mare ca zero (pozitiv).
A treia cerință obiectivă este ca partea activă a sculei așchietoare să aibă o anumită geometrie în raport cu trei sisteme de referință: constructiv, de poziție și funcțional, această cerință rezultând din a doua.
2.4. Cerințe pentru mașina-unealtă
Mașina-unealtă constituie suportul prelucrării și trebuie să îndeplinească următoarele cerințe de bază:
să realizeze toate mișcările necesare așchierii;
să permită modificarea mișcărilor necesare într-o gamă largă;
să aibă puterea necesară desfășurării procesului de așchiere;
să permită prinderea rapidă, ușoară și sigură a semifabricatului dacă are dispozitivul de prelucrare încorporat;
să permită prinderea ușoară și sigură a dispozitivului de prelucrare încorporat;
să permită prinderea ușoară, rapidă și sigură a sculei așchietoare;
să permită efectuarea rapidă a tuturor mișcărilor de reglaj;
să aibă rigiditate cât mai mare pentru desfășurarea în condiții normale a procesului de așchiere.
Pe lângă aceste cerințe de bază în ultimul timp au apărut și altele menite să transforme mașina-unealtă într-un sistem automat, și chiar autonom, ce se poate integra într-un sistem flexibil de fabricație.
Câteva din aceste cerințe sunt:
manipularea automată a semifabricatelor și controlul acestora;
manipularea automată cu scule așchietoare și diagnoza acestora;
monitorizarea, diagnoza și chiar prognoza procesului de așchiere;
monitorizarea și diagnoza mașinii-unelte precum și a dispozitivului de prindere a semifabricatului;
monitorizarea și diagnoza piesei prelucrate, etc.
2.5. Fenomenul termic în procesul de așchiere
Din numeroasele cercetări experimentale efectuate până în prezent rezultă că lucrul mecanic de așchiere se transformă aproape integral în căldură. Doar o mică parte din acesta (0,5..1%) rămâne înmagazinat sub formă de tensiuni, atât în așchii cât și în stratul superficial de la nivelul suprafeței generate.
Factorii care influențează temperatura medie a tăișului așchietor sunt: regimul de așchiere, geometria sculei așchietoare, materialul piesei, materialul sculei așchietoare, fluidele de așchiere.
2.6. Factorii care influențează uzura sculei așchietoare
Factorii care influențează uzura sculei așchietoare sunt: regimul de așchiere, geometria sculei așchietoare, materialul piesei, materialul tăișului așchietor, lichidele de așchiere, vibrațiile ce apar în procesul de așchiere.
Influența regimul de așchiere asupra uzurii se face prin componentele sale, viteza, avansul, și adâncimea de așchiere.
Creșterea avansului sculei conduce la intensificarea uzării datorită creșterii forțelor de așchiere și a temperaturii de așchiere, dar influența este mai mică decât a vitezei de așchiere. Adâncimea de așchiere are influența cea mai mică asupra uzurii chiar dacă cresc forțele de așchiere, însă, temperature medie crește foarte puțin.
Materialul piesei influențează uzura prin proprietățile sale fizico-chimicomecanice (rezistență, duritate, compoziție, etc.), prin rugozitate sau neomogenitatea sa, prin existența sau nu a incluziunilor, prin cuplul electric care îl face cu scula așchietoare.
Materialul tăișului așchietor influențează uzura prin calitățile sale așchietoare, prin rugozitatea și forma fețelor active, prin rezistență sau nu la șocuri, etc.
Influența geometriei sculei asupra uzurii, se constată faptul că ea este identică cu influența geometriei sculei asupra temperaturii medii din zona de așchiere dat fiind strânsa legătură dintre cele două fenomene.
Rigiditatea sistemului tehnologic elastic contribuie la micșorarea intensității uzurii prin reducerea vibrațiilor și deci a oboseli tăișului.
Lichidele de așchiere micșorează intensitatea uzării datorită reducerii forțelor și a temperaturii de așchiere.
2.7. Durabilitatea sculei așcheietoare
Prin definiție, durabilitatea sculei așchietoare reprezintă timpul de așchiere efectivă până la apariția uzurii admisibile “VBBadm”. Legătura dintre uzură și durabilitate fiind de tipul "în oglindă" rezultă că toți factorii care conduc la creșterea intensității uzării duc la scăderea durabilității și invers.
Unele cercetări experimentale , au arătat că o creștere cu 50% a avansului de așchiere reduce durabilitatea sculei cu 60%, iar o reducere cu 33% a avansului de așchiere duce la creșterea cu 140% a durabilității. Pentru scule din oțel rapid o creștere cu 50% a vitezei de așchiere reduce cu 75% durabilitatea, iar o reducere cu 33% a vitezei de așchiere conduce la o creștere cu 260% a durabilității.
Variația combinată a vitezei de așchiere și a avansului în sensul creșterii avansului cu 50% și reducerea vitezei cu 33% mărește durabilitatea cu 55%, iar dublarea avansului și reducerea la jumătate a vitezei, mărește durabilitatea cu 115%.
Factorii care influențează durabilitatea sunt aceiași cu cei care influențează uzura.
2.8. Lichidele de așchiere
2.8.1. Cerințele pentru lichidele de așchiere
Pentru a putea fi folosite cu succes în procesul de așchiere lichidele de așchiere trebuie să îndeplinească cinci cerințe de bază:
capacitate de răcire ridicată;
capacitate de spălare cât mai mare;
capacitate de ungere (lubrifiere);
efect de așchiere;
protecție anticorozivă.
Pe lângă aceste cerințe de bază lichidele de așchiere trebuie să îndeplinească și următoarele condiții :
fluiditate constantă;
durabilitate mare (să nu se altereze repede);
să fie neinflamabile;
să nu fie toxice;
să nu dea boli de piele (imunitate fiziologică);
să nu spumeze sau să fumege;
2.8.2. Alegerea fluidelor de așchiere
Alegerea fluidelor de așchiere este în funcție de procedeul de prelucrare, de felul prelucrării (degroșare, finisare), de materialul de prelucrat, de regimul de așchiere, de forma așchiilor dorită, de rugozitatea suprafeței prelucrate, etc.
Astfel, în tabelul 2.8.2 sunt condensate cerințe pentru lichide de așchiere la diverse procedee de prelucrare. Se constată că aceste cerințe sunt diferite de la procedeu la procedeu dar pot fi identificate și elemente comune. Spre exemplu, la prelucrarea pe mașini-unelte automate se folosesc uleiuri minerale cu vâscozitate relativ mică și uleiuri de așchiere (uleiuri sulfonate), tot cu vâscozitate mică (E50<3,6).
Mediul în care se desfășoară procesul de așchiere are o acțiune multilateral fizico-chimică asupra desfășurării procesului de așchiere și anume,având două tipuri de efecte asupra așchierii– unele benefice cum sunt:
rol de răcire (mediul de așchiere evacuează o parte din căldura produsă și deci contribuie la răcirea sculei, semifabricatului și întregului sistem);
rol de ungere (mediul de așchiere reduce forțele de frecare exterioaredintre așchie și suprafața de degajare– contribuind la micșorarea uzurii sculei și dintre fața de așezare a sculei și suprafața așchiată asemifabricatului –influențând asupra descreșterii uzurii sculei și îmbunătățirea netezimii suprafeței prelucrate);
efect de așchiere (reducerea durității materialului prelucrat prin absorbția la suprafața metalului a componentelor capilar – active existente în mediul de așchiere);
împiedicarea depunerilor pe tăiș (ceea ce influențează asupra rugozității, vibrațiilor deci și a ecruisării suprafțelor prelucrate, precum și asupra uzurii sculei);
protejarea suprafeței prelucrate, a mașinii-unelte dispozitivului împotriva coroziunii;
spălarea, respective, îndepărtarea așchiilor (de exemplu, la prelucrarea găurilor adânci, rectificare), precum și unele efecte dăunătoare (adverse) cum sunt: efectele psihologice neplăcute ca: degajarea de mirosuri neplăcute,fumuri toxice sau vapori toxici.
Tabel 2.8.2. Cerințe pentru lichide de așchiere la diverse procedee de prelucrare
CAPITOLUL 3. SCULE DIAMANTATE
Utilizarea diamantului natural ca sculă de prelucrare este cunoscută încă din antichitate. Egiptenii au preluat din India prelucrarea cu diamant (dislocarea, tăierea și șlefuirea) a diferitelor tipuri de roci. Pe măsură ce proprietățile diamantului au fost studiate, se înregistrează încă din secolul al XV-lea alte utilizări ale acestuia în diferite prelucrări mecanice. Cu trecerea timpului, diamantul se impune tot mai mult ca material de armare a sculelor prelucrătoare, cerințele devenind tot mai mari. Trecîndu-se la realizarea prin sinteză a diamantelor s-a făcut un uriaș pas înainte. Aceasta a permis o extindere explozivă a domeniilor, aria de aplicabilitate a sculelor cu diamante crescînd continuu. În ultimii 70 de ani aproape toate ramurile industriale au devenit consumatoare potențiale. Statisticile moderne apreciază gradul de dezvoltare indutrială a unei țări funcție de raportul dintre cantitatea de oțel prelucrat și de diamantele consumate anual.
Progresele metalurgiei feroaselor și neferoaselor au impus tot mai mult utilizarea diamantului. Perfecționarea sculelor cu diamant au permis realizarea de noi materiale de utilitate industrială și extinderea aplicabilității materialelor neferoase și a polimerilor de sinteză care au putut fi prelucrate cu diamant. Este evident că aceste tehnologii noi au implicat un progres deosebit și în domeniul construcției de mașini-unelte. Avînd la dispoziție scule cu proprietăți de excepție, în ceea ce privește durabilitatea și capacitatea de prelucrare, au fost realizate generații noi de mașini, cu performanțe foarte ridicate, asigurînd precizii mari și regimuri de lucru intensive. În prezent, sculele cu diamante au devenit de neînlocuit și în dotarea mașinilor cu CN (comandă numerică) și a centrelor și agregatelor de prelucrare.
Sculele cu diamant se pot clasifica în:
scule cu diamante pentru prelucrări neabrazive;
scule cu diamante pentru prelucrări abrazive.
Din prima categorie fac parte sculele pentru așchiere, îndreptare, profilare a discurilor abrazive, trefilare, netezire, tăiere a sticlei, precum și vîrfurile de la aparatele pentru măsurarea durității. Cea de a doua categorie cuprinde sculele pentru ascuțire, rectificare, honuire, găurire, debitare, șlefuire și super-finisare-lepuire.
