Prelucrarea Si Tratarea Pieselor din Aluminiu

PRELUCRAREA ȘI TRATAREA PIESELOR DIN ALUMINIU

Aluminiul este cel mai răspândit metal în scoarța pământului, aflat sub formă de combinații din care se extrage cu un consum mare de energie. Ponderea aluminiului în scoarța pământului este de 7.5 % [2].

Datorită avantajelor tehnice legate de greutatea specifică mică, conductibilitatea termică și electrică ridicate, rezistența la coroziune etc., aluminiul ocupă în prezent primul loc în producția mondială a metalelor neferoase.

O mare parte din producția de aluminiu se regăseăte în piese turnate, aluminiul și aliajele sale avand proprietati de turnare deosebite.Aluminiul este un metal ce cristalizează cu celula cristalină elementară de cub cu fețe centrate.

Densitatea aluminiului variază în funcție de puritate și temperatură. Pentru a calcula densitatea aluminiului lichid se poate folosi relația:

ρ = 2,382 – 0,000273 ( t – 660 ) (3.1)

în care t este temperatura.

Căldura masică crește cu temperatura conform relației:

c = 0,2220 + 0,0000772 t (3.2)

Conductibilitatea termică scade cu puritatea și crește cu temperatura, iar dilatarea lineară crește cu temperatura prin același grad de puritate.

Rezistivitatea electrică scade pe măsura creșterii purității și crește cu gradul de ecruisare, iar coeficientul de temperatură al rezistivității electrice este 0,0042.

Puterea de reflexie a aluminiului în ultraviolet este între 20 – 85 %, în lumina albă 75 – 90 % iar în infraroșu 90 – 98 %, puterea de emisie scade pe măsura creșterii gradului de polarizare și crește cu temperatura.

Impuritățile din aluminiu se pot grupa în mai multe categorii:

– care reacționează chimic formând compuși definiți, ușor fuzibili;

– insolubile, care formează eutectice ușor fuzibile;

– care formează compuși greu fuzibili insolubili, în aluminiu;

– parțial solubile în aluminiu;

– provenite din gaze;

Fierul separă în structura aluminiului, la limita grăunților, sub forma compusului de formă aciculară Fe3Al. Acesta este dur și scade plasticitatea.

III.1. PRELUCRAREA PRIN AȘCHIERE A PIESELOR DIN ALUMINIU

Caracteristic prelucrării pieselor din aluminiu este faptul că, în timpul lucrului, între sculă și piesă apare o mișcare relativă, alternativă de translație, care constituie mișcarea principală de așchiere.

Prelucrarea prin mortezare asemănătoare prelucrării prin rabotare transversală, cu deosebirea că scula execută mișcarea de așchiere în plan vertical.

Mașinile unelte de rabotat au o cursă activă, în care are loc așchierea, urmată de o cursă în gol de întoarcere a sculei în poziția inițială. De obicei, viteza cuțitului la cursa de mers în gol este mai mare decât la cursa activă, dar, cu toate acestea, productivitatea prelucrării este scăzută. In general prin rabotare se prelucrează suprafețe plane, orizontale,verticale, înclinate, cu forme complexe.

Particularitățile deosebite ale proceselor de prelucrare mecanică din punctul de vedere al robotizării sunt:

– timpul relativ mare de prelucrare (de la zeci de secunde pâna la câteva zeci de minute);

– lipsa temperaturilor înalte de încălzire a semifabricatului; configurația semifabricatului și îndeosebi a piesei finite este suficient de precisă.

Nomenclatura pieselor a căror prelucrare este posibilă și rentabilă în complexele automatizate "mașina-unealtă-robot", este determinată de următorii factori:

– parametrii constructivi ai piesei;

– tipul și starea semifabricatului;

– cerintele tehnice privind piesa;

– dimensiunile de gabarit și masa piesei.

Parametrii constructiv-tehnologici ai pieselor ce sunt destinate pentru prelucrarea în sistem "mașină-unealtă-robot", trebuie să fie caracterizați astfel:

– suprafețe omogene după formă și distribuție pentu bazare și prindere, ce permit, fără control suplimentar, a le instala pe mașina-unealtă, unde pentu centrare și fixare, sunt utilizate echipamente tehnologice de universalitate largă (centrele, mandrinele universale, menghina pneumatică, etc.);

– sunt clar evidențiate bazele și semnele de orientare, ce permit organizarea transportului și al depozitării semifabricatelor lângă mașinile-unelte în poziție orientată, cu utilizarea utilajului suplimentar standardizat.

– posibilitatea unificării și tipizării proceselor de prelucrare și a tipurilor de echipamente pentru aplicarea metodei de prelucrare în grup.

Sistemele tehnologice robotizate se recomandă pentru prelucrarea următoarei tipuri de piese:

– arbori netezi și în trepte, cu axa liniară și excentrici;

– discurile, flanșele, inelele, camășile și bucșele; pieselor plane și spațiale de configurație simplă (plăcile, capacele, penele, cornierele, piesele tip carcasă, etc.).

Mașinile-unelte incluse în componența sistemelor robotizate trebuie să asigure: strângerea automată și eliberarea piesei pe mașina-unealtă; bazarea precisă și sigură a piesei în dispozitivul mașinii-unelte; schimbarea automată a sculei în cadrul ciclului de prelucrare (când este necesar); schimbul de informații cu sistemul de comandă al robotului; deplasarea automată a ferestrei de protecție a mașinii-unelte.

Pentru funcționarea sigură a sistemelor robotizate cu mașini-unelte, este necesară automatizarea mărunțirii așchiilor în procesul de așchiere și îndepărtarea lor din zona de prelucrare, mecanizarea evacuării așchiilor și altor deșeuri în afara mașinii-unelte, automatizarea controlului parametrilor de comandă în procesul prelucrării.

III.1.1. Calitatea suprafețelor prelucrate

Este necesar să se precizeze de la început faptul că noțiunea de calitate a suprafeței prelucrate este legată de precizia prelucrării [2], [4]. La fel de importantă este și noțiunea asupra calității suprafeței, ca fiind o altă latură a preciziei și anume cea care cuprinde și aspectul microgeometric al acesteia.

Astfel, calitatea suprafeței prelucrate cuprinde două aspecte importante (Figura3.1.):

– aspectul fizic al calității suprafeței;

– aspectul geometric al calității suprafeței.

