REFERAT NR. 1 IN CADRUL DOCTORATULUI STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE ȘI ECHIPAMENTELE UTILIZATE LA STUDIUL ȘI PRELUCRAREA MATERIALELOR DURE ȘI… [305826]

UNIVERSITATEA “ ȘTEFAN CEL MARE „ SUCEAVA

REFERAT NR. 1 [anonimizat]: [anonimizat].dr.ing. Amarandei Dumitru Ing.[anonimizat] 2016

Cuprins

Capitolul 1

PRIVIRE DE ANSAMBLU ASUPRA PRELUCRĂRII PRIN METODE CONVENȚIONALE ȘI NECONVENȚIONALE ÎN CONSTRUCȚIA DE MAȘINI

Prezentarea metodelor convenționale și neconvenționale folosite în industria constructoare de mașini

Necesitatea tehnologiilor neconvenționale se datorează diversității și complexității suprafețelor pieselor prelucrate prin așchiere și utilizate în industriile de vârf ( [anonimizat], metale refractare) ,al nevoilor tot mai crescânde de miniaturizare a [anonimizat] .Literatura de specialitate împarte metodele de prelucrare din construcția de mașini în două clase: metode de prelucrare convenționale și metode de prelucrare neconvenționale.

În cadrul metodelor convenționale de prelucrare apar cele prin așchiere (strunjire, frezare, burghiere, rabotare, mortezare, rectificare, broșare) sau prin abraziune (șlefuire, lepuire, polizare ) . [anonimizat] ,chimice , electrochimice și hibride.[HAS’05]

Între cele două abordări de prelucrare a materialelor în tehnologia construcțiilor de mașini se poate observa o [anonimizat]-sunete, [anonimizat], prelucrarea cu laser și prelucrarea cu viteze mari și foarte mari. [SHA’01]

Efectuând o comparație între cele două tipuri de prelucrări se detașează caracteristicile din tabelul 1.1:

Tabelul 1.1. Comparație între caracteristicile prelucrării convenționale și neconvenționale

în tehnologia construcțiilor de mașini [SHA’01]

[anonimizat] a [anonimizat] ,port-sculă, [anonimizat]-scule care să facă față vitezelor foarte mari. De asemenea uzura ridicată a sculei recomandă protecția acesteia acoperind-o cu un strat de carbură sau nitrură.

[anonimizat] (burghiu ,[anonimizat] ) [anonimizat] a sculei. [MIK’07]

Principalele metode neconvenționale de prelucrare în industria constructoare de mașini sunt prezentate în cele ce urmează:

Tabelul 1.2. Caract

erizarea metodelor convenționale și neconvenționale

1.2. Scurt istoric privind prelucrarea cu viteze mari(P.V.M.)

Prelucrările prin așchiere cu viteze mari fac parte din categoria prelucrărilor neconvenționale și conform lucrărilor [VEL’07],[HEI’10] acestea sunt definite ca acea operație de îndepărtare de material cu viteze de așchiere care sunt de două până la cinci ori mai ridicate decât cele convenționale utilizate pentru același tip de material prelucrat.

Viteza de așchiere vc (m/min) este viteza cu care muchia așchietoare a sculei prelucrează materialul. Aceasta este în relație cu turația axului principal prin formula: , unde N este viteza de rotație a axului principal(rpm),iar D este diametrul sculei așchietoare (mm).[ HEI’10]

Ținând cont de definiția de mai sus se conturează următorul tabel al vitezelor mari în raport cu materialul prelucrat:

Tabelul 1.3.Limitele de prelucrare cu viteze mari în funcție de materialul prelucrat [MAR’02]

Prelucrarea cu mare viteză, denumită uneori și „prelucrarea cu eficiență crescută” sau „prelucrare cu productivitate crescută” implică viteze de așchiere mai mari de 10.000 de rpm și avansuri cu valori depinzând în principal de tipul de material prelucrat și metoda de așchiere.

Figura 1.1. Limitele de viteză pentru prelucrarea cu viteze mari și foarte mari [SHA’01]

Din figura anterioară se observă existența a patru mari etape în evoluția, dezvoltarea și implementarea P.V.M.[GRA’08]

Bazele primei etape în istoria prelucrărilor cu viteze mari sunt puse de C.Solomon,considerat de specialiștii în domeniu, părintele acestor tehnologii, datorită patentului din partea F. Krupp A.G. nr. 523.594 în anul 1931.

Prelucrarea materialelor neferoase și ușoare cu viteze de 440m/min(oțel), 1.600m/min(bronz), 2840m/min (cupru) și cu viteze de 16.500m/min pentru aluminiu. Rezultatul important al cercetărilor era faptul că de la o anumită viteză de prelucrare , care este de 5-10 ori viteza convențională de prelucrare, temperatura la suprafața de formare a așchiei începe să scadă [HER’99],[PAS’02].(Figura.1.3.)

Figura 1.2.Temperatura în funcție de viteza de prelucrare

Figura 1.3. Evoluția cerecetărilor privind P.V.M. [HER’99]

În anii 1930 ,Trent oferă dovezi metalografice clare privind existența unei zone de forfecare adiabatică ,fenomen care apare în cazul proceselor de deformare cu solicitări înalte.(Fig 1.4)

Figura 1.4. Zonă de deformare adiabatică [TRE’00]

Prima implementare cu succes a P.V.M. apare în industria aeronautică, spre sfârșitul anilor1940, la uzinele Fokker BV care au început să folosească rotații de 18.000 până la 24.000 rot/min , pentru scule cu diametre mici folosite la prelucrarea aluminiumului. [POP’10]

A doua perioadă în dezvoltarea P.V.M. începe în anii 1950 debutând cu contractul de cercetare al Forțelor Aeriene SUA atribuit firmei Lockheed Martin , urmărind evaluarea răspunsului la prelucrare cu viteze de 152 m/min a unor materiale dure, pentru a realiza o creștere a calității și eficienței fabricării componentelor necesare îm aviatie. [GRA’08]

La începutul anilor 1950, au fost inițiate studii în mai multe țări pentru a utiliza la maxim beneficiile prelucrării cu viteze mari. Datorită faptului că, inițial, mașinile-unelte cu viteze de rotație foarte mari nu erau disponibile, s-a făcut apel la testele de prelucrare cu viteze mari. (Fig 1.3.)

Concluziile au fost că la viteze mari și foarte mari, condițiile de formare a așchiilor sunt diferite de condițiile de formare în cazul prelucrării convenționale. Rezultatele experimentale obținute nu au fost corelate cu un model analitic și nici nu se preciza cum această metoda va putea fi încorporată în procesul de producție. [GRA’08] , [PAS’02]

În 1957,Cottrell susținea că: „ Dacă rata de deformare este suficient de mare atunci, nu există suficient timp pentru a se transmite în zonele adiacente, căldura rezultată din deformarea plastică a materialului, iar căldura acumulată de materialul prelucrat să fie insuficientă pentru plastifiere în vederea detașării așchiei” [TRE’00]

În lucrarea [KRO’69], s-a stabilit o relație pentru forța dinamică de așchiere, în funcție de viteza de lucru și avans. S-a constatat că forța de așchiere crește la creșterea valorilor vitezei până la o anumită valoare după care descrește brusc. În același timp creșterea valorilor vitezei de lucru determină formarea de așchii discontinui de la un anumit punct încolo.

Studiile lui Vaugn & Peterson ,în anul 1958, Recht,în 1964 ,realizate în SUA, au evidențiat posibilitatea creșterii productivității prelucrărilor prin așchiere pe seama creșterii vitezei de lucru dacă se va rezolva problema uzurii premature a sculei care însoțește acest proces.

Aceștia realizează și un model pentru instabilitatea la forfecare în cazul metalelor solicitate în condiții de efort dinamic, subliniind că în anumite condiții de solicitare termo-mecanică ,panta curbei efort-deformație poate deveni zero sau chiar negativă.

Acest lucru s-ar întâmpla dacă deformarea termică ar fi mai puternică decât rezistența la deformare. Același lucru îl constată și McGee în anul 1978 în studiile sale efectuate în legătură cu prelucrarea aluminiului cu viteze mai mari ,de peste 650m/min.

După 1960 au urmat o serie de studii intense în legătură cu mecanismul de formare a așchiilor( Tanaka,Tsuwa & Kitano 1967) și dinamica procesului de așchiere ,precum și calitatea și precizia suprafețelor. (Shaw 1967 ,Recht 1964,Turkovich 1972,Rogers 1979).

Numeroasele cercetări efectuate în domeniul prelucrării cu viteze mari au reliefat faptul că indicii de calitate ai suprafețelor prelucrate se îmbunătățesc considerabil la creșterea valorilor vitezei, iar o mare parte din căldura degajată din procesul de așchiere se elimină odată cu așchia degajată.[HER’99]

Figura 1.5. Proprietăți generale ale P.V.M [HER’99]

Rezultatele lui Kececioglu in anii 1958 sunt remarcabile în privința metodologiei aplicate în studiul ratelor de deformare plastică și a eforturilor de forfecare în cazul procesului de așchiere, aducând unele informații importante pentru lățimea zonei de forfecare și de eforturi în zona de forfecare. O mențiune importantă ar fi faptul că în zonele principale de forfecare, media eforturilor de forfecare rămâne relativ constantă pe o plajă mare de viteze de așchiere, iar acest lucru se observă în figura 1.6. pe linia din partea superioară a graficului. [TRE’00]

A treia etapă în dezvoltarea P.V.M. apare la mijlocul anilor 1970 atunci când Marina SUA împreună cu firma Lockheed contractează un proiect pentru o serie de cercetări asupra construcției elicelor folosind Aluminiu, Ni-Al și bronz, echipa demonstrează fezabilitatea P.V.M. pentru industrie.[GRA’08]

Conform lu King și Koontz în anul 1977 a fost realizată o mașină-unealtă pentru frezat care a atins viteze de 20000 rot/min. De asemenea s-au atins viteze de 1980m/min. Cu această ocazie observându-se cele mai importante caracteristici ale PVM:

-reducerea efortului de așchiere;

-creșterea calității suprafeței obținute prin prelucrare;

-de 2 până la 3 ori mai mult material eliminat pe unitatea de timp;

-piesa prelucrată nu preia căldura generată prin prelucrare, aceasta e absorbită de așchia formata.

A patra etapă debutează în 1979 când Forțele Aeriene din SUA în cooperare cu G.Electric determină faptul că viteza optimă de prelucrare a aliajelor din aluminiu este între 1500 și 4500 m/min, realizându-se primul catalog cu mașini-unelte și scule pentru prelucrarea cu viteze mari, punându-se accent pe oțeluri și fonte. De asemenea, introducerea comenzilor numerice a determinat un control mai eficient al proceselor de așchiere și o productivitate ridicată a acestor procese de prelucrare.[HER’99]

Figura 1.6. Comparație între testele Kececioglu și valorile mari de deformare ale lui Campbell și Furguson pentru oțel moale la diferite eforturi termo-mecanice [TRE’00]

Toate lucrările din această perioadă susțin faptul că majoritatea materialelor, chiar si aluminiul, încep să formeze așchii ondulate sau încrețite de la o anumită limită de viteză încolo iar Albrecht demonstrează că aceste așchii determină o uzură accelerată în cazul sculelor din carburi, datorită faptului că așchiile ondulate sunt asociate cu oboseala materialului la muchia sculei. Albercht observă astfel că P.V.M. depinde de materialul prelucrat și de scula folosită. [TRE’00]

P.V.M este influențată de temperatura și efortul de așchiere, dar și de raportul dintre efort și rata de deformare de la suprafața de contact dintre sculă și materialul prelucrat. Experimental s-a demonstrat că această zonă este de mărimea câtorva micrometri, astfel, interacțiunea dintre fenomenele neliniare determină o dificultate crescută în încercarea de a modela matematic prelucrarea cu viteze mari.[DAV]

Saltul cel mai puternic realizat în dezvoltarea P.V.M. are loc în anii `90, la uzinele Boeing în cadrul procesului de prelucrare a componentelor din Aluminiu , deoarece volumul de material eliminat este foarte mare, apropiindu-se de mii de centimetri cubi pe minut și determinând un mai scurt timp de prelucrare,o îmbunătățire a calității suprafeței obținute și o scădere a tensiunii mecanice asupra sculei și piesei prelucrate. [DAV’**]

În momentul actual analiza diferitelor fenomene termice, de formare a așchiilor ,a zonei de deformare plastică și de forfecare se face prin metodele elasticității, termoplasticității și a științei materialelor. [DAV’**]

De asemenea, studiile bazate pe modelarea numerică au devenit instrumente foarte utilizate în înțelegerea procesului de prelucrare cu viteze mari și au trecut de la simulări folosind metoda numerică a elementului finit în simulări complexe.

Aceste metode sunt un pas evolutiv important deoarece tratează procesul de formare a așchiei într-un mod integrat contrar altor modele care tratează separat problema eforturilor de așchiere, bazându-se exclusiv pe măsurătorile empirice a energiei specifice de așchiere, iar alte modele tratează problema temperaturii separat.

Alți autori susțin că pentru a discuta de prelucrarea cu viteze mari trebuie să ținem cont de câțiva factori decisivi precum : proprietățile materialului de prelucrat, existenta unor scule adecvate materialului de prelucrat, viteze de avans și așchiere posibile pe mașina-unealtă. În fapt trei caracteristici sunt importante: materialul de prelucrat, stabilitatea procesului și forțele de așchiere. Rata de eliminare a materialului prelucrat este în relație directă cu dimensiunea așchiei și cu viteza de așchiere fiind o consecință a tehnologiei de așchiere utilizate și a proprietăților mecanice a materialului prelucrat. [WIT’08]

Figura .1.7.Diagrama pentru zonele de stabilitate dinamică [SMI’97]

Turațiile mari sunt o condiție obligatorie pentru P.V.M. cu valori situate între 15.000 și 25.000 rpm [BER’03].

Definiția dată de Centrul de Cercetări pentru mașini-unelte a Univ. Florida din Gainesville este:”P.V.M. are loc atunci cănd frecvența de așchiere a dintelui se apropie de frecvența naturală dominantă a sistemului ”.[LEI’99]

În lucrarea [SMI’97],Smith și Tlusty propun o altă definiție pentru PVM pe care o relaționează cu scula de așchiere și viteza de rotație a arborelui principal .

Aceștia introduc numărul DN (diametrul axului în mm multiplicat cu viteza de rotație a portsculei în rpm), contrar folosirii doar a vitezei de rotație. Trebuie observat că orice viteză mai mare de 8000 rpm este de obicei definită ca viteză mare.

Mașinile comercializate în momentul de față au un numar DN care variază de la 1.5 milioane până la 2 milioane de unități. Definiția propusă depinde de frecvența modului dominant de vibrații și se bazează pe selecția a patru categorii de viteze , unde se accentuează relația dintre adâncimea axială recomandată (stabilă) și viteza de rotație pentru o valoare fixată a adâncimii radiale de așchiere .

De exemplu, dacă frecvența naturală este 1000Hz, iar scula folosită este o freză cilindro -frontală ( o geometrie clasică a sculei ) atunci categoriile în funcție de viteza de prelucrare sunt împărțite în felul următor:

1.Prelucrare cu viteze mici sub 2300 rpm , așa cum apare în secțiunea A din figura 1.7.

2.Prelucrarea cu viteze medii situată între 2300 rpm și 7500 rpm , care corespunde secțiunii B.

3.Prelucrare cu viteze mari situate în zona C lipsită de vibrații și situată între 7500 rpm pană la 45.000 rpm.

4.Prelucrare cu viteze extrem de mari cu viteze de rotație ce depășesc 60.000 rpm atunci când frecvența sculei este de 2,3 ori frecvența naturală. Aceste viteze nu sunt accesibile cu tehnologia actuală.

Figura 1.8. Evoluția capabilităților mașinilor-unelte între anii 1970-2000 [LEI’99]

1.3. Caracteristici generale ale prelucrării cu viteze mari

Conform lucrărilor [HEI’10],[MAR’02] caracteristicile definitorii ale P.V.M sunt :

Eforturile de așchiere reduse

În urma studiilor realizate s-a observat că odată cu creșterea vitezei de așchiere, de la un anumit prag în sus , eforturile de așchiere se reduc. Acest efect este determinat de înmuierea materialului în zona de formare a așchiei datorită temperaturilor înalte din acea zonă. În acest fel forțele de frecare dintre scula așchietoare și piesa prelucrată sunt reduse.

Acest efect conduce la prelucrarea cu ușurință a pieselor cu pereți subțiri folosind P.V.M. Temperatura generată la punctul de contact dintre sculă și piesa prelucrată apare mult mai repede în cazul prelucrărilor convenționale prin așchiere.

În cazul P.V.M există mult mai puțin timp pentru ca energia termică generată prin deformarea așchiei să se disipeze în restul de material, ceea ce explică concentrarea de căldură.

1.Calitatea suprafeței obținută prin așchiere este crescută

Înmuierea sau chiar topirea materialului în regiunea în care acționează muchia de așchiere, generând o noua suprafață, fie prin nivelare plastic-lichidă a celor mai mici denivelări din suprafață, fie prin șlefuirea suprafeței înmuiate de muchia de flanc a sculei.