3.1.Scule cu diamant pentru prelucrări prin așchiere.
Proprietățile diamantului natural l-au recomandat ca material pentru armarea sculelor așchietoare dar, în același timp, i-au determinat și limitele de aplicalilitate. Acestea rezidă în principal în rezistența scăzută a granulelor de diamant la temperaturi relativ ridicate. Imputând forțe mari pentru prelevarea așchiilor, prelucrările de acest tip generează în zona de lucru temperaturi ridicate ce conduc la depreciere prin oxidare și grafitizare a diamantului. Desprinderea așchiilor din masa de metal în timpul prelucrării implică un cumul de fenomene tribologice, respectiv, frecarea elementului de așchie pe fața de degajare a seulei, frecarea feței de așezare pe metalul așchiat, frecarea dementelor din așchii desprinse între ele, acestea fiind numai cîteva dintre sursele de căldură în zona de lucru. Datorită reacțiilor chimice stimulate de frecare, sculele diamantate se utilizează la prelucrarea materialelor feroase, cînd are loc tocirea rapidă a muchiilor așchietoare și ridicarea temperaturii de lucru.
Regimul termic este mult mai redus la prelucrarea metalelor neferoase, datorită bunei prelucrabilitați a acestora respectiv — durității lor mai scăzute și inerției chimice față de diamant. Așchierea acestor materiale se execută în condiții deosebit de favorabile cu scule cu diamant, în mod deosebit prelucrările de finisare, caracterizate prin avansuri și adîncimi de prelucrare relativ mici.
Sculele așchietoare cu diamant sînt de tipul „cuțit de strunjit" fiind compuse dintr-un suport și o parte activă . (fig. 3.1)
Suportul este metalic, de forma unei bare cilindrice sau paralelipipedice. Partea activă este un cristal de diamant șlefuit. Geometria de așchiere a cuțitelor cu diamant nu diferă, principial, de cea a cuțitelor din materiale convenționale sau armate cu materiale dure. Se regăsesc principalele caracteristici geometrice, respectiv unghiuri: de așezare și degajare (principale și secundare), de atac, de înclinare etc., cît și raza la vîrf.
Partea activă se fixează pe suport prin prindere mecanică, lipire cu adezivi organici sau cu aliaje metalice (brazare). Se utilizează cristale cu mărimi variind între 0,3—1 ct și funcție de necesități chiar și mai mari, atunci cînd lungimea tăișului o impune. Pentru scule așchietoare se folosesc cristale dodecaedrice și octaedrice.
Fig. 3.1
Se impune utilizarea de cristale de bună calitate, fără defecte. O importanță deosebită se acordă orientării în vederea șlefuirii, care trebuie să asigure: o uzură de lucru pe direcția de rezistență maximă a cristalului; divergența sensului efortului principal de așchiere cu direcția planurilor de clivaj.
Tehnologia de realizare a cuțitelor cu partea activă din diamant cuprinde aceleași operații ca și aceea de execuție a cuțitelor convenționale. Diferența există numai în modul de alegere și fixare a diamantului în suport:
alegerea tipului de cristal de diamant
orientarea și trasarea cristalului;
fixarea cristalului în matricea metalică;
prelucrarea de degroșare a geometriei de așchiere;
fixarea matricei în suportul cuțitului ;
superfinisarea geometriei așchietoare;
controlul părții active a cuțitului.
Așchierea cu cuțite cu diamant este eficientă în condițiile utilizării acestora pe mașini-unelte adecvate și cu regimuri de lucru optime.
Principalele condiții pe care trebuie să le îndeplinească mașinile-unelte sunt: echilibrarea perfectă a subansamblelor în mișcare; rigiditatea ridicată; nivelul vibrațiilor foarte scăzut; avansuri progresive, fără șocuri; asigurarea unei game de viteze ridicate, cu schimbarea continuă a turațiilor.
Mașinile din generația nouă sunt proiectate în acest sens, fiind foarte rigide, cu motoarele electrice în afara batiului, transmisii prin curele, dotate cu variatoare de turații electronice, prevăzute cu elemente elastice pentru fundații etc.
Cît privește parametrii regimului de așchiere, în tabelul 2.3 sînt prezentate cîteva valori orientative ale acestora.
Parametrii de lucru se aleg pe bază experimentală, funcție de condițiile impuse prelucrării și de natura materialului prelucrat. În mod normal, se recomandă utilizarea unor viteze cît mai ridicate, avansuri mici și adîncimi de așchiere corespunzătoare operațiilor de finisare și superfinisare.
Corelarea parametrilor regimului de lucru are repercusiuni directe asupra rezultatelor așchierii, în special asupra microgeometriei suprafeței prelucrate. Aceasta poate fi afectată de mărimea secțiunii de așchiere, mărimea forțelor, regimul termic și, evident, de modificarea geometriei de așchiere prin uzură. Pe bază de încercări și experimente au fost delimitate principalele domenii de aplicabilitate unde, cuțitele cu diamant se dovedesc a fi superioare tuturor celorlalte tipuri de scule așcheietoare convenționale sau din materiale dure.
În ultimul timp, datorită prețului ridicat și a greutăților legate de aprovizionarea cu diamante naturale s-a extins fabricația cuțitelor cu plăcuțe din policristale de diamante sintetice (PDS), Acestea au și avantajul izotropiei proprietăților fizico-mecanice, ceea ce facilitează prelucrarea lor. În consecință, operațiile tehnologice de fabricație ale unui cuțit cu PDS sunt similare celor necesare fabricării unui cuțit cu diamant natural, cu excepția primelor două operații. Un domeniu de utilizare eficientă îl constituie strunjirea de finisare a pistoanelor din aliaje de aluminiu pentru motoarele termice. Se pot prelucra repere cu diametrul între 30 și 60 mm și lungimi de 200—300 mm. Cu ajutorul cuțitelor cu diamant se pot executa strunjiri exterioare și interioare ale pistoanelor obținîndu-se precizii dimensionale sub 0,01 mm și rugozități Ra = 0,4 … 0,6 μm. Durabilitatea cuțitelor este foarte mare, ceea ce permite prelucrarea a cîteva zeci de mii de piese cu un cuțit.
În cazul alezării pistoanelor, precizia este mult. mai ridicată, 0,003 … 0,008 mm, iar durabilitatea este mult mai mare, circă 100 000 piese.
Superioritatea cuțitelor cu diamant este demonstrată și în cazul prelucrării colectoarelor din cupru pentru motoarele electrice. Strunjirea acestora cu cuțit din oțel rapid prezintă o serie de inconveniente legate de regimul de termic ridicat in zona de lucru, obținundu-se rugozități ridicate și grad în zona terminală. Prelucrarea cu diamant a eliminat aceste inconveniente și a permis utilizarea izolatorilor din rășini sintetice. Funcție de forma și dimensiunile colectoarelor au fost adoptate tipuri speciale de cuțite.
Cu ajutorul cuțitelor cu diamant se prelucreaza prin strunjire și valțurile di Cu pentru industria tipografică. Se asigură condițiile de precizie dimensională și de formă și, mai ales, calitatea de suprafața cerută ( Ra < 0,1 μm), fiind eliminate prelucrările de finisare ulterioare.
Un larg domeniu de aplicabilitate îl au cuțitele cu diamant în industria optică. Utilizate la prelucrarea unei game foarte variate de repere pentru microscoape, telescoape, aparate foto și de filmat, acestea au permis datorită durabilității lor ridicate, organizarea de linii tehnologice și de prelucrare cu mașini semiautomate și automate. După industria optică , alt domeniu vast de aplicabilitate a cuțitelor cu diamant este industria de orologerie. Montate pe mașini specializate, sculele cu diamante acoperă o gamă variată de prelucrări.
Amintind și larga utilizare a cuțitelor cu diamant la confecționarea bijuteriilor și a pieselor din metale rare in industria electronică si în industria aerospațială, menționez că nu au fost trecute in revistă decît principalele aplicații, cercetările în domeniu continuînd sa releve noi și noi posibilități.
3.1.1. Scule cu diamant pentru prelucrari de superfinisare si netezire.
Tehnica acutală impune realizarea de subansamble, care, în afară de precizii geometrice și de formă ridicate, trebuie să asigure și o foarte bună calitate a suprafețelor prelucrate. S-a constat că, rperele prelucrate care au o microgeometrie regulată, o rugozitate scăzută și un grad ridicat de ecruisare superficială, sunt mult mai fiabile. Realizarea acestor condiții impuse duc la perfecționarea tehnologiilor de fabricație, fiind puse la punct diferite procedee de finisare și superfinisare, unul din cele mai moderne fiind cel de superfinisare prin netezire. Netezirea se face prin deformarea plastică la rece a stratului superficial, cu o sculă diamantată care alunecă pe suprafața prelucrată sau lovește această suprafață (vibronetezirea).
Netezirea cu scule cu diamant conferă numeroase avantaje. Suprafața netezită este rezistentă la toate felurile de uzură. Aplicată la repere ce trebuie sa prezinte o rezistență ridicată la oboseală, netezirea a permis rezultate spectaculoase. Netezirea cu fixare elastică este mai comodă și permite utilizarea îndelungată a sculei respective datorită uzurii reduse.
3.1.2. Scule cu diamant pentru trefilare.
Inclusă în categoria operațiilor tehnologice de prelucrare a metalelor prin deformare plastică, trefilarea realizează micșorarea secțiunii transversale a materialului prin alungirea acestuia. Trefilarea este procedeul utilizat la fabricația sîrmelor. Scula cu care se realizează trefilarea este filiera.
3.1.3. Scule cu diamante pentru îndepărtarea și profilarea corpurilor abrazive convenționale.
Perfecționările constructive aduse corpurilor abrazive convenționale (pietrele de rectificat), respectiv utilizarea de abrazivi și lianți cu duritate tot mai ridicată, au impus utilizarea diamantului la confecționarea sculelor de îndreptat și profilat.
Aceste operații sunt indispensabile în tehnica rectificării pentru:
curățirea suprafeței corpului abraziv de așchiile metalice în masa de liant, care produc „îmbîcsirea" acestuia;
îndepărtarea granulelor de abraziv tocite și neelimi- nate din masa de liant în timpul așchierii și care are drept efect ascuțirea corpului abraziv;
generarea și refacerea profilului așchietor al corpului abraziv.