Figura 3.1 Rugozitatea pe suprafața piesei [10]

Primul aspect se referă la abaterile proprietăților fizico-mecanice ale stratului superficial, iar cel de al doilea definește abaterile suprafeței reale față de cea considerată ideală, indicată în desenele de execuție ale reperelor.

Considerând aspectul geometric al calității (cel mai vizibil influențat de procesul tehnologic), analizăm cele trei categorii ale acestei abateri:

– macroneregularități;

– ondulații;

– microneregularități (rugozități).

Așa cum se observă din Figura 3.1., macroneregularitățile sunt abateri de înălțime mică (notate cu RM) având însă pasul foarte mare. Abaterea de înălțime este raportată față de forma teoretică a suprafeței.

Exemple de macroneregularități în cazul suprafețelor plane pot fi: neplaneitatea, convexitatea, concavitatea, iar pentru suprafețe cilindrice: ovalitatea, conicitatea, formă de butoi, formă de hiperboloid, etc.

De obicei microneregularitățile se datorează impreciziei sistemului tehnologic de prelucrare (în special în urma uzurii elementelor sistemului). Microneregularitățile (rugozitățile) sunt acele abateri de înălțime foarte mică Rm (Figura 3.1.) și cu un pas mult mai mic decât cel al ondulațiilor. Tehnologic, ele reprezintă urmele lăsate de scula așchietoare.

Rugozitățile se datorează unor serii de factori: formă (geometria) sculei așchietoare, parametrii regimului de așchiere, deformațiile elastico – plastice ale materialului din fața tăișului sculei, etc.

În condițiile cerute azi produselor fabricate, în vederea unei fiabilități cât mai ridicate, se impune realizarea unei rugozități foarte, prescrise.

Criteriile de apreciere cantitativă a rugozității pe baza sistemului liniei medii:

– criteriul Ra

– criteriul Rz

– criteriul Rmax.

Criteriul Ra, cunoscut și sub numele de criteriul abaterii medii aritmetice, reprezintă valoarea medie a ordonatelor y1,y2,…,yn ale profilului efectiv “ P ”, până la linia medie “ m “ luate în limitele lungimii de referință “ l “ (Figura 3.2.).

Figura 3.2. Graficul abaterii medii

Linia medie m este în așa fel aleasă, încât suma pătratelor ordonatelor y1,y2,…,yn să fie minimă [10].

Relația de calcul este:

sau (3.1.)

Criteriul Rz , este criteriul înălțimii medii a neregularităților care se definește ca fiind distanța medie dintre cele mai înalte cinci puncte ale vârfurilor și cele mai joase cinci puncte ale bazei profilului efectiv (Figura 3.3.), toate cuprinse între limitele lungimii de referință “l” .

Figura 3.3. Rugozitatea Rz

(3.2)

Criteriul Rmax, numit și criteriul secundar, acesta se referă la înălțimea maximă a neregularităților ca fiind distanța dintre linia exterioară (e) și cea interioară (i) a profilului neregularităților (Figura 3.2.) în limitele lungimii de referință “ l ”.

Relațiile de legătură care exprimă echivalența dintre cele trei criterii Ra, Rz și Rmax, sunt:

log Rz=0,65+0,97 log Ra (3.3.)

log Rmax=1,97+0,98 log Ra (3.4.)

Rmax=(3…6) Ra (3.5)

Referitor la relația (3.5.) Rmax=f(Ra), valorile mari se iau pentru prelucrări de degroșare, în timp ce valorile mici pentru prelucrările de finisare.

Din multitudinea de factori care influențează rugozitatea amintim:

– geometria părții așchietoare a sculei;

– calitatea suprafeței părții tăietoare a sculei (inclusiv uzura ei);

– regimul de așchiere;

– deformațiile plastice și elastice;

– rigiditatea sistemului tehnologic elastic de prelucrare;

– tipul lichidul de răcire – ungere.

Rugozitatea se poate măsura prin diferite metode cea mai utilizată și ușor de folosit este ceea utilizând rugozimetrul, la care valoare măsurată se citește de pe un ecran.

III.2. PROCESUL DE TURNARE AL PIESELOR DIN ALUMINIU

Turnarea reprezintă unul din procesele tehnologice de bază pentru obținerea semifabricatelor în construcția de mașini și telecomunicații, acest procedeu realizându-se prin acțiunea conjugată mai multor factori.

Operatorii își desfășoară activitatea în încăperi cu temperaturi ridicate, în atmosferă poluată de fum, de gaze emanate de metalul topit și de forme, în atmosferă există praf, muncitorii sunt expuși stropirii cu metal topit [12].

Realizarea prin turnare ale unor piese care să corespundă cerințelor de precizie și calitate a suprafeței și structurii depinde în cea mai mare măsură de priceperea și conștiiciozitatea operatorul ce execută operațiile ce le presupune turnarea. Dar, în condițiile subliniate mai sus, menținerea constantă, la nivel ridicat, a capacității de lucru a operatorului din turnătorii e greu de realizat, aceasta putând conduce la rebuturi.

Instalațiile din turnătorii se pot concepe și compune pentru următoarele destinații:

– turnarea efectivă a metalului topit în forme de nisip sau în cochile;

– pregătirea și manipularea formelor, incluzând aici și instalarea miezurilor în forme;

– debavurarea și tăierea maselotelor;

– dezbaterea formelor după răcirea pieselor turnate;

-curățirea suprafeței pieselor turnate;

– servirea mașinilor de turnat sub presiune.

Robotizarea operațiilor în turnătorii prezintă următoarele avantaje:

– ușurarea muncii operatorului uman prin protejarea lui de căldură, atmosferă nocivă, stropi de metal topit, prin eliminarea efortului fizic intens;

– eliminarea deficitului de forță de muncă existent mai ales în atelierele de curățire/debavurare a pieselor turnate;

– îmbunătățirea calității pieselor turnate prin respectarea riguroasă a prevederilor procesului tehnologic;

– realizarea unor economii de metal și materiale auxiliare.

Roboții industriali care lucrează în turnătorii trebuie protejați prin intermediul unor sisteme speciale pentru protejarea zonelor de contact ale cuplelor cinematice din construcția robotului sau a traductoarelor și motoarelor de acționare împotriva unor materiale abrazive sub formă de pulbere sau de particule de praf și nisip.

