Scula elementara

SCULA ELEMENTARĂ 5.1 Geometria sculei elementare

Cel mai apropiat procedeu de cel al aşchiei este măsurarea durităţii unui metal prin metoda urmei. În acest caz un element fizic (bilă, con, piramidă) pătrunde în materialul de testat şi lasă o urmă mai mare sau mai mică în funcţie de duritatea materialului măsurat. Şi în cazul aşchierii un element sub forma unei pene pătrunde în materialul de prelucrat şi prin aplicarea unei forţe suficient de mari duce la îndepărtarea sub forma de aşchii a materialului aflat peste linia care delimitează suprafaţa aşchiată.

Conform fig.5.1 se poate observa asemănarea penei unei scule aşchietoare oarecare cu pana teoretică studiată în cadrul capitolului de statică la mecanica teoretică.

Fig.5.1 Pana aşchietoare

Intersecţia celor două feţe amintite mai sus formează tăişul sculei notat cu T. Pentru a scoate în evidenţă diferenţele între pana teoretică şi pana aşchietoare se pot observa următoarele diferenţe:

- existenţa unghiului de aşezare α, care la scula elementară are o valoare diferită de zero cum apare la pana teoretică;

- asimetria sculei elementare faţă de pana teoretică; - existenţa mişcării la scula elementară faţă de pana teoretică

considerată statică (viteza de aşchiere v); - unghiul de degajare γ măsurat faţă de normala la direcţia mişcării

principale a sculei;

SCULA ELEMENTARĂ 63

- raza de ascuţire rn , care apare în zona tăişului în secţiunea normală la tăiş, indiferent de gradul de finisare la ascuţire şi care are o mare influenţă asupra pătrunderii sculei în material, în special la grosimi mici de aşchie;

In figura 5.2, se poate observa că de la un anumit punct aflat pe raza de ascuţire (punctul de tangenţă al liniei de forfecare a aşchiei cu cercul de rază rn materialul nu mai este eliminat în aşchie ci este tasat pe suprafaţa prelucrată, producând deformaţii plastice puternice şi ducând la distrugerea structurii straturilor subadiacente suprafeţei prelucrate. Acest fenomen este foarte important la prelucrările la care aşchia este foarte subţire sau mai exact se apropie de valoarea razei de ascuţire (cazul frezării unde aşchia este ridicată pornind teoretic de la valoarea “0” , broşarea, rectificarea etc.).

Fig. 5.2 Raza de ascuţire, rn

Având în vedere că prin aplicarea forţei de aşchiere în faţa sculei apare o

stare complexă de tensiuni, de la tensiuni elastice până la cele plastice şi în final curgere şi rupere este normal ca după trecerea tăişului tensiunile elastice să tindă să revină şi materialul să încerce să se ridice după trecerea tăişului. Dacă unghiul de aşezare nu ar avea o valoare diferită de 0 (pozitivă), frecarea pe faţa de aşezare ar fi foarte mare, practic nu s-ar mai aşchia şi calitatea suprafeţei slabă. Pentru a evita aceste impedimente este absolut necesar ca la scula elementară să existe un unghi de aşezare α > 0. Valoarea acestui unghi va fi aleasă în funcţie de tipul operaţiei: mai mare la finisare şi mai mică la degroşare şi de asemenea în funcţie de revenirea elastică a materialului prelucrat, mai mare la materialele cu revenire elastică mare. Limitarea în sensul creşterii acestui unghi este dată de slăbirea tăişului sculei prin micşorarea unghiului de ascuţire β şi în unele cazuri de apariţia vibraţiilor.

Unghiul de degajare γ poate lua valori pozitive, ca în fig.5.3.a, dar poate avea şi valoarea 0 sau chiar valori negative (fig.5.3.b).

Acest unghi este important în ceea ce priveşte uşurinţa cu care pana sculei pătrunde în materialul de prelucrat. Cu cât valoarea unghiului de degajare este


mai mare cu atât pana sculei elementare pătrunde mai uşor şi forţa necesară de aşchiere va fi mai mică, dar şi tăişul va fi mai puţin consolidat şi scula va rezista mai puţin.

