14 Uzura si durabilitatea sculei.pdf

UZURA ŞI DURABILITATEA SCULEI AŞCHIETOARE

14.1 Generalităţi In timpul procesului de aşchiere, datorită solicitărilor mecanice şi termice care apar pe feţele active ale sculei, apare un fenomen de uzură, care se manifestă prin pierderea capacităţii de aşchiere a sculei şi diminuarea calităţii prelucrării. Acest proces este continuu şi evolutiv, făcând ca starea parametrilor de performanţă ai sculei să se diminueze treptat.

In figura 14.1 este prezentată o schemă, care arată factorii implicaţi în acest fenomen şi efectele lor asupra procesului de aşchiere.

Fig.14.1 Factorii uzurii sculelor aşchietoare

AŞCHIETOARE

EFECTELE UZURII ASUPRA PROCESULUI

EFICIENŢA

ECONOMICĂ (COST, PRODUCTIVITATE)

PRECIZIA DE PRELUCRARE

GEOMETRIA ŞI STAREA STRUCTURALĂ A SUPRAFEŢEI

SOLICITĂRI ÎN SISTEMUL M.D.S.P. (FORŢE, MOMENTE, PUTERI)

UZURA SCULEI

DEFORMARE PLASTICĂ

OXIDAREDIFUZIUNEADEZIUNEABRAZIUNE CAUZELE UZURII SCULEI

ÎNCĂRCAREA SCULEI (MECANICĂ,

CONDIŢII DE AŞCHIERE

SCULĂ SEMIFABRICAT

14.2 Forme de uzură Indiferent de tipul sculei şi de condiţiile de exploatare se uzează concomitent atât faţa de aşezare cât şi faţa de degajare a acesteia. Uzura feţei de aşezare (Aα ) apare sub forma unei pete de uzură de o lăţime VB, paralelă cu direcţia muchiei aşchietoare. Profilul transversal al acestei pete

UZURA SI DURABILITATEA SCULEI

260

corespunde formei suprafeţei prelucrate. In apropierea vârfului şi în dreptul suprafeţei libere a semifabricatului, lăţimea petei de uzură poate să crească, în acest caz, datorită efectului eroziv al stratului superficial al piesei care are o duritate mare.

Uzura feţei de degajare (Aγ) este rezultatul efectului de erodare al aşchiei şi apare sub forma unui crater dispus la o anumită distanţă de muchie şi având dimensiunea maximă paralelă cu aceasta şi egală cu lungimea tăişului activ. Distanţa faţă de muchie se explică prin formarea depunerilor pe tăiş şi prin faptul că centrul de presiune al secţiunii aşchiei este la o anumită distanţă de muchie.

Tipul uzurii formate depinde în primul rând de parametri regimului de aşchiere, la viteze mici şi mijlocii predomină uzura feţei de aşezare, iar la viteze mari, uzura pe faţa de aşezare.

Fig.14.2 Zonele de uzură (STAS 12046/1-81)

Cauzele principale ale uzurii sculei se consideră a fi următoarele: deteriorarea tăişului sculei ca urmare a solicitărilor mecanice şi termice; adeziunea dintre materialul prelucrat şi sculă (depunerile pe tăiş); difuziunea elementelor de aliere dinspre concentraţia mai mare din sculă spre

cea mai mică, din piesă; efectul abraziv al componentelor mai dure din piesă asupra feţelor active ale


261

sculei; transportul de sarcină electrică (ioni), dinspre sculă spre piesă; oxidarea de pe feţele active ale sculei.

Tuturor acestor cauze le corespund anumite tipuri de uzură şi anume: a) Uzura prin deteriorarea sau ruperea muchiei,

a. b.

Acest tip de uzură apîn urma apariţiei uno(β) mici şi raze la vâfavorizează şi ea ruper Ca material de sculmaterialul din oţel demetalice sinterizate sase încadrează şi ruperunei încălziri neuniforconductibilitate termimateriale cu conductisculei).

La aşchierea întsă apară rupere prin oaşchii lamelare pot şi transversale.

Ruptura zimţatădatorită vibraţiilor disculă-aşchie, aceastainferioare, astfel că ap

De asemenea, profundă ceea ce prodpoate duce la ruperea oţelurilor cu carburi secţiuni mari de aşchburghie elicoidale şi în

Fig.14.3 Ruperea sau sfărâmarea tăişului

are ca urmare a ruperii sau sfărâmării muchiei aşchietoare r forţe mari, în special la scule având unghiuri de ascuţire rf, rε mici. De asemenea o duritate mare a materialului ea tăişului . ă cel mai puţin susceptibil la acest tip de uzură este scule, care prezintă o tenacitate mai mare decât carburile u materialele mineralo- ceramice. Tot în această categorie ea sau fărâmiţarea muchiei prin tensiuni termice datorate me a tăişului. Se manifestă la materiale de sculă care au o că redusă sau în cazul în care acestea sunt lipite pe bilitate mai bună (lipirea plăcuţelor din carburi pe corpul

reruptă solicitarea tăişului este deosebit de ridicată putând boseală. Variaţiile bruşte de solicitare datorate formării de ele să ducă la asemenea ruperi , care apar ca nişte rupturi

apare mai ales în cazul variaţiei adâncimii de aşchiere n procesul de aşchiere. Prin încălzirea zonei de contact tinde să se dilate, dar este împiedicată de straturile

ar tensiuni termice. la viteze de aşchiere mari, încălzirea este puternică şi uce atât la încălzire, cât şi la răcire o stare de tensiuni care tăişului. Rupturile zimţate se observă în special la frezarea metalice şi cu viteze mari de aşchiere, la rabotarea cu ie şi la prelucrarea găurilor de adâncime mai mare cu prezenţa fluidului de aşchiere.


