STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE ȘI ECHIPAMENTELE [616773]

1
UNIVERSITATEA “ ȘTEFAN CEL MARE „ SUCEAVA

REFE RAT NR. 1

STADIUL ACTUAL PRIVIND METODELE ȘI ECHIPAMENTELE
UTILIZATE LA STUDIUL ȘI PRELUCRAREA MATERIALELOR
DURE ȘI DIFICIL E

ÎN CADRUL TEZEI DE DOCTORAT:

CONTRIBUȚII LA PRELUCRAREA PRIN GĂURIRE
CRIOGENICĂ CU VITEZE MARI A MATERIALELOR DURE ȘI
DIFICILE

Coordonator științific , Doctorand: [anonimizat].dr .ing. Amarandei Dumitru Ing. Sopon Gheorghiță

SUCEAVA – FEBRUARIE 2017

2

LISTĂ DE ABREVIERI
Simbol Denumire Pag.primei
aparitii Unitatea
de măsură
MPa Megapascali –
Vc Viteză de așchiere m/min
µm micrometru –
kHz kilohertz –
O2 oxigen –
LRU Lichid de răcire ungere –
LN 2 Azot lichid –
mm/rot Milimetri pe rotație –
m/min Metri pe minut –
N newtoni –
rot/min Rotații pe minut –
N/m2 Newtoni pe metru pătrat –
P.V.M Prelucrarea cu viteze mari –
Fc Forța de așchiere –
HRC Duritatea Rockwell –
Pch Puterea consumată –
CBN Nitrură cubică de bor –
CNC Mașină comandă numerică –
MU Mașini unelte –
PCBN Nitrură cubică de bor policristalină –
TiCN Carbo -nitrură de titan –
C60 Oțel carbon 60 –
C70 Oțel carbon 70 –
ap Adaosul de prelucrare principal mm
Fx Forța axială de așchiere N
Fy Forța tangențială de așchiere N
Fz Forța radială de așchiere N
ct Căldura specifică a materialului din stratul de așchiere N
Ac Aria așchiei mm2
tc Grosimea așchiei mm
wc Lățimea de tăiere mm
Al2O3 Oxid de aluminiu –

3

Cuprins
Nr.crt. Denumire capitol/subcapitol Nr.pag.
CAPITOLUL 1
Privire de ansamblu asupra metodelor convenționale și
neconvenționale de prelucrare în industria constructoare de mașini
1.1 Metode convenționale și neconvenționale de prelucrare folosite în
industria constructoare de mașini 6
1.2 Metode neconvenționale de prelucrare a găurilor 8
1.2.1 Găurirea cu jet abraziv 8
1.2.2 Găurirea cu laser aistată de jet sub presiune 9
1.2.3 Găurirea criogenică 16
1.3 Scurt istoric al prelucrărilor cu viteză mare 10
1.4 Caracteristicile generale ale procesului de prelucrare cu viteze mari 22
1.4.1 Mecanica procesului de așchiere 26
1.4.2 Temperatura din zona de așchiere la prelucrarea cu viteză mare 26
1.4.3 Avantajele prelucrării cu viteză mare 28
1.4.4 Dezavantajele prelucrării cu viteză mare 29
1.4.5 Domenii de aplicabilita te a prelucrării cu viteză mare la prelucrarea
materialelor dure și dificile 30
1.4.5.1 Strujirea cu viteză mare a materialelor dure și dificile 32
1.4.5.2 Frezarea cu viteză mare a materialelor dure și dificile 34
1.4.5.3 Găurirea cu viteză mare a materialelor dure și dificile 35
1.5 Materiale dure și dificile 38
CAPITOLUL 2
Formarea așchiei, forțele implicate și transferul termic la prelucrarea
materialelor dure și dificile
2.1 Formarea așchiei la prelucrarea cu viteză mare a materialelor dure și
dificil de prelucrat 44
2.1.1 Tipuri de a șchii obținute la strunjirea cu viteză mare a materialelor
dure și dificile 45
2.2 Procesul formării așchiilor la frezarea cu viteză mare a materialelor
dure și dificile 47
2.3 Forțele dezvoltate la găurirea materialelor metalice prin burghiere 48
2.4 Transferul termic la găurirea cu viteză mare 50
CAPITOLUL 3

4
Modele analitice de așchier e în cazul prelucrării cu viteză mare a
materialelor dure și dificile
3.1. Introducere 54
3.2 Modele analitice ale procesului de așchiere în cazul P .V.M 54
3.2.1 Modele analitice utilizate la așchierea clasică 54
3.2.1.1 Modelul planului de forfecare bazat pe lucrările lui Ernst, Merchant și
Piispanen 55
3.2.1.2 Modelul liniilor de câmp de alunecare a lui Lee și Shaffer 57
3.2.1.3 Modelul zonei de forfecare a lui Oxley 58
3.3 Modele geometrice utilizate la găurirea cu viteză mare 59
CAPITOLUL 4
Echipamente și scule utilizate la prelucrarea materialelor dure și
dificile
4.1 Scule folosite la prelucrarea prin așchiere a materialelor dure 63
4.1.1 Caracteristici ce se impun materialelor utilizate la construcția sculelor
pentru așchierea cu viteză mare 63
4.1.2 Materiale folosite la realizarea sculelor 64
4.1.2.1 Carburi 64
4.1.2.2 Materiale ceramice 65
4.1.2.3 Diamant policristalin (PCD) și diamant cu depunere solidă (SFD) 67
4.1.3 Acoperiri și optimizări pentru scule le utilizate la prelucrarea
materialelor dure și dificile 68
4.2 Mașini unelte utilizate în prelucrarea cu viteză mare 69
4.3 Tipuri de scule utilizate la așchierea cu viteză mare 73
4.3.1 Evoluția burghielor folosite la găurirea metalelor 75
4.4 Portscule și sisteme de prindere a sculei 76
4.4.1 Sisteme de prindere utilizate la poziționarea sculelor folosite la
așchierea cu viteză mare 76
4.4.2 Sisteme de prindere pentru operații de frezare 78
4.4.3 Evoluția sistemelor de prindere a burghielor pe centre de prelucrare 79
CAPITOLUL 5
Tendințe actuale 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 83
5.2 Direcții de dezvoltare î n zona de software pentru prelucrarea
materialelor dure ș i dificile 85
5.3 Prelucrarea materialelor dure și dificile cu răcire criogenică 88

5
6 Concluzii 92
Bibliografie 94

6

Capitolul 1

PRIVIRE DE ANSAMBLU ASUPRA
METODE LOR CONVENȚIONALE ȘI
NECONVENȚ IONALE DE PRELUCRARE ÎN
INDUSTRIA CONSTRUCTOARE DE MAȘINI

7
1.1 Metode conve nționale și neconvenționale folo site în industria constructoare de mașini

Necesitatea tehnologiilor neconvenționale se datorează diversității și complexității
suprafețelor pieselor prelucrate prin așchiere și utilizate în industriile de vârf ( palele turbinelor, piese
din aliaje din domeniul aerospațial, metale refractare) , al nevoilor tot mai crescânde de miniaturizare
a ansamblelor și subansa mblelor fabricate în condiții de precizie și productivitate maximă , al
necesității product ivității și preciziei crescânde . Literatura de specialitate împarte metodele de
prelucrare din construcția de mașini în două clase: metode de prelucrare convenționa le și metode de
prelucrare neconvenționale.
În cadrul metodelor convenționale de prelucrare apar cele prin așchiere (strunjire, frezare,
burghiere, rabotare, mort ezare, rectificare, broșare) și prin abraziune (șlefuire, lepuire , polizare ).
Metodele neconv enționale sunt îm părțite în prelucrări mecanice, termice , chimice, electrochimice și
hibride . [HAS ’05]
Între cele două categorii de metode de prelucrare a materialelor în tehnologia construcțiilor de
mașini se observă o tendință a creșterii ponderii prelucrarea neconvențională care în principal include
prelucrarea cu jet abraziv, prelucrarea cu ultra -sunete, prelucrarea cu jet de apă sau cu jet de apă
abraziv, prelucrarea prin descărcare ele ctrică, prelucrarea cu laser și prelucrarea prin așchiere cu
viteze mari și foarte mari. [SHA’01 ]
O comparație între cele două grupe de metode de prelucrare prezentate în Tabelul 1.1 se evidentiază
următoarele diferențe caracteristice :
Tabelul 1.1. Comparație între caracteristicile prelucrării convenționale și neconvenționale
în tehnologia cons trucțiilor de mașini [SHA’01 ]
Tehnologii de prelucrare
convenționale Tehnologii de prelucrare neconvenționale
1.Așchiile au aspect macroscopic ș i
sunt generate de forța de forfecare 1.Așchiile au fie aspect microscopic (prelucrare cu jet
abraziv) sau materialul este eliminat la nivel atomic
(prin prelucra re electrochimică )
2.Este necesară prezența unei scule de
așchiere 2. Prelu crarea poate avea loc fără prezența u nei scule
(prelucrarea cu fascicol laser)
3.Volumul scăzut de material așchiat 3. Volumum mare de material așchiat în unitate de timp
(prelucrarea cu viteze mari)
4.Prelucrările convenționale necesită
contact e direct e sculă -piesă 4.Contac tul direct sculă –piesă nu este o condiție
necesară la toate metodele de prelucrări neconvenționale
5.Acuratețe scăzută și nu întotdeauna
suprafețele obținute sunt finisate. 5.Acuratețe și finisaj crescut al suprafețelor prelucrate
prin strunjire, frezare și găurire cu viteze mari.
6.Prelucrare eco nomică pentru orice
tip de material 6.Nu e viabil din punct de vedere economic pentru
orice tip de material
7.Durabilitatea sculei este mai mică
datorită contactului direct 7.Durabilitatea sculei este mai mare (prelucrare a prin
așchiere cu viteze mari și răcire criogenică )
8. Productivitate medie 8.Productivitate mare
9.Poluare sonoră crescută 9.Poluare sonoră scăzută
10.Investiție minimă 10.Costuri crescute ale echipamentelor
11.Echipament ușor de montat și
manipulat 11.Echipamente complexe (prelucrarea prin așchiere cu
comandă numerică pe 5 axe)
12.Operator fără calificare sau
calificare minimală 12.Operator specializat,calificat

În cazul procesului de găurire, literatura de specialitate evidențiază că pasul d e la găurirea
convențională la găurirea neconvențională cu viteze mari a adus cu sine câteva impedimente legate
de sculă, lubri ficație și port -sculă. A stfel, în cazul dis pozitivului port sculă, apar abateri de la

8
concentricitate, iar axa sculei ar e devieri față de axa alezajului de prelucrat ș i de aceea se recomandă
port-scule bine echilibrate, care să facă față vitezelor foarte mari. D e asemenea datorită uzurii
ridicate a sculei literatura de specialitate recomandă protecți a acesteia cu straturi d in carburi sau
nitruri .
De asemenea pentru prelungirea duratei de utlizare a sculei este recomandată utilizarea
lichidului de răcire cu si steme interioare sau exterioare de răcire directă prin canalele interioare ale
sculei (burghiu, freză cilindro -frontal ă). Astfel de sistem poate folosi și aerul comprimat r ăcit sau
chiar azotul lichid ca și agent de răcire în zona de așchiere . [MIK’07 ]
Principalele metode neconvenționale de prelucrare utilizate în industria constructoare de
mașini sun t prezentate în cele ce urmează în tabelul 1.2
Tabelul 1.2. Caract erizarea metodelor convenționale și neconvenționale
Tipul
prelucrării Caracteristici și detalii privind metodele ne convenționale de prelucrare
utilizate în industria constructoare de mașini
Preluc rarea prin
electro -eroziune -mașinile de electroeroziune cu fir utilizează un electrod pentru realizarea
profilelor în piesele de prelucrat;
– un avantaj este dat de precizia ridicată obținută pentru matrițe;
– tăierea se realizează în piesa prin practicarea unei găuri în care se introduce
firul sau se realizează plecarea dintr -o margine a piesei;
– descărcările realizate în zona de lucru determină mici cratere care, astfel,
determină înlăturarea materialului în surplus ;
– se pot realiz a tăieri înclinate sau profil e în diferite plane ale piesei ;
– firul nu a re contact cu piesa prelucrată;
– sârm a e din alamă sau Cu, cu diametru de 0.02 -0.3 mm;
– piesa este fixată pe masa mașinii, care este mobilă, ca o ramă, pentru a crea
firului avantajul de a se deplasa în jurul piesei ;

Prelucra rea prin
eroziune electro –
chimică -este o dizolvare anodică ;
-masa substanței erodate este proporțională cu cantitatea de electricitate trecută
prin electrolit dată de relația:
m K I t    

-la trecerea aceleiași cantități de electricitate prin soluții cu diferiți electroliți,
cantitățile fiecăreia dintre substanțele expuse la transformări sunt proporționale
cu echivalenții lor chimici ;
-productivitatea e direct pr oportională cu intensitatea curentului și timpul de
trecere a curentului și invers proporțională cu densitatea materialului și valența
lui;[BOL’12]

Prelucrare a cu
laser -are avantajul tăierii unor contururi cu geometrii variate, indiferent de
complexitat e;
-posibilitatea prelucrării unei mari varietăți de materiale ș i grosimi de tablă fără
deformări și zgârieturi pe suprafața pieselor prelucrate;
-piesa rămâne fixă iar capul laser este mobil deasupra zonei de lucru
determinând o mare viteză de prelucrare;
– se pot realiza găuri cu diametru mic de 0,4 ori grosimea tablei;
Prelucrarea cu jet
de apă -câștigul major este dat de eliminarea interferenței cu structura internă a
materialului prelucrat prin lipsa temperaturii de prelucrare;
-metoda de prelucrare cu jet la presiuni înalte a unui amestec lichid(apă) și
solid(particule abrazive);
– presiunea de tăiere, debitul de apă, di ametrul duzei; lungimea tubului de
focalizare, debitul masiv și mărimea particulelor abrazive modifică
caracteristicile de prelucrare î n cazul acestui dispozitiv;
-presiunile sunt cuprinse între 2500 și 5000 de bari; debitul de apă între 1,2 si

9
10l/min iar duzele variază între 0,1 și 0,3mm;
-capabile de a atinge precizii de 0,13mm ;
– oferă un volum redus de material rezidu al;
-unele pompe de înaltă presiune pot atinge și presiuni de 650Mpa;
Prelucrare a cu jet
de plasmă -datorită concentrației mari de energie și temperaturii înalte se fac debitări sub
un puternic efect de suflu;
-materialul piesei este topit până la topir ea unui strat, după care se suflă din
tăietură cu jetul de plasmă;
-pentru grosimi ale pieselor mai mari de 10mm se utilizează arc de plasmă ;
-gazele plasmogene utilizate :argon, azot, hidrogen, heliu;
-generatoarele de plasmă au puteri de până la 150kW c u care se pot debita
materiale cu 130mm grosime pentru oțeluri și 125mm grosime pentru Aluminiu;
-defectele specifice ale tăierii cu jet de plasmă: rotunjimea muchiilor datorită
tăierii cu o putere prea mică a generatorului de plasmă; rugozitate mare pe u na
din suprafețele rezultate prin tăiere;
-apariția de bavuri pe partea opusă a zonei tăiate; apariția de zone influențate
termic car e determină fisuri și crăpături
Prelucrare a cu
ultrasunete -energia ultrasonică determină reducerea forțelor de așchiere ( de 0,5 -2,5 ori) și a
momentelor de torsiune (de 4 ori ) cre scând durata de viată a sculelor de până la
6 ori, iar rugozitatea scade până la R a =0,2
m datorit ă efectelor date de
propagarea î n piesă și sculă a ultrasunetelor ca: în muierea acustică, reducerea
frecării de contact și îmbunătățirea condițiilor de răcire -ungere;
-vibrațiile ultrasonice pot fi aduse în zona de prelucrare ,fie prin piesă(cu
ajutorul unei păpuși mobile ultrasonice), fie prin sculă( prin dispozitiv port -cuțit
ultrasonic);
-oscilațiile ultrasonice au frecvențe de 18 -25kHz și amplitudini de 6-120
m
Prelucrarea prin
așchiere cu viteze
mari -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 material ;
-sunt folosite tura ții de peste 10000 rot/min ;
-pentru răcire zonei de așchiere în cazul vitezelor mari se folosește răcirea prin
interiorul sculei și răcirea criogenică
[VELA’07]

1.2 Metode neconven ționale de prelucrare a găurilor

1.2.1 Găurirea cu jet abraziv:

Procedeul de găurire cu jet abraziv poate fi folosit pentru realizarea găurilor în diferite tipuri
de material. Realizarea micro – găurilor în mate riale dure este folosită des în industria aeronautică,
electronică, nucleară, aerospțială și de automobile. Dintre toate metodele folosite pentru realizarea
găurilor adânci cu diamentre mici, fiind și cea mai eficientă metodă este cea cu jet abraziv, deoa rece
nu se produce nici un fel de căldură în zona. [HAS’92 ]
Prelucrarea cu jet abraziv este o metodă neconvențională de prelucrare a găurilor , folosind jet de apă
sub mare presiune în care există particule abrazive foarte dure. Particulele abrazive lovesc
semifabricatul cu mare viteză, îndepartând astfel din material. Printre avantajele acesti metode putem
enumera: flexibilitatea, viteza de execuție și nu în ultimul rând lipsa temperaturii ridicate din zona de
lucru. În procesul de găurire cu jet abraziv se folosesc viteze ale particulelor de peste 700 [m/s] și
presiuni ale jetului de peste 300 M pa. Astfel s -au obținut găuri cu diametre foarte mici cuprinse între
0.8 – 0.2 mm . Dimensiunea particulelor abrazive este de 190 µm. [MOM’98 ]

10

Datorită faptului că găurirea cu jet abraziv nu folosește scule solide este dificil de obrservat
formarea găurii ș i viteza de găurire. De aceea adâncimea și diame trul găurii se măsoară off -line.
Pentru aceasta s -a setat un model empiric care ne poate ajut a să aflăm dimensiunile descrise mai sus.
[ORB’04]

Figura 1. 2. Fotografie raze X micro – găuri în Aluminiu [ORB’04]

1.2.2 Găurirea cu laser asistată cu gaz sub presiune :

Găurirea cu laser este un proces ce folosește un laser de mare putere care acționează asupra
zonei ce trebuie prelucrată realizând o topire locală și apoi vaporizarea materialului, formând astfel
gaura. Calitatea găurilor nu este așa de bună ca în cazul proceselor clasice conve nționale în care se
Apă sub presiune
Particule abrazive Orificiu
Cameră de amestec
Canal evacuare
Jet sub presiune
(apă, particule abrazive, aer)
Figura 1.1. Schemă – cap folosit la găurirea cu jet abraziv [ORB’04]

11
folosește burghiul. În anii recenți majoritatea cercetărilor din acest domeniu s -au focusat pe
rezolvarea problemelor în ceea ce privește îmbunătățirea geometriei și creșterea calității găurilor.
[MCN’04 ]
În cazul procesului de găurire cu laser, gazul trimis în zona de prelucrare are rolul de a
îmbunătăți calita tea și totodată geometria găurii . La prelucrarea cu laser se pot obține găuri cu
diametre mai mari ca în cazul prelucrării cu jet abraziv sub presiune. Ca și gaz în proce sul de găurire
cu laser se folosește O 2, aer, N 2 și Ar. În Figura 1.3 sunt prezentate găurile rezultate prin folosirea
diferitelor tipuri de gaz.