Fig. 5.3 Valoarea unghiului de degajare

Dimpotrivă dacă unghiul de degajare scade sau ia valori negative, unghiul

de aşchiere creşte, rezistenţa sculei creşte şi ea, dar forţele de aşchiere cresc şi aşchiile se degajă mai greu. Ca urmare şi pentru unghiul de aşezare cât şi mai ales pentru cel de degajare se va căuta un optim care să satisfacă în măsură corespunzătoare cele două cerinţe antagoniste.

Valoarea unghiului de degajare se ia în funcţie de duritatea şi rezistenţa mecanică a materialului de prelucrat. Astfel, la materiale având o plasticitate mai mare sau o rezistenţă mecanică mai mică se vor alege unghiuri de degajare mari, iar la materiale mai dure şi cu rezistenţă ridicată unghiurile de degajare vor lua valori mai mici sau chiar negative pentru a mări unghiul de ascuţire şi deci rezistenţa la uzură a sculei. Un alt element în funcţie de care se alege valoarea unghiului de degajare este materialul sculei. Astfel, la scule din materiale extradure (materiale mineralo-ceramice sau compozite ale acestora) unghiul de degajare ia obligatoriu valori negative, chiar dacă numai pe lăţimea unor faţete aflate în vecinătatea tăişului, figura 5.4. Aceasta pentru ca materialul sculei să fie supus la tensiuni de comprimare la care rezistă foarte bine şi nu la cele de încovoiere sau tracţiune (în general tensiuni pozitive) la care nu rezistă deoarece pe măsură ce creşte duritatea creşte şi fragilitatea.

Acest lucru este necesar pentru a se evita supunerea la încovoiere a vârfului sculei elementare ceea ce ar duce la apariţia unor tensiuni pozitive (de tracţiune) la care aceste materiale extradure nu rezistă deloc, faţă de tensiunile negative (de compresiune) la care rezistă foarte bine. Aşchierea cu unghiuri de degajare negative este folosită destul de mult, dar trebuie ţinut cont că valoarea forţelor de aşchiere creşte şi este nevoie de sisteme tehnologice mai rigide şi maşini-unelte cu puteri mai mari.


Fig. 5.4 Faţetele de degajare

Diferenţa cea mai mare faţă de pana teoretică rămâne existenţa razei de ascuţire. Această rază care rezultă în urma ascuţirii face ca toate calculele referitoare la forţele de aşchiere să fie diferite faţă de pana teoretică, apărând modelele de calcul specifice aşchierii (Merchant, Oxley etc.), [5,7]. S-ar putea presupune că se poate ascuţi fără rază (teoretic), dar după pătrunderea sculei în material această rază ar apare foarte repede prin fenomenul de uzare abrazivă.

O altă deosebire a sculei elementare faţă de pana teoretică este apariţia unghiului de înclinare λT, care face ca punctele de pe tăiş aflate într-un plan perpendicular pe acesta să difere de la punct la punct. Acest unghi se măsoară între normala la viteza principală a sculei şi direcţia tăişului. Apariţia acestui unghi, fig.5.5 face ca aşchierea să se numească oblică sau complexă faţă de cea la care tăişul este perpendicular pe viteză, care se numeşte aşchiere ortogonală.

Fig. 5.5 Aşchierea oblică şi aşchierea ortogonală, [4]


Aşchierea ortogonală este mai puţin folosită în practică şi mai mult în cercetarea procesului de aşchiere. În fig.5.6 Sunt redate modurile de a obţine aşchiere ortogonală şi condiţiile impuse pentru a se produce acest tip de aşchiere, [2].

Fig. 5.6 Variante de aşchiere ortogonală

Aşchierea oblică este aşchierea folosită în mod uzual deoarece existenţa unghiului de înclinare are anumite avantaje printre care se pot enumera:

- pătrunderea progresivă a tăişului în material şi scăderea şocului de intrare al sculei în material;

- reducerea forţei pe direcţia mişcării principale a sculei (cu apariţia unei componente laterale);

- posibilitatea dirijării aşchiei pe direcţia dorită– spre suprafaţa prelucrată sau spre cea neprelucrată a piesei;

- posibilitatea controlării modului de atacare al secţiunii aşchiei de către faţa de degajare a sculei (împreună cu unghiul de degajare), [4].