262

b) Uzura prin deformare plastică,

Fig.14.4 Uzura prin deformare plastică

Apare la materiale de sculă din oţel aliat de scule, care prezintă o oarecare capacitate de deformare plastică şi se manifestă prin deformarea plastică a tăişului ducând la schimbarea geometriei sculei, fără a se preleva material din sculă. Poate apare şi la carburi metalice care au un conţinut mare de cobalt. Fenomenul apare mai puternic la materiale de sculă care au o termorezistenţă scăzută cum este cazul oţelurilor de scule, oţelurilor rapide şi chiar la plăcuţele din carburi metalice de tip K.

c) Uzura prin abraziune, Incluziunile şi particulele dure din materialul de prelucrat sau din aşchie provoacă zgârieturi ale sculei producând un efect abraziv, care duce la apariţia de şanţuri de uzură. Intensitatea abrazării este direct proporţională cu conţinutul de particule dure cum ar fi cementita sau carburile din oţeluri, cementita sau incluziunile de siliciu din fonte şi carbura de siliciu din aliaje de aluminiu. Acest tip de uzură apare atât pe faţa de aşezare cât şi pe cea de degajare, dar este determinantă pe prima, putându-se considera că uzura pe faţa de aşezare este în special datorată abraziunii. Această uzură predomină la începutul aşchierii când temperatura încă nu este ridicată. d) uzura prin adeziune, Se produce datorită depunerilor pe tăiş, care la desprindere smulg particule de material din sculă şi produc în acest fel craterul de uzură de pe faţa de degajare.

Pentru evitarea acestui tip de uzură se evită zonele care se produc depuneri pe

a. b.

Fig.14.5 Influenţa vitezei asupra depunerilor pe tăiş şi a uzurii


263

tăiş sau se iau măsurile referitoare la geometria sculei sau tratarea materialului de prelucrat pentru a se micşora tendinţa de lipire pe sculă. Se poate reduce acest fenomen prin folosirea de fluide de aşchiere potrivite. Din figura 14.5 rezultă influenţa vitezei de aşchiere asupra formării depunerilor pe tăiş şi asupra uzurii sculei. Se poate observa că uzura are un maxim în dreptul valorilor vitezei la care şi depunerea pe tăiş are un maxim. Explicaţia scăderii uzurii cu creşterea vitezei de aşchiere după depăşirea primului maxim este dată de reducerea durităţii depunerii prin recristalizare datorită depăşirii temperaturii de recristalizare. In aceste condiţii depunerea devine instabilă şi particulele desprinse vor fi antrenate în exclusivitate în aşchie.

e) Uzura prin difuziune.

Odată cu creşterea temperaturii şi depăşirea pragului de difuziune are loc o migrare a atomilor sau ionilor dinspre sculă înspre piesă şi invers, (fig.14.6), lucru care duce la apariţia unei uzuri de difuziune predominantă la temperaturi ridicate. Fenomenul este cu atât mai intens cu cât diferenţa de concentraţie a elementelor de aliere este mai mare şi cu cât conductibilitatea termică a sculei este mai bună. Oţelurile carbon de scule şi oţelurile rapide nu prezintă acest tip de uzură, deoarece, în general temperatura la care acestea

lucrează nu depăşeşte pragul de difuzie (temperatura la care energia particulelor este suficientă pentru a migra prin zona de contact).

Fig.14.6 Schema fenomenului de difuzie

In cazul carburilor metalice la care temperatura atinge 700-800oC pot avea loc următoarele reacţii:

difuzia Fe în fază intermediară de legătură din cobalt; difuzia Co în oţel, unde fierul şi cobaltul formează un şir continuu de

cristale mixte; descompunerea carburii de wolfram (WC) şi formarea carburilor

duble şi mixte sub formă de Fe3 C W3C , ( Fe W )6 şi (Fe W )23 C6 . Carbonul devenit liber în urma descompunerii carburii de wolfram se

deplasează spre zona de concentraţie mai redusă din oţelul de prelucrat. Este de remarcat faptul că difuziunea nu atinge niciodată starea de saturaţie deoarece la zona de contact se află tot timpul alt material datorită mişcării de aşchiere.