Figura 1. 3. Găurirea cu laser asistată de gaz a) O2 , b) aer, c) N 2, d) Ar [MCN’04 ]

1.2.3. Găurirea criogenică

In anul 2013 Dahnel, Stuart și Pipat de la International Islamic University Malayasia în
lucrarea [DAH’13 ], au experimentat găurirea materialului compozit din fibrâ de carbon utilizând trei
medii de răcire diferite: făra lichid de răcire, cu lichid de răcire și utlizând azotul lichid. ca agent de
prerăcire a burghiului. Găurirea materialelor compozite din fibră de carbon este un proces dificil de
îndepărtare de material , proces care este necesar prinderii subansamblelor cu ajutorul bolțurilor și
suruburi lor. [LAU’01 ]. Procesul de găurire a fibrei de carbon este complex deoarece în natură acest
material este foarte abraziv și rezistent. [DAV ’10], și din acest motiv burghiul se uzează foarte
repede în timpul procesului de găurire [LIU’12 ]. În cazul găuriri metalelor este folosit lichidul de
răcire, dar folosirea criogeniei a fost experimentată pentru a vedea dacă aduce o îmbunătățire în
durabilitatea burghiului. [YIL’08 ].
În cadrul experimentului sau folosit următoarele: burghiu din carbură de tungsten cu D=6
mm, placă din fibră de sticlă cu H=20 mm , lichid convențional de răcire ECOCOOL 761, azot lichid
LN 2. Ca și regim de așchiere s -a folosit viteza de așchiere de 94 [m/min] ( 5000 [rot/min] ), avans de
0,065 [mm/rot] (325 [mm/min]) .
In lucrarea [RAW’09 ], Rawat și Attia spun că uzură burghiului este influențată de viteza de
așchiere, avansul și temperatura din zona de așchiere.
În acord cu cele scrise de Sreejith în lucrarea [SRE’00 ], în cazul găuririi fară LRU
temperatura din zona de așchiere poate ajunge la 3000C. La această teomperatură scula din tungsten
nu va fi afectată , dar scăderea temperaturii afectează structura fibrei de sticlă facând -o mai rigidă .
Din acest motiv a aparut la găurirea uscată un coeficient de frecare mai scăzut între flancul scule i și
material decât în cazul folosirii LRU convnțional și prerăcirii sculei în a zot lichid timp de 30 secunde
până la temp eratura de -700C.
Concluzii:
– Uzura sculei crește odată cu creșter ea numărului de găuri Figura 1.4
– Găurirea uscată produce cea mai mică uzură a burghiului față de celelalte două metode
– Uzura cea mai ridicată a fost în cazul folosirii LRU
– Temperatura înaltă din zona de contact a dus la reducerea rezi stenței și totodată la
scăderea durabilității burghiului.
a b c d

12

Tabel 1.3 Date experimental e privind uzura sculei
[DAH’13 ]

Figura 1. 4. Grafic prinvind uzura sculei
[DAH’13 ]
-prezența LRU în procesul de găurire a fibrei de sticlă nu a dus la scăderea uzurii sculei,
pentru că uzura burghiului este influențată de gradul de abraziune pe care îl are fibra de sticlă la
temperaturi scăzute.
În anul 2014 Govindaraju, Shakeel și Pradeep în lucrarea [GOV’14 ], au experimentat
găurir ea aliajelor din aluminiu folosind ca și agent de răcire azotul lichid . Folosirea lichidelor de
răcire ungere convenționale în industrie au un efect negativ asupra mediului inconjurător și în acest
scop sa cercetat găsirea unui alt mod de răcire a zonei de așchiere și anume utilizarea azotului lichid.
În timpul operație de găurire o parte substanțială de c ăldură rămăne în zona de așchiere, ceea ce duce
la scăderea durabilității bur ghiului. Astfel pentru reducerea temperaturii se folosesc LRU. Folosirea
LRU clasice duc e la poluare masivă de aceea este necesară găsirea alternativei nepoluante pentru
răcirea z onei de așchiere și în această privință se fac cercetări pentru înlocuirea LRU cu azotul lichid.
In afară de Shokrani care a cercetat în lucrarea [SHO’13 ], influența azotului lichid în
găurirea materialelor compozite nu prea s -au facut cercetări pe plan mondial în ceea ce privește
efectul criogeniei în procesul de găurire.
În continuare se vor prezenta câtiva cercetători și rezultatele experimentale ale lor în ceea ce
privește folosirea criogenie i în diferite tipuri d e operații: strunjire, frezare etc. Paul în lucrarea
[PAU’06 ], a raportat o reducere semnificativă a forței de așchiere. De asemenea Dhar în [DHA’02 ],
a concluzionat o reducere a forței de așchiere în cazul strunjirii oțelului AISI 1040. Kalyan în
lucrar ea [KAL’08 ] , după experiment a raportat o scădere a forței de așchiere cu 14,83 % la
prelucrarea oțelului. Mulți cercetători au raportat că folosirea azotului lichid în procesul de așchiere
duce la scăderea forței.
În cazul preluc rării aluminiului Dhananc hezian în lucrarea [DHA’09 ], a concluzionat că
folosirea LN 2 ca și agent de răcire duce la o scădere cu 38% a temperaturii din zona de așchiere.Ravi
în experimentul [RAV’11 ], [RAV’12 ], arată o scădere de maxim 57% a temperaturii din zona de
așchiere . Mulți cercetători au arătat că folosirea azotului lichid ca și agent de răcire duce la scăderea
temperaturii în zona de așchiere.
Număr
de
găuri Uzura sculei în µm
Fară
lichid Cu lichid
de răcire Cu răcire
sculă (LN 2)
Număr de găuri Uzura sculei în µm

Cu LRU convențional
Cu prerăcire criogenică

Fară lichid
Convețional LRU
Prerăcire sculă LN 2

13
În cadrul e xperimentul facut în anul 2014 Govindaraju, Shakeel și Pradeep în lucrarea
[GOV’14 ], privind găurirea criogenică a alum iniului au fost folosite următoarele: o placă de
aluminiu de dimensiuni L, l, H, – 164 x 80 x 20 mm, un burghiu cu acoperire PVD ( Physical Vapour
Deposition ) , centru vertical ARIX VMC 100 și sistemul criogenic din Figura 1.5

Figura 1.5 . Principalele dispozitive folosite în cadrul experimentului de găurire criogenică a
aluminiului [GOV’14 ]

Dacă la găurirea convențională folosin d ca agent de răcire LRU clasic , odată cu creșterea
vitezei la un avans constat, se obținea totodată și o creștere a temperaturii în zona de așchiere, la
găurirea criogenică a aluminiului s-au obținut rezultate inverse și anum e: la un ava ns minim de 0.2
[mm/rot ] și la o creștere a vitezei de așchiere de la 110 [m/min ] la 130 [m/min ] s-a obținut o scădere
a temperaturii cu 260C (36.6%) iar la creșterea vitezei de la 130 [m/min ] la 150 [m/min ] s-a obținut o
scădere a temperaturii de 50C (11.1%). Același rezultat de creștere a temperaturii a fost obținut și în
celelalte încercări cu creșteri de viteze pe diferite tipuri de avans de lucru. [GOV’14 ] Toate aceste
rezultate sunt prezentate în Figura 1.6 .
Variația forței de așchiere în funcție de viteza de așchiere și avans în prezenț a azotului lichid
este prezentata grafic in Figura 1.7 . Forța a fost 754.4 N când viteza a fost de 110 m/min și avansul
de 0.02 [mm/rot ]. Când viteza de așchiere a crescut la 130 [m/min ] și avansul a ramas constant la
0.02 mm/rot s -a obținut experimental o reducere a forței de așchiere la 701.5 N (reducere de 7%). La
viteza de 150 [m/min ] forța de așchiere a fost redusă la 504.5 N ( scădere cu 28.08 %), decât
valoarea precedentă. Concluzi a este că la o mărire de avans și păstrarea contantă a celorlanți
parametri se observă o scădere a forței de așchiere la găurirea criogenică a aluminiului. [GOV’14 ]

Vas criogenic
Dispozitiv măsurare
tempe ratură cu termocuplă Dinamometru Semifabricat Sculă Centru Vertical
ARIX VMC 100
Azot lichid

14

Figura 1.6 . Varia ția temperaturii în funcție de viteza de așchiere și avans

Figura 1.7 . Varia ția forței în funcție de viteza de așchiere și avans

În anul 2016 Kaushal, Vardhan, Tiwari și Saluja în lucrarea [KAU’16], au studiat și
experimentat efectul folosirii criogeniei pe centrele de prelucrare . Ca și lichide criogenice ce se pot
folosi la răcirea zonei de așchiere amintim : nitrogen, oxigen, heli u, dioxid de carbon, dar interesul cel
mai mare în ceea ce privește cercetarea îl are azotul lichid. Lichidul de așchiere folosit în procesele
tehnologice este unul dintre cele mai importante elemente [SHA’01] . Folosirea azotului lichid ca și
80

70

60

50

40

30

20

10
110 130 150
Viteza de așchiere [m/min] Temperatura (0C)
0.02 [mm/rot]
0.05 [mm/rot]
0.08 [mm/rot] Avans [mm/rot]
Viteza de așchiere [m/min] 110 130 150 1200

1100

1000

900

800

700

600

500 Forța (N)
0.02 [mm/rot]
0.05 [mm/rot]
0.08 [mm/rot] Avans [mm/rot]

15
element de ră cire în procesul de așchiere este o metodă foarte favorabilă mediului înconjurător
[VEN’07]. Printre materialele cele mai frecvente care prezintă rezultate promițătoare asociate cu
răcirea criogenică sunt materiale dificil de prelucrat, cum ar fi aliajele pe bază de nichel, aliaje pe
bază de titan și oțelurile călite [HAR’82 ]. [DON’82].
Răcire cr iogenică poate fi făcută în mai multe moduri:
– prerăcirea sculei sau a semifabricatului;
– folosirea jetului de azot trimis în zona de așchiere;
– trimiterea azotului lichid prin canalele din interiorul sculei direct în zona de contact sculă -piesă;

Conc luziile trase în urma experimentului facut în 2016 au fost următoarele:
-prelucrabilitatea metalelor cu ajutorul azotului lichid depinde de viteza de așchiere, avans,
adâncimea de așchiere și de caracteristicile materialului prelucrat;
-temperatura din zon a de așchiere poate fi redusă cu 16 -27% în cazul folosirii azotului lichid, ea
depinzând direct de variatia parametrilor regimului de așchiere;
-unghiului de forfecare prin răcirea criogenică poate varia în funție de materialul prelucrat;

În cercetarea facută în anul 2016 de către Sinkora [SIN’16 ]. în cadrul industriei aerospațiale din
America, cercetare în care s -a utilizat răcirea frezei direct prin canalele interne astfel ca azotul lichid
să ajungă exact în zona de așchiere s-a constat at că titanul nu mai este aș a de dur atunci când este
răcit criogenic și astfel s -a putut prelucra mai uș or o componentă din titan de la avionul F -35 Joint
Strike Fighter. În cadrul acestui experiment s -a folosit noul sistem de răcire criogenic 5ME’s care are
capacitatea de a trimite lichidul criogenic direct prin canalele interne ale sculei Figura 1.8 și totodată
presiunea și debitul pot fi controlate electronic.

Figura 1.8 . Freză din carbură răcit ă la temperatura criogenică ( -1960C ) cu ajutorul sistemului de
răcire criogenic 5M Es [SIN’16 ].

16
Astfel sa prelucrat o piesă din titan 6AI4V, componentă a motorului avionului F -35 Figura
1.9 și s-a constat at următoarele: prin prelucrarea cu o freză Sandvik GC1115 (freză destinată
prelucrăr ilor uscate rezistentă la temperaturi ridicate ), cu o adâncime de așchiere de 0.254 mm și o
viteză de așchiere de 99.7 [m/min ] sa putut prelucra timp de 2.7 minute , uzura sculei fiind destul de
evidentă Figura 1.10 , iar folosit sistemul de răcire criogenic 5M Es durabilitatea sculei a crescut de
32 de ori chiar daca sau folosit viteze duble de prelucrare fată de prelucrarea uscată asftel sa reusit
frezarea titanului timp de 60 de minute cu o uzură minimă a sculei. Figura 1.11

În cadrul altui test în care s -a folosit ca material Inconel 625 (Ni56Cr22) și azotul lichid ca agent de
răcire, s-a obținut dublarea dur abilității sculei, o îmbun ătățire a suprafeței prelucrate și lipsa arsurilor
de pe material Figura 1.12

Figura 1.12 a) Aspectul suprafețelor prelucrate pentru Inconel 625 (Ni56Cr22). [SIN’16 ].
Figura 1.9 . Prelucrarea piesei pentru F -35
cu răcire criogen ică [SIN’16 ].
ică

Figura 1.X Prelucrarea piesei pentru F-35 cu
răcire criogenică Figura 1.11. Uzura placuței în cazul
folosirii răcirii criogenice [SIN’16 ].

Figura 1.10 . Uzura placuței la frezarea
uscată [SIN’16 ].
SANDVIK GC1115
LRU convențional
SANDVIK GC1115
Sistem răcire 5MEs CRIOGENIC

Suprafață prelucrată Suprafață prelucrată Arsuri LRU convențional LN 2

17
1.3. Scurt istoric privind prelucrarea cu viteze mari ( P.V.M.)

Prelucrările prin aș chiere cu viteze mari sunt incluse în categoria prelucrărilor
neconven ționale ș i conform opiniilor crercetărilor lui [VEL ’07],[HEI’10] acestea sunt definite ca
operații 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 v c (m/min) este viteza relativă a muchiei sculei așchietoare în raport cu materialul
pe care îl prelucrăm . Aceasta este î n relație cu turația axului principal prin formula:
1000cNDv ,
unde N este viteza de rotație a axului principal (rpm), iar D este diametrul sculei așchietoare (mm).
[HEI’10]
În tabelul 1.4 sunt prezentate domeniile de viteze mari care se aplică actualmente la prelucrarea cu
scule cu tăiș .

Tabelul 1 .4.Limitel e de prelucrare cu viteze mari î n funcție de materialul prelucrat . [MAR’02]
Tipul de material prelucrat Vitezele de aș chiere
Oțeluri moi Vc
 400-800 m/min
Oțeluri speciale Vc
370 m/min -400
Fonta Vc
 450 m/min
Aliaje din aluminiu deformabile Vc
 5000 m/min
Aliaje din aluminiu pentru turnă torie Vc
 1300 -5500 m/min
Aliaje din titan Vc
 300-700 m/min
Materiale composite, fibra de carbon -polimer Vc
 2000 -3000 m/min
Materiale dure , tratate termic Vc
 400-500 m/min

Prelucrarea cu mare viteză, denumită uneori și „prelucrarea cu eficiență crescută” sau „prelucrare cu
productivitate cresc ută” implică turații mai mari de 10.000 [rot/min] și avansuri cu valori depinzând
în principal de tipul de material prelucrat și metoda de așchiere.

Figura 1.13. Limitele de viteze pentru prelucrarea cu viteze mari și foarte mari [SHA’01 ]

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

Viteze
mari Viteze
foarte mari
mari
Conven –
țională
[rot/min]
mari Viteza [m/min]

18
Bazele primei etape în istoria p relucrărilor cu viteze mari au fost puse de C.Solomon, motiv
pentru care a fost considerat de specialiștii în domeniu, părinte le acestor tehnologii. Acest lucru a
fost confirmat și de achiziția patentului nr. 523.594 de către firma F. Krupp A.G. în anul 1931.
Prelucrarea ma terialelor nefe roase și ușoare cu vitez e de 440m/min (oțel), 1.600m/mi n
(bronz), 2840m/min (cupru), a dus la concluzia că de la o anumită viteză de prelucrare , care este de
5-10 ori vit eza convențională de prelucrare , tempe ratura în planul de for mare a așchiei începe să
scadă [HER’99 ],[PAS’02 ].(Fig ura.1.14 .)
Cercetările efectuate de Solomon au evidențiat că viteza mare de prelucrare depinde de
materialul prelucrat. Astfel la oțel avem 440 [m/min], la bronz 1600 [m/min] și la cupru 2840
[m/min].

Figura 1.14. Temperat ura în funcție de viteza de prelucrare [HER’99]

Figura 1.15. Evoluția cer cetărilor privind P.V.M. [HER’99]

19

Mai târziu î n anii 19 30, Trent studiază fenomenul de deformare plastică la așchierea
cu viteze mari și oferă dovezi metalografice clare privind existen ța unei zone de forfecare
adiab atică , fenomen care apare în cazul proceselor cu viteze mari de deformare cu solicitări
înalte.Figura 1.15

Figura 1.15. Zonă de d eformare adiabatică [TRE’00]

Prima impleme ntare cu succes a P.V.M. apare î n industria aer onautică, spre sfârșitul
anilor 1940, la uzinele Fokker BV din Germania care foloseaau la prelucrarea aluminiului
turații la arborele principal de 18.000 până la 24. 000 rot/min și scule cu diametre mici .
[POP’10 ]

A doua p erioadă în dezvoltarea P.V.M. începe în anii 19 50 debutul având loc odată cu
încheierea contractului de cercetare al Forțelor Aeriene SUA atribuit f irmei 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 fabr icării c omponentelor necesare în
industria aviaț iei. [GRA’08]
După anul 1950, au fost inițiate studii în ma i multe ț ări pentru a utiliza la maxim
beneficiile prelucrării cu viteze mari. Datorită faptului că, inițial, m așinile -unelte nu
dispuneau de posibilita ți de realizare de rotații mari, cercetările s -au axat pe de prelucrare cu
viteze mari .
Conclu ziile a u fost că la viteze mari și foarte m ari, 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 acea stă metoda va
putea fi încadrată în rândul metodelor aplicabile . [GRA’08] , [PAS’02 ]
În 1957 , Cottrell susținea că : „ Dacă rata de deformare este suficient de mare atunci, nu
există su ficient 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 î n vederea detașări i 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. După acest interval de vit eze de lucru
viteza de variație a forței de așchiere se micșorează făcând curbe de dependență devenind

20

aproape paralelă cu axa vitezelor de lucru. 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 efo rt-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 c u viteze mai mari , de peste 650 m/min.
După 1960 au urmat o serie de studii intense în legătură cu mecanismul de formare a
așchiilor (Tanaka, Tsuwa & Kitano 1967) la prelucrarea dinamic ă prin așchier e, urmărindu -se
calitatea și precizia sup rafețelor. (Shaw 1967, Recht 1964, Turk ovich 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 eli mină
odată cu așchia degajată .[HER’99 ]

Figura 1.16. Proprietăți generale ale P .V.M [HER’99]

Rezu ltatele lui Kececioglu in anii 19 58 sunt remarcabile î n privința metodologiei
aplicate în studiul ratelor de deformare plastică și a eforturilor de forfecare în cazul
procesului de așchiere, aducând un ele informații importante pentru lățimea zon ei de forfecare
și de eforturi în zona de forfecare. M ențiune 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 o bservă î n Figura 1.17. pe linia din par tea superioară a graficului.
[TRE’00 ]

Volum, R a, F ,durabilitatea sculei

21
A treia etapă în dezvoltarea P.V.M. apare la mijlocul anilor 1970 atunci când Marina
SUA împreună cu firma Lockheed cont ractează un proiect pentru o serie de cercetări asupra
construcției el icelor din aliaje de Aluminiu, Ni -Al și bronz, studiile efectuate evidențiază
fezabilitatea P.V.M. la nivel industrial .[GRA’08 ]
Cu această ocazie s -au declanșat cercetări care vizau construcția echipamentelor
pentru prelucrarea prin așchiere cu viteze mar i. Astfel în anul 1977 King și Koontz au realizat
o mașină -unealtă pentru frezat care a atins turații de 20000 rot/min.
Studiile efectuate pe aceste mașini au evidențiat câteva avantaje ale aplicării frezării cu
viteze mari
-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 debut ează în 1979 când Forțele Aeriene din SUA în cooperare cu
G.Electric fac o serie de experimente care au realizat faptul că viteza optimă de prelucrare a
aliajelor din aluminiu este între 1500 și 4500 m/min, realizându -se primul catalog cu mașini –
unelte ș i scule pentru prelucrarea cu viteze mari, punându -se accent pe oțeluri și fonte. De
asemenea , introducerea comenzilor numerice după 1980 a determinat un control mai eficient
al proceselor de așchi ere și o productivitate ridicată a acestor procese de prelu crare. [HER’99 ]

Figura 1 .17. Comparație între testele Kece cioglu 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 materialelo r, chiar ș i
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 ca zul
sculelor din carburi, datori tă faptului că așchiile ondulate sunt asociate cu oboseal a
materialului la muchia sculei. Albercht observă astfel că P.V.M. depinde de materialul
prelucr at 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 microni , astfel,
Rata de deformare prin așchiere 104 s-1

22
interacțiunea dintre fenomenele neliniare determină o dificultate crescută în încercarea de a
modela matematic prelucrarea cu viteze mari .[DAV ’11]
Saltul cel mai puternic realizat î n 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 săderea timpului 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 ș i de forfecare se face prin metodele ela sticității, termoplasticității ș i a
științei materialelor. [DAV ’**]
De asemenea, studiile bazate pe modelare a numerică au devenit instrumente foarte
utilizate în înțelegerea procesului de prelucrare cu viteze mari și au trecut de la simulări
folosind metoda numerică a element ului finit cu 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 prob lema temperaturii separat.
Alți autori susțin că pentru a discuta de prelucrarea cu viteze mari trebuie să ținem
cont de câțiva factori decisivi p recum : proprietățile materialului de prelucrat, existenț a 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 î n 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 1.18. Diagrama pentru zonele de stabilitate dinamică [SMI ’97]