Din punct de vedere cinematic, dispozitivul de ghidare al mașinilor din turnătorii lucrează, cu deosebire, în coordonate polare sau sferice, sau în coordonate cilindrice.

Gradul de mobilitate cel mai mare trebuie să-l posede roboții utilizati în celulele robotizate de curățire a pieselor turnate și de implementare a miezurilor în forme. În Figura 3.4. este prezentată o instalație de turnare a pieselor din aluminiu.

Figura 3.4. Instalație de turnare a pieselor din aluminiu

Deosebirile esențiale ale mașinilor din turnătorii sunt determinate de operațiile pe care le execută, ceea ce va necesita o construcție adecvată pentru dispozitivul de prindere al robotului. Astfel, pentru executarea unor operații ca tăierea maselotelor, debavurarea, curățirea suprafeței, se vor atașa dispozitive speciale și scule adecvate operațiilor respective. In această situatie, ca de altfel și la manipularea oalelor de turnare, dispozitivul de prindere se realizează cu două sau trei grade de mobilitate pentru a putea poziționa corespunzător obiectul manipulat.

Sistemul de acționare preferat pentru mașinile utilizate în turnătorii este cel electric, datorită posibilităților mai mari de obținere a unui grad înalt de mobilitate. Dacă însă sarcinile ce trebuie manipulate sunt mari (manipularea formelor, manipularea unor oale mari de metal topit etc.), atunci este preferată acționarea hidraulică.

Manipulatoarele cu acționare pneumatică se pot utiliza în turnătorii pentru manipularea unor forme, a miezurilor sau a cutiilor de formare de greutate redusă. Trebuie subliniat că acționarea pneumatică este mai puțin sensibilă la atmosfera de praf față de acționarea electrică și hidraulică.

Sistemul de comandă al roboților utilizați în turnătorii trebuie să asigure, aproape în toate cazurile, programe de comandă de tipul punct cu punct. Comanda după traiectorie continuă sau multipunct este prevăzută la roboții pentru polizarea suprafețelor sau la roboții de curățire prin sablare.

Intr-o componentă diferită se realizează celula robotizată, rolul mașinii de format fiind îndeplinit parțial de către robot. In acest caz, robotul industrial manipulează un cap în jurul modelului formei de turnătorie cu ajutorul aerului comprimat.

Forma este compactată ulterior cu ajutorul unei mase vibratoare. După extragerea modelului din formă, suprafețele acestuia din urmă se ung cu o soluție de negru de fum și apoi se usucă. Operația de ungere se poate executa de către un robot industrial ce manipulează un cap de stropire a soluției cu aer comprimat. La rândul ei, uscarea suprafețelor formei se poate realiza, cu un robot industrial, deplasând în dreptul lor un arzător alimentat cu gaz și aer. În toate aplicațiile prezentate, operatorul uman realizează programarea robotului fie prin instruire, fie prin conducere directă (ca și în cazul aplicației de vopsire) sau prin telecomandă. Robotul industrial are un sistem de comandă cu program de traiectorie continuă.

Una dintre cele mai dificile operații ce se execută în turnătorie este turnarea propriu-zisă a metalului lichid în forme. Operația poate fi automatizată prin utilizarea în acest scop a unui manipulator sau a unui robot industrial ce manipulează oala de turnare. El aduce oala în dreptul canalului de scurgere al metalului din cuptor sau o scufundă în melanjor în vederea umplerii. Incărcarea oalei de turnare cu o anumită cantitate de metal topit se poate asigura, dând oalei o înclinație bine determinată, asfel încât surplusul de metal să se scurgă pe un canal practicat în acest scop.

III. 2.1 Turnarea sub presiune

Există posibilitatea ca în componența mașini de turnare sub presiune să intre un singur robot, care să execute toate aceste operații, dar se poate prevedea și un manipulator separat care să execute numai manipularea lingurii de turnare a metalului topit; celelalte operații vor fi executate de un alt robot, cu ciclu de funcționare mult mai complex. Pe de altă parte, dacă ciclul de turnare sub presiune și răcirea piesei sunt de durată mai mare, apare posibilitatea ca un singur robot să asiste două mașini.

Un braț de turnare încarcă, se aduce apoi succesiv în dreptul formelor sau cochilelor pregătite și se realizează operația de turnare. Cantitatea de metal ce se toarnă într-o anumită formă este reglabilă prin înclinarea oalei de turnare în mod corespunzător și aceasta se obține comandând mai multe poziții ale brațului de turnare manipulat de dispozitivul de prindere al robotului. Turnarea sub presiune este un procedeu tehnologic pentru realizarea unor semifabricate de dimensiuni mici ori mijlocii din metale neferoase: plumb, aluminiu, zinc, magneziu, cupru ori alamă. Utilajul principal din componența acestor celule este mașina de turnat sub presiune, ce poate fi cu cameră caldă ori cu cameră rece.

Mașinile de turnat sub presiune cu cameră caldă se utilizează în cazul turnării unor piese din plumb ori zinc, metale ce au temperatura de topire mai scăzută. Ele dispun de un cilindru de presare ce se află în interiorul unui vas cu metal topit, pistonul fiind acționat hidraulic sau pneumatic. Acesta presează lichidul topit prin intermediul unei conducte în golul matriței gravate în două plăci suprapuse, dintre care una este fixă și cealaltă mobilă.

In cazul turnării sub presiune a unor obiecte din aluminiu, magneziu, cupru ori aliaje de cupru, cu temperatură de topire mai ridicată, se utilizează mașini de turnare sub presiune cu camera rece (Figura 3.5, și Figura 3.6). In acest caz, metalul este topit într-un recipient aflat într-un cuptor separat.

Roboții industriali ce înlocuiesc operatorul în celulele de turnare sub presiune, trebuie să îndeplinească aceleași operații din componența acestui procedeu: alimentarea cilindrului de presare cu metal topit extras din recipientul cuptorului de topire cu ajutorul unei linguri de turnare speciale; deschiderea matriței după ce s-a încheiat solidificarea obiectului turnat, după ce un aruncător împinge obiectul afară din cavitatea părții fixe a matriței; preluarea obiectului de pe mașină și scufundarea acestuia într-o baie de răcire ori plasarea obiectului în zona de acțiune a unor jeturi de apă; alimentarea unei prese de debavurare a piesei, după debavurare piesa fiind deplasată într-un container.