264

Uzura prin difuziune este relativ mică la sculele care conţin carburi duble de wolfram şi titan (W-Ti), deoarece acestea au o stabilitate mică în oţeluri. La suprafaţa sculei se formează un strat protector care duce la reducerea difuziei. Dacă sculele sunt acoperite cu straturi extradure, de exemplu cu nitrură de titan sau nitrură de bor şi alte materiale mineralo-ceramice, viteza de difuzie este de asemenea redusă ceea ce face ca la aceste scule uzura să fie mai redusă. Stratul de protecţie se recomandă să fie dintr-un material cât mai inert chimic sau fizic faţă de materialul prelucrat astfel acest tip de uzură se reduce la minim. f) Uzura prin oxidare, Datorită activităţii chimice ridicate a straturilor de material de pe feţele active din zona de contact a sculei cu aşchia şi a temperaturii ridicate din zonă, se

observă culori de revenire pe lângă zona de contact, semn că are loc o oxidare a materialului. Uzura propriu-zisă se produce datorită îndepărtării acestor oxizi prin frecarea cu aşchia şi cu piesa prelucrată. Oxidarea are loc la temperaturi ridicate, astfel pentru carburile metalice aceasta se produce la circa 700 -800 o C, temperatură la care carburile pe bază de cobalt şi carbură de wolfram (tip K) se oxidează mai puternic decât cele care conţin şi carburi

de titan sau altele (tip P şi M). La sculele din carburi de wolfram se formează în apropierea muchiei un strat de oxizi (Co3O7 , CoO, WO3 ), chiar în codiţii normale de temperatură şi prezenţa oxigenului. Acest strat are o duritate de 50 ori mai mică, [4] decât cea a carburii din care se formează, astfel că el nu rezistă la solicitările din procesul de aşchiere fiind uşor îndepărtat şi producând uzură.

Fig.14.7 Zonele uzate prin oxidare

Zonele pe care se manifestă acest tip de uzură vor fi cele care se află la marginea zonelor de contact sculă-piesă şi sculă-aşchie, unde oxigenul are acces, (fig.14.7). Efectul oxidării se manifestă mai intens pa faţa de aşezare secundară. Pentru studiul acestui fenomen se fac aşchieri în diferite medii gazoase şi se apreciază gradul de oxidare al sculei.


265

g) Uzura de natură electrică, Având în vedere că scula şi semifabricatul formează prin intermediul dispozitivelor şi maşinii- unelte un circuit electric închis, (bineînţeles în cazul când acestea sunt bune conducătoare de electricitate), la care există un contact cald, în zona de aşchiere şi un contact rece, în zona prinderii sculei şi semifabricatului, va apare efectul Peltier manifestat prin curentul de termocuplu, care participă la uzura sculei, lucru demonstrat prin izolarea electrică a piesei şi sculei, care a făcut ca uzura să scadă.

In procesul de aşchiere diferitele tipuri de uzură se manifestă în acelaşi timp fiind preponderent un anumit tip în funcţie de condiţiile concrete de lucru. In figura 14.8 este redată ponderea în uzura totală a diferitelor tipuri de uzură în funcţie de temperatura,(viteza de aşchiere), care este factorul determinant. Se observă că la viteze mici de aşchiere predomină uzura mecanică şi de adeziune, iar peste o anumită

limită predomină uzura prin oxidare şi cea prin difuzie. Maximul curbei de uzură coincide cu maximul depunerilor pe tăiş. Apariţia unui minim local după primul maxim este explicată de unii specialişti prin apariţia unui strat protector pe suprafeţele active ale sculei.

Suma tuturor tipurilor de uzură formează uzura totală, iar reprezentarea acesteia în timp prin unul din

parametrii indicaţi la criteriile directe de apreciere a uzurii se numeşte caracteristica de uzură şi are aceeaşi formă ca şi la alte organe de maşini, figura 14.8.

Fig.14.8 Caracteristica de uzură

Se pot observa zonele de uzura de amorsare sau de rodaj, palierul de uzură normală şi zona de uzură catastrofală. 14.3 Criterii de uzură

Pentru aprecierea gradului de uzură există criterii indirecte şi criterii directe. Cele indirecte se bazează pe măsurarea unor indici nelegaţi direct de uzură, cum ar fi forţele de aşchiere, rugozitatea suprafeţei şi forma aşchiei. Se consideră că scula este uzată când se atinge valoarea unuia din indicii prestabiliţi indiferent dacă este un indice direct sau indirect. Indicii direcţi de apreciere sunt cei legaţi de măsurarea efectivă a uzurii şi sunt standardizaţi. Se referă la măsurarea uzurii pe faţa de aşezare sau pe cea de degajare şi exprimarea acestei mărimi ca indice de uzură. Mărimea uzurii corespunzătoare acestui indicator se consideră a fi uzura admisibilă sau uzura critică şi ea se stabileşte în funcţie de tipul sculei,


266

operaţiei sau preciziei impuse la aşchierea piesei. In practică se consideră că scula este uzată în următoarele cazuri:

înrăutăţirea bruscă a calităţii suprafeţei; micşorarea preciziei, în special datorită retragerii vârfului sculei; apariţia unor trepidaţii puternice; încălzirea puternică a semifabricatului ; creşterea forţei aşchietoare ducând la pericolul de rupere al sculei; deteriorarea tăişului din etapa uzurii avansate care poate afecta serios

fiabilitatea şi durata de exploatare totală a sculei. Folosirea criteriilor indirecte pentru stabilirea uzurii admisibile este imprecisă şi se ia de obicei numai împreună cu un alt indice direct pentru a avea o mai bună siguranţă în apreciere .