Operația de șlefuire este costisitoare, sculele de acest tip fiind scumpe. În schimb ele asigură o precizie ridicată. Profilarea se realizează cu dispozitive de tip pantograf, prin copiere după șablon. Există construcții de scule normalizate, cu geometrie activă precis determinată, aplicabile la mașini de rectificat specializate, cum ar fi: Newalt, Lampson-Jones, Fortuna, Lindner; EJohni etc. O categorie aparte de sculă șlefuită, o constituie cea utilizată la mașini de tip Reishauer la profilarea corpurilor abrazive pentru rectificarea roților dințate.
Aceste scule se realizează cu cristale tăiate din dodecaedre alungite la care se șlefuiesc fețe plane. Durabilitatea în exploatare a acestor scule este condiționată de modul de utilizare și de posibilitatea reșlefuirii cristalului.
Indiferent de aceasta, ele sunt scule foarte scumpe, tendința fiind de a se înlocui cu scule mai ieftine cu partea activă din policristale sintetice de diamant.
3.2. Scule pentru prelucrări cu materiale abrazive
Prelucrările prin abraziune constituie domeniul de utilizare a sculelor cu diamant avînd ponderea cea mai mare în construcția de mașinii. Acoperind o gama foarte variată de procedee tehnologice, prelucrările abrazive cu scule diamántate se aseamănă cu prelucrările la care se utilizează scule cu abrazivi convenționali. Sub aspect microscopic prelevarea materialului prin abraziune se poate asemăna cu cea executată cu o sculă multi-tăiș. Sculele pentru prelucrări abrazive au partea activă constituită din granule abrazive înglobate într-o masă de liant. Dar fiecare granulă abrazivă constituie un tăiș așchietor ce îndepărtează cîte o așchie. Multitudinea granulelor dispuse în același plan alcătuiesc o suprafață activă, totalitatea suprafețelor active constituind stratul abraziv. Utilizarea granulelor de diamant ca material abraziv a fost impusă de principala lui proprietate, duritatea. La început au fost utilizate granule din diamant natural. Ulterior, cele din diamant sintetic, mult mai ieftine.
Concerne și firme de prestigiu și tradiție ca De Beers- Anglia, General Electric — SUA, Winter — Germania, Norton — SUA, Diamond Boart — Belgia și altele au inițiat programe ample de cercetare științifică de largă complexitate, amenajînd laboratoare cu dotare ultramodernă și personal cu calificare superioară. În URSS de problemele legate de sinteza și utilizarea diamantelor industriale s-a ocupat Institutul de Materiale Superdure din Kiev.
Perfecționînd sinteza diamantului și fabricația de scule cu diamante și parcurgînd programe riguroase de cercetări în laborator și cercetări industriale s-a demonstrat caracterul complex al rectificării cu aceste scule. S-a văzut că, datorită multitudinii și complexității factorilor ce intervin și caracterizează procesul de rectificare, luarea de deciziilor privind cercetările și perspectiva în domeniu necesită studii aprofundate și de anvergura. Această „competiție" în domeniul cercetării s-a soldat cu rezultate de mare interes, permițînd progrese deosebite. Anii ’60 – 70 au „adus" procedeul de metalizare a granulelor de diamant, azotura cubică de bor și policristalele din materiale extradure.
Metalizarea granulelor prin depunerea pe suprafața acestora de straturi metalice, inițial Cu și Ni conform procedeului Nicodur, ulterior și a unor aliaje, a condus la creșterea indicilor de prelucrabilitate și optimizarea utilizării discurilor cu lianți organici.
Utilizarea nitrurii cubice de bor la confecționarea sculelor de rectificare a completat și extins domeniul de aplicabilitate a rectificării cu materiale abrazive extradure. Statistici moderne atestă că circa 75—80% din totalul cantității de diamante naturale și sintetice cu utilizare industrială sunt destinate rectificării. Considerat de unii cercetători ca un domeniu „epuizat”, rectificarea cu scule diamantate este în continuă dezvoltare, ultimul cuvînt fiind departe de a fi spus.
3.2.1. Stratul abraziv diamantat.
Spre deosebire de sculele convenționale și datorită prețului ridicat al materialului extradur, sculele pentru prelucrări abrazive cu diamant sunt constituite dintr-un strat abraziv fixat pe un corp. Forma și dimensiunile acestora sunt deosebite în funcție de domeniul de aplicabilitate: rectificare, honuire, pilire etc. Există însă, caracteristici comune și acestea se referă la stratul abraziv propriu-zis.
Indiferent de natura lor, dacă sunt naturale sau sintetice, în practica industrială pentru confecționarea de scule abrazive se utilizează „în extremis" două sorturi de granule. Un sort îl constituie granulele cu forme neregulate și cel de al doilea, cele cu forme regulate, ușor rotunjite, mai compacte, sub formă de bloc.
Primul sort, datorită friabilității mari, se înglobează în lianți mai moi, de tip organic, ce se uzează rapid în timpul așchierii. Această uzură, de dorit concomitentă cu „frierea" granulelor de diamant, conduce, prin eliminare din zona de lucru, la expunerea unor noi plane de granule, menținîndu-se astfel capacitatea abrazivă a sculei.
Granulele bloc mai rezistente și mai puțin friabile se utilizează prin înglobare în lianți mai duri, metalici, ce se uzează ceva mai greu.
Materialele abrazive extradure se folosesc în scule sub formă de pulberi. Pulberile de diamant sintetic sau natural se realizează prin sfărîmarea cristalelor mai mari de diamant sau/și sortarea pe categorii de granulații, în acest scop se utilizează:
diamante sintetice;
deșeuri de la fabricarea sculelor cu diamante naturale, precum și așchiile ce cad de la diverse prelucrări ale diamantelor.
Procesul tehnologic de preparare a pulberilor din diamant constă în următoarele faze:
sfărîmarea;
curățirea de impurități;
sortarea pulberii dupa granulații.
3.2.2. Scule cu diamant pentru rectificare.
Sculele cu diamante pentru rectificare și ascuțire sunt de tipul „discuri abrazive cu diamant sau azotură cubică de bor“ (STAS 12034-81).
După cum am mai menționat, parametrii de bază care determină proprietățile unui corp abraziv sunt forma și dimensiunile sale, natura materialului abraziv, granulația lui concentrația, natura liantului precum și duritatea, structura și configurația acestuia din urmă.
Sculele cu diamante folosite în mod curent la rectificare și ascuțire se clasifică astfel:
disc periferic drept;
disc periferic profilat;
disc oală;
disc oală dublă;
disc taler;
role și tije pentru rectificare interioară .
Alegerea tipului de sculă cu diamante, se face în funcție de piesa ce urmează a se prelucra.
Este necesar ca atunci cînd se preconizează fabricarea unei scule cu diamante să se țină cont de factorii determinanți ai materialului:
compoziția chimică;
proprietățile fizico-mecanice și cerințele tehnologice ale piesei;
gradul de precizie al prelucrării;
calitatea suprafeței.
Alegerea sculelor cu diamante, pe tipuri de prelucrări, se poate face corect numai atunci cînd se cunosc și se iau în considerație toți parametrii ce concură la o prelucrare rațională și eficientă cu sculele respective.
Principalele calități care duc la aplicarea tot mai largă a procedeului de rectificare cu discuri cu diamante sunt precizia ridicată a prelucrării, calitatea superioară a suprafețelor, randamentul ridicat al operației, durabilitatea mare a sculelor, precum și prețul scăzut al prelucrărilor. Asta nu înseamnă că astfel de scule cu diamante se pot folosi oriunde, la orice fel de rectificări sau ascuțiri. Discurile cu diamante se comportă diferit la rectificarea materialelor metalice în funcție de duritatea, de compoziția chimică și de proprietățile fizice și tehnologice ale acestora. Din punct de vedere al durității, în cele mai bune condiții sunt rectificate materialele foarte dure și casante, caracteristic pentru această proprietate fiind raportul dintre duritatea Vickers (HV) și rezistența la tracțiune a materialului Rm ,raport care trebuie să fie minim. Din această cauză utilizarea discurilor cu diamante la rectificarea oțelului ridică probleme serioase datorită fenomenelor de adeziune și a reacțiilor chimice din zona de contact, fenomene care se datorează temperaturii ridicate în zona de lucru.
Pentru rectificarea oțelurilor se utilizează alte materiale abrazive sintetice, cu duritatea apropiată de a diamantului, avînd la bază azotură cubică de bor și fiind cunoscute sub diferite denumiri comerciale ca: borazon, cubonit, amborit. La aceste tipuri de discuri nu mai apar fenomenele mai sus menționate, rectificarea oțelurilor realizîndu-se la temperaturi mai joase.
3.2.3. Scule pentru honuire.
Operația de honuire se include în cadrul operațiilor de finisare avînd ca scop realizarea unei precizii dimensionale sau de formă dorite, precum și a unei rugozități controlate.
Honuirea se execută pe mașini-unelte specializate și se aplică, în principiu, suprafețelor cilindrice interioare. Scula aferentă prelucrării se numește cap de honuit.
3.2.4 Scule cu diamante pentru pilire.
Diamantul s-a impus și în acest domeniu cu multiple aplicații. Se confecționează o gamă foarte variată de pile cu diamante, de la nelipsitul accesoriu feminin, pila de unghii, la complicatele pile profilate pentru operațiile de ajustare în matrițerie. Obișnuiții dinți așchietori ai pilelor convenționale au fost înlocuiți cu granule de diamant. Ca aspect exterior, forma nu s-a schimbat, pila fiind constituită dintr-o parte abrazivă (cu diamante) și coada pentru fixare. Partea activă este alcatuită din granule de diamant sintetic fixate pe un suport metalic cu nichel și durificate cu crom. Granulele sunt înglobate în acest ”liant galvanic” pe două treimi din înalțimea lor. Pilele pot fi manuale sau pentru mașini de pilit.
3.2.5. Paste abrazive cu diamante.
Necesitatea superfinisării suprafețelor a fost impusă de cerințe obiective. Există o serie de domenii industriale în care calitatea suprafeței condiționează durabilitatea și fiabilitatea pieselor cum ar fi la: cilindri de laminoare, matrițe din oțel sau carburi metalice, căi de rulare ale rulmenților, cuzineți de lagăre, scaune de supape, repere ale motoarelor cu ardere internă, filiere de tragere, aparate de măsură, conuri de atac ale navelor spațiale etc. De asemenea, superfinisarea se aplică în industria sticlei și de bijuterii. Cele mai bune rezultate au fost obținute prin lustruirea cu paste diamantate cu care, practic, se poate șlefui orice material, inclusiv diamantul însuși.