Rezultă că ori de câte ori vom avea posibilitatea vom folosi unghiul de înclinare diferit de zero la orice tip de sculă.

În concluzie, scula elementară se consideră a fi pana aşchietoare a

oricărei scule aşchietoare, indiferent de complexitatea acesteia. Aceasta este formată de cele două feţe active, de degajare şi de aşezare şi este deosebită de o pană teoretică prin mai multe elemente care au fost puse în evidenţă în acest paragraf. Desigur că sculele reale, care nu aşchiază ortogonal sunt mai complexe, în special prin faptul că nu au un singur tăiş ci mai multe. Indiferent de poziţionarea acestora pe corpul sculei partea activă a fiecărui tăiş poate fi asimilată cu o sculă elementară.


5.2 Unghiuri de poziţie

S-a discutat la capitolul precedent despre scula elementară, că la marea majoritate a sculelor reale nu există un singur tăiş ci două sau mai multe, figura 5.7. Având în vedere acest lucru se pune problema poziţionării acestora unul faţă de altul şi faţă de corpul sculei.

Fig.5.7 Elementele componente ale sculei aşchietoare Unghiurile care poziţionează tăişurile se numesc unghiuri de poziţie sau

de atac deoarece descriu şi modul în care este atacat semifabricatul de către tăişurile sculei. Dacă există mai multe tăişuri unul dintre acestea este de obicei principal, iar celelalte secundare, astfel că unghiurile de poziţie se vor numi corespunzător unghiuri principale şi secundare.

În figura 5.8 este prezentată operaţia de rabotare şi se exemplifică cele două unghiuri de atac principal şi respectiv secundar. Notarea acestor unghiuri se face folosind litera grecească κ (kapa) şi indicele r (al planului de referinţă în care se măsoară). Pentru tăişul principal nu se foloseşte alt simbol, iar pentru cel secundar se foloseşte indicele „‘ ” (prim) şi aşa mai departe. Definiţie: Unghiul de atac este unghiul format între direcţia probabilă de avans a sculei şi direcţia tăişului sau proiecţia acesteia în planul de referinţă. Astfel vom avea unghiul de atac principal κr pentru tăişul principal şi respectiv secundar κ’

r pentru tăişul secundar. Unghiul suplementar al acestor două se numeşte unghiul la vârf al sculei şi se notează cu εr. Astfel vom avea relaţia:

or

'rr 180=ε+κ+κ (5.1)


Fig.5.8 Unghiurile de atac

Pentru a observa influenţele unghiurilor de atac asupra procesului de

aşchiere trebuie remarcat faptul că acesta influenţează în primul rând forma secţiunii aşchiei ridicate de către sculă. Astfel se poate determina secţiunea aşchiei detaşate între două poziţii succesive ale sculei, decalate cu valoarea avansului, f una faţă alta. Pe direcţia perpendiculară pe cea de avans secţiunea aşchiei este delimitată de adâncimea adaosului de prelucrare pentru trecerea respectivă, valoare notată cu t şi numită adâncime de aşchiere.

Conform notaţiilor din figura 5.8, rezultă: 12 – tăiş principal notat cu T; 13 – tăiş secundar notat cu T’; 12’ – tăiş principal activ (angajat), Ta; 13’- tăiş secundar activ, T’

a ;

Pentru secţiunea aşchiei se pot determina următoarele cazuri: 12’45 – secţiunea aşchiei nominale (aceasta se ia în calcul); 12’43’ – secţiunea aşchiei efective (îndepărtată efectiv în procesul de aşchiere); 13’5 – secţiunea aşchiei nedetaşate (rămâne sub formă de rugozitate pe suprafaţa prelucrată).

