STUDIUL EXPERIMENTAL AL FORŢEI AXIALE ŞI A MOMENTULUI DE TORSIUNE LA BURGHIERE [308563]

REZUMAT

Lucrarea de față – "STUDIUL EXPERIMENTAL AL PRELUCRABILITĂȚII PRIN AȘCHIERE UTILIZÂND METODE UZINALE" – prezintă succint și clar noțiunile fundamentale privind:

uzura sculelor ([anonimizat], parametri care definesc formele de uzură ale sculelor conform standardelor ISO),

durabilitatea sculelor ([anonimizat] ( celebra formulă a lui Taylor), precum și semnificația geometrică a coeficienților ce intervin în formula lui Taylor)

prelucrabilitatea materialelor prin așchiere pe baza a două criterii bazate pe evoluția curbelor de uzură (sau durabilitate) în funcție de viteza de așchiere (Criteriul de prelucrabilitate Zv) respectiv pe examinarea formei așchiei și a rugozității suprafeței prelucrate (criteriul de prelucrabilitate Zs), precum și indicatorii de prelucrabilitate caracteristici criteriului Zv (în esență viteze de așchiere).

Lucrarea subliniază că așchiabilitatea e o noțiune complexă care în esență poate fi determinată și de modul în care semifabricatul uzează scula așchietoare. Durabilitatea sculei (T) este considerată ca unul din cei mai convenabili indicatori pentru aprecierea prelucrabilității. [anonimizat] (din cauza ridicării curbelor de uzură la diferite viteze constante). [anonimizat], [anonimizat] o împrăștiere mai mare a rezultatelor (aceste metode se numesc metode uzinale). Lucrarea de față prezintă două astfel de metode: metoda strunjirii frontale respectiv metoda strunjirii longitudinale cu creșterea vitezei în trepte. Ca indicatori de prelucrabilitate la metodele mai sus amintite s-au utilizat viteza corespunzătoare unei anumite durabilități (v15) respectiv viteza compatibilă (vcomp). Concluzia studiului experimental al lucrării de față este următoarea: un anumit material e mai prelucrabil cu acea sculă care asigură o valoare mai mare a indicatorului de prelucrabilitate (o valoare mai mare pentru v15 sau vcomp).

CUPRINS

INTRODUCERE

CAPITOLUL 1

CONSIDERAȚII TEORETICE PRIVIND PRELUCRABILITATEA PRIN AȘCHIERE

Prelucrabilitatea materialelor prin așchiere sau așchiabilitatea materialelor este un concept a cărui definire nu este complet standardizată. Prelucrabilitatea este o [anonimizat] [5], [6].

[anonimizat] o apreciere mai precisă a [anonimizat], [anonimizat], care nu întotdeauna sunt la dispoziția tehnologului. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat] [1], [3].

Stabilirea prelucrabilității unui material înseamnă în cele din urmă, o cunoaștere aprofundată a factorilor care conduc atât la realizarea unui proces de așchiere eficient, cât și a unor produse de calitate.

Un material este cu atât mai prelucrabil cu cât:

durabilitatea sculei așchietoare este mai mare;

timpul în care are loc îndepărtarea unității de volum din materialul prelucrat este mai mic;

calitatea suprafeței obținute este mai bună;

solicitarea mecanică și termică a sculei este mai redusă,

precizia de prelucrare este mai ridicată.

Evaluarea prelucrabilității se realizează printr-o îmbinare a datelor ce descriu proprietățile tehnologico – mecanice ale materialului de așchiat și rezultatele unor încercări practice specifice. Concluziile privind așchiabilitatea materialelor sunt valabile într-un domeniu suficient de larg ca să acopere condițiile practice de prelucrare prin așchiere.

Utilizarea exclusivă a proprietăților mecanice, cum sunt rezistența și/sau duritatea, nu poate conduce la aprecieri corecte. Prelucrabilitatea este influențată de foarte mulți alți factori cum sunt: compoziția chimică, structura, proprietățile incluziunilor și a elementelor de aliere, etc. De altfel o bună prelucrabilitate este determinată și de folosirea unei anumite scule, care în alte condiții, la un alt material poate conduce însă la rezultate complet nesatisfăcătoare.

CAPITOLUL 2

CONSIDERAȚII TEORETICE PRIVIND UZURA SCULELOR

Uzura sculei așchietoare constă în transportul de material de pe suprafețele active ale sculei (fața de degajare A, fața de așezare principală A, fața de așezare secundară A′), lucru ce conduce la modificarea geometriei tăișului și pierderea treptată a capacității de așchiere a sculei. Condițiile care dau naștere acestui fenomen sunt: presiunile mari de contact, temperaturile înalte și mișcarea relativă dintre suprafețele aflate în contact [3], [5].

Cunoașterea comportării la uzură a sculelor așchietoare este o condiție indispensabilă la realizarea unor piese de calitate, stabilirea unor regimuri de așchiere mai productive precum și la utilizarea rațională și eficientă a acestora.

Funcție de condițiile de așchiere (perechea de materiale sculă – semifabricat, regim de așchiere, geometria sculei) uzura sculei poate avea următoarele cauze [5], [6], [9]:

Abraziunea. În timpul așchierii, duritatea materialului așchiat din zona de contact (așchie – fața de degajare și suprafața așchiată – fața de așezare) crește de 2 – 3 ori, pe când duritatea sculei, în straturile superficiale din zona activă, scade. În aceste zone există tendința forfecării proeminențelor, adânciturilor suprafeței sculei, particulele dure (carburi, oxizi) antrenate provocând zgârierea feței de așezare și a celei de degajare.