2.Piesa prelucrată nu se încălzește

Faptul că este prea puțin timp pentru ca și căldura generată la formarea așchiei să fie disipată în restul materialului, face ca mare parte din căldură sa fie preluată și eliminată din sistem de către așchie. Pe de altă parte, piesa prelucrată rămâne la o temperatură scăzută, aspect care influențează pozitiv acuratețea dimensională, deoarece are loc o deformare termică scăzută. Pentru materialele care au un coeficient de dilatare termic ridicat, precum aluminiul, acest lucru este foarte important.

3.Folosirea unor scule din materiale speciale

Creșterea temperaturi în zona de formare a așchiei impune necesitatea folosirii unor scule rezistente la temperaturi înalte. Asemenea scule sunt realizate din carburi metalice sau materiale ceramice precum nitrura cubică de bor. Pentru a limita uzura sculei se utilizează acoperiri care asigură un coeficient de frecare scăzut.

P.V.M este nu numai un proces de prelucrare care face apel la viteze și avansuri mari, ci și o procedură care implică metode de optimizare a drumului de prelucrare, al sculelor precum și a mașinilor-unelte. [HEI’10]

În general, când se vorbește despre P.V.M. turația trebuie să depășească 15.000 rot/min, iar avansul să fie de cel puțin 5m/min , totuși așa cum se va observa în tabelul de mai jos legat de recomandările de turații și avans se poate observa că materialele ductile ca Aluminiul pot fi prelucrate cu turații și avansuri foarte mari , pe când pentru oțelurile dure sau cele care au în compoență Ti trebuie adoptate avansuri mai mici.[MIK’07],[WIT’08].

Dacă se realizează o comparație între cinematica prelucrării prin frezare și a prelucrării prin așchiere, în cazul frezarii, unde mecanismul cinematic se bazează pe o piesă aflată în mișcare de rotație, este mult mai dificil pentru sistemele de prindere a piesei, ca acestea să fie suficient de rigide pentru a face fată vitezelor și forțelor centrifuge care apar în cazul PVM. [HEI’10]

Dacă în cazul frezarii unde așchiile care rezultă din procesul de așchiere sunt scurte, în cazul procesului de găurire cu viteze mari, așchiile formate sunt continui și trebuie evacuate din zona prelucrată.

În cazul găuririi, căldura este absorbită de către scula așchietoare și de pereții zonei prelucrate. Astfel, găurirea la viteze mari devine imposibilă fără folosirea unui sistem de răcire care să ajungă în zona de contact dintre scula așchietoare și suprafața prelucrată.

În plus lichidul da răcire are și rolul de a evacua așchiile formate. [HEI’10]

Figura 1.9. Elemente definitorii ale PVM [BER’03]

Pentru a maximiza beneficiile aduse de P.V.M este important de sintetizat tehnologiile care cuprind mașina-unealtă și axul principal, port-scula și scula așchietoare. Toate componentele individuale care compun cele 3 mari grupuri trebuie să fie bine proiectate și realizate pâna la cele mai înalte niveluri, și totodată să reprezinte cele mai importante descoperiri.

Cele mai relevante criterii au fost sintetizate în figura 1.9. [BER’03]

Tabel 1.4. Variabile care influențează viteza și avansul în P.V.M.

Tabel 1.5.Tabel al setărilor recomandate pentru P.V.M pentru prelucrarea unor materiale

Se observă din fig.1.10.că viteza de prelucrare în cazul materialelor dure și dificile precum Ti, aliajele pe bază de Ni și a oțelurilor dure este limitată și sculele folosite în procesul de așchiere trebuie să facă față unor viteze mai mari. Operațiile de strunjire, frezare și găurire sunt cele mai potrivite P.V.M., astfel, că o consecință există un efort din partea producătorilor din domeniul mașinilor-unelte pentru îmbunătățirea caracteristicilor sculelor, a materialului de prelucrat și a mașinilor-unelte. [WIT’08]

Figura 1.10. Viteze de prelucrare în funcție de procesul de așchiere și materialul prelucrat . [WIT’08]

Figura 1.11.Corelație dintre viteza de așchiere și rezistența la compresiune pentru diferite materiale. Condiții de așchiere:b=3mm;f=0,1mm/rev; scula așchietoare:HC-P30-P40 acoperit cu Ti(C,N)/Al2O3;geometria sculei :

[WIT’08]

Mecanica procesului de așchiere:

Din punct de vedere a mecanicii procesului de așchiere viteza mare de așchiere coincide cu tendința asimptotică a componentelor forței de frecare cât și a forței de compresie ,astfel viteza de așchiere , indică momentul de început în care forța de frecare și energia de compresie rămân constante .

(de ex la =4000m/min pentru oțel-carbon la o rezistență ultimă la rupere de 650Mpa). Valoarea poate fi calculată folosind relația bazată pe măsurarea forței de așchiere() după cum urmează :

(1.1.), unde este o valoare asimptotică a datorată frecării, este componenta forței datorată comprimării așchiei, iar Fc este forța așchietoare.

1.4. Avantajele prelucrării cu viteze mari

Odată cu apariția mașinilor cu comandă numerică combinat cu dezvoltarea sistemelor CAD/CAM, P.M.V. și-a demonstrat avantajele superioare în fața altor tehnici de producție P.M.V fiind capabilă de a genera suprafețe de înaltă calitate, margini lipsite de bavură și piese lipsite de tensiuni interne după prelucrare, piese cu pereți subțiri și un avantaj demn de luat în calcul pentru piesele de mare precizie a fost minimizarea efectelor temperaturii asupra pieselor prelucrate [RAH’**]

Materialele avansate utilizate în realizarea sculelor pentru prelucrarea prin așchiere sunt necesare pentru proprietățile deosebite , însă carburile nu se califică din cauza stabilității chimice și termice scăzute. [WIT’08]

Avantajele P.V.M conform [Agba et al. 1999] [Hurk 1998] [Kaldos et al. 1996] [Korte 1998] [MMSonline] [Schulz & Moriwaki 1992] [Smith & Dvorak 1998] [Zander 1998] sunt:

– reducerea timpului de prelucrare cu până la 50% și creșterea ratei de eliminarea a materialului;

– nu are loc o modificare a structurii interne în timpul prelucrării ;

– calitate similară sau superioară cu cea obținută prin prelucrarea convențională;

– finisare superioară a suprafeței obținute deseori cu Ra aprox. 0,2 microni ;

– o acuratețe superioară a formei și a dimensiunilor, în special în cazul geometriilor complexe sub formă de țesătură datorită densității reduse a așchiilor;

– posibilitatea prelucrării pieselor cu pereți subțiri, care oferă posibilitatea prelucrării componentelor monobloc în locul sub-ansamblelor;

– forțe de așchiere reduse, care oferă posibilitatea folosirii unor scule cu dimensiuni reduse și formă delicată;

– încălzirea redusă a piesei prelucrate,deoarece încălzirea generată este transferată așchiei,determinând o zonă de lucru cu temperatură mai redusă;

– cantitate redusă de bavuri;

– evacuare eficientă a așchiilor;

– textura obținută este simplificată;

– posibilitatea folosirii P.V.M în cazul materialelor dure și dificile;

– posibilitatea prelucrării uscate a pieselor din metale și aliaje moi (necesitatea lichidului de răcire e redusă datorită unei zone de prelucrare mai reci);

– diminuare parcului de mașini;

1.5.Dezavantajele prelucrării cu viteze mari

În literatura de specialitate dezavantajele sunt de multe ori evitate sau tratate pe scurt.

Literatura consacrată menționează unele limitări ale P.V.M:

– costurile mașinilor-unelte, a sistemelor de fixare a axului și a sculelor este mai mare comparativ cu cele convenționale [Agba et al. 1999];

– cerințele impuse componentelor este mai mare decât în cazul prelucrărilor tradiționale, spre exemplu o rigiditate mai mare capabilă să susțină accelerații ridicate. ;

– uzura sculei este mare (în dependență directă cu materialul prelucrat)[Agba et al. 1999];

– uzura sculei în cazul materialelor dificil de prelucrat (titanium), limitează în mod semnificativ viteza de așchiere [Schulz & Moriwaki 1992];

– necesitatea regândirii tehnicilor și traseelor de prelucrare în contrast cu practicile convenționale de prelucrare [Agba et al. 1999];

– stabilitatea scăzută a prelucrării atunci când se realizează componente cu pereți subțiri cauzată de rigiditatea scăzută a piesei și care determină ca balansul și vibrațiile să apară cu o frecvență mai mare și cu consecințe dezastruoase pentru piesă. [Smith & Dvorak 1998]

– conform [Tlusty 1986] [Tlusty 1993], procesul de amortizare în cazul P.V.M. este neglijabil,ceea ce reprezintă un dezavantaj pentru stabilitatea procesului de prelucrare;

– procesul de pregătire este mult mai laborios comparativ cu procesul tradițional de așchiere , fiind necesar un volum mai mare de cod de comandă numerică care să fie generat;

– ratele crescute de accelerare și decelerare, și ciclurile de oprire și pornire ale rotorului conduce la uzura prematură a lagărelor arborelui , a șurubului cu bile și a rulmenților ceramici conducând la un cost cu mentenanța crescuta;

– P.V.M. necesită o perioadă considerabilă de „încercare și eroare” pentru planificarea optimă a procesului și asigurarea zonei din punct de vedere al protecției muncii ;

– scula, sistemul de fixare și arborele trebuie verificat permanent pentru semne de oboseală a metalului ;

– imposibilitatea prelucrării cavităților adânci și înguste ;

– adâncime de așchiere redusă pentru materiale dure ;

Pe langă avantaje și dezavantaje , prelucrarea cu viteze mari poate aduce și câteva riscuri , cum ar fi :

– regimul prea intens poate duce la fenomene dinamice (vibrații) cu efecte negative asupra calității suprafețelor prelucrate;

– orice excentricitate a sculei determină obținerea unei suprafețe calitativ necorespunzătoare;

– în cazul prelucrării materialelor care dau așchii continue, prin creșterea vitezei peste o anumită valoare, forțele de așchiere cresc din nou suprasolicitând scula și broșa portsculă;

1.6.Zona de aplicabilitate a PVM. Prelucrarea materialelor dure si dificile

Conform lucrării [RIC’09] , prelucrarea prin așchiere a materialelor dure și dificile constă în prelucrarea acelor materiale cu o duritate de peste 45 de unități pe scara Rokwell, procesele cele mai utilizate făcând referire la durități între 58-68 HRC.Materialele utilizate înclud diferite oțeluri dure aliate, oțeluri utilizate pentru producerea sculelor, superaliaje , oțeluri acoperite cu crom dur, oțeluri călite prin carbonitrizare sau părți realizate din pulberi metalurgice tratate termic.

În lucrările [NAK’88] , [ABR’95] și [RIC’09] s-au evidențiat următoarele beneficii ale prelucrării cu viteze mari a materialelor dure și dificile:

-calitatea ridicată a suprafeței obținute în special în cazul contururilor părților complexe;

-rata ridicată de eliminare de material;

-mai multe operații sunt reduse la un singur proces;

-eliminarea lichidului de răcire în mare parte din procesele de așchiere;

-necesitatea unui inventar redus de scule;

-mașinile-unelte ocupă un spațiu relativ redus în cadrul atelierului;

-impactul redus asupra mediului;

Prelucrarea materialelor dure la viteze mari este problematică deoarece uzura sculei crește substanțial odată cu viteza, iar costurile cu achiziția sculelor contribuie la costurile totale de producție.

Totuși, creșterea salariilor în timpul anilor 2000-2010 fac profitabilă investiția în așchierea cu viteze mari. Punctul de optim al costurilor totale de producție poate fi găsit în cazul vitezelor mari de așchiere, chiar dacă costurile cu sculele așchietoare cresc. Costurile cu forța de muncă se reduc abrupt odată cu reducerea timpilor de producție. Relația dintre costurile de producție și viteza optimă de așchiere vc opt este arătată în figura 1.12.

Figura 1.12.Relația dintre costurile cu forța de muncă și viteza optimă de așchiere

Conform [Schulz&Moriwaki 1992], zona de aplicabilitate a P.V.M este descrisă în tabelul de mai jos:

Tabelul 1.6 Avantajele și domeniile de aplicabilitate ale PVM

Nakayama în lucrarea [NAK’88] consideră că elementul caracteristic care diferențiază așchierea convențională față de așchierea materialelor dure ține de echilibrul energetic implicat.

Astackhov și Xiao în [AST’06] , [AST’05] , propun următorul model al echilibrului energetic în cazul proceselor de așchiere: , unde este componenta tangențială a forței de așchiere, v-viteza de așchiere, Ppd este puterea consumată în timpul deformării plastice asupra stratului eliminat , PjF este puterea consumată la interfață sculă-semifabricat, iar Pch este puterea consumată la formarea noii suprafețe. In figura 1.13. se observă diferența în privința echilibrului energetic implicat în cazul prelucrării convenționale comparativ cu prelucrarea oțelului OLC 60.

Figura 1.13. Comparație a echilibrului energetic între prelucrarea convențională și prelucrarea dură a OLC 60 [DAV’11]

Următoarele concluzii rezultă din comparația dintre cele două tipuri de prelucrări:

-energia consumată de-a lungul interacțiunii sculă-semifabricat este cea mai mare, ceea ce explică de ce componenta axială a forței de așchiere este mai mare decât componenta tangențială în cazul prelucrării dure, în timp ce în cazul prelucrării convenționale echilibrul de forte este inversat.

-o altă caracteristică a prelucrării dure și dificile este energia semnificativă consumată pentru formarea noii suprafețe, un factor care de obicei nu este luat în considerare, deși formarea și propagarea micro fisurilor sunt deseori condiții și limitări incluse în modelele teoretice de studiu a prelucrărilor prin așchiere a materialelor dure și dificile .

-energia folosită pentru realizarea deformării plastice a stratului de material așchiat este în continuare semnificativă în cazul prelucrării materialelor dure. [DAV’11]

Pentru prelucrarea matrițelor este recomandată folosirea P.V.M datorită geometriei cu cavități pe care acestea o au și a suprafeței de prelucrare dure, pe de altă parte, sculele scurte oferă productivitate crescută datorită stabilității.

Frezarea electrozilor din grafit sau cupru reprezintă o altă aplicație a tehnologiilor de prelucrare cu viteze mari și scule protejate cu carburi de titan (TiCN) sau diamant .

1.7.Strunjirea cu viteze mari a materialelor dure

Odată cu dezvoltarea industrială și creșterea economică mondială ,timp în care cererea de produse a crescut exponențial în întreaga lume ,necesitatea creșterii vitezei de prelucrare în cadrul proceselor de fabricație era de așteptat.Omul tot timpul a dorit să producă un produs într-un timp cât mai scurt cu resurse umane și totodată economice cât mai reduse.

Dacă în cadrul procesului de strunjire obișnuită piesele erau mai întâi prelucrate și apoi tratate termic , ceea ce ducea în final la scăderea preciziei pieselor datorită modificărilor de forma a materialului , modificări ce aveau loc datorită tratementului termic realizat,acum datorită tehnologiei de prelucrare cu viteză mare de așchiere se pot realiza piese cu durități mari între 50-60 HRC fară a mai fi necesar aplicarea unui tratament termic după strunjire.

Cu toate că prelucrarea cu viteze mari era cunoscută de câteva decenii în urmă , ea a început sa joace un rol foarte important incepânad cu anul 1996 , atât în industria constructoare de mașini căt și în industria aeronautică .În toată această perioadă prelucrarea cu viteză mare și-a arătat beneficiile atăt în ceea ce priveste calitatea produselor cât și în ceea ce privește creșterea productivității . [HAL’99]

În cazul prelucrărilor de precizie, datorită noilor tehnologii dezvoltate în fabricația sculelor, precum și rigiditatea structurală crescută a mașinilor-unelte strunjirea cu viteze mari devine o alternativă viabilă, oferind o reducere a costurilor și a timpilor de producție. [LAZ’**].

Industria a adoptat prelucrarea prin strunjire pentru materialele dificile în cazul unor volume de producție medii și mici, strunjire care oferă , din punct de vedere calitativ, un plus în detrimentul metodelor clasice de prelucrare.

Strunjirea cu viteze mari reprezintă o soluție în prelucrarea pieselor cu geometrie circulară sau sferică realizate din materiale dure și dificil de prelucrat precum : rulmenți, angrenaje și roți dințate, pinioane, axuri, came și valve plus o varietate de componente din industria automobilelor , cea aeronautică și aerospațială. [LAZ’**]

Strunjirea cu viteză mare a atras atenția și interesul cercetătorilor , deoarece prezintă unele caracteristici speciale în ceea ce privește forța de așchiere și forma așchiei rezultate în urma prelucrării.Lucrările experimentale ale lui ( Trent și Wright ,2000 și Erdel în 2003 ) ,au arătat ca forțele de așchiere scad cu 10-15% în cadrul prelucrării cu viteze mari .Reducerea forței de așchiere este datorată reducerii rezistenței materialului de prelucrat în raport cu scula așchietoare , aceasta fiind posibilă faptului că în zona de așchiere temperatura crește destul de mult .Temperaturile ridicate din zona de așhiere sunt datorate lipsei lichidului de răcire ungere , care conform lui (Nouari , Ginting în 2004 și Mamalis, Kundrak ,Markopoulos , Manolakos în 2008 ) .Nefolosirea lichidelor de răcire ungere este justificată de aceștia prin faptul că în jurul piesei se formează un vârtej care deviază lichidul și îl dispersează greșit , cu toate că lichidul este trimis sub presiune .În acest caz lichidului îi este forte greu să ajungă exact în zona de contact dintre sculă și piesă .Datorită neeficienței utilizării lichidelor de răcire ungere atăt din punct de vedere mecanic , economic dar nu în ultimul rând ecologic strunjirea semi-uscată și uscată răman cele mai bune variante ce pote fi utilizată în cadrul procesului de strunjire cu viteze mari a materialelor dure și dificile .