Turațiile mari sunt o condiție obligatorie pentru P.V.M. cu valori sit uate între 15.000 și
25.000 [rot/min] [BER’03 ].
Definiția dată de Centrul de Cercetări pentru m așini -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 sistem ului ” .[LEI’99 ]
[rot/min]

23
În lucrarea [SMI’97 ], Smith și Tlusty propun o altă defini ție pentru P .V.M pe care o
relaționează cu scula de așchiere și viteza de rotație a arborelui principal . Trebuie observat că
orice viteză mai mare de 8000 [rot/min] este de obicei definită ca viteză mare.
Definiția propusă depinde de frecvența modului dominant de vibrații și se bazează pe
selecția a patru cate gorii 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 frecvenț a este 1000 Hz, iar scula folosită este o freză cilindro –
frontală ( geometrie clasică ) atunci categoriile în funcție de viteza de prelucrare sunt
împărțite în felul următor:
1.Prelucrare cu turații sub 2300 [rot/min] , așa cum apare în secțiunea A din figura 1.18.
2.Prelucrarea cu tura ții medii situate între 2300 [rot/min] și 7500 [rot/min] , care corespunde
secțiunii B.
3.Prelucrare cu turații mari situate în zona C lipsită de vibrații și situată între 7500 [rot/min]
pană la 45 .000 [rot/min] .
4.Prelucrare cu turații extrem de mari cu turații 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 1.19. Evoluț ia capabilitățil or maș inilor -unelte între anii 1970 -2000 [LEI’99]

1.4. Caracteristici gen erale ale procesulu i de prelucrare cu viteze mari

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

a) Forțe de așchiere reduse
În urma studiilor realizate s -a observat că odată cu creșterea vitezei de așchiere, de la
un anumit prag în sus , forțele de așchiere se reduc. Acest efect este determinat de înmuierea
materialului î n 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 în punctul de contact dintre sculă și piesa prelucrată se disipă mai mult
în cazul prelucrărilo r convenționale prin așchiere.
Turația [rot/min]

24
În cazul P .V.M există mult mai puțin timp pentru ca energia termică generată prin
defor marea așchiei să se disipeze î n res tul de material, ceea ce explică concentrarea de
căldură.
b) Calitatea suprafeței obțin ută prin așchiere este crescută
Înmuierea sau chiar topirea materialului în regiunea î n care acționează muchia de așchiere,
generând o noua suprafață, f ie prin nivelare plas tic-lichidă a celor mai mici denivelări din
suprafață, fie prin șlefuirea suprafeței înmuiate de muchia de flanc a sculei.
c) Piesa prelucrată nu se încălzește
Datorită faptului că procesul de așchiere se desfăsoară rapid, căldura generată la formarea
așchiei nu poate fi disipată î n restul materialului, ceea ce 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 acurat ețea dimensională , deoa rece are
loc o deformare termică scăzută. Pentru materialele care au u n coeficient de dilatare termic
ridicat, precum aluminiul, acest lucru este foarte important.
d) Folosirea un or scule din materiale speciale
Creșterea temp eraturii în zona de formare a așchiei impune necesitatea folosirii unor
scule rezistente la temperaturi înalt e. Asemenea scule au suprafețele active acoperite cu
carburi metalice sau materiale ceramic e 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 v iteze și avansuri mari,
ci și o procedură care implică metode de optimizare a procesului de prelucrare, alegerea
tipului sculelor precum ș i a mașinilor -unelte . [HEI’10 ]
În general, când se vorbește despre P.V.M. turația trebuie să depășească 15.000
[rot/min ], iar ava nsul să fie de cel puțin 5 [m/min ], totuși așa cum se va observa în tabelul 1.6
de mai jos legat de recomandările de turații și avans se poate obse rva că materialele ductile
ca aluminiul pot fi prelucrate cu turații și avansuri foarte mari , pe când pentru oțelurile dure
sau cele care au în compo nență Ti trebuie folosite avansuri mai mici .[MIK’07],[WIT’08 ].
Dacă se realizează o comparație între c inematica prelucrării prin freză re și a prelucrării
prin așchiere , în cazul frezarii, unde mecanismul cinematic se bazează pe o piesă aflată î n
mișcare de rotație, este mult mai dificil pentru sist emele de prindere a piesei, ca acestea să fie
sufici ent de rigide pentru a face fată vitezelor ș i forțelor centrifuge care apar î n cazul PVM.
[HEI’10 ]
Dacă î n cazul fre zării unde așchiile care rezultă din pro cesul de așchiere sunt scurte, î n
cazul procesu lui de găurire cu viteze mari, așchiile formate sunt continui ș i trebuie evacuate
din zona pr elucrată .
În cazul găuririi, căldura este absorb ită de către scula așchietoare ș i de pereții zonei
prelucrate. Astfel, găurirea la viteze mari devine imposibilă f ără folosirea unui sistem de
răcire care să permită pătrunderea lichidului de așchiere, după caz a aerului rece comprimat
sau a azotului lichid în zona de contact dintre scula așchietoare și suprafața prelucrată .

În plus lichidul da răcire trebuie să as igure și o evacuare bună a așchiilor formate . [HEI’10 ]

25

Figura 1.20. Elemente definitorii ale P .V.M [BER’03]

Pentru a maximiza beneficiile aduse de P .V.M este important să folosim tehnolog iile
mode rne de prelucrare CAD -CAM, astfel trebuie folosite mași ne-unealte, port -scule și scule
așchietoare de ultimă generație . Cele mai relevante criterii au fos t sintetizate î n Figura 1. 20
[BER’03 ]

Tabel 1.5. Domeniii de aplicabilitate a P.V.M în funcție de valorile vitezei și avansului de
lucru .
Avans ul de lucru
Folosirea de avansuri mici pentru:
Scule cu tăiș și dinți mici
Scule cu tăiș și dinți fragili
Prelucrări de finisare
Aschieri adânci
Materiale dure și dificile
Piese fixate slab sau provizoriu Folosirea de avansuri mai mari pentru:
Materiale ușor de prelucrat
Scule cu tăis solid
Scule cu dinți rezistenți
Materiale abrazive
Piese fixate î n mod sigur
Viteza de lucru
Folosirea de viteze de așchiere mici pentru:
Așchieri adânci
Materiale dure
Materiale dificile
Materiale abrazive
Durata mare de viață a sculei
Uzură scazută a sculei Folosirea de viteze de așchiere mari pentru:
Așchieri ușoare
Materiale moi
Nemetale
Piese fragile sau fixate neglijent
Productivitate maximă
Finisaje de înaltă calitate
Scule HSS

26
Tabel 1.6 . Tabel p rivind parametrii regimului de așchiere pentru P.V.M
Material Mașina –
unealtă Sculă Diam.sculei Doc Pas Turații
(rpm) Avans
(in/m)
Al 6061 –
T6 HAAS
Super VF3 Helical
HAL -C-SR-
30500 -R-0 0,5 0,5 0,2 12000 1000
Al 6061 –
T6 HAAS
VF3 OSG –
EXOCARB –
20425100 3 0,5 0,5 0,25 12000 500
Al 6061 –
T6 HAAS
SUPER
MINI
MILL Helical
HAL -C-SR-
30500 -R-3 0,5 1 0,2 18000 500
Oțel 1045 Okuma
MA-
500HA Helical
HSVR -C-R-
4-500-R-3 4 0,5 0,5 0,125 11200 313
Oțel 1018 HAAS
VF4 SS DATA
FLUTE
SSDH -C-
40500 4 0,5 0,038 0,5 9000 275
Oțel 1018 HAAS
„SUPER”
VF3 Helical
HEVR -SR-
30500 -R-3 0,5 0,25 0,125 5000 110
Inconel
625 Doosan
DNM 500 HEVR -SR-
30500 -R-3 0,5 0,6 0,07 3000 30
Titanium
6Al 4V Milltronics
VM20IL HEVR -SR-
30500 -R-3 1 0,15 0,3 3800 125

Se observă din fig.1 .22. că viteza de prelucrare în cazul materialelor dure și dificile
precum Ti, aliajele pe bază de Ni și a oțelurilor dure este lim itată și sculele folosite în
procesul de așchiere trebuie să facă față unor viteze mai mari. O perațiile de strunjire, frezar e
și găurire sunt cele mai potrivite P.V.M., astfel, ca și consecință există un efort din partea
producătorilor din domeniul mașinilor -unelte pentru îmbunătățirea caracteristicilor sculelelor,
port-sculelor și a mașinilor -unelte. [WIT’08 ]

Figura 1.21. Viteze de prelucrare în funcție de procesul de așchiere și materialul
prelucrat . [WIT’08]

Rezistența la compresiune [MPa] Viteza de așc hiere [m/min]

27

Figura 1.22. Corelație dintre viteza de așchiere și rezistenț a la compresiune pentru diferite
materiale. Condiții de așchiere: b=3 mm; f=0,1 [mm/rot] ; scula așchietoare: HC-P30-P40
acoperit cu Ti (C,N)/Al 2O3; geometria sculei :
6 , 6 , 90o o o
ff ff r    
[WIT’08]

1.4.1. 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 deformare
plastică. A stfel limita de la care discutăm de viteză mare de așchiere
PVM , indică momentul
de început în care forța de frecare și energia de compresie rămân constant e.

(de ex la
cv =4000 [m/min ] pentru oțel -carbon C45 la o rezistență ultimă la rupere de 650
Mpa). Valoarea
PVMv care marchează începutul așchierii cu viteze mari poate fi calculată
folosind relația bazată pe măsurarea forței de așchiere (
cF) după cum urmează :
2
()c
HSCv
v
c c dynF v F F e

(1.1)
unde
F este componenta forței de așchiere datorată fenomenului de frecare ,
dynF este
componenta forței datorată comprimării așchiei, iar Fc este forța așchietoare.

1.4.2 Temperatura din zona de așchiere la prelucrări cu viteză mare

Temperatura generată în timpul procesului de găurire este influențată mai ales de
proprietățile mecanice ale semifabricatului, materialul din care este confecționată scula
așchietoare, para metrii mașinii unelte și alte condiții precum agentul de răcire folosit și
parametrii regimului de așchiere. Factori ca uzura sculei așchietoare , rugozitatea suprafețelor
și formarea așchiilor sunt toti influențați de temperatura din zona de așchiere. Găur irea este
una din operațiile folosită pe scară largă în industria constructoare. În multe cazuri
temperatura este un factor care poate limita eficiența procesului de găurire. Prin urmare
trebuiesc selectați parametrii regimului de așchiere pentru a se pute a găsi timperatura optimă
în care scula așchietoare poate lucra. Burghiul este scula așchietoare care trebuie să reziste la

28
medii dificile de lucru ce cuprind temperaturi și forțe ridicate. Cercetarea temperaturii din
zona de așchiere la găurire s -a dezvol tat odată cu creșterea vitezei de burghiere . [BAB ’07]
În anul 2003 Dorr în lucrarea [DOR’03] , a studiat variața temperaturii la găurire în
funcție de tipurile de acoperire a burghiului. În 2001 Bono și Ni în lucrarea [BON ’01], au
studiat ab aterea la cilindricitate a găurilor realizate fără lichid de răcire.
Babur în lucrarea s -a experimentală a folosit burghie cu canale interne Figura 1.23 ,
prin care a trimis lichid de așchiere direct în zona de contact sculă -piesă.

Figura 1.23 . Folosirea burghielor cu canale interne pentru răcire cu lichid [BAB ’07]

În Figurile 1.24 și 1.25 sunt prezentate grafic în 3D rezultatele experimentale obținute
în care ne este prezentat că odată cu creșterea avansului crește temperatura, iar la creșterea
turație la 2000 [rot/min] scade temperatura.

Figura 1.24 . Variația temperaturi la găurire în funcție de avans și tura ție [BAB ’07]

Temperatura [0C]
Turația [rot/min] Avansul [mm/rot]

29

Figura 1.25 . Variația temperaturi la găurire în funcție de avans și adâncime [BAB ’07]

1.4.3 Avantajele prelucrării cu viteze mari

Odată cu apariția mașinilor cu comandă numerică combinat cu d ezvoltarea sistemelor
CAD/CAM, P.M.V. și -a demonstrat avantajele superioare în fața altor tehnici de producție
P.V.M fiind capabilă de a genera suprafețe de înaltă calitate, margini lipsite de bavură și
piese l ipsite de tensiuni interne după prelucrare, piese cu pereți subțiri și un ava ntaj demn de
luat în calcul pentru piesele de mare precizie a fost minimizarea efectelor temperaturii asupra
pieselor pr elucrate [RAH ’**]
Materialele avansate utilizate în rea lizarea sculelor pentru prelucrare a 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] [MM Sonline] [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 s uprafeței obținute deseori cu R a aprox. 0,2 microni ;
– o acuratețe superioară a forme i și a dimensiunilor, în special în cazul geometr iilor complexe
sub formă de țesătură datorită densității reduse a așchiilor;
– posibi litatea prelucrării pieselor cu pereți subțiri, care oferă posibilitatea prel ucrării
componentelor monobloc î n locul sub -ansamblelor;
– forțe de așchiere reduse, care oferă posibilitatea folosirii u nor scule cu dimensiuni reduse ș i
forme complexe ;
– încălzirea redusă a piesei prelucrate, deoarece încălzirea generată este transferată așchiei,
determinând o zonă de lucru cu t emperatură mai redusă;
Avansul [mm/rot] Adâncimea [mm] Temperatura [0C]

30
– 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 metal e și aliaje moi ( necesitatea lichidului de
răcire e redusă datorită unei zone de prelucrare mai reci ).
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;

1.4.4. 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 convenționale ,
spre exemplu o rigiditate mai mare capabilă să susțină accelerații ridicate. ;
– uzura sculei este mare (în dependență directă cu materialul prelucrat)[Agba et al. 19 99];
– 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 comand ă numerică care să fie generat;
– ratele crescute de accelerare ș i decelerare, și ciclurile de oprire și pornire ale roto rului
conduce la uzura prematură a lagărelor arborelui , a șurubului cu bile și a rulmenților ceramici
conducând l a un cost cu mentenanța crescut ă;
– P.V.M. necesită o perioadă consider abilă de „încercare ș i eroare” pentru planificarea optimă
a proce sului și asigurarea zonei din punct de vedere al protecției muncii ;
– scula, sistemul de fixare și arborele trebuie verificat permanent ;
– imposibilitatea prelucrări i cavităților adânci și înguste ;

31
– adâncime de așchiere redusă pentru materiale dure ;
Pe lang ă avantaje și dezavantaje , prelucrarea cu viteze mari poate aduce și câ teva
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 supraf ețe calitativ necorespunzătoare;
– în cazul prelucrării materialelor care dau așchii continue, prin creșterea vitezei peste o
anumită valoare, forțele de așchiere cresc din nou suprasoli citând scula și broșa portsculă;

1.4.5. Domenii de aplicabilitate a P .V.M. la prelucrarea ma terialelor dure ș i dificile

Conform lucrării [RIC’09 ], prelucrarea pri n așchiere a materialelor dure și dificile
constă î n prelucrarea acelor materiale cu o duritate de peste 45 de unități pe scara Ro kwell,
procesele cele mai utiliza te făcând referire la durități î ntre 58 -68 HRC.Material ele utilizate
înclud diferite oțeluri dure aliate, oț eluri utilizate pentru producerea sculelor, superaliaje ,
oțeluri acoperite cu crom dur, oțeluri călite prin carbo nitrizare sau părți realizate din pulberi
metalurgice tratate termic.
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 î n perioada anilor 2000 -2010 fac e profitabilă investiția în
așchierea cu viteze mari. Există și un optim al costurilor de producție,chiar dacă costurile cu
scule le așchietoare cresc figura 1.26 . unde se observă cum costurile cu forța de muncă se
reduc mult odată cu reducerea timpilor de producție . Din figura 1.26 mai rezultă că pentru o
anumită viteză de așchiere ( considerată ca fiind optimă ), costul total este minim.

Figura 1 .26. 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:

32
Tabelul 1.7 Avantajele ș i domeniile de aplicabilitate ale P .V.M
Avantajul tehnologic Domenii de
aplicabilitate Exemple
Volu m mare de așchiere pe
perioadă de timp Aliaje moi, oțeluri și fonte Produse în industria aeronautică
și aerospațială
Producerea de matrițe și
poansoane
Calitate superioară a
suprafeței obținute Prelucrare de precizie,
Scule speciale Industrie optică
Realizarea de rotoare tip melc
Piese de mecanică fină
Forțe de așchiere reduse Prelucrarea pieselor cu
pereți subțiri Industria aeronautică,industria
aerospațială și industria auto
Frecvențe înalte de vibrații Nu se prelucrează în plaja
frecvențelor critice Industria optică și mecanică de
precizie
Căldura de prelucrare este
preluată de așchii Prelucrarea pieselor cu
influentă critică a
temperaturii de prelucrare Mecanica de precizie,
Aliaje din magneziu

Nakayama în lucrarea [NAK ’88] consideră că elementul caracteristic care diferențiază
așchierea convențională față de așchierea materialelor dur e ține de echilibrul energetic
implicat.
Astackhov și Xiao î n [AST ’06] , [AST’05] , propun următorul model al echilibrului
energe tic în cazul proceselor de așchiere:
c c pd jF chP F v P P P    , unde
czFF este
componenta tangențială a forței de așchiere, v -viteza de așchiere, P pd este puterea consumată
în timpul d eformării plast ice asupra stratului eliminat , PjF este puterea consumată la interfață
sculă -semifabricat, iar P ch este puterea consumată la formarea noii supr afețe. In figura 1.27. se
observă diferența în privința ec hilibrului energetic implicat î n cazul prelucrării convențion ale
comparativ cu prelucrarea oț elului C 60.

Figura 1 .27. Compa rație a echilibrului energetic î ntre prelucrarea convențională ș i
prelucrarea dură a C 60 . [DAV’11 ]

Următoarele concluzii rezult ă din comparația dintre cele două tipuri de prelucrări:

33
– energia consumată de -a lungul interacțiunii sculă -semifabricat es te cea mai mare, ceea ce
explică de ce componenta axială a forței de așchiere este mai mare decât componenta
tangenți ală în cazul prelucrării dure, î n timp ce în cazul prelucrării convenționale echilibrul de
forțe este inversat.
– o altă caracteristică a prelucrării materialelor dure și dificile este energia semnificativă
consumată pentru formarea noii suprafețe, un facto r care de obicei nu este luat în
considerare, deși formarea ș i propagarea micro fisurilor sunt deseori condiții ș i limitări
incluse î n modelele teoretice de studiu a prelucrărilor prin așchiere a materialelor dure ș i
dificile .
– energia folosită pentru realizarea deformării plastice a stra tului de material așchiat este î n
continuare semnificativ ă în cazul prelucrării materialelor dure. [DAV’11 ]
Pentru prelucr area matrițelor este recomandată folosirea P .V.M datorită geometriei cu
cavități pe care acestea o au și a durității materialului . Sculele scur te oferă creșterea
productivitate datorită stabilității .
Frezarea electrozilor din grafit sau cupru reprezintă o altă aplicație a tehnologiilor de
prelucrare cu vi teze mari ș i scule protejate cu carb uri de titan (TiCN) sau diamant .

