Precizia prelucrarii mecanice a pieselor

CAPITOLUL 4

PRECIZIA PRELUCRĂRII MECANICE A PIESELOR

4.1 Definirea preciziei de prelucrare. Categorii de erori de prelucrare

Executarea unei piesei se realizează plecând de la un model, care poate fi

fizic sau o reprezentare grafică a sa (desenul de execuţie). În practică nu este posibil, dar nici economic să se execute piese identice cu modelul, deoarece:

- precizia de prelucrare (precizia constructivă efectivă) este influenţată de mai mulţi factori (erori de prelucrare); - costul de prelucrare a piesei ar creşte foarte mult pe măsura scăderii toleranţelor de executat (precizia de prelucrare este invers proporţională cu costul prelucrării), fig. 4.1.

Precizia prescrisă piesei de către proiectant (precizia constructivă prescrisă) este stabilită în funcţie de rolul funcţional al acesteia în cadrul sistemului mecanic din care face parte. Se numeşte precizie de prelucrare a piesei, gradul de concordanţă dintre piesa cu profilul efectiv (profilul rezultat după procesul de prelucrare şi pus în evidenţă cu ajutorul mijloacelor de măsurare) şi modelul său. Precizia de prelucrare se exprimă, de obicei, printr-o mărime inversă, numită abatere tehnologică, asociată elementelor geometrice ale piesei (suprafeţe, muchii). Deoarece piesele sunt formate din mai multe elemente geometrice i, i = 1,

Toleranţa efectivă [µm]

Costul prelucrării [lei]

Precizia prelucrării

Fig. 4.1 Dependenţa cost – precizie de prelucrare

108 Tehnologia Fabricării Produselor 1

2, ..., n, precizia de prelucrare este definită prin mai multe variabile abateri tehnologice Aij, asociate caracteristicilor geometrice j, j = 1, 2, …, m, ale acestora:

- abateri dimensionale (diametru, cotă liniară etc.), - abateri de formă geometrică (rectilinitate, coaxialitate etc.) etc. Astfel, precizia de prelucrare a piesei Pp se exprimă ca o mulţime de abateri

tehnologice Aij, asociate caracteristicilor geometrice j ale elementelor geometrice i ale piesei:

Pp = {A11, A12, … Aij, ..., Anm} (4.1)

Pentru realizarea unei piese se pleacă de la un semifabricat brut (element de intrare în procesul tehnologic de prelucrare), care este supus unei succesiuni de operaţii tehnologice. În scopul obţinerii preciziei prescrise piesei, la proiectarea procesului tehnologic de prelucrare a piesei, proiectantul procesului tehnologic prescrie pentru fiecare caracteristică geometrică mărimi (dimensiuni) intermediare şi toleranţe tehnologice, care sunt realizate în cadrul operaţiilor tehnologice.

Se numeşte precizie tehnologică, gradul de concordanţă dintre toleranţa efectivă rezultată în urma unei operaţii de prelucrare şi toleranţa tehnologică prescrisă. Precizia tehnologică se exprimă printr-o mărime inversă, numită abatere tehnologică Aijk, care este asociată unei caracteristici geometrice j a unui element geometric i realizat în operaţia k, k = 1, 2, ... p.

Abaterile tehnologice care determină precizia de prelucrare a piesei (PP) sunt cele rezultate în cadrul ultimei operaţii de prelucrare a elementului geometric i al piesei.

Abaterile tehnologice Aijk se determină la nivelul fiecărei operaţii a procesului tehnologic. Fiecare dintre aceste abateri tehnologice este rezultatul acţiunii exercitate în timpul operaţiei de prelucrare de mai mulţi factori numiţi erori de prelucrare, εl, l = 1, 2, …, r.

Analiza abaterilor tehnologice constă în analizarea tuturor factorilor care intervin în cadrul operaţiei de prelucrare, începând cu identificarea cauzelor (erorilor de prelucrare) şi încheind cu determinarea efectului acestora (abaterile tehnologice). O diagramă cauză – efect generală (diagrama „5M”), care pune în evidenţă factorii de influenţă asupra preciziei de prelucrare este prezentată în fig. 4.2.

Deşi numărul factorilor care pot influenţa precizia de prelucrare este mare, în condiţii concrete de prelucrare (operaţie tehnologică dată) doar o parte dintre ei sunt semnificativi. Dintre factorii prezentaţi în fig. 4.2, cei cu cea mai mare şi frecventă influenţă asupra preciziei de prelucrare pot fi grupaţi astfel:

- erorile geometrice ale sistemului tehnologic;

4. Precizia prelucrării mecanice a pieselor 109

- deformaţiile elastice ale sistemului tehnologic; - deformaţiile termice ale sistemului tehnologic; - uzura elementelor sistemului tehnologic; - fenomenele dinamice din sistemul tehnologic (vibraţiile); - tensiunile remanente din piesă (semifabricat); - erorile de instalare ale semifabricatului.

Fig. 4.2 Factorii care influenţează precizia de prelucrare

O bună parte dintre aceste erori cauzează abateri tehnologice care depind şi

de intensitatea regimului de prelucrare (deformaţiile elastice, termice, uzura etc.), în timp ce alte erori conduc la abateri ce sunt (sau pot fi considerate) independente de intensitatea regimului de prelucrare (erorile geometrice, erorile de orientare a semifabricatului).

În funcţie de modul lor de manifestare d e la o p iesă la alta, erorile de prelucrare pot fi sistematice sau aleatoare.

PP

ST

Op. Pr.


Erorile sistematice sunt cele ale căror cauze de apariţie sunt cunoscute, iar legile lor de variaţie sunt bine determinate, fapt ce permite luarea de măsuri pentru eliminarea sau micşorarea lor. În funcţie de evoluţia lor în timp, erorile sistematice pot fi erori sistematice constante şi erori sistematice variabile. Erorile sistematice constante au valori constante în timp, adică se manifestă în acelaşi mod la prelucrarea oricărei piese în cadrul aceleiaşi operaţii tehnologice. Erorile sistematice variabile au valori variabile în timp, iar influenţa lor asupra preciziei de prelucrare se manifestă diferit de la o piesă la alta, pentru aceeaşi operaţie tehnologică. Erorile aleatoare (întâmplătoare) sunt cele cauzate de un complex de factori, a căror influenţă individuală nu poate fi depistată şi înlăturată. Mărimile şi semnele acestor erori sunt variabile de la prelucrarea unei piese la alta, pentru aceeaşi operaţie tehnologică. De aceea, nu este posibilă stabilirea influenţelor individuale ale erorilor aleatoare asupra preciziei de prelucrare, ci numai influenţa comună a acestora, cu ajutorul tehnicilor de statistică matematică, prin prelucrarea statistică a unor date obţinute experimental.

4.2 Caracterizarea principalelor erori de prelucrare

4.2.1 Erorile geometrice ale sistemului tehnologic Precizia geometrică a unui sistem tehnologic este determinată de precizia

geometrică a elementelor componente şi de precizia poziţionării reciproce a acestora. Erorile geometrice ale sistemelor tehnologice pot fi erori dimensionale, de formă sau de poziţie ale suprafeţelor active ale elementelor componente (maşină-unealtă, dispozitive, scule, verificatoare, port-programe rigide).

Precizia geometrică a elementelor componente ale ST este determinată, la rândul ei, de precizia geometrică a pieselor componente şi de precizia poziţiei reciproce a lor (precizie geometrică iniţială), dar şi de gradul de uzură a suprafeţelor active ale elementelor respective (precizie geometrică dobândită în exploatare).