Pe lângă avantajul economic dat de eliminarea lichidului de răcire ungere (care implicit duce la simplificarea mașinii unelte ) , reducerea forțelor de așchiere are un mare avantaj în ceea ce privește prelucrarea pieselor cu pereți subțiri din cadrul industriei aeronautice .

Prelucrarea cu mare viteză a fost investigată utilizând metoda elementului finit de câțiva cercetători (Marusich and Ortiz, 1995; Özel and Altan, 2000; Koshy, Dewes and Aspinwall, 2002; Robinson and Jackson, 2005; Bäker, 2006; Hortig and Svendsen, 2007; Davim, Maranhão, Jackson, Cabral and Grácio, 2008; Tang, Wang, Hu and Song, 2009).Investigațiile au avut ca scop principal aflarea caracteristicilor referitoare la:tipul așchiei ,forțele de așchiere ,temperatura din zona de așchiere , integritatea suprafeței prelucrate și uzura sculei așchietoare .

Cele mai bune rezultate în cazul procesului de strunjire cu viteze mari s-a obținut în prelucrarea pieselor din aluminiu folosind viteze de 3500m/min. [TRE’00],[KUM’13] .

Yousefi, R și Ichida, Y [YOU’00] au utilizat așchierea cu viteze foarte mari reușind viteze de până la 15.000m/min și reușind să arate că rugozitatea suprafeței se diminuează odată cu creșterea vitezei de prelucrare iar forțele de așchiere rămân relativ constante pe plaja de viteze 1200-15.000 m/min.

În P.V.M. este esențial ca masa în rotație, fie a piesei sau a sculei , să fie bine fixată ,pentru a minimiza efectele de balans care ar influenta procesul de așchiere, dar și rugozitatea suprafeței prelucrate , situația ideală ar fi ca piesa sau scula să fie fixate în timpul așchierii, cel puțin într-un plan de stabilitate. [GRA’08]

Uzura sculei așchietoare este un factor foarte important de luat în considerare în cadrul strunjirii cu viteze mari

Figura 1.14. Investigație privind lungimea contactului sculă-așchie și apariția craterilor pe flancul sculei la strunjirea cu viteze diferite de așchiere în cadrul procesului de strunjire longitudinală [ABU’04]

Lungimea contactului dintre așchie și sculă în cazul P.V.M este dependentă atât de tipul așchiei cât și de parametrii regimului de așchiere .În urma experimentelor făcute de către Abukhshim și Nativenga în [ABU’04] s-a constatat o creștere a lungimii de contact între așchie și sculă odată cu creșterea vitezei de așchiere de la 400m/min la 1200m/min .

La strunjirea cu viteze mari o influență în ceea ce privește temperatura din zona de așchiere o are și tipul de material din care este confecționată placuța folosită.În cercetarea experimentală realizată de Usama Umer [USA’11] în care s-au folosit plăcuțe de timpul PCBN și ceramice în urma rezultatelor s-a constatat că temperatura din zona de așchiere este mai scăzută dacă se folosesc placuțe de tipul PCBN1.

Alte concluzii care au rezultat din experimentele realizate de Usama Umer în ceea ce privește diferența dintre CBN –uri și plăcuțele ceramice , sunt :

-placuțele ceramice dau forțe de așchiere mai scăzute comparativ cu cele din CBN ;

-temperatura din zona de așchiere este mai mare în cazul folosirii placuțelor ceramice ;

-placuțele confecționate din CBN-uri sunt mai rezistente la uzură decât cele ceramice ;

1.8.Frezarea cu viteze mari a materialelor dure

Prelucrarea prin frezare cu viteze înalte (HSM – High Speed Milling) este un procedeu din ce în ce mai des folosit în domeniul industriei prelucrătoare cu preponderență în domeniul construcțiilor de mașini și al industiei aeronautice.

Frezarea reprezintă un proces de așchiere intermitent realizat cu o sculă de așchiere care acționează discontinuu asupra piesei prelucrate, iar procesul de formare a așchiei este mult mai complex în comparație cu prelucrarea prin strunjire, caz în care scula are o acțiune continuă asupra piesei, iar în cazul vitezelor mari adâncimea de așchiere este mai mică decât în cazul așchierii convenționale, astfel efectul asupra secțiunii sculei nu mai este neglijabil determinând un proces complex de formare a așchiei. [KAU’04]

O definiție foarte generală a metodei de prelucrare cu viteze înalte este propusă de cercetătorul francez Alain Defretin în cartea sa “Usinage a Grande Vitesse”.

„Prelucrarea cu viteze înalte înglobează toate procedeele de frezare (viteze de avans ridicate sau viteze de rotație ridicate ale axului principal), procedee care sunt superioare celora care sunt considerate în ziua de azi controlate, din punct de vedere practic” .

În cazul prelucrării cu viteze înalte, turația axului principal al masinii este mai mare de 15.000 rotații pe minut, așa cum este prezentat în imaginea de mai jos. [IVA’11]

McGee [MCG’84] a realizat primele cercetări privind frezarea componentelor din aluminiu și a tras concluzia că sculele din carburi sunt preferate pentru prelucrarea aluminiului.

In cazul producerii pieselor de înalta precizie, a celor de serie mică sau a pieselor unicat ,frezarea cu viteze mari este soluția preferată datorită flexibilității și a timpului scurt de procesare. [FRE’08]

In lucrarea [TUG’98] , Tugrul a investigat operația de frezare utilizând drept metodă de simulare a formarii așchiei, a eforturilor și forțelor de așchiere, metoda elementului finit. Acesta a utilizat scule din carbură de tungsten și otel P20 ,concluziile fiind următoarele : există o corelație foarte bună între model și valorile experimentale.

Yaha [ABO’05] a investigat frezarea oțelului-inox AISI 304 care are o prelucrabilitate scăzută împreună cu scule cu plăcuțe amovibile multi-strat din carburi (TiN,TiCN) concluzionând că durata de viața a sculei este invers proporțională cu viteza de așchiere iar variația avansului are un efect neglijabil asupra sculei la viteze mari utlizate în așchiere.

S-a observat un foarte bun răspuns a folosirii carburilor metalice la prelucrarea oțelurilor dure precum și a sculelor realizate cu acoperiri ceramice Si3N4. [KLO’11]

Cea mai largă utilizare a frezării se întâlnește în prelucrarea matrițelor și poansoanelor din oteluri dure cu HRC între 45 si 64 precum P-20,H-13 si S-7. [ZUR’04]

O componentă importantă în ansamblul cinematic al unei mașini-unelte este axul portsculei care trebuie să ofere un cuplu mare pentru viteze de rotație mici și o putere optimă pentru o plajă largă de viteze , de aceea e aproape generalizată adoptarea de rulmenți ceramici pentru creșterea rigidității și a stabilității la temperatură , iar portscula este de tip HSK pentru că un echilibru dinamic la viteze foarte mari.

De asemenea,comanda M.U. prin sisteme CNC oferă o rată de procesare a materialului foarte bună , o prelucrare și o procesare foarte bună a datelor precum și o capabilitate foarte buna de a face fata “servo-întârzierii”(perioada de poziționare a mașinii comandata de CNC), deoarece orice mișcare care nu e continuă cu calea programată determină un efort suplimentar care conduce la o defectare prematură. [ZUR’04]

Frezarea cu viteze mari și comandă CNC este o componentă esențială în industria aeronautică , utilizată de exemplu în realizarea rotorului din titan pentru compresorul de înaltă presiune al motorului Eurojet EJ 200 care echipează avioanele Eurofighter Typhoon. [POP’10] .

Frezarea pe 5 axe(3 axe de translație si 2 axe de rotație ) aduce avantajul prelucrării unor geometrii complexe putând aborda orice poziție de lucru pe piesa orientând scula la orice unghi dorit. [FRE’08]

Frezarea cu comanda numerică da posibilitatea ca în cazul pieselor prototip, a matrițelor și poansoanelor , suprafețele complexe să necesite cel puțin 1milion de linii de cod ,astfel, reducând timpii de prelucrare și determinând îmbunătățiri substanțiale ale ciclului de lucru.[MOR’**]

1.8.1.Procesul formării așchiilor la frezarea cu viteze mari a materialelor dure

Din punct de vedere al tipului de așchii conform literaturii de specialitate există:

 Așchii discontinue: materiale fragile (de ex. fontă, bronz), fig.1.16 a.

 Așchii în trepte (așchii fragmentate) care rezultă în urma prelucrării materialelor dure și tenace (OL60/OL70) sau oțeluri aliate, – fig.1.16, b.

 Așchii continue (de curgere) care rezultă în urma prelucrărilor materialelor moi și maleabile (de ex. oțeluri inox, alama, cupru, aluminiu, aliaje din aluminiu, etc.). – fig.1.16 , c.

a b c

Mecanismul formării așchiilor în prelucrarea materialelor cu viteză mare este prezentat de [TOE’13] în imaginea de mai jos:

Se observă următoarele:

a) Ruperea prin alunecarea așchiei,

b) Refularea materialului,

c) Formarea zonei de forfecare,

d) Decoeziunea în zona de așchiere,

e) Începutul ruperii prin alunecare,

f) Ruperea prin alunecare a așchiei.

Fenomenele dinamice sunt influențate în mod direct de variația forțelor apărute în timpul procesului de așchiere, forțe care sunt influențate la rândul lor de mai mulți parametrii, printre care :

Viteza de așchiere – V [m/min],

Avansul pe dinte – sz [ mm/rot],

Adaosul de prelucrare principal ( axial ) : ap [mm],

Adaosul de prelucrare secundar ( radial ): ae [mm],

Rigiditatea mașinii, unghiurile constructive ale frezei, etc.

1.9. Găurirea cu viteze mari

Procesul de găurire este larg răspândit și are un impact economic cert prin faptul că este folosit printre etapele finale în fabricarea componentelor mecanice.

Geometria sculei și deformarea prin compresie a materialului determină în cazul găuririi un proces complex datorită faptului că în zona centrală de găurire ,pe muchia cuțitului, viteza de găurire variază în funcție de distanta fată de axul sculei , iar materialul prelucrat este tăiat sub un unghi de așchiere mare, viteza de prelucrare crescând odată ce ne depărtăm de centrul sculei spre marginea acesteia. Pentru a asigura un volum mare de material

prelucrat ,este necesar ca viteza de așchiere și avansul per mișcare de revoluție să aibă valori ridicate. [RUI’07]

Găurirea cu viteze mari este definită ca procesul de așchiere, care, contrar procesului de găurire convențională , folosește viteze mai mari cu un factor de cel puțin 4. [HEI’10]

Contrar procesului de frezare, unde orice creștere a vitezei poate fi compensată prin folosirea de avansuri ridicate și de adâncimi mai reduse, astfel orice provocare întâlnită în cazul vitezelor convenționale devine mult mai pronunțata la viteze de rotație și avansuri crescute, iar ca problemă principală se observă găsirea unei metode de eliminare a căldurii și așchiilor odată ce scula avansează în material. [ZEL’98]

Conform lucrării [AMA’05], „Guhrin.Inc” folosește viteza mare de găurire ,raportată la viteza destul de ridicată a axelor de lucru ale mașinilor-unelte, pentru a permite rate de avans axial de trei pană la zece ori avansul convențional utilizat la găurire, în funcție de materialele prelucrate. In plus „Guhrin.Inc.” susține că procesul de găurire poate fi materializat chiar pe mașini-unelte obișnuite, cu aceeași durabilitate scontată la scule, făcând schimbări asupra altor componente ale procesului tehnologic , cum ar fi: dispozitivul port-burghiu, burghiul, sistemul de răcire.

În primul rând toți parametrii procesului de găurire trebuie măsurați când viteza de lucru creste, lichidul de răcire este bine să fie dirijat axial și sub presiune mai ridicată , pentru a ajunge direct în vârful sculei, dacă se dorește mărirea durabilității sculei la viteze mari de lucru. Un element cheie este folosirea răcirii, iar acest lucru e realizat deseori prin canale în interiorul sculei care conduc lichidul de răcire spre vârful sculei și astfel putem atinge două ținte : creșterea durabilității sculei și evitarea sudurii dintre așchie și sculă care poate conduce la consecințe grave pentru ansamblul de așchiere .[ZEL’98]

Fig.1.18.Muchia unui burghiu acoperit cu TiCN înainte de utilizare (a) și

după utilizare (b) cu aderare de așchii [PAR’04]

Un alt element definitoriu pentru găurirea cu viteze mari este atenuarea erorii de centrare deoarece cu cât viteza crește cu atât devine mai important ca linia centrală să își păstreze poziția inițială , de aceea la viteze mari e necesar ca scula să fie realizată din materiale rezistente la uzură și temperaturi înalte precum carburile sau plăcuțele ceramice pentru a mari stabilitatea sistemului de prelucrare .[ZEL’98]

Eforturile de așchiere distribuite uniform datorită abaterii de concentricitate scăzute sunt o condiție esențială pentru atingerea unor valori acceptabile a duratei de viață pentru aceste materiale casante, în special în cazul vitezelor de rotații de peste 10.000 rot/min.Astfel excentricitatea nu ar trebui să depășească 20 de microni,eroare măsurată după ce scula a fost fixată în port-sculă și apoi pe arbore, și care reprezintă suma excentricităților celor patru componente: arborele mașinii, interfața dintre arbore și port-sculă, interfața dintre sculă și portsculă, precum și scula propriu zisă.

Primele 2 componente nu aduc un aport major la eroarea de concentricitate în special în cazul mașinilor-unelte noi , iar sculele au fost proiectate pentru a preveni eroarea de excentricitate permițând pentru sistemul de prindere a portsculei o toleranță mai mare a erorii de excentricitate, alegerea unei portscule în diferite configurații generând o eroare de cel puțin 20 de microni.[ZEL’98]

Pentru a limita eroare de concentricitate „Guhrin” recomandă utilizarea mandrinelor de tip HSK pentru fixarea și prinderea sculelor , care asigură erori de fixare a burghielor în limita câmpului de tolerantă indicat anterior la turații de lucru care nu depășesc 15.000 rot/min.

O altă condiție este legată de materialul din care este construită scula. La viteze inferioare, pot prelucra eficient și burghiele din oțel rapid, care prezintă o duritate și rezistență la flambaj destul de ridicată. La aplicații care necesită viteze mai mari de lucru sunt recomandate burghiele pe bază de carburi sau burghiele ceramice care prezintă rezistentă mecano-termică ridicată. [AMA’05].

O consecință inevitabilă a găuririi cu viteze mari este uzura mai rapidă a muchiei așchietoare și o temperatură ridicată pe tăiș. Din acest motiv, orice sculă pentru găurirea cu viteze mari trebuie aleasă din condiția ca durabilitatea să fie maximă. Impunerea acestei condiții, la viteze mari de lucru elimină însă utilizarea oțelului rapid ca material de construcție a sculelor, și de aceea, într-un mare număr de aplicații de găurire cu viteze mari, se utilizează burghiele confecționate din carburi care sunt acoperite cu straturi de titan , mult mai rezistente la temperaturi ridicate decât otelul rapid.

Rezistența la temperaturi ridicate devine și mai importantă pe măsură ce pentru alezaj raportul lungime/diametru crește. [AMA’05].

În cazul găuririi cu viteze mari, trebuie luate în considerare faptul ca există materiale cu o mai bună rezistență la uzură decât carburile , și anume, materialele policristaline pe bază de diamant (recomandat pentru materiale neferoase) și nitrura cubică de bor (pentru oțeluri),care deși au costuri de utilizare ridicată pot fi folosite în industriile cu rate de profit ridicate. Dezavantajul constă în faptul că duritatea scăzută le face vulnerabile la vibrații și șocuri termice [ZEL’98]

În industria electronică găurirea de mare viteză își arată din plin roadele prin cuplarea vitezelor de rotație ale arborilor de până la 80.000 rpm cu folosirea C.N. pentru asigurarea unei productivități foarte bune.[1]

Noi studii au arătat că pentru prelucrarea aluminiumului sau oțelului, un filet poziționat la 15 grade de centru oferă cea mai eficientă cale de evacuarea a așchiilor în cazul PVM, pe când în cazul materialelor care generează așchii scurte, ca de exemplu fonta, un filet poziționat la zero grade este soluția ideală.[ZEL’98]

O altă zonă de dezvoltare este microgăurirea pentru aplicabilitatea în domenii de interes, precum realizarea de măști, filtre, componente electronice, găuri de test pentru a verifica scurgerea în diferite piese, duzele din pompa de injecție, duzele de injecție pentru imprimantele cu jet, produse pentru inhalat, găuri de calibrare a scurgerii sau pulverizatoare.[2]

Figura 1.19.Microgăurire de precizie în piesă din oțel-inox .[2]

Microgăurirea se poate realiza într-o multitudine de materiale, de la pelicule sau tuburi din polimeri sau sticlă până la diamant ,ceramice sau tablete din siliciu în industria semiconductorilor.[2]

Potomac Photonics Inc. a reușit să dezvolte procesul de producție a microgăurilor de precizie ajungând la realizarea de găuri cu dimensiuni de 10 microni cu o toleranță strânsă în piese din oțel-inox cu o grosime de 300 microni, dimensiunea găurilor putând coborî până la 1 micron, în anumite condiții. [ADE’13]

Compania Datron Dynamics reușește să asigure rotații de 60.000rpm și realizează găuri cu diametre de 100 de microni ,cu o precizie și repetabilitate pe toate cele 3 axe de lucru, de asemenea compania promite asigurarea de găuri fără bavuri.[3]

1.10.Materiale dure și dificile

Dezvoltările din domeniul construcțiilor de mașini din ultima decadă în ceea ce privește producția sculelor și a tehnologiilor folosite în centrele de prelucrare au condus spre prelucrarea prin așchiere a unor semifabricate din ce în ce mai complexe din punctul de vedere al formei și geometriei ,în special în cazul acelor componente realizate din materiale dure si dificile.

