FENOMENE TERMICE LA AŞCHIERE

Sursele de căldură la aşchiere şi câmpul termic în tăiş.

Cercetări experimentale efectuate de-a lungul mai multor decenii au stabilit că lucrul mecanic de aşchiere se transformă aproape integral în căldură, o foarte mică parte înmagazinându-se în reţeaua cristalină a materialului prelucrat sub formă de tensiuni interne. Cu suficientă precizie, cantitatea de căldura degajată la aşchiere se poate determina cu relaţia:

0z

427

vFQ

[kcal/min]

în care α0 reprezintă un coeficient care ţine cont de cantitatea din lucrul mecanic de aşchiere care nu se transformă în căldură (α0= 0,99 ÷0,995).

Întrucât căldura degajată la aşchiere provine din transformarea lucrului mecanic, sursele acesteia sunt plasate în locurile în care se consumă energie în procesul de aşchiere.

Deci, întreaga cantitate de căldură degajată la aşchiere este:

FFd QQQQ

şi este preluată de aşchie, piesă , sculă şi mediul înconjurător ( care, în condiţiile aşchierii fără lichid de răcire preia o parte mică din totalul căldurii degajate):

mspa QQQQQ

aFdaa QQQ

pFdpp QQQ

sFsFs QQQ

în care, cantitatea de căldură preluată de aşchie este:

cantitatea de căldură preluată de piesă este:

căldura preluată de sculă este:

.

min

kcalMaterialulprelucrat Q

Temperaturamedie aaşchiei

Cantitatea de caldură în

aşchie[%]

piesă[%]

sculă[%]

Oţel 12,9 420 71 26 1,9

Fontă 13 290 42 50 1,5

Aluminiu 8,7 140 21 73 2,2

Din punct de vedere al solicitărilor la care trebuie să facă faţă scula în timpul aşchierii, cantitatea de căldură preluată de ea, ca şi câmpul termic dezvoltat în tăiş , prezintă o mare importanţă. Astfel, pe lăngă efectul negativ pe care încălzirea sculei îl are asupra preciziei pieselor prelucrate, este de mare insemnătate faptul că ridicarea temperaturii sculei provoacă micşorarea durităţii sale şi mărirea vitezei de progresare a uzurii

S-a ajuns la concluzia că punctele cu cea mai înaltă temperatură în sculă sunt cele din apropierea zonei de contact de pe faţa de degajare şi pe măsura îndepărtării de acestea, atât către muchie cât şi către locul unde aşchia se desprinde de sculă, temperatura scade

Măsurarea căldurii şi temperaturii la aşchiere

- Metoda calorimetrică.- Metoda vopselelor termocrome- Metoda examinării structurii metalografice şi a durităţii - Metode bazate pe efectul termoelectric

Un termocuplu este alcătuit din doi conductori din materiale diferite îmbinate prin sudură, formând un circuit închis. Dacă punctele de îmbinare sunt menţinute la temperaturi diferite, în orice punct al circuitului poate fi detectată o tensiune termoelectrică ( rezultată din efectul Volta ), a cărei mărime este dependentă de natura conductorilor şi de diferenţa de temperatură. Ca urmare, valoarea tensiunii termoelectrice poate indica temperatura la care se află una din îmbinări.

Termocuplul artificial şi semiartificial

Termocuplul natural

Influenţa condiţiilor de lucru asupra temperaturii sculei

Natura materialului prelucrat şi a materialului sculei

Cu creşterea rezistenţei la rupere şi a durităţii materialului prelucrat, forţa de aşchiere se măreşte, creşte cantitatea de căldură degajată în procesul de aşchiere, deci şi cantitatea de căldură preluată de tăiş, ceea ce duce la mărirea temperaturii acestuia. Conductivitatea termică a materialului prelucrat influenţează , de asemenea, temperatura tăişului şi anume: cu cât semifabricatul are o conductivitate mai bună, procentul din căldura de aşchiere care este preluat de piesă şi de aşchie este mai mare, iar cel preluat de sculă mai mic, ceea ce duce la micşorarea temperaturii tăişului.

Conductivitatea termică şi căldura specifică a materialului sculei influenţează asupra temperaturii tăişului prin aceea că, la valori mari ale acestor caracteristici, căldura preluată de sculă este uşor transmisă zonelor mai îndepărtate de tăiş, ceea ce favorizează micşorarea temperaturii acestuia.