Exemple de erori geometrice proprii elementelor sistemului tehnologic: - în cazul utilajelor: erori geometrice ale arborilor principali (fig. 4.3), ghidajelor, săniilor, şuruburilor conducătoare etc. - în cazul dispozitivelor: erori geometrice ale reazemelor (bolţuri, prisme etc.), elementelor de ghidare/reglare a sculelor, corpului dispozitivului etc.


- în cazul sculelor: erori geometrice ale suprafeţelor active: cazul sculelor cu dimensiuni fixe (burghiu, lărgitor etc.) sau cazul sculelor de copiat (cuţite de copiat, freze de copiat etc.). - în cazul verificatoarelor: erori geometrice ale suprafeţelor active, ale elementelor de reglare etc. - în cazul port-programelor rigide (şabloane): erorile geometrice ale suprafeţei active, erori geometrice ale suprafeţelor de poziţionare etc.

În afara acestor tipuri de erori, de importanţă majoră sunt şi erorile de poziţionare a dispozitivelor şi sculelor pe maşina-unealtă, rezultate la reglarea sistemului tehnologic. Exemple de astfel de erori sunt prezentate în fig. 4.4 şi 4.5, în legătură cu montarea unei freze cilindro-frontale în capul arborelui principal al unei maşini de frezat, respectiv cu montarea unui universal în arborele principal al unui strung.

Determinarea erorilor geometrice ale elementelor sistemului tehnologic se efectuează prin aplicarea metodologiei de verificare a caracteristicilor geometrice. Schemele de control se stabilesc în funcţie de configuraţia sistemului tehnologic, de caracteristicile geometrice prescrise elementelor de controlat etc. Un exemplu cuprinzând scheme de control pentru determinarea unor erori geometrice ale unui centru de frezat orizontal sunt prezentate în fig. 4.6.

Erorile geometrice ale sistemului tehnologic sunt considerate erori sistematice constante în timp, dar influenţa lor asupra preciziei de prelucrare nu poate fi tratată în general, ci pentru cazuri concrete de prelucrare. Acest lucru necesită ca operaţia şi condiţiile de prelucrare să fie în întregime definite, respectiv:

- schiţa operaţiei este completă: piesa este în poziţie de lucru, modul de orientare-fixare este precizat, suprafeţele obiectiv (de generat) sunt marcate

Suprafeţele active ale AP: - A = suprafaţa de referinţă; - S1, S2, şi S3 = suprafeţe de

contact cu dispozitivul / piesa / scula.

Erori geometrice principale ale AP: - erori dimensionale ale lui α1,

α2 şi d; - erori de formă ale suprafeţelor

S1, S2, şi S3; - erori de poziţie reciprocă: ale

suprafeţelor S1, S2, şi S3 faţă de A (Br şi Bf); ale lui S1 faţă de S2 (perpendicularitate).

Fig. 4.3 Erori geometrice ale AP

d α1

α2


şi caracterizate geometric, sunt poziţionate sculele de prelucrare şi sunt indicate mişcările de generare; - elementele sistemului tehnologic sunt complet definite: maşina-unealtă, dispozitivele, sculele, verificatoarele; - sunt cunoscute erorile geometrice ale elementelor sistemului tehnologic (ca tip şi mărime).

a)

1 = abaterea de la coaxialitate a dornului

portsculă faţă de axa AP 2 = abaterea de la concentricitate a frezei

faţă de axa dornului portsculă = 1 + 2

b) Fig. 4.4 Erori de poziţionare a unei scule de frezat:

a) schema instalării; b) influenţa erorilor de instalare

1 = abaterea de la coaxialitate a mandrinei faţă de axa AP

2 = abaterea de la coaxialitate a bacurilor faţă de axa mandrinei

= 1 + 2

Fig. 4.5 Erori de poziţionare a universalului pe strung

Axa arborelui principal

Mandrină Bacuri

Semifabricat Capul arborelui

principal




Codul şi denumirea erorii verificate Schema de control Toleranţa

prescrisă [mm]

G3 Paralelismul

suprafeţei de lucru a paletei cu deplasarea

longitudinală a montantului pe sanie

0,012 / 300

G4 Paralelismul

suprafeţei de lucru a paletei cu deplasarea

transversală a montantului pe sanie

0,012 / 300

G7 Perpendicularitatea

deplasării verticale a păpuşii AP faţă de suprafaţa de lucru a

mesei: a – în plan de

simetrie; b – în plan

perpendicular pe planul de simetrie

0,016 / 500

Fig. 4.6 Scheme de control pentru determinarea unor erori geometrice ale unui centru de frezat orizontal

Erorile geometrice ale sistemelor tehnologice generează, după caz, abateri

dimensionale, abateri de formă sau / şi abateri de poziţie ale suprafeţelor prelucrate în cadrul operaţiei tehnologice. Exemple privind determinarea influenţei erorilor geometrice ale sistemului tehnologic asupra preciziei de prelucrare sunt prezentate în studiile de caz 4.1 şi 4.2.


Principalele măsuri pentru eliminarea / micşorarea erorilor geometrice ale sistemului tehnologic constau în menţinerea preciziei geometrice iniţiale a elementelor sistemului tehnologic un timp cât mai îndelungat, lucru posibil prin:

- exploatarea raţională a acestora, - v erificarea lor perio dică şi, dacă este posibil, reglarea sau, dacă nu, repararea acestor elemente (utilaj şi dispozitive) etc. Pentru micşorarea influenţei geometrice ale sistemului tehnologic asupra

preciziei de prelucrare se au în vedere: - alegerea corespunzătoare a elementelor sistemului tehnologic pentru o operaţie tehnologică dată, lucru posibil prin:

• alegerea unor maşini-unelte cu precizii corespunzătoare operaţiilor de executat (degroşare, finisare etc.), • utilizarea sculelor cu precizie dimensională mai ridicată decât cea de realizat (în cazul sculelor cu dimensiune fixă şi a celor de copiat), • executarea dispozitivelor cu precizie mai ridicată decât cea a suprafeţelor de realizat, • adoptarea corespunzătoare a verificatoarelor etc.

- reglarea corespunzătoare a poziţiei elementelor sistemului tehnologic la configurarea acestuia (înaintea executării operaţiei) şi verificarea acesteia.

4.2.2 Deformaţiile elastice ale sistemului tehnologic În timpul procesului de prelucrare, sub acţiunea unei forţe F (forţă de

greutate, de inerţie, de fixare, de prelucrare sau o combinaţie a acestora), părţi ale sistemului tehnologic suferă anumite deformaţii δ. Deformaţia δ poate fi: deformaţie elastică, deformaţie plastică, deplasare cauzată de jocurile din îmbinări sau o rezultantă a acestora. Partea de sistem solicitată de forţa F poate fi: batiul utilajului, sania transversală, semifabricatul, scula, …, întreg sistemul tehnologic. Pentru a descrie legătura dintre forţe şi deformaţii, referitor la o parte de sistem, se utilizează noţiunile de rigiditate (mecanică) şi caracteristică de rigiditate.