1.4.5.1. Strunjirea cu viteze mari a materialelor dure

Odată cu dezvoltarea industrială și creșterea economică mondială , timp în care cererea
de produse a cresc ut exponențial în întreaga lume , necesitatea creșterii vitezei de prelucrare în
cadrul proceselor de fabricație era de aște ptat. În permanență s -a dorit să se producă cu timpi
cât mai reduși și consum minim de muncă vie .
Dacă în cadrul procesului de strunjire obișnuită piesele erau mai în tâi pr elucrate și apoi
tratate termic , ceea ce ducea în final la scăderea preciziei pieselor datorită modificărilor de
formă a materialului , modificări cauzate de trata mentului termic realizat prin aplicarea
tehnologi ilor de prelucrare cu viteze mari de aș chiere se pot realiza piese cu dur ități mari între
50-60 HRC fară a mai fi necesar aplicarea unui tratament termic după strunjire.
Cu toate că prelucrarea cu viteze mari era cuno scută de câteva decenii în urmă , ea a
început sa joace un rol foarte i mportan t incepânad cu anul 1996 , atât în industria constructoare
de mașini căt și în in dustria 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 pri vește
creșterea productivității . [HAL’99 ]
În cazul prelucrărilor de precizie, datorită noilor tehnologii dezvoltate î n fabricația
sculelor, precum și rigiditatea structurală crescută a mașinilor -unelte , strunjirea cu viteze
mari devine o alternativă viabilă, oferind o reducere substanțială a costurilor și a timpilor de
producție . [LAZ ’**].
Strunjirea cu viteze mari reprezintă o soluție în prelucrarea pieselor cu geometrie
circulară sau sferică realizate din materiale dure și dificil de prelucrat precum : rulm enți, 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 aten ția și interesul cercetătorilor , deoarece prezintă
unele caracteristici speciale în ceea ce privește forța de așchiere și forma așchiei rezultate în
urma prelucrării. Lucrările experime ntale ale lui ( Trent și Wright , 2000 și Erdel în 2003 ) , au
arătat că forțele de așchiere scad cu 10 -15% în cadrul pre lucrării cu viteze mari . Reduce rea
forței de așchiere este datorată reducerii rezistenței materialului de prelucrat în raport cu scula
așchietoare , aceasta fiind posibilă datorită faptului că în zona de așchiere te mperatura crește
destul de mult . Temperaturile ridicate din zona de așhiere sunt datorate lip sei lichidului de
răcire ungere , conform referințelor ( Nouari , Ginting în 2004 și Mamalis, Kundrak
,Markopoulos , Manolakos în 2008 ) . Nefolosirea lichidelor de răcire ungere este justi ficată de

34
aceștia prin faptul că în jurul piesei se formează un vârtej orientat radial cu sensul către
exterior care deviază li chidul 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 pu nct de
vedere mecanic cât și economic dar nu în ultimul rând ecologic strunjire a semi -uscată și
uscată răma n cele mai bune varia nte ce pot fi utilizate în cadrul procesului de strunjire cu
viteze mari a materialelor dure și dificile .
Pe lângă avantajul economic dat de eliminarea lichidului de răcire ungere (car e
implicit duce și la simplificare a mașinii unelte ) , reducerea forțelor de așchiere are un mare
avantaj în ceea ce privește prelucrarea pieselor cu pereți subțiri di n cadrul industriei
aeronautice .
Prelucrarea cu mare viteză a fost investigată utilizând metoda elementului finit de
câțiva cercetători (Mar usich and Ortiz, 1995 ; Özel și Altan, 2000; Koshy, Dewes și
Aspinwall, 2002; Robinson și Jackso n, 2005; Bäker, 2006; Hortig și Svendsen, 2007; Davi m,
Maranhão, Jackson, Cabral și Grácio, 2008; Tang, Wa ng, Hu și Song, 2009). Investigațiile au
avut ca scop principal aflarea car acteristicilor 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 3500 [m/min ]. În referințele bibliografi ce
[TRE’00] , [KUM’13] Yousefi, R ș i Ichida, Y [YOU’00 ] s-a utilizat așchierea cu viteze mult
mai mari, ajungând până la 15.000 [m/min ]. Cercet ările lor mai evidențiază faptul că la
creșterea vitezei de lucru duce la îmbunatățirea calității suprafețelor prelucrate iar forțele de
așchiere rămân relativ constante pe intervalul de viteze 1200 -1500 [m/min].
În P.V.M. este esențial ca elementele cu mișc are de rotație ( sculă sau piesă ) , să fie
bine fixată, pentr u a minimiza efectele forțelor centrifuge care ar influ enta procesul de
așchiere și rugozitatea suprafeței prelucrate . Situația ideală ar fi ca piesa sau scula să f ie fixate
în timpul așchierii într-un plan de stabilitate. [GRA’08]
Uzura sculei așchietoare este un factor foarte important de luat în considerare în cadrul
strunjirii cu viteze mar .i

Figura 1.28 . Investigație privind variația lungimii contactului sculă -așchie și apariția
craterilor pe flancul sculei la strunjirea longitudinală în funcție de viteza de lucru. [ABU’04]

Lungimea contactului dintre a șchie și sculă în cazul P.V. M este dependentă atâ t de
tipul așchiei cât și de parametrii regimului de așchi ere. În urma experimentelor făcute de către

35
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 400 [m/min ] la 1200 [m/min ].
Temperatura din zona de așchiere este influențată de cuplul de materiale în contact ( material
sculă și material de prelucrat ).
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 confecț ionată 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 d e tipul PCBN1 .
Cercetările lui Usama au mai permis formularea unor concluzii în ce privește
diferențele dintre sculele cu CBN și plăcuțe ceramice:
– placuțele ceramice dau forțe de așchiere mai scăzute comparativ cu cele din CBN ;
– temperatura din zona de așchiere este mai mare în cazu l folosirii placuțelor ceramice ;
– placuțele confecționate din CBN -uri sunt mai rezistente la uzură decât cele ceramice ;

1.3.5.2 . 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 rea lizat cu o sculă de așchiere
care acționează discontinuu asupra piesei prelucrate , iar procesul de formare a așchiei este
mult mai complex în comparați e cu p relucrarea prin strunjire, caz î n car e scula are o acțiune
continuă asupra piesei, iar î n cazul viteze lor mari adâ ncimea 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 preluc rare 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 pri ncipal), care sunt superioare celora a care sunt
considerate în ziua de azi controlat e, din punct de vedere practic” .
În cazul prelucrării cu viteze înalte, turația axului principal al masinii este mai mare de 15.000
[rot/min ], așa cum este prezentat în im aginea de mai jos. [IVA’11]

Fig.1.29. Separarea domeniilor de așchiere convențională și cu viteze înalte în funcție de
turația axului principal al mașinii [ KAU’99].

Așchierea convențională Domeniu intermediar Așchierea cu viteză mare Viteza de așchiere [m/min]

36
McGee [MCG’84 ] a realizat primele cercetări privind frezarea componentelor din
aluminiu și a tras concluzia c ă sculele din carburi sun t 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 s oluția preferată datorită flexibilității ș i a timpului scurt
de procesare. [FRE’08 ]
Tugru [TUG’98 ] a investigat operația d e frezare utilizând drept metodă de simulare a
formarii așchiei, a eforturilor și forțelor de așchiere, metoda elementului finit . Acesta a
prelucrat oțel utilizând scule din carbură de tungsten și a concluzionat că există o relație
foarte bună între modelul propus și rezultatul experimental.
Yaha [ABO’05 ] a investigat frezarea oț elului -inox AISI 304 care are o p relucrabilitate
scăzută împreună cu scul e cu plăcuțe amovibile multi -strat din car buri (TiN, TiCN)
concluzionând că durata de viața a sculei este invers proporțională cu viteza de așchiere iar
variația avansului are un efect neglijabil asupra sc ulei la viteze mari utlizate în aș chiere.
S-a observat un foarte bun răspuns a folosirii carburilor metalice la prelu crarea
oțelurilor dure precum ș i a sculelor realizate cu acoperiri ceramice Si 3N4. [KLO’11 ]
Cea mai largă utilizare a freză rii se întâlnește în prelucrarea matrițelor ș i poansoa nelor din
oteluri cu duri tăți cuprinse între 45 -60 HRC precum P -20,H -13 si S -7. [ZUR’04 ]
O componentă importantă în ansamblul cinematic al unei mașini -unelte este axul
portsculei c are trebuie să ofere un cuplu mare pentru viteze de rotație mici ș i o putere optimă
pentru o plajă largă de viteze. Din acest motiv este generalizată utiliz area rulmenți lor ceramici
pentru creșterea rigidității și a stabilității la temperatură , iar portsc ula 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 proc esare a
materialului foarte bună , o prelu crare și o procesare foarte bună a datelor precum ș i o
capabilitate foarte buna de a face f ață “servo -întârzierii” ( perioada de poziționare a mașinii
comandata de CNC ), deoarece orice mișcare care nu e continuă cu calea pr ogramată
determină un efort suplimentar care conduce la o defectare prematură . [ZUR’04 ]
Utilizarea frezării cu viteze mari pe echipamente CNC este o condiție 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 în 5 axe ( 3 axe de translație ș i 2 axe de rotație ) aduce avantajul prelucrării unor
geometrii complexe putând aborda orice poziție de lucru pe piesă orientând scula la orice
unghi dorit. [FRE’08 ]
Frezarea cu comandă numerică dă posibilitatea ca în cazul p ieselor prototip, a
matrițelor ș i poanso anelor , suprafețele complexe să necesite cel puțin 1milion de linii de cod,
astfel, reducând timpii de prelucrare ș i determinând îmbunătățiri substa nțiale ale ciclului de
lucru . [MOR’** ]

1.4.5.3. Găurirea cu viteză mare a materialelor dure și dificile

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 com presie a materialului determin ă în cazul
găuririi un pro ces complex datorită faptului că în zona centrală de găurire , pe muchia
cuțitului, viteza de găurire variază î n fun cție 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 ce ntrul sculei spre marginea acesteia. Pentru a asigura un volum mare de material

37
prelucrat , este necesar ca viteza de așchiere și avansul per mișcare de revol uție să aibă valori
ridicate. [RUI ’07]
Găurirea cu viteze mari este definită ca procesul de așchiere, care, contrar procesului
de găurire convențional ă, folosește vi teze de așchiere de cel putin 5 ori mai mari . [HEI’10 ]
Contrar procesului de frezare, unde orice creștere a vitezei poate fi com pensată prin folosirea
de avansuri diferite și de adâncimi mai reduse, astfel în cazul găuririi orice provocare întâlnită
în cazul vitezelor neconvențional e devine mult mai pronunțată, iar ca soluție 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” f olosește viteză 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 con vențional utilizat la găurire, î n 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, f ăcând
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 es te bine să fie dirijat axia l și sub presiune mai ridicată , pentru
a ajunge direct î n 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 cana le în
interiorul sculei care conduc lichidul de răcire spre v ârful sculei și astfel putem atinge două
ținte: creșterea durabilității sculei și evitarea sudurii dintre așchie și sculă care poate co nduce
la consecințe grave pentru ansamblul de așchiere . [ZEL’98 ]

Fig.1.30 . 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 creș te cu atât devine mai important ca linia centrală s ă își
păstreze poziția inițială , de aceea la viteze mari e necesar ca scula să fi e realizată din materiale
rezistente la uzură și temperaturi înalte precum carburile sau plăcuțe le ceramice pentru a mari
stabilitatea sistemului de prelucrare . Excentricitatea totală (care reprezintă suma
excentricităților a arborelui principal, port -sculă și scuță ) trebuie să fie nimimă. [ZEL’98]
Eforturile de așchiere scăzute, distribuite uniform datorită abaterii de concentricitate
sunt o condiție esențială pentru atingerea unor valor i acceptabile a duratei de viață pentru
aceste materiale casante, î n special în cazul folosirii turațiilor de peste 10.000 [rot/min ].
Excentricitatea totală după ce scula se fixează în port -sculă și apoi pe arbore, nu ar tr ebui să
depășească 20 µm .
Primele 2 componente nu aduc un aport major la eroarea de concentricitate în specia l
în cazul mașinilor -unelte noi , iar sculele au fost proiectate pentru a preveni eroar ea de
excentricitate permițând pentru sistemul de prindere a portsculei o toleranță mai mare a

38
erorii de excentricitate, alegerea unei portscul e în diferite configurații generând o eroare d e
cel puțin 20 µm. [ZEL’98]
Pentru a limita eroare a de la concent ricitate „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 con diție este legată de mat erialul din care este construită scula. La viteze
inferioare, se poate prelucra eficient și cu burghie din oțel rapid, care prezintă o duritate ș i
rezistență la flambaj destul de ridicată. La aplicații care necesită viteze mai mari de lucru su nt
recomandate burghiele pe bază de carburi sau burghiele ceramic e care prezintă rezistent ă
mecano -termică ridicată . [AMA’05]
O consecință inevitabilă a găuririi cu v iteze mari este uzura mai rapidă a muchiei
așchietoare și o temperatură ridicată pe tăiș. Din acest motiv, orice sculă pentru găurir ea cu
viteze mari trebuie aleasă din condiția ca durabilitatea să fie maximă . Impunerea acestei
condiții, la viteze mari de lucru elim ină însă utilizarea oț elului rapid ca mater ial de construcție
a sculelor, ș i de aceea, într -un mare număr de aplicații de găurire cu vit eze mari, se utilizează
burghiele confecționate din carburi care sunt acoperite cu straturi de titan , mult mai rezistent e
la temperaturi ridicate decât otelul rapid.
Rezistența la temperaturi ridicate devine ș i mai impo rtantă pe măsură ce raportul
dintre adâncimea și diametrul găurii crește. [AMA’05]
În cazul găuririi cu viteze mari, trebuie luate în considerare faptul ca există materiale
cu o mai bună rezi stență la uzură decât carburile , și anume, materialele policristaline pe bază
de diamant (recomandat pentru materiale neferoase) și nitrura cubică de bor (pentru oțeluri),
care deș i au costuri de utilizare ridicate pot fi folosite î n industriile cu rate de profit ridicate.
Dezavantaj ul constă în faptul că duritatea scăzută le fac e 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. [DAT ’**]
Noi studii au arătat că pentru prelucrarea aluminiumului sau oțelului, un filet
poziționat la 15 grade de centru oferă ce a 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 pent ru aplicabilitatea în domenii de
interes, precum realizarea de mășt i, 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 i nhalat, găuri de calibrare a s curgerii sau pulverizatoare .
[POT’** ]

Figura 1.31 . Microgă urire de precizie în piesă din oțel -inox. [POT’** ]

39
Microgăurirea se poate realiza într -o multitudine de materiale, de la pelicule sau tuburi
din polim eri sau sticlă până la diamant , ceramice sau tablete din siliciu în industria
semiconductorilor . [POT’** ]
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 anu mite condiții . [ADE ’13]
Compania Datron Dynamics reușește să a sigure rotații de 60.000 [rot/min] 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 asigurar ea de găuri fără bavuri . [DAT’** ]

1.5. Materiale dure ș i dificile

Domeniul de existență și cunoaștere a materialelor dure este foarte vast. Cele mai
utilizate aliaje dure industriale sunt produsele din carburi ale metalelor care, în ordinea
importanței sunt: carbura de wolfram, carbura de titan, carbura de tantan sau nioblu sub formî
de monocarburi sau carburi complexe. Proprietățile superioare ale acestor aliaje sunt foarte
diverse, referindu -se la duritățile mari ale carburilor menționate, la stabiliate la temperaturi
relativ ridicate, la tenacități și rezistențe considerabile conferite de liantul metalic privit
singular sau împreună cu carburile. [CIO ’85]
Lucrările de cercetare, ce s -au inteprins în trecut și co ntinuă și astăzi în domeniul
sinterizării carburilor, se concentrează în dezvoltarea aliajelor rezistente la temperaturi înalte.
Este bine stabilit că TiC – carbura de titan – este un domeniu de viitor pentru aliajele rezistente
la temperaturi înalte. De ex emplu proprietățile mecanice la temperaturi înalte ale
compozițiilor TiC -Co, par a fi satisfăcătoare pentru aplicații ca paletele de turbine lucrând la
temperaturi mai ridicate de 10000C. [CIO ’85]
Dezvoltările din domeniul construcțiilor de mașini din ultim a 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 co mplexe din punctul de
vedere al formei și geometriei , în special în cazul acelor componente realizate din materiale
dure ș i dificile.
Folosirea materialelor dure și dificile este prezentă în special în domeniul producției
auto și aeronautice datorită a plicațiilor 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 T i sunt mai mari decât cele nec esare
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 realizeaz ă foarte
ușor, ceea ce determină o așchie subțire care intra î n contact cu muchia de așchiere a scul ei
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 î n aer din cauza unei conductivități scăzute a
Titanium -ului, astfel o cantitate semnific ativă de căldură se acumulează î ntre muchia de
așchiere ș i fata de degaj are a sculei. Din lucrările [OKA’07 ],[FNI’08 ],[KOE’ 10] se pot
observa o serie de caracteristici ale acestor materiale sintetizate î n tabelul 1.7.

40
Tabelul 1.8. Proprietățile mecanice care influențează prelucrabilitatea
Factor Descriere
Duritate și rezistență la rupere Efect negativ. Excepție fac mat erialele cu ductilitate
crescută care pot determina formarea de bavuri sau
depuneri pe muchia așchietoare ( ex Al ) .
Coef icient de conductivitate
termică ridicat ș i coeficient de
frecare scăzut Reprezintă un efect pozitiv atunci când căldura este
eliminată din zona de așchiere. Coeficientul de frecare
depinde de cuplul de material sculă -piesă , însă poate fi
modificat pri n folosirea f luidului de răcire, a răcirii cu aer
sub presiun e sau folosirii azotului lichid .
Ductilitate, coeficient de
elasticitate scăzut Efect negativ determinat de eforturile reziduale atunci
când transformările de fază măresc volumul stratului de la
suprafață. Când ac eastă componentă este tensionată se
inițiază propagarea microfisurilor. Așchiile durificate pot
afecta suprafața obținută a semifabricatului.
Se recomandă folosirea adâncimilor de prelucrare mai
mari, precum și a ratei de avans mai mari. Scule cu
geometrii cu unghi pozitiv încarcă mai puțin suprafața ș i
scad căldura generată . La temperaturi ridicate
semifabricatul reacționează chimic cu scula așchietoare
sau cu atmosfera. De exemplu reacția Ti cu O și N
formează o depunere casant ă pe suprafața semifabricatului
(faza
 ).
Prezenț a inserțiilor ș i
materialelor de ranfo rsare Efect negativ atunci când particulele abrazive uzează scula
așchi etoare. Excepție fac silicații î n oțeluri la viteze mari.
Incluziunile mai mari de 0. 15 mm în diametru sunt o
problemă frecventă în cazul oț elurilor de calitate
inferioară .
Elemente s uplimentare î n
compoziția semifabricatelor Efectele pozi tive sunt asigurate de S, Pb, Se în cazul
oțelurilor d eoarece facilitează deformarea și au un efect de
„lubrifiere ” a procesului de așchiere.
Structura materialului Ferită, cementită, perlită sau o combinație a acestora
Condițiile de obținere a
semifabricatului Laminare, presare la rece,
Integritatea suprafeței Sudarea anumitor elemente, nisip răma s de la matrița de
turnare, goluri de turnare sau imperfecțiuni din cadrul
procesului de producere a semifabricatului influențează
tensiunile reziduale, rugozitatea sup rafeței sau stabilitatea
chimică și mecanică .
Elementele aliate In caz ul Ti, elemente precum Al,Cu,S și P au un efect
pozit iv asupra așchierii. In cazul oț elului, elementele care
formează carburi (Mn,Ni,Co,Cr,V,Mo,Nb,W ș i C>0,6%).
Efectele pozitive pot fi asigurate prin fo losirea Pb,S,P, si
0,3%<C<0,6%.

Conform lucrării [STJ ’04] prelucrab ilitatea 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.

41
Fiecărui parametru i se asoc iază 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 prelucrabi litate prin așchiere ( B ) nu coincide cu viteza de așchiere. Pentru otelul carbon
viteza recomandată de așchiere creste odată cu descre șterea conținutului de carbon :

Figura 1.32. Reprezentare schematic ă a indicelui rela tiv de prelucrabilitate în raport cu
concentraț ia 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 c arburi metalice permit viteze ș i
rate de avans mai ridicate. [FNI’08] , [GLO’**]

Figura 1.33. Indicele de prelucrabilitate a o țelului -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 depunerilo r
pe muchia de așchiere îmbunătățind calitatea suprafeței obținute , integritatea și formarea
așchiei. Prelucrarea otelurilor inox necesită aceleași precauții ca în cazul oțelurilor austenitice
care s unt în general mai greu de prelucrat decâ t feritele, oțel urile carbon și aliajele
ușoare,deoarece se sudează puternic de muchia așchietoare și pot deteriora scula . Oțelurile
rapide pot f i prelucrate la viteze scăzute însă folosirea scul elor cu plăcuțe amovibile din

42
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 așchietoa re.În general fontele sunt
materiale foarte greu de prelucrat . Carburile abrazive Fe 3C pot fi stabilizate cu ajutorul Si. Un
conținut înalt de C formează structuri grafitice și în consecință îmbunătățește prelucrabilitatea.
Structura în zona cementita ne cesită scule realizate din nitrură cubică de bor . [KOE’10] ,
[STJ’04] .

