DURABILITATEA SCULELOR AŞCHIETOARE

Criterii de uzură

În timpul aşchierii progresarea uzurii însoţită de efectele arătate mai sus reclamă la un moment dat reascuţirea sau schimbarea sculei. Oportunitatea acestor măsuri este stabilită cu ajutorul criteriilor de uzură, prin care se înţeleg motivele pe baza cărora se poate afirma că aşchierea cu o anumită sculă trebuie întreruptă. Cu ajutorul criteriilor de uzură se stabilesc limitele gradului de uzură până la care se poate aşchia cu scula respectivă, adică se stabileşte uzura admisibilă, după atingerea căreia este necesară reascuţirea. Intervalul de timp de aşchiere efectivă cu scula până la atingerea uzurii admisibile poartă numele de durabilitate ( notată T ) şi se exprimă în minute.

În majoritatea cazurilor se folosesc criterii care limitează uzura pe faţa de aşezare, deoarece aceasta apare la prelucrarea oricăror materiale, indiferent de regimul de aşchiere folosit, dar şi pentru că măsurarea precisă a înălţimii teşiturii hα este practic mai simplă decât a adâncimii scobiturii pe faţa de degajare.

În general se utilizează două grupe de criterii de uzură şi anume:- criteriul uzurii economice;- criterii tehnologice de uzură - sunt mai frecvent folosite în practică.

Pe baza acestora uzura se limitează, deci scula se reascute, în următoarele condiţii:• când rugozitatea suprafeţei prelucrate devine necorespunzătoare;• când scula şi-a pierdut dimensiunea şi piesele prelucrate ies din câmpul de toleranţă impus;• când apar vibraţii în procesul de aşchiere;• când forţa de aşchiere se măreşte într-o anumită proporţie faţă de cea înregistrată la lucrul cu scula nou ascuţită;• când piesa se încălzeşte excesiv;• când se modifică forma aşchiei ( din bandă, în spirale scurte sau bucăţi separate).

Conform STAS 12046/1,2-84 şi ISO 3685-77, durabilitatea sculei aşchietoare este timpul de aşchiere necesar pentru atingerea criteriului de uzură.

Influenţa condiţiilor de aşchiere asupra durabilităţii sculelor

Influenţa materialului prelucrat asupra durabilităţii

Aşa cum s-a arătat, forţele de aşchiere şi temperatura cresc cu creşterea rezistenţei şi duritătii materialului prelucrat, ceea ce conduce la intensificarea procesului de uzură. Ca urmare, durabilitatea, care are o variaţie inversă uzurii, va fi descrescătoare. Legătura între durabilitate şi caracteristicile materialului prelucrat se exprimă, de obicei simplificat, numai în funcţie de rezistenţa sau duritatea acestuia, prin funcţii de forma:

O influenţă considerabilă asupra durabilităţii o are starea straturilor exterioare ale semifabricatului şi anume: la piesele turnate stratul exterior conţine incluziuni dure, iar la piesele laminate acesta este dur din cauza ecruisării. In aceste cazuri stratul exterior al materialului prelucrat produce o uzură abrazivă accentuată, micşorând corespunzător durabilitatea sculei.

p

CT

qHB

HBHB

CT

Influenţa materialului sculei şi a stării suprafeţelor tăişului.Rezistenţa la uzură şi, deci, durabilitatea sculelor confecţionate din oţeluri de scule este influenţată de conţinutul martensitic şi de punctul de transformare al acesteia, iar a celor confecţionate din aliaje dure sau oxizi sinterizaţi, de prezenţa unor compuşi duri. Rugozitatea iniţială a feţelor de degajare şi de aşezare are o influenţă deosebită asupra intensităţii uzurii şi durabilităţii. Dacă acestea sunt grosolan ascuţite, în prima perioadă de lucru contactul între aşchie şi sculă, respectiv, între piesă şi sculă, se face pe vârfurile asperităţilor, ceea ce duce la apariţia, în aceste puncte, a unor presiuni şi temperaturi mult mai mari decât în cazul unui contact pe o suprafaţă netedă, deci şi a unei uzuri mai intense.

Influenţa regimului de aşchiere asupra durabilităţii.