Regimul de aşchiereIntensificarea regimului de aşchiere (prin mărirea vitezei, a avansului

şi adâncimii de aşchiere) duce la ridicarea temperaturii tăişului

Global, influenţa ragimului de aşchiere asupra temperaturii tăişului se poate exprima printr-o relaţie de forma:

xyz tsvC

în care constanta Cθ depinde de natura materialului prelucrat , de geometria sculei şi de condiţiile de răcire. Între exponenţi există, de obicei inegalitatea z > y > x, ceea ce arată că temperatura tăişului este mai puternic influenţată de viteza de aşchiere, mai puţin de avans şi cel mai puţin de adâncimea de aşchiere.

Parametrii geometrici ai sculei influenţează asupra temperaturii tăişului prin aceea că, modificarea lor duce pe de-o parte la modificarea forţelor de aşchiere, iar pe de altă parte, a volumului tăişului , deci a capacităţii sale termice.

La fiecare caz practic de prelucrare există, din punct de vedere al temperaturii sculei, un unghi de degajare şi un unghi de aşezare optim.

Lichidele de aşchiere au o acţiune fizco-chimică multilaterală asupra desfăşurării procesului de aşchiere, constând, în principal, în următoarele efecte:

•- răcire - prin absorbirea si eliminarea căldurii, ceea ce duce la micşorarea temperaturii aşchiei, sculei şi piesei; efectul de răcire depinde de conductivitatea termică a lichidului, de căldura specifică a acestuia şi de căldura latentă de vaporizare. Din acest punct de vedere, apa are capacitatea cea mai mare de răcire, dar întrucât ea nu udă bine suprafeţele metalice, se adaugă săpunuri sau electroliţi alcalini, rezultând soluţii apoase, care au, de asemenea o capacitate bună de răcire.

•- ungere - datorită formării unui strat la suprafaţa sculei care micşorează coeficientul de frecare; prin adăugarea în lichidele de aşchiere a unor substanţe capilar active se măreşte afinitatea lichidului cu metalul, ceea ce face ca pelicula formată să fie rezistentă ;

•- efect de aşchiere - constă în micşorarea rezistenţei la deformare a materialului prelucrat prin pătrunderea moleculelor lichidului în microfisurile formate sub acţiunea forţelor de aşchiere în lungul planurilor de alunecare, ceea ce duce la micşorarea coeficientului de frecare interioară;

•- împiedicarea depunerilor pe tăiş - ca urmare a formării peliculei pe suprafaţa sculei, ceea ce elimină contactul direct între aşchie şi faţa de degajare şi dezavantajează fenomenul de lipire a particulelor materialului prelucrat pe suprafaţa sculei;

•- protejarea suprafeţelor metalice împotriva coroziunii- se realizează prin formarea unor pelicule care impiedică acţiunea agenţilor de coroziune (oxigen, acizi etc); pentru a preveni coroziunea provocată de apă, se introduc în lichidele de răcire inhibitori de coroziune ( săpunuri, electroliţi alcalini etc ). În ceea ce priveşte uleiurile, în general acestea nu provoacă coroziuni, dar proprietăţile lor de răcire sunt mai reduse decât ale soluţiilor apoase;•- efect de spălare- care ajută la îndepărtarea aşchiilor mici şi a prafului metalic, prevenind astfel lipirea acestora de suprafeţele metalice ale elementelor sistemului tehnologic , care ar fi un factor favorizant al uzurii premature.

Nr.grupei

Denumirea lichidului de aşchiere

Caracteristica principală a compoziţiei lichidului de

aşchiere

Proprietăţile principale

I Soluţie de electroliţi Apă + inhibitor de coroziune

Proprietăţi înalte de răcire

II Soluţii apoase cu substanţe capilar active (săpunuri)

Apă + substanţe capilar active + inhibitor de coroziune

Proprietăţi bune de răcire, de ungere şi de aşchiere

III Emulsii şi soluţii ale uleiurilor solubile în apă

Apă + substanţe capilar active + inhibitor de coroziune + ulei mineral emulsionat

Idem

IV Emulsii active Apă + substanţe capilar active + ulei mineral emulsionat

Proprietăţi mari de ungere şi de aşchiere, proprietăţi bune de răcire

V Uleiuri minerale, activate, supraactivate şi cu grafit

Uleiuri minerale, uleiuri minerale cu substanţe capilar active, uleiuri minerale cu sulf şi clorurate, uleiuri cu grafit.

Proprietăţi mari şi foarte mari de ungere şi de aşchiere, proprietăţi slabe de răcire.

UZURA ŞI DURABILITATEA SCULELOR AŞCHIETOARE.

Formele şi efectele uzurii sculelor. Evoluţia uzurii în timp.

Indiferent de tipul şi destinaţia lor, sculele utilizate în limitele regimurilor de aşchiere normale, se uzează numai pe faţa de aşezare sau simultan pe faţa de aşezare şi de degajare

Uzura pe faţa de aşezare se manifestă sub forma unei teşituri de înălţime hα. În general, în lungul muchiei active a tăişului această înălţime este variabilă.