Adeziunea – este strâns legată de formarea adaosului pe tăiș. Sub acțiunea forțelor de presare se formează microsuduri între particulele materialului sculei și materialului prelucrat. Prin forfecarea periodică a acestor legături, forfecare ce poate avea loc și prin materialul sculei, se desprind și particule din aceasta, ceea ce contribuie la uzura tăișului sculei. Fenomenul apare în domeniul vitezelor mici de așchiere, în cazul unor suprafețe rugoase ale sculei.

Difuziunea. Fenomenul apare în domeniul vitezelor respectiv temperaturilor mari de așchiere (7000 – 13000 0C) și constă în trecerea unor elemente din materialul sculei în materialul prelucrat și invers, ceea ce conduce la modificarea stratului superficial al sculei. Prin desprinderea acestui strat sau chiar a unor porțiuni are loc uzura sculei. Intensitatea difuziunii (deci și a uzurii) depinde de afinitatea chimică a materialului semifabricatului pentru materialul sculei, de temperatura de așchiere precum și de stabilitatea structurii materialului sculei [9]. Uzura prin difuziune este caracteristică sculelor cu plăcuțe din carburi metalice (pentru scule din oțel rapid sau oțel de scule nu are importanță practică).

Oxidarea. La temperatură înaltă de așchiere (între 7000 – 8000 0C) are loc oxidarea materialului sculei, îndeosebi pe tăișul secundar respectiv pe fața de așezare și cea de degajare, în afara, dar în imediata apropiere a zonelor de contact (dintre piesă – sculă respectiv așchie – sculă). În cazul materialelor din carburi metalice duritatea stratului de oxizi ce se formează este de circa 50 de ori mai mică decât cea a carburilor, ceea ce favorizează procesul de uzură. Materialele de scule din carburi metalice, din grupa K de utilizare sunt cele mai sensibile la oxidare, deoarece conțin cea mai multă carbură de wolfram și cobalt. În cazul sculelor din oțel rapid uzura prin oxidare nu prezintă importanță practică, ele pierzându-și capacitatea de așchiere, datorită altor cauze, înaintea atingerii temperaturii de oxidare.

Fărâmițarea muchiei așchietoare – apare datorită unor forțe de așchiere mari în cazul sculelor din materiale cu o sensibilitate mai mare la solicitările dinamice (de exemplu materialele ceramice sau cele din carburi din grupa P de utilizare). De asemenea este mai frecventă la sculele având unghiul de ascuțire și raza de vârf r mici precum și la așchierea întreruptă a materialelor casante.

Ruptura zimțată („tip piaptăn”) a tăișului – apare la așchierea întreruptă (frezare, rabotare) cu scule din carburi metalice, datorită unor solicitări termice repetate, care la rândul lor determină solicitarea variabilă (întindere și compresiune) a materialului sculei. Aceste solicitări au loc atât în timp cât și în adâncimea materialului sculei și vor produce formarea de rupturi.

Deformarea plastică a tăișului are loc când materialul sculei posedă o rezistență redusă la deformare și o bună plasticitate (de exemplu oțelurile de scule sau cele rapide).

Trebuie subliniat că totdeauna acționează toate cauzele enumerate, însă funcție de condițiile concrete de așchiere una sau alta are o influență mai mare.

În funcție de dispunerea pe suprafețele părții așchietoare se deosebesc următoarele forme de uzuri a sculei (figura 1):

Uzura feței de așezare principală – se apreciază prin lățimea uzurii prin desprindere, notată cu VB, lățime sensibil uniformă și relativ ușor de măsurat. La intersecția tăișului principal cu suprafața piesei de prelucrat deseori apare uzura în formă de crestătură (VBN), cauzată de efectul eroziv al stratului superficial al piesei, care de regulă are o duritate sporită. Forma crestăturii depinde de uniformitatea adâncimii de așchiere, motiv pentru care mărimea ei este exclusă din evaluarea lățimii medii a uzurii prin desprindere pe fața de așezare. Cu toate acestea uzura în formă de crestătură poate impune uneori schimbarea sculei.

Uzura feței de degajare – forma cea mai caracteristică a acesteia este uzura sub formă de crater, iar parametri de apreciere a ei sunt:

KT – adâncimea craterului;

KM – distanța de la vârful sculei până la centrul craterului (se măsoară perpendicular pe tăișul sculei);

KB – lățimea craterului;

KL – distanța de la muchia sculei la originea craterului (buza craterului);

Poziția craterului în raport cu muchia sculei are o importanță deosebită, deoarece un crater lat și profund, dar departe de muchie poate fi mai puțin periculos pentru sculă decât un crater îngust, mai puțin profund dar plasat în imediata apropiere a tăișului. Această formă de uzură este mai importantă pentru sculele din carburi metalice.

Uzura pe fața de așezare secundară – este caracterizată de lățimea uzurii prin desprindere, notată VA, și prezintă importanță la finisare, deoarece influențează calitatea suprafeței prelucrate. Evaluarea directă a acestei uzuri este foarte dificilă, însă efectul său poate fi stabilit indirect prin măsurarea rugozității.

Fig. 2.1. Forme de uzură a tăișurilor unei plăcuțe de frezat cilindro – frontal [6]

Ca urmare a evoluției procesului de uzură geometria tăișului este modificată și aceasta își pierde treptat capacitatea de așchiere. Principalii parametri de apreciere a uzurii sculelor așchietoare sunt standardizați și sunt prezentați în figura 2.1. Practic mărimea acestor parametri reprezintă variabilele dependente în studiile experimentale privind evoluția uzurii sculelor așchietoare.

Fig. 2.2. Parametri de apreciere a uzurii sculelor așchietoare și caracteristica de uzură [5]

În funcție de obiectivele studiului, variabilele independente pot fi elementele regimului de așchiere, unghiurile tăișului, proprietățile materialului sculei sau semifabricatului, etc.

Orice studiu experimental privind uzura sculelor așchietoare presupune ridicarea caracteristicii de uzură. Această caracteristică (figura 2.2.) reprezintă evoluția unui parametru de apreciere a uzurii sculei în timp.