Alături de folosirea lor în operații de superfinisare, pastele cu diamante se utilizează și la operații de lepuire și chiar de polisare.
Pastele cu diamante sînt amestecuri mecanice omogene fiind formate din pulberi de diamant avînd granulații mai mici decît D107 și lianți conținînd substanțe lubrifiante, dispersanți și agenți de diluție.
Funcție de natura liantului pastele pot fi:
hidrosolubile — solubile în apă;
liposolubile — solubile în solvenți organici;
universale — universal solubile.
Principalele caracteristici ale pastelor cu diamante sînt:
omogenitatea granulelor incluse; există norme ce limitează dimensional fracțiunile de granule; este evident că trebuie să fie preponderentă fracțiunea de bază;
puritatea; se referă la procentul de impurități ce se admite în lianți;
concentrația, respectiv cantitatea de pudră de diamante cuprinsă, procentual; uzual se elaborează paste cu concentrație redusă (1 … 10%), medie (10 … 20%) și ridicată (peste 20%);
consistența; se referă la gradul de vîscozitate la temperatura ambiantă (20 ± 5°C) ;
capacitatea abrazivă; se exprimă prin cantitatea de material prelevat prin consumarea unei cantități prestabilite de pastă;
capacitatea de prelucrare; exprimă proprietatea pastei cu diamant de a realiza o anumită rugozitate, prin superfinisare în timp prestabilit cu o granulație specificată.
Superfinisarea cu pastă cu diamante se poate executa manual sau mecanic. Manual, prin frecarea suprafeței de lucru cu pastă prin intermediul unor accesorii sau prin depunerea pastei pe platouri cilindrice si acționarea manuală a piesei. Suporții constituie scule de mîină pe care se aplică pasta și se execută, în general, din lemn de diferite esențe. Pentru piese din materiale dure suporții sunt confecționați din esențe de lemn moale și invers, din lemn tare pentru materialele mai puțin dure.
CAPITOLUL 4. BAZĂ DE DATE TEHNOLOGICE PENTRU PRELUCRĂRI DE STRUNJIRE CU CUȚITE DIAMANTATE
Condițiile de așchiere pot fi ușurate prin alegerea convenabilă a parametrilor regimului de așchiere. S-a demonstrat eficiența utilizării avansurilor și adîncimilor de așchiere mici. Geometria sculei are mare influență asupra forței de așchiere. Componenta principală a acesteia poate fi micșorată prin mărirea unghiului de atac. Tăișul principal este mai puțin solicitat, microgeometria suprafeței prelucrate și forțele de așchiere fiind în strînsă dependență de forma geometrică a racordării tăișului. O bună rezistență în lucru a tăișului se poate asigura prin micșorarea unghiului de așezare sau printr-o rază la vîrf evazată.
Tabelul 4.1 Cuțite cu diamante pentru strunjire
O condiție esențială pentru buna comportare în așchiere o constituie calitatea șlefuirii, prin aceasta înțelegînd: rugozitatea suprafețelor ce compun tăișul care trebuie să fie cit se poate de scăzută (R <0,01 pm); o perfectă racordare a zonelor cu raze la suprafețele plane în zona vârfului așchietor; lipsa cu desăvîrșire a oricăror defecte pe tăiș (fisuri, ciupituri, zgîrieturi).
Tabelul 4.2. Alegerea goemetriei de așchiere in functie de materialul prelucrat
Importanța șlefuirii este ilustrată de faptul ca, din valoarea totală a unui cuțit cu partea activă din diamant, cristalul, suportul și montura nu reprezintă decît 35—40%, restul fiind manopera aferentă sortării, trasării și șlefuirii.
Forma și construcția sculelor cu diamant depind de o serie de factori, cei mai importanți fiind: tipul operației la care se utilizează (strunjire, frezare etc.); caracteristicile fizico-mecanice ale materialului de prelucrat; condițiile impuse prelucrării; tipul constructiv și performanțele mașinii unelte etc.
Varietatea foarte mare de forme constructive a impus tipizarea acestora. În prezent exista o serie de normative în Marea Britanie (BS 1120/54), S.U.A. (ASA.B. 7.1-58), URSS (GOST 13 288; 13 297; 5 548) și tipizări de catalog ale marilor firme constructoare între care se situează și întreprinderea Mecanică Fină București.
Din experiențe și din practica industrială a rezultat necesitatea proiectării geometriilor de așchiere în sensul satisfacerii celor două deziderate principale: realizarea unor condiții de așchiere cit mai convenabile, conforme cu scopul urmărit; mărirea rezistenței tăișului, ținînd cont de fragilitatea cristalelor.
Tabelul 4.3. Influența sugestivă a regimului de așchiere asupra temperaturii pe fața de degajare dar și pe fața de așezare
Tabelul 4.4. Regimuri de lucru la strunjirea și alezarea cu cuțite cu diamante naturale
CAPITOLUL 5. CONCLUZIE. PERSPECTIVELE UTILIZĂRII DIAMANTULUI ÎN INDUSTRIE
Utilizarea diamantului în industrie a parcurs aproape toate etapele implantării în „cotidianul'' tehnic. De la „fantezie" la „modă", de la „posibil" la „indispensabil". Argumente? Suficiente. O declarație a unor experți americani menționează că renunțarea la utilizarea diamantului în industria SUA ar reduce potențialul acesteia la jumătate într-o perioadă foarte scurtă de timp.
Savantul sovietic V.N. Bakul afirma, vorbind despre eficiența economică a utilizării diamantelor, că fiecare rublă investită în industrie pentru scule cu diamante aduce un profit de 4-6 ruble. Și asta se întîmpla în anul 1978!
Au fost însă și suficiente voci contra. S-a pus problema, la început, a costului foarte ridicat al diamantelor naturale, al „rezervelor" limitate etc. Au apărut diamantele industriale al căror preț scade pe măsura perfecționărilor tehnologiei de sinteză.
Acestora li s-a obiectat „limitarea dimensională". Este adevărat, dar aceasta a impulsionat perfecționarea tehnologiilor de fabricație a sculelor, optimizîndu-se consumurile și adaptîndu-se necesitățile. Limitarea mărimii granulelor de diamant sintetic se datorează costurilor actuale destul de ridicate ale instalațiilor de sinteză.
În cadrul simpozionului internațional de la București 1978, specialiștii firmei General Electric au arătat că, în mod practic, se pot realiza cristale sintetice de orice mărime. O asemenea realizare nu este însă încă justificată din punct de vedere economic.
Cercetările au condus la realizarea soluțiilor compensatorii și de completare a domeniilor de aplicabilitate. Au apărut policristalele din diamante sintetice. Realizate după anul 1970, agregatele policristaline au apărut, ca urmare a unei „greșeli". O șarjă de sinteză incorect controlată a condus la „ceva" ce semăna cu diamantul dar realiza o structură și nu granule independente. S-a analizat, prin reconstituire, modul de obținere a șarjei greșite și, ca urmare a cercetărilor ulterioare, s-au pus la punct tehnologii de realizare a policristalelor prin sinterizare din micropulberi de diamant natural, prin sinteză pe un suport de carbură etc.
Acestea au început treptat, treptat să se substituie diamantelor naturale în tot mai multe aplicații. De la scule de îndreptat și profilat, la scule pentru strunjit, de la filiere pentru trefilare la echiparea sculelor de foraj petrolier și geologic. Livrabile sub denumiri comerciale diferite: Carbonado, Compax, Sindyte, Megadiamond, Slavutici etc., policristalele de diamant realizează un progres continuu, impunîndu-se tot mai mult. Au fost imaginate și experimentate și alte soluții. Se încearcă, de exemplu, realizarea de agregate din pulberi de diamant sintetic și sticlă, ceramică sau carburi metalice, în structuri compozite din cele mai diverse.
Prin ultimele prognoze privind utilizarea viitoare a diamantului în tehnică se apreciază că:
diamantul natural va continua să fie neapărat necesar încă și în secolul viitor în industria electronică și electrotehnică;
utilizarea diamantului natural la construcția sculelor așchietoare și a filierelor se va limita din ce în ce mai mult, datorită „exploziei" producției de diamante sintetice mono și policristaline. Se vor menține domenii de aplicabilitate a diamantelor naturale în fabricarea sculelor complexe de profilat, a cuțitelor de mare precizie și a palpatorilor etc. Și aceasta dacă nu se vor găsi noi înlocuitori.
Pînă atunci, diamantul va continua să strălucească atît în constelația bijuteriilor cît și, mai ales, în cea a „bijuteriilor" tehnice.
CAPITOLUL 6. STUDIU DE CAZ. ANALIZA UNUI REPER DAT.
6.1. Analiza condițiilor tehnice impuse reperului dat
Reperul port-sculă trebuie să fie executat dintr-un oțel carbon de calitate îmbunătățit OL 60.
Piesa este solicitată la compreisune de către șuruburile de fixare.
Oțelurile de carbon de calitate OL 60 au următoarele caracteristici mecanice:
Clasa de calitate: 1;
Rezistența la tracțiune: Rm=590…710 [N/mm2];
Limita de curgere: Rp 0,2=320 [N/mm2];
Alungirea la rupere: A=16% min.
Tratamentul termic aplicat oțelului carbon de calitate OL 60 va fi de călire, urmat de o revenire înaltă (îmbunătățire) , medie sau joasă. Se aplică pentru mărirea durității și o rezistență mai mare la uzură.
Condiții tehnice:
Execuție mijlocie conform desenului de execuție.
Muchiile ascuțite se vor teși la 1,5×45°.
Identificarea suprafețelor
Fig.1. Identificarea suprafețelor
Tabel 1. Identificarea suprafețelor
6.2. Proiectarea parametrilor tehnologici principali
6.2.1. Stabilirea semifabricatului
Semifabricatul se stabilește în funcție de seria de fabricație, condițiile tehnice specifice și materialul piesei:
Paf = 8400
Material: OL 60.
Tipul semifabricatului: matrițat la cald.
Fig.2. Tipul semifabricatului
6.2.2. Calculul adaosului de prelucarre și a dimensiunilor intermediare
Calculul adaosurilor de prelucrare pentru dimensiunea Ø20 cu rugozitatea Ra = 1,6 μm.
Pentru dimensiunea Ø20 sunt prevăzute 4 operații:
Stunjire de degroșare;
Strunjire de finisare;
Rectificare de finisare.