Preluarea unui cap de lubrefiere cu ajutorul căruia se stropesc cavitățile matritei cu un amestec de aer și particule de lubrifiant, realizând astfel ungerea matriței; în cazul în care piesa turnată sub presiune trebuie să conțină o inserție, robotul se programează astfel ca, înaintea închiderii matritei și a turnării, să așeze piesa de insertie în interiorul matriței deschise.

Figura 3.5. Turnarea sub presiune cu cameră rece

matriță; 2 – metal lichid; 3 – piston; 4 – sistem de desprindere; 5 – piesă

Figura 3.6. Turnarea sub presiune cu cameră caldă [5]

matriță; 2 – piston; 3 – orificiu; 4 – sistem de desprindere; 5 – piesă

III.3. PROCEDEE DE TĂIERE

III.3.1. Tăierea metalelor în apă

Tăierea metalelor în apă se poate face cu flacară de gaze și oxigen sau oxiacetilenic. Pentru tăierea în apă cu flacară, gazul combustibil folosit este hidrogenul comprimat în butelii, în acest caz presiunea este de 10…15 ori mai mare față de cele de la tăierea în aer. Acetilena poate fi utilizată la adâncimi de circa 4 m, peste această valoare prezintă pericol de explozie. La adâncimi mai mari, fiind necesare presiuni mari de gaze combustibile, se folosește numai flacara de preâncălzire cu hidrogen – oxigen. Este necesar ca în locul de tăiere să fie format în prealabil un volum de aer pentru ca tăierea să fie executată în aer. Gazul combustibil trebuie să fie la presiune mare și pentru a depăși presiunea aerului din jurul flăcării.

Flacăra de gaz se reglează la suprafața apei, după care „scafandrul” – tăietor, cu flacară aprinsă, coboară în apă, astfel o mare parte din aceasta este menținută fără să taie efectiv.

Arzătoarele sunt de construcție specială, cu două racorduri pentru oxigen (unul pentru flacără și celelălalt pentru oxigenul de tăiere).

Puterea dezvoltată de flacară este redusă, motiv pentru care s-au construit arzătoare cu benzină pulverizată, in acest caz nu mai este necesară formarea volumului de aer. Astfel pot fi prelucrate piese cu grosimi de până la 100 mm, la adâncimi de până la 30 m; în acest caz consumul de oxigen este între 30…60 m3 /h, iar cel de benzină de 10…20 l/h.

III.3.2.Tăierea cu jet de apă

Acest procedeu este la concurență cu prelucrarea cu laser sși constituie unul dintre cele mai noi procedee de tăiere. Plecând de la prelucrarea sticlei, unde singura problema care apăre sunt zgârieturile de pe suprafața tăiată cu jet de apă.

Acest procedeu este utilizat pentru prelucrarea unor materiale folosite în industria aeronautică, unde sunt în curs de desfășurare numeroase cercetări.

Firma Aerospațiale a realizat în acest scop un robot cu șase axe destinat prelucrării de finisare a materialelor compozite și a unor cavități în aliajele de titan și fibre de carbon. Au fost realizate canale si în aliajele de titan și nichel, cu lățimi variind între 0,15…10 mm, găuri înfundate și forme complexe în spațiu, cu suprafețe foarte fine.

Sunt firme care recomandă ca realizarea diuzei de focalizare a jetului să fie din diamant, pentru cilindrul de focalizare să se utilizeze carbură de bor, iar ca și material abraziv injectat în lichid să se folosească pulberea de corindon.

Proprietățile materialului abraziv depind de materialul piesei, de preciza și calitatea tăieturii, de lungimea ei. In funcție de materialul abraziv folosit, durata de viață a cilindrului este de 80…100 ore, de circa 4…5 ori mai mare decât a celor realizate din tungsten, dar prețul este de circa 10 ori mai mare.

În prezent s-au realizat diuze din materiale ceramice sinterizate, cum ar fi cele din carbură de tungsten (Japonia), din safir (Franța), din bor (SUA).

Se studiază și problema realizării unui nou sistem de injecție la care să fie doar contractul diuzei numai cu apă, coloana particulelor abrazive urmând să fie injectată în interiorul coloanei de apă.

III.3.3. Tăierea cu laser

Acest procedeu cunoaște o largă dezvoltare și aplicare, datorită avantajelor pe care le oferă:

– tăieturi foarte fine în materialele cu fragilitate mărită sau cu duritate mare, tăieturi în orice direcție și în locuri greu accesibile;

– lipsa de eforturi mecanice asupra pieselor.

Instalația de tăiere cu laser este un utilaj complex utilizat pentru operațiile de tăiere conturată și pentru debitări de precizie. Are în componență următoarele elemente:

– laserul cu CO2, prevăzut cu un sistem de deplasare al semifabricatului;

– instalație electrică convențională CNC pentru deplasare pe contur.

Această instalație poate fi utilizată în multe domenii, cum ar fi:

– în industria construcțiilor de mașini și electrotehnică;

– pentru tăierea conturată și debitarea tablelor cu grosimi până la 6 mm, din oțeluri de uz general (panouri diverse, piese plane complexe în fabricația de autovehicule, material rulant), din oțeluri aliate (scule, repere plane complexe din aeronautica) și din oțeluri inoxidabile; tăierea dreaptă și profilată a țevilor din oțel;

– tăierea conturată și debitarea simplă a materialelor plastice, cauciuc, electroizolante;

– în industria ușoară și de prelucrare lemnului, pentru tăierea pe contur a diferitelor materiale textile cu grosimi de până la 20 mm.

Dintre caracteristicile tehnice ale acestei instalații amintim:

– echipamentul cu laser;

– puterea instalată reglabilă între 100…400W;

– mediu activ format dintr-un amestec de CO2, He, N2;

– gaze auxiliare, care pot fi O2 sau N2;

– sistemul de deplasare a pieselor în coordonate;

– deplasarea pe axa xy: 800…1000 mm;

– viteza de deplasare: 0,1…8 m/min;

– precizia de lucru: 0,1 mm/m

– sistemul CNC:

– multiplicare – demultiplicare, retur pe contur, lucrul în oglindă;

– afișarea pe display alfanumeric: cote prescrise, cote parcurse, regimuri și situații de lucru.