Prin compararea a două sau a mai multor caracteristici de uzură ridicate sub influența a câte unui singur factor de influență se poate stabili modul în care acesta afectează comportarea la uzură a sculei așchietoare.

Pentru ridicarea caracteristicii de uzură se întrerupe periodic așchierea și se măsoară fațeta de uzură (VB) a feței de așezare principală cu ajutorul unui dispozitiv microscopic de măsurat atașat la portcuțitul sculei. O metodă mai riguroasă folosește mai multe scule din același lot de fabricație, ascuțite identic cu care se așchiază același material în condiții de așchiere identice, intervale de timp diferite, după care se măsoară parametrul de uzură analizat pe fiecare dintre scule și se reprezintă grafic perechile de valori uzură – timp (ca în exemplul din figura 2.2.). Curba astfel obținută poartă denumirea de caracteristică de uzură. Forma acestei caracteristici este supusă influenței diferiților factori care influențează procesul de uzură.

Pentru stabilirea experimentală a influenței vitezei de așchiere asupra durabilității tăișului (T), se așchiază cu diferite viteze și se stabilesc durabilitățile aferente (figura 2.3.). Prin reprezentare în coordonate dublu logaritmice a perechilor de valori Ti – i se obține diagrama din figura 4. Această diagramă corespunde unei perechi de materiale sculă – piesă, unei singure combinații de variabile adâncime (t) – avans (s) și evident pentru o singură valoare a uzurii limită stabilită (VBlim). Ea se poate ridica și în cazul acțiunii unui alt factor, de exemplu avansul s.

Fig. 2.3. Obținerea caracteristicii de uzură [5]

Fig. 2.4. Obținerea diagramei durabilitate – viteză (utilizând caracteristica de uzură) [5], [6]

Într-un domeniu corespunzător vitezelor uzuale de așchiere curba durabilitate – viteză poate fi aproximată cu o dreaptă având ecuația (1):

Relația (1) poate fi scrisă și sub forma:

cunoscută în literatura de specialitate ca ecuația lui Taylor. Această relație se utilizează și sub forma reciprocă:

Constantele CT și Cv din relațiile (3) și (4) reprezintă durabilitatea corespunzătoare unei viteze unitare respectiv viteza corespunzătoare unei durabilități unitare.

Exponentul k este un indicator sintetic al sensibilității la uzură al materialului sculei. Un exponent k mare în valoare absolută indică o pantă mare și o variație mare a durabilității sculei pentru o variație mică a vitezei de așchiere. O sculă este în general exploatată la diverse viteze de așchiere și deci este important ca influența acesteia asupra durabilității să fie cât mai mică, adică exponentul k să aibă valori absolute cât mai mici.

Influența vitezei de așchiere și a avansului asupra uzurii sculei este în principiu aceeași: odată cu creșterea lor crește și panta curbelor de dependență uzură – timp (figura 2.3.). Însă mărind în aceeași proporție atât viteza cât și avansul, panta curbei crește în primul caz mai pronunțat decât în cel de-al doilea, ceea ce înseamnă că viteza de așchiere are o influență mai mare asupra uzurii (și implicit a durabilității) decât avansul. Influența cea mai mică asupra uzurii o are adâncimea de așchiere, pentru scule din materiale din carburi metalice sau materiale ceramice nici nu prezintă importanță practică. Din acest punct de vedere, ordinea de stabilire a parametrilor regimului de așchiere va fi: adâncimea t, avansul s și viteza v.

CAPITOLUL 3

CRITERII PENTRU APRECIEREA PRELUCRABILITĂȚII PRIN AȘCHIERE

Pentru aprecierea prelucrabilității prin așchiere a unui material se utilizează frecvent două criterii [4], [8], [9]:

Criteriul de prelucrabilitate Zv bazat pe evoluția curbelor de uzură (sau durabilitate) în funcție de viteza de așchiere;

Criteriul de prelucrabilitate Zs bazat pe examinarea formei așchiei și a rugozității suprafeței prelucrate.

Dacă criteriul Zv apreciază așchiabilitatea materialului prin prisma uzurii pe care o va induce sculei așchietoare, criteriul Zs ține cont de rugozitatea suprafeței prelucrate, de apariția depunerilor, de forma așchiei detașate.

Indicatorii de prelucrabilitate caracteristici criteriului Zv, calculați cu ajutorul formulei lui Taylor () sunt de tipul celor ce urmează:

60B0,3 este viteza de așchiere pentru care după 60 de minute de așchiere apare pe suprafața de așezare o uzură VB = 0,3 mm;

60K0,1 este viteza de așchiere pentru care după 60 de minute de așchiere apare pe suprafața de degajare a sculei o uzură craterială caracterizată prin raportul K = KT/KM = 0,1;

60 este viteza de așchiere pentru care după 60 de minute de așchiere în condiții precizate de lucru, scula ajunge la o uzură catastrofală.

Obținerea indicatorilor mai sus amintiți – care sunt de fapt viteze de așchiere, și care într-un interval de timp și în condiții prestabilite de așchiere au ca efect formarea unei uzuri prestabilite – este sugestiv reprezentată în figura 5. În general, acești indicatori se obțin astfel (figura 3.1.):

se prelucrează prin așchiere materialul a cărui prelucrabilitate dorim să o determinăm cu o anumită sculă (în general din oțel rapid), așchierea având loc fără răcire;

se execută minimum trei încercări la viteze diferite (dar constante pentru fiecare încercare) și se studiază variația durabilității în funcție de viteza de așchiere;

aprecierea evoluției uzurii sculei așchietoare se poate efectua urmărindu-se, fie fațeta de uzură pe fața de așezare VB, fie raportul K = KT/KM;

cu ajutorul valorilor determinate experimental se poate construi o diagramă în coordonate dublu logaritmice T – ;

cu ajutorul acestei diagrame se pot determina valorile constantelor CT, k și indicatorii de prelucrabilitate corespunzători unei durabilități T = 60 (120; 240; 480) min.