Rigiditatea R reprezintă, din punct de vedere calitativ, capacitatea părţii de sistem de a se opune deformării la acţiunea unei forţe. Cantitativ, rigiditatea se exprimă ca raport între variaţia ∆F a forţei de acţiune şi variaţia ∆δ a deformaţiei generate în sistem:

R = ∆F / ∆δ [daN/mm] (4.2)

Uneori, pentru simplificarea calculelor, în locul noţiunii de rigiditate se utilizează noţiunea de cedare a sistemului, W, ca fiind inversa rigidităţii:


W = 1 / R [mm/daN] (4.3)

Caracteristica de rigiditate descrie dependenţa dintre forţa de acţiune şi deformaţia sistemului, putând fi de forma F = F(δ) sau δ = δ(F). În cazul sistemelor cu îmbinări demontabile (inclusiv cu joc), caracteristica de rigiditate, δ = δ(F), are forma generală din fig. 4.7 şi corespunde unui ciclu de încărcare – descărcare a sistemului.

Acest tip de caracteristică de rigiditate pune în evidenţă faptul că, pentru aceeaşi creştere a forţei în sistemul solicitat, ∆F, deformaţia ∆δ a sistemului este mai mare la începutul încărcării şi mai mică spre sfârşitul încărcării (∆δ1 > ∆δ2).

Acest lucru este datorat existenţei şi eliminării jocurilor dintre elementele sistemului şi a deformării elastice a asperităţilor de pe suprafeţele elementelor de contact din sistem, realizate la începutul încărcării sistemului. Totodată, acest tip de caracteristică de rigiditate pune în evidenţă şi diferenţa dintre curba de încărcare şi cea de descărcare: deşi la finalul ciclului de descărcare avem F = 0, deformaţia din sistem este d iferită d e zero (δr ≠ 0), lucru datorat fenomenului de histerezis. Dacă ciclurile de încărcare – descărcare ale sistemului se vor repeta, diferenţa dintre cele două curbe va deveni practic neglijabilă.

Cunoaşterea caracteristicii de rigiditate permite determinarea rigidităţii sistemului (părţii de sistem) analizat:

- în cazul unei caracteristici de rigiditate liniare avem:

R = Fi / δi = Fj / δj = ct. (4.4)

- în cazul unei caracteristici de rigiditate neliniare se deosebesc:

• rigiditatea instantanee Ri = (dF / dδ)i (4.5)

• rigiditatea relativă Rij = (Fi - Fj) / (δi - δj), (4.6)

unde stările i şi j se stabilesc în funcţie de scop. De asemenea, cunoaşterea caracteristicii de rigiditate a sistemului tehnologic

permite simularea comportamentului acestuia (de exemplu, utilizând metoda

descărcare

încărcare

F [daN]

δ [ mm]

∆F ∆F

∆δ1

∆δ2

∆δr

Fig. 4.7 Forma generală a caracteristicii de rigiditate


elementelor finite) în timpul diferitelor operaţii de prelucrare şi, astfel, determinarea preciziei de prelucrare.

Rigiditatea unui sistem (părţi de sistem) nu este o constantă a acestuia, ci ea depinde de condiţiile în care a fost determinată, respectiv:

- sistemul / partea de sistem considerată; - regimul de lucru: static sau dinamic, încărcare sau descărcare; - caracteristicile forţei: punct de aplicaţie, direcţie, sens, mărime; - punctul de aplicaţie şi direcţia de măsurare a deformaţiei δ. Astfel, se deosebesc: rigiditatea păpuşii mobile, rigiditatea păpuşii fixe,

rigiditatea capului de frezat, rigiditatea dispozitivului de orientare-fixare a piesei, rigiditatea sculei etc.

Deoarece, frecvent, direcţia forţei de solicitare şi cea a deformaţiei care ne interesează sunt diferite, se utilizează notaţia Rϕu, pentru rigiditatea sistemului solicitat pe direcţia ϕ de forţa F şi direcţia u a deformaţiei δ, respectiv:

Rϕ u = ∆Fϕ / ∆δ u (4.7)

Pentru un ansamblu de n elemente (părţi) de rigidităţi Ri ale unui sistem, i = 1, …, n, rigiditatea totală R a sistemului se calculează astfel:

R = ∑=

n

i 1iR , (4.8)

dacă elementele sistemului sunt cuplate în paralel, respectiv:

R = 1/∑=

n

i 1i )(1/R , (4.9)

dacă elementele sistemului sunt cuplate în serie. Determinarea caracteristicii de rigiditate, respectiv a rigidităţii se poate face

prin calcul sau pe cale experimentală. Determinarea prin calcul este posibilă numai în cazul unor părţi de sistem

tehnologic relativ simple. Un exemplu în acest sens îl constituie cazul prelucrării prin strunjire cu cuţit fixat în consolă, fig. 4.8:

- partea de sistem: cuţit de strung; - forţa de solicitare: componenta principală a forţei de aşchiere, Fz; - deformaţia δ: deformaţia elastică a cuţitului δz.

Fig. 4.8 Deformarea unui cuţit de strung


Deformaţia δz generată de forţa Fz se calculează considerând cuţitul încastrat (cu lungimea în consolă l) şi solicitat la încovoiere de componenta principală a forţei de aşchiere, Fz. Vom avea relaţia:

δz = (Fz l3 ) / (3 E Iy) (4.10)

În aceste condiţii, rigiditatea Rz a cuţitului va fi:

Rz = ∆Fz / ∆δ z = (3 E Iy) / l3 (4.11)

Considerând modulul de elasticitate al materialului cuţitului E = 2,1•104 [daN/mm2], iar momentul de inerţie Iy = b•h3/12 [mm4] ⇒ Rz ≅ 5250 • b • h3 / l3 [daN/mm], unde b şi h sunt lăţimea, respectiv înălţimea, secţiunii transversale a cuţitului de strung.

În mod similar se pot determina rigidităţile unor elemente (părţi) de tip: bară port-cuţit de alezat, bară port-piatră abrazivă, semifabricat de tip arbore / bucşă orientat şi fixat în universal sau între vârfuri etc.

Determinarea pe cale experimentală a caracteristicii de rigiditate / rigidităţii se aplică în cazul unor părţi de sistem tehnologic complexe. Ea poate fi determinată în condiţii de repaus ale sistemului tehnologic (condiţii statice, Rs), sau în condiţii de prelucrare (condiţii dinamice, Rd). Între cele d ou ă mărimi de rigiditate ale aceluiaşi sistem, Rs şi Rd, există relaţia Rs > Rd, adică:

Rs = µ • Rd (4.12)

µ fiind un coeficient supraunitar, numit coeficient de dinamică al sistemului. Pentru determinarea rigidităţii statice a unei părţi de sistem, etapele

principale de lucru sunt următoarele: - solicitarea cu forţe Fi cunoscute (ca punct de aplicaţie, direcţie, sens şi

mărime) şi înregistrarea deformaţiilor generate (pe o anumită / anumite direcţii) δ i, i = 1, …, n.

- determinarea pe baza cuplurilor (Fi , δi) a caracteristicii de rigiditate (grafic, fig. 4.9, sau analitic, ca funcţie de regresie).

- determinarea, pe baza caracteristicii de rigiditate, a rigidităţii R: R = ∆F / ∆δ sau R = (dF/dδ) sau Rij = (Fi - Fj) / (δi - δj) etc. Aplicaţii practice: determinarea rigidităţii statice a SN şi FUS (lucrări de

laborator).


Determinarea rigidităţii dinamice a sistemului tehnologic are la bază faptul că acesta se comportă elastic în timpul procesului, adică unei variaţii de forţă în sistem îi va corespunde o deplasare elastică a unor elemente ale acestuia, jocurile din sistem fiind preluate.