– instalatia electrică de comandă și control:

– puterea totală: 15 kVA; 380 V; 50 Hz.

Avantajele utilizării laserului:

– productivitatea mărită față de procedeul de tăiere oxiacetilenică sau față de cel de tăiere mecanică este de 10…20 ori, în special datorită vitezelor mari de tăiere;

– pierderi foarte reduse de material datorate interstițiului mic de tăiere (0,2…0,5 mm);

– zonă de influență termică redusă;

– precizie mare de tăiere conturată;

– elasticitatea mare de prelucrare a profilelor plane și a materialelor (gama largă de materiale prelucrabile).

Ținând seama de aceste avantaje și de elementele specifice ale instalației, se urmărește utlizarea acestor instalații și pentru aplicații, în special pentru producția de serie mică și mijlocie și pentru prelucrarea materialelor cu calități speciale (aliaje dure și extradure, materiale compozite, amorfe, stratificate).

III.3.4. Tăierea cu jet de plasmă

În termeni simpli, tăierea cu plasmă este un procedeu care utilizează un jet de mare viteză de gaz ionizat, care este livrat de la un orificiu. Viteza mare de gaz ionizat, care este plasma, condusă de energia electrică taie piesa de lucru. Plasma încălzește piesa de prelucrat, urmând apoi procesul de topire a materialului. Fluxul de mare viteză de gaz ionizat mecanic lovește în metalul topit și produce ruperea materialului.

Tehnologia tăierii cu plasmă a fost dezvoltată în anii '50 pentru materialele, ce nu puteau fi tăiate cu flacără, ca de pildă inoxurile, aluminiul și cuprul.

Dezvoltarea acestei tehnologii a permis mai târziu tăierea cu plasma și a altor materiale, precum oțelurile mediu și slab aliate. De asemenea, au fost realizate mașini de tăiere cu plasmă de mare precizie. In principiu, gazul plasmogen este ionizat în duză și focalizat printr-o duză special proiectată. Acest jet plasmogen poate fi folosit singur pentru tăierea materialelor ca de pildă plasticul (arc fără transfer). In tăierea metalelor, un arc electric este amorsat între electrod și piesa de lucru, pentru mărirea transferului de energie. Un orificiu foarte îngust al duzei focalizează arcul și jetul plasmogen. Din motive de protecție a mediului, tăierea cu plasmă este executată de regulă sub apă, în bazine. Gazele plasmogene includ argonul, hidrogenul, azotul și amestecuri ale acestora precum și amestecuri de aer și oxigen.

Mașinile de tăiere cu plasmă de mare precizie, sunt bazate pe focalizarea eficientă a jetului plasmogen, de exemplu prin rotire.

La tăierea cu jet de plasmă, datorită concentrației mari de energie într-un spațiu restrâns, se pot atinge temperaturi foarte înalte. Materialul piesei este încălzit până la topirea unui strat, după care se suflă prin tăietură cu jetul de plasmă. Pentru piesele cu grosimi mai mari de 10 mm, jetul de plasmă este înlocuit de un arc de plasmă (căldura degajată în secțiunea tăieturii este mai mare) (Figura 3.7).

Figura 3.7. Schema bloc de tăiere cu plasmă

Jetul de plasmă este utilizat din ce în ce mai mult și la tăierea oțelurilor bogat aliate, a metalelor neferoase și a materialelor nemetalice. Pot fi utilizate gaze plasmogene, cum ar fi: argon, azot, hidrogen, heliu. Folosindu-se generatoare de plasmă cu puteri instalate de până la 150 kW se pot tăia materiale care, în cazul oțelurilor, ajung până la 120 mm grosime, iar pentru aluminiu până la 125 mm. În Figura 3.8. sunt prezentate repere prelucrate cu ajutorul jetului de plasmă.

Figura 3.8. Repere din aluminiu prelucrate cu jet de plasmă [13]

În figura 3.9 este prezentată o instalație de tăiere cu jet de plasmă a materialelor compozite. Jetul de plasmă acționează asupra materialului de tăiat, poziționarea și deplasările sx, sy, sz și rotirea wz, necesare decupării conturului dorit putând fi realizate manual, sau automat cu ajutorul calculatorului.

Figura 3.9. Instalație de tăiere cu jet de plasmă a materialelor compozite [13]:

1 – electrod din wolfram; 2 – duza; 3 – amestec de gaze; 4 – sistem de răcire;

5 – jet de plasmă; 6 – materialul de tăiat; 7 – calculator electronic

Principalii parametri ai instalației de tăiere cu plasmă sunt: viteza de tăiere, intensitatea și tensiunea curentului electric în arcul de plasmă, debitul și natura gazului.

Stabilirea valorilor acestor parametri se face în funcție de natura materialului prelucrat, grosimea semifabricatului, calitatea impusă suprafeței, productivitatea impusă, precizia dimensională și forma geometrică cerută.

Grosimea semifabricatului debitat cu jet de plasmă poate fi de până la 60…80 mm și chiar mai mult. De reținut însă că, odată cu creșterea grosimii semifabricatului debitat, creșterea densității de curent nu mai conduce la o creștere proporțională a vitezei de tăiere. Aceasta se datorează faptului că o mare parte din energia termica se consumată pentru extinderea zonei influențată termic care, pentru un rost de tăiere de 1,5 mm, se poate extinde cu 0,24 mm.

Plasmatroanele cu gaze plasmogene biatomice (N2, H2, O2) oferă o tăiere de calitate a semifabricatelor in special al celor din materiale metalice cu precădere a oțelurilor înalt aliate, refractare și inoxidabile, aliajelor de aluminiu, cupru, titan și a materialelor compozite cu matrice metalică sau din mase plastice, cum ar fi cele termoplastice, termorigide, elastomere.

Dintre defectele specifice tăierii cu jet de plasmă amintim:

– la o putere prea mică a generatorului de plasmă apare o rotunjire a muchiilor datorită tăierii;

– rugozitatea mai mare pe una dintre suprafețele tăiate, datorită efectului turbionar al jetului de plasmă;

– apariția de bavuri pe partea opusă a zonei tăiate și improscări de material, sub form unor stropi, datorită tăierii cu viteze mari;

– apariția unor zone influențate termic în care, sub acțiunea tensiunilor termice și remanente pot apărea fisuri, crăpaturi.