Este de remarcat că valoarea exponentului k oferă indicații asupra prelucrabilității. O pantă mai abruptă, indică o sensibilitate mărită a durabilității față de viteză, deci o prelucrabilitate mai scăzută.

Fig. 3.1. Determinarea indicatorului de prelucrabilitate (60B0,3) pe baza caracteristicii de uzură, respectiv diagrama lui Taylor [6]

Câțiva indicatori de prelucrabilitate caracteristici criteriului Zs sunt prezentați în tabelul 1.

Tab. 3.1. Indicatori de prelucrabilitate specifici criteriului Zs și evaluarea lor

Tab. 3.2. Indicatori de prelucrabilitate specifici criteriului Zs și evaluarea lor

Forma și mărimea așchiilor joacă un rol important în aprecierea prelucrabilității în special prin prisma proceselor de prelucrare pe mașini-unelte automate, când intervenția factorului uman este redusă la maxim.

Formarea așchiei, tasarea acesteia, gradul de deformare suferit de material, modul de producere a ruperii așchiei etc., sunt aspecte investigate și care conduc la aprecierea așchiabilității materialului. Forma așchiei și formarea acesteia sunt în strânsă corelație, nu numai cu proprietățile materialului semifabricatului dar și cu compoziția chimică, cu prezența anumitor elemente, cum sunt de exemplu fosforul, sulful și plumbul, care în cazul oțelurilor produc fragmentarea așchiilor și conduc la îmbunătățirea așchiabilității.

Criteriile, precum și mărimile de măsurat în vederea aprecierii formei așchiilor sunt precizate în STAS 12046/2-84. În tabelul 3.3. sunt prezentate diferite forme de așchii și domeniul formelor de așchii care caracterizează o bună prelucrabilitate.

Tab. 3.3. Clasificarea formelor de așchii după STAS 12046/2-84

CAPITOLUL 4

METODE UTILIZATE PENTRU APRECIEREA PRELUCRABILITĂȚII

Durabilitatea sculei (T) este considerată ca unul din cei mai convenabili indicatori pentru aprecierea prelucrabilității. Pentru stabilirea experimentală a durabilității sunt necesare încercări costisitoare și de foarte lungă durată precum și o standardizare ridicată a experimentelor, începând cu controlul riguros al materialelor semifabricatelor și cel al sculelor încă de la recepția lor.

Încercările de stabilire a durabilității sunt mari consumatoare de timp din cauza ridicării curbelor de uzură la diferite viteze constante. Pentru accelerarea determinărilor se utilizează metode mai rapide, de scurtă durată, cum sunt metoda strunjirii frontale sau metoda strunjirii longitudinale cu creșterea vitezei în trepte [5], [6].

4.1. Metoda strunjirii frontale

În cadrul acestei metode se strunjește frontal o epruvetă de forma unui disc prevăzut cu un alezaj frontal (figura 6). Strunjirea se execută de la centru spre periferie și se măsoară raza (Ru) la care apare uzura maximă admisibilă, corespunzătoare unei anumite turații. Experiența se repetă pentru o gamă largă de turații astfel încât nmax/nmin > 8, stabilindu-se de fiecare dată diametrele corespunzătoare momentului când scula atinge uzura limită stabilită. Cu valorile determinate experimental se construiește o diagramă în coordonate dublu-logaritmice n – Ru (figura 4.1.1.) și se calculează valoarea pantei dreptei cu care se aproximează această dependență (tg ). Cunoscând această valoare se poate calcula valoarea exponentului m (din formula lui Taylor scrisă sub forma ) cu formula:

Valoarea constantei CV se determină cu ajutorul relației (8):

(8)

unde:

s [mm/rot] este avansul de lucru;

Ru [mm]este raza la care se produce uzura maximă admisibilă;

n [rot/min] este turația epruvetei.

Cunoscând valorile CV și m se poate calcula drept indicator de prelucrabilitate al acestei metode de determinare, viteza corespunzătoare unei anumite durabilități.

Fig. 4.1.1. Schema metodei strunjirii frontale și prelucrarea grafică a rezultatelor experimentale [5]

4.2. Metoda strunjirii longitudinale cu creșterea vitezei în trepte.

Epruveta utilizată la această metodă (figura 4.2.1.) are o formă cilindrică și este împărțită în mai multe tronsoane de lungime constantă L0 astfel stabilită, încât drumul parcurs pe epruvetă, de către sculă să fie de .

(9)

unde: D [mm] este diametrul exterior al epruvetei; t [mm] adâncimea de așchiere; s [mm/rot] avansul de lucru.

Se strunjesc pe rând tronsoanele, cu viteze care să alcătuiască o progresie geometrică cu rația 1,12. Prelucrarea are loc până la distrugerea muchiei așchietoare. Se impune condiția ca distrugerea să aibă loc la prelucrarea tronsonului cu numărul de ordine z = 7 ± 1.

Indicatorul de prelucrabilitate al acestei metode este viteza compatibilă vcomp, care se determină cu următoarea relație:

(10)

unde:

vz este viteza de așchiere corespunzătoare tronsonului unde s-a produs distrugerea muchiei așchietoare;

vz-1 este viteza de așchiere corespunzătoare ultimului tronson prelucrat complet;

Lz este lungimea așchiată pe tronsonul unde s-a produs distrugerea muchiei așchietoare;

L0 este lungimea unui tronson.

Valoarea vitezei compatibile vcomp este utilizată drept criteriu de apreciere a prelucrabilității, o valoare mai ridicată desemnând o prelucrabilitate mai bună. Procedeul are însă aplicații limitate și este greu aplicabil la scule din carburi sau materiale mineralo-ceramice.