14.3.1 Criterii directe de apreciere a uzurii

Prin STAS 12046/1-81 s-au stabilit diferiţi parametri pentru caracterizarea uzurii sculei aşchietoare (fig. 14.2). Sunt considerate 4 zone de uzură notate A , B, C şi N, trei pentru faţa de aşezare principală şi una pentru cea secundară :

- zona A, care se află pe faţa secundară de aşezare şi are lungimea egală cu lungimea tăişului secundar activ a= T’

act şi se notează cu VAA, iar lăţimea uzurii maxime cu VAAmax considerându-se ca lăţime a uzurii medii valoarea:

n / ) VA ( = VA imed ∑ (14.1)

tot în această zonă apărând şi o uzură sub formă de crestătură, specifică prelucrării cu avans foarte mare sau cu scule cu raza la vârf prea mică;

- pentru faţa de aşezare principală de lungime b= Tact (lungimea activă a muchiei principale), lăţimea se notează cu VB afectată de indicele zonei pentru care se consideră uzura: VBB, VBC, VBN şi respectiv VBmax pentru zonele B, C, N şi respectiv pentru valoarea maximă, iar valoarea medie se obţine cu relaţia:

n / ) VB ( = VB imed ∑ (14.2)

Tot pe această zonă apare şi uzura sub formă de crestătură în cazul prelucrării de piese forjate sau cu strat dur de oxizi; - pentru cazul burghiului apare şi tăişul transversal unde se notează cu VBT;

Pentru faţa de degajare se consideră următoarele criterii: KT, adâncimea craterului de uzură; KM, distanţa adâncimii maxime a craterului faţă de vârful sculei; KB, lăţimea craterului de uzură.

Pe lângă cei trei parametri se utilizează şi alţi parametri derivaţi cum sunt: K=KT/KM numit şi caracteristica de profunzime şi KS=KL/KB,


267

caracteristica de suprafaţă în care KL este distanţa originii craterului de la vârful sculei.

In practică se folosesc mai mult indicii care se referă la suprafaţa de aşezare deoarece aici uzura se produce mai repede, are o mai puternică influenţă mai puternic negativă asupra aşchierii şi se măsoară mai uşor.

Standardele ISO recomandă următoarele valori limită pentru indicii de uzură:

a) pentru scule din oţel rapid sau carburi metalice: 1. Uzura catastrofală; 2. VBB = 0.3 mm pentru uzura regulată în zona B; 3. VBmax = 0.6 mm pentru uzură neregulată, zgârieturi, sfărâmături sau crestături;

b) pentru materiale mineralo-ceramice: 4. VBB = 0.3 mm; 5. VBmax = 0.6 mm pentru uzură neuniformă; 6. KT = 0.06 + 0.3f , unde f este avansul în mm/rot. Nu se permite uzura sculei până la uzura catastrofală deoarece îngreunează reascuţirea şi se reduce durata totală de folosire a sculei precum şi deteriorarea suprafeţei prelucrate .

14.3.2 Date practice privind uzura sculelor

a) Cuţite de strung. In funcţie de parametri regimului de aşchiere şi materialul sculei şi al semifabricatului, uzura cuţitelor de strung se produce simultan pe cele două feţe active sau numai pe una din ele. In cazul strunjirii oţelului cu cuţite din oţel rapid, fără răcire, uzura predomină pe faţa de degajare , dar spre momentul uzurii catastrofale şi se distruge muchia aşchietoare prin avansarea craterului de uzură, apare şi o uzură pe faţa de aşezare, care se limitează la VBB = 0,5 mm. Pentru aşchierea cu fluide de aşchiere lucrurile sunt diferite, în sensul că uzura apare pe faţa de aşezare admiţându-se o uzură VBB= 2 mm.

In cazul strunjirii fontei uzura are loc pe faţa de aşezare, iar pe faţa de degajare apare numai o dungă strălucitore. Pentru degroşare se consideră VBB = 4 mm (deoarece la această valoare are loc o creştere bruscă a forţei de aşchiere) , iar la finisare se admite VBB = 2 mm, deoarece peste această valoare are loc o înrăutăţire a suprafeţei prelucrate.

La strunjirea oţelului cu plăcuţe din carburi metalice din grupa de utilizare P, uzura are loc atât pe faţa de aşezare cât şi pe cea de degajare şi se admite o uzură VBB = 1,0... 1,2 mm.

La srunjirea fontei cu plăcuţe din grupa K se admite o uzură VBB = 0,8...1,0 mm.

La strunjirea oţelului şi a fontei cu plăcuţe din materiale mineralo-


268

ceramice, uzura are loc mai ales pe faţa de aşezare şi se admite o uzură VBB = 0,5..0,7 mm.

Pentru cuţitele de rabotat armate cu plăcuţe din carburi metalice grupa K30 se admite o uzură VBB = 0,9...1,2 mm, iar pentru cuţite din Rp 3 se admite pentru prelucrarea oţelului VBB = 2 mm şi pentru fontă VBB = 4 mm .

Pentru frezare uzura apare mai ales pe faţa de aşezare, dar poate apare simultan şi pe cea de degajare. Pentru diferite materiale de sculă şi pentru tipuri de freze uzura admisibilă se alege în aşa manieră încât să se obţină o durabilitate totală cât mai ridicată după un număr de reascuţiri. De asemenea se va alege uzura admisibilă şi în funcţie de tipul operaţiei: degroşare (mai mare) şi finisare (mai mică). Tinând cont de aceste criterii uzura VBB se alege între 0,3 şi 2,0 mm, valorile mai mici la finisare şi la prelucrare oţel şi mai mari la degroşare şi prelucrarea fontei.