Uzura pe faţa de degajare apare sub acţiunea abrazivă a aşchiilor de curgere şi se manifestă sub forma unei scobituri de lăţime B şi adâncime hγ, fiind plasată aproximativ paralel cu muchia principală de aşchiere; lungimea acestei scobituri este egală cu lungimea activă a tăişului.

Forma sub care se manifestă uzura unei scule este influenţată de natura materialului prelucrat, de mărimea avansului şi a vitezei de aşchiere. Astfel, la prelucrarea materialelor casante apare numai uzura pe faţa de aşezare, deoarece aşchiile fragmentate obţinute nu erodează faţa de degajare. In schimb, la aşchierea materialelor tenace sunt posibile ambele forme de uzură.

La lucrul cu avansuri mici este predominantă uzura pe faţa de aşezare, iar pe măsura creşterii avansului se manifestă tot mai intens uzura pe faţa de degajare.

Gradul de uzură al unei scule poate fi exprimat prin parametrii liniari sau de masă. Ca parametrii liniari ai uzurii pe faţa de aşezare se utilizează înălţimea maximă hα a teşiturii sau valoarea maximă a uzurii radiale hr , iar pentru uzura pe faţa de degajare- adâncimea maximă a scobiturii hγ sau lăţimea B a acesteia. Variaţia uzurii în timp poate fi

reprezentată prin aşa numita curbă caracteristică de uzură, care se obţine prin măsurarea parametrilor uzurii la diferite intervale de timp (sau drum de aşchiere). Formele obişnuite ale curbei caracteristice de uzură pe faţa de aşezare sunt prezentate în figura alăturată.

Dacă scula se uzează simultan pe faţa de aşezare şi de degajare, atunci caracteristica uzurii pe faţa de aşezare este cea din figura “a” şi constă din trei porţiuni mai mult sau mai puţin distincte: amorsarea uzurii, uzura normală şi uzura catastrofală.

Dacă sculele se uzează pe ambele feţe, dar este predominantă uzura pe faţa de aşezare, curba caracteristică a acesteia are alura din figura “b”, iar în cazul sculelor care se uzează numai pe faţa de aşezare, caracteristica de uzură are alura din figura “c”.

Schema uzurii pe faţa de degajare şi variaţia în timp a parametrilor acestei forme de uzură sunt arătate mai jos.

Apariţia şi progresarea în timp a ambelor forme de uzură provoacă o serie de efecte negative în procesul de aşchiere.

Uzura pe faţa de aşezare are ca urmări:

• micşorarea unghiului α, ceea ce conduce la intensificarea frecării pe suprafaţa de contact dintre piesă şi sculă, deci la mărirea forţelor de aşchiere şi a energiei consumate;

• creşterea cantităţii de căldură degajată prin transformarea lucrului mecanic de frecare, ceea ce duce la mărirea temperaturii tăişului şi implicit la intensificarea în continuare a uzurii;

• înrăutăţirea calităţii suprafeţei prelucrate, ca urmare a faptului că, prin uzură, aspectul iniţial al muchiilor şi al suprafeţelor de aşezare se modifică, acestea căpătând forme neregulate care se copiază pe suprafaţa aşchiată a piesei ;

• modificarea cotei piesei prelucrate, întrucât valoarea hr alterează dimensiunea reglată, putând conduce , în timp, la ieşirea acesteia din câmpul de toleranţă impus. Efectele uzurii pe faţa de degajare:

• mărirea treptată a unghiului de degajare, a cărei manifestare se face observată prin schimbarea formei aşchiilor rezultate;• micşorarea volumului tăişului, a capacităţii sale termice şi a rezistenţei sale mecanice, putând fi periclitată însăşi integritatea acestuia ;• apariţia vibraţiilor în timpul prelucrării .

Fenomene care provoacă uzura

Uzura sculelor aşchietoare constă în îndepărtarea treptată de material de pe feţele active datorită solicitărilor mecanice şi termice din timpul aşchierii, ceea ce duce la modificări ale formei lor geometrice şi ale proprietăţilor fizico-chimice şi provoacă pierderea capacităţii de aşchiere.

Principalele fenomene care produc îndepărtarea treptată de material de pe feţele sculelor de către aşchie şi suprafaţa aşchiată sunt: îndepărtarea particulelor sculei ca urmare a solicitărilor mecanice din tăiş; acţiunea abrazivă între materialul prelucrat şi cel al sculei; acţiunea de formare şi distrugere periodică a depunerilor aderente pe tăiş; difuziunea; procesele chimice care au loc în zonele de contact (oxidarea).