Folosirea materialelor dure și dificile este prezentă în special în domeniul producției auto și aeronautice datorită aplicațiilor care rezultă din proprietățile specifice ale acestor metale. Acestea prezintă un raport ridicat duritate/greutate, rezistență ridicată la coroziune și un coeficient redus de dilatare termică.

Forțele necesare pentru prelucrarea aliajelor din Ti sunt mai mari decât cele necesare la prelucrarea oțelurilor, de asemenea caracteristicile mecanice ale aliajelor din Ti determină o prelucrabilitate mai redusă în comparație cu semifabricatele din oțel, la un nivel comparabil de duritate. Durificarea prin deformare mecanică în cazul aliajelor din Ti se realizează foarte ușor, ceea ce determină o așchie subțire care intra în contact cu muchia de așchiere a sculei pe o suprafața relativ redusă. Frecarea creată în timp ce așchia înaintează pe fata de degajare a sculei conduce la o creștere a căldurii pe o porțiune localizată a sculei.

Aceasta căldură nu se disipează rapid în aer din cauza unei conductivități scăzute a Titanium-ului, astfel o cantitate semnificativă de căldură se acumulează între muchia de așchiere și fata de degajare a sculei. Din lucrările [OKA’07],[FNI’08],[KOE’10] se pot observa o serie de caracteristici ale acestor materiale sintetizate în tabelul 1.7.

Tabelul 1.7 Proprietățile mecanice care influențează prelucrabilitatea

Conform lucrării [STJ’04] prelucrabilitatea prin așchiere poate fi determinată folosind următorii parametri: rezistenta la uzură ,forța specifică de așchiere, modul de rupere a așchiei, acumularea de material pe muchia așchietoare, tipul de acoperire al sculei.

Fiecărui parametru i se asociază o valoare iar rezultatele sunt trecute într-un index relativ, notat indice B . Dacă structura semifabricatului este ignorată se poate construi următoarea diagramă pentru oteluri-carbon și oteluri inox. Trebuie remarcat că indicele relativ de prelucrabilitate prin așchiere(B) nu coincide cu viteza de așchiere. Pentru otelul carbon viteza recomandată de așchiere creste odată cu descreșterea conținutului de carbon :

Figura1.20. Reprezentare schematică a indicelui relativ de prelucrabilitate în raport cu concentrația de Carbon pentru oțelurile aliate. [STJ’04]

Aliajele din oțel (care formează așchii lungi )

Oțeluri aliate cu 0.05%-2%C,Mn,S,P (suma elementelor aliate < 5%) ,fonte, oțeluri inox martensite sau ferite și oțelurile recoapte. Otelurile-inox martensite sunt în general mai dificil de prelucrat decât cele feritice sau cele cu niveluri scăzute de aliere. Otelurile rapide pot fi prelucrate la viteze mici (<30m/min) însă sculele din carburi metalice permit viteze și rate de avans mai ridicate. [FNI’08] , [4]

Figura 1.21 Indicele de prelucrabilitate a oțelului-inox [STJ’04]

Oțeluri austenitice (>12%Cr) , Oțel-Mangan, fonte aliate

Acestea sunt caracterizate de formarea așchiilor lamelare , conductivitate scăzută și depuneri pe muchia de așchiere. Un conținut scăzut de Cr/C îmbunătățește prelucrabilitatea prin așchiere. Tragerea la rece și recoacerea reduc formarea de bavuri și formarea depunerilor pe muchia de așchiere îmbunătățind calitatea suprafeței obținute , integritatea și formarea așchiei. Prelucrarea otelurilor inox necesită aceleași precauții ca în cazul oțelurilor austenitice. Sunt în general mai greu de prelucrat decât feritele, oțelurile carbon sau aliajele ușoare. Se fixează puternic de scula așchietoare și pot deteriora scula . Otelurile rapide pot fi prelucrate la viteze scăzute însă folosirea sculelor cu plăcuțe amovibile din carburi oferă o plaja largă de valori pentru viteza de prelucrare și pentru ratele de avans. [KOE’10] , [STJ’04]

Fonta (2-4%C)

In cazul acestor aliaje în procesul de prelucrare prin așchiere ne rezultă așchii scurte care au capacitate mare de aderență la taișul sculei așchietoare.În general fontele sunt materiale foarte greu de prelucrat . Carburile abrazive Fe3C pot fi stabilizate cu ajutorul Si. Un conținut înalt de C formează structuri grafitice și în consecință îmbunătățește prelucrabilitatea. Structura în zona cementita necesită scule realizate din nitrură cubică de bor . [KOE’10] , [STJ’04]

Figura 1.22 Indicele de prelucrabilitate a fontei [STJ’04]

Oțeluri dure

Zona de contact dintre muchia sculei așchietoare și semifabricat acumulează temperaturi și presiuni ridicate. De obicei sunt utilizate scule ceramice sau din nitrură cubică de bor. Acest grup conține oteluri călite și dure cu o duritate mai mare de 48-68 HRC precum, oțeluri cu dispersie de carburi (~60 HRC), oțeluri speciale pentru rulmenți (~60 HRC) și oțeluri pentru scule (~68 HRC). Dintre fontele dure se remarcă fonta alba (~50 HRC) , fonta bainitică (~40 HRC) și oțelurile folosite în construcția de mașini-unelte (40–45 HRC).

Forțele de prelucrare specifice ating 2550–4870 N/mm².Materialul din care este realizată scula așchietoare trebuie se aibă o rezistenta bună la deformarea plastică, stabilitate termică la temperaturi înalte , rezistentă și duritate mecanică la uzura abrazivă [FNI’08] , [OKA’07]

Titanul și aliajele de titan

Titanul ca metal pur

Titanul are caracteristici superioare față de alte metale, printre care densitate mică (4,5-5 g/cm3), temperatură înaltă de topire (tt = 1660 °C), coeficient de dilatare redus, rezistivitate electrică mare, modul de elasticitate de două ori mai mic decât al fierului și al oțelurilor, conductivitate termică foarte redusă și un paramagnetism excelent.

Titanul are doua forme alotropice stabile: Ti α cu rețea hexagonal compactă și Ti β cu rețea cubică cu volum centrat; trecerea de la o faza la alta a Ti se realizeaza la creșterea temperaturii peste 882°C [BHA’02] [COL’94] [DUM’07] [NEU’04]

În structura cubică cu volum centrat atomii sunt în vârfurile și în centrul celulei elementare, iar fiecare atom are opt vecini care se află la distanțe egale. Această stare este stabilă în domeniul de temperaturi 885°C ÷ 1672°C și este denumită starea β . [FAT’97]

Structura hexagonal compactă este formată prin suprapunerea straturilor suprafețelor compacte în șir, astfel încât fiecare atom dintr-o suprafață are câte 3 atomi vecini din suprafețe adiacente. Această structură este stabilă până la valoarea temperaturii de 882°C, având denumirea de starea α. [FAT’97]

Duritatea titanului este relativ mică (100-225 HB) și este direct proporțională cu creșterea concentrației impurităților, conform tabelului 1.8 Impuritățile solubile (H, C, N interstițiale și O2 prin substituție) au o acțiune de creștere a duritații titanului, crescând și rezistența mecanică, iar plasticitatea și rezistența la coroziune scad. În tabelul 1.8. se arată influența purității asupra duritații titanului.

Tabel 1.8 Influența purității asupra durității titanului [DUM’07] , [FAT’97]

Aliajele din Ti

Titanul grad 1 este un titan "ne-aliat" oferind ductilitate optimă și plasticitate la rece. Materialul are duritate înaltă la impact și este ușor sudabil. Este bun pentru turnare și uneori este utilizat ca și matriță în stomatologie. Datorită rezistentei la coroziune este folosit uzual în Industria Chimică și Marină, iar datorită plasticității în Industria Aeronautică.

Aliajul Ti-6Al-4V este cel mai utilizat aliaj de titan clasa alfa- plus- beta și este de asemenea cel mai comun dintre aliajele de titan. Aliajul este turnabil și este utilizat în piese turnate la articolele sportive. Ca material forjat este folosit în aeronautică, medicină și alte aplicații unde sunt cerute : greutate relativ ușoară, rezistentă mare la solicitare și proprietăți favorabile la coroziune.

Titanul grad 9 conține 3,0% Aluminiu și 2,5% Vanadiu. Acest grad este un compromis între ușurința cu care se sudează și prelucrează gradele "pure" de titan și rezistența înaltă a Titanului grad 5. Se folosește uzual în confecționarea tubulaturii aviatice, pentru echipament hidraulic.[5]

Aliajele din Ti sunt văzute ca având o prelucrabilitate scăzută. Se poate spune faptul că prelucrarea prin deformare a aliajelor din Ti este mai scăzută decât în cazul oțelurilor inox austenitice. Forțele necesare prelucrării prin așchiere sunt mai reduse decât în cazul aliajelor din Ni, sau Cu.Așchiile sunt segmentate și tind să se fixeze de muchia așchietoare . La temperaturi care depășesc 600oC, faza dură și casantă este oxidată rapid pe suprafața obținută a semifabricatului.

Conductivitatea termică scăzută conduce la o temperatură ridicată pe suprafața de contact și astfel determină o scădere a duratei de viată sculei, ceea ce necesită alegerea unui sistem de răcire adecvat. Sculele nu folosesc acoperiri din cauza procesului de difuziune asociat Ti, ci se folosesc în masa sculei particule fine de WC-Co. [OKA’07]

Capitotul 2

FORMAREA AȘCHIEI ,FORȚELE IMPLICATE ȘI TRANSFERUL TERMIC LA PRELUCRAREA MATERIALELOR DURE ȘI DIFICILE

2.1. Formarea așchiei în cazul prelucrării cu viteze mari prin strunjire

La începutul procesului de formare a așchiei, secțiunea de tăiere penetrează materialul, determinându-l să se deformeze mai întăi elastic și apoi plastic . După ce limita maximă permisă de coeficienții materialului în cazul efortului de forfecare este depășită, materialul începe să curgă. Condiționat de geometria secțiunii de așchiere, materialul deformat determină o așchie, care alunecă pe fața de degajare a sculei . [BOK’**]

Figura 2.1Aschie peste care s-a realizat o înfășurare pentru a observa zonele de deformare.

[BAK’05]

Proprietatea de deformabilitate plastică nu este în relație unică doar cu materialul, efortul de așchiere este influențat de viteza de avans vf, de viteza de așchiere vc și de adâncimea de așchiere ap. În ceea ce privește cinematica procesului, direcția efortului de așchiere a secțiunii este determinată prin definirea unghiului de așchiere a normalei , unghiul muchiei de așchiere ,precum și de înclinare a muchiei de așchiere . [BOK’**]

Viteza de tranziție de la care forma așchiei se schimbă din așchie continuă, în așchie discontinuă, diferă în funcție de material și de viteza de așchiere. Viteza la care forfecarea se dezvoltă, și de la care segmentele individuale sunt complet izolate descresc odată cu creșterea durității.

Figura 2.2 Mecanismele de formare a așchiilor [KLO’11]

Komanduri [KOM’82] a studiat morfologia așchiei determinate de prelucrarea aliajului de Ti-6Al-4V și a definit producerea așchiilor zimțate drept „ așchii de forfecare catastrofică”, atribuind acest tip de așchie zimțată, instabilității plastice în prima zonă de forfecare ,ce conduce la forfecarea catastrofică de-a lungul suprafeței de forfecare. Komanduri a concluzionat că „așchia de forfecare catastrofică ”există pentru toate vitezele de prelucrare, iar teoria nu poate explica morfologia așchiei la diferitele viteze de prelucrare

Figura 2.3 Morfologie generală a așchiilor

Shaw [SHA’93] analizează și formarea așchiilor la prelucrarea aliajului din Ti și observă că odată cu creșterea vitezei de prelucrare, zona secundară de deformare se extinde; există deformații severe în a doua zonă de deformare și se prezintă deformări sub suprafață de-a lungul primei zone de deformare. De asemenea se observă că instabilitatea plastică locală joacă un rol în ruperea ductilă din procesul de strunjire.

2.1.1Tipuri de așchii obținute la strunjirea cu viteze mari a materialelor dure și dificile

Forma așchiilor rezultate la prelucrarea prin așchiere depinde de natura materialului de prelucrat, de forma geometrică a sculei și de regimul de așchiere .

Așchii continue: așchia alunecă de-a lungului feței așchietoare cu o viteză constantă într-o curgere continuă. Formarea unei așchii continui este favorizată de o structură fină a grăunților și o ductilitate ridicată a materialului prelucrat, cu viteze mari de așchiere și forțe de frecare scăzute cu fața de degajare a sculei, de un unghi de așchiere pozitiv și de o grosime scăzută a așchiei nedeformate așa cum apare în figura 2.4. [TOE’13]

Figura 2.4 Prezentarea așhiei continue rezultată din procesul de strunjire longitudinală [6]

Așchii lamelare: este un proces periodic și continuu de formare a așchiei similar procesului de formare a așchiilor continue . Cu toate acestea, există variații în procesul de deformare care determină fisuri sau chiar benzi de forfecare concentrate. Zonele lamelare sunt produse datorită proceselor elastomecanice sau termice .

Așchiile lamelare apar în piese cu ductilitate ridicată , însă cu o duritate ridicată și la viteze de prelucrare ridicată. Deformări structurale ridicate la nivel local sau benzi de forfecare pot fi recunoscute în structura așchiei și sunt caracteristice acestui tip de formare a așchiei . Benzile de deformare sunt generate în special de vitezele ridicate de prelucrare dar și în cazul materialelor dure., [TOE’13] [KLO’11]

Așchii segmentate: este formarea discontinuă a așchiei cu mai mult sau mai puține elemente conectate, însă cu variații semnificative în gradul de deformare de-a lungul zonei de curgere a materialului. Apare în special în cazul unghiurilor negative de așchiere, cu viteze mai scăzute și grosimi ridicate ale așchiei. Fizic, aceste așchii segmentate seamănă cu așchiile discontinui obținute la viteze foarte mici. Viteza de tranziție de la care forma așchiei se schimbă din așchie continuă în așchie discontinuă diferă în funcție de material. Viteza la care forfecarea de fractură se dezvoltă, și de la care segmentele individuale sunt complet izolate descresc odată cu creșterea durității. Studiile desfășurate au arătat că formarea așchiilor segmentate nu are legătură cu vibrația mașinii ci este legată de caracteristicile metalurgice intrinseci ale materialului prelucrat pentru condițiile de prelucrare folosite.

Așchii discontinue: apar în cazul în care ductilitatea plastică a materialului este foarte scăzută sau zonele de alunecare predefinite sunt formate datorită neomogenității ridicate. Parte a materialului prelucrat este smuls fără o deformare semnificativă. Suprafața prelucrată este produsă în special de procesul de rupere în formarea așchiei decât de muchia sculei. Pot fi văzute ca un caz particular de așchii lamelare unde apar deformările puternic locale (benzile de forfecare). [KLO’11] [TOE’13]

Formarea fisurilor și forfecarea localizată în cazul deformărilor ridicate generate de forfecare la viteze mari conduce la ruptură în zona superioară a primei zone de forfecare.

Atât echilibrul termodinamic cât și formarea periodică de fisuri contribuie la mecanismul de formare al așchiilor la viteze mari. În figura. 2.5 se observă cedarea catastrofică de-a lungul suprafeței de forfecare, în care fisurile de-a lungul suprafeței de forfecare nu pot fi acoperite de deformarea plastică. Mai mult, deformarea plastică ridicată determină inițierea de micro fisuri între particulele competente ale aliajelor.

Figura.2.5 Cedarea catastrofică a materialului în zona de forfecare(v=320m/min, f=0,2mm/rev) [FAR’11]

Așchiile de fragmentare sau de forfecare se obțin la prelucrarea materialelor dure și semidude.

2.2. Forțele ce apar la găurirea materialelor metalice prin burghiere

La găurire, forțele de așchiere acționează pe cele două tăișuri principale ale sculei, fiind îndreptate oarecum în spațiu. Raportând burghiul la un sistem de referință triortogonal, forțele de așchiere se pot descompune în următoarele componente: componentele axiale – pe direcția axei burghiului, care trebuie învinse de mecanismul de avans al mașinii, pentru a se putea realiza deplasarea axială a sculei. Aceste componente își însumează efectul, solicitând burghiul la compresiune cu forța axială Fx: componentele tangențiale – pe direcția vitezei principale de așchiere, care dau naștere momentului de torsiune Mt, a cărui mărime condiționează valoarea puterii necesare operației de burghiere; v componentele radiale – care, în cazul unei ascuțiri identice a celor două tăișuri, sunt egale și de sens contrar și, ca urmare, se anulează. [TAN’12]

Forțele de așchiere

Fx-forța axială de așchiere.

