EVALUAREA EFICACITĂŢII TRIBOLOGICE A FLUIDELOR DE PRELUCRARE PRIN

AŞCHIERE Dr. Ing. Adrian PĂLUŞAN

Eficacitatea tribologică este unul dintre cie mai importanţi parametrii pentru formularea optimă a compoziţiei, fluidelor de prelucrare. Eficacitatea tribologică nesatisfăcătoare a lubrifiantului, într-o primă observaţie, se poate aprecia prin formarea unor legături puternice (fizico-chimice) la interfaţa aşchie-sculă-piesă de prelucrat. Aceste legături degradează caracteristicile mecanice şi metalurgice (metalografice) ale structurilor de suprafaţă ale piesei de prelucrat, modifică curgerea plastică a metalului (piesei de prelucrat) pe adâncimi mari [∗∗∗74]. Uzura care apare pe suprafaţa sculei este cu câteva ordine de mărime mai mare decât uzura care apare în mod obişnuit într-o cuplă de frecare [IVK96].

Efectul de lubrifiere al fluidului de prelucrare constă în micşorarea forţelor de adeziune care pot apărea la nivelul feţei de degajare a sculei (între aşchie şi scula prelucrătoare), reducând sau chiar înlăturând posibilităţile care favorizează apariţia gripajului, reducând temperatura (întreţinută de energia termică degajată) [BEK91], prelungind durata de viaţă a sculei şi determinând obţinerea unor parametrii geometrici finali corespunzători. Efectul de lubrifiere al fluidului de prelucrare, determină (aparent) reducerea lungimii de contact dintre aşchie şi sculă [MEG96].

În condiţiile de apreciere a eficacităţii tribologice a fluidelor de prelucrare este important de stabilit obiectivul investigaţiei şi programul ales.

În principal scopul investigaţiilor este [BET98].

• stabilirea unui program experimental care să obţină cât mai multe informaţii operabile şi să permită calcularea sau evaluarea caracteristicilor fluidelor de prelucrare;

• studierea relaţiilor dintre aceste caracteristici şi parametrii tehnologici ai sculelor aşchietoare cu scopul principal de a obţine o serie de caracteristici fundamentale (globale), considerate parametrii tribologici pentru evaluarea cantitativă a fluidelor de prelucrare.

Capacitatea de lubrifiere, în aceeaşi măsură ca şi alte proprietăţi funcţionale ale fluidelor de prelucrare pot fi estimate prin două metode virtual diferite,

• o metodă indirectă, utilizând maşini de testare tribologică fără prelucrare (prin aşchiere),

• o metodă directă, de efectuare a măsurătorilor directe în procesul de prelucrare a maşinii-unealtă, alegând tipuri de operaţii de aşchiere diferite (strunjire, burghiere şi rectificare).

Se consideră (aproape acceptat ca regulă) că eficacitatea tribologică a fluidelor de prelucrare poate fi evaluată, doar, în procesele de prelucrare, deoarece instalaţiile de simulare

nu permit atingerea presiunilor înalte şi a temperaturilor locale şi globale caracteristici proceselor de prelucrare.

Alegerea componenţilor fluidelor de prelucrare care ţine cont de studierea caracteristicilor tribologice ale acestor fluide reprezintă modalitatea de formulare şi reprezintă un suport pentru realizarea aditivilor atât în cazul uleiurilor de motor şi uleiurilor hidraulice cât şi în cazul fluidelor de prelucrare [SIL92], [MEG96], [BET98].

5.1. INVESTIGAŢII ASUPRA CARACTERISTICILOR TRIBOLOGICE ALE FLUIDELOR DE PRELUCRARE PRIN METODE INDIRECTE

Dintre caracteristicile tribologice principale se consideră mai elocvenţi parametrii care relevă, capacitatea de lubrifiere, sarcina de sudură şi temperatură limită de maximă eficacitate a acţiunii fluidului de prelucrare. Procesul de fricţiune şi uzura sunt caracterizate de un număr mare de parametrii care prezintă măsuri diferite de influenţă asupra acestor procese. În literatura de specialitate, termenii şi definiţiile acceptă 13 tipuri de uzură [BAR93], care sunt determinate de diferite cauze (oboseală, gripare, sudură, etc.). Pentru determinarea parametrilor tribologici ai fluidelor de prelucrare este recomandată utilizarea instalaţiilor de testare cu un punct de contact, deoarece permit aplicarea de solicitări mecanice, obţinerea unor presiuni de contact mai mari decât în cazul contactului liniar sau contactului pe suprafaţă. Este indicat să se utilizeze maşini de testat care asigură alunecarea (dar nu cu rostogolire) deoarece aşchia alunecă pe faţa de degajare a sculei aşchietoare.