Secţiunea aşchiei nominale, denumită în standardul de terminologie la aşchiere strat nominal de aşchiere are valoarea dată de relaţia:


pafA ⋅= [mm2] (5.2)

Fig.5.9 Parametrii secţiunii aşchiei

Parametrii f şi ap se mai numesc şi parametri tehnologici ai operaţiei fiind

cei care se reglează pe maşina-unealtă. Pe lângă aceştia mai există parametrii geometrici ai secţiunii aşchiei a şi b care măsoară grosimea şi lăţimea geometrică a secţiunii aşchiei. Între cele două perechi de parametri există relaţiile:

rp

r

sin/absinfa

κ=κ=

(5.3)

Se poate observa că aria secţiunii aşchiei se poate exprima şi sub forma:

bafaA p ⋅=⋅= (5.4) Influenţa unghiurilor de poziţie Forma secţiunii aşchiei. Din relaţiile de mai sus se poate observa că parametrii geometrici ai secţiunii aşchiei sunt influenţaţi de valoarea unghiului de atac. Acest lucru se poate vedea în figura 5.10, unde sunt reprezentate două tipuri de secţiuni de aşchie având două valori ale unghiului de atac. Pentru caracterizarea formei secţiunii se introduce raportul de formă al secţiunii aşchiei, similar cu raportul de zvelteţe folosit la solicitarea la flambaj, determinat de raportul b/a.

Fig.5.10 Forma secţiunii aşchiei


Dacă valoarea acestui raport este mare secţiunea este de formă subţire (zveltă), iar dacă această valoare este mică secţiunea este de formă groasă. Acest lucru este foarte important la stabilirea parametrilor tehnologici ai regimului de aşchiere deoarece determină presiunea de aşchiere, care este mult mai mare dacă secţiunea aşchiei este de formă subţire. În acest caz atât forţele de aşchiere cât şi deformarea materialului aşchiat este mai mare şi randamentul aşchierii este mai redus. Concluzia acestui fapt este că se preferă secţiunea de aşchie de formă groasă ori de câte ori este posibil, aceasta ducând la presiuni mai mici de aşchiere, forţe mai reduse şi deformaţii plastice mai mici. Exercitarea unei presiuni de aşchiere mai reduse asupra feţei de degajare a sculei duce la o uzură mai redusă a acesteia şi la mărirea durabilităţii sculei. Creşterea presiunii de aşchiere cu scăderea grosimii aşchiei a fost semnalată de către primii cercetători ai procesului de aşchiere (Zvorîkin, 1893),[9] şi confirmată ulterior de către toţi cercetătorii fizicii procesului de aşchiere, [3,4]. Mărimea rugozităţii geometrice. Se defineşte rugozitatea geometrică valoarea componentei rugozităţii totale, care se poate calcula în funcţie de forma geometrică a vârfului sculei şi a mărimii avansului de lucru. Valoarea acesteia diferă destul de mult de valoarea reală a rugozităţii, fiind în general mai mică decât aceasta. Din figura 5.11, în care se poate observa secţiunea de aşchie nedetaşată în cazul în care raza la vârful sculei este egală cu zero (sau raportul între valoarea avansului şi a razei la vârf tinde la zero).

Fig.5.11 Rugozitatea geometrică (calculată)

Din triunghiul ABC se poate determina înălţimea AD, care este egală cu valoarea rugozităţii calculate Rc. Efectuând calculele se ajunge la relaţia:

'rr

c ctgctgfR

κκ += (5.5)

Din relaţia de mai sus rezultă că rugozitatea geometrică (calculată) este cu atât mai mare cu cât avansul de lucru este mai mare şi valoarea unghiurilor de poziţie este mai mică. Unghiul de atac secundar are cea mai mare influenţă şi valoarea acestuia se ia mai mică dacă se doreşte o rugozitate mai bună. S-a


încercat chiar folosirea unui unghi de atac secundar egal cu zero pe o faţetă de trecere între tăişul principal şi cel secundar, numit chiar tăiş de trecere şi cunoscut în literatura de specialitate ca tăiş Rîvkin-Kolesov.