Adaosul de prelucrare este stratul materialului care trebuie îndepartat, în cadrul unei operații, în vederea obținerii piesei finale. Adaosul de prelucrare intermediar trebuie înlăturat la o anumită operație de prelucrare.
Prin adaos total de prelucrare se înțelege stratul de metal necesar pentru efectuarea tuturor operatiilor de prelucrari mecanice a unei anumite suprafețe prelucrate de la semifabricat până la piesa finită.
(1)
Stabilirea dimensiunilor tehnologice intermediare trebuie făcute de la dimensiunile finale precum și de la adaosurile de prelucrare intermediare.
(2)
Rugozitatea: Ra = 1,6 μm.
Strunjire de netezire cu diamant:
Tp = 100 μm , Ra = 1,6 μm
Strunjire de finisare:
Tp = 250 μm , Ra = 6,3 μm
Strunjire de degroșare:
Tp = 400 μm , Ra = 12,5 μm
Matrițare la cald
Tp = 1200 μm , Ra = 25 μm
Strunjire de netezire cu diamant.
Operația precendentă a fost strunjirea de finisare.
(3)
Tp = toleranța materializată la operația precendentă;
K = 2, pentru piese simetrice;
= rugozitatea materialului la prelucrarea precedenta;
Sp = adâncimea stratului superficial determinat la prelucrarea precedentă;
= abaterea spațială rezultată la prelucrarea precedentă;
= erorile de instalare la prelucrarea curentă.
K = 2 ; Tp = 250 μm; = 4*6,3 = 25,2 μm; Sp = 25,2; = 0,5 μm; = 68 μm.
(4)
(5)
Diametrul maxim înainte de strunjirea de reținere:
(6)
Strunjirea de finisare.
Operația precedentă a fost strunjirea de degroșare.
(7)
K = 2 ; Tp = 400 μm; = 4*12,5 = 50 μm; Sp = 50 μm; = 0,5 μm; = 68 μm.
(8)
(9)
Strunjirea de degroșare
Operația precedenta a fost matrițarea la cald.
(10)
K = 2 ; Tp = 1200 μm; = 4*25 = 100 μm; Sp = 100 μm; = 0,5 μm; = 68 μm.
(11)
(12)
Adaosul total:
6.2.3. Calculul regimului de așchiere la prelucrarea gaurilor Ø 8.
Principii și noțiuni de bază.
Determinarea regimului de așchiere la operațiile de găurire se face în următoarea ordine:
Alegerea sculei așcheietoare;
Adâncimea de așchiere, [t];
Avansul la o rotație, [s] în mm/rot.;
Viteza de așchiere, [v];
Viteza de așchiere, v, se calculează sau se adoptă valoarea acesteia din tabele, forțele și momentele ce apar în procesul de așchiere se calculează, mai ales la găurire.
Alegerea sculei așcheietoare
Pentru prelucrarea găurilor cu diametrul Ø 8mm, se folosește un burghiu din oțel rapid cu următorii parametri geometrici:
Date adoptate din tabelul 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, ”Proiectarea tehnologiilor de prelucrare mecanică prin așchiere”, Picoș Vol. 1
Unghiul la vârf 2*λ° se stabilește în funcție de materialul prelucrat, conform tabelului 16.1.
2*λ° = 118° – 120° (13)
Unghiul de așezare, α°, este adoptat în funcție de diametrul burghiului și are valorile date în tabelul 16.2.
α° = 11° – 14° (14)
Unghiul de degroșare, γ°, are valori ce depind de înclinarea canalului elicoidal w°, date tot în tabelul 16.1.
γ° = 20° (15)
Diametrul burghiului la operațiile de găurire dublă se obține automat, diametrul găurii fiind egal cu diametrul sculei.
D = 8 mm (16)
Duritatea burghiului HB = 20 °
Uzura burghiului = 0,6 mm.
Uzura burghiului este definită prin uzura forței de așezare la prelucrarea fontei. Valorile admisibile pentru burghiere din oțel rapid sunt date în tabelul 16.4.
Durabilitatea economică a burghielor, T, în minute, are valorile date în tabelul 16.6.
T = 25 min (17)
Adâncimea de așchiere, t se calculează pentru găuri cu relația:
(18)
Unde: D = Diametrul burghiului, mm.
d = Diametrul găurii inițiale, mm.
Avansul, s, reprezintă deplasarea burghiului sau a piesei de-a lungul axei, la o rotație a arboreluiprincipal al mașinii. Avansul mecanic la găurire depinde de:
Rezistența burghiului;
Rigiditatea sistemului piesă – M.U. – dispozitiv;
Prescripții pentru precizia și calitatea suprafeței găurii prelucrate;
Rezistența mecansimului de avans al M.U.
Calculul avansului se face cu relația:
[mm/rot] (19)
Ks = coefincientul de corecție în funcție de lungimea găurii
Se consideră Ks = 1.
Cs = coeficientul de avans, care se adoptă din tabelul 16.9.
Se adoptă Cs = 0,047
[mm/rot] (19*)
Viteza de așchiere, v, m/min se calculează pentru găurire cu relația:
[mm/rot] (20)
Cv = 3,7; Zv = 0,4; m = 0,2; yv = 0,7.
(21)
(22)
Forțele și momentele la găurire
Pentru materialele care nu se regăsesc în tabelul 16.38 și pentru operația de lărgire a găurilor, forțele și momentele se calculează cu relațiile:
(23)
xF =1; yF = 0,7; n = 0,75.
(23*)
(24)
xμ = 2; yμ = 0,8; n = 0,7.
(24*)
Puterea efectivă la găurire
Puterea efectivă la găurire se calculează cu relația:
(25)
Mt = momentul de torsiune la prelucrarea găurilor
n = turația burghiului sau a piesei, [rot/min]
6.3. Calculul normelor tehnice de timp și sincronizarea operațiilor
6.3.1. Stabilirea normei tehnice de timp la strunjirea de degroșare la producția de serie mijlocie.
În cazul producției de serie mijlocie, mare și de masă este indicat ca timpul de bază ( al mașinii) să fie calculat analytic cu una din relațiile prezentate în schemele de prelucrare din tabelele12.1 – 12.5 ”Regimuri de așchiere, adaosurile de prelucrare și norme tehnice de timp”, Vlase, Vol. I, pentru a se obține valoarea cât mai reală.
În cazul strunjirii frontale, timpul de bază se va calcula conform schemei de prelucrare x din tabelul 12.1.
Ɩ2 = 1, conform tabelului 12.1
Timpul de bază se calculează cu relația (31):
Timpul de prindere și desprindere a semifabricatlui:
Tp/d = 0,29 (Conform tabelului12.9)
În acest caz, pentru prinderea semifabricatului se va adopta:
Iar pentru desprinderea semifabricatului:
Din normative se aleg următorii timpi ajutători:
La prelucrarea pieselor din bandă, timpul auxiliar se determină cu relația,
, (34)
unde este timpul necesar pentru luarea semifabricatului și aducerea lui pe M.U.;
– timpul necesar ungerii;
– timpul necesar pentru mânuirea semifabricatului;
– timpul necesar pentru comanda M.U.;
Timpul de deservire tehnică:
Timpul de deservire organizatorică:
Timpul de odihnă și necesități firești:
După ce se calculează timpii și pentru celelalte faze, în același mod se obține timpul unitar pe operație:
Iar timpul normat pe operație va fi:
Respectând metodologia de determinare a timpilor de la faza de mai sus, pentru restul fazelor se obțin următoarele valori pentru timpii normați pe operație:
Deci norma tehnică de timp în cazul producției de serie mijlocie (2000buc/an), la prelucrarea de strunjire prin degroșare este:
6.3.2. Stabilirea normei tehnice de timp la frezarea canalelor la producția de serie mijlocie
În funcție de diametrul frezei-disc, numarul de dinți și lungimea canalelor se alege timpul operației incomplet pentru un canal (conform tabelului 11.32, ”Regimuri de așchiere, adaosuri de prelucrare și norme tehnice de timp”, Vlase Vol. II).
În funcție de modul de prindere se alege timpul de prindere și desprindere al piesei:
Deoarece piesa are un canal, se vor face trei indexări cu capul divizor, astfel încât timpul total de prindere/despridere piesă se va adopta din tabelul 11.88.
În aceste condiții, timpul operativ este:
În continuare se aleg ceilalți timpi:
Timpul de deservire tehnico – organizatorică și timpul de odihnă și necesități firești:
Timpul de pregătire – încheiere:
Rezultă că timpul normat pe operație va fie:
6.3.3. Calculul normelor tehnice de timp la operația de găurire (burghiere) în producție de serie mijlocie
Condiții de așchiere:
Adâncimea de așchiere, t=10 mm;
Avansul, s=0,32 mm/rot;
Viteza de așchiere, v=19,8 m/min
Turația, n=315 rot/min
Normarea tehnică, însă se va modifica potrivit cu caracterul producției după cum urmează:
Din tabelul 12.36, ”2- Regimuri de așchiere, adaosuri de prelucrare și norme tehnice de timp”, Vlase II, se adoptă formula de calcul a timpului de bază:
Unde, l = 50;
l1 = 5,78+1=6,78 mm (tab. 12.37);
l2 = 2 mm (tab.12.37)
i = 1 (o singură trecere).
Din tabelele destinate normei tehnice de timp se adoptă:
Timpul ajutător pentru prindere și desprindere piesă:
Timpul ajutător pentru comandă M.U.:
Timpul pentru curățirea dispozitivului de așchii:
Timp ajutător total:
Timpul de deservire tehnică:
Timpul de deservire organizatorică:
Timp de deservire total:
Timpul de odihnă și necesități firești:
Timpul de pregătire – încheiere
Prin urmare, timpul normal pe operație va fi:
Sincronizarea operațiilor:
Fig.3. Sincronizarea suprafețelor
Soluții pentru sincronizarea operațiilor:
Utilizarea sculelor combinate;
Modificarea cu limitele tehnologice a parametrilor regimului de așchiere;
Transferul unor faze între doua operații asemănătoare;
Prelucrări simultane cu multiscule;
Utilizarea elementelor de mecanizare, automatizare;
Divizarea unor operații sau contopirea lor.