Cele mai importante instalaţii de testare de acest tip constructiv sunt maşina “cu patru bile” (a cărei funcţionare este reglementată prin documentaţii tehnice standard (în majoritatea statelor occidentale ) destinată testării lubrifianţilor vâsco-elastici (nemiscibili cu apa) utilizaţi doar în procesele de lubrifiere (nu şi cele de aşchiere), dar acceptată în condiţii limitative de testare (rezultatele prezentând caracter pur-informativ asupra procesului de lubrifiere şi a procesului de uzură) şi maşina “pin pe disc”.

Într-o măsură restrânsă coeficientul de frecare (în cazul utilizării maşinii cu patru bile) este considerat parametru de evaluare a caracterului tribologic a fluidului de prelucrare [PRK98]. Dar investigaţii multiple (pe mai multe tipuri de maşini cu patru bile în corespondenţă cu maşini unelte în diverse laboratoare) relevă că parametrul de evaluare tribologică (la prelucrare prin aşchiere a oţelurilor), este sarcina de sudură care determină sarcina critică a lubrifiantului. (Sarcina mecanică la care apar puncte de sudură între aşchia şi fata de degajare a sculei) sarcina de sudură este definită prin sarcina minimă care determină sudura bilelor. Se consideră prag temporal de apariţie a sudurii (sudură convenţională) pragul temporal de la care momentul de torsiune măsurat al axului care acţionează mişcarea bilelor devine mai mare decât momentul de torsiune prestabilit al mişcării libere sau pragul temporal la care creşterea liniară a momentului de torsiune al axului este întreruptă de un salt de creştere.

Utilizarea maşinii “pin pe disc” respectă aceleaşi principii de utilizare cu maşina cu “patru bile”.

Testările se pot efectua atât asupra fluidului de prelucrare în fază concentrată cât şi în fază diluată cu apă [MAP95], [BET98].

În literatura tehnică se recomandă şi alte metode de investigare a proprietăţilor ale fluidelor de prelucrare care permit testarea în condiţii mai riguroase. O asemenea metodă se referă la o instalaţie de testare echipată cu unitate de fricţiune etanşată ermetic. Această

unitate acceptă mărirea presiunii aerului permiţând menţinerea stării lichide a fluidului de prelucrare (în stare emulsionată sau dizolvată fără fierbere la creşterea temperaturii peste 100°C (conform legii fazelor Clausius-Clapeyron [TRI80]).

În condiţiile de fierbere, formarea bulelor perturbă manifestarea parametrilor tribologici ai fluidelor [TRI80].

Se propune un model matematic pentru evaluarea eficacităţii tribologice a fluidelor de prelucrare. Temperatura limită de manifestare a eficacităţii fluidului de prelucrare Tk se poate determina cu ajutorul ecuaţiei următoare

[ ]masBn

Ak vHc/BPlnR

ET⋅⋅

= , (5.1)

în care EA reprezintă energia de activare necesară formării legăturilor de adezivitate, P reprezintă presiunea la suprafaţa metalului, vas reprezintă viteza de aşchiere, HB reprezintă duritatea (măsurată în grade Brinell a metalului, R reprezintă constanta universală a gazelor, c reprezintă concentraţia substanţei active iar B, m, n reprezintă parametrii constanţi ai ecuaţiei.

Energia de activare pentru formarea legăturii de adezivitate se calculează ca rezultat al testului efectuat asupra fluidului de prelucrare în diferite condiţii sau pe mai multe instalaţii de testare de acelaşi tip:

−

−=

2

2,Bm

2,as

1

1,Bm

1,as"kP

'kP

"kP

'kP

A PHv

lnPHv

lnTT

TTE , (5.2)

în care indexările (‘) şi (1) corespund rezultatelor testelor impus de primul grup de condiţionări iar indexările (”) şi (2) corespund rezultatelor testelor impuse de al doilea grup de condiţionări [NEP98], [RPK98], [KKS98], [BET98].