Fz- forța tangențială de așchiere.

Fy- forța radială de așchiere.

În timpul găuririi cu burghiul elicoidal se pot produce abateri caracteristice, care influențează negativ precizia de prelucrare. Precizia diametrului găurii prelucrate depinde de toleranța la diametrul burghiului și de erorile care apar datorită supralărgirii găurii. Supralărgirea se manifestă prin aceea că diametrul găurii rezultă este mai mare decât diametrul burghiului și se datorează ascuțirii defectuoase, nesimetrice a tăișurilor principale. Nesimetria tăișurilor face ca componentele radiale P să fie diferite și să nu se mai echilibreze reciproc, putând apărea devierea burghiului, mărirea considerabilă a frecării fațetelor de ghidare pe pereții găurii și supralărgirea găurii. Altă cauză a supralărgirii găurii constă în necoaxialitatea părții așchietoare a burghiului cu coada sa. La găuri cu diametrul până la 50 mm, supralărgirea poate ajunge la valori de (0,2…l,2) mm. [TAN’12]

Factorii care influențează mărimile forței axiale și a momentului de torsiunePrincipalii factori luați în considerare sunt :

Elementele regimului de așchiere :

-adâncimea de așchiere ;pentru că la burghiu adâncimea de așchiere este egală cu jumătate din diametru iar creșterea acesteia determină creșterea secțiunii așchiei nedetașate , prin urmare forța axială și momentul de torsiune vor crește.

-avansul ; odată cu mărirea avansului ,crește secțiunea așchiei nedetașate prin urmare cresc fora axială și momentul de torsiune.

-viteza de așchiere; creșterea vitezei de așchiere duce la scăderea forței axiale și a momentului de torsiune , dar numai la valori mari ale vitezei când deformarea materialului este mică.

Parametrii geometrici ai burghiului :

-unghiul de degajare;

-unghiul de asezare din planul frontal;

Lichidele de așchiere ; utilizarea acestora în procesul de burghiere determină o scădere a mărimilor forței și a momentului de torsiune .

Tratamentul aplicat semifabricatului și duritatea acestuia

Nivelul de uzură a burghiului

La găurire,

forțele

La găurire,

forțele de așchiere acționează pe cele două tăișuri principale alesculei, fiind îndreptate oarecum în spațiu. Raportând burghiul la un sistem dereferință triortogonal, forțele de așchiere se pot descompune în următoarelecomponente:



componentele axiale

–

pe direcția axei burghiului, care trebuie învinse demecanismul de avans al mașinii, pentru a se putea realiza deplasarea axialăa sculei. Aceste componente își însumează efectul, solicitând burghiul lacompresiune cu forța axială Fx:

componentele tangențiale

–

pe direcția vitezei principale de așchiere, caredau naștere momentului de torsiune M

t

, a cărui mărime condiționează va-loarea puterii necesare operației de burghiere;



componentele radiale

–

care, în cazul unei ascuțiri identice a celor două tăi-șuri, sunt egale și de sens contrar și, ca urmare, se anulează.

2.3 Transferul termic la găurirea cu viteze mari

Găurirea semiuscată și uscată sunt două direcții de cercetare în ceea ce priveste găurirea , la care se mai adaugă și vitezele mari de așchiere utilizând materiale dure.Toti cei 4 factori menționați mai sus duc la creșterea căldurii produse în zona de așchiere .Deoarece realizarea găurilor este operația cea mai costisitoare din punct de vedre economic ,realizarea acestei operații cu minim de lubrifiant este chia reducerii costurilor.[TIB’95]

În procesul de burghiere , mai mult de 90 % din lucrul mecanic produs de deformarea plastică este trasfertat în căldură.[HEG’07] ,ca urmare a unui proces de deformare volumică,realizată prin comprimarea până la starea de curgere plastică a stratului de metal , sub acțiunea tăișurilor burghiului .

Trasferul de căldură are loc prin trei mecanisme distincte:convecția termică ,conducția termică și radiația termică [NEA’02]

Transferul de căldură prin covecție are loc la suprafața de contact dintre un solid și un fluid (lichid sau gaz ).Energia este înmagazinată în fluid și transportată ca rezultat al mișcării acestora.Elementul caracteristic trasferului de căldură prin convecție este coeficientul individual de trasfer (α ) , care reprezintă căldura schimbată prin convecție între fluid și unitatea de de suprafață a unui corp solid .Rata de pierdere a căldurii unui corp ca urmare a procesului de convecție este proporțională cu diferența de temperatură între corp și mediu înconjurător –ecuația de răcire a lui Newton.

Trasferul de căldură prin conducție termică se poate realiza și între medii diferite aflate în contact fizic.Transferul de căldură este proporțional cu o caracteristică a materialului numită conductivitate termică , caracterizată de coeficientul global de trasfer de căldură.

Transferul de căldură prin radiație termică.Radiația termică se deosebește în principiu de cele două procese de trasfer de căldură (conducția și convecția) prin aceea că nu este necesar un purtător material pentru trasmiterea căldurii.În cazul radiației termice , este vorba de unde electromagnetice cu lungimi de undă în domeniul infraroșu , a căror energie provine din energia internă a corpurilor .În procesul de așchiere ,inclusiv la burghiere sunt prezente toate cele trei mecanisme de trasfer termic .Temperaturile ridicate existente în procesele de prelucrare prin așchiere reprezintă principala cauză care duce la reducerea duratei de viață a sculei așchietoare , cu efecte și limitări nesatisfăcătoare în ceea ce privește calitatea produselor finale ,influența temperaturii devenind mai importantă odată cu creșterea vitezei de așchiere.

Convențional se poate considera că există trei surse de căldură care provin din următoarele direcții:[GRA’85]

-planul de forfecare;

-suprafața de degajare a sculei;

-fața de așezare a sculei;

Dacă se notează cu Qϕ , Qγ și Qα cantitatea de căldură provenită din aceste surse , atunci , cantitatea totală de căldură este dată de relația :Q= Qϕ + Qγ + Qα [J]

Căldura degajată se propagă în așchie, sculă ,piesă și mediu înconjurător , astfel că se poate face precizarea din condiția de bilant termic.

Q= Qϕp + Qϕa + Qαp + Qαa + Qγs + Qγa + Qma [J] în care: [BOR’13]

Qϕp – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de derormare în planul de forfecare și preluată de piesă ;

Qϕa – cantitatea de căldură provenită din transformarea lucrului mecanic de deformare în planul de forfecare și preluată de așchie;

Qαp – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de frecare pe planul de așezare și preluată de piesă ;La găurire,

Qαa – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de frecare pe planul de așezare și preluată de sculă ;

Qγs – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de frecare pe planul de degajare și preluată de sculă ;

Qγa – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de frecare pe planul de degajare și preluată de așchie ;

Qma – cantitatea de căldură preluată direct de mediul ambiant ; [BAR’13]

La burghiere , repartizarea căldurii este de forma : 28 % în așchie ; 52 % în piesă ; 15 % în sculă ; 5 % în mediul ambiant [GRA’85] .Trebuie avut în vedere faptul că aceste procente depind de marimea vitezei de așchiere utilizată în proces.

Figura.2.6 Repartiția cantității de căldură la burghiere [GRA’85]

Dacă se definesc căldurile specifice : a materialului așchiei (ca) , a piesei de prelucrat (cp) , a sculei așchietoare (cs) și a mediului ambiant (cma) ,respectiv masele de metal aferente acestora : ma , mp , ms , mma , se pot defini și cantitățile de căldură , în formă simplificată,pentru fiecare dintre cele patru medii de trasmitere Qa , Qp , Qs , Qma [J] .

Qa=ca·ma (Ta-T0);

Qp=cp·mp (Tp-T0);

Qs=cs·ms (Ts-T0);

Qa=cma·mma (Tma-T0);

În care Ta , Tp , Ts , Tma , sunt temperaturile din așchie , piesă , sculă așchietoare și mediu ambiant , din zona limitrofă de desfășurare a precesului; T0 –temperatura mediului înconjurător (T0=200C).De aceeași manieră se poate și o cantitate de căldură alocată stratului de așchiere :

Qt=ct·mt (Tt-T0);

În care

ct este căldura specifică a materialului din stratul de așchiere ;

mt- masa de metal din stratul de așchiere ;

Tt- temperatura din stratul de așchiere ;

Din punct de vedere practic , sunt de luat în considerare numai temperatura piesei (sub aspectul dilatărilor termice și a modificărilor de structură metalografică ) ,temperatura așchiei ,respectiv temperatura tăișului sculei . [BAR’13]

Capitotul 3

MODELE ANALITICE DE AȘCHIERE ÎN CAZUL PRELUCRĂRII CU VITEZE MARI A MATERIALELOR DURE ȘI DIFICILE

De obicei, în analiza așchierii ortogonale, se consideră că procesul este continuu, că așchia se formează ca rezultat al deformării plastice în lipsa fisurilor în materialul deformat și în lipsa aderențelor la tăiș.[AMA’96].

În continuare se vor prezenta principalele direcții de studiu privind modelele analitice de așchiere începând cu cele teoretico-matematice (Merchant, Oxley, Lee &Schafer) apoi cele de tip empiric și continuând cu cele bazate pe modelarea numerică și care au cunoscut o dezvoltare și o adoptare largă în ultima decadă.

După modelarea procesului de așchiere se va face o prezentare detaliată a benzii de forfecare adiabatice, fenomen caracteristic procesului de așchiere cu viteze mari, inclusiv modelarea teoretică și numerică a acestui fenomen. In finalul capitolului se va face referire la temperatura de așchiere și se vor constitui câteva relații pentru energie și putere în prelucrarea cu viteze mari prin așchiere.

Primele cercetări legate de așchierea metalelor apar la Cocquilhat în 1851 și sunt legate de cantitatea de material eliminată în procesul de găurire [COC’51] , iar prima lucrare legată de formarea așchiei apare în 1870 în studiile inginerului rus Time, considerând ca așchia este formată prin forfecare în fața sculei, Tresca (1873) consideră că așchia e formată prin compresie în fața sculei [TRE’73] ,iar în 1941 modelul lui Ernst și Merchant popularizează modelul planului de forfecare , care va deveni baza multor lucrări și modele analitice care au la bază așchierea ortogonală. Toate modelele analitice pot fi considerate predecesoarele modelelor numerice. Majoritatea modelelor analitice urmăresc construirea unor ecuații pentru determinarea forțelor de așchiere, atunci când condițiile de așchiere sunt cunoscute , și se rezumă la determinarea unei relații adecvate între unghiul de forfecare, unghiul de degajare și coeficientul de frecare.

3.1.Modelele analitice ale procesului de așchiere în cazul P.V.M

În lucrările [AST’06] ,[MAR’13], mecanismul de formare a așchiei în cazul așchierii cu scule cu tăiș a fost explicat în teorie prin două scheme diferite de așchiere numite așchiere ortogonală și așchiere oblică. În cazul așchierii ortogonale, muchia așchietoare a sculei este perpendiculară pe direcția relativă de mișcare a piesei prelucrate cât și pe o față laterală a piesei. Din mișcarea relativă a piesei de prelucrat și a sculei , un strat de material este eliminat, iar pentru a continua eliminarea materialului din cadrul piesei, scula este readusă în poziția inițială după care i se aplică avansul principal f. Perpendicular pe f, d este adâncimea de așchiere, care este mai mică sau egală cu lățimea muchiei sculei. Așchia alunecă pe suprafața de degajare a sculei, iar unghiul dintre muchia de așezare principala și dreapta perpendiculară pe suprafața prelucrată poartă denumirea de unghi de degajare notat .Fața sculei care este adiacentă piesei de prelucrat poarta denumirea de față de asezare secundară . Unghiul dintre fața de așezare secundară a sculei și piesa prelucrată poartă numele de unghi de așezare α . Unghiul dintre fața de asezare principala și fața de așezare secundara poartă numele de unghi la vârf notat β. Suma celor 3 unghiuri este totdeauna de 90°.Realatia dintre unghiuri este exprimată prin formula α+β+γ=90o. În fig 3.1 se observă un unghi de așchiere pozitiv, delimitându-se de asemenea zona de acțiune în cazul așchierii sub un unghi negativ. În cazul unui unghi de așchiere negativ, scula posedă un unghi de înclinare a tăișului activ mai deschis. De obicei, unghiurile de așchiere pozitive se folosesc pentru materiale ductile deoarece o sculă dintr-un material mai moale ar fi suficientă pentru a realiza operația de așchiere. În cazul materialelor cu duritate înaltă se preferă un unghi de așchiere negativ , pentru a crește unghiul de înclinare a tăișului activ și a crea o muchie de așchiere mai puternică, deși o muchie de așchiere mai puternică prezintă dezavantajul de a necesita un consum de energie mai mare și un ansamblu sculă-piesă de prelucrare mult mai robust pentru a compensa vibrațiile .

Figura 3.1 Prelucrarea ortogonală în cazul sculelor cu tăiș [MAR’13],

Suprafața de așezare secundară a sculei nu participă la eliminarea așchiei , având rolul de a asigura că scula să nu influențeze calitatea suprafeței piesei obținute. Cu toate acestea unghiul de evacuare afectează rata de uzură a sculei, astfel, dacă zona de evacuare este prea largă, atunci va slabi unghiul de atac al sculei , iar dacă este prea mic atunci va uza suprafața obținută prin așchiere. Așchierea ortogonală reprezintă o problemă bidimensională care nu ia în considerare îndoirea laterală a așchiei, reprezentând o mică secțiune din procesele de prelucrare fiind însă puternic folosit în prelucrare datorită simplității designului unde multe variabile sunt eliminate, astfel identificându-se doar două forte așchietoare.

3.1.1 Modelul planului de forfecare bazat pe lucrările lui Ernst,Merchant și Piispanen

Modelul a fost dezvoltat pentru prima dată de Ernst și Merchant în 1941 și perfecționat de Piispanen prin introducerea modelului cărților de joc în formarea așchiilor.Așa cum apare în lucrările [AST’05] , [JAS’99] modelul este viabil dacă se introduc câteva ipoteze ca simplificări în tratarea problemei:1.Impunerea condiției ca așchierea sa fie ortogonală(planul de așchiere sa fie bidimensional);2.Scula este ideal ascutită;3.Se consideră că așchia este continuă.4.Zona de forfecare este plană.

Ashtakov [AST’05] subliniază de faptul că deși modelul lui Merchant extins cu conceptul „formarii cărților de joc” a lui Piispanen , apare în toate cărțile de prelucrare prin așchiere, nu a fost niciodată considerat ca o succesiune de etape în timp.

Figura 3.2 Modelul „cărților de joc” [AST’05]

Cercul forțelor al lui Merchant prezintă componentele forței rezultante de așchiere, considerate în diverse plane, așa cum apar în figura 3.3.

Figura 3.3 Cercul lui Merchant [MAR’13]

Modelul Merchant consideră că toate componentele forței de așchiere acționează în vârful sculei. Astfel, forța rezultantă F , descompusă după două direcții perpendiculare, una normală la suprafața de degajare ,FN – forta de deformare plastică, și o altă tangențială la această suprafață ,FF – forța de frecare , în componentele FN și FF care sunt normale la fața sculei (FN) și de-a lungul primei fete de așezare (FF) , de asemenea sunt descompuse în FN și FS care sunt normale și, respectiv, în lungul planului de forfecare. În sfârșit, aceasta poate fi descompusă în componentele Fc, forța de așchiere , și Ft forța de înaintare.

3.1.2.Modelul liniilor de câmp de alunecare a lui Lee și Shaffer

Modelul liniilor de câmp reprezintă o evoluție pozitivă de la soluția propusă de Merchant , [AST’05].Analiza forțelor dintr-un plan de eforturi al materialului indică faptul că în orice punct există două direcții ortogonale în care eforturile de forfecare ating un maxim, însă aceste direcții variază de la un punct la altul. O dreaptă curbată, tangentă la efortul maxim de forfecare poartă numele de direcție de alunecare, direcția de alunecare într-o regiune plastică formează un câmp de alunecare. Teoria câmpului de alunecare trebuie să admită reguli care să permită construcția unui câmp de alunecare în cazuri particulare. Înainte de toate, delimitarea dintre o parte a piesei care este deformată plastic și zona care nu este solicitată poartă denumirea de linie de alunecare.

Figura 3.4 Modelul lui Lee&Schaffer [MAR’13]

La prelucrare , marginea dintre zona principală de deformare și piesă ,pe de o parte ,și așchie, de cealaltă parte, formează zona de alunecare. În mod similar, linia de alunecare reprezintă muchia dintre zona secundară de deformare și așchie. Altă caracteristică a modelului ține cont de faptul că linia de alunecare trebuie să intersecteze suprafețele libere la un unghi de 45o. În cazul modelului de simulare a soluției cu limită inferioară, toate deformările au loc într-un câmp de forțe delimitat de corpuri rigide. Forțele de așchiere sunt transmise din câmpul de forfecare spre așchie rezultând o zonă plastică triunghiulară ABC. În această regiune nu apar deformări, însă materialul este tensionat pană la punctul de rupere ,astfel încât efortul maxim de forfecare are loc în planul de forfecare.