Pentru burghie şi alte scule de prelucrarea găurilor se ia criteriul de uzură VBmax la racordarea tăişului principal cu cel secundar luându-se ca valori recomandate următoarele:

• VBmax = 0,4 mm la diametre D = 10...12 mm; • Vbmax = 0,6 mm la diametre D = 13...18 mm; • VB max = 0,8 mm la diametre D = 19..25 mm; • VB max = 1,2 mm la diametre D = 25...50 mm.

La lărgire se admit uzuri de până la 1,5 mm, iar la alezare pentru obţinerea unei rugozităţi Ra = 0,8...1,6µm se admite o uzură VB = 0,4…0,7 mm. 14.4 DURABILITATEA SCULEI AŞCHIETOARE

14.4.1 Generalităţi

Pornind de la caracteristica de uzură şi stabilind uzura admisibilă se poate determina durabilitatea efectivă a sculei aşchietoare, pornind de la valoare uzurii admisibile stabilită pe ordonată şi căutând timpul corespunzător pe abscisă, conform paragrafului anterior. Timpul T, se numeşte durabilitate efectivă.

Durabilitatea efectivă este timpul efectiv de lucru al sculei, în minute, între două ascuţiri consecutive şi în anumite condiţii bine definite de aşchiere.

La atingerea uzurii admisibile scula nu şi-a pierdut încă capacitatea de aşchiere, dar nu mai asigură satisfacerea cerinţelor impuse de criteriul de uzură ales şi capacitatea de aşchiere a sculei trebuie refăcută prin reascuţire sau prin schimbarea muchiei aşchietoare la sculele cu plăcuţe din carburi metalice.

Durabilitatea mai poate fi exprimată sub următoarele forme: - timpul efectiv de aşchiere, T, în minute;


269

- timpul de maşină la aşchierea întreruptă, Tm , în minute; - drumul de aşchiere efectiv, corespunzător durabilităţii sculei, vT L ⋅= ,

în m, unde v este viteza de aşchiere, în m / min; - suprafaţa aşchiată pe perioada durabilităţii sculei: , în mb vT ST ⋅⋅= 2,

unde b este lăţimea aşchiei; - numărul de piese executate în timpul unei perioade egală cu

durabilitatea: , unde tbT T/ t N = b este timpul de bază al operaţiei; - volumul de aşchii îndepărtat în timpul T: vf tV

T ⋅⋅= , T în mm3, unde t şi f sunt adâncimea şi respectiv avansul de aşchiere.

Folosirea uneia din expresiile de mai sus se face în funcţie de tipul operaţiei şi de factorul pe care dorim să-l determinăm în procesul de aşchiere. Studiul durabilităţii în funcţie de parametri regimului de aşchiere a relevat faptul că principala influenţă asupra acesteia o are viteza de aşchiere urmată de ceilalţi parametri ai procesului de aşchiere.

Toţi factorii procesului de aşchiere care influenţează uzura influenţează automat şi durabilitatea sculei, aceasta reflectând legătura uzură- durabilitate. Primul care a studiat această problemă a fost Taylor, [17] care în urma cercetărilor efectuate asupra legăturii viteză- durabilitate, în 1905 a obţinut cunoscuta relaţie:

CtTv m=⋅ (14.3) Această relaţie arată că durabilitatea nu variază liniar cu viteza de aşchiere şi că durabilitatea scade cu creşterea vitezei. Deşi de-a lungul anilor această relaţie a fost completată de o serie de cercetători ai domeniului aşchierii, care au adus noi contribuţii la forma ei, dar în esenţă, modificările s-au dovedit utile doar la limitele uzurii sau în condiţii speciale cu toţii fiind de acord că atâta timp cât uzura se menţine pe palierul de uzură normală, relaţia lui Taylor este suficient de exactă şi rezultatele practice sunt foarte bune. De altfel, experimentările au fost programate pentru 6 luni şi au durat 26 de ani, consumându-se 400 tone de oţel şi executându-se mai mult de 50.000 de experienţe. 14.4.2 Dependenţa durabilitate - viteză de aşchiere Pentru stabilirea acestei dependenţe se fac experimente de aşchiere cu diferite viteze de aşchiere şi păstrând constante uzura limită, avansul şi adâncimea de aşchiere. In aceste condiţii se obţin curbe de variaţie de genul celor din figura 14.9. Domeniul de variaţie al vitezei de aşchiere este totuşi păstrat între anumite limite pentru a avea o bună precizie, iar uzura trebuie menţinută pe palierul de uzură normală, destul de departe de uzura catastrofală.


270

Fig. 14.9 Relaţia durabilitate-viteză

Considerând relaţia (14.5) şi scriind-o sub o altă formă :

vC T kT ⋅=

vlgk CTlg T lg

(14.4) şi logaritmând se obţine :

(14.5)

+=

de unde se obţine :

a b

a b

lg - lg T Tk = tg = lg - lg v V

ω (14.6)

Valoarea k este negativă şi reprezintă panta dreptei din figura 14.10.