Cea mai simplă aboradare a problemei influenţei regimului de aşchiere asupra durabilităţii o constituie studierea separată a variaţiei acesteia în funcţie de fiecare parametru al regimului. De pildă, pentru a găsi legătura între durabilitate şi viteza de aşchiere, se fac încercări cu viteze variabile, păstrând restul condiţiilor de lucru neschimbate.

Dacă dependenţa este monotonă sau dacă, în cazul celei nemonotone, prezintă interes practic numai porţiunile descrescătoare ale curbei, atunci legătura între durabilitate şi viteza de aşchiere se scrie de obicei sub forma unei funcţii exponenţiale, cunoscută sub numele de relaţia lui Taylor:

z1

v

CT

Reprezentarea în coordonate dublu logaritmice a perechilor de valori viteză- durabilitate permite trasarea dreptei de durabilitate ( folosind metoda celor mai mici pătrate ), al cărui coeficient unghiular este exponentul –z

Evident se poate utiliza şi relaţia inversă, a vitezei de aşchiere funcţie de durabilitate, sub forma:

,T

Cv

m

în care constanta C reprezintă viteza de aşchiere corespunzătoare durabilităţii de 1 minut, iar m, numit exponent al durabilităţii, este m=1/z.

Metodologia expusă mai sus pentru stabilirea dependenţei T=f(v) poate fi utilizată şi în legătură cu ceilalţi factori ai regimului de aşchiere, pentru care se găsesc, de asemenea, relaţii de forma:

,s

CT

y2 .

t

CT

x3

Dependenţa durabilităţii de toţi factorii de regim se poate exprima printr-o relaţie globală de forma:

,tsv

CT

xyz4

Influenţa parametrilor geometrici ai sculei asupra durabilităţii.

Dintre parametrii geometrici ai sculei, cea mai puternică influenţă asupra durabilităţii o are unghiul de degajare, a cărui creştere conduce la micşorarea forţelor de aşchiere, deci la scărerea intensitătii uzurii şi implicit la creşterea durabilităţii. Această dependenţă este însă valabilă numai până la anumite valori ale lui γ după care, datorită micşorării volumului tăişului şi a capacităţii sale termice, creştera temperaturii sculei creează condiţii de intensificare a uzurii, ceea ce duce la scăderea durabilitătii. Prin urmare, curba de dependenţă a durabilitătii de unghiul de degajare are un punct de maxim pentru γoptim.

Variaţia durabilităţii sculelor în funcţie de unghiul de aşezare poate fi descrisă, de asemenea printr-o curbă care prezintă un maxim, ramura ascendentă fiind explicată de scăderea forţelor de frecare la creşterea lui α, iar ramura descendentă de scăderea volumului şi capacităţii termice a tăişului, la fel ca în cazul unghiului de degajare.

Influenţa utilizării lichidelor de aşchiere asupra durabilităţii

Utilizarea lichidelor de aşchiere are ca principale efecte: • micşorarea temperaturii sculei prin preluarea şi evacuarea căldurii produse în procesul de aşchiere;• lubrifierea, prin reducerea frecării între aşchie şi sculă, între piesă şi sculă, ca şi a frecării interioare, în planurile de alunecare,între elementele stratului de aşchiere.

Acestea duc, în esenţă, la micşorarea intensităţii uzurii şi, implicit, la creşterea durabilităţii sculelor.

Optimizarea durabilităţii

Optimizarea durabilităţii după criteriul productivităţii

Pentru orice operaţie de prelucrare prin aşchiere norma de timp se poate exprima:

ab în care, b este timpul de bază, în cursul căruia are loc aşchierea efectivă, exprimat în minute, iar a este timpul auxiliar întrebuinţat pentru fixarea semifabricatului, pornirea şi oprirea maşinii-unelte , reglarea acesteia, măsurarea piesei, schimbarea sau reascuţirea sculei când aceasta s-a uzat, scoaterea piesei etc.

Pentru o piesă de dimensiuni date ( deci având un anumit adaos de prelucrare pentru operaţia respectivă ), timpul de baza variază invers proporţional cu viteza de aşchiere:

v

C0b

Dacă în expresia de mai sus se înlocuieşte relaţia lui Taylor, se obţine:

m1

m0b TCT

C

C

Din timpul auxiliar interesează numai duratele consumate în legătură cu prinderea , desprinderea, reglarea şi eventual reascuţirea sculei, deoarece acestea pot fi influenţate prin modificarea regimului de aşchiere (în speţă a vitezei).