Pentru prelucrarea pieselor din oțel carbon cu grosimi de până la 75 mm se pot utiliza, în locul gazului inert, aer sau oxigen. Calitatea tăieturii cu jet de plasmă este cel puțin tot atât de bună ca și cea realizată prin tăierea oxiflacăra, însă cu o zona influențată termic de cel mult 1,5 mm. Precizia tăieturii este de 1,5 mm.

III.4. Prelucrarea prin eroziune cu plasmă

Plasma se caracterizează prin:

– conductivitate electrică mare,

– capacitate de interacționare cu câmpurile electrice și magnetice,

– sursă de radiații electromagnetice (infraroșu, vizibil, ultraviolet).

Mediului gazos, natura acestuia precum și gradul de ionizare și de recombinare determină temperatura plasmei, care variază în limite largi. Plasma poate fi de temperatură scăzută de aproximativ 1030 K și plasmă nucleară de până la 1080 K.

In domeniul construcțiilor de mașini se folosește plasma de 6000…30000 K obținută în urma unor descărcări electrice în mediu gazos prin arc, prin scântei sau latente. Plasma se obține în generatoare de plasmă, numite și plasmatroane, în care coloana arcului electric este obligată, sub acțiunea unui jet de gaz, să treacă printr-un spațiu limitat de orificiu unei duze.

Generatoarele de plasmă pot funcționa, după modul în care se realizează descărcarea, în două variante:

– cu arc cu plasmă ( arcul arde între electrodul – catod și piesa anod trecând prin duză);

– cu jet de plasmă (arcul arde între electrod – catod și duza – anod, plasma fiind suflată prin presiunea gazului sub formă de jet) generator tip Plasma – Plating.

Sistemul de alimentare cu gaz plasmogen, acesta constă din butelii de presiune înaltă în care se află închis gazul de lucru, care poate fi: hidrogen, azot, argon, heliu, kripton sau amestecuri ale acestora.

Sursa de alimentare cu energie electrică are puteri de până la 105 W și tensiuni necesare arcului de plasma de 200 – 250 V.

Se pot prelucra cu plasmă oțelurile inoxidabile, oțelurile manganoase, aliajele de titan, cuprul, magneziul, aluminiul și aliajele lor, fonta și deșeurile toxice ale industriei chimice.

III.4.1 Găurirea cu plasmă

Acest procedeu este eficient la prelucrarea tablelor metalice.

Durata perforării printr-o tablă de aluminiu de 30 mm este de numai 10 secunde/orificiu, pentru o tablă cu grosimea de 80 mm, 20 secunde/orificiu, iar pentru tablele de grosimi între 100 150 mm viteza de găurire este de 12 minute.

Mediul plasmagen utilizat este format din diferite amestecuri de argon și hidrogen. Prin modificarea debitului de hidrogen se modifică și forma orificiului și a vitezei de lucru, în timp ce debitul de argon are o influență redusă. Forma și geometria orificiilor depind de o serie de factori cum ar fi: puterea introdusă în arcul de plasmă, distanța dintre generator și piesă, debitul gazului plasmagen și de timpul total de ardere al arcului. Pentru arcul electric alimentat cu 250 A, utilizat la perforarea tablelor de oțel nealiat de 10 mm grosime, rezultatele sunt prezentate în tabelul 3.1.

Tabel 3.1.

III.4.2. Canelarea cu plasmă

Poziția înclinată a generatorului de plasmă, evită aruncarea metalului topit în adâncitura rămasă în spatele acestuia, se obține astfel caneluri cu diferite forme și dimensiuni în funcție de parametrii regimului utilizat.

În acest caz amestecul de gaz plasmagen utilizat are în componența sa circa 85 % N2 și 15 % H2, iar viteza de avans a fost de 1,5 m/min. Acest prcedeu este caracterizat printr-un debit mare de gaz, diametre mari ale ajutajului, mai mari decât în cazul tăierii cu plasmă. Prin decalarea poziției generatorului la fiecare trecere, se îndepărtează stratul superficial de metal asemănător ca și în cazul rabotării.

Suprafața prelucrată poate fi netezită după îndepărtarea grosimii dorite printr-o trecere utilizând un regim mai puțin intensiv.

III.4.3. Cilindrarea – strunjirea exterioară cu plasmă

Acest procedeu constă în îndepărtarea dimensională de material cu ajutorul plasmei termice la corpurile de rotație.

Acest procedeu neconvențional este aplicbil pentru corpurile dure, care sunt dificil de prelucrat prin procedee mecanice clasice (oțeluri termorezistente, aliaje de nichel etc.). În cazul oțelurilor obișnuite, aplicarea acestui procedeu este rentabilă, deoarece se obțin productivități de aproximativ zece ori mai mari decât în cazul tehnologiilor clasice .

Amestecul plasmagen al arcului, este compus din 80 % N2 și 20 % H2. Prezența oxigenului mărește mult productivitatea, însă are efecte negative asupra consumului de electrozi și asupra calității suprafeței prelucrate.

Poziționarea generatorului de plasmă în raport cu piesa prelucrată are o mare importanță tehnologică, acest parametru determinând în mod direct productivitatea și calitatea prelucrării.

III.5. Sudarea aluminiului și aliajelor de aluminiu

III.5.1. Sudarea cu plasmă

Sudarea cu plasmă cu arc transferat este foarte des întâlnită la sudarea metalelor și poate fi descrisă ca fiind un procedeu WIG mai avansat. Principala diferență constă în calea de descărcare dantelată, rezultând o puternică focalizare a arcului. Arcul este focalizat printr-un orificiu special al duzei și un inveliș adițional de gaz. Gazul plasmogen devine ionizat în duza și asigură o cale de descărcare stabilă către piesă chiar și la o putere mică. Sudarea cu plasmă poate fi folosită în microaplicațtii, spre deosebire de WIG. Pentru grosimi ale materialului de până la 3 mm, procedeele de sudare cu plasmă sau WIG sunt comparabile, dar când se sudează materiale mai groase, se formează o gaură la sudarea cu plasmă datorită energiei mai mari concentrate în arcul plasmogen. Gaura duce la pătrunderi ale arcului și viteze de sudare mai mari, și de aici o deformație mai mică a materialelor decât la sudarea WIG.