Tabelul 2. Regimuri de așchiere
CAPITOLUL 7. ÎNCERCĂRI ACCELERATE DE FIABILITATE
7.1. Semnificația încercărilor accelerate
Încercările accelerate de determinare a indicatorilor de fiabilitate (de regulă intensitatea defecțiunilor sau timpul mediu de bună funcționare) se realizează prin creșterea solicitărilor peste limitele nominale, cu condiția menținerii mecanismelor de producere a defecțiunilor. În încercările accelerate se pleacă de la ipoteza că viteza de desfășurare a proceselor de uzură crește odată cu creșterea solicitărilor. Limitele impuse solicitărilor corespund regiunilor în care apar tipuri noi de defecte, care nu au nici-o șansă să apară în condițiile unor solicitări normale.
Ca parametrii de solicitare se pot folosi : temperatura, tensiunea, umiditatea, puterea disipată, solicitări mecanice (șocuri, vibrații) etc. Regimul normal de funcționare este regimul în care solicitările nu depășesc valorile limită cuprinse în norma internă a produsului. Regimul în care măcar o solicitare depășește valoarea limită prestabilită este un regim forțat. Chiar în condiții normale de funcționare, solicitările pot fi diferite, în consecință și parametrii de fiabilitate sunt diferiți. Se pune în acest caz problema corespondenței între parametrii de fiabilitate și solicitări.
Analiza comportării unui produs în exploatare, se face studiind durata de viață a acestuia, prin punerea produsului dat in funcționare în condiții normale de operare. Sunt situații în care deducerea duratei de timp este de durată sau chiar imposibilă, din cauza:
duratei de viață foarte lungi, în cazul produselor foarte fiabile, care în unele situații poate fi de ordinul anilor;
timpului redus între proiectare și lansarea în fabricație;
schimbarea continuă a condițiilor de testare în care se utilizează regimuri normale de funcționare etc.
Din aceste motive, savanții in domeniul fiabilității au generat o serie de o serie de metode prin care să forțeze producerea mecanismelor de defectare a produselor, în vederea producerii defectărilor, având drept consecință reducerea duratei de funcționare a produselor. Odată cu trecerea anilor, aceste practici s-au materializat prin teste bine definite, numite încercări accelerate. Există o varietate de metode care se aliniază sub denumirea de încercări accelerate, toate avînd ca scop final, deducerea caracteristicilor de funcționare a produselor în condiții normale de operare.
Avantajele încercărilor accelerate se pot raporta prin:
reducerea timpul de testare: dacă la încercările clasice pentru defectarea anumitor produse se poate aștepta o lungă perioadă de timp, încercările accelerate pot reduce pâna la de 20 de ori timpul de testare;
timpul de lansare pe piață al produselor va fi mai mic, deoarece pentru testarea și omologarea produselor nu se mai așteptă perioade lungi de timp;
costuri de dezvoltare și de fabricație ale produselor mai scăzute, deoarece în faza de prototip, acestea sunt testate rapid, scoțînd în evidență o serie de defecte, care pot fi corectate prin acțiuni corective corespunzătoare. Tot în faza de prototip se estimează și durata de viață al produsului testat;
costuri de garanție mai mici, produsele avînd o siguranță în funcționare crescută.
Oferirea de feedback, valoros în proiectarea testelor cantitative, și, în multe cazuri, este un precursor la un test cantitativ.
Creșterea fiabilității prin dezvăluirea modurilor de eșec probabile.
Dezavantaje:
nu cuantifica fiabilitatea produsului în condiții normale de utilizare.
7.2. Principiile de bază ale încercărilor accelerate
Există câteva ipoteze de bază, care trebuie sa fie verificate înainte de efectuarea unei încercări accelerate, cum ar fi:
Fig. 7.1. Riscul de a nu se produce modul de defectare original
funcționarea produsului în condiții accelerate trebuie să se fie însoțită de aceleași procese de degradare ca în condiții normale. Altfel spus, mecanismele de defectare provocate în condiții accelerate de funcționare trebuie să fie reprezentative și pentru condițiile normale de funcționare (fig. 7.1). De exemplu, dacă un produs funcționează în condiții normale la temperatura de 500 C, iar modul de defectare se datorează creșterii temperaturii, atunci testul accelerat constă în solicitarea produsului la temperaturi, de exemplu, de 700 C, 900 C sau 1000 C. În acest caz, nivelul normal este 500 C, iar nivelurile accelerate 700 C, 900 C sau 1000;
condițiile accelerate de funcționare, în toate cazurile, trebuie să ducă la aceleași defectări majore ca și în condiții normale de lucru;
regimul de accelerare trebuie să se situeze deasupra limitei specificate și sub limita de distrugere, limite specificate în documentația tehnica a produsului (figura 7.2);
distribuția duratelor de viață ale produselor – pdf – în condiții accelerate de funcționare trebuie să fie de aceeași formă cu cea constată în condiții normale de funcționare (de exemplu: pentru o repartiție de tip Weibull, parametrul de formă va fi același, iar parametrul de scara va fi diferit, figura 7.3)
Fig.7.3. Reprezentarea grafică a distribuțiilor de probabilitate – pdf – pentru diferite niveluri de temperatură, exprimate în grade Celsius
Pentru a se înțelege procesul de extrapolare de la regimul accelerat la cel normal de solicitare, se consideră, de exemplu, un simplu test de accelerare. În vederea simplificării se acceptă că un eșantion de produse a fost supus unei singure solicitări la un nivel constant de accelerare, pentru care s-a colectat o serie de date privind duratele de funcționare. Pe baza acestora, prin prelucrare statistică, specifică, se poate deduce repartiția densității de probabilitate sau PDF-ul și, în consecință, o serie de indicatori de fiabilitate. În mod frecvent, se determină media timpului de funcționare pînă la defectare – MTTF. Obiectivul încercării accelerate nu este acela de a obține predicții privind comportarea produsului în regim accelerat, ci la alte regimuri, în mod imperios, la cel normal de solicitare.
Pentru simplificarea scenariului încercărilor accelerate, se presupune că PDF-ul la orice nivel de solicitare este descris, doar, printr-un punct, deși în realitate aceasta reprezintă o repartiție. Obiectivul este de a determina traiectoria de la punctele din regimul accelerat la punctul din regim normal de solicitare, ceea ce se relevă prin figura 7.4.
Fig.7.4. Încercarea la un singur nivel de solicitare
Pentru a realiza acest obiectiv, este necesar să se adopte un model care să poată face exprapolarea de la PDF-ul în regim accelerat la PDF-ul in regim normal de funcționare.
În mod evident există un număr infinit de traiectorii pentru a exptrapola un parametru din regimul accelerat în cel normal de solicitare. Rezultă cu claritate, că pentru a găsi corespondența în regimul normal de solicitate, este necesar ca regimul accelerat de solicitare să aibă cel puțin două niveluri. Se admite, totuși, că există un model sau funcție care să poată descrie matematic această extrapolare, numit model de accelerare.
În vederea determinării solicitării în regim normal sunt necesare cel puțin două regimuri de solicitare accelerată (fig. 7.5)
Fig.7.5. Încercarea la două niveluri de solicitare în vederea alegerii unui model de accelerare.
7.3. Clasificarea încercărilor accelerate
Încercările accelerate presupun solicitarea produselor la regimuri de solicitare mai severe decât cele normale. Aceste încercări se clasifică în categorii:
încercări accelerate calitative (agravate), la care practicianul este interesat să identifice modurile de defectare ale produselor fără să evalueze durata de viață în condiții normale de funcționare. Aceste încercări se mai numesc și HALT – Hight Accelerated Life Testing;
încercări accelerate cantitative, în care practicianul este interesat de predicția duratei de viață a produselor sau a altor indicatori de fiabilitate (rata de defectare, durata garanției, B10 – timpul pînă la care se produce defectarea a 10 % dintre produse -, media timpului total de funcționare MTTF, etc.), deduse pe baza datelor colectate din încercările accelerate a produselor.
Încercările accelerate implică măsurarea performanței produsului în condiții mai severe de solicitare, decît în cazul funcționării normale, la diferite niveluri de accelerare. Acesta atrage după sine reducerea duratei de viață a produselor, prin intensificarea mecanismelor de defectare ale acestor produse. După culegerea datelor din regimul accelerat, corespunzătoare diferitelor niveluri de accelerare, utilizînd modele matematice specifice, se poate determina durata de viață a produsului în regimul normal de solicitare, materializată printr-o distribuție corespunzătoare.
Abordarea științifică a încercărilor accelerate presupune, mai întâi, identificarea mecanismelor de defectare și degradare a produselor. Parametrul de solicitare care cauzează direct defectarea dependentă de timp este selectat ca și parametru de accelerare și se numește în mod obișnuit solicitare accelerată. Solicitările accelerate obișnuite cuprind:
solicitări termice: temperatura, ciclarea temperaturii, ratele de schimbare a temperaturii;
solicitări chimice: umiditatea, substanțe corozive, acizi, săruri;
solicitări electrice: tensiunea, curentul sau puterea;
solicitări mecanice: vibrații, cicluri de solicitare mecanică; șocuri.
Un mediu accelerator poate include una sau mai multe combinații de astfel de solicitări. Odată ce un mecanism de defectare este identificat, este necesară selectarea solicitării de accelerare potrivită, determinarea procedurilor de testare și a nivelelor solicitării, stabilirea metodei de testare, efectuarea testelor și interpretarea datelor testelor. Aceasta din urmă include extrapolarea rezultatelor testelor accelerate la condițiile de funcționare normale. Rezultatele testelor furnizează proiectanților informații calitative asupra defectărilor, care pot fi utilizate pentru îmbunătățirea produsului prin proiectare și/sau prin schimbarea proceselor.
Pentru efectuarea încercărilor accelerate se utilizează mai multe modele. Aceste modele de accelerare permit conversia regimurilor de solicitare accelerată la regimul normal de solicitare. Aplicarea lor se face în concordanță cu natura solicitării produselor: tensiune, temperatură, vibrații etc. Pentru claritatea desfășurării încercării, precum și pentru precizia formulării rezultatelor, încercările accelerate se efectuează, de regulă, prin intensificarea unui singur parametru de funcționare. Însă se cunosc și încercări accelerate cu mai mulți parametri, de exemplu temperatură tensiune electrică.