Constantele din formulele (14.6) şi (14.7) reprezintă viteza pentru o durabilitate T = 1 min. şi respectiv durabilitatea pentru o viteză de 1 m/min. Influenţa mărimii pantei asupra comportării sculei faţă de viteza de aşchiere se

explică în felul următor: cu cât panta este mai mare la o variaţie mică a vitezei se obţine o variaţie mare de durabilitate, (fig. 14.10) deci scula este mai sensibilă la variaţia de viteză, iar dacă panta este mai mică variaţia durabilităţii la aceeaşi variaţie de viteză este mai mică, deci scula este mai puţin sensibilă la viteză. In

Fig. 14.10 Influenţa coeficientului de pantă asupra curbelor T-v


271

domeniul vitezelor mici de aşchiere sensibilitatea sculei este mai mică, dar la viteze mari cum sunt cele de finisare panta devine mai mare. 14.4.3 Analiza factorilor de influenţă ai durabilităţii, [4] Din punct de vedere al proiectării unui proces de aşchiere, pe lângă stabilirea vitezei optime de aşchiere, un rol determinant îl au avansul de lucru şi adâncimea de aşchiere.

Fig.14.11 Poziţia curbelor T-v faţă de origine

Urmărind figura 14.11 se observă că îndepărtarea curbei de durabilitate de origine înseamnă o creştere a durabilităţii. Dacă se consideră T= const. Se obţine aceeaşi durabilitate la viteze mai mari, iar dacă se menţine viteza constantă se obţin durabilităţi mai ridicate.

Fig. 14.12 Influenţa unor factori asupra curbelor T-v


272

Cu cât exponentul m este mai mic cu atât dreapta se va apropia mai mult de orizontală şi la aceeaşi variaţie de viteză se va obţine o variaţie mai mică de durabilitate.

In acest mod se pot aprecia influenţele diferiţilor factori prin deplasarea curbei de durabilitate şi prin schimbarea pantei acesteia de către parametri vizaţi. Astfel din figura 14.12 se poate trage concluzia asupra unor parametri ai procesului de aşchiere, cum sunt:

- avansul de lucru, f în mm/rot, adâncimea de aşchiere, t, în mm, unghiurile de aşezare şi de degajare. Materialul părţii active al sculei împreună cu unghiul de atac, duritatea şi rezistenţa la rupere, uzura limită admisă şi folosirea fluidelor de aşchiere.

Pentru a determina influenţa avansului şi adâncimii de aşchiere se iau constante, pe rând, adâncimea şi respectiv avansul de lucru şi se trasează curbele vT = f (f) şi vT = f(ap) obţinându-se relaţii de forma:

vyp

1T a

Cv = (14.7)

şi, respectiv:

vx2

T fCv = (14.8)

Din relaţiile de mai sus se obţine relaţia principală a vitezei de aşchiere în funcţie de durabilitate, avansul de lucru şi adâncimea de aşchiere:

yvxvp

vTT fa

Cv⋅

= (14.9)

In figurile 14.13 şi 14.14 sunt redate influenţele avansului şi adâncimii de

aşchiere asupra durabilităţii sculei de unde se poate observa că cea mai mare influenţă o are viteza de aşchiere urmată de avans şi apoi de adâncimea de aşchiere.

Fig. 14.13 Influenţa avansului asupra durabilităţii


273

O relaţie mai completă este derivată din cea anterioară şi a fost dezvoltată de Gilbert :

yvxvmv

ftTCv

⋅⋅= (14.10)

Fig14.14 Influenţa adâncimii de aşchiere asupra durabilităţii

relaţie valabilă pentru strunjire şi o relaţie mai completă , derivată din aceasta şi valabilă pentru frezare:

vuvyvqvpl

xvp

m

qs k

zfaaTDv

⋅⋅⋅⋅= (14.11)

unde Cv , m , xv, ym, qv , q , uv sunt coeficienţi determinaţi experimental; a pl, fd - adâncimea secundară de aşchiere şi avansul pe dinte;

Ds - diametrul sculei; z - numărul de dinţi ai sculei.

Pentru ceilalţi parametri, care nu sunt explicit cuprinşi în relaţia de mai sus, se introduce coeficientul de corecţie kv , care este un produs al mai multor factori ce au în vedere mărirea sau micşorarea vitezei calculate în funcţie de tipul influenţei factorului respectiv. Acest coeficient se poate exprima prin relaţia :

n

vi 1

= k=

ik∏ (14.12)

unde n este numărul factorilor de corecţie care se iau în considerare. Aceşti factori de influenţă se găsesc în literatura de specialitate sau în bazele de date pentru regimurile de aşchiere.

Printre cei mai importanţi factori, care corectează viteza de aşchiere şi care sunt luaţi în considerare prin corecţii sub forma ki , sunt următorii:

- materialul de prelucrat- modificarea rezistenţei la rupere şi respectiv a durităţii materialului de prelucrat duce la modificarea puternică a durabilităţii sculei, în sensul micşorării odată cu creşterea celor două; modificarea celorlalte proprietăţi fizico-mecanice duce de asemenea la modificări ale durabilităţii . Există în literatura de specialitate formule care arată această influenţă de genul


274

celor de mai jos :

vnrv = C / v [m/ min]σ (14.13)

unde nv = 1,5...1,75 , pentru oţel şi oţel turnat şi:

vnv = C / (HB v [m/ min]) (14.14)

unde nv = 1,7, pentru fontă, iar C este un coeficient determinat pentru materiale cu caracteristici apropiate. Relaţiile de mai sus servesc la stabilirea vitezei de aşchiere pentru un material oarecare faţă de un material etalon la care se cunoaşte viteza, folosind relaţiile:

vnre rev v ( / )σ σ= (14.15)

sau:

vne ev v / HB (HB )= (14.16)

Valorile pentru nv se pot lua din tabele din literatura de specialitate, [9]. Formulele de mai sus au un caracter indicativ fiind valabile pentru un domeniu restrâns deoarece nu ţin cont de compoziţia chimică, structura metalografică şi schimbarea proprietăţilor mecanice în timpul aşchierii (de exemplu ecruisarea).