Dacă se notează “n” numărul de reascuţiri ale sculei în timpul prelucrării unei piese se obţine:

1m1

m1b TCT

TC

Tn

Dacă timpul necesar unei schimbări a sculei ( inclusiv durata reglării ocazionată de această schimbare) este s, atunci timpul auxiliar se determină :

S1m

1Sa TCn

După înlocuiri, norma de timp are forma:

S1m

1m

1 TCTC

Cel mai scurt timp de prelucrare va fi cel pentru care derivata expresiei de mai sus în raport cu durabilitatea se anulează :

01mmTTCTC1mTmCdT

dS

2m1S

2m1

1m1

SS.max.prod 1zm

m1T

Curba rezultată din însumarea b + a reprezintă timpul de prelucrare şi admite un minim în dreptul valorii durabilităţii determinată cu relaţia de mai sus.

Optimizarea durabilităţii după criteriul costului prelucrării

Costul prelucrării unei piese într-o operaţie de aşchiere include o serie de elemente independente de regimul de aşchiere folosit la respectiva operaţie ( de exemplu amortizarea costului dispozitivelor, utilajului etc), pe care în continuare nu le vom lua în considerare.

Ţinând cont numai de acele elemente care variază în funcţie de viteza de aşchiere, cheltuielile corespunzătoare timpului de bază vor fi:

bbtb CC

iar cele corespunzătoare timpului auxiliar consumat cu schimbarea sculei:

ata nCC

în care: Cb este retribuţia muncitorului de la maşina-unealtă exprimată în lei pe minut; Ca reprezintă cheltuielile ocazionate de o schimbare a sculei, iar n este numărul de schimbări ale sculei în timpul unei operaţii.

Rezultă că la o operaţie, cheltuielile dependente de regimul de aşchiere sunt:

a1m

1bm

1abb CTCCTCCnCC

Costul minim se obţine pentru acea valoare a durabilităţii care anulează derivata

0C1mTmCTCdT

dCab

2m1

de unde rezultă:

b

a.min.tcos C

C

m

m1T

În costurile de schimbare a sculei Ca trebuie luate în considerare următoarele elemente:

r

Sn1b1bSa n

CCCC

în care: 1 este durata reascuţirii sculei, în minute; Cb1 este retribuţia ascuţitorului în lei pe minut; CSn este costul de achiziţie al sculei noi, iar nr – numărul de reascuţiri posibile în timpul duratei de viaţă a sculei.

Dacă notăm, pentru simplificare:

Sn

CC

r

S1b1

Durabilitatea care asigură cost minim al prelucrării va fi:

bS.min.tcos C

S

m

m1T

Aceasta poartă numele de durabilitate economică, iar viteza corespunzătoare ei este viteza de aşchiere economică.

Suprapunerea reprezentărilor productivităţii şi costurilor de prelucrare în funcţie de durabilitate, ca şi compararea relaţiilor de mai sus, permite să se observe că maximumul productivităţii nu se obţine la aceeaşi durabilitate cu minimumul costului prelucrării.

În condiţiile unui proces de producţie obişnuit se lucrează cu durabilitatea economică.

Se tinde spre apropierea durabilităţilor optimizate cu cele două criterii de mai sus.

Micşorarea durabilităţii economice este posibilă prin micşorarea timpului de schimbare a sculei şi a cheltuielilor de exploatare a sculei S:•utilizarea unor dispozitive de fixare rapidă a sculei ;•reducerea duratei de reglare ( de exemplu prin folosirea sculelor prereglate);•utilizarea unor materiale ieftine pentru fabricarea sculelor, fără a diminua performanţele acestora ;•folosirea materialelor scumpe indispensabile numai pentru realizarea tăişurilor;•tipizarea şi standardizarea sculelor, în vederea fabricării lor în serii mari, eficiente;•specializarea fabricaţiei de scule şi dotarea unităţilor producătoare de scule cu tehnologii şi utilaje de mare productivitate;•mărirea numărului de ascuţiri posibile prin executarea îngrijită a operaţiei de ascuţire şi prin dotarea sculăriilor cu utilaje de mare precizie;