Figura 1.34. Indicele de prelucrabilitate a fontei [STJ’04]

Oțeluri dure

Zona de contact di ntre muchia sculei așchietoare ș i semif abricat acumulează
temperaturi ș i presiuni ridicate. De obicei sunt utilizat e scule ceramice sau din nitrură cubică
de bor. Ace st grup conține oteluri călite ș i 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 î n construc ția de mașini -unelte (40 –45 HRC ).
Forțele de prelucrare spe cifice ating 2550 –4870 [N/mm² ]. Materialul din care este
realizat ă scula așchietoare t rebuie se aibă o rezistenta bună la deformarea plastică, stabilitat e
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 fa ță de alte metale, printre care densitate mic ă
(4,5-5 g/cm3), temperatur ă înaltă de topire (tt = 1660 °C), coeficient de dilatare redus,
rezistivitate electric ă mare, modul de elasticitate de do uă ori mai mic decât al fierului și al
oțelurilor, conductivitate termic ă foarte redus ă și un paramagnetism excelent.
Titanul are doua forme alotropice stabile: Ti α cu re țea hexagonal compact ă și Ti β cu
rețea cubic ă cu volum centrat; trecerea de la o fa za la alta a Ti se realizeaza la creșterea
temperaturii peste 882°C [BHA’ 02], [COL’94] , [DUM’07] , [NEU’04]
În structura cubic ă cu volum centrat atomii sunt în vârfurile și în centrul celulei
elementare, iar fiecare atom are opt vecini care se afl ă la distan țe egale. Aceast ă stare este
stabil ă în domeniul de temperaturi 885°C ÷ 1672°C și este denumit ă starea β, [FAT’97 ].

43
Structura hexagonal compact ă este format ă prin suprapunerea straturilor suprafe țelor
compacte în șir, astfel încât fiecare atom dintr -o suprafa ță are câte 3 atomi vecini din
suprafe țe adiacente. Aceast ă structur ă este stabil ă până la valoarea temperaturii de 882°C,
având denumirea de starea α. [FAT’97]
Duritatea titanului este relativ mic ă (100-225 HB) și este direct propor țional ă cu
creșterea concentra ției impurit ăților, conform tabelului 1.8 Impurit ățile solubile ( H, C, N
intersti țiale și O 2 prin substitu ție) au o ac țiune de cre ștere a durit ații titanului, crescând și
rezisten ța mecanic ă, iar plasticitatea și rezisten ța la coroziune scad. În tabelul 1.8. se arat ă
influen ța purit ății asupra durit ații titanului.

Tabel 1.9 . Influența purității asupra durității titanului [DUM’07] , [FAT’97]
Nr.crt. Puritatea
Titanului
% Duritatea
HB Limita de
Curgere
MPa Rezistența
la rupere
MPa A
%
1 99,95 70-80 – 250-300 50-70
2 99,5-99 120-265 240-600 340-670 20-30

Aliajele din Ti

Titan ul grad 1 este un titan "ne -aliat" oferind ductilitate optimă și plasticitate la rece .
Materialul are duritate înaltă la impact ș i este ușor su dabil. Este bun pentru turnare și uneori
este utilizat ca și matriță în stomatologie. Datorită rezistentei l a coroziune este folosit uzual în
Industria Chimică ș i Marină, iar datorită plasticității în Industria Aeronautică .
Aliajul Ti -6Al-4V este cel mai u tilizat aliaj d e titan clasa alfa – plus- beta ș i este de
asemenea cel mai comun dintre aliajele de titan. Aliajul e ste turnabil ș i este utilizat în piese
turnate la articolele sportive. C a material forjat este folosit î n aeronautică , medicină ș i alte
aplic ații unde sunt cerute : greutate relativ ușoară, rezistentă mare la solicitare ș i proprietăți
favorabile la coroziune.
Titanul grad 9 conține 3,0% Aluminiu ș i 2,5% Vanadiu. Acest grad este un compromis
între ușurința cu care se sudează ș i prelu crează grade le "pure" de titan ș i rezistenț a înaltă a
Titanu lui grad 5. Se folosește uzual î n confecționarea tubulaturii aviatice, pentru echipament
hidraulic . [BSW’** ]
Aliajele din Ti sunt văzute ca având o prelucrabilitate s căzută. Se poate spune faptul că
prelucrarea prin deformare a aliajelor din Ti este mai scăzută decât în cazul oț elurilor inox
auste nitice . Forțele necesare prelucrăr ii prin așchiere sunt mai reduse decât î n 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.
Cond uctivitatea termică scăzută conduce la o temperatură ri dicată pe suprafața de
contact și astfel determină o scădere a duratei de viată a sculei, ceea ce necesită alegerea unui
sistem de răcire adecvat. Sculele nu folosesc acoperiri din cauza procesului de difuzi une
asociat Ti, ci se folosesc î n masa sculei parti cule fine de Co. [OKA’0 7]

44

Capitotul 2

FORMAREA A ȘCHIEI , FORȚELE
IMPLICATE ȘI TRAN SFERUL TERMIC LA
PRELUCRAREA MATERIALELOR DURE ȘI
DIFICILE

45
2.1. Formarea așchiei la prelucrarea cu viteze mari a materialelor dure și dificil de
prelucrat.

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 fo rfecare 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 2.1. Aschie peste care s -a realizat o înfășurare pen tru 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 v f, de viteza de așchiere v c și de
adâncimea de așchiere a p. În ceea ce privește cinematica procesului, direcția efortului de
așchiere a secțiunii este determinată prin definirea unghiului de așchiere a normalei
n ,
unghiul muchiei de așchiere
r , precum și de încl inare a muchiei de așchiere
s . [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. Vitez a 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]

46
Komanduri [KOM ’82] a studiat m orfologia așchiei la 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
forfecare a 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. Morfologia generală a așchiilor . [KOM ’82].

Shaw [SHA’93 ] analizează și formarea așchiilor la pre lucrarea 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 p lastică
locală joacă un rol în ruperea ductilă din procesul de strunjire.

2.1.1 Tipuri de a șchii 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 sc ulei 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 prelucr at, cu viteze mari de așchiere și forțe
de frecare scăzute cu faț a de degajare a sculei, de un unghi de așchiere pozitiv și de o
grosime scăzută a așchiei nedeformate așa cum apare î n figura 2.4 . [TOE’13] .

Figura 2.4 . Prezentare a așhiei continue rezultată din procesul de strunjire longitudinală
[ASC ’**].

47
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 s au termice .
Așchiile lamelare apar la prelucrarea materiaelor cu v iteze mari care prezintă
ductilitate și duritate destul de ridicată . Deformări structurale ridicate la nivel local sau benzi
de forfecare pot fi recunoscute în structura așchiei și sunt caracteristice ac estui 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 e sau mai puține
elemente conectate, însă cu variații semnificative în gra dul de deformare de -a lungul zonei de
curgere a materialului. Acest tip de așchii apar în special în cazul unghiurilor negative de
așchiere, cu viteze mai scăzute și adâncimi mari de așchiere . 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 s egmentele 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 echili brul termodinamic cât și formarea periodică de fisuri contribuie la
mecanismul de formare al așchiilor la viteze mari. În fig ura. 2.5 se observă cedarea
catastrofică de -a lungul suprafeței de forfecare, în care fisurile de -a lungul suprafeței de
forfec are nu pot fi acoperite de deformarea plastică. Mai mult, deformarea plastică ridicată
determină inițierea de micro fisuri între particule le competente ale aliajelor.

Figura.2 .5. Cedarea catastrofică a materialului în zona de forfecare (v=320 [m/min ], f=0,2
[mm/rot] ) [FAR’11] .

48

Așchiile de fragmentare sau de forfecare se obțin la prelucrarea materia lelor dure și
semidur e.

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

Din punct de vedere al tipului de așchii conform literaturii de specialitate la frezarea cu viteze
mai există 3 tipuri de așchii :
Așchii discontinue: materiale fragile (de ex. fontă, bronz), figura.1.26 a.

Așchii în trepte (așchii fragmentate) car e rezultă în urma prelucrării materialelor dure și
tenace ( C60/C 70 ) sau oțeluri aliate, – figura.1.2 6 b.

Așchii continue (de curgere) care rezultă în urma prelucrărilor materialelor moi și
maleabile (de ex. oțeluri inox, alama, cupru, aluminiu, aliaje din aluminiu) figura 1.2 6 c.

a b c

Figura 2. 6. Tipuri de așchii funcție de materialul
prelucrat

Mecanismul formării așchiilor în prelucrar ea materialelor cu viteză mare , prezentat prezentat
în lucrarea [TOE’13] evidențiază următoarele etape :

Figura 2.7 Mecanismul formării așchiilor [TOE’13]

49
a) Ruperea prin alunecare a 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 dinamic e 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 :
Vitez a de așchiere – V [m/min];
Avansul pe dinte – sz [mm/rot];
Adaosul de prelucrar e principal ( axial ) : ap [mm];
Adaosul de prelucra re secundar ( radial ): ae [mm];
Rigiditatea mașinii, unghiurile constructive ale f rezei, etc.

2.3. Forțele ce apar la găurirea materialelor meta lice prin burghiere

În cadrul procesului de găurire se disting 5 etape în ceea ce privește marimea forțelor
de așchiere . Figura 2.8

1 2 3 4 5
Figura 2.8 . Prezentarea etapelor modificării valorii forțelor în procesul de găurire [HUI’13 ]

Etapa 1. Se mai numește și etapa de atingere, ea începe când burghiul atinge materialul și se
termină atunci când tăișurile principale sunt îngropate total în material.
Etepa 2. Se mai numește și etapa de tăiere, ea începe când se termină etapa 1 și se termină
atunci când tăișul transversal iese din material.
Etapa 3. Se mai numește și etapa de atingere totală , ea începe când se termină etapa 2 și se
termină atunci când tăișurile principale ies total din material.
Etapa 4. Se mai numește și etapa de tăiere completă, ea înc epe când se termină etapa 3 și se
termină când tăiș urile laterale încep să iasă din material.
Etapa 5. Se mai numște și etapa de ieș ire completă, ea începe când se termină etapa 4 și se
termină atunci când tăiș urile laterale au iesit 1 -2 cm din material.

În timpul procesului de găurire parametrii geometrici și viteza de așchiere se schimbă
permanent pentru fiecare punct de pe taiș urile burghiului, ast fel distribuția forțelor pe tăiș uri
este neuniformă.
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: componen tele 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: comp onentele tangențiale – pe direcția vitezei
principale de așchiere, care dau naștere momentului de torsiune Mt, a cărui mărime

50
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]
Structura forțelor de așchiere și componentele pe cele 3 axe ale unui sistem de așchiere legat
de sculă este prezentată în Figura 2.9 .
Fx-forța axială de așchiere.
Fz- forța tangențială de așchiere.
Fy- forța radială de așchiere.

Figura 2.9 . Forțele în procesul de găurire Figura 2.10 . Tăiș principal și secundar
[HUI’13 ].

În timpul găuririi cu burghiul elicoidal se pot produce abateri caracteristice, care
influențează negativ precizia de prelucrare. Precizia diametrului găurii pre lucrate de pinde de
toleranța diametrul ui burghiului și de erorile care apar datorită supralărgirii găurii.
Supralărgirea se manifestă prin aceea că diametrul găurii rezultă este mai mare decâ t
diametrul bur ghiului și se datore ază ascuțirii defectuoase, nesimetrice ale tăișurilor
principale. Nesimetria tăișurilor face ca și componentele radiale 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, suprală rgirea poate ajunge la va lori de (0,2…l,2) mm. [TAN’12] .
Principalii factor i care influen țează mărimile forței axiale și a momen tului de torsiune sunt :
Elementele regimului de așchiere:
-adâncimea de așchiere; pentru că la burghiu adâncimea de așchiere este egală cu jumătate d in
diametru iar creșterea aceste ia determină creșter ea secțiunii așchiei detașate , prin urmare forța
axială și momentul de torsiune vor crește.
– avansul; la creșterea avansului , crește secțiunea așchiei ne detașate prin urmare cresc fora
axială și momentul de torsiune.
– viteza de așchiere; creșterea viteze i 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 ;
Taiș principal Taiș
transversal

51
Lichidele de așchiere :
– utilizarea acestora în procesul de burghiere determină o scădere a mărimilor for ței și a
momentului de torsiune;

2.4 Transferul termic la găurirea cu viteze mari

Găurire a semiuscată și uscată cu viteze mari sunt dou ă direcții de cercet are în cadrul
industriei constructoare de mașini , la care se mai adaugă și vitezele mari de așchier e utilizând
materiale dure. Atât găurir ea se miuscată cât și cea uscată duc la creșterea căldurii din zona de
așchiere . Deoarece realizarea găurilor este operația cea mai costisitoare din punct de ved ere
economic , realizarea acestei operații cu minim de lubrifiant este ch eia reducerii costurilor .
[TIB’95] .
În procesul de burghiere , mai mult de 90 % din lucrul mecanic produs de deformar ea
plastică este transformat în căldură . [HEG’07] , ca urm are a unui proces de deform are
volumică, realizată prin comprimarea până la starea de curger e plastică a stratului de metal ,
sub acțiunea tăișurilor burghiului .
Transferul de căldură are loc prin trei mecanisme distincte: convecția termică ,
conducția termică și radiația termică . [NEA’02]
Transferul de căldură prin co nvecție 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 coeficie ntul
individual de trasfer (α ), care reprezintă c ăldura 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 d e răcire a lui Newton.
Transferul de căldură prin conducție termică ,exprimat prin coeficientul principal de
transfer se poate defini ca fiind transferul termic între medii diferite aflate în contact fizic și
este proporțional cu conductivitatea termică , caracterizată de coeficientul global de trasfer de
căldură.
Transferul de căldură prin radiație termică. Radiația termică se deosebește în principiu
de cele lalte două procese de tra nsfer de căldură (conducția și convecția) prin aceea că nu este
necesar un p urtător material pentru trasmiterea căldurii. În cazul radiației ter mice , 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 t rei mecanisme de trasfer termic . Temperaturile ridicate existente în procesele de
prelucrare prin așchiere reprezintă principala cauză care duce la reducerea durate i de viață a
sculei așchietoare , cu efecte și limitări n esatisfăcătoare în ceea ce prive ște calitatea
produselor finale , influența temperaturii devenind mai importantă odată cu creșterea vitezei de
așchiere.
Convențional se poate considera că e xistă 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 Q ϕ , Qγ și Qα cantitatea de căldură provenită din aceste surse ,
atunci , cantitatea totală de căldură este dată de relația :
Q= Qϕ + Qγ + Q α [J] ) (2.1)
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 + Q αp + Qαa + Qγs + Q γa + Q ma [J] (2.2) în care: [BOR’13] .

52

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 tra nsformarea lucrului mecanic de def ormare
în planul de forf ecare și preluată de așchie;
Qαp – cantitatea de căldură provenită din trasformarea lucrului mecanic de frecare pe
planul de așezare și preluată de piesă ;
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 pr eluată direct de mediul ambiant ; [BAR’13] .
La burghiere , repart izarea 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 2.11 Repartiția cantității de căldură la burghiere [GRA’85]

Dacă se definesc căldurile specifice : a materialului așchiei (c a), a piesei de prelucrat
(cp), a sculei așchietoare (c s) și a m ediului ambiant (c ma), respectiv ma sele de metal aferente
acestora : m a , m p , m s , m ma , se pot d efini și cantitățile de căldură , în formă simplificată, pentru
fiecare dintre cele patru medii de trasmitere Q a , Qp , Qs , Qma [J] .

Qa=ca·ma (Ta-T0); (2.3)
Qp=cp·mp (Tp-T0); (2.4)
Qs=cs·ms (Ts-T0); (2.5)
Qa=cma·mma (Tma-T0); (2.6)

53
Unde 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 (T 0=200C).De aceeași manieră se poate și o cantitate de căldură alocată stratului
de așchiere :
Qt=ct·mt (Tt-T0); (2.7)
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 nu numai temperatura piesei
(sub aspectul dilatărilor termice și a modificărilo r de structură metalografică ) ce și
temperatura așchiei , respec tiv temperatura tăișului sculei . [BAR’13] .

54

Capitol ul 3

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

55
3.1. Introducere

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 vo r prezenta principalele modelele analitice dezvoltate pentru
așchiere a clasică 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.
Primele cercetări legate de așchiere a metalelor apar la Cocquilhat în 1851 și sunt
legate de cantitatea de material elim inată 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 c ompresie în fața sculei [TRE’73] , iar în 1941 modelul lui Ernst și Merchant
popularizeaz ă modelul planului de forfecare , care va deveni baza multor lucrări și modele
analitice car e au la bază așchierea ortogonală. Toate modelele analitice pot fi considerate
predecesoarele modelelor numerice. Majoritat ea modelelor analitice urmăresc construirea
unor ecuații pentru determinarea forțelor de așchiere, atunci când condiț iile de așchier e sunt
cunoscute , și se rezumă la determinarea unei relații adecvate între unghiul de forfecare,
unghiul de degaj are și coeficientul de frecare.

3.2. Modele analitice ale procesului de așchiere în cazul P.V.M
3.2.1. Modele analitice utilizate la așchierea clasică

În lucrările [AST ’06] ,[MAR’13 ], se prezintă că mecanismul de formare a așchiei în
cazul așchierii cu scule cu tăiș a fost explicat în teoria așchierii pentru două scheme diferite
de așchiere : așchiere a 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 t. Perpendicular pe t, b
este adâncimea de așchiere, care este mai mică sa u egală cu lățimea muchiei sculei. Așchia
alunecă pe suprafața de degajare a sculei, iar unghiul din tre tăișul principal și dreapta
perpendiculară pe suprafața prelucrată poartă denumirea de unghi de degajare notat
 . Fața
scule i 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°. Relaț ia dintre
unghiur i este exprimată prin formula α+β+γ=90o. În Figura 3.1 se observă un ungh i de
așchiere pozitiv, delimitându -se de asemenea zona de acțiune în cazul așchierii sub un unghi
negativ. În cazul unui unghi de așchiere neg ativ, scula posedă un unghi de î nclinare 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 ,
astfel că unghiul β, care determină grosimea dintelui așchietor să aibă valori destul de mari
pentru a conferi sculei o rezistență mecanică suficientă. Cu o secțiune mărită a dintelui
așchietor și un unghi γ negativ va determina un consum de energie mai mare și un ansamblu
sculă-piesă mult mai robust și rezistent la vibrații .

56

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 ca scula să nu influențeze calitatea suprafețelor generate . Cu toate acestea unghiul
de evacuare afectează rata de uzură a sculei, astfel, dacă zona de evacuare este p rea largă,
atunci va slabi unghiu l de atac al sculei , iar dacă este prea mic atunci va uza suprafața
obținută pri n așchiere. Așchierea ortogonală reprezintă o problemă bidimensională care nu ia
în considerare îndoirea laterală a așchiei, reprezentând o mică secțiune din pr ocesele de
prelucrare fiind însă puterni c folosit în prelucrare datorită simplității designului unde multe
variabile sunt eliminate, astfel identificându -se doar două componente pentru forț ele de
așchiere . Câteva modele matematice sunt prezentate în cele ce urmeză:

3.2.1.1 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 a pare 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 c ărților 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.

t
t
α
β
γ

t +γ

t -γ

t piesă
Direcție de prelucrare așchie
Grosime așchie sculă Unghi de prelucrare
piesă sculă așchie

57

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] .
așchie
piesă sculă

58
Modelul Merchant , prezentat în Figura 3.3 , consideră că toate componentele forței de
așchiere acționează î n vârful scu lei. Astfel, forța rezultantă F , descompusă după două direcții
perpendiculare, una norm ală la suprafața de degajare , FN – forta de deformare plastică, ș i o
altă tangențială la ace astă supraf ață, FF – forța de frecare. C omponenta FN este normală la fața
sculei și componenta F F este normală de-a lungul primei fete de așezare . Forța F se
descompuse în F N și F S care sunt normale în lungul planului de forfecare. În sfârși t forța F
poate fi descompusă î n componentele F c- forța de așchiere, și F t- forța de înaintare.

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

Modelul liniilor de câm p reprezintă o evoluție pozitivă în domeniu față de soluția
propusă de Merchan t, [AST’05] . Analiza forțelor dintr -un plan de eforturi al materialului
indică faptul că în orice punct există două direcții ortogonale î n care eforturile de forfecare
ating un maxim, însă aceste direcții varia ză de la un p unct la altul. O dreaptă 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 zon a care nu este
solicitată poartă denumirea de linie de alunecare.

Figura 3.4 Modelul lui Lee&Schaffer [MAR’13] .
(3.1)

(3.2)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)
așchie
sculă
Piesă prelucrată

59

La prelucrare , marginea dintre zona p rincipală 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 secund ară de deformare ș i așchie. Altă caracteristică a
modelului ț ine cont de faptul că linia de alunecare trebuie să intersecteze supra fețele libere la
un unghi de 45o. În cazul modelului de simulare a soluției cu limită inferioară, toate
deformările au loc într -un câmp de forț e 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 tens ionat p ană la punctul de rupere ,
astfel încât efortul maxim de forfecare are lo c în planul de forfecare.