În cazul prelucrărilor prin aşchiere, variaţia forţei din sistem este relativ uşor de realizat prin

variaţia forţei de aşchiere. Variaţia forţei de aşchiere este posibilă prin: - prelucrarea cu adâncime de aşchiere variabilă (cazul cel mai frecvent), - prelucrarea cu avans (viteză de avans) variabil,

ceilalţi parametrii ai regimului de aşchiere rămânând constanţi.

Fig. 4.10 Evidenţierea influenţei rigidităţii dinamice a unui strung

Un exemplu în acest sens este prelucrarea prin strunjire cu avans longitudinal a unui arbore în trepte, fig. 4.10. Semifabricatul are două trepte, de diametre ∅d1 şi ∅d2, ∅d1 < ∅d2. Reglând ST la dimensiune pentru realizarea

încărcare

F [daN]

δ [mm]

δk

: punct experimental

Fi Fj Fk

δj

δi

Fig. 4.9 Determinarea experimentală a caracteristicii de rigiditate

' 1' 2Ød Ød

b)

ØdrØ

d1

Ød2

Sl

n(v)

a)


diametrului ∅dr (∅dr < ∅d1), prelucrarea se va realiza cu adâncime de aşchiere variabilă, t1 pe prima treaptă, respectiv, t2 pe cea de-a doua.

Creşterea adâncimii de aşchiere de la t1 la t2 va produce o creştere a forţelor de aşchiere, ceea ce va provoca o deformaţie elastică suplimentară în sistemul tehnologic: îndepărtarea vârfului sculei faţă de traiectoria reglată pe direcţia radială fiind cea care influenţează precizia de prelucrare. Acest lucru va conduce la obţinerea unei piese cu trepte de diametre ∅d’1 şi ∅d’2, fig. 4.10.b.

Variaţia componentei radiale a forţei de aşchiere, ∆Fy, poate fi măsurată experimental (în timpul procesului) sau poate fi calculată analitic cu relaţia :

∆Fy = CFy sYFy (t2XFy - t1

XFy) (4.13) Deformaţia elastică suplimentară a sistemului tehnologic poate fi măsurată

experimental (în timpul procesului) sau poate fi aproximată ca fiind egală cu semi-diferenţa celor două diametre rezultate:

∆δy = (∅d’2 - ∅d’1) / 2 (4.14) Rigiditatea sistemului tehnologic pe direcţia radială, ∆Ry, poate fi

determinată ca raport între variaţia forţei radiale şi deformaţia elastică suplimentară măsurate experimental sau poate fi calculată cu relaţia:

∆Ry = ∆Fy / ∆δy = 2 CFy sYFy (t2XFY - t1

XFY) / (∅d’2 - ∅d’1) (4.15)

Observaţie: rigiditatea astfel determinată este specifică configuraţiei sistemului tehnologic şi zonei în care a fost realizată prelucrarea cu adâncime aşchiere variabilă.

O altă modalitate de variaţie a forţei de aşchiere, bazată tot pe variaţia adâncimii de aşchiere, este aceea de a varia adâncimea de aşchiere continuu. De exemplu, se consideră prelucrarea cu avans radial a trei discuri care au o excentricitate e în raport cu axa de rotaţie a arborelui pe care sunt montate rigid, fig. 4.11.

Excentricitatea e a suprafeţei de prelucrat va face ca prelucrarea să se realizeze cu adâncime de aşchiere variabilă pe circumferinţa piesei: porneşte de la mărimea tmin, ajunge la o adâncime maximă tmax = tmin + 2e după rotirea arborelui cu 1800 şi revine la tmin după rotirea arborelui cu 3600. Măsurarea şi înregistrarea variaţiilor forţei de aşchiere, respectiv a deformaţiilor elastice suplimentare din sistemul tehnologic, vor permite trasarea caracteristicii de rigiditate a zonei din sistem studiate. Astfel poate fi determinată rigiditatea dinamică totală a sistemului tehnologic în fiecare zonă din sistem analizată (asociată poziţiei celor trei discuri):

- lângă păpuşa fixă, discul 1, - lângă păpuşa mobilă, discul 3, - la jumătatea distanţei dintre vârfurile de orientare, discul 2.


Ødr

Sl

A

n(v)

A

tmin tmax

eØd

Ødr

Fig. 4.11 Montaj experimental pentru analiza rigidităţii dinamice a strungului

Teste de prelucrare cu adâncime de aşchiere variabilă similare pot fi realizate

şi pentru alte procedee de prelucrare: frezare, rabotare, rectificare etc. Pentru a evidenţia importanţa deformaţiilor elastice ale ST (interacţiunii

forţă – rigiditate) asupra preciziei de prelucrare pe diferite direcţii ale sistemului, se consideră cazul unei prelucrări prin strunjire cu avans longitudinal a unei suprafeţe cilindrice, fig. 4.12.

Se reglează sistemul tehnologic pentru realizarea diametrului ∅dr, vârful sculei având poziţia Pr. În timpul prelucrării, componentele Fx, Fy şi Fz ale forţei de aşchiere vor acţiona asupra sistemului pe cele trei direcţii. Dacă mărimea acestor forţe este suficient de mare în raport cu rigiditatea sistemului, ele vor determina deformări elastice în sistemul tehnologic pe fiecare din cele trei direcţii.

Dacă ne referim la precizia dimensională (realizarea diametrului ∅dr), interesează deplasările vârfului sculei în raport cu axa de rotaţie a semifabricatului.Analiza deformaţiilor elastice din sistemul tehnologic (ale vârfului sculei în rap ort cu ax a d e rotaţie a semifabricatului) pe cele trei direcţii ne permite să constatăm că:

- deformaţia pe direcţia x (δx – poziţia 1 a sculei) nu determină o abatere dimensională (se realizează diametrul ∅dr);

1 2 3

SlxF

rP

Pex

n(v)

Ødr

dy

Pez

(2)

(3)

(1)

dz

dx

? d/2

ØdeP

Fz

Fyey

Fig. 4.12 Influenţa deformaţiilor elastice

ale ST asupra preciziei de prelucrare

δy

δz

δx

∆d/2


- deformaţia pe direcţia y (δy – poziţia 2 a sculei) determină o abatere dimensională de mărime ∆dy = 2δy (diametrul obţinut, fiind mai mare decât cel reglat: ∅de > ∅dr); - deformaţia pe direcţia z (δz – poziţia 3 a sculei) determină, la rândul ei, o abatere dimensională de mărime ∆dz = 2δz. Pentru ca abaterea dimensională provocată de deformaţia elastică pe direcţia

z să fie de aceeaşi mărime cu cea provocată de deformaţia elastică pe direcţia y, ar trebui ca această deformaţie să fie mult mai mare faţă de cea de pe direcţia y (δz >> δy).

Rezultă că influenţa maximă asupra preciziei dimensionale o are deplasarea vârfului sculei faţă de axa de rotaţie a semifabricatului pe direcţia radială. Generalizând, se poate spune că: influenţa maximă asupra preciziei dimensionale o are deplasarea sculei faţă de suprafaţa de prelucrat (suprafaţa obiectiv) pe direcţia normală la aceasta (direcţia de reglare).

Deformaţiile elastice ale sistemelor tehnologice pot fi: - erori sistematice constante, dacă forţele de solicitare şi rigiditatea

sistemului tehnologic sunt constante în timpul procesului (situaţie rar întâlnită),

- erori aleatoare, dacă forţele din sistem sau / şi rigiditatea sistemului tehnologic sunt variabile în timpul procesului,

şi generează, după caz, abateri tehnologice (dimensionale, de formă sau / şi de poziţie ale suprafeţelor obiectiv) din aceeaşi categorie cu ele.