Gazul plasmogen este mediul în care se formează plasma dintre electrod și piesă. Foarte des se utilizează argonul sau amestecul argon-hidrogen ca și gaz plasmogen în cazul oțelurilor inoxidabile, iar amestecurile argon-heliu pentru metalele neferoase.

Un gaz de protecție separat este necesar pentru protejarea băii de sudura și a materialului afectat termic. Gazul de protecție este introdus în niște orificii exterioare care înconjoară gazul plasmogen ca o panglică. In funcție de tipul gazului, concentrația arcului poate fi mărită prin intermediul gazului de protecție. Cu toate acestea, de multe ori același gaz este folosit și ca gaz plasmogen și ca gaz de protecție.

Un gaz de suport la rădăcina este aplicat pe partea rădăcinii prin dispozitive de protecție a acesteia, având în vedere ca metalul topit și materialul afectat termic al rădăcinii trebuie de asemenea protejate. Gazul de protecție la rădăcina este de obicei argonul, sau amestecurile de argon-hidrogen (sau azotul)

Procedeele de sudare moderne sunt caracterizate printr-un consum minim de energie și printr-o lipsă de metal de adaos. Prin aceste procedee s-a lărgit gama materialelor sudabile, fiind destinațe mai ales noilor aliaje ș superaliaje și s-au adus îmbunătățit substanțiale procedeelor clasice. Astfel, procedeul de călire superficială prin curenți de înaltă frecvență a fost extins și la sudare.

Plasma se caracterizează printr-o densitate mare de energie și temperaturi înalte, plasma poate fi utilizată pentru prelucrarea aliajelor metalice greu prelucrabile sau imposibil de prelucrat prin alte procedee.

Între plasmă și arcul electric sunt următoarele diferențe:

– arcul electric are ca mediu ionizat parametri atmosferici, iar plasma se dezvoltă într-un gaz introdus în spațiul arcului;

– din cauza contractului dintre jetul fierbinte de gaz și diuza ajutajului răcită intens plasma este puternic strangulată mecanic și electromagnetic;

– aerul ionizat din arcul electric de sudură împreună cu gazele dezvoltate au o presiune practic egală cu presiunea atmosferică, pe când la plasmă gazele se introduc sub presiune, ceea ce determină o curgere cu viteze mari a plasmei ionizate;

– la arcul electric de sudură are o formă tronconică, pe când la plasma este de formă cilindrică;

– temperatura arcului electric este mult mai mică decât cea a plasmei.

Arderea stabilă a plasmei este legată și de materialul din care este confecționat catodul generatorului. Folosirea electrozilor din wolfram aliat, pe lângă intensificarea emisiei termoelectronice și îmbunătățirea stabilității arcului cu plasmă, are consecințe și asupra altor fenomene.

Uzura catodului generatorului de plasmă este determinată de gazul plasmogen folosit, de factorii care determină temperatura catodului, de regimul de lucru și evident, de materialul folosit la confecționarea sa. Prin reducerea debitului apare însă arcul electric secundar, iar pata catodică de pe vârful electrodului se deplasează pe suprafața sa cilindrică. Prezența arcului secundar deterimnă deteriorarea ajutajului. S-a constat că, pentru a nu se îndepărta baia de metal topit, este necesar ca debitul să fie de aproximativ 600 l/h și intensitatea curentului de sudare să fie în limitele 80…140 A. Pentru un debit constant, se folosește drept gaz de focalizare hidrogenul.

In afara operațiilor de sudare și tăiere, instalațiile în jet de plasmă pot fi utilizate și pentru încărcarea prin sudare cu plasmă. Aceasta constă, în realizarea de depuneri din metale sau aliaje cu performanțe superioare metalului de bază.

III.5.2. Sudarea în mediu de gaz protector

Procedeele de sudare cu electrod fuzibil în mediu de gaze protectoare, grupate sub acronimul GMA, având aspecte comune atât în ceea ce privește procesul de sudare cât și construcția echipamentelor, sunt în general tratate împreună. Schema de principiu a procedeelor de sudare GMA este dată în figura3.10.

Principalele procedee sunt: MIG – sudare în mediu de gaz inert, respectiv MAG – sudare în mediu de gaz activ.

Figura 3.10. Schema de principiu a procedeelor de sudare în mediu de gaze protectoare [11]

Echipamentul de sudare constă din următoarele subansambluri principale:

sursa de putere;

butelia/buteliile de gaz/gaze protectoare cu blocul reductor-amestecător –uscător-încălzitor al gazului RG;

dispozitivul de avans al sârmei DAF de pe tambur (bobină) TS;

pistoletul de sudare, la sudarea manuală, respectiv capul de sudare, la sudarea automată; pentru curenți de sudare peste 300 A, este răcit cu apă;

tubul flexibil de racordare a utilităților (curent, gaz de protecție, apă de răcire) la pistoletul/capul de sudare (lungime 3 – 12 m).

Uzual, sursa de putere și buteliile de gaz se montează pe un cărucior.

Arcul electric de sudare (AES) arde între vârful sârmei electrod (SE) și piesă, într-un mediu protejat de un amestec de gaze protectoare (GP), insuflat prin duza pistoletului/capului de sudare. Sârma electrod este conectată la conductorul de racordare la sursa de putere printr-un contact alunecător (CA).

Limitele de variație ale parametrilor electrotehnologici primari, precum și ale diametrului sârmei electrod, respectiv polaritatea conectării la procedeele de sudare GMA sunt prezentate în tabelul 2.2.

Materialele tehnologice necesare realizării sudurii sunt:

sârma de sudare, cuprată la exterior, cu diametrele prezentate în tabelul 3.2; compoziția sa este determinată – la sudarea MAG – de metalul de bază și conține în plus agenți dezoxidanți (Si, Mn, Ti, Al, Zr); la sudarea MIG, sârma are aceeași compoziție au a metalului de bază;

gazul/amestecul de gaze de protecție, în funcție de procedeu:

– la sudarea MAG: CO2, CO2 + Ar, CO2 + Ar + O2; CO2 + N2;

– la sudarea MIG: Ar, Ar + He, Ar + O2.

Tabelul 3.2.