3.1.3.Modelul zonei de forfecare a lui Oxley

Se observă din [AST’05] faptul că majoritatea modelelor cu plan de forfecare presupun ca eforturile de forfecare din planul de forfecare sunt uniforme, nu se iau în calcul tensiunile de călire și presupunerea că frecarea de-a lungul interfeței sculă-așchie este caracterizată de un coeficient de frecare constant, lucru neconfirmat de datele experimentale. Dacă se presupune că deformarea are loc într-o zona îngustă centrată în raport cu planul de forfecare, mai multe presupuneri despre material pot fi făcute.

Efectele eforturilor la deformare variază cu alungirea iar uneori chiar cu rata de alungire și temperatură au fost considerate simplificări ale condițiilor de echilibru.Oxley (1961) trage concluzia după urmărirea datelor experimentale că zona de forfecare este aproximativ 1/10 din lungimea zonei de forfecare, apoi deformarea în orice punct al zonei primare de forfecare poate fi calculată.

Figura 3.5 Modelul lui Oxley(după Zorev) [MAR’13]

forțele de așchiere acționează pe cele două tăișuri principale alesculei, fiind îndreptate oarecum în spațiu. Raportând burghiul la un sistem dereferință triortogonal, forțele de așchiere se pot descompune în următoarelecomponente:



componentele axiale

–

pe direcția axei burghiului, care trebuie învinse demecanismul de avans al mașinii, pentru a se putea realiza deplasarea axialăa sculei. Aceste componente își însumează efectul, solicitând burghiul lacompresiune cu forța axială Fx:



componentele tangențiale

–

pe direcția vitezei principale de așchiere, caredau naștere momentului de torsiune M

t

, a cărui mărime condiționează va-loarea puterii necesare operației de burghiere;



componentele radiale

–

care, în cazul unei ascuțiri identice a celor două tăi-șuri, sunt egale și de sens contrar și, ca urmare, se anulează.

3.2.Modele empirice a forțelor implicate în prelucrarea cu tăiș a metalelor

Sunt bazate pe designul experimentelor și pe analiza variației (ANOVA) și metodologia suprafeței de răspuns ,care urmăresc contribuția factorilor (viteza de rotație, adâncimea de așchiere și avansul) și a interacțiunilor ,precum și dezvoltarea mai multor modele de corelație pentru forțele componente în forma unor ecuații polinomiale de grad n.

Capitotul 4

SCULE ,MATERIALE ȘI PORTSCULE FOLOSITE ÎN PRELUCRAREA MATERIALELOR DURE ȘI DIFICILE

4.1 Scule folosite la prelucrarea prin așchiere a materialelor dure

În cap.IV se vor descrie principiile de design și noile descoperiri în domeniul fabricării sculelor, și, în special , a celor utilizate la prelucrarea materialelor dure și dificile. Multe tipuri de materiale sunt folosite în realizarea sculelor plecând de la oțeluri cu conținut ridicat de carbon pană la ceramice și diamant. Este foarte importantă diferențierea acestor materiale în funcție de proprietățile pe care acestea le au precum și utilizarea adecvată a fiecărui tip de material.

Primele proprietăți pe care le are un material destinat realizări sculelor așchietoare sunt:

Duritatea: e definită ca rezistenta la penetrarea unui obiect ascuțit. Este direct corelată cu duritate materialului. Abilitatea de a menține o duritate ridicată la temperaturi înalte se numește duritate fierbinte.

Rezistența: e definită ca abilitatea materialului de a absorbi energie înainte de rupere. Cu cât rezistenta la rupere a unui material este mai mare cu atât poate rezista mai bine șocurilor, fracturării, vibrațiilor, nealinierilor, oboselii sau altor imperfecțiuni ce apar în sistemul de prelucrare. De obicei duritatea și rezistenta își schimba valorile în sensuri opuse, iar un pas important în ultimul timp este dat de creșterea rezistentei în timp ce valoarea durității este păstrată la fel.

Rezistența la uzură: In general, rezistenta la uzura este definită ca atingerea unei durate de viată acceptabile a sculei până aceasta să necesite înlocuire. Deși foarte simplă , este caracteristica cel mai puțin înțeleasă. [DAV’08]

Figura 4.1. Duritatea materialului în raport cu temperatura acestuia [DAV’08]

Figura 4.2 Comparația materialelor pentru scule în raport cu rezistența și duritatea [GRA’08]

Tabelul 4.1. Materiale pentru scule, rezistență versus duritate și caracteristicile metalice

4.2. Materiale folosite la realizarea sculelor

4.2.1 Carburi

Ca material a fost descoperit în căutarea unui înlocuitor al diamantului, datorită crizei generată de o insuficiență a diamantelor industriale în timpul Primului Război Mondial a preluat numele de WIDIA (Wie Diamant-Ca Diamantul) în anul 1927.

Figura 4.3 Pudra de carbură de Si

Există carburi din Titan (numite cerment) și carburi din Tungsten sau carburi din Si. Acestea au o rezistență la uzură excelentă și o duritate la temperaturi ridicate foarte bună. O sculă din carburi constă întru-un mixt de particule de carburi din Ti,Ta,W unite printr-o matrice de Co prin sinterizare. În mod normal particulele de carburi sunt mai mici de 0.8 pentru micro grăunțe, 0.8-1.0 pentru grăunțe fine, între 1-4pentru grăunțe medii, si mai mult de 4 pentru grăunțe mari. Cantitatea de Co afectează într-un mod semnificativ proprietățile inserțiilor de carburi variind între 3-20% în funcție de raportul duritate-rezistență dorit. [DAV’08]

Figura 4.4 Acoperiri moderne pentru scule din carburi [DAV’08]

Alegerea combinației optime între straturi și acoperiri este o sarcină complicată a unui inginer. Acoperirile sculelor în ultimii 30 de ani au adus o schimbare importantă datorită înțelegerii procesului de difuziune termică. Astăzi, 50% din oțelurile rapide,85% din carburi și 40% din sculele extrem de dure folosite în industrie sunt acoperite.

Acoperirile uzuale folosite într-un singur strat sau în multi-strat apar în Fig.4.4. Acestea sunt:

TiN: acoperiri pentru îmbunătățirea rezistenței la abraziune, o culoare galbenă, duritate HV (0.05)- 2300 , coeficient de frecare-0.3 , stabilitate termică- 600oC.

TiCN: acoperire multi-scop folosit pentru prelucrarea oțelului. Are o mai mare rezistentă la uzură decât TiN. Se regăsește în uni și multi strat. Culoarea este gri violet, cu o duritate HV(0.05)-3000, coeficient de fecare-0.4 și stabilitate termică -750oC

TiAlN si TiAlCN-Acoperiri de înaltă performanță pentru îmbunătățirea parametrilor de așchiere și o mai mare durata de viață a sculei, poate fi folosită și pentru prelucrarea uscată. Acoperirile multi-strat iar versiunile aliate sau în nanostructuri oferă o mai buna performanță. Culoarea este negru-violet, duritate HV(0.05) între 3000-3500, coeficientul de frecare-0.45 iar stabilitatea termică este între 800-900oC.

WC-C si MoS2:Oferă lubricare solidă la interfața așchie-sculă ceea ce reduce semnificativ căldura datorată frecării, are însă o limită de rezistentă în raport cu temperatura de prelucrare. Este recomandată pentru materiale cu adezivitate a materialului prelucrat ridicată cum ar fi aliajele din Cu sau Al, dar și pentru materialele ne-metalice. Culoarea este de un gri-negru cu o duritate HV (0.05) între 1000 si 3000, un coeficient de frecare de 0.1, stabilitate termică- 300oC

CrN- este recomandată pentru aliaje din Cu și are o culoare metalică.

Rezistența la rupere este la fel de importantă ca și duritatea în cazul apariției fisurilor. Un echilibru între efortul compresiv ridicat și efort rezidual scăzut este necesar. [CHE’09] , [DAV’08] , [GRA’08]

4.2.2.Materiale ceramice

Au fost introduse la începutul anilor 1950, sculele din material ceramic care constau în oxid de Al cu granulație fină , presat la rece în forme și sinterizat la temperaturi și presiuni înalte.

Ceramicele formate doar din oxizi de Al se numesc ceramici albe, iar cele cu conținut de carburi de Ti și Zr formează o culoare neagră. Un prim avantaj este dat de duritatea înaltă ( si în consecință rezistența la uzura abrazivă ) la temperaturi înalte, apoi de stabilitatea chimică, astfel nu există uzură prin difuziune ,ceea ce este punctul slab al carburilor în prelucrarea cu viteze mari.

Ceramicele pot fi folosite la prelucrarea majorității materialelor feroase, inclusiv a superaliajelor. Ar trebui evitate la prelucrarea Al, sau Cu deoarece se formează straturi de material pe muchia sculei. În ultimul timp PCBN (nitrura cubică policristalină de boron) a început sa înlocuiască ceramicele deoarece se comportă mai bine la prelucrarea materialelor moi.

Tabelul 4.2. Regimuri de prelucrare recomandate pentru nitrura cubica de boron (NCB) [DAV’08]

Sculele din Al2O3 sunt utile în operațiile de așchiere continuă, deoarece în cazul celor cu întreruperi(frezare) pot apărea micro-ciobiri din cauza faptului că materialul este casant.

Un alt material este Si3N4, ai cărui particule nu pot fi unite una de cealaltă și de aceea se utilizează un liant precum alumina sau oxid de Mg, materialul are proprietăți remarcabile de duritate și rezistență la temperaturi ridicate.[CHE’09] [GRA’08]

Acoperirile nu sunt utilizate în cazul inserțiilor de carburi deoarece costul ridicat nu își justifică rezultatul final, datorită adeziunii scăzute între materialul de acoperire și substratul ceramic. [CHE’09]

Figura 4.5 Duritate la temperaturi ridicate a materialelor

utilizate la producerea sculelor aschietoare

4.2.3.Diamant policristalin(PCD) și diamant cu depunere solidă (SFD)

Este cel mai căutat cristal din lume datorită proprietăților remarcabile: cel mai dur material, cea mai mare conductivitate termică la temperatura camerei, coeficient scăzut de frecare și transparență optică. Această combinație unică de proprietăți nu a fost egalată de nici un alt material.

Pentru a realiza diamantul policristalin, în fapt un strat de cristale, se depune un strat de grafit în amestec cu un catalizator (de obicei Ni) sub presiuni de aproximativ 7000MPa și temperaturi de 1800oC pe un substrat de carburi.

Figura 4.6 Strat de diamant policristalin SVD

În timpul procesului, Wolframul din cadrul substratului devine un liant al cristalelor de diamant oferind diamantului policristalin duritatea necesară.Sculele din diamant policristalin oferă rezistență la abraziune de pană la 500 de ori față de cea oferită de carburi de W. Pentru a selecta combinația optimă pentru sculele din DPC se iau în calcul calitatea suprafeței finale și durata de viată a sculei. DPC cu particule mari de diamant are o rezistență la abraziune mai ridicată, însă oferă un finisaj al suprafeței mai puțin fin, și invers, particule fine de diamant vor produce suprafețe de calitate superioară, însă cu o durată de viată mai scăzută. Cu o rezistentă la abraziune crescută și o duritate remarcabilă , DPC suferă de o rezistență scăzută.

Pentru a depăși acest neajuns se realizează combinarea particulelor de diferite dimensiuni, pentru a crește densitatea și crescând rezistența la ciobirea muchiilor, precum și calitatea suprafeței obținute care este mai bună.

Tabelul 4.3 Viteze de prelucrare recomandate pentru scule din DPC. , [DAV’08]

4.2.4.Acoperiri și optimizări pentru prelucrarea materialelor dure și dificile

Un parametru care trebuie fixat este selecția optimă a grosimii acoperirii astfel încât aceasta să ofere durată de viată muchiei ,dar, în același timp, să evite aderență la substrat ca o consecință a eforturilor compresive interne. Selecția unei structuri optime de acoperire implică combinarea celor mai bune proprietăți ale următoarelor structuri:

Acoperiri monobloc (monostrat de aceeași compoziție ):folosit atunci când nu există impact sau atunci când forțele de așchiere sunt reduse.

Acoperiri bi-strat pentru combinarea a doua proprietăți care să se completeze , de ex: primul strat de acoperire oferă duritate ,iar cel de-al doilea o mai bună curgere a așchiei.

Multi-strat: îmbunătățește rezistența la rupere prin forfecare a acoperirii, evitând propagarea de fisuri între diferitele straturi de material.

Straturi de adeziune: adăugarea unui strat subțire de 0.05-0.2 pentru a crește adeziunea stratului următor.

Acoperiri triple: o abordare nouă care optimizează structura de acoperire prin utilizarea unui strat de aderență bună, un strat de mijloc cu duritate ridicată și un strat de suprafață dur cu comportament bun la temperaturi ridicate.

Un alt aspect în prelucrarea materialelor dure și dificile este găsirea unei geometrii optime pentru muchia sculei. [DAV’11]

Figura 4.7 Durata de viață pentru freze acoperite cu carburi (raza vârfului sculei este între 1.2-1.9mm,∅= 10 mm, Vc = 150 m/min

4.2.5. Geometria sculelor

Pentru a garanta funcționalitatea sculei, următoarele cerințe ar trebui luate în calcul pentru faza de design:

Eforturile mecanice ale sculei (forțe de așchiere);

Eforturile termice ale sculei (frecare și căldură de deformare, lichidul de răcire)

Schimbare rapidă și poziționare sigură a muchiei sculei ;

Înlocuire rapidă și simplă a părților sculei uzate;

Versatilitate în folosință;

Producerea și costurile de mentenanță.

Scule solide

Scule în care muchia și axul sculei sunt realizate din același material, de obicei oțeluri rapide.

Acest tip de sculă este realizat prin așchierea muchiei într-o varietate mare de forme.

Avantajul este dat de faptul că sculei i se pot aplica o varietate largă de geometrii. Utilizarea acestora a început să scadă, în special în cazul frezării, iar uneori dacă se dorește păstrarea priorităților inserțiilor din carburi adică o defecție redusă a axului ,toată scula este realizată din carburi . [KLO’11]

Scule cu inserții lipite

In cazul inserțiilor sudate, de obicei acestea sunt realizate din NCBP sau carburi metalice și sudate pe axul sculei așchietoare

Figura 4.8 Scule pentru strunjire și frezare cu inserții sudate [KLO’11]

Scule cu inserții detașabile

Avantajul este dat de posibilitatea folosirii unor muchii multiple în cadrul unei singure inserții, iar atunci când o muchie si-a terminat durata de viată , inserția este răsucită și o nouă muchie preia rolul de așchiere .Un avantaj este rapiditatea înlocuirii precum și siguranța procesului. Toleranțele de producere a inserțiilor influențează acuratețea producției . Pentru inserții se face distincția între ,designul de precizie și cel normal. In cazul design-ului normal, toleranțele sunt în limita a 0.13mm, iar pentru design-ul de precizie avem 0.025mm. [KLO’11]

Tabelul 4.4 Descrieri ISO ale standardelor pentru inserții

Figura 4.9 Exemple de aplicații tipice ale sculelor așchietoare cu inserții [KLO’11]

4.3 Evoluția burghielor folosite la găurirea metalelor

În cadrul industriei constructoare de mașini tot timpul s-a căutat realizarea anumitor operații într-un timp cât mai scurt.Operația de găurire este o operație des întâlnită în industrie și față de celelalte ca strunjirea și frezarea ,găurirea are o complexitate mai ridicată datorită faptului că temperatura din zona de așchiere crește exponențial cu timpul de așchiere .Din acest motiv tot timpul s-a căutat proiectarea unor burghie cu geometrie adecvată cu mai multe taișuri principale și ajungând chiar la burghie speciale care sunt prevăzute cu canale de răcire internă , care dă posibilitatea lichidului de răcire ungere să ajungă exact în zona de așchiere .

Figura 4.10 Burghiu elicoidal din oțel rapid cu doua tăișuri ,clindric cu două spirale

Figura 4.11 Burghiu elicoidal cu două tăișuri și canale de răcire interne

Figura 4.12 Burghiu elicoidal multităiș cu 3 canale de răcire interne

Figura 4.13 Burghiu cu cap detasabil și canale de răcire interne

4.4 Portscule și sisteme de prindere a sculei

Modul de fixare a sculelor este un factor esențial în obținerea de părți cu acuratețe dimensională mare și o bună calitate a suprafeței obținute. Mai mult, performanța sculei poate fi influențată într-un mod semnificativ de calitatea sistemului de prindere pe mașina-unealtă.

În general se recomandă folosirea unui sistem de prindere cât mai fix pentru a reduce deflecția sculă – portsculă și a oferi o prindere sigură pentru realizarea unor condiții de prelucrare de înaltă performanță. În plus, sistemul de prindere rigid este baza unui ansamblu sculă-portsculă-ax precis și de acuratețe, de asemenea este foarte importantă perioada de schimb a sculei, iar cerințele pot ajunge pana la 0.7s. [DAV’08] [CHE’09]

În general portscula trebuie să atingă următoarele capabilități:

Montare și demontare simplă;

Să permită schimbul automat al sculei comandat de CN;

Acuratețe axială maximă asupra ansamblului sculă-portsculă-ax;

Rigiditate maximă a întregului sistem;

Transmisia cuplului de torsiune de la rotor la sculă;

Este bine de menționat că un sistem de prindere bine realizat nu va îmbunătăți comportamentul sculei, pe când un sistem de prindere incorect va reduce durata de viată a sculei așchietoare într-un mod semnificativ. . [DAV’08] [CHE’09]

4.4.1 Sisteme de prindere pentru operația de strunjire

Sistemul de prindere este simplu deoarece în cazul strungurilor scula așchietoare este fixată de mașina-unealtă într-un mod rigid. Cel mai cunoscut sistem de prindere este cel VDI, care constă într-o bară de secțiune cilindrică atașată de capul revolver al strungului printr-o formă zimțată.