Studiul influenţei deformaţiilor elastice ale sistemului tehnologic asupra preciziei de prelucrare este posibil pentru cazuri concrete de prelucrare, pentru care trebuie cunoscute:

- schiţa operaţiei: piesa în poziţie de lucru, modul de orientare-fixare precizat, suprafeţele obiectiv marcate şi caracterizate geometric, sculele de prelucrare poziţionate şi mişcările de generare indicate;

- elementele sistemului tehnologic: maşina-unealtă, dispozitivele, sculele, iar poziţia lor este bine definită;

- forţele care solicită sistemul (punct de aplicaţie, direcţie, sens, mărime); - rigiditatea sistemului tehnologic (părţii de sistem care asigură realizarea

preciziei de prelucrare). Un exemplu privind determinarea influenţei deformaţiilor elastice ale

sistemului tehnologic asupra preciziei de prelucrare este prezentat în studiul de caz 4.3. Principalele măsuri pentru eliminarea / micşorarea deformaţiilor elastice

ale sistemului tehnologic sunt orientate în două direcţii: prelucrarea cu forţe de aşchiere minim posibile, respectiv, realizarea unor rigidităţi maxim posibile.


Prelucrarea cu forţe de aşchiere minim posibile este posibilă prin: - divizarea adaosului de prelucrare în mai multe faze / treceri, - prelucrarea cu avansuri mici etc. Pentru a asigura obţinerea de forţe de prelucrare corespunzătoare, este necesar ca la stabilirea valorilor parametrilor regimului de prelucrare să se ţină cont de rigiditatea ST. Această măsură poate fi scrisă matematic astfel:

∆dr < Kd Td(dr) şi ∆dr < Kf Tf(dr), (4.16)

unde Kd şi Kf sunt coeficienţi prin care se stabileşte cât din toleranţa dimensională, respectiv, de formă a dimensiunii de reglare, să revină deformaţiilor elastice ale ST. Realizarea unor rigidităţi maxim posibile este posibilă prin: - reducerea elementelor în consolă, - reducerea jocurilor din îmbinări, - utilizarea de reazeme suplimentare (de exemplu luneta fixă sau mobilă) etc. Aceste măsuri trebuie luate în legătură cu fiecare element al ST:

• privind maşina-unealtă: deoarece rigiditatea acesteia este, de obicei, o caracteristică constructivă a sa, proiectantul operaţiei tehnologice poate avea în vedere următoarele elemente:

să adopte pentru executarea operaţiei o maşină-unealtă cu rigiditate suficientă; să impună prelucrarea în zone şi pe direcţii ale maşinii în care rigiditatea ei este maximă.

• privind semifabricatul, întâlnim două cazuri de prelucrare: semifabricate rigide iniţial, dar a căror rigiditate scade semnificativ în urma prelucrării. În acest caz, proiectantul procesului tehnologic trebuie să impună ca prelucrarea care conduce la scăderea rigidităţii să fie cât mai spre sfârşitul procesului tehnologic. semifabricate cu rigiditate iniţială mică. În acest caz se va stabili o schemă de orientare-fixare adecvată sau / şi se va rigidiza suplimentar semifabricatul în cadrul schemei de orientare-fixare considerate.

• privind scula cu rigiditate scăzută (burghie, cuţite de interior, bare de alezat etc.):

utilizarea elementelor de ghidare: bucşe de ghidare pentru burghie), lagăre montate la celălalt capăt al barei de alezat etc. realizarea înaintea prelucrării găurilor de diametre mici a prelucrărilor de centruire, montarea unor cuţite diametral opuse pe bara de alezat etc.


4.2.3 Deformaţiile termice ale sistemului tehnologic Elemente definitorii Sistemele tehnologice se află sub acţiunea unor surse termice care, după

locul de amplasare pot fi proprii sistemului tehnologic sau exterioare acestuia. Sursele proprii sistemului tehnologic au cea mai importantă influenţă asupra

stării termice a unu i ST, deoarece sunt plasate în structu ra sa. Exemple de su rse proprii ST sunt: electromotoarele, lichidele de încălzire-răcire, semifabricatele supuse operării, elementele de încălzire sau răcire a semifabricatului în vederea realizării procesului de lucru (aşchierea cu plasmă, ambutisarea cu încălzirea flanşei, asamblarea cu încălzirea-răcirea elementelor conjugate etc.), procesul de lucru propriu-zis (aşchiere, deformare elasto-plastică etc.), frecările dintre elementele aflate în mişcare relativă (fus-lagăr, rulmenţi, cuplaje etc.).

Sursele exterioare ST sunt independente de soluţia constructivă a acestuia şi de procesul de lucru realizat: radiaţii solare, surse de încălzire a unităţii de producţie, iluminare, curenţii de aer etc.

Din punct de vedere termic, un ST se poate afla în una din următoarele stări: nestaţionară (tranzitorie) sau staţionară.

Starea tranzitorie are loc în perioada de trecere a ST de la nefuncţionarea sa la funcţionarea pe o perioadă mai ridicată. În timpul acestei stări are loc transferul de căldură de la sursele termice către anumite părţi ale ST (părţile critice termic).

Starea staţionară se caracterizează prin constanţa în timp a temperaturii părţilor ST (aportul de căldură este egal cu pierderile de căldură) şi apare după o funcţionare îndelungată a ST. Practic, această stare nu este atinsă, deoarece pe parcursul procesului de lucru apar întreruperi, cel puţin pentru îndepărtarea piesei şi alimentarea cu un nou semifabricat, aşa după cum rezultă şi din fig. 4.13.

Fig. 4.13 Dilatarea unei scule fixată în consolă în regim intermitent de lucru

∆l = variaţia lungimii în consolă a sculei

∆ls = variaţia lungimii în consolă a sculei în starea staţionară

tb = timpul de bază al prelucrării

to = timpul de oprire (neprelucrare)


Părţile critice termic ale unui sistem tehnologic sunt: părţile port-lagăre, părţile port-transmisii, zona de lucru (prelucrare sau asamblare), zonele de contact semifabricat-reazeme, scula etc.

Sub acţiunea surselor termice se produce o variaţie ∆Q a energiei termice Q din sistem, care determină o variaţie ∆θ a temperaturii θ din sistem şi, astfel, o variaţie ∆L a unor dimensiuni L din sistem (diametre de lagăre, distanţe dintre axe, lungimi în consolă, dimensiuni ale suprafeţelor generate etc.).

Se consideră a fi caracteristici termice ale unei părţi de sistem, relaţiile dintre Q, θ sau ∆θ, L sau ∆L şi factorii de sistem şi de proces care le determină:

Q, θ sau ∆θ, L sau ∆L = f(X1, X2, …, Xj, …, Xk), (4.17)

unde Xj , j = 1 , … , k sunt factori (caracteristici) d e sistem şi d e p ro ces (caracteristici constructive, caracteristici de material, parametrii regimului de lucru etc.).

Metode de determinare a caracteristicii termice Caracteristicile termice ale unor părţi de sistem se determină analitic sau

experimental. Determinarea analitică se bazează pe cunoaşterea modului de transmitere a

căldurii (prin conducţie, prin convecţie, prin radiaţie sau combinat) de la sursele termice către părţile critice termic din ST şi constă în rezolvarea ecuaţiilor corespunzătoare modului de transfer de căldură. Această determinare este posibilă doar în anumite cazuri particulare (părţi critice termic simple constructiv şi surse termice a căror cantitate de căldură degajată poate fi exprimată în funcţie de anumiţi factori).