- geometria sculei influenţează prin modificarea durabilităţii sculei la modificarea unghiului de degajare (creşterea lui T până la o creştere a lui (la valoarea optimă, după care scăderea durabilităţii deoarece scade prea mult unghiul de ascuţire). Unghiul de aşezare influenţează şi el la valori mari ale acestuia se pot lua viteze de aşchiere mai mari. De asemenea are influenţă si unghiul de atac principal κr, care modifică forma secţiunii aşchiei şi prin scăderea lui poate creşte viteza de aşchiere. Micşorarea acestui unghi nu poate fi prea mare la semifabricatele cu rigiditate transversală redusă, deoarece duce la apariţia vibraţiilor, astfel că se caută un optim între cele două.

- folosirea fluidelor de aşchiere duce de asemenea la posibilitatea creşterii vitezei de aşchiere, mai mult la scule din oţel rapid decât la cele cu plăcuţe din carburi metalice, unde peste o anumită viteză de aşchiere efectul fluidelor este nesemnificativ. Este de remarcat faptul că folosirea fluidelor modifică atât constanta Cv, cât şi panta curbelor T - v .

- uzura limită admisă are de asemenea un efect asupra vitezei de aşchiere deoarece mărirea uzurii limită duce la creşterea durabilităţii în condiţiile păstrării constante a celorlalţi parametri.

In general s-a constatat că într-un domeniu mai larg de variaţie a parametrilor de aşchiere, durabilitatea calculată cu formula Taylor, (Gilbert) diferă mult de cea stabilită prin încercări experimentale. In figurile 14.15 şi


275

14.16 se poate observa diferenţa dintre curba teoretică de cea reală . Curba de durabilitate este monoton crescătoare, dar în unele cazuri, poate să înregistreze unele maxime locale.

De exemplu, în cazul sculelor din oţel rapid durabilitatea scade în cazul formării depunerilor pe tăiş instabile şi creşte în cazul formării celor stabile. La sculele din carburi metalice există un domeniu de viteze în care există o abatere de la monotonie. Creşterea durabilităţii se explică prin formarea locală a unui strat protector de natură nemetalică (în urma oxidării sculelor cu conţinut ridicat de carbură de titan), care protejează la uzură, dar oxidarea prea puternică duce la o scădere marcată a durabilităţii sculei.

Pentru eliminarea incertitudinilor date de lărgimea prea mare a domeniului de variaţie se recomandă divizarea acestuia pe domenii mai mici, mărind în acest fel precizia determinărilor.

Fig.14.16 Curbele T-v pe domeniu larg

Fig.14.15 Curbe teoretice şi reale

Metoda este greoaie şi nu aduce beneficii importante. O altă metodă constă în a stabili pe cale experimentală o durabilitate pentru diferite perechi de materiale sculă - piesă pentru domeniile reale de viteze şi exprimarea curbei prin relaţii matematice. Dintre relaţiile neliniare se remarcă modelul Konig – Depiereux, [7] care aproximează cu mare precizie dependenţa T - v . In tabelul 14.1 se prezintă câteva modele ale durabilităţii .


276

Tabelul 14.1

Nr. crt.

Autor

Modelul matematic

1

Wallichs -Hunger

VB = C J0.5

2

Gilbert

v Tm = C / sp t q

3

Colding

0=lnT lnsa+lnT lnva+lns lnva +)(lnTa+

+)(lnsa+lnsa+)vln(a+lnva+a

9872

6

254

2321

4

Konig - Depiereux

e=T C+snis-v

mkv- nm ⋅⋅

5

Degenhard

0 VB = VB u0 vτ

6

Kronenberg

C = T)k + (v v

u⋅

7

Safonov

Ca = T vb⋅

8

Temcin v+C

a = T b

9

Granovski

eva = T vb⋅⋅⋅

10

Florek

E = eT o

vα⋅

11

Bali

C+vva = T b⋅

12

Oprean-Marinescu

ατβ

π⋅τ

⋅ -21-exp

2pC = VB

2

2

14.4.4 Calculul uzurii şi al durabilităţii sculei în cazul exploatării acesteia

în regim variabil, [4] In majoritatea cazurilor practice la prelucrarea prin aşchiere scula lucrează

în condiţii variabile până în momentul atingerii uzurii limită, deci până la atingerea durabilităţii T. Considerând:

kvkvbv C v= • (14.17)

şi presupunând legea de variaţie a vitezei de aşchiere v = v(J), unde J reprezintă


277

timpul în minute, după scurgerea unui anumit timp uzura poate fi exprimată prin relaţia:

VBVB = v( )dC τ τ∫ (14.18) Inlocuind în relaţia:

vkvkvkvk uzyxvkkv vftCv τ⋅⋅⋅⋅= (14.19)

uzura limită VBlim şi respectiv în locul lui J valoarea T a sculei şi având în vedere şi relaţia:

limT

VB

VB = CC

(14.20)

se obţine relaţia ce permite calculul durabilităţii sculei pentru condiţii variabile de aşchiere:

kT = d[v( )]C ττ∫ (14.21)