Figura.4.14 Portscula DVI

Exista însă soluții care oferă o mai mare flexibilitate în înlocuirea diferitelor scule și se bazează printr-un sistem diferit de prindere între sculă și portsculă. A fost inventat de Sandvik Coromant Inc. și poartă denumirea de sistem Capto.

Figura.4.15 Sistemul Capto [7]

Sistemul este bazat pe o legătură dublă între suprafețele sculei și suprafața sistemului , atât a suprafețelor exterioare cât și interioare. În timp ce suprafețele exterioare sunt bazate pe o combinație de forme rotunde și poligonale care oferă transmisie cuplului de torsiune, sistemul intern de prindere oferă un mod simplu de fixare și desprindere a sculei. Sistemul este bazat pe o bucsă segmentată expandabilă în unitatea de prindere, iar marginile segmentelor se fixează într-un mic făgaș al unității de așchiere, legând cele doua componente împreună. În prezent sistemul Capto este folosit și pentru operațiile de frezare și găurire. [KLO’11]

4.4.2. Sistem de prindere pentru operația de frezare și găurire

Rolul portsculei în operația de frezare este similar altor procese de prelucrare prin așchiere deoarece sunt necesare rigidități ridicate, fixare sigura si acuratețea poziției sculei. În prezent, procesul de frezare implica viteze de rotatei foarte mari de pana la 40.000 rpm ceea ce produce forte centrifuge unde sistemul de rotație prezinta elemente dezechilibrate. Acest lucru a condus la regândirea elementului de prindere dintre portscula si ax sau cerințele pentru echilibrul portsculei. Astfel, sistemele bazate pe un singur contat lateral al cozii conice au fost înlocuite de fete cu dublu contact, lateral si perpendicular pe axa sculei.

Figura 4.16. Portsculă pentru fixarea burghielor și frezelor [DAV’11]

Odată cu depășirea vitezei de rotație peste 8000rpm,forța centrifugă este importantă iar sistemul de contact simplu își pierde rapid rigiditatea. Una din principalele probleme este dat de sistemul de prindere, care de obicei este dat de un sistem mecanic care trage portscula în poziție și este eliberată de un dispozitiv de acționare hidraulic sau pneumatic. Daca viteza de rotație creste ,forțele centrifuge determină o expansiune laterală a axului în timp ce sistemul de prindere continuă sa tragă în sus portscula, astfel determinând lipsa de acuratețe și chiar posibilitatea blocării în vârful axului a portsculei. Aceste probleme au fost rezolvate de sistemul de prindere HSK [DAV’11] .

4.3.3. Sistem de prindere HSK

Dezvoltat în Germania la sfârșitul anilor 1980, a devenit un standard în Europa. Acesta prezintă un punct de contact dublu între portsculă și axul de rotație. Conurile HSK sunt fixate de o bucșă expandabilă formată din segmente și acționate de o tija. Segmentele sunt inserate într-o cupă așa cum se observă în fig.4.17 .Astfel, daca forța centrifuga crește, în consecință și forța de fixare crește. Capabilitatea permite pentru condiții de așchiere mai agresive, plus o rigiditate mai mare și o acuratețe mai mare a sistemului. [CHE’09]

Figura 4.17 Sistem HSK tip con

Figura 4.18 Sisteme HSK de fixare scule

4.5 Mașini-unelte utilizate în prelucrarea cu viteze-mari

Lucrarea [JUR’08] sintetizează etapele principale în evoluția și dezvoltarea mașinilor si sistemelor de prelucrare prin așchiere:

1700-1870 Etapa mașinilor unelte de așchiere pre-automate-controlul manual al mașinilor –unelte;

1870-1900 Etapa mașinilor unelte de așchiere automate-automatizarea mașinilor –unelte;

1900-1955 Etapa mașinilor unelte de așchiere cu control automat rigid –epoca pre-controlului cu comanda numerică

1955-1990 Etapa mașinilor unelte cu comanda numerică (1952-prima masină-unelată cu comanda numerica, 1958-primul centru de prelucrare prin așchiere, 1960-Expozitia Universala de la Chicago aduce peste 90 de modele de MUCN)

1990-2005 Etapa cunoașterii. Era mașinilor unelte cu mecanism cinematic paralel si a mașinilor-unelte cu viteze mari.

2005-prezent: Etapa sistemelor de prelucrare integrate și inteligente, era prototipurilor rapide.

Piața mașinilor-unelte este în schimbare când vine vorba de tehnologie, specificații și proiectare. Din ce în ce mai multe MU sunt capabile să modeleze piesele de prelucrat pană la forma lor finală folosind o singură mașină-unealtă. Fără a descrește productivitatea, tot mai multe mașini unelte devin mai flexibile, funcționează la viteze ridicate și combină mai multe procedee de prelucrare într-o singură mașină, susținute în mare parte de echipamente periferice. [BER’03]

Printre caracteristicile MUCN moderne trebuie incluse mesele de prelucrare mobile precum cele rotative, arbore principal capabil să transmită viteze mari și foarte mari, magazie pentru scule, magazie pentru semi-fabricate, sisteme de măsurare cu laser, dinamometre de măsurare pentru diagnoza procesului, senzori de frecvență, senzori acustici,echipamente fară fir de masurare a punctuului de zero piesă și de masurarea a sculelor . [KOP’07]

O varietate de centre de prelucrare sunt disponibile, iar selecția acestora nu se bazează doar pe puterea dezvoltată a motorului axului principal sau timpul de înlocuire al sculei, ci si puterea de accelerare/decelerare, soft de monitorizare a sculei, sistemele de control cu arhitectură deschisă, capabilități de interpolare și pachetul de subprograme. [BER’03]

Există schimbări în zona pieței de desfacere dar și cerințe și nevoi ale utilizatorilor finali care generează soluții inovative și tehnologii noi care transformă mașinile unelte cu scop unic în MUCN multi-rol ,așa cum apar din tabelele de mai jos Tabelul 4.5 și Tabelul 4.6

Tabelul 4.5 Inovațiile impuse de concurenta producătorilor în domeniul construcțiilor de mașini [BER’03]

Tabelul 4.6 Inovațiile generate de consumatorul final în domeniul construcțiilor de mașini [BER’03]

Nevoia continuă pentru o productivitate crescută și o precizie ridicată și cerință în același timp pentru metode economice și cu consum mai redus de energie conduce către concepte radicale. Astfel, mașină unealtă tip hexapod care apare în figura 4.19. reprezintă un salt major de la centrele de prelucrare clasice. Numită și platforma Stewart aceasta are un mecanism de control de tip paralel. Fiecare comanda a mașinii reprezintă o relație neliniară de 6 coordonate. Fiecare mișcare trebuie tradusă în 6 coordonate pentru picioarele de control care se mișcă în timp real.Mișcarea coordonată a celor 6 cricuri hidraulice oferă acuratețe volumetrică datorită mișcării în paralel.

Figura 4.19 Platforma Stewart

Rigiditatea platformei hexapod este dată de șuruburile cu bile care împart sarcina. În acest ansamblu există eforturi de deformare și de compresie și mai puțin de încovoiere. De asemenea este mai ușoară decât platformele convenționale și generează o frecare mai mică. Există și dezavantaje prin faptul că mișcarea bilelor generează căldură care afectează acuratețea mașinii prin dilatare termică. Acest lucru este rezolvat printr-o compensare termică în cadrul software-ului și prin sisteme de răcire din interiorul pilonilor de susținere. Platformele sunt căutate pentru prelucrarea matrițelor cu geometrii complexe.

În continuare vor fi prezentate cele trei mașini cu comandă numerică din cadrul Facultății de Inginerie Mecanică Mecatronică și Management din cadrul USV .Aceste mașini sunt capabile să execute atât operații de frezare cât și operații de găurire cu viteze mari cu răcirea zonei de așchiere direct prin trimiterea lichidului de răcire ungere prin interiorul burghiului,s-au răcirea semifabricatului prin trimiterea aerului sub presiune asupra materialului de prelucrat .

Centru de prelucrare Doosan DT360 D

Acestă mașină cu comandă numerică este un centru de prelucrare pe verticală cu 3 axe care prezintă unele avantaje ca de exemplu : capacitate de producție mare , reducerea timpilor auxiliari și are următoarele caracteristii tehnice:

Tabelul 4.7 Caracteristicile tehnice ale centrului de frezat Doosan DT3600 D

Figura 4.20 Centru de prelucrare verticală Doosan DT360 D

Centru de prelucrare prin strunjire Doosan LYNX 220

Strungul cu comandă numerică LYNX 220 este un centru de prelucrat prin așchiere cu o structură extrem de compactă cu două axe X și Z de mare precizie ,având posibilitatea deplasării pe distanță minimă de (1 µm) , și este dotat cu un sistem de trimitere a lichidului prin canalele interne ale burghiului în cazul operației de găurire . Viteza ridicată și productivitatea crescută sunt asigurate prin intermediul ghidajelor rigide de tip LM (Liniar Motion). Capacitatea de degrosare rapidă este asigurată de motorul de 15kW al axului principal.

Figura 4.21 Centru de prelucrare CNC Doosan Lynx 220L

Tabelul 4.8 Caracteristicile tehnice ale strungului CNC Lynx 220 L

Capitotul 5

NOI TENDINȚE ÎN PRELUCRAREA CU VITEZE MARI A MATERIALELOR DURE ȘI DIFICILE

5.1. Noi direcții de dezvoltare în realizarea arborelui principal, a sculei și a portsculei

Schimbările sunt cerute și generate de dezvoltarea de noi materiale din procesul de așchiere (noi materiale de acoperire) și ,indirect, de schimbările în profilul și în tipul materialului prelucrat. [KAKI’04]

In ultima perioadă cerințele în zona prelucrării materialelor dure și dificile fac apel la o rigiditate crescută odată cu creșterea vitezei de avans , o eficiență crescută în prelucrare și reducerea vibrațiilor. Un alt punct de interes este dezvoltarea echipamentelor de prelucrare multifuncționale definite în ultimul timp drept centre de frezare, capabile să ofere diferite tipuri de prelucrare prin așchiere precum și prelucrarea pe 5 axe.

O altă direcție este dată de dezvoltarea sculelor ultra precise generată de cerința pentru prelucrarea componentelor optice sau a matrițelor, dar și pentru industria mecatronică. O altă zonă de interes ține de controlul avansat și inteligent, așa cum apare în Fig.5.1. și în care e necesară simularea în avans, la nivel digital, a mișcării mașinii de așchiere pentru a face predicții asupra uzurii sculei și stării suprafeței [MORI’06]

Figura. 5.1.Diagrama sistemului de predicție [MORI’06]

Un exemplu este dat de modul de producție a matrițelor din oțeluri dure care a suferit modificări în ultimii 10 ani. În trecut, materialele cu duritate HRC25 erau prelucrate și apoi durificate prin călire termică, urmând ca apoi să se facă finisarea folosind electro-eroziunea.

Odată cu apariția frezelor cu acoperire din Al și Ti, prelucrarea materialelor dure și dificile a devenit posibilă. Astfel, se pot prelucra oțeluri SKD61 cu o duritate HRC53 la o viteză de 200m/min , care a condus la o puternică schimbare în procesul de prelucrare și în ceea ce privește sculelor folosite la prelucrare. [KAKI’04]

O importantă evoluție în desfășurare are loc în cazul arborilor pentru portsculă. Deseori, valorile pentru dm,n sunt folosite ca un index pentru a indica performanța arborelui principal, unde dm reprezintă diametrul bilelor rulmenților în milimetri, iar n este numărul revoluțiilor maxime ale arborelui principal într-un minut. Evoluția rulmenților apare în fig.5.2.

Figura 5.2.Evoluția îmbunătățirilor aduse rulmenților de către NTN Corporation [KAKI’04]

Cea mai interesantă zonă de dezvoltare în domeniul arborilor principali ține de arborii inteligenți, astfel NSK a dezvoltat arbori care încorporează senzori de deplasare și traductori care sunt setați să detecteze deplasarea axială în timpul procesului de așchiere împreună cu senzori MEMS . Se merge în direcția în care senzorii fac predicție asupra duratei de viată prin detecția schimbării de încărcare în procesul de așchiere, oprirea automată prin detecția încărcării anormale, analiza în timp real a condițiilor de proces și adoptarea de măsuri preventive în cazul predicției cedării sau gripării rulmentului [126]. În fig.5.3. se observa modificarea încărcării la așchiere sau defecte in proces.

Figura 5.3.Senzor de deplasare integrat în arborele principal

Figura 5.4.Tehnologii de viitor în domeniul mașinilor-unelte [KAKI’04]

5.2 Direcții de dezvoltare în zona de software pentru prelucrarea materialelor dure și dificile

Numeroasele probleme tehnice în prelucrarea cu viteze mari a materialelor dure și dificile, conduc la provocări din perspectiva procesului de planificare, optimizare și control. Strategiile convenționale pentru designul căii de prelucrarea a sculei eșuează în a răspunde preocupărilor privind stabilitatea dinamică, nevoile de accelerare și variația constantă a efortului la așchiere a sculei, care limitează productivitatea, mărește uzura sculei și reduce calitatea părților. Diferența dintre o așchiere stabilă și eficientă și o prelucrare catastrofică poate fi găsită în interacțiunile subtile dintre dinamica sculei, a arborelui, a piesei și a eforturilor muchiei așchietoare și a așchiilor. Un alt element fundamental în designul căii de prelucrare ține de folosirea capabilităților dinamice ale sculei, elementelor de servo sau a dispozitivelor de acționare. Iar prin studii comparative între un design optim și unul ineficient s-au pus în evidență diferențe de timp de până la 50%

Figura 5.5 Generarea unei căi de prelucrare trocoidale în CAD-Software [8]

Există câteva strategii de prelucrare consacrate precum așchierea trocoidală ,unde scula se mișcă pe o curbă de rază fixă, în timp ce mașina acționează cu un avans constant, și degroșarea prin plonjare (fig 5.7) în care materialul este eliminat prin acționare pe axa z , este foarte util la preluarea brută fiind o metodă care produce foarte puține vibrații și tensiuni în prelucrare, în special în cazul matrițelor.

Metoda nouă de frezare se compune dintr-o mișcare înainte peste care se suprapune o mișcare circulară (fig.5.6), motiv pentru care frezarea trocoidală este numită și frezare pendulară. Este recomandată în special pentru materiale greu de prelucrat, precum superaliaje, prelucrare dură și oțeluri inoxidabile, oferind un potențial ridicat de economisire. În baza unui tăiș mai lung pentru un volum ridicat de așchii, frezele au un miez întărit, fiind astfel mai stabile.

Figura 5.6 Traiectoria frezei la prelucrarea trocoidală [9]

Avantajele frezării trocoidale pe scurt:

Cea mai mare viteză dinamică pe traiectorie

Volum maxim de material îndepărtat

Forță redusă de așchiere

Uzură redusă

Potențial ridicat de economisire spre deosebire de strategiile convenționale

Cerințe :

Un sistem modern CAM sau o comandă modernă a mașinii

Un centru de prelucrare cât mai dinamic

Freză GARANT TPC − concepută special pentru cerințele utilizării trocoidale

Figura.5.7 Degroșarea prin plonjare folosind CAD-CAM

O altă strategie de prelucrare este cea prin care pot fi folosite metodele de interpolare liniară și circulară fig 5.8 ,astfel s-a realizat o creștere a eficientei cu 10% comparativ cu rezultatele obținute folosind CAD Software ,sau 15% creștere folosind o interpolare polinomială.

Figura. 5.8 Modalități de prelucrare în spirală

5.3 Direcții radicale în prelucrarea materialelor dure și dificile-Prelucrarea prin așchiere cu răcire criogenică

În prelucrarea convențională cu viteze mari, se generează căldură excesivă în procesul de formare a așchiilor ceea ce creste temperatura sculei așchietoare determinând uzura prematură.

Procesele de răcire convenționale atrag cu sine o serie de probleme de sănătate și de mediu. Prelucrarea criogenică reprezintă un mod de a elimina aceste neajunsuri.Procesul folosește azot lichid care are un punct de fierbere de -199oC, un micro orificiu este situat între flancul sculei așchietoare și așchie ,orificiu prin care se trimite azot lichid sub presiune.