7.4. Tipuri de încercări accelerate
Solicitările utilizate la încercările accelerate pot fi aplicate în diferite moduri: constante, eșalonate, progresive, ciclice, aleatorii. Ele sunt clasificate, în funcție de timp, în doua mari categorii: independente de timp (figura6.2); dependente de timp: 4 moduri diferite (figura 7.6.1, a ,b ,c ,d) :
solicitarea ciclică, la care solicitarea se aplică prin modificarea aplitudinii sau frecvenței în raport cu solicitarea în regim normal;
solicitarea progresivă, la care solicitarea este crescută în mod linear în timp, pentru diferite eșantioane de produse;
solicitarea eșalonată sau în trepte, care se aplică în salturi prin creșterea sau scăderea nivelului de solicitare în timp până la apariția unor defecte;
solicitare oarecare, avînd diferite forme în funcție de specificațiile produsului.
Fig.7.6.1. Tipuri de solicitări accelerate dependente de timp
Fig.7.6.2. Încercări independente de timp
7.5. Modele de încercare accelerată
Pentru obținerea legii de repartiție a duratei de viață a produselor sau a legii de fiabilitate în condiții de solicitare normală, este necesar să se utilizeze un model de accelerare sau model de viață accelerată, care să permită estimarea legii de fiabilitate în condiții normale, pornind de la datele acumulate în regim accelerat (fig. 7.7).
Fig.7.7. PDF la diferite niveluri de solicitare
Există mai multe categorii de modele de accelerare, și anume:
Modelele experimentale, se bazează pe un plan de testare, în care se permite studierea efectelor variabilelor aleatoare (factorilor) asupra performanțelor produselor;
Modelele fizice, au în vedere modurile de degradare ale produselor;
Modelele statistice, permit estimarea parametrică, semi-parametrică sau non-parametrică.
7.6. Factorul de accelerare
Gradul solicitării accelerate este controlat, în mod uzual, printr-un factorul de accelerare, definit ca raportul dintre durata de viață – life – a produsului în regim normal de solicitare, u, și durata de viață în regim accelerat, A:
. (1)
Variația factorului de accelerare depinde de modelul de accelerare considerat (Arrhenius, Invers Power Low, Eyring etc.). În funcție de aceste modele, se deduc diferite expresii ale factorului de accelerare. Din relația (1) rezultă că pentru u=A valoarea factorului de accelerare este egală cu 1. Pe măsura intensificării solicitării, durata de viață a produselor se reduce, iar factorul de accelerare crește. Se poate constata cu ușurință ca durata de viață în regim normal de solicitare este mai mare decît cea în regim accelerat de solicitare, și anume:
. (2)
7.7. Modele statistice de accelerare
Modelele statistice de accelerare se utilizează, în general, atunci cînd legătura dintre solicitările aplicate și valorile timpilor de defectare ale produselor sunt dificil de determinat, pornind de la principiile fizice de degradare ale acestora. În acest caz, produsul este supus unor niveluri de solicitare, iar durate de viață ale produselor sunt utilizate pentru a determina o distribuție corespunzătoare a acestora. Se face, din nou, precizarea că legea de repartiție a timpului de funcționare în regim accelerat trebuie să fie identică cu cea din regimul normal de funcționare.
Cele mai cunoscute modele de accelerare sunt:
– Modelul Arrhenius;
– Modelul Eyring ;
– Modelul Inverse Power Law;
– Modelul Peak sau modelul temperature-umiditate;
– Modelul temperatură-tensiune (nontermal);
În cele ce urmează se vor prezenta, doar, cîteva dintre ele, utilizate pentru încercări accelerate cu nivel de solicitare constant, iar durata de viață estimată în regim normal de solicitare este media timpului de funcționare.
7.7.1. Modelul Arrhenius
Modelul Arrhenius a fost inventat de chimistul suedez Svante Arrhenius, în 1887, și reprezintă probabil cel mai utilizat model de legătură dintre solicitare (temperatură) și durata de viață în domeniul încercărilor accelerate. Se poate deduce că mecanismul de degradare a produselor îl reprezintă temperatura. Se aplică pentru testarea componentelor electrice și electronice, bateriilor de acumulatori, unsorilor și lubrifianților, materialelor plastice etc.
Durata de viață a unui produs în funcție de temperatura de solicitare T, conform modelului Arrhenius, are expresia:
, (3)
unde A reprezintă o constată nontermică, care se determină în funcție de rezultatele încercării; T – temperatura de solicitare în oK; Ea – energia de activare în eV (valorile uzuale Ea=0.4…0.7 eV, depinzînd de material și de mecanismul de degradare); K=8.61738510-5 eV/oK – constanta lui Boltzmann.
Fig.7.8. Model de accelerare Arhenius (exemplu)
Prin logaritmare din relația (3) se obține:
. (4)
Dacă în relația (4) se fac notațiile:
, (5)
atunci logaritmul duratei de viață la o anumită temperatură (relația *.*) se poate scrie sub o formă liniară, și anume:
. (6)
Ecuația (6) este importantă deoarece transformata logaritmică a modelului Arrhenius de accelerare rămâne totdeauna de tip liniar. Acest aspect este ilustrat și de figura 8.
Factorul de accelerare al modelului Arrehenius între duratele de viață u, pentru regimul normal de temperatură Tu, și durata de viață a, pentru regimul accelerat de temperatură Ta, are expresia:
. (7)
7.7.2. Modelul Inverse Power Law
Modelul Inverse Power Law sau modelul puterii inverse se utilizează pentru încercarea produselor în regim accelerat nontermic, pentru care mecanismul de defectare este sensibil la o solicitare de natură mecanică (de exemplu, rulmenți cu bile sau role, componente optoelectronice, componente mecanice supuse la oboseală sau la alte categorii de solicitări mecanice etc.).
Modelul Inverse Power Law determină durata de viață, , a produselor, supuse unei solicitări constante V, prin următoarea relație:
, (8)
Fig.7.9. Model de accelerare Inverse Power Law în coordonate liniare, distribuțiile durateleor de viață la diferite niveluri de accelerare fiind de tip Weibull
unde K>0 și n reprezintă constante care se determină în funcție de rezultatele încercării.
Modelul de accelerare Invers Power Law (rel. 8), reprezentat în coordonate liniare – solicitare – PDF – este redat de figura 7.9.
Prin logaritmarea relației (8) se deduce:
. (9)
Dacă în relația (9) se fac notațiile:
, (10)
care, înlocuite în relația (9), conduce, ca și în cazul Modelului Arrhenius, la o dependență liniară de forma:
Fig.7.10. Model de accelerare Inverse Power Law în coordonate dublu logaritmice
. (11)
Modelul Invers Power Law apare ca o linie dreaptă pe o coală gradată dublu logaritmică (fig. 7.10). Trasarea pe o coală gradată dublu logaritmică este larg utilizată pentru estimarea parametrilor modelului Invers Power Law, cunoscînd că K și n reprezintă panta și ordonata la origine a dreptei din ecuația (11).
Factorul de accelerare al modelului Inver Power Law între durata de viață u, pentru regimul normal de solicitate Vu, și durata de viață a, pentru regimul accelerat de solicitare Va, are expresia:
. (12)
Parametrul n din relația modelului Invers Power Law reprezintă măsura efectului solicitării asupra duratei de viață. Atunci cînd valoarea absolută lui n crește, crește efectul solicitării. Valorile negative ale lui n indică o creștere a duratei de viață cu creșterea solicitării. O valoarea absolută a lui apropiată de zero denotă un efect slab al solicitării asupra duratei de viață. Dacă n=0 atunci durata de viață rămîne constantă.
Etapele analizei datelor colectate prin încercări accelerate ale produselor sunt următoarele:
Prima etapă în efectuarea analizei datelor colectate prin încercări accelerate o constituie alegerea unei distribuții sau repartiții adecvate pentru reprezentarea datelor colectate prin încercări accelerate la diferite niveluri de solicitare. Deși repartiția exponențială prezintă un aparat matematic simplu, ea se folosește mai rar pentru reprezentarea acestor date. În schimb, repartiția Weibull și repartiția lognormală, al căror aparat matematic este mai complicat, necesitând multe calcule, au o largă utilizare în această etapă de analiză.
Fig.7.11. Distribuția duratei de viață și dependența
Cea de-a doua etapă în efectuarea analizei datelor colectate prin încercări accelerate presupune alegerea sau crearea unui model care să descrie legătura dintre un punct caracteristic sau un parametru – the life characteristic – situat pe o repartiție, corespunzătoare unui anumit nivel de solicitare, pe altă pe altă repartiție, corespunzătoare altui nivel de solicitare (fig.7.11). Aceste puncte pot fi reprezentate de medie, mediană, fiabilitate, nonfiabilitate etc., și sunt reprezentate în funcție de nivelul de solicitare.
7.8. Determinarea fiabilității prin încercări accelerate
Prezentarea grafică a datelor provenite din încercări accelerate se aseamănă cu cea de la încercările în regim normal, singura diferență constînd în faptul că datele trebuie organizate pe niveluri de solicitare. Dacă se utilizează, de exemplu, o rețea de probabilitate de tip Weibull [ALTA], atunci va rezulta cîte o dreaptă pentru fiecare nivel de solicitare (fig. 7.12), în exemplul de față 152 oC, 142 oC și 132 oC. Informațiile care se pot deduce din aceste grafice pot fi: fiabilitatea cu diferite niveluri de încredere; perioada de garanție B10 la diferite niveluri de încredere; parametrii de formă și de scală .
Fig.7.12. Trasarea datelor provenite din încercări accelerate pe o rețea de probabilitate de tip Weibull, pentru diferite niveluri de solicitare
Există două tipuri de diagrame de fiabilitate. Primul tip, bidimensional, prezintă dependență fiabilitate – timp, R(t), corespunzător unui anumit nivel de solicitare. Cel de-al doilea tip, tridimensional, 2D, cînd se obține o suprafață, prezintă dependența fiabilitate – timp – nivel de solicitare. Primul tip de diagramă, prezentat mai jos, reprezintă chiar o secțiune prin diagrama tridimensională, la un anumit nivel de solicitare (fig. 7.13). Din dependența fiabilitate – timp se pot determina valorile fiabilității la un anumit moment sau invers.
Aceleași reprezentări 3D și 2D se pot face și pentru nonfiabilitate F(t).
7.9. Studiu de caz
Condiții:
Încercare accelerată pentru o componenta mecanică poate fi considerată temperatura. Pentru a satisface cerința de fiabilitate specificată, producătorul este obligat să demonstreze cu 90% încredere că 90% din unități vor continua să funcționeze timp de 1000 de ore în condiții normale de utilizare de 300 K. Pentru a economisi timp și bani, producătorul dezvoltă o viață accelerată de testare, concepută pentru a oferi rezultatele dorite de fiabilitate într-o perioadă mai scurtă de timp decât ar fi posibil cu un test efectuat în condiții normale.