Aceeaşi valoare a uzurii limită poate fi atinsă în acelaşi timp T, aşchiind cu o viteză echivalentă de aşchiere:

τ⋅τ∫⋅ d])[v( = vT = C kkechT (14.22)

din care rezultă valoarea vitezei echivalente:

]d])[v(T1[ = v k k

1

ech τ⋅τ∫⋅ (14.23)

In cazul variaţiei în trepte a vitezei de aşchiere conform figurii 14.17, care este reprezentarea fizică a strunjirii unui arbore in trepte cu turaţie constantă, viteza de aşchiere va avea valori diferite şi luând pentru simplificare numai două trepte

cu D1 şi D2 , va rezulta v1 şi v2 , deci şi vk1 şi vk2. Considerând drumuri scurte de aşchiere se poate admite că uzura este liniară, caz în care vom avea :

Fig.14.17 Diagrama uzură-timp la prelucrarea în trepte

τ⋅

1k1

kvkvk

1V = vC = 1v (14.24)

şi similar pentru vvk2 , unde Vk1 şi Vk2 reprezintă uzura pentru timpii efectivi de aşchiere J1 şi J2. Se introduce noţiunea de viteză echivalenta de aşchiere în aşa fel încât:


278

vC = v kechvkechvk, ⋅ (14.25)

iar în cazul concret se poate considera că suma uzurilor pe cele două diametre prelucrate se poate scrie ca:

)+(v=v+V=v+v 21ech22vk11vk2k1k ττ⋅τ⋅τ⋅ (14.26) respectiv,

)+( v C = v C+v C 21kechvk

k2vk

k1vk ττ⋅⋅⋅ (14.27)

Impărţind această relaţie cu Cvk ( J1 + J2 ) se obţine:

τττ

τττ

21

1k2

21

1k1

kech +

v + +

v = v (14.28)

Notând pentru cazul general 8i = Ji / E Ji , viteza echivalentă de aşchiere pentru un arbore având un număr oarecare de trepte, va fi dată de relaţia:

v = v kii

kech ⋅λ∑ (14.29)

Inlocuind în relaţia de mai sus expresia vitezei de aşchiere se ajunge la relaţia:

)D( = D k

iikech ⋅λ∑ (14.30)

unde Dech reprezintă diametrul unei piese imaginare pe care aşchiind-o ar rezulta o uzura egală cu cea a arborelui în trepte real. Piesa astfel obţinută se numeşte piesă echivalentă. BIBLIOGRAFIE Armarego, E.I.A. şi Brown, R.H. The Machining of Metals, Prentice Hall Englewood Cliffs, New Jersey, 1969. 1. Betz,P., Schafer, W. Zur problematik der Verschleisserfassung an Zerspanungswerkzeugen.

In CIRP Berichte, vol.22, nr.1, 1973. 2. Boothroyd, G. Fundamental of Machining Metals and Machine tools. International students

edition, Tokyo,McGraw-Hill, Kogakusa, Ltd.1985. 3. Deacu, L. Kerekes, L., Julean, D., Cărean, M. Bazele aşchierii şi generării suprafeţelor,

Univ. Tehnică, Cluj-Napoca, 1992. 4. Drăghici, G. Tehnologia construcţiilor de maşini. Bucureşti, Ed. Didactică şi pedagogică,

1977. 5. Dumitraş, G., Militaru, C. Aşchierea metalelor şi fiabilitatea sculelor aşchietoare.

Bucureşti, Ed. Tehnică, 1983. 6. Konig, W., ş.a. Schnittwerte an spezifische Bearbeitungsaufgaben anpassen. Industrie

Anzeiger, nr.84, 1983.


279

7. Lăzărescu,I. Aşchiere şi scule aşchietoare. Bucureşti, Ed. didactică şi pedagogica, 1976. 8. Lăzărescu,I. Teoria aşchierii metalelor şi proiectarea sculelor. Bucureşti, Ed.didactică şi

pedagogică, 1964. 9. Micheletti, G.F., Boer, C. A statistical model of Taylor equation. In: Annals of the CIRP,

vol.22, nr.1, 1973. 10. Oancea, N. Bazele aschierii şi generarii suprafeţelor. Rotaprint, Universitatea Galaţi, 1978. 11. Opitz, H. Moderne produktionstechnic. Stand und Tendenzen. Essen, Verlag W. Girardet,

1971. 12. Oprean,A. ş.a. Bazele aşchierii şi generării suprafeţelor. Bucureşti, Ed. didactică şi

pedagogică, 1981. 13. Popescu, I. Optimizarea procesului de aşchiere. Craiova, Ed. Scrisul românesc, 1987. 14. Sen, G.C. şi Bhattacharyya, A. Principles of cutting Metals. Calcutta, New Central Book

Agency 8/1 Chintamoni, Das Lane, 1970. 15. Şteţiu G., Lazărescu, I., Oprean,C. şi Steţiu M. Teoria şi practica sculelor aşchietoare.

Vol.I, II, III, Sibiu, Editura Universităţii, 1994. 16. Taylor, F.W. On the Art of Cutting Metals. In: Trans.ASME, vol.28, 1907. 17. Taylor, F.W., Wallichs, A. Uber Dreharbeit und Werkzeugsthale, Berlin Springer, 1917.

14 Uzura si durabilitatea sculei.pdf

Documents

Transcript of 14 Uzura si durabilitatea sculei.pdf