3.2.1.3 Modelul zonei de forfecare a lui Oxley .

Se observă din [AST’05] faptul că majoritatea modelelor bazate pe existența planului
de forfecare presupun c a eforturile de forfecare din planul de forfecare sunt uniforme, nu se
iau în calcul tensiunil e de călire și presupunerea că frecarea de -a lungul interfeței sculă -așchie
este ca racterizată de un coefici ent de frecare constant, lucru neco nfirmat de datele
experimentale .
Efectele eforturilor la deformare variază cu alungirea iar uneori chiar cu rata de
alungire și temperatura din zona de așchiere . Astfel autorul în lucrarea din (1961) pe baza
rezultatelor experimentale obținute, trage concluzia că zona de forfecare este aproximativ
1/10 din lungimea zonei de contact , și pe această bază poate calcula deformarea în orice punct
al zonei primare de forfecare.

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

Piesă prelucrată
Piesă prelucrată așchie
așchie sculă
sculă

60
3.3. Modele geometrice utilizate la găurirea cu viteză mare .

Găurirea este una din operațiile cele mai des întâlnite în industrie reprezentând în jur
de 50% din procesul tehnologic în cadrul industriei constructoare de mașini și chiar un
procent mai mare în industria aeronautică. Folosire a tehnologiilor laser și cu jet abraziv
necesi tă costuri mari , astfel că burghiul rămâne în continuare scula cu care se realizează
găurirea metalelor. În urma sutelor de ani de evoluție procesul de găurire a suferit schimbări
majore, mai ales în ultimii 50 de ani cand multe cercetări au fost facute pe această temă.
Formarea așchiilor, geometria burghielor, forțele de așchiere și temperatura din zona de
așchiere au fost principalalele teme în cercetare. Pe urma rezultatelor obținute sau adus
îmbunătățiri majore în procesul de găurire.
Pentru a fi posibi lă o creștere a ratei de găurire avem nevoie de următoarele: centru de
prelucrarea de mare viteză, sistem complex de prindere a burghiului, sistem de răcire
performant și nu în ultimul rând de un burghiu special. În zilele noastre avem centre ce
prelucrare cu viteză mare care au turații de 10.000 -20.000 rot/min și chiar si pâna la 40.000
rot/min. Problema majoră este că nu orice burghiu rezistă la asemenea turații. Cauza
principală care poate duce la scăderea durabilității burghiului este sistemul neadecvat de
răcire și lichidul folosit în procesul de găurire cu viteze mari. Folosirea unui sistem de răcire
performant poate duce la creșterea durabilității burghiului, creșterea preciziei de prelucrare,
creșterea calității suprafețelor, evacuarea rapidă a așchi ilor din zona de lucru. O mare
problemă este cantitatea de lichid de așchiere folosit în Germania in jur la 750.000 t și alte
milioane de tone pe tot globul, ceea ce duce la o poluare a mediului și o scădere a eficienței
economice. Cele mai multe cercetări în ceea ce privește așchierea metalelor au fost facute
pentru frezare și strunjire și mai putin pe găurirea cu viteze mari deoarece în acest caz apar
condiții extreme de lucru. [CHE’99 ].

În lucrarea [CHE’99 ], Chen s-a ocupat de găsirea unui model geometric pentru forțele din
procesul de găurire cu viteză mare. Aceste forțe diferă și în funcție de geometria bu rghiului.
Figur a 3.6

Figura 3. 6 Prezentarea secțiunii trasversale pentru câteva din burghiile comercia lizate
[LYN’97 ].

61
Chen în anul 1999 a dezvoltat un model geometric în ceea ce privește forțele de așchiere la
găurirea cu viteze mari . În cadrul acestui model s -au folosit geometrii variabile ale burghielor.
Complexitatea procesului de găurire este dată de geometria variabilă a tăisurilor. Pentru a
modela geometric forțele la găurire este esențial de a analiza geometria sculei, unghiul de
degajare, unghiul de înclinare și forma tăișului.

Figura 3. 7. Model geometric pentru forț e la găurire [CHE’99 ].

V- este vectorul mormalei la suprafață piesei;
I-este vectorul tăișului burghiului;
N-este vec torul normalei la suprafața tăiș ului;
k-este vectorul de -a lungul axei Z;
p-este poziția vectorului sculei ce se află în planul perpendicular pe axa burghiului;

Forța de tăiere se descompune în două componente: forța normală F n și forța de frecare F f .

Fn= -KnAcN (3.7)
Ff = K fAcH (3.8)

Kn, Kf – energia specifică de frecare , forța de frecare pe unitatea de suprafață
Ac- aria așchiei
Ecuațiile ce urmează generează cele mai precise forțe de tăiere fată de alte modele studiate de
Stephenson și Bandyopadhyay [STE’95 ].

ʋ – viteza de așchiere
tc- grosimea așchiei
wc- este lățimea de tăiere măsurată tangentă la muchia de tăiere, adică, în direcția l ,

Scula
Piesă
(3.9)
(3.10)

62
În lucrarea [CHE’99 ] publicată în 1993, Chandrasel prezintă un model matem atic pentru
determinarea foțelor și momentului de torsiune la găurirea conică . În acest sens a împărțit
tăișul din zona conică a burghiului în mai multe eleme nte ca în Figura 3.8

Figura 3.8 . Model forțe pentru tăișul principal la găurirea conică [VIVE’90 ].

fr- grosimea așchiei ;
Kc și K t- forțe specifice direcției de tăiere ;

Sculă
Aria =0.5 f rdx
Presiunea = Kρa
Tăișuri
(3.11)
(3.12)

63

Capitotul 4

ECHIPAMENTE ȘI SCULE UTILIZATE LA
PRELUCRAREA MATERIALELOR DURE ȘI
DIFICILE

64

4.1 Scule folosite la prelucrarea prin așchiere a materialelor dure
4.1.1 Caracteristici ce se i mpun materialelor utilizate la construcția scul elor pentru
așchierea cu viteză mare .

În capitolul IV se vor descrie principiile de design și noile descoperiri î n domeniul
fabricării sculelor, și în special , a celor utilizate la prelucrarea materialelor dure ș i dificile.
Multe tipuri de materiale sunt folosite î n realizarea sculelor plecân d de la oț eluri cu conținut
ridicat de carbon pană la ceramice ș i diamant. Este foarte importantă diferențierea acestor
materiale î n funcție de proprietățile pe care acestea le au precum ș i utilizare a 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 obie ct ascuțit. Este direct corelată
cu duritate materialului. Abi litatea 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 câ t rezistenta la rupere a unui material este mai mare cu atât poate rezista mai bine
șocurilor, fracturării, vibrațiilor, nealinierilor, ob oselii sau altor imperfecțiuni ce apar
în sistemul de pr elucrare. De obicei duritatea ș i rezistenta își schimba valorile î n
sensu ri opuse, iar un pas important î n ultimul timp est e dat de creșterea rezistentei î n
timp ce valoarea durității este păstrată la fel.
 Rezistența la uzură : In general, rezistent a la uzura este definită ca atingerea unei
durate de viată acceptabile a sculei până aceasta să necesi te înlocuire. Deși foarte
simplă , este caracteristic a cel mai puțin înțeleasă. [DAV ’08]

Figura 4 .1. Duritatea materialului în raport cu temperatura acestuia [DAV ’08].

65

Figura 4.2. Comparaț ia materialelor pentru scule în raport cu rezistenț a și duritatea
[GRA’08] .

Tabelul 4 .1. Materiale pentru scu le, rezistență versus duritate ș i caracteristicile metalice
Material
e Dure Durita
te Energia de
formare
(kcal/g*ato
m) Solubilitatea
în Fe (%
1250oC) Conducti
vitate
termica(
W/m*k) Expansiu
ne
termică
(x10-6/k) Materialul sculei
Diamant >9.000 – Puternic
solubil 2100 3.1 Diamant sinterizat
CBN >4500 – – 1300 4.7 CBN sinterizat
Si3N4 1600 – – 100 3.4 Ceramice
Al2O3 2100 -100 0 29 7.8 Carburi ceramice
TiC 3200 -35 <0.5 21 7.4 Carburi acoperite,
Ceramice,
Carburi metalice
TiN 2500 -50 – 29 9.4 Carburi metalice
acoperite
TaC 1800 -40 0.5 21 6.3 Carburi metalice
WC 2100 -10 7 121 5.2 Carburi metalice

4.1.2. Materiale folosite la realizarea sculelor
4.1.2.1 Carburi
Ca material a fost descoperit în căutarea unui înlocuitor a l diamantului, datorită crizei
generată de o insuficiență a diamantelor industriale în timpul Primului Război Mondial a
preluat numele de WI DIA (Wie Diamant -Ca Diamantul) în anul 1927.

66

Figura 4.3 . Pudra de carbur ă de Si .

Există carburi din Titan (numite cerment) ș i carburi din Tungsten sau carburi din Si.
Acestea au o rezistență la uzură excelentă ș i o duritate la temperaturi ridicate foarte bună. O
sculă din carburi constă î ntru-un mix t de particule de carburi din Ti,Ta,W unite printr -o
matrice de Co prin sinterizare. În mod normal particule le de carburi sunt mai mici de 0.8
m
pentru micro grăunțe, 0.8 -1.0
m pentru grăunțe fine, între 1 -4
m pentru grăunțe medii, si
mai mult de 4
m pentru grăunțe mari. Cantitatea de Co afectează într -un mod semnificativ
proprietățile inserțiilor de carburi variind între 3 -20% î n funcție de raportul duritate -rezistenț ă
dorit. [DAV ’08]

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

Alegerea combinației optime între straturi ș i acoperiri e ste o sarcină complicată a unui
inginer. Acoperirile sculelor î n 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 folosi te în industrie sunt acoperite.
Acoperirile uzuale folosite într -un singur s trat sau în multi -strat apar în Fig .4.4. Acestea sunt:
 TiN: acoperir i pentru îmbunătățirea rezistenț ei la abraziune, o culoare galbenă ,
duritate HV (0.05) – 2300 , coeficient de fr ecare -0.3 , stabilitate termică – 600oC.
 TiCN: acoperire multi -scop folosit pentru prelucrarea oțe lului. Are o mai mare
rezistentă la uzură decât TiN. Se regăsește în uni ș i multi strat. Culoarea este gri
violet, cu o duritate HV(0.05) -3000, coeficient de fecare -0.4 și stabilitate termică –
750oC

Unistrat Strat în
gradient Multistrat Nanostraturi Straturi mici
și dure

67
 TiAlN si TiAlCN -Acoperiri de înaltă performanță pentru îmbunătă țirea parametrilor
de așchiere ș i o mai mare durata de v iață a sculei, poate fi folosită și pentru prelucrarea
uscată . Acoperirile multi -strat iar versiunile aliate sau î n 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 î ntre 800 -900oC.
 WC-C si MoS 2:Oferă lu bricare solidă la inter fața așchie -sculă ceea ce reduce
semnificativ căldura dato rată frecării, are însă o limită de rezistentă î n raport cu
temperatura de prelucrare. Este recomandată pentru materiale cu adezivitate a
materialului prelucrat ridicată cum ar fi aliajele din Cu sa u Al, dar ș i pentru
materialele ne -metalice. Culoarea este de un gri -negru cu o duritate HV (0.05) î ntre
1000 si 3000, un coeficient de fre care de 0.1, stabilitate termică – 300oC
 CrN- este recomandată pentru aliaje din Cu ș i are o c uloare metalică .
Rezis tența la rupere este la fel d e importantă ca și duritatea î n cazul apariției f isurilor.
Un echilibru între efortul compresiv ridicat ș i efort rezidual scăz ut este necesar.
[CHE’0 9] , [DAV ’08] , [GRA’08] .

4.1.2.2. Materiale ceramice

Au fost introduse la începutul anilor 1950, sculele din material ceramic care constau î n
oxid de Al cu gr anulație fină , presat la rece în forme și sinterizat la temperaturi ș i presiuni
înalte.
Cerami cele formate doar din oxizi de A l se n umesc ceramici albe, iar cele cu conținut de
carburi de Ti și Zr formează o culoare neagră . Un prim avantaj est e dat de duritatea înaltă ( si
în consecință rezistența la uzura abrazivă ) la temperaturi înal te, apoi de stabilitatea chimică ,
astfel nu există uzură prin difuziune , ceea ce e ste punctul slab al carburilor î n prelucrarea cu
viteze mari.
Ceramicele pot fi folosite la prelucrarea majorității materialelor feroase, inclusiv a
superaliajelor. Ar trebui evitate la prelucrarea Al, sau Cu deo arece se formează straturi de
material pe muchia sculei. În u ltimul 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]
Material prelucrat Viteza de așchiere
(m/min) Avans (mm/rev)
Oțel durificat
Fontă
<240HBN
>240HBN
Superaliaje
Metale obținute din pulberi
Acoperiri cu spray termic
Oțel aliat 120-150

450-1000
300-600
150-300
90-300
150-300
110-150 0.1-0.2

0.25-0.5
0.25-0.5
0.1-0.25
0.08-0.2
0.08-0.2
0.05-0.2

Sculele din Al 2O3 sunt utile î n operațiile de așchiere continuă, deoarece î n cazul celor cu
întreruperi(frezare) pot apărea micro -ciobir i din cauza faptului că materialul este casant.

68
Un al t material este Si 3N4, ai cărui particule n u pot fi unite una de cealaltă ș i de aceea se
utilizează un liant precum alumina sau oxid de Mg, materialul are proprietăți remarcabile de
duritate ș i rezis tență la temperaturi ridicate. [CHE’09] [GRA’08] .
Acoperirile nu sunt utilizate î n cazul inserțiilor de carburi deoarece cos tul ridicat nu
își justifică rezultatul fin al, datorită adeziunii scăzute î ntre materialul de acoperi re și substratul
ceramic. [CHE’09] .
În figura 4.5 este prezentată grafic duritatea materialelor folosite la producerea sculelor
așchietoare în funcție de temperatura T din zona de așchiere.

Figura 4.5 . Duritate la temperaturi ridicate a materialelor
utilizate la pr oducerea sculelor aș chietoare .

4.1.2.3. Diamant policristalin (PCD) ș i 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 re aliza diamantul policristalin, î n fapt un strat de cristale , se depune un strat de grafit
în amestec cu un catalizator (de obicei Ni) sub pr esiuni de aproximativ 7000MPa ș i
temperaturi de 1800oC pe un substrat de carburi.

Figura 4.6 . Strat de diamant policristalin SVD .

69
În timpul procesului, Wolframul din cadrul substratului devine un liant al cristalelor
de diamant oferind diamantului po licristalin duritatea necesară .Sculele din diaman t
policristalin oferă rezistență la abraziune d e pană la 500 de ori față de cea oferită de carburi
de W. Pe ntru a selecta combinația optimă pentru sculele din DPC se iau î n calcul calitatea
suprafeței fina le și durata de viată a sculei. DPC cu particule mari de diamant are o rezistență
la abraziune mai ridicată , însă oferă un finisa j al suprafeței mai puțin fin, și invers, particule
fine de diamant vor produce suprafețe de calitate superioară, însă cu o durată de via tă 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
dimensiu ni, pentru a crește densitatea ș i rezistenț a la ciobirea muchiilor, precum ș i calitatea
suprafeței obținute .

Tabelul 4.3. Viteze de prelucrare recomandate pentru scule din DPC. [DAV ’08].
Material pr elucrat Viteza de așchiere
[m/min] Avans [mm/rot] Adâncimea de
așchiere [mm]
Aliaje din Al
<12%Si
>12%Si
1000 -3000
200-600
0.1-0.4
0.1-0.4
5
1
Compozitele cu
matrice metalica 150-600 0.1-0.4 0.5
Alamă 600-2000 0.1-0.4 1.5
Plasticuri dure 1000 -7000 0.1-0.7 2.5
Plastic ranforsat cu
fibra de carbon 500-2000 0.05-0.4 4
Carburi de W
sinterizate cu 18%Co 40-60 0.05-0.2 0.5
Metale prețioase 100-500 0.05-0.4 1.5

4.1.3. Acoperiri și optimizări pentru prelucrarea materialelor dure ș i dificile

Un parametru care tr ebuie fixat este selecția optimă a grosimii acoperi rii 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 struc turi op time 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 pen tru combi narea 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.
 Mult i-strat: îmbunătățește rezistenț a la rupere prin forfecare a acoperirii , evitând
propagarea d e fisuri î ntre diferitele straturi de material.
 Straturi de adeziune: adăugarea unui strat subțire de 0.05 -0.2
m pentru a creș te
adeziunea stratului următor.
 Acoperiri triple: o abordare nouă care optimizează structura de acoperire prin
utiliz area unui strat de aderență bună , un stra t de mijloc cu duritate ridicată ș i un strat
de suprafață dur cu comportament bun la temperaturi ridicate.

70
Un alt aspect î n prelucrarea materialelor dure ș i dificile este găsirea unei geometrii o ptime
pentru muchia sculei. [DAV’11] .
In urma cercetărilor facute s -a constatat că durabiliatea sculei așchietoare crește în funcție de
raza vârfului sculei pâna la o anumită valoare, după care scade dupa ce R > 20 µm . În figura
4.7 este prezentat grafic acest fenomen.

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

Pentru a garanta funcționalitate a sculei, următ oarele cerințe ar trebui luate î n calcul pentru
faza de design:
 Eforturile mecanice ale sculei (forțe de așchiere);
 Eforturile termice ale sculei (frecare ș i căldură de deformare, lichidul de răcir e)
 Schimbare rapidă ș i poziți onare sigură a muchiei sculei ;
 Înlocuire rapidă și simplă a părților sculei uzate;
 Versatilitate î n folosință;
 Producerea ș i costurile de mentenanță.

4.2. Mașini -unelte utilizate î n prelucrarea cu viteze -mari .

Lucrarea [JUR’08] sintetizează etapele principale în evoluția ș i dezvoltarea mașinilor
și sistemelor de prelucrare prin așchiere:
 1700 -1870 Etapa mașinilor unelte de aș chiere pre -automate ; controlul manual al
mașinilor – unelte;
 1870 -1900 Etapa mașinil or unelt e de așchiere automate; automatizarea mașinilor –
unelte;
 1900 -1955 Etapa mașinilor unelte de așch iere 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 sist emelor de prelucrare integrate ș i inteligente, era prototipurilor
rapide.

Piața mașinilor -unelte este î n schimbare când vine vorba de tehnologie, specificații și
proiectare. Din ce î n ce mai multe MU sunt capabile să modeleze piesele de prel ucrat pană la
forma lor finală . Fără a descrește productivitatea, tot mai multe mașini unelte devin mai
Raza muchiei așchietoare în µm Durata de viață prin puncte
Durata de viață polinomială Durata de viață (%)

71
flexibile, funcționeaz ă la viteze ridicate și combină mai multe proce dee de p relucrare
susținute î n mare part e de echipamente periferic e. [BER’03]
Printre caracteristicile MUCN moderne trebuie incluse mesele de prelucrare mobile
precum cele rotative, arbore principal ca pabil să transmită viteze mari ș i foarte mari, magazie
pentru scule, magazie pentru semi -fabricate, sisteme de măsurar e cu laser, dinamometre de
măsurare pentru diagnoza procesului, senzori de fr ecvență, senzori acustici,echipamente fară
fir de masura re a punct ului de zero p iesă și de masurarea a sculelor . [KOP’07 ]
O varietate de centre de prelucrare sunt disponibile, iar selecția acestora nu se ba zează
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 d e interpolare și pachetul de subprograme. [BER’03]
Există schimbări în zona pieței de desfacere dar și cerințe ș i nevoi ale utilizatorilor
finali ca re generează soluții inovative și tehnologii noi care transformă mașinil e unelte cu
scop unic î n MUCN mul ti-rol, așa cum apare din tabelele de mai jos 4.5 și 4.6.
Tabelul 4.5. Inovațiile impuse de concurența producătorilor î n domeniul construcțiilor de
mașini [BER’03]
Dezvoltări impuse de concurență Implementarea in MUCN multi -rol
Obținerea de piese apropiate de forma finală Așchieri mai precise
Realizarea rapidă de prototipuri Număr redus de încercări
Piese din materiale neferoase Viteze ș i avansuri mari
Modelare ș i simulări Procese sigure
Mediu și sănătate în muncă Reducerea volumului de lichid de răcire
Designul redus al pieselor Ușurința manipulării
Piese complexe Scule mai rezistente ș i un sistem de control
mai bun
Mobilitate Reducerea u rmelor lăsate pe paviment
Conectivitate Integrare totală cu alte activități din cadrul
companiei
Fabricație virtuală Procese robuste
Tabelul 4.6. Inovațiile generate de consumatorul final î n domeniul construcțiilor de mașini
[BER’03]
Dezvoltări generate de consumatorul final Implementarea in MUCN multi -rol
Variație rapidă a preferințelor clienților Flexibilitate/Adaptabilitate
Inclinația tehnologiei spre schimbare Capabilități tehnologice avansate
Diagnoza proceselor de la producție până la
consumatorul final Inspecția î n timpul procesului, senzori de
prelucrare, monitorizare
Inventar redus, livrare JIT Timp ridicat de utilizare a mașinilor -unelte ,
Timp redus de pauză a mașinilor -unelte
Livrare instantanee Procese robuste
Producție interconectată global,
externalizare Arhitectura deschisă și simpli ficată
Conștientizare a nevoii de calitate Precizie ridicată

Nevoia continuă pentru o productivitate crescută și o precizie ridicată și cerință î n
același timp pentru metode economice ș i cu consum mai redus de energie conduce către
concepte radicale. Astfel, mașină unealtă t ip hexapod care apare în figura 4.8 . reprezintă un
salt major de la centrele de prelucrare clasice. Numită ș i platforma Stewart aceasta are un
mecanism de control de tip paralel. Fiecare comandă a mașini i reprezintă o relație nelin iară
de 6 coordonate. Fiecare mișcare trebuie tradusă î n 6 coordonate pentru picio arele de control

72
care se mișcă î n timp real. Mișcarea coordonată a celor 6 cricuri hidrau lice oferă acuratețe
volumetrică datorită mișcării î n paralel.