Încercările de durabilitate bazate pe drumul de așchiere efectuându-se cu viteze de așchiere puternic crescătoare au avantajul timpului scurt, dar prezintă o împrăștiere mai mare a rezultatelor.

Fig. 4.2.1. Schema efectuării încercării de prelucrabilitate prin metoda strunjirii cu creșterea vitezei în trepte [5]

CAPITOLUL 5

INFLUENȚA PROPRIETĂȚILOR MATERIALELOR ASUPRA PRELUCRABILITĂȚII

Atunci când se analizează prelucrabilitatea materialelor prin așchiere trebuie luate în considerare și proprietățile tehnologico-mecanice ale acestora și impactul pe care îl pot avea asupra așchiabilității:

Rezistența mecanică și duritatea

În general rezistența mecanică și duritatea reduse sunt favorabile din punctul de vedere al așchierii. Excepție fac materialele foarte ductile care prin producerea unor depuneri pe tăiș accentuate vor conduce la dificultăți în ceea ce privește obținerea unor rugozități corespunzătoare.

Fig. 5.1. Prelucrabilitatea oțelului MoCN15 în funcție de duritățile obținute

în urma tratamentului de revenire (microstructura 140:1, original 200:1) [9]

Ductilitatea

Ductilitatea este o proprietate în corelație cu duritatea. O așchiabilitate bună se obține atunci când se realizează un raport optim ductilitate/duritate.

Conductivitatea termică

Conductivitatea termică a materialului semifabricatului poate contribui la preluarea unei cantități sporite din căldura generată prin așchiere. Conductivitățile termice ridicate sunt benefice din punctul de vedere al prelucrării prin așchiere. De aici și diferențele remarcabile de așchiabilitate între aliajele de aluminiu și oțelurile termorefractare.

Ecruisarea

După cum se știe metalele pot să-și îmbunătățească rezistența în urma unei deformări plastice suferite, îmbunătățire ce depinde atât de mărimea deformării cât și de viteza cu care s-a produs aceasta. La așchierea oțelurilor, deformarea este puternic concentrată în zona de forfecare din imediata apropiere a tăișului sculei și se va concretiza prin așchii ecruisate, de duritate mai mare, și uneori chiar ecruisarea stratului superficial al suprafeței așchiate. În procesul de formare a așchiei lucrul mecanic specific consumat va fi mai mare. Pentru descărcarea solicitărilor tăișului și o reducere a gradului de deformare se va opta pentru un tăiș cu un unghi de degajare mai pronunțat. Ecruisarea conduce și la diminuarea tendinței de formare a depunerilor pe tăiș.

Prezența incluziunilor

Particulele dure și abrazive, cu dimensiuni mai mari de 150 m, sunt factori care intensifică uzura sculelor. Prezența incluziunilor caracterizează materialele de calitate inferioară și sunt consecința procedeelor de elaborare. Microincluziunile sunt însă întotdeauna prezente. Cele abrazive, cum sunt cele din oxid de aluminiu (Al2O3) sau cele din calciu (Ca), trebuie evitate. Incluziunile din oxizi, de tipul oxizilor de fier sau de mangan (FeO, MnO), sunt mai puțin dăunătoare deoarece sunt mai deformabile și pot fi angajate în procesul de formare a așchiei. Prezența silicaților este însă favorabilă deoarece la prelucrările cu viteze mari ei se înmoaie și pot contribui la diminuarea uzurii sculei.

Elemente de aliere pentru creșterea așchiabilității

Una din metodele cunoscute de ridicare a capacității de așchiere a oțelurilor este adăugarea în compoziție a sulfului. Acesta formează cu magneziul compuși care în timpul formării așchiei dau naștere unor planuri cu rezistență scăzută reducându-se astfel consumul energetic necesar pentru amorsarea fisurilor și pentru producerea ruperii așchiilor. Rezultatul este creșterea practică a unghiului de forfecare în procesul formării așchiei, amplificarea tendinței de curbare a așchiei și reducerea contactului cu fața de degajare a sculei. La contactul cu fața de degajare acești compuși ușurează condițiile de frecare.

Așchiabilitatea oțelurilor poate fi sporită și prin prezența plumbului și a seleniului. Așchiabilitatea este puternic influențată de cantitatea acestor elemente dar și de mărimea, forma și distribuția compușilor pe care-i formează în oțel.

Structura materialului

Structura materialului este un factor care influențează puternic prelucrabilitatea prin așchiere. În cazul oțelurilor așchiabilitatea este influențată de prezența celor trei constituenți structurali de bază: ferita, perlita și cementita. Datorită durității mari, cantități mici de cementită vor influența puternic uzura sculei. Oțelurile feritice vor fi caracterizate de o așchiabilitate mai bună decât cele martensitice.

Fig. 5.2. Structura de bază a aliajului Fe – C (500:1) [9]

Fig. 5.3. Influența structurii cristaline a semifabricatului asupra durabilității tăișului unei scule din carbură metalică (P20)

Condiții de așchiere: fațeta de uzură VB = 0,38 mm; adâncimea de așchiere t = 2,54 mm; avansul s = 0,25 mm/rot. Microstructura: 300:1 (original 500:1) [9]

Caracteristicile semifabricatului și tratamentul termic

Materialul semifabricatului poate fi introdus în procesul de prelucrare sub formă de laminat la cald, normalizat, recopt, tras la rece sau îmbunătățit. Semifabricatele laminate din punct de vedere al așchiabilității sunt caracterizate de o structură neomogenă și proprietăți diferențiate care decurg din procesele de deformare și menținere la temperaturi ridicate.