Avantajele aschierii criogenice:

-Prelucrarea unor materiale greu prelucrabile : zirconiul, hafniul, beriliul pur, titanul;

-Micșorarea depunerilor pe taiș ;

-Obținerea unei rugozităti mai mici a suprafeței prelucrate ;

-Fărâmițarea așchiilor ;

-Necesitatea utilizării unor forțe de așchiere mai mici ;

-Creșterea durabilității sculelor așchietoare ;

Dezavantaje :

-Scule mai sofisticate ;

-Instalații complexe ;

-Preț de cost mai ridicat ;

Fenomene ce au loc în timpul așchierii criogenice:

-Creșterea tensiunilor de forfecare a materialului prelucrat

-Fragilizarea materialului la temperaturi criogenice

-Schimbarea caracterului frecării dintre fata de degajare a sculei și așchia ce se înlătură

Din punct de vedere istoric ,fluidele de răcire au fost utilizate pe scară largă în ultimii 200 ani.Ele au fost folosite cu drept scop de a îmbunătăți prosesul de prelucrare cum ar fi : strnjirea ,găurirea , alezarea etc.Cele mai utilizare fluide folosite în prelucrarea metalelor sunt cele pe bază de ulei ,inclusiv uleiuri simple și uleiuri solubile.Funcția principală a lichidului în procesul de strunjire este cea de răcire – ungere .Răcirea și ungerea sunt critice în reducerea uzurii sculei , extinderea duratei de viață a sculei și ca funție secundară este aceea de a îndepărta așchiile din zona de așchiere . [SHU’04]

În scopul minimizării efectelor negative date de utlizarea lichidelor de răcire ungere convenționale , acum câștigă tot mai mare teren în industrie folosirea criogeniei ca agent de răcire și lubrifiere . [FEI’95]

Activitatea de cercetare în dezvoltarea acestei tehnologii a început de câteva decenii în urmă , atunci când au fost făcute încercări pentru a înlocui metodele convenționale de răcire cu criogenia.Oamenii de știință de azi folosesc criogenia într-un număr de domenii ca de exemplu în industrie , cercetarea fizică , de reproducere etc. [10]

Folosirea criogeniei în industria prelucrării metalelor este relativ nouă .S-a realizat că multe matariale pot fi prelucrate mai ușor dacă acestea sunt răcite prin utilizarea azotului lichid ca și lichid de răcire Acest lucru pare să fie mai atractiv pentru materialele compozite , care furnizează avantaje distincte în fabricarea de produse avansate deoarece au un raport mare referitor la reziistență-greutate și rigiditate-greutate .

Prelucrarea metalelor folosind criogenia căștigă teren în cadrul industriei constructoare de mașini ,înlocuiind procedeele de prelucrare convenționale și totodată depășind deficiențele produse de folosirea agenților de răcire convenționali ce au multe dezavantaje și care poluează excesiv.

În lucrarea lor Uehara și Kumagai au facut eforturi mari pentru a studia în mod fundamental efectele criogeniei ,crio-prelucrării și au tras următoarele concluzii : performanța crio-prelucrării depinde de condițiile de răcire ,scula utilizată și tipul de piesă prelucrată. [UEH’68]

Jainbajranglal și Chatopadhyay au discutat oportunitatea și aplicabilitatea azotului lichid LN2 ca agent de răcire în timpul prelucrării și au observat efecte benefice în ceea ce privește forța de așchiere .O duză construită special a fost utilizată pentru a pulveriza jetul de azot sub presiune pe suprafața piesei .În urma prelucării sa observat o scădere a forței de așchiere și o fragmentare mai puternică a așchiilor provenite din proces ,fenomene pozitive comparativ cu prelucrările convenționale. [JAI’84]

BIBLIOGRAFIE

[ABO’05] Abou-El-Hossein and Z. Yahya, High-speed end-milling of AISI 304 stainless steels using new geometrically developed carbide inserts. Journal of Materials Processing Technology, 2005. 162-163: p. 596-602.

[ABU’04] Abukhshim, N A;Mativenga, P T;Sheikh, M A Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers; Aug 2004; pp.889-903; ProQuest Central . An investigation of the tool-chip contact length and wear in high-speed turning of EN19 steel

[ABR’95] Abrão AM, Aspinwall DK, Wise MHL (1995) Tool life and workpiece surface integrity evaluations when machining hardened AISI H13 and AISI E52100 steels with conventional ceramic and PCBN tool materials.

[ADE’13] Adelstein Mike -Potomac Photonics Develops New High Speed Micro Hole Drilling Process, June 2013,

[AMA’96] Amarandei D.-Cercetări privind mărimea forțelor de deformare plastica și de frecare la așchierea cu viteze mari a oțelurilor carbon, Teza de doctorat, Univeristatea :”G.Asachi” Iasi,1996

[AMA’05] Amarandei D. , Ionescu R.- Studii și prelucrarea cu viteze mari a materialelor dure si dificile, Editura Tagir, 2005

[AST’05] Astakhov Viktor P.-On inadequacy of the single-shear plane model of chip formation, International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005) 1649–1672

[AST’06] Astakhov Viktor P. -Tribology of Metal Cutting, Elsevier Press, 2006

[BAK’05] Baker Martin Finite element investigation of the flow stress dependence of chip formation ,JMPT, Volume 167, Issue 1, 25 August 2005, Pages 1–13

[BAR’13] Baroiu , N., Cercetări privind comportarea în așchiere a burghielor elicoidale cu trei tăișuri curbe și cu suprafată de așezare hiperboloidală , Galați 2013 .

[BER’03] Bert P. Erdel- Prelucrarea cu viteze mari, Society of Manufacturing Engineers, 2003

[BHA’02] Bhat, S.V., Biomaterials, Narosa publishing house, New Delhi, India, 2002, pag. 1-30

[BOK’**] Böker, R.: Die Mechanik der bleibenden Formänderung in kristallinisch aufgebauten Körpern. PhD Thesis, TH Aachen

[BOL’12] Bolunduț ,I., Materiale și tehnologii neconvenționale-Editura Tehnica-Info ,Chișinău 2012.

[CHE’09] Cheng K.-Machining Dynamics-Fundamentals,Applications and practices,Springer,2009

[COL’94] Collings, E.W., Boyer, R., Welsch, G., Materials properties handbook. Titanium

alloys, ASM International 1994, pag. 3-170, 483-609

[DAV’**] Davies M.A.,;T.J.Burns;T.L.Schmitz-Procesele prelucrării cu viteze mari: Dinamica acestora la dimensiuni multiple, www.astakhov.tripod.com

[DAV’**] Davies M.A -On regenerative Stability Theory of Interrupted Machining, http://www.mm.bme.hu

[DAV’08] Davim J.P,- Machining,fundamentals and recent advances,Springer,2008

[DAV’11] Davim Paulo-Machining hard materials, Springer, 2011

[DUM’07] Dumitrascu N., Biomateriale și biocompatibilitate, Ed. Univerității „Alexandru Ioan Vuza”, Iasi, 2007

[FAT’97] Fatu, S., Tudoran, P., Studiul materialelor metalice. Tratamente termice. Oțeluri aliate. Aliaje neferoase. Materiale noi, Vol. II, Editura Libris, Brasov, 1997, pag. 74- 75, 80 -82, 99-111

[FAR’11] Farid,Ali Akhavan,Sharif Safian-Chip morphology study in high speed drilling of Si-Al alloy; Int J Adv Manuf Technol (2011)]

[FEI’95] Liu Fei, Kang Gewenga, Xu Zongjun “Temperature Field Control Principle and Control M odels for Cryogenic Machining System” Chinese Journal o f Mechanical Engineering, vol.8, No.3, pp 222-227, 1995.

[FNI’08] Fnides B, M. A. Yallese, H. Aouici- Hard turning of hot work steel AISI H11: Evaluation of cutting pressures, resulting force and temperature, ISSN 1392 – 1207. MECHANIKA. 2008. Nr.4(72)

[FRE’08] Frei S.,W. Jahnen,S. Innotec-High speed milling of large parts, Silzer Technical Review 1/2008

[GRA’85] Granovski,G.I. ,Granovski ,V.G., Rezanie metallov,Vîrșaia școla ,Moskva ,1985

[GRA’08] Graham T.Smith-Cutting Tool Technology,Industrial Handbook,Springer-Verlag London 2008

[HAL’99] Halley,J.E,Helvey , A.M. ,Smith ,K.S and Winfough,W.R . The impact of high-speed machining on the design and fabrication of aircraft components.In Proceedings of the 17 th Biennial Conference on Mechanical Vibration and Noise ,1999 ASME Design and Technical Conferences , Las Vegas , Nevada , September 1999, pp. 12-16

[HAS’05] Hassan Abdel-Gawad El-Hofy:Advanced Machining Processes,McGraw-Hill,Mechanical Engineering Series, 2005

[HEG’07] Hegde P ,Shih A ,Li R ,High-throughtput drilling of titanium alloys.International Journal of Machine Tools and Manufacture , Vol 47 ,pag 63-74 ,2007

[HEI’10] Heinz Tschätsch, Anette Reichelt-Applied Machining Technology-Springer Verlag,2010

[HER’99] Herbert Schulz- The history of high speed machining. Revista de Ciencia &Tecnologia Iunie.1999

[IVA’11] Ivan R. A., Studiu comportamentului dinamic al sistemului port-sculă-sculă așchietoare-piesă în cazul operației de frezare cu viteze înalte ,Universitatea Transilvania Brasov 2011 .

[JAI’84] R. Jainbajranglal and A.B. Chatopadhyay, “Role O f Cryogenics In Metal Cutting Industry” Indian Journal o f Cryogenics, vol.9, n o.l, pp 42-46,1984.

[JAS’99] Jaspers Serge- Metal Cutting Mechanics and Material Behavoiur, Eindhoven, Technishe Univeristeit Eindhoven ,1999

[KAU’99] Kaufeld M., Torbaty S., Rationalisation de l'usinage tres grande vitesse, SOFETEC, ISBN 2-912540-01-1, 1999.

[JUR’08] Jurkovic Milan ,Zoran Jurkovic-Machine tools and machining systems , The Journal of Faculty of Technical Sciences;May 2008

[KAKI’04] Kakino Yoshiaki -Latest Trend of Main Spindle for NC Machine Tool, NTN TECHNICAL REVIEW No.72,2004

[KAU’04] Kauppinen V.-H.S. Milling- a new manufacturing tehnology. 4`th IDAAAM Conference,April 2004,Estonia

[KLO’11] Klocke Fritz -Manufacturing Processes 1, Spinger-Verlag Berlin Heidelberg2011

[KOE’10] Chris Koepfer-New Use of Hard Machining Can Replace EDM, Production Machining- 6.2010

[KON’82] Konmanduri,R., T.A. Schroeder, D.K. Bandhopadhyay, J. Hazra-Titanium: a model material for analysis of the high-speed machining process, advanced processing methods for titanium, in: D.F. Hasson, C.H. Hamilton (Eds.), The Metallurgical Society of ASME, 1982, pp. 241–256.

[KOP’07] Kopač J.- High precision machining on high speed machines-Journal of Achievements in Materials and manufacturing Engineering,Vol24,Sept 2007

[KRO’69] Kronenberg,M-Machining,Science andApplications.PergamonPress,Oxford(1969)

[KUM’13] Kumar U.,D.Narang-Optimizarea parametrilor de aschiere in strunjirea cu vit mari folosind GRA, IJTERA vol3.Feb 2013

[LAZ’**] Lazoglu , K. Buyukhatipoglu , H. Kratz & F. Klocke-Forces and temperatures in hard turning, Machining Science and Technology: An International Journal, 10:2,157-179

[LEI’99] Leigh E.;J.Tlutsy-Aplicarea tehnicilor de PVM asupra construcției de rotoare- AHS 55th Annual Forum, Quebec,Canada May 1999

[MAR’02] Markus Muller-on line process monitoring in HSM with an magnetic bearing spindle-ETHZURICH,2002

[MAR’13] Markopoulous A.P.-FEM in Machining Process ,Springer Journal vol.VIII,p27,2013

[MCG’84] McGee, F.J. High-speed machining of Aluminum alloys. in High-speed Machining:presented at The WinterAnnual Meeting of the American Society of Mechanical Engineers. 1984. New Orleans

[MIK’07] Mikell P. Groover- Fundamentele productiei moderne(a 3-a editie), John Wiley and Sons,2007

[MORI’06] Moriwaki Toshimichi -Trends in Recent Machine Tool Technologies, NTN Tehnical review No.74,2006

[MOR’**] Morris John, Industrial Information – High Speed Milling Machines

[NAK’88] Nakayama K, M. Arai, T. Kanda, Machining characteristics of hard materials, CIRP 37 (1) (1988) 89–92

[NEA’02] Neagu, M. Fenomene termice la prelucrarea materialelor ,Editura Tehnica-Info ,Iași 2002

[NEU’04] Neuberger, B.W., Dynamic of near-alfa titanium welding, dissertation submitted to the Faculty of the Graduate School of the University of Maryland, 2004, pag. 1-24

[OKA’07] Okada M;Asakawa N,Sentoku.-Cutting performance of an indexable insert drill for difficult to cut material sunder supplied oil mist, Int J Adv Manufacturing Tehnology DOI10,2007

[PAR’04] Paro J.A , , T.E Gustafsson, J Koskinen-Drilling of X2CrNi 19 11 stainless steel with hiped NiTi coating , JMPT, Volume 150, Issue 3, 20 July 2004]

[PAS’02] Pasko, R. – Przybylski, L. & Slodki, B.-HSM-Metoda eficientă de prelucrare- Web Journal , March 2002

[POP’10] Popma M.- Computer aided process planning for HSM of thin walled parts- Phd. Thesis, University of Twente, The Netherlands, April 2010

[RAH’**] Rahman Mustafizur , Zhi-Gang Wang si Yoke-San Wong –PVM asupra aliajelor

[RIC’09] Richt C. (2009) .Gear Solutions-Hard turn toward efficency , (4) ,22-30

[RUI’07] Rui Li, Parag Hedge,Albert Shih-High-throughput drilling of titanium alloys,IJoMT&M,47(2007) 63-74

[SHA’01] Sharma I.R.- Latest trends in machining- Indian Institute of Technology, Kharagpur, 2001

[SHA’93] Shaw M.C, A. Vyas, Chip formation in the machining of hardened steel, CIRP 42 (1) (1993)

[SHU’04] Shuaib et al "Drilling Forces and Specific Cutting Energy o f KEVLAR 49 Composites Machined using TiN coated HSS Drills" Machining Science & Technology, vol.8, no.2 ,004 .

[SMI’97] Smith S., J. Tlusty-Current trends in high-speed machining, Trans. ASME, d. Manuf. Science Engineering, Vol. 119 (1997).

[STJ’04] Stjernstoft T.-Machining of some difficult to cut materials, Dep. Of Prod. Engineering,RIT,KTH Stokholm,2004

[TAN’12] Tanase Viorel ,Prelucrări prin găurire și alezare ,2012

[TIB’95] Tibor ,Cselle , Manufacturing Engineering , Pro Quest ,aug 1995

[TOE’13] Toenshoff H.K. and B. Denkena, Basics of Cutting and Abrasive Processes, Lecture Notes in Production Engineering, DOI: 10.1007/978-3-642-33257-9_2,Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

[TRE’00] Trent E.& P.Wright-Metal Cutting ed 4 – ButterWorth Heinemann 2000

[TRE’73] Tresca H (1873) Mémoires sur le Rabotage des Métaux. Bulletin de la Société d’ Encouragement pour l’ Industrie Nationale, 585–607

[TUG’98] Tugrul, O., et al., Prediction of chip formation & cutting forces in flat end milling: comparison of process simulations with experiments. Transactions of NAMRI/SME, 1998. XXVI: p. 231-237.

[USA’11] Usama U. ,High Speed Turning of H-13 Tool Steel Using Ceramics and PCBN Submitted February 24, 2011

[UEH’68] K. Uehara and S. Kumagai, “Chip Formation, Surface Roughness and Cutting Forces in Cryogenic Machining” Annals o f CIRP, vol. 17, n o.l, pp 409-416, 1968.

[VEL’07] Velayudham A, Modern Manufacturing Processes: A Review,Journal on Design and Manufacturing Technologies, Vol.1, No.1, November 2007

[WEC’77] Weck, M., Teipel, K.: Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschinen – Einflussgrössen, Beurteilungsverfahren, Messtechnik. Springer, Berlin(1977)

[WIT’08] Wit Grzesik- Procese de prelucrare avansate pentru materiale metalice, Elsevier, 2008

[YOU’00] Yousefi R. ,Y. Ichida, "A study on ultra-high-speed cutting of aluminium alloy: Formation of welded metal on the secondary cutting edge of the tool and its effects on the quality of finished surface", PRECIS ENG, 24(4), 2000,

[ZEL’98] Zelinski Peter -The Fast Track To High Speed Drilling,Modern Machine Shop, 6/15/1998

[ZUR’04] Zurek Gary – „The hard way”- Milling April 2004 vol 56 no 4

BIBLIOGRAFIE ELECTRONICĂ

[1] http://www.datrondynamics.com/Small_Hole_Drilling.htm .

[2] http://www.potomac-laser.com/services/our-capabilities/micro-hole-drilling/

[3] http://www.datrondynamics.com/Small_Hole_Drilling.htm

[4]http://www.globalspec.com/learnmore/contract_manufacturing_fabrication/machine_shop_services/ultra_hard_materials_machining

[5] http://bswmetals.ro/index.php?page=Titan-si-aliaje-din-titan

[6] https://www.google.ro/search?q=aschii+continue+foto&biw=1148&bih=492&tbm

[7] www.sandvik.coromant.com

[8] http://www.cgsys.co.jp/c/english/products/excess_evo.html

[9] https://www.hoffmann-group.com/RO/ro/horo/company/garant/garant-innovationen/tpc

[10] http://www.dmc.airliquide.com.