Determinarea experimentală constă în stabilirea caracteristicilor termice ale unor părţi critice termic de sistem astfel:

- realizarea unui anumit număr de prelucrări în condiţii normale de lucru şi măsurarea variabilelor Q, θ sau ∆θ, L sau ∆L; - prelucrarea datelor experimentale obţinute. Caracteristicile rezultate sunt, de regulă, sub forma unor relaţii complexe.

Ele pot fi aplicate în condiţii limitate, deoarece sunt specifice unui domeniu asociat condiţiilor experimentale în care au fost determinate.

Din cauza complexităţii fenomenelor ce au loc, studiul se realizează pe elemente separate ale ST (maşină-unealtă, sculă semifabricat etc.). De exemplu, o caracteristică termică a unui cuţit de strung are următoarea expresie:


∆L = C ⋅ L ⋅ Rm ⋅ A-1 ⋅ (t ⋅ s)0,75 ⋅ v0,5 (4.18)

unde: C este o constantă care depinde de valorile parametrilor regimului de aşchiere (de exemplu, C = 4,5 pentru v = 100 … 200 [m/min]; t < 1,5 [mm]; s < 0,2 [mm/rot]),

L este lungimea în consolă a cuţitului, în [mm]; A este aria secţiunii transversale a cuţitului, în [mm2]; Rm este rezistenţa mecanică a materialului prelucrat (materialul piesei), în

[daN/mm2]; t, s şi v sunt parametrii regimului de aşchiere, în [mm], [mm/rot], respectiv

[m/min].

Influenţa deformaţiilor termice ale ST asupra preciziei de prelucrare Caracteristicile termice determinate analitic sau experimental au arătat că

deformaţiile termice ale părţilor critice termic din ST fac parte din categoria celor sistematice variabile în timp. Influenţa lor asupra preciziei de prelucrare depinde de condiţiile concrete de prelucrare, în mod special de starea de regim termic a sistemului tehnologic. În continuare se prezintă unele exemple privind deformarea termică a principalelor componente ale ST şi influenţa unor părţi critice termic ale acestora asupra preciziei de prelucrare.

Deformarea termică a maşinii-unelte Încălzirea diferitelor organe şi subansambluri ale maşinii-unelte sau chiar

încălzirea aceluiaşi element se produce neuniform, lucru care conduce la modificarea poziţiei relative a componentelor sistemului. Ca exemplu, în fig. 4.14 se prezintă diferenţele de temperatură faţă de mediul ambiant în unele puncte ale unei maşini de rectificat, după mai multe ore de funcţionare a acesteia. Starea de echilibru termic (starea staţionară) se atinge după mai multe ore de funcţionare, depinzând de tipul şi construcţia maşinii-unelte. De exemplu, starea staţionară a păpuşii port-p iatră se atin g e du p ă 4 ore d e funcţio nare, în timp ce starea de echilibru termic din lichidul din instalaţia hidraulică se atinge la peste 5 ore de funcţionare.

Influenţa deformaţiilor termice ale maşinii-unelte asupra preciziei de prelucrare, este evidenţiată pe două exemple frecvent întâlnite în practică:

- deformarea termică a batiului maşinilor-unelte, - deformarea termică a arborelui principal al acestora.


Fig. 4.14 Diferenţele de temperatură faţă de mediul ambiant ale unei maşini de rectificat

În cazul prelucrării prin frezare frontală a piesei din fig. 4.15.a pe o maşină

de frezat vertical, sub acţiunea surselor termice are loc deformarea batiului maşinii ca în fig. 4.15.b. Această eroare de prelucrare (deformarea termică a batiului) conduce la obţinerea unei suprafeţe cu abateri tehnologice, ca în fig. 4.15.c:

- abatere dimensională ∆hmax; - abatere de poziţie: abatere de la paralelism a suprafeţei prelucrate în raport cu suprafaţa tehnologică.

Fig. 4.15 Influenţa deformaţiilor termice ale maşinii-unelte asupra preciziei de prelucrare în cazul prelucrării prin frezare frontală a unei piese orientată şi fixată direct pe masa m-u

În cazul arborelui principal al unui strung, fig. 4.16, sub acţiunea surselor termice are loc deformarea termică a acestuia, determinând deplasarea axei sale pe

n(v)

h(Th

) .....

Wl

a)

n(v)

hrh m

ax

Wl

c)

n(v)

b)


direcţiile y şi z cu mărimile ∆y şi ∆z şi deformarea termică în lungul axei sale (axa x) cu ∆L. Deplasarea ∆z (în plan vertical) nu are o influenţă prea mare asupra preciziei de prelucrare (vezi influenţa deformaţiei elastice a ST), în timp ce deplasarea ∆y (în plan orizontal) are o influenţă importantă.

De exemplu, la prelucrarea unei suprafeţe de revoluţie exterioară cu avans longitudinal, eroarea ∆y va determina o abatere tehnologică dimensională ∆d: ∆d = 2∆y [mm] (4.19)

Dacă deplasările ∆y şi ∆z sunt n euniforme (adică au lo c şi d eplasări unghiulare în cele două planuri), atunci precizia prelucrării va fi afectată şi de abateri tehnologice de formă ale suprafeţei generate.

Deplasările ∆y şi ∆z se determină numai experimental, în timp ce deformaţia axială ∆L poate fi determinată şi analitic cu relaţia:

∆L = αL∆θ [mm], (4.20) unde: α este coeficientul de dilatare liniară (pentru oţel, α = 12 10-6 [1/°C]); L este lungimea arborelui principal; ∆θ este variaţia temperaturii AP.

De exemplu, pentru L = 1000 mm şi ∆θ = 10 [°C] rezultă ∆L = 0,12 [mm]. Deformarea termică a sculei de prelucrare Din cantitatea de căldură degajată în procesul de lucru o bună parte este

preluată de sculă. De exemplu, în cazul strunjirii, distribuţia aproximativă a căldurii degajate este următoarea: 50 – 86% în aşchii, 10 – 40% în sculă, 3 – 9% în semifabricat şi 1% în mediu.

Pe parcursul procesului de lucru, scula se încălzeşte mai pronunţat la partea sa activă (zona de contact cu semifabricatul), o parte din căldură transmiţându-se şi corpului sculei. În cazul în care zona de lucru nu este răcită, dependenţa temperatură – durata prelucrării, respectiv deformare termică – durata prelucrării, are alura din fig. 4.13.

Influenţa acestei deformări a sculei asupra preciziei de prelucrare se analizează pentru cazuri concrete. De exemplu, în cazul strunjirii cu avans

y

z

O O’

∆ y

∆ z

h l

Fig. 4.16 Deformarea termică a axei arborelui

principal al unui strung


longitudinal fără răcirea zonei de lucru, fig. 4.17, suprafaţa generată rezultă cu următoarele abateri tehnologice:

- abatere dimensională ∆dmax = 2∆lmax; - abatere de la forma cilindrică.

n(v)

Sll

l

Odr

max

Fig. 4.17 Influenţa deformării sculei în cazul prelucrării fără răcirea zonei de lucru

Deformarea termică a semifabricatului În timpul procesului de transformare, semifabricatului îi revine o cantitate de

căldură mai mare sau mai mică, în funcţie de: schema de prelucrare, valorile parametrilor regimului de lucru, geometria şi materialul sculei, natura materialului semifabricatului, forma şi masa semifabricatului. Această cantitate de căldură este semnificativă în următoarele cazuri: prelucrarea prin aşchiere a găurilor (în special a celor adânci), prelucrarea semifabricatelor cu pereţi subţiri etc.