Normalizarea conduce la structuri mai fine și mai omogene care îmbunătățesc tenacitatea materialului și așchiabilitatea. Recoacerea, în special cea de globulizare, conduce la transformarea perlitei lamelare în perlită globulară, deci la obținerea unei structuri favorabile așchierii, caracterizată de o scădere a durității și a solicitării la uzură a sculei.

Deformarea la rece a semifabricatelor de dimensiuni mici urmărește uniformizarea structurii și aduce ca avantaje reducerea depunerilor pe tăiș, a formării bavurilor și îmbunătățește textura suprafeței prelucrate. Îmbunătățirea prin creșterea durității materialului afectează uzura sculei. De regulă se consideră că pentru prelucrările moderne cu scule din carburi metalice dificultățile în așchiere apar la peste 200HB.

Fig. 5.4. Influența tratamentelor termice asupra prelucrabilității diferitelor tipuri de oțeluri

a) dependența durabilitate-viteză (t=1mm; s=0,2mm/rot; =450; =100);

b) microstructura (250:1, original 500:1);

c) forma așchiilor și coeficientul de îngroșare a așchiei ka [9]

Elementele de aliere

Majoritatea materialelor metalice utilizate azi sunt aliaje mai mult sau mai puțin bogate. Prezența elementelor de aliere determină proprietăți specifice pentru aceste aliaje dar în același timp influențează puternic așchiabilitatea. Prezența unor elemente de aliere cum sunt: nichelul (Ni), cobaltul (Co), magneziul (Mg), vanadiul (V), molibdenul (Mo), niobiul (Nb), wolframul (W), cuprul (Cu), etc. produc o diminuare a așchiabilității oțelurilor. Alte elemente deja amintite: sulful (S), fosforul (P) și plumbul (Pb), din contră, în cantități adecvate produc o îmbunătățire a așchiabilității. Chiar și carbonul (C) principalul element de aliere are un efect benefic numai în limita 0,3 … 0,6% .

CAPITOLUL 6

CONDIȚII EXPERIMENTALE PRIVIND METODA STRUNJIRII FRONTALE

Experimentul s-a desfășurat pe strungul SNA 560 din dotarea laboratorului de BAGS al facultății Construcții de Mașini din Cluj Napoca, conform metodologiei descrise amănunțit la paragraful 4.1. S-au folosit ca scule așchietoare șase cuțite de strunjit cu plăcuțe din carbură metalică având aceeași geometrie bine definită (χr = 700, χ′r = 100, γo = 60, αo = 60, λS = 00, rε = ), cu care s-au strunjit frontal două discuri din oțel (1 disc din OLC45 și alt disc de diametru mai mare din OL60 prevăzute cu alezaj) de la centru spre exterior (fiecare disc de 3 ori) conform condițiilor din tabelul 3. S-au măsurat cu șublerul razele de uzură Ru obținute în cele 6 experimente, în condițiile atingerii aceleași uzuri limită (uzura catastrofală, conform filmării video).

Fig. 6.1. Flanșa din OLC45:

a) inițial; b) prelucrată (se observă cele 3 diametre la care se produce uzura maximă admisibilă: 2Ru1, 2Ru2, 2Ru3)

În figura 12 se observă flanșa din OLC45 fixată în universalul strungului SNA 560 (între cele 3 bacuri) înainte de experiment (Fig. 12a) respectiv după experiment (Fig. 6.1.b, când se pot măsura pe flanșă cele 3 diametre la care a apărut uzura maximă admisibilă pe sculă).

În figura (6.2.) se remarcă cuțitul de strunjit din carbură metalică înainte de experiment (neuzat) respectiv cuțitul după experiment (uzat). Se observă că uzura e aproximativ aceeași după fiecare experiment (experimentele 1, 2 respectiv 3 din tabelul 3).

Fig. 6.2. Cuțitul cu plăcuță din carbură metalică brazată (lipită):

a) neuzat; b) uzat după primul experiment; c) uzat după al doilea experiment; d) uzat după al treilea experiment

UTILAJ: SNA 560 X 1000

SCULĂ: carbură metalică (ptr. oțel), χr = 700, χ′r = 100, γo = 60, αo = 60, λS = 00, rε =

MATERIAL: OLC45, OL60

MEDIU: Aer

AMC: Șubler

Tab. 6.1. Parametri tehnologici de desfășurare a experimentului

log n1 = log n4 = log (315) = 2,49831

log n2 = log n5 = log (500) = 2,69897

log n3 = log n6 = log (800) = 2,90308

Pentru semifabricatul OLC45, se calculează valoarea pantei dreptei (tan) în coordonate dublu logaritmice (log n -log Ru), considerând încercările 1 și 3.

log Ru1 = log (80) = 1,90309

log Ru2 = log (63) = 1,79934

log Ru3 = log (48,5) = 1,68574

Dacă considerăm încercările 1 și 2, obținem:

Dacă considerăm încercările 2 și 3, obținem:

Se observă că panta dreptei este aproximativ aceeași, oricare încercări le-am considera (încercarea 1 cu 2 sau încercarea 2 cu 3, respectiv 1 cu 3), ceea ce ne îndreptățește să remarcăm corectitudinea experimentului.

Se va lucra în continuare cu o valoare medie a pantei dreptei, calulată ca medie aritmetică, după cum urmează:

Din literatura de specialitate [3], [5] se cunoaște formula de calcul a exponentului m care apare în formula lui Taylor:

Constanta CV din formula lui Taylor se calculează cu relația (8) din paragraful 4.1, pentru fiecare încercare în parte:

Valoarea medie a constantei CV din formula lui Taylor este:

Cunoscând valorile CV și m se poate calcula drept indicator de prelucrabilitate al acestei metode, viteza corespunzătoare unei durabilități T=15 [min], adică v15. Un aspect important e faptul că exponentul m din formula lui Taylor e negativ și trebuie ținut cont de unitățile de măsură, astfel încât viteza să rezulte în m/min.