Fig.5.12 Tăiş de tip Kolesov (tăiş de trecere)

Dacă lungimea acestui tăiş (fig.5.12) este mai mare sau la limită egală cu valoarea avansului de lucru rugozitatea teoretică este zero deoarece tăişul secundar “rade” aşchia nedetaşată de pe suprafaţa prelucrată. Folosirea acestui tip de tăiş duce într-adevăr la îmbunătăţirea rugozităţii suprafeţei aşchiate şi se întâlneşte la unele scule cum sunt frezele frontale unde există unul sau mai mulţi dinţi de planare prevăzuţi cu tăişuri de tip Kolesov, [8]. Acelaşi tăiş se poate regăsi şi în geometria alezorului, unde tăişul secundar este de tip Kolesov pentru a se obţine o rugozitate foarte bună. Direcţionarea componentelor forţei de aşchiere. La orice operaţie de aşchiere pe tăişul principal apare o componentă a forţei de aşchiere numită forţa normală (fig.5.13), care din motive de calcul se descompune după două direcţii - una corespunzătoare direcţiei de avans şi a doua perpendiculară pe aceasta.

Fig. 5.13 Direcţionarea componentelor forţei normale

Unghiul de atac principal are o influenţă asupra mărimii celor două componente conform relaţiilor:


rNx

rNz

cosFFsinFF

κκ

==

(5.6)

Importanţa repartizării forţei rezidă în faptul că mărimea componentei transversale (Fx) este responsabilă de apariţia vibraţiilor în procesul de aşchiere. Astfel, dacă valoarea unghiului de atac principal este mică va rezulta o valoare mare a componentei transversale şi va apare pericolul vibraţiilor, desigur şi în funcţie de rigiditatea transversală a piesei. La valori apropiate de 90o componenta transversală va tinde la zero şi teoretic va exista numai componenta de avans. La valori egale cu 90o valoarea componentei Fx va lua teoretic valoarea zero. Rezultă că pentru prelucrarea unor piese cu rigiditate transversală redusă, (piese subţiri şi lungi, ţevi etc. ) se va lua un unghi de atac principal de 90o (cuţite de colţ). La unghiul de atac principal de 90o , valoarea forţei transversale va fi numai teoretic zero, deoarece există raza la vârf a sculei (rε ≠0), fig.5.14 este diferită de zero şi de-a lungul căreia unghiul de atac principal variază şi apare de asemenea şi o componentă datorată unghiului de înclinare când acesta este diferit de zero (λT ≠0).

Fig.5.14 Vârful sculei, [10]

De asemenea mai apare o componentă a forţei pe direcţia normală la suprafaţa prelucrată datorată tăişului secundar care aşchiază pe o mică porţiune (vezi fig.5.9). Rezultă deci, că în practică valoarea forţei de respingere a sculei faţă de piesă, nu este zero ci apare totuşi o valoare mică. Pentru minimizarea ei se va lua o geometrie cu unghi de atac secundar mai mare, unghi de înclinare zero şi rază la vârf mică. BIBLIOGRAFIE 1. Blanpain, Ed. Theorie et practique des outils de coupe. Paris, Eyrolles, 1955 2. Deacu, L., Kerekes, L., Julean, D. şi Cărean, M. Bazele aşchierii şi generării suprafeţelor.

Cluj-Napoca, Universitatea tehnică,1992. 3. König, W. Fertigungsverfahren, Band1, Drehen Fräsen, Bohren, VDI- Verlag, Gmbh,

Dǖsseldorf, 1984.


4. Kronenberg,M. Grundzuge der Zerspanungslehre, vol. I,II,III, Berlin-Gotingen-Heidelberg-New York, Springer, 1969.

5. Merchant, M.E. Basic Mechanics of the Metals Cutting Process, In: J. of Applied Physics, 15,1945, p.267.

6. Oprean, A. ş.a. Bazele aşchierii şi generării suprafeţelor. Bucureşti, Ed.Didactică şi pedagogică, 1981.

7. Oxley, P.L. Un indice de prelucrabilitate dedus pe cale analitică. In:Prelucrarea metalelor, nr.9, 1965.

8. Şteţiu, G. Lăzărescu, I, Oprean, C. şi Şteţiu, M. Teoria şi practica sculelor aşchietoare. Sibiu, Editura universităţii , vol.I, II, III, 1994.

9. Zvorîkin, K.A. Rabota usiliene obhadimîe dlia otdeleniia metalliceskih strujek. Moskva,1893.

10. * * * STAS 6599/1-88 Noţiuni generale, sisteme de referinţă şi unghiuri.

Scula elementara

Documents

Transcript of Scula elementara