Ambele procedee de sudare sunt caracterizate printr-o productivitate ridicată, universalitate din punct de vedere al pozițiilor de sudare și al formei cusăturii sudate. Procedeul MIG este caracterizat în plus prin aplicabilitate universală la orice metal sau aliaj. Procedeele sunt pretabile automatizării complete, respectiv pot fi utilizate cu roboți de sudare.

III.5.2.1. Sudarea cu electrod nefuzibil în mediu de gaz inert

Procedeul de sudare GTA cel mai răspândit este WIG, simbolizat în literatura anglo-saxonă TIG. Schema de principiu a procedeului este dată în figura 3.11.

Figura 3.11. Schema de principiu a sudării GTA [11]

Tehnica sudării comportă trei etape:

1) pistoletul de sudare stă în poziție perpendiculară pe componente, iar arcul electric AES, stabilit între vârful electrodului de wolfram EW și piesă, topește local metalul de bază (piesa) formând baia de sudură;

2) pistoletul se înclină la aproximativ 75  față de orizontală, iar în spațiul arcului se aduce, sub un unghi de circa 15  față de planul componentelor, o vergea metalică VM, pentru a furniza băii de sudură materialul de adaos sub forma unei picături din capătul VM ;

3) se retrage VM, pistoletul se readuce în poziție verticală și se avansează cu un pas, după care se reiau secvențele de mai sus.

Sudarea se poate face manual sau automat.

Parametrii electrotehnologici primari au următoarele limite de variație:

Is = 3…1000 A; Ua = 8…30 V; vs = 5…80 cm/min.

Sudarea se poate face atât în DC-, DC+, cât și în AC (pentru aluminiu, magneziu și aliajele lor). Construcția vârfului electrodului și bilanțul căldurii transmise în electrod și piesă depind de natura curentului și de polaritatea de conectare.

Echipamentul pentru sudarea GTA conține următoarele subansambluri:

sursa de putere, prevăzută, după caz, cu un oscilator de înaltă frecvență și înaltă tensiune pentru amorsarea arcului;

pistoletul/capul de sudare;

buteliile și blocul de condiționare al gazului (RG);

tubul flexibil de legătură, cu accesoriile de conectare.

Materialele tehnologice necesare sudării sunt:

gazul de protecție: Ar (produce microsamblarea băii de sudură, la sudarea DC+, sau AC), He sau amestecuri Ar + He, Ar + H2;

materialul de adaos, sub forma unei vergele, din același material ca metalul de bază, cu diametre de 2 – 5 mm;

electrozii nefuzibili, care se realizează din wolfram pur sau aliat cu thoriu, ceriu, oxid de lantaniu sau zirconiu, cu diametre de 0,5 – 10 mm.

Procedeul de sudare WIG/TIG se aplică la sudarea oricărui metal sau aliaj metalic, în general la realizarea sudărilor dificile din toate punctele de vedere, cum este cazul sudării componentelor subțiri (grosimi 0,1…3,5 mm) din metale active și refractare, unde este necesară o curățenie deosebită pentru a se realiza îmbinări de calitate.

III.6. Tratarea pieselor din Aluminiu

Circa o treime din producția mondială de metal este scoasă din uz datorită coroziunii. Din acesta două treimi este recuperat prin topire, adică circa 10 % din producția mondială se pierde definitiv catorită acțiunii de distrugere a coroziunii.

Aceste probleme legate de coroziune nu afectează numai pierderile de metal ci și scoaterea din funcțiune a unor instalații,ceea ce implică costuri suplimentare pentru prelucrare și montare. De exemplu pentru șinele de cale ferată costul materialului depășeste costul de fabricație, pentru alte produse cum sunt mașinile, avioanele, apăratele de precizie etc., costul de fabricație depășeste cu mult costul materialului.

Termenul de coroziune se referă la o serie de procese, schimbări chimice și electrochimice prin care metalele trec dintr-o formă elementară într-o formă combinată. Trecerea fiind posibilă datorită faptului că în natură, metalele se găsesc sub formă combinată ca: oxizi, carbonați, hidroxizi, a căror energie liberă este mai mică decât a metalului pur.

III.6.1. Galvanizarea

Galvanizarea [4] este un proces electrochimic prin care are loc acoperirea suprafaței unui metal cu un alt metal a cărui ioni sunt disociați în soluția electrolitică. Galvanizarea constă dintr-o baie electrolitică prin care circulă curent electric, în baie găsindu-se doi electrozi un catod (ex. o placă de metal care va fi acoperiăt cu un strat de cupru sau nichel), și polul pozitiv sau anodul. Intensitatea curentului electric determină disocierea, transportul și depunerea ionilor de metal de la anod (cupru) la catod (metal). Acest procedeu fiind cunoscut sub denumirea de galvanizare a metalului (acoperirea metalului cu un strat uniform de cupru). Intensitatea curentului influențează direct proporțional stratul de cupru depus prin galvanizare.

III.6.2. Placarea

Plcarea reprezintă procesul electrochimic prin care are loc depozitarea unui strat subțire de metal pe un alt element, in cele mai multe cazuri de natură metalică. O mare parte dintre obiecte sunt electrometalizate pentru a preveni coroziunea, si pentru a obține o suprafață dură sau o finisare atractivă, pentru purificarea metalelor sau pentru separarea metalelor pentru analiza cantitativă. Metalele cele mai des folosite în electrometalizare sunt: cadmiul, cromul, cuprul, aurul, nickelul, argintul și cositorul.

Dintre produsele realizate prin această metodă putem aminti: tacâmurile argintate, accesoriile de mașină cromate, oalele placate cu cositor în procesul de electrometalizare. Produsul care urmează să fie acoperit este introdus într-o baie de soluție a sării metalului cu care va fi placat și apoi conectat la capetele negative a unei surse externe de energie.

In cazul materialelor neconductoare acestea sunt placate mai întâi cu un strat de grafit, acest procedeu se aplică cu succes la placarea matricile discurilor de inregistrat. Pentru a avea o legătura strânsă și durabilă între obiectul placat și materialul de placat, obiectul se curăță cu ajutorul unui acid sau a sodei caustice. Pentru eliminarea neregularitățile pe suprafața obiectului și pentru a asigura calitatea acesteia densitatea actuala și temperatura trebuie controlate foarte atent. Sunt unele metale care au tendința să placheze mai mult pe proeminențe, de exemplu cum este cromul, acesta lăsa fisuri sau chiar părți ale anodului neacoperite.