Pentru semifabricatul OL60, se calculează valoarea pantei dreptei (tan) în coordonate dublu logaritmice (log n -log Ru), considerând încercările 4 și 6.

log Ru4 = log (105) = 2,02119

log Ru5 = log (85) = 1,92942

log Ru6 = log (70) = 1,84509

Dacă considerăm încercările 4 și 5, obținem:

Dacă considerăm încercările 5 și 6, obținem:

Valoarea medie a pantei dreptei:

Calculul exponentului m din formula lui Taylor:

Constanta CV din formula lui Taylor:

Valoarea medie a constantei CV din formula lui Taylor este:

Calculul vitezei corespunzătoare unei durabilități T=15 [min]:

Se compară cele două viteze v15 obținute:

Valoarea vitezei v15 este utilizată drept criteriu de apreciere a prelucrabilității, o valoare mai ridicată desemnând o prelucrabilitate mai bună. Materialul OL60 se prelucrează la o viteză v15 mai mare decât OLC45, rezultând astfel că acesta este mai prelucrabil decât OLC45 cu scula de strunjit cu plăcuțe din carbură metalică având aceeași geometrie (χr = 700, χ′r = 100, γo = 60, αo = 60, λS = 00, rε = ).

CAPITOLUL 7

CONDIȚII EXPERIMENTALE PRIVIND METODA STRUNJIRII LONGITUDINALE CU CREȘTEREA VITEZEI ÎN TREPTE

Experimentul s-a desfășurat pe strungul SNA 560 din dotarea laboratorului de BAGS al facultății Construcții de Mașini din Cluj Napoca, conform metodologiei descrise amănunțit la paragraful 4.2. S-au folosit ca scule așchietoare două cuțite de strunjit din oțel rapid (Rp2) având aceeași geometrie bine definită (χr = 900, χ′r = 200, γo = 60, αo = 60, λS = -100, rε = ), cu care s-au strunjit longitudinal două semifabricate cilidrice (OLC60 și OL50) împărțite în 9 tronsoane egale (de lungime L0) conform condițiilor din tabelul 7.1. S-a măsurat cu șublerul lungimea Lz așchiată pe tronsonul unde s-a produs distrugerea muchiei așchietoare. Fiecare experiment s-a încheiat când s-a atins aceeași uzură limită a sculei.

Fig. 7.1. Semifabricat cilindric din OLC60, cu diametrul 56 mm, împărțit în tronsoane de lungimi egale L0, așchiate la turații diferite, conform tabelului 7.1.

În figura 7.1. se observă semifabricatul cilindric din OLC60 ( împărțit în tronsoane de lungime L0 ) fixat la un capăt în universalul strungului SNA 560 (între cele 3 bacuri) și sprijinit în vârful pinolei la celălalt capăt.

În figura 7.2 se remarcă cuțitul de strunjit din oțel rapid înainte de experiment (neuzat) respectiv cuțitul după experiment (uzat). Se observă că uzura e aproximativ aceeași după fiecare experiment (la așchierea semif. din OLC60 respectiv la așchierea semif. din OL50 conform tabelului 4)

Fig. 7.2. Cuțitul de strunjit din oțel rapid

a) neuzat; b) uzat după primul experiment; c) uzat după al doilea experiment;

UTILAJ: SNA 560 X 1000

SCULĂ: Rp2, χr = 900, χ′r = 200, γo = 60, αo = 60, λS = -100, rε =

MATERIAL: OLC60, OL50

MEDIU: Aer

AMC: Șubler

Tab. 7.1. Parametri tehnologici de desfășurare a experimentului

Cunoscând diametrul semifabricatului, adâncimea de așchiere și avansul sculei, se dimensionează lungimea L0 a tronsoanelor, astfel încât lungimea parcursă de vârful sculei pe fiecare tronson să fie de 25 m (formula 9, paragraful 4.2).

Viteza de așchiere a fiecărui tronson se calculează cu formula:

Indicatorul de prelucrabilitate al acestei metode este viteza compatibilă vcomp, care se determină cu relația (10) stabilită în paragraful 4.2.

Pentru OLC60 uzura sculei a apărut pe tronsonul 8, când s-au așchiat doar 9 mm din tronson (Lz = 9) iar pentru OL50 aceeași uzură a sculei a apărut pe tronsonul 9, când s-au așchiat din tronson doar 7 mm (conform tabelului 7.1.). Prin urmare, viteza compatibilă pentru cele două materiale va fi:

Valoarea vitezei compatibile vcomp este utilizată drept criteriu de apreciere a prelucrabilității, o valoare mai ridicată desemnând o prelucrabilitate mai bună. Prin urmare, în urma experimentului, putem afirma că OL50 este mai prelucrabil decât OLC60, cu scula din oțel rapid a cărei geometrie ( χr = 900, χ′r = 200, γo = 60, αo = 60, λS = -100, rε = ) a fost precizată în tabelul 7.1.

Procedeul are însă aplicații limitate și este greu aplicabil la scule din carburi sau materiale mineralo-ceramice.

Încercările de durabilitate bazate pe drumul de așchiere efectuându-se cu viteze de așchiere puternic crescătoare au avantajul timpului scurt, dar prezintă o împrăștiere mai mare a rezultatelor.

CAPITOLUL 8

STRUNGUL UNIVERSAL SNA 560

Din grupa strungurilor, cele mai răspândite sunt strungurile normale universale. Denumirea vine de la precizia normală obținută la piesele executate pe aceste strunguri și de la dispunerea (orizontală) a arborelui principal și a ghidajelor căruciorului, precum (universale) și de la faptul că pe aceste strunguri se pot prelucra piese de forme și dimensiuni diferite, cu sau fără ajutorul unor dispozitive speciale [2], [7].

Construcția și cinematica strungului normal SNA560 este prezentată în figurile 8.1. și 8.2.