Date experimentale:
Un eșantion de elemente este supus la un test de viață accelerat, cu trei niveluri de stres diferite: 350 K, 400 K și 450 K. Timpii de defectare obținuți în acest test, sunt prezentați în tabelul de mai jos:
Această informație poate fi utilizată pentru a determina:
Care este energia de activare?
Care sunt indicatorii de fiabilitate?
Dacă testul a demonstrat că B10 life este de 1.000 de ore la o încredere 1 față de 90% mai mic pentru nivelul de solicitare utilizat (300 K) .
Softul ALTA Reliasoft este un soft complex care prelucrează date rezultate din încercări accelerate cantitative. Introducerea datelor experimentale rezultate din încercări accelerate se face prin parcurgerea următoarelor etape. Prin comanda New din Meniul File se adăuga o foaie nouă de lucru. Prima etapă este alegerea proiectului, unde se bifează tabul By following the wizard, după cum se poate vedea în figura 1.
Fig. 1. Prima etapă în realizarea paginii de lucru
Etapa a doua constă în alegerea provenienței datelor introduse în studiul de caz realizat. Pentru acesta există 2 opțiuni (fig. 6.23):
date rezultate din teste accelerate, această opțiune este aleasă pentru studiul de caz analizat;
date rezultate din analiza degradării unor produse mecanice.
Fig. 2. Alegerea încercărilor accelerate
Pentru etapa a treia se bifează opțiunea care date suspendate, deoarece studiul de caz analizat va cuprinse date trunchiate (fig.3).
Fig. 3. Alegerea tipului de date
În etapa 4 se alege parametrul care trebuie accelerat, pentru studiul de caz analizat acesta este temperatura (fig. 4). Tot în această etapă se introduce și valoarea în regim normal de testare la care este supusă produsul testat (300 K).
Fig. 4. Alegerea parametrului de solicitare
Prin apăsarea butonului Finish este creată pagina de lucru, în care se introduc datele din testele accelerate ale produsului testat. Introducerea datelor se face pe coloane ( Durata de defectare – Temperatura), ca în figura 5. Tot în această etapă se alege modelul de accelerare și repartiția statistică. Pentru datele rezultate din testarea accelerată a produsului se alege repartiția Weibull și Modelul Arrhenius deoarece sunt cele mai adecvate calculului la defectare utilizând ca factor degradator temperatura.
Energia de activare este Ea=0,2195183084
Fig. 5. Numărul de ore până la defectare – Temperatura
Se calculează cei trei parametrii corespunzători modelului Arrhenius – Weibull prin metoda de estimare a verosimilității maxime pentru datele din regimul accelerat introduse în softul ALTA 7. Rezultă următoarele valori ale parametrilor: β= 2,898; B= 2547,388 C=0,419 (fig. 6).
Fig. 6. Determinarea parametrilor specifici modelului Arrhenius – Weibull
Funcția de fiabilitate în regim normal de testare se determină cu ajutorul relației pentru funcția de fiabilitate pentru modelul Arrhenius – Weibull. Acestă relație calculează fiabilitatea în funcție de numărul de ore până la defectare și de nivelul solicitării în regimul normal de testare (300 K). Valorile funcției de fiabilitate sunt reprezentate grafic în figura 7. În figura 8. este reprezentată funcția de nonfiabilitate. Funcția de nonfiabilitate sau probabilitatea de defectare a produsului se determină cu relațiile specifice modelului Arrhenius – Weibull pentru nivelul normal de solicitare (300 K).
Fig. 7. Funcția de fiabilitate
Fig. 8. Funcția de nonfiabilitate
Densitatea de probabilitate a numărului de cicluri până la defectare (Pdf sau f(t)) descrie frecvențele relative ale defectărilor în funcție de numărul de cicluri până la defectare și solicitare. Pentru determinarea densității de probabilitate a numărului de ore până la defectare (fig. 9) se utilizează relația acesteia pentru modelul Arrhenius – Weibull. Un alt indicator important în domeniul încercărilor accelerate este rata de defectare. Rata de defectare reprezintă raportul dintre numărul de defecțiuni în unitate de timp produse într-un subinterval de timp și numărul de produse aflate în bună stare de funcționare la începutul subintervalului de observare. Rata de defectare este reprezentată în figura 10.
Fig. 9. Densitatea de probabilitate Fig. 10. Rata de defectare
Scopul principal al încercărilor accelerate cantitative este de a determina durata de funcționare în condiții normale de testare. Utilizând datele rezultate din încercările accelerate se poate determina numărul mediu de ore până la defectare al produselor la regimul normal de testare. Numărul mediu de ore până la defectare se determină cu ajutorul relației mediei pentru modelul Arrhenius – Weibull. Numărul mediu de ore până la defectare pentru produsele testate este de 1823. Acesta se poate determina și grafic din figura 11 prin trasarea unei drepte prin media numărului de ore pînă la defectare pentru cele 3 regimuri de accelerate (350 K, 400 K și 450 K), iar la intersecția acestei drepte cu dreapta ordonată la nivelul de solicitare normal de 300 K se află numărul mediu de ore până la defectare în regim normal de testare.
Fig. 11. Determinarea numărului de ore până la defectare a produselor
în regim normal de testare
Durata medie de viață până la defectare se poate calcula și cu un calculator rapid care este integrat în programul ALTA 7 (figura 12).
Fig. 12. Determinarea numărului de ore până la defectare cu ajutorul
Quick Calculation Pad din programul ALTA 7
Indicatorul B10 reprezintă timpul până la care 10% din produse din cadrul unui eșantion se defectează. Acest indicator este utilizat în special la testarea rulmenților. Pentru studiul de caz analizat indicatorul B10 se poate calcula si cu un calculator rapid care este disponibil în programul ALTA 7 (figura 13).
Fig. 13. Determinarea indicatorului B10 cu ajutorul
Quick Calculation Pad din programul ALTA 7
7.10. Concluzii generale.
În ultimii 20 de ani încercarea produselor industriale constituie, atât pe plan intern, cât
și pe plan internațional, un domeniu în care cercetările teoretice și experimentale trebuie să se
situeze la nivelul performanței și calității produselor.
Dată fiind concurența acerbă din piața industrială, nu se mai poate imagina realizarea
unui produs fără un riguros control al calității și fiabilității acestuia, bazat pe diferite tipuri de
încercări, în toate etapele de existență a produselor, începând de la materiile prime folosite,
până la utilizarea acestora. În cadrul acestor tipuri de încercări, un accent deosebit se pune pe
încercările de fiabilitate. Laboratoarele de încercări, care dispun de aparatură modernă de
încercare și de personal cu înaltă calificare, au căpătat o dezvoltare din ce în ce mai mare. Azi,
aproape fiecare companie dispune de un laborator de încercări de fiabilitate, dotat
corespunzător naturii produselor pe care le realizează.
La unele produse industriale pentru care se estimează o fiabilitate ridicată,
determinarea duratei de funcționare și a indicatorilor de fiabilitate, în condiții normale de
solicitare, presupune o durată mare de testare. Din acest considerent, se optează pentru
metodele de încercare accelerată. Acestea sunt încercări efectuate la regimuri de solicitare
mai intense, în comparație cu regimul nominal de solicitare, având drept scop intensificarea
proceselor de degradare a produselor, iar ca rezultat economic scurtarea perioadei și costurilor
aferente încercării, în condițiile păstrării acelorași moduri, mecanisme de defectare și structuri
ale defectelor. În cadrul încercărilor accelerate se acceptă ipoteza că viteza de desfășurare a
proceselor crește odată cu intensificarea solicitărilor.
Utilizarea încercărilor accelerate de fiabilitate în etapele timpurii ale ciclului de viață
al produselor, presupunând utilizarea unui nivel mai ridicat de solicitare, în scopul punerii în
evidență a unuia sau mai multor factori degradatori, pe baza cărora să se poată achiziționa,
rapid, o serie de date experimentale, conduce la evidențierea erorilor de proiectare ale produsului și la evaluarea previzională a indicatorilor de fiabilitate.
Rezultate deosebite în sensul reducerii spectaculoase a duratei încercărilor se obțin
prin aplicarea simultană a mai multor tipuri de solicitări, de exemplu: temperatură – umiditate,
temperatură – vibrații, temperatură – tensiune. În practica industrială, însă, pentru acuratețea
încercărilor, majoritatea produselor sunt testate prin intensificarea unui singur parametru al
solicitării. Această metodă prezintă unele avantaje, dintre care cele mai importante sunt
următoarele: este ușor de menținut un regimul de încercare; modelele de accelerare sunt mult
mai bine verificate empiric; prelucrarea statistică a datelor experimentale și estimarea
indicatorilor de fiabilitate este mult mai simplă.
Dezvoltarea domeniului încercărilor accelerate de fiabilitate și implementarea acestora
într-un număr mare de companii a condus la realizarea primului soft specializat, ALTA 7
(Accelerated Life Test Analysis), produs de compania Reliasoft, U.S.A. Acesta prelucrează informațiile rezultate din încercările accelerate cantitative și furnizează, sub diferite forme analitice și grafice, indicatorii de fiabilitate.
Avantajele încercărilor accelerate se pot raporta prin:
reducerea timpul de testare: dacă la încercările clasice pentru defectarea anumitor produse se poate aștepta o lungă perioadă de timp, încercările accelerate pot reduce pâna la de 20 de ori timpul de testare;
timpul de lansare pe piață al produselor va fi mai mic, deoarece pentru testarea și omologarea produselor nu se mai așteptă perioade lungi de timp;
costuri de dezvoltare și de fabricație ale produselor mai scăzute, deoarece în faza de prototip, acestea sunt testate rapid, scoțînd în evidență o serie de defecte, care pot fi corectate prin acțiuni corective corespunzătoare. Tot în faza de prototip se estimează și durata de viață al produsului testat;
costuri de garanție mai mici, produsele avînd o siguranță în funcționare crescută.
Oferirea de feedback, valoros în proiectarea testelor cantitative, și, în multe cazuri, este un precursor la un test cantitativ.
Creșterea fiabilității prin dezvăluirea modurilor de eșec probabile.
BIBLIOGRAFIE
BIBLIOGRAFIE
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Strunjire cu Viteze Mari. Scule Diamantate Incercari Accelerate de Fiabilitate (ID: 163767)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.