Concluzie: deşi deformaţiile termice ale părţilor critice termic din ST sunt

sistematice (variabile sau constante, în funcţie de starea de regim termic, tranzitoriu sau staţionar), abaterile tehnologice produse de deformaţiile termice ale elementelor ST sunt considerate după cum urmează.

- abateri sistematice constante, când prelucrarea are loc în starea staţionară termic, dar numai în cazul sistemelor tehnologice ce asigură controlul şi menţinerea constantă a temperaturii în zona de lucru; - abateri aleatoare, în celelalte cazuri. Acest lucru este datorat faptului că pentru starea staţionară termic relaţiile care descriu caracteristicile termice sunt foarte complexe, greu de exploatat practic, în timp ce pentru starea tranzitorie (cea mai des întâlnită practic) este foarte dificil de determinat relaţii care să descrie cu suficientă precizie caracteristicile termice ale ST.


Principalele măsuri pentru eliminarea / micşorarea deformaţiilor termice ale ST constau în:

- dispunerea sistemelor tehnologice de precizie ridicată în încăperi termostatate; - asigurarea perioadelor de încălzire la temperatura de regim a ST; - asigurarea răcirii eficiente a părţilor critice termic ale ST; - asigurarea condiţiilor de evacuare a aşchiilor la prelucrările prin aşchiere; - stabilirea valorilor parametrilor regimului de prelucrare astfel încât căldura degajată în procesul de prelucrare să nu influenţeze semnificativ părţile critice termic. 4.2.4 Uzura elementelor sistemului tehnologic Elemente definitorii Elementele unui ST aflate în mişcare relativă suferă un proces de uzare prin

acţiune reciprocă de tip abraziune, adeziune, difuziune, deformare plastică, coroziune etc. Astfel, se uzează suprafeţele active ale ghidajelor, săniilor, meselor, arborilor principali, bucşelor de ghidare, tăişurile sculelor aşchietoare etc.

Dintre elementele ST doar semifabricatul nu este supus uzării, în timp ce intensitatea uzării celorlalte elemente ale sistemului este diferită. Dintre elementele ST cel mai intens se uzează sculele de prelucrare, în mod special cele de prelucrare prin aşchiere.

Pentru evaluarea uzurii unui element se utilizează anumiţi parametri dimensionali sau masici, denumiţi parametrii de uzură. În cazul sculelor avem:

- la o sculă aşchietoare neabrazivă (cuţit, freză, alezor etc.) parametrii de uzură principali sunt: lăţimea VB a uzurii feţei de aşezare, adâncimea KT a craterului de pe faţa de degajare şi uzura dimensională Ud. Un exemplu privind parametrii de uzură ai unui cuţit de strung este prezentat în fig. 4.18. - la o sculă aşchietoare abrazivă (disc de rectificat, bară de honuit sau vibronetezit etc.) parametrii de uzură pot fi: variaţia ∆L a unei caracteristici a suprafeţei active (rază, grosime etc.) sau variaţia ∆m a masei sculei sau a unei părţi din sculă. Pentru a aprecia durata de utilizare (exploatare) a unui element al ST se

foloseşte noţiunea de durabilitate. Se numeşte durabilitate, T, timpul de lucru continuu al unui element până la atingerea criteriului de durabilitate. Stabilirea durabilităţii se face pe baza unor criterii de durabilitate.


KM: distanţa de la centrul craterului de uzură la vârful iniţial al sculei; KT: adâncimea craterului de uzură; KB: lăţimea craterului de uzură; γc: unghiul craterului; VB: înălţimea uzurii pe faţa de aşezare; VN: adâncimea crestăturii în raport cu tăişul iniţial; VC: distanţa între tăişul iniţial şi zona uzată; SVp: distanţa între tăişul iniţial şi vârful sculei uzate

Fig. 4.18 Parametrii de uzură ai unui cuţit de strung

Dacă notăm cu U u n p arametru de u zu ră (VB, KT, Ud, ∆L, ∆m etc.), se numeşte criteriu de durabilitate valoarea U0 a parametrului U pentru care se consideră că elementul respectiv al ST îşi pierde capacitatea de lucru ca urmare a uzării.

Prin caracteristică de uzură şi caracteristică de durabilitate vom înţelege relaţiile dintre U, respectiv T, şi factorii care le determină:

U = U(X1, X2, …, Xj, …, Xk), T = T(X1, X2, …, Xj, …, Xk), (4.21)

unde Xj, j = 1, …, k sunt factori (caracteristici) de sistem şi de proces (caracteristici constructive ale elementului, caracteristici de material, parametrii regimului de lucru, timpul de lucru – pentru U, criteriul de durabilitate – pentru T etc.).

Observaţie: în anumite condiţii de lucru, sculele de prelucrare suferă un proces opus uzării, respectiv, un proces de “încărcare” a părţii active cu particule desprinse din materialul prelucrat (în cazul sculelor aşchietoare neabrazive se formează “tăişul de depunere”). Determinarea caracteristicilor de uzură şi de durabilitate

Determinarea caracteristicilor de uzură şi de durabilitate se face prin cercetare teoretico-experimentală, acestea determinându-se ca funcţii de regresie mono sau multivariabile. Din cauza intensităţii mari de uzare a sculelor aşchietoare, acestea prezintă cel mai mare interes de studiu.

Caracteristica de uzură a unei scule aşchietoare, ca funcţie dependentă de timp, U = U(t), prezintă, în general, trei zone principale, fig. 4.19.

Ud


Fig. 4.19 Caracteristica de uzură a unei scule aşchietoare

a) Zona uzării iniţiale (de rodaj), corespunde prelucrării cu scula după reascuţirea acesteia (la prelucrarea prin aşchiere). Explicaţia acestei forme a caracteristicii de uzură constă în faptul că în această perioadă de timp scula vine în contact cu semifabricatul doar în câteva puncte (datorită existenţei pe suprafeţele active a sculei a asperităţilor rezultate la realizarea / reascuţirea acesteia) şi, din cauza solicitărilor mari, uzarea este foarte mare.

b) Zona uzării normale (de regim), corespunde perioadei de utilizare normală a scu lei. În acest caz, datorită creşterii su p rafeţei d e co ntact dintre scu lă şi semifabricat (prin îndepărtarea asperităţilor iniţiale), procesul de uzare este mai puţin intens. Datorită caracterului liniar al uzării din această perioadă, se utilizează noţiunea de uzură relativă, notată cu Ur:

Ur = Un / t2, (4.22)

în care Un este mărimea uzurii normale totale, iar t2 este perioada de timp în care are loc uzura normală. Cunoscând mărimile Ui şi Ur (determinate experimental), se poate calcula mărimea uzării sculei după o perioadă de lucru t:

U = Ui + Ur t (4.23)

Deoarece, din punct de vedere al preciziei de prelucrare, interesează uzura dimensională a sculei, Ud (uzura pe direcţia normală la suprafaţa de prelucrat), în locul relaţiei anterioare se utilizează relaţia:

Ud = Ui + Ur ⋅ La (4.24)

în care uzura relativă a plăcuţei aşchietoare, Ur se exprimă în [µm/km], iar La reprezintă lungimea parcursă de sculă în aşchiere şi se exprimă în [km].