Fig. 8.1. Componentele strungului SNA 560 în vedere frontală [7]

Batiul strungului susține celelalte subansambluri ale strungului. La partea superioară are sistemul de ghidaje longitudinale V, iar la partea inferioară se reazemă pe două picioare.

Pe batiu se montează păpușa fixă , căruciorul C, păpușa mobilă, cutia de avansuri și filete CAF, cremaliera de avans longitudinal Cr, șurubul conducător pentru filetare Șc, bara de avansuri BA, tava pentru colectarea așchiilor și a lichidului de răcire și bara de tampoane reglabile, care servesc pentru limitarea cursei longitudinale a căruciorului (fig. 8.1.).

Păpușa fixă conține: cutia de viteze CV și mecanismele intermediare MI de transmitere a mișcării la cutia de avansuri și filete CAF, arborele principal AP, care antrenează piesa în mișcarea de așchiere I, panoul electric de comandă, butoanele pentru selectarea electrică a domeniului de turații și rotirea în impulsuri a arborelui principal, precum și butonul pentru stop general, manetele 1 și 2 (fig. 8.1.) ce servesc pentru alegerea turațiilor de lucru, maneta 27 (fig. 8.1.) pentru alegerea "pas normal" sau "pas mărit" (la filetare) și maneta 28 (fig.8.1.) pentru inversarea sensului de filetare și avans.

Căruciorul C este subansamblul care poartă scula pe traiectoria de avans conținând: cutia cu mecanisme a căruciorului CC, sania longitudinală a căruciorului, roata de mână R1 pentru deplasarea longitudinală a căruciorului pe ghidaje (mișcarea de avans longitudinal sau de poziționare II), sania transversală ST, roata de mână R2 pentru deplasarea săniei transversale (mișcarea de avans transversal sau de poziționare III), suportul rotativ pentru poziționarea săniei port-cuțit Sl, roata de mână R3 pentru deplasarea săniei port-cuțit (mișcarea de avans sau de poziționare IV), suportul port-cuțit Ps care este prereglabil, șuruburile pentru fixarea suporților port-cuțit, maneta 18 (fig. 8.1.) pentru cuplarea-decuplarea avansurilor longitudinal II și transversal III, maneta 21 (fig.8.1.) pentru cuplarea-decuplarea semipiuliței pe șurubul conducător (pentru filetare) și cutia aparatelor electrice pentru comanda deplasărilor rapide ale căruciorului în mișcările II și III și pentru pornirea-oprirea mișcării de așchiere I a arborelui principal.

Păpușa mobilă PM servește la rezemarea pieselor lungi și la fixarea sculelor speciale pentru prelucrarea găurilor. Păpușa mobilă permite poziționarea longitudinală, roata de mână R4 servește pentru deplasarea axială a pinolei P (mișcarea V). Vârful pinolei (rotativ sau fix) servește la sprijinirea pieselor lungi, iar cu ajutorul unor șuruburi se poate realiza deplasarea transversală a corpului păpușii mobile față de placa de bază.

Cutia de avansuri și filete CAF primește mișcarea de la păpușa fixă prin intermediul roților de schimb AF / BF și permite realizarea diferitelor valori ale pasului filetelor și ale avansurilor longitudinale și transversale prin reglare cu ajutorul manetelor 24, 25 și 26 (fig.8.1.). Din punct de vedere cinematic, realizarea diferitelor avansuri și filete se face prin intermediul (permutarea) unor roți dințate baladoare.

Arborele principal al strungului AP are o construcție specială, în ceea ce privește lagărele. Principiul constructiv și modul de montare al acestor lagăre cu rulmenți conferă soluției adoptate pentru arborele principal următoarele proprietăți: preluarea sarcinilor radiale și axiale, rigiditate mărită, eliminarea solicitărilor termice ale rulmenților, asigurarea rotirii axului principal fără bătăi radiale, eliminarea vibrațiilor datorită răcirii și ungerii rulmenților.

Fig. 8.2. Schema cinematică a strungului SNA 560 [7]

Mișcarea de așchiere I și mișcările de avans II sau III sunt realizate prin acționare mecanică, iar prin acționare manuală se realizează mișcările II, III, IV și V.

Pentru fiecare mișcare există un lanț cinematic a cărui flux cinematic este prezentat în figura 17.

BIBLIOGRAFIE

Deacu, L., Kerekes, L., Julean, D., Cărean, M.

Bazele așchierii și generării suprafețelor, Atelierul de multiplicare, IPCN, Cluj – Napoca, 1992.

Deacu, L., Morar, L.

Exploatarea mașinilor unelte, Atelierul de multiplicare, IPCN, Cluj – Napoca, 1975.

Julean, D.

Așchierea metalelor, Editura Dacia, Cluj – Napoca, 2000.

König, W.

Fertigungsverfahren, Band 1, Drehen, Fräsen, Bohren, VDI, Verlag GmbH, Düsseldorf, 1990.

Nedezki Claudiu, Julean Dănuț,

Bazele așchierii și generării suprafețelor: îndrumător de lucrări, Edit. Casa Cărții de Știință, 2017, ISBN 978-606-17-1185-7, 146 pag.

Nedezki Claudiu,

Bazele așchierii și generării suprafețelor: suport de curs, Edit. Casa Cărții de Știință, 2017, ISBN 978-606-17-1183-3, 125 pag.

Nedezki Claudiu, Julean Dănuț.

Mașini și echipamente de fabricație – îndrumător de lucrări, Editura U.T.PRESS, Cluj- Napoca, 2012, ISBN 978-973-662-734-7, 164 pag.

Paucksch, E.

Zerspantechnick, 11., überarbeitete Auflage, – Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1996.

Vieregge, G.

Zerspanung der Eissenwerkstoffe, Düsseldorf, Verlag Stahleisen GmbH, 1972.