Figura 4.8. Platfo rma Stewart .

Rigidita tea platformei hexapod este dată de șuruburil e cu bile care împart sarcina. În
acest ansamblu există eforturi de deformare și de compresie ș i mai puțin de încovoiere. De
asemenea este mai ușoară decât platforme le convenționale și generează o frecare mai mică.
Există și dezavantaje prin faptul că mișcarea bilelor generează căldură care afectează
acurateț ea mașinii prin dilatare termică . Acest lucru este rezo lvat 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 două centre de prelucrare CNC din cadrul Facultății
de Inginerie Mecanică Mecatroni că 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 răcir ea 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
prezin tă unele avantaje ca de exempl u: capacitate de producție mare , reducerea timpilor
auxiliari și are urm ătoarele caracteristii tehnice:

Tabelul 4.7 . Caracteristicile tehnice ale centrului de frezat Doosan DT3600 D .
Caracteristici Unitate de măsură DT 3600D
Deplasările pe axele
(X / Y / Z) mm 520 / 360 / 350
Sistem prindere scule mm Conic 30
Dimensiunea mesei mm 650 x 375 (2EA)
Viteza maximă de rotație r/min 21000
Puterea motorului principal kW 13
Capacitatea magaziei de
scule – 21
Sistem de operare – Fanuc / Siemens

73

Figura 4.9. 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 mot orul de 15kW al axului
principal.

Figura 4.10. Centru de prelucrare CNC Doosan Lynx 220 .
Tabelul 4.8. Caracteristicile tehnice ale strungului C.N.C Lynx 220 L.
Caracteristici Unitate de măsură Lynx 220L
Viteza max de deplasare pe
axele (X / Z) m/min 30/36

74
Diametru maxim semifabricat mm 320
Masa totală a mașinii Kg 3200
Viteza maximă de rotație rot/min 5000
Puterea motorului principal kW 7
Capacitatea magaziei de
scule – 12
Sistem de operare – DOOSAN FANUC i series,
Siemens 802D

4.3 Tipuri de scule utilizate la așchierea cu viteze mari

Scule folosite pentru strunjire

Scule î n care muchia ș i axul sculei sunt realizate din același material, de obi cei oț eluri 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 î n cazul frezării, iar uneori dacă se dorește păstrarea
priorităților inserțiilor din carburi adică o defecție redusă a axului ,toată scula e ste realizată
din carburi . [KLO’11] .

Scule cu inserții sudate, de obicei acestea sunt realizate din NCBP sau carburi metalice ș i
sudate pe axul sculei așchietoare

Figura 4.11 . Scule pentru strunjire și frezare cu inserții sudate [KLO’11] .

Sculele cu inserții detașabile au avantajul folosirii unor muc hii multiple î n cadrul unei singure
inserții, iar atunci când o muchie si -a terminat durata de viată , inserția este răsucită ș i o no uă
muchie preia rolul de așchiere . Un avantaj este rapiditatea înlocuiri i precum și siguranța
procesului. Toleranț ele de producere a inserțiilor influențează acuratețea producției . Pent ru
inserții se face distincția între ,designul de precizie ș i cel normal. In ca zul design -ului normal,
toleranțele sunt î n limita a
 0.13mm, iar pentru design -ul de precizie av em
 0.025mm.
[KLO’11]

Muchie de secționat așchiile
Muchi i așchietoare de carburi lipite sudură Carburi metalice

75

Tabelul 4.4 . Descrieri ISO ale standardelor pentru inserții .

Figura 4.12 . Exemple de aplicații tipice ale sculelor așchietoare cu inserții [KLO’11] .

76

Figura 4.13 . Exemple de aplicații tipice ale sculelor așchietoare cu inserții [KLO’11] .

4.3.1 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 î n industrie
și față de celelalte ca strunjirea și frezarea , găurirea are o complexitate mai ridicată datorită
faptului că temperatura din zona de așchiere crește ex ponențial 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 prevăzu te cu canale de răcire
internă , care dă posibilitatea lichidului de răcire ungere să ajungă exact în zon a de așchiere .

Figura 4.14. Burghiu elicoidal
din oțel rapid cu două tăișuri . Figura 4.1 5. Burghiu elicoidal cu
două tăișuri și canale interne de răcire.

77

4.4. Portscule și sisteme de prindere a sculei .

Modul de fixare a sculelor este u n factor esențial î n 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 ca litatea sistemului de prindere p e mașina –
uneal tă.
În general se recomandă folosirea unui sistem de prindere câ t mai fix pentru a reduce
deflecția sculă – portsculă și a oferi o prindere sigură pentru reali zarea unor condiții de
prelucrare de înaltă performanță. Î n plus, sistemul de prindere rig id este baza unui ansamblu
sculă -portsculă -ax precis ș i de acuratețe, de asemenea este f oarte 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 scul ă-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 utiliza te la poziționarea sculelor folosite la așchierea cu viteze
mari .

Sistemul de prindere este simplu deoarece î n cazul strungurilo r scula așchietoare este
fixată de mașina -unealtă într-un mod rigid. Cel mai cunoscut sistem de pr indere este cel VDI,
care c onstă într-o bar ă de secțiune cilindrică atașată de capul revol ver al strungului printr -o
formă zimțată.

Figura 4.1 6. Burghiu elicoidal
multităiș cu 3 canale de răcire. Figura 4.1 7. Burghiu cu cap
detașabil și canale interne de răcire.

78

Figura.4.18 . Portscula DVI .

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

Figura 4.19 . Sistemul Capto [SAN ’**].

Sistemul este bazat pe o legătură du blă între suprafețele sculei ș i supraf ața sistemului ,
atât a suprafețelor exterioare cât ș i interioare. În timp ce suprafețele exterioare sunt bazate pe
o combinație de forme rotunde ș i poligonale care oferă transmisie cuplului de torsiune,
sistemul intern de prindere oferă un mod simplu de fixare ș i desprindere a sculei. Sistemul
este bazat pe o buc să segmenta tă expandabilă î n unitatea de prindere, iar marginile
segmentelor se fixează într -un mic făgaș al unității de așchiere, legând cele doua componente
împreună. În preze nt sistemul Capto este folosit ș i pentru op erațiile de frezare și găurire .
[KLO’11] .
Odată cu apariția criogeniei în industria constructoare de mașini precum și în alte
domenii, au aparut totodată și diferite sisteme de prindere adaptabile în funcț ie de necesitate și

79
modu l în care este trimis agentul de răcire către zona de așchiere. În Figurile 4.20 și 4.21 sunt
prezentate doua sisteme de printere a sculelor.

Figura 4.22 . Frezare criogenică [AME ’**].

4.4.2. Sistem de prindere pentru operația de frezare .

Rolul portsculei î n operația de frezare este similar altor procese de prelucrare prin
așchiere deoarece sunt necesare rigidită ți ridicate, fixare sigura ș i acuratețea poziției sculei. În
prezent, procesul de frezare implica viteze de rotatei foarte m ari de pana la 40.000 [rot/min]
Figura 4.20 . Sistem răcire cu canale interne
pentru găurirea criogenică [MMS ’**].
Figura 4.21 . Sistem exterior pentru
găurirea criogenică [MMS ’**].
În anul 2011 a fost proiectat sistemul de răcire
criogenică folosit la operațiuni de frezare și
găurire denumit MAG. Acest sistem special de
prindere va fi folosit pe mașini pe rformante și
sisteme robotice echipate cu instalație de azot
lichid.
Sistemul de răcire criogenică și -a demonstrat
eficiența pe diferite mașini și materiale speciale
după cum urmează:
-în industria aerospațială la prelucrarea titanului
pe centrul vertical NBV 7005X;
-la prelucrarea Inconelului pe centrul vertical
VDM 1000;
-la strunjirea materialelor dure pe centrul
strunjire VDF 450 TM;

80
ceea ce produce forț e 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 4.23. Sistem pentru fixarea frezelor [DAV’11] .

Odată cu depășirea vitezei de rotație peste 8000 [rot/min] , 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 siste m mecanic care
trage portscula în poziție și este eliberată de un dispozitiv de acționare hidraulic sau
pneumatic. Daca viteza de rotație cres te ,forțele centrifuge determină o expansiune laterală a
axului î n timp ce sistemul de prindere co ntinuă sa tragă î n sus portscula, astfel determinând
lipsa de acuratețe și chi ar posibilitatea blocării î n vârful axului a portsculei. Aceste probleme
au fost rezolvate de sis temul de prindere HSK [DAV’11] .

4.4.3. Evoluția s istem elor de prindere a burghielor pe centre de prelucrare
Literatura de specialitate evidențiază că la găurirea pe centre de prelucrare se
utilizează mai multe soluții de prindere:

a) prindere dreaptă – este sistemul cel mai comun de prindere în mandrină și se utilizează la
prinderea diferitelor tipuri de burghie

Figura 4.24 Prindere dreapt ă [CRA ’**]

b) prindere triunghiulară

Figura 4 .25. Prindere triunghiulară [CRA ’**].

81
La fel ca ș i burghiele cu prinderea drea ptă se poate prinde într -o mandrinâ normală, cu
cheie. Diferența e că aceasta prindere oferă o transmisie mai bună a cuplului de de la maș ina
de gaurit la bu rghiu. In general se foloseș te în aplicaț ii industriale.

c) prindere hexagonală

La fel ca ș i cele cu prindere triunghiulară, acest tip de sistem permite o t ransmisie perfectă a
cuplului de la masină la burghiu .

d) Prindere tip „ SDS” sau Special Direct System

Figura 4 .27. Prindere SDS [CRA ’**].

Sistemul SDS a fost inventat de BOSCH î n 1975 pentru ciocanele roto percutoare ș i
actualmente vine î n 4 tipuri: SDS, SDS -Plus, SDS-Top ș i SDS -Max. Cele mai comune sunt
SDS-Plus ș i SDS -Max. Ca diferenț e majore vizib ile sunt diametrele burghielor la capătul de
prindere. SDS ș i SDS -plus 10 mm. SDS -Top 14 mm. SDS -Max 18 mm.
O altă difrență vizibilă sunt canalele de pe burghiu. SDS-Plus are 2 canale deschise și
două cu bile dispuse simetric pe câ nd SDS -Max are 3 can ale deschise dispuse asimetric ș i 2
cu bile ( canalurile pentru bile limitează cursa de culisare precum și fixează burghiul în
mandrină ).

e) prindere Morse

Figura 4 .28. Prindere morse [CRA ’**].

Acest sistem de prindere este foarte practic. Se folosește în operaț iunile de gă urire
grele (piese f oarte mari de metal). Se fabrică și î n diametre necomune (40 -60 mm). Ca mod
de utilizare uzual, se montează fix, iar piesa de gău rit se rotește. Sistemul de gă urire este
practic unul de tip strung.
Odată cu apariția centrelor de prelucrare cu comandă numerică sa cercetat găsirea unui
sistem de prindere a sculei care să confere o r igiditate ridicată la turații mari și totodată
posibi litatea schimbării automate a sculelor. Astfel a fost proiectat sistemul HSK (Hohl Shaft
Kegel denumirea în Germană și hollow -shank taper denumirea în Engleză ).
Figura 4.26. Prindere hexagonală [CRA ’**].

82
Dezvoltat î n Germania la sfârșitul anil or 1980, sistemul HSK a devenit un standard în
Europa. Acesta prezintă un punct de contact dublu între portsculă ș i axul de rotaț ie. Pe conul
HSK din Figura 4.29 este fixată o bucșă ex pandabilă formată din segmente . Segmentele sunt
inserate într -o cupă așa cum se observă î n Figura 4.30. Astfel permite condiții mai grele de
așchiere , plus o rigiditate mai mare ș i o acura tețe mai mare a sistemului. [CHE’09]

Figura 4.29. Sistem de HSK [HSK ’**]. Figura 4.30. Bucsă expandabilă [HSK ’**].
Figura 4.31. Desen sistem de prindere HSK [HSK ’**].

83

Capitotul 5

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

84
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). [KAK ’04]
In ulti ma 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 echipamente lor 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 in teligent, așa cum apare în Fig ura.5.1. și în care e
necesară simularea în avans, la niv el digital, a mișcării mașinii de așchiere pentru a face
predicții asupra uzurii sculei și stării suprafeței . [MOR ’06]

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

Un exemplu este dat de modul de producție a matrițelor din oț eluri dure care a suferit
modificări în ultimii 10 ani. În trecut, materiale le cu duri tate HRC25 erau prelucrate și apoi
durificate prin călire termică, urmând ca apoi să se facă finisare a folosind electro -eroziunea.
Odată cu apariția fr ezelor cu acoperire din Al și Ti, prelucrarea materialelor dure și
dificile a devenit posibilă. Astfe l, se pot prelucra oțeluri cu o duritat e HRC53 la o viteză de
200 [m/min ], care a condus la o puternică schimbare în procesul de prelucrare și î n ceea ce
privește sculele folosite . [KAK ’04]
O im portantă evoluție are loc în cazul arborilor port-sculă. Deseori, valorile pentru d m,n
sunt folosite ca un index pentru a indica performanța arborelui principal, unde d m reprezintă

85
diametrul bilelor rulmenților în milimetri, iar n este numărul revoluțiilor maxime ale arborelui
principal într -un minut. Evoluția rulmenților apare î n Figura .5.2.

Figura 5.2. Evoluț ia îmbunătățirilor aduse rulmenților de către NTN Corporation [KAK ’04].

Cea mai interesantă zonă de dezvoltare î n domeniul arborilor principali ț ine de arborii
inteligenți, astfel NSK a dezvoltat arbori care încorporează senzori de deplasare ș i traductori
care sunt setați să detecteze deplasarea axială î n timpul procesului de așchiere împreună cu
senzori MEMS . Se merge î n 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 î n timp real a condițiilor de proces și adopt area de măsuri
preventive î n cazul predicției cedării sau gripării rulmentului [SHI’12 ]. În Figura .5.3. se
observa modificarea încărcării la a șchiere sau defecte î n proces.

Figura 5.3. Senzor de deplasare integrat î n arborele principal .

Tehnologii necesare
mașinilor -unelte Tehnologii
necesare arborilor
mașinilor -unelte

86

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

5.2. Direcții de dezvoltare î n zona de software pentru prelucrarea materialelor dure ș i
dificile .
Numeroasele probleme tehnice î n prelucrarea cu v iteze mari a materialelor dure ș i
dificile, conduc la provo cări din perspectiva procesulu optimizare ș i control. Strategiile
neconvenționale pentru designul că ii de prelucrare a a sculei eșuează î n a răspunde
preocupăril or privind stabilitatea dinamică, nevoile de accelerare și variația constantă a
efortului la așchiere a sculei, care limitează product ivitatea, mărește uzura sculei ș i reduce
calitatea părților. Diferența dintre o așchiere stabilă și eficientă și o prelucrare catastrofică Prelucrarea
Matrițelor

Prelucrarea
componentelor
auto

Prelucrarea
Componentelor
Aeronautice

Prelucrarea
cu caracter
general

Tehnologie
comună
Tehnologii de
prelucrare pentru
materiale dure ș i
dificile
Măsuri cu impact
ecologic
Design inteligent Creșterea vitezei și a
acurateței arborelui
principal
Îmbunătățirea
durabilității și a
caracteristicilor anti –
șoc
Capacitate și duritate
înaltă, cuplu de
torsiune înalt
Reducerea
consumului de
energie , mentenanță
redusă
Integrarea î n
arborele principal a
unor tehnologii
periferice

87
poate fi găsită î n interacțiunile subtile dintre dinamica sculei, a arborelui și a piesei . Un alt
element fundamental în designul că ii 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 l a 50% .

Figura 5.5. Generarea unei că i de prelucrare troncoidale î n CAD -Software [CGS ’**].

Există câteva strategii de prelucrare consacrate precum așchierea trocoidală , unde
scula se mișcă pe o curbă de rază fixă, î n timp ce mașina acționează cu un avans constant, și
degroșarea prin plonjare Figura 5.7 în care materialul este e liminat prin acționare pe axa z ,
este foarte util la preluarea brută fiind o metodă care p roduce puține vibrații și tensiuni în
prelucrare, și este utilizată în special î n cazul matrițelor.
Metoda nouă de frezare se compune dintr -o mișcare înainte peste care se suprapune o
mișcar e circulară Figura .5.6, motiv pentru care frezarea tro ncoidală 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 așc hii, frezele au un miez întărit, fiind astfel mai
stabile.

Figura 5.6 . Traiectoria frezei la prelucrarea tro ncoidală [HOF ’**].

88
Avantajele frezării tro ncoidale :
 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 CAD -CAM
 Un centru de prelucrare cât mai dinamic
 Freză GARANT TPC − concepută special pentru cerințele utilizării trocoi dal

Figura 5.7. Degroșarea prin plonjare folosind CAD -CAM .

O alt ă strategie de prelucrare este cea prin care pot fi folosit e metodele de interpolare
liniară și circulară Figura 5.8. A stfel s-a realizat o creștere a eficientei cu 10% comparativ cu
rezultatele obținute folosind CAD Software , sau 15% creștere fo losind o interpolare
polinomială .

Figura 5.8. Modalități de prelucrare în spir ală.

89
5.3 Prelucrarea materialelor dure și dificile cu răcire criogenică.

În prelucrarea convențională cu viteze mari, se generează căldură excesivă î n procesul
de formare a așchiilor ceea ce creș te temperatura sculei așchietoare determinând uzura
prematură .
Procesele de răcire convenționale atrag cu sine o serie de probleme de sănătate și de
mediu. Prelucra rea 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 î ntre
flancul sculei așchietoare și așchie , orificiu prin care se trimite azot lichid sub presiune .

Avantajele aș chierii criogenice:

– Prelucrarea unor materiale greu prelucrabile : zirconiul, hafniul, beriliul pur, titanul;
– Micșorarea depunerilor pe taiș ;
– Obținerea unei rugozităti mai bune a suprafeț ei prelucrate ;
– Fărâmițarea aș chiilor ;
– Necesitatea utilizării unor forțe de aș chiere mai mici ;
– Creșterea durabilităț ii sculelor așchietoare ;

Dezavantaje :
– Scule mai sofisticate ;
– Instalaț ii complexe ;
– Preț de cost mai ridicat ;

Fenomene ce au loc în timpul aș chierii criogenice:

– Creșterea tensiunilor de forfecare a materialului prelucrat
– Fragilizarea materialului la temperaturi criogenice
– Schimbarea caracterului frecă rii 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 p rosesul de prelucrare cum ar fi :
strunjirea , găurirea , alezarea etc. Cele mai utilizare fluide folosite în prelucrarea meta lelor
sunt c ele pe bază de ulei , inclusiv uleiuri simple și uleiuri solubile. Funcția principală a
lichidului în procesul de strunji re este cea de răcire – ungere. Răcirea și ungerea sunt cri tice
în reducerea uzurii sculei , extinderea duratei de viață a sculei și ca funție secundară este aceea
de a îndepărta așchiile din zona de așc hiere . [SHU’04 ]
În scopul minimizării efectelor negative date de utli zarea lichidelor de răcire ungere
convenționale , acum câștigă tot mai mare teren în industrie folosirea criogeniei c a agent de
răcire și lubrifiere . [FEI’95 ]
Activitatea de cercetare în dezvoltarea acestei tehnologii a în ceput de câteva decenii în urmă ,
atunci când au fost făcute încercări pentru a înlocui metodele conv enționale cu cele
criogenice . Oamenii de știință de azi folosesc criogenia într -un număr de domenii ca de
exempl u în industrie, cercetarea fizică , etc. [DMC ’**]
Folosirea criogeniei în industria prelucră rii 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 atract iv pentru materialele compozite , care
furnizează avantaje distincte în fabricarea de produse avansate deoarece au u n raport mare
referitor la rezi stență -greutate și rigiditate -greutate .