U

t a

b

c

t1 t2

Un

Ui


Mărimea La are relaţii analitice specifice care depind de procedeul de prelucrare. Două exemple frecvent utilizate în practică sunt prezentate în continuare.

La strunjirea cilindrică cu avans longitudinal a unui lot de piese, avem:

La = lsld

⋅⋅⋅

610π

⋅k, (4.25)

unde: d este diametrul suprafeţei prelucrate [mm], l este lungimea suprafeţei strunjite [mm], sl este avansul de aşchiere [mm/rot], iar k este numărul piesei prelucrate.

La frezarea frontală a unui lot de piese, lungimea parcursă de un dinte în aşchiere este:

La = 360106ψ

slD ⋅

⋅⋅⋅π ⋅k, (4.26)

unde: D este diametrul frezei [mm], l este lungimea suprafeţei de prelucrat [mm], s este avansul de aşchiere [mm/rot], ψ este unghiul de contact freză-semifabricat [grade], iar k este numărul piesei prelucrate. Avansul frezei, s, se calculează cu relaţia: s = z ⋅ sd (4.27) în care: z reprezintă numărul de dinţi ai frezei, sd este avansul pe dinte [mm/dinte]. Unghiul de contact freză-semifabricat, ψ, se calculează cu relaţia: ψ = 2 arcsin(B / D) (4.28) în care: B este lăţimea de prelucrare [mm].

c) Zona uzării catastrofale, corespunde perioadei de timp în care uzura variază brusc datorită modificării esenţiale a zonei active a sculei, neasigurându-se condiţii normale de desfăşurare a procesului de lucru.

Principalii factori care influenţează caracteristica de uzură a unei scule sunt: materialul sculei, geometria părţii active a sculei, materialul semifabricatului, parametrii regimului de lucru şi lichidul de răcire-ungere.

Caracteristica de durabilitate a părţii active a sculelor se utilizează, în majoritatea cazurilor, într-o formă transformată, ca funcţie viteză de prelucrare:

v = v (T, t, …) (4.26) unde T este durabilitatea, iar t este adâncimea de prelucrare. Exemplu: la prelucrarea prin strunjire a fontei Fmp 500 cu cuţit prevăzut cu plăcuţă din carbură metalică K20, pentru intervalele de variaţie ale parametrilor regimului de aşchiere în intervalele: t = 0,9…1,65 [mm], s = 0,2…0,315 [mm/rot], v = 104…135 [m/min] şi pentru criteriul de durabilitate U0=VB0=0,5 mm, prin calcul de regresie s-a obţinut relaţia:


T = 3,07⋅1010 / (v4,72⋅s1,11⋅t0,23) ⇔ v = 167,2 / (T0,212⋅s0,235⋅t0,049), Această relaţie este utilizată la stabilirea pe cale analitică a vitezei de aşchiere.

Influenţa uzurii şi a durabilităţii elementelor ST asupra preciziei de prelucrare

Uzura elementelor unui sistem tehnologic generează erori geometrice ale acestora, cu efecte negative asupra capacităţii lor de lucru, jocurilor din sistem, desfăşurării proceselor termice şi, implicit, preciziei geometrice a suprafeţelor prelucrate.

S-a constatat că, pentru perioade bine determinate de timp (care acoperă durata de realizare a unui lot de piese), uzarea unor elemente ale ST cum sunt maşina-unealtă, dispozitivul port-piesă şi dispozitivul port-sculă este de intensitate scăzută. Prin urmare nu este afectată precizia prelucrării pieselor din lotul de piese. Însă, de-a lungul timpului (prelucrarea mai multor loturi de piese) este afectată precizia geometrică a acestor elemente.

Uzarea sculelor nu trebuie niciodată neglijată. În cadrul proceselor de prelucrare prin aşchiere, uzura sculei aşchietoare este foarte importantă, iar influenţa ei asupra preciziei de prelucrare depinde, alături de factorii menţionaţi la caracteristica de uzură, şi de lungimea parcursă de sculă în aşchiere (La), deci de tipul producţiei (numărul de piese prelucrate) şi mărimea suprafeţei prelucrate. În cadru l p roducţiei de unicate şi serie mică, la p relucrarea sup rafeţelor de mărime mică (de exemplu, diametru şi lungime mici), uzura sculei aşchietoare nu influenţează practic precizia de prelucrare a pieselor respective (puţine la număr). Dacă, pentru acelaşi tip de producţie, suprafaţa prelucrată este de mărime foarte mare (La este importantă), influenţa uzurii sculei aşchietoare asupra preciziei de prelucrare este semnificativă. Exemplu: prelucrarea unei suprafeţe cilindrice exterioare de lungime foarte mare prin strunjire cu avans longitudinal, fig. 4.20.

Ud

Odr

2 1

OdrOd

Od e

1 e2

Fig. 4.20 Influenţa uzurii cuţitului de strung asupra preciziei de prelucrare

la strunjirea cilindrică cu avans longitudinal a unui suprafeţe mari: suprafaţa (1) - obţinută după prelucrarea cu o sculă nouă / reascuţită;

suprafaţa (2) - obţinută după prelucrarea cu o sculă în zona uzurii normale


Abaterile tehnologice ale prelucrării sunt: - abatere de la forma geometrică a suprafeţei (de la cilindricitate), - abatere dimensională: ∆d = 2Ud [mm] În cazul producţiei de serie mijlocie şi mai sus, când prelucrările se

realizează pe sistemul tehnologic reglat la dimensiune, influenţa uzurii sculei aşchietoare asupra preciziei de prelucrare se manifestă astfel:

- este practic neglijabilă la prelucrarea unei suprafeţe de lungime mică (La neglijabil) pe o singură piesă; - este considerabilă la prelucrarea unei singure suprafeţe mari (ca în ex. precedent, la nivelul unei singure piese). - este considerabilă pe ansamblul pieselor din lotul prelucrat cu acelaşi reglaj:

• la prelucrarea suprafeţelor exterioare dimensiunile acestora cresc de la prima către ultima piesă din lot, • la prelucrarea suprafeţelor interioare dimensiunile lor scad de la prima către ultima piesă din lot.

Durabilitatea T intră în restricţiile tehnice care definesc programele de determinare a valorilor optime ale parametrilor regimului de lucru. Prin urmare, la alegerea valorilor parametrilor regimului de aşchiere trebuie ţinut cont caracteristica de durabilitate determinată experimental pentru cuplul material prelucrat – material sculă, în vederea atingerii unui criteriu de optimizare.

Concluzie: abaterile tehnologice produse de uzura sculelor sunt considerate abateri sistematice variabile şi sunt luate întotdeauna în calcul la stabilirea preciziei de prelucrare.

Măsuri pentru eliminarea / micşorarea uzurii elementelor ST

Reducerea intensităţii procesului de uzare şi creşterea durabilităţii elementelor unui ST se pot realiza prin:

- asigurarea ungerii eficiente a zonelor de lucru critice (suprafeţele active ale unor elemente); - îmbunătăţirea prelucrabilităţii semifabricatelor (de exemplu, prin aplicarea unui tratament termic preliminar); - utilizarea unor regimuri de lucru optime, prin adoptarea corespunzătoare a valorilor parametrilor regimului de lucru pe baza caracteristicii de durabilitate / uzură a sculei.

Precizia prelucrarii mecanice a pieselor

Documents

Transcript of Precizia prelucrarii mecanice a pieselor