90
Prelucrarea metalelor folosind criogenia c ăștigă teren în cadrul ind ustriei 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 așchie re. O duză construită special a fost utilizată pentru a pulveriza jetul de azot s ub
presiune pe suprafața piesei . În urma prelucării sa observat o scădere a forței de așchiere și o
fragmentare mai puternic ă a așchiilor provenite din proces , fenomene pozitive comparativ cu
prelucrările convenționale. [JAI’84 ]
În urma lucrării [SHA’04 ]: Investigații privind găurirea criogenică a aluminiului ,Shakeel
Ahmed și Pradeep Kumar au tras următoarele concluzii :
– temperatura în zona de găurire a fost redusă de la 11 -37 % când viteza de așchiere a crescut
la folosirea diferitelor avansuri ;
– forțele de așchiere s -au redus între 2 – 28% odată cu creșterea vitezei de așchiere ;
– calitatea găurilor a crescut odată c u scăderea avansului de lucru ;

În anul 2015 s -au facut câteva studii de caz în ceea ce privește strujirea anumitor mate riale
dure utilizând ca agent de răcire azotul lichid, trimis în zona de lucru cu ajutorul sistemului de
răcire 5ME și au rezultat urmă toarele:

Cazul 1 . Strunjirea oțelului grafitat
Utilizarea tot mai mare a oțelurilor grafitate pe ntru blocul cilindrilor a dus la uzura
prematura a sculel or cu peste 30% și totodată a fă cut să sca dă și viteza de așchiere la
strunjirea materia lele cu o duritate mai ridicată . Prin utilizarea sistemului de răcire criogenic
temperatura din zona de așchiere tăișul sculei este răcit permanent rezultând în final un mediu
curat, creșterea vitezei de prelucrare până la 500 m/min și creșterea durabilită ții sculei
așchietoare.

Figura 5.9 . Strunjirea oțelului grafitat cu răcire criogenică [CRY’15 ].

91

Figura 5.10 . Grafic privind uzura sculei în funcție de mediul de răcire [CRY’15 ].

Cazul 2 . Strunjirea T itanului 6AL4V .
Aliajele din titan sunt dificil de prelucrat datorit ă căldurii extreme generate de tăișul sculei
așchietoare. Aceste cauze duc la folosirea unor viteze de așchiere mai scăzute. Prin
implementarea în procesul de strunjire a sistemului de răcire criogenic, muchi a de tăiere este
răcită permanent menținând astfel temperaturi de forfecare normale. Rezultataul final fiind o
creștere a duratei de exploatare a sculei și o creștere a cal ității suprafețelor. [CRY’15 ]

Figura 5. 8. Uzura plăcută cu LN 2 Figura 5. 9. Uzură placută fară LN 2
[CRY’15 ]. [CRY’15 ].

Durabilitatea cuțitului [ km] Uzura sculei [ mm]

92
Concluzii:
Din cele studiate până în prezent am observat că procesul de găurire este unul mai
puțin cercetat pe plan mondial față de strunjire și frezare , și există mari așteptări în găsirea
unor soluții fiabile care ar îmbunătății durabilitatea burghielor chiar și atunci când prelucrăm
materiale dure ce au durități ce depășesc 60 HRC. Cercetând stadiul actual al găuririi am
vazut că majoritatea cercetătorilor pun mare accent pe temperatura din zona de contact dintre
tăișurile burghiu lui și semifabricat.
La înc eputul secolului XX s -a început înlăturarea lichidelor pe bază de emulsie de ulei
și înlocuirea lor cu aer comprimat. Lichidele convenționale au multe dezavanjate mai ales
când vine vorba de mediul înconjurător. Germania și-a pus această problemă de schimbare a
tehnologiei de răcire a opera țiilor de așchiere deoarece anu al peste 750.000 t de lichid de
așchiere trebuie distrus datorită casării. Folosirea lichidelor de ungere conveționale aduce
mari probleme de mediu odată c u creșterea exponențialâ în ultimile douâ decenii a producției
industriale.
Cercetarea privind găsirea parametrilor optimi de așchiere în cazul procesului de
găurire criogenică a materialelor dure și dificile ar putea duce la o creștere semnific ativă a
durabilității burghiului care ar avea mari avantaje economice și ecologice.
Studiul implementării criogeniei în ind ustria constructoare de mașini se va dezvolta din
ce în ce mai mult pe viitor prin încercarea înlocuirii găuririi convenț ionale cu cea
neconvențională și implementarea pe viitor a acestui procedeu la sc ară industrialâ . Având în
vedere frecvența operației de găurire, studiul realizării găuriilor nu poate fi neglijat deoarece
găurirea ocupă locul doi în cadrul industriei f iind depășită doar de fr ezare . Pentru realizarea
pieselor din componența unui autoturism este nevoie de peste 1000 de găuri iar pentru
realizarea pieselor necesare unui avion este necesar un numar de zeci de mii de găuri.
Utilizând răcirea criogenică cu azot l ichid se pot prelucra diferite tipuri de materiale dure și
dificile ca de exemplu: materiale compozite, titan, aliaje d e titan, nichel, aliaje de nichel,
oțeluri speciale pentru scule, fonte.

Pentru realizarea parții experimentale avem nevoie de următoarele:
1. Centru de prelucrarea cu viteză mare. Facultatea de Inginerie Mecanică dispune de un
centru de prelucrare CNC DOOSAN DT 360D, echipament adus prin programul MANSiD .
2. Pentru determinarea calității suprafelelor rezultate în urmă găuririi va fi folosi t
rugozimetrul electronic MARSURF CWM 100 din laboratorul de cercetarea a facultății
noastre.
3. Pentru determinarea abaterilor de formă a găurilor va fi folosită mașina de măsurat în
coordonate WENZEL LH 87 din lab orato rul de cercetare MANSiD.
4. Pentru stabilirea for țelor în timpul prelucrării o să folosim dinamometru KISTLER 5070
din dotarea facultății.
5. Pentru terminarea temperaturii din zona de așchiere putem folosi camera cu termo -viziune
FLIR X 6540 .
6. Pe ntru determinarea uz urii tăișurilor burghielor va fi folosi t microscopul electronic
OPTIKA .
În ceea ce privește sculelor din cadrul etapei experimentale , se vor folosi burghie speciale cu
acoperiri de titan, care au 3 taișuri ce oferă o mai bună centrare și o eliminare mai eficientă a
așchiilor . Aceste tipuri de burghie se folosesc în general pentru găurirea materialelor dure
acolo unde burghiile convenționale sunt depăși te din cauza temperaturii ridicate din zona de
așchiere.

93

Figura 5.10. Burghie cu 3 tă ișuri.

În cadrul proce sului de găurire criogenică se va folosi azot lichid LN 2, un gaz inert care are
temperatura de -1920C. Acest gaz o sa fie stocat în butelie specială prezentată mai jos.
Această bulelie se poate inchiria d e la firme autorizate din Romania care livreaza azot lichid.

Figura 5.1 1. Butelie pentru azot lichid și dispozitiv regulator presiune. [LIN ’**].

După obținerea rezultatelor experimentale se va folosi metoda Taguchi ca și metodă de
planificare a experimentelor. Penru calculul efectelor medii ale factorilor și interacțiunilor o
să alegem metoda planelor fracționale, care permite modelarea matematică cu mai pu ține
experiențe decât metoda planului complet .

94
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; p p.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, Asp inwall 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 f orțelor de deformare plastică și de
frecare la așchierea cu viteze mari a oț elurilor carbon, Teza de doctorat, Univer sitatea
”G.Asachi” Iasi, 1996 .
[AMA’05] Ama randei D. , Ionescu R. – Prelucrarea cu mare viteză. O tehnologie actuală ,
Editura A gir, 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
[BAB’07] Babur O., Influence of cutting parameters on drill bit temperature in dry drilling of
AISI 1040 steel material using statistical analysis. Department of Design and Manufacturing
Engineering, Gebze Institute of Technology, Gebze -Kocaeli, Turkey 2007.
[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.
[BON’01] Bono, M. and Ni, J. (2001), “The effects of thermal distortions on the diameter
and cylindricity of dry drilled holes”, International Journal of Machine Tools & Manufact ure,
Vol. 41, pp. 2261 -70.
[CHE’99] Chen Y., Drilling Process Modeling for new Drilling Process Development, The
University of Michigan 1999.
[CHE’0 9] Cheng K. -Machining Dynamics -Fundamentals,Applications and
practices,Springer,2009
[CIO ’85] Ciocârdia C ., Drăgulănescu E., Drăgulănescu I., Aliaje dure sinterizate din carburi
metalice, Editura Tehnica Bucureti 1985
[COL’94] Collings, E.W., Boyer, R., Welsch, G., Materials properties handbook. Titanium
alloys , ASM International 1994, pag. 3 -170, 483 -609
[DAH ’13] Dahnel A., N., Stuart B., Pipat B, Experimental Analysis of Tool Wear When
Drilling Carbon Fibre Composite (CFC) Without Cutting Fluid, With Cutting Fluid and With

95
A Pre – Cryogenically Cooled Tool, International Islamic University Malaysia, Kuala
Lum pur,2013.
[DAV’10] Davim, J., (2010). Machining Composite Materials. London; Hoboken: Wiley.
[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
[DHA’02] Dhar N., The effects of cryogenic cooling on chips and cutting forces in turning
AISI 1040 and AISI 4320 Steels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part
B: Journal of Engineering Manufacture, Vol. 216 (5) (2002), p. 713 -724.
[DHA’09] M. Dhananchezian, M.P. Kumar, and A. Rajadurai, Experimental Investigation of
cryogenic cooling by liquid nitrogen in the orthogonal machining proc ess. International
Journal of Recent Trend in Engineering, Vol. 1 (5) (2009), p. 55 -59.
[DON’82] Donachie M.J. Jr., in: ASM (Ed.), Titanium, a Technical Guide, 1982, p. 163.
[DOR’03] Dorr, J., Mertens, Th., Engering, G. and Lahres, M. (2003), ‘In -situ’ temperature
measurement to determine the machining potential of different tool coatings”, Surface and
Coatings Technology, Vol. 174/175, pp. 389 -92.
[DUM’07] Dumitrascu N., Biomateriale și biocompatibilitate , Ed. Univerit ății „Alexandru
Ioan Vuza”, Iasi, 2007
[FAT’97] Fatu, S., Tudoran, P., Studiul materialelor metalice. Tratamente termice. O țeluri
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
Engin eering, 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
[GOV’14] Govindaraju. N , Shakeel Ahmed. Pradeep Kumar. Experimental Investigations on
cryogenic cooling in drilling of aluminium alloy ,2014.
[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 , L as Vegas , Nevada , September 1999, pp. 12 -16
[HAR’82] P.D. Hartung, B.M. Kramer, Tool wear in titanium machining, Ann. CIRP 31
(1982) 75 –80.
[HAS’92] Hashish, M. Three -dimensional machining with abrasive -water jets. In Proceedings
fo 11th Internaional Conference on Jet Cutting Technology, St Andrews, Scotland, 8 -10
September 1992, pp. 605 -620

96
[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
[HUI’13] Hui C.,Yuan L.,Kaifu Z.,Bin L., An Efficient Model for Trust Force Dynamic
Analysis in Drilling CFRP/AL Stack, The Ministry of Education Key Lab of Co ntemporary
Design and Integrated Manufacturing Technical, Northwestern Polytechnical University,
Xi’an 710072, China, 2013 pp 249 -250.
[IVA’11] Ivan R. A., Studiu comportamentului dinamic al sistemului port -sculă -sculă
așchietoare -piesă în cazul operație i 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
[KAL’08 ] [6] K. Kalyankumar and S. Choudhury, Investigation of tool wear and cutting
force in cryogenic machining using design of experiments. Journal of materials processing
Technology, Vol. 203 (1 -3) (2008), p. 95 -101.
[KAU’99] Kaufeld M., Torbaty S., Rationalisation de l'usinage tres grande vitesse ,
SOFETEC, ISBN 2 -912540 -01-1, 1999.
[KAU’16] Kaushal A., Vardhan A., Tiwari A.C., Saluja S.K., Study the effect of cryogenic
cooling on orthogonal machining Process , American Journal of Engineering Research
(AJER) 2016 Vol 5 pp 96 -104
[JUR’08] Jurkovic Milan ,Zoran Jurkovic -Machine tools and machin ing systems , The
Journal of Faculty of Technical Sciences;May 2008
[KAK ’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,Sc ience and Applications.PergamonPress,Oxford(1969)
[KUM’13] Kumar U., D.Narang -Optimi zarea parametrilor de aschiere î n strunjirea cu vit eză
mare , IJTERA vol 3. 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

97
[LAU’01] Lauchad, F., Piquet, R. & Collombet, F., (2001). Drilling of composites
structure. Composite Structures, Volume 52, pp. 20 -22.
[LEI’99] Leigh E.;J.Tlutsy -Aplicarea tehni cilor de PVM asupra construcției de rotoare –
AHS 55th Annual Forum, Quebec,Canada May 1999
[LIU’12] Liu, D., YongJun, T. & Cong, W., (2012). A review of mechanical drillin g for
composite laminates. Composite Structures, Volume 94, pp. 1265 -1279.
[LYN’97] Lin, X., Yang, H., Chen, Y., and Ni, J., “Analysis of Geometry and Performance
of Benchmark Drills for Cast Iron,” Technical Report to High Throughput Hole Making
Consortium, S. M. Wu Manufacturing Research Center, the University of Michigan, August
1997.
[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
[MCN’04] McNally, C A;Folkes, J;Pashby, I R Laser drilling of cooling holes in aeroengines:
state of the art and future challen ges: MST MST Materials Science and Technology ; Jul 2004;
20, 7; ProQuest Centralpg. 805
[MIK’07] Mikell P. Groover – Fundamentele productiei moderne(a 3 -a editie), John Wiley
and Sons,2007
[MOM’98] Momber, A. W. and Kovacevic, R. Principles of Abrasive Water Jet Machining,
1998 ( Springer – Verlag, London ).
[MOR ’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 Teh nica-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 a n indexable insert drill
for difficult to cut material sunder supplied oil mist, Int J Adv Manufacturing Tehnology
DOI10,2007
[ORB’04] Orbanic, H; Junkar, M. An experimental study of drilling small and deep blind
holes with an abrasive water jet. Proceedings of the Instituion of Mechanical Engineers; May
2004; Pro Quest Central pg. 503
[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
[PAU’06] S. Paul and A.B. Chattopadhyay, Environmentally conscious machining and
grinding with cryogenic cooling. Machining Science and Technology, Vol. 10 (1) (2006), p.
87-131.
[POP’10] Popma M. – Computer aided process planning for HSM of thin walled parts – Phd.
Thesis, University of Twente, The Netherlands, April 2010

98
[RAH ’**] Rahman Mustafizur , Zhi -Gang Wang si Yoke -San Wong –PVM asupra aliajelor
[RAV’11] Ravi. S and M.P. Kumar, Experimental Investigations on cryogenic cooling by
liquid nitrogen in the end milling of hardened steel . Cryogenics, Vol. 51 (9) (2011), p. 509-
515.
[RAV’1 2] Ravi and M. Pradeep Kumar, Experimental Investigation of Cryogenic Cooling in Milling
of AISI D3 Tool Steel . Materials and Manufacturing Processes, Vol. 27 (2012), p. 1017 –1021.
[RAW’09 ] Rawat, S. & Attia, H., (2009). Wear mechanisms and tool life management of
WC-Co drills during dry high speed drilling of woven carbon fibre composites. Wear,
Volume 267, pp. 1022 – 1030.
[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’04] Shakeel Ahmed and Pradeep Kumar ,Eperimental Investigations on cryogenic
cooling in drilling of aluminium alloy , Trans Tech Publications , Switzerland 2004 ;
[SHA’01] Shane Y. Hong, Yucheng Ding and Woo -cheol jeong, ―Friction and cutting forces
in cryogenic machining of Ti – 6Al-4V,‖ International Journal of Machine Tools and
Manufacture, Vol. 41, pp. 2271 – 2285, 2001.
[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)
[SHI’12] Shinya Nakamura -Technology development and future challenge of machine tool
spindle, Journal of SME -Japan, September 30, 2012
[SHO’13 ] A. Shokrani, V. Dhokia, P. Munoz Escalona and S.T. Newman, State of the art
cryogenic machining and processing . International Journal of Computer Integrated
Manufacturing, Vol. 26 (7) (2013).
[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 .
[SIN’16] Sinkora, Manufacturing Engineering; Science Database, Titanium Ain ’t so Tough
When the T ool is Cool; 2016
[SMI’97 ] Smith S., J. Tlusty -Current trends in high -speed machining, Trans. ASME, d.
Manuf. Science Eng ineeri ng, Vol. 119 (1997).
[SRE’00] Sreejith, P., Krishnamurthy, R., Malhotra, S. & Narayanasamy, K., (2000).
Evaluation of PCD tool performance during machining of carbon/phenolic ablative
composites. Journal of Materials Processing Technology, Volume 104, pp. 53 -58.
[STE’95] Stephenson, D. A. and Bandyopadhyay, P., 1995, “Process -Independent Force
Characterization for Metal Cutting Simulation,” GM Non -Classified Publication, Vol. No.
R&D -83011995.
[STJ’04] Stjernstoft T. -Machining of some difficult to cut materials, Dep. Of Prod.
Engineer ing,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 Heine mann 2000

99
[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:
compariso n 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
[VEN’07] Venugopal K.A. , S. Paul and A.B. Chattopadhyay, ―Growth of tool wear in
turning of Ti -6Al-4V alloy under cryogenic cooling,‖ Wear, Vol. 262, pp. 1071 -1078, 2007
[VIVE’90] Vivek C., A model to predict the three -dimensional cutting force system fo r
drilling with arbitrary point geometry, B Tech.,Indian Institute of Technology, Madras 1990.
[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
[YIL’08] Yildiz, Y. & Nalbant, M., (2008). A review of cryogenic cooling in machining
processes. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 48, pp. 947 -964.
[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), 20 00,
[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
[AME ’**] http://americanmachinist.com/machining -cutting/through -tool-cooling -six-new-
machines -and-more
[ASC ’**] https://www.google.ro/search?q=aschii+continue+foto&biw=1148&bih=492&t bm
[BSW’** ] http://bswmetals.ro/index.php?page=Titan -si-aliaje -din-titan
[CGS ’**] http://www.cgsys. co.jp/c/english/products/excess_evo.html
[CRA ’**] https://crapu.wordpress.com/2009/01/07/sisteme -de-prindere -burghie/ răcire
[CRY’15] http://5me.com/cryogenic -machining/will -cryo-work -for-me/
[DAT’** ] http://www.datrondynamics.com/Small_Hole_Drilling .htm.
[DMC ’**] http://www.dmc.airliquide.com .
[GLO’**] ,,http://www.globalspec.com/learnmore/contract_manufacturing_fabrication/machi
ne_shop_services/ultra_hard_materials_machining
[HOF ’**],,https ://www.hoffmann -group.com/RO/ro/horo/company/garant/garant –
innovationen/tpc
[HSK ’**].. https://www.google.ro/search?q=sistem+prindere+HSK&espv=2&biw=2560&bih
=950&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjVxZXL7s3RAhXCtxoKHW
UuD5EQsAQIFw
[LIN ’**] http://www.linde -onlineshop.ro/shop/ro/ro -linde -store/accesorii –21/reductoare -de-
presiune –21/azot -50-221–21
[MMS ’**] http://www.mmsonline.com/articles/the -400-difference

100
[POT’** ] http://www.potomac -laser.com/services /our-capabilities/micro -hole-drilling/
[SAN ’**] http://www .sandvik.coromant.com