5.2. INVESTIGAŢII ASUPRA CARACTERISTICILOR TRIBOLOGICE ALE FLUIDELOR DE PRELUCRARE PRIN METODE DIRECTE

În cadrul acestor metode se determină proprietăţile de lubrifiere ale fluidelor de prelucrare prin măsurarea valorilor forţelor şi momentelor specifice procesului de aşchiere, prin evaluarea raporturilor dintre aceste forţe, prin aprecierea uzurii sculelor de aşchiere, prin măsurarea gradului de compresie la care este supusă aşchia, prin apariţia fenomenului de sudare, prin apariţia crăpăturilor, prin măsurarea gradului de rodare a muchiilor tăietoare ale sculelor aşchietoare prin mărirea formării de depozite de material pe feţele active ale sculelor în perioada desfăşurării operaţiei de prelucrare (prin aşchiere) şi prin aprecierea extinderii zonei de contact dintre aşchie şi sculă [MEG96], [HEG96], [BET98]. Se poate considera important că Yang [YAN79] a determinat proprietăţile lubrifiante pentru mai multe fluide de prelucrare prin strunjire unor piese din mărci de oţeluri preselectate, utilizând cuţite de strunjire de acelaşi tip. Apreciind timpii individuali de prelucrare el a recomandat determinarea proprietăţilor lubrifiante ale fluidului de prelucrare prin măsurarea forţelor de aşchiere (respectiv componenta verticală de aşchiere Fz) dar nu a luat în considerare activitatea chimică şi fizico-chimică a fluidului de prelucrare analizat [BET98].

Prelucrarea filetelor interne conice şi cilindrice la piuliţe nefinisate din oţel slab aliat reprezintă o operaţie care poate oferi informaţii importante asupra evaluării proprietăţilor de lubrifiere ale fluidelor de prelucrare deoarece în această operaţie cea mai mare parte a energiei (de antrenare) este consumată pentru compensarea (învingerea) forţelor de adeziune şi forţelor de fricţiune de-a lungul profilului filetului (între filieră şi piesa de prelucrat) şi la contactul

dintre sculă de aşchiat şi aşchie. În acest mod se poate stabili o corelaţie între momentul de torsiune al filetării, uzura filierei, rugozitatea suprafeţei filetului, precizia dimensională a diametrului mediu al filetului [FAV78], [HEG96], [BET98].

Pentru evaluarea eficacităţii tribologice şi a proprietăţilor tehnologice a fluidelor de prelucrare şi a gazelor distribuite în jeturi utilizate la operaţiile de aşchiere sunt utilizate diverse tipuri de instalaţii de găurit sau de găurit şi filetat.

5.2.1. INSTALAŢII DE TESTARE A CARACTERISTICLOR TRIBOLOGICE PRIN METODE DIRECTE

5.2.1.1. INSTALAŢII DE TESTARE TRIBOLOGICĂ PRIN INTERMEDIUL OPERAŢIILOR DE GĂURIRE ŞI FILATARE

Această instalaţie a fost adaptată utilizând o maşină de găurire (burghiere) verticală. Caracteristicile destinate ale acestei instalaţii (fig. 5.1) permite utilizarea unei cantităţi de fluid de prelucrare la operaţii de găurire (burghiere), filetare, şi alezare-adâncire[BET98] . Piesa de prelucrat (4) este fixată în sistemul de prindere (3) aşezat pe discul (2) în interiorul cutiei cilindrice (1). Capacul (5) cu manşeta (6) permite realizarea experimentului utilizând medii gazoase şi/sau alimentări cu fluide sub presiune. Cilindrul (1) este montat pe o masă dinamometrică (7) conectată cu un amplificator (8), un oscilograf (9) şi un miliampermetru (10), necesară vizualizării variaţiilor valorilor forţei de aşchiere şi momentului de torsiune. Robinetul (11) este utilizat la finalizarea testării pentru golirea cutiei cilindrice. Asupra sculei de prelucrare prin intermediul greutăţii (12) suspendate cu cablu înfăşurat pe obada roţii (13), este acţionată o sarcină axială. Placa (14) este conectată cu axul sculei

aşchietoare a maşinii. Dispozitivul indicator cu cadru este fixat de suportul (16) şi permite efectuarea controlului vizual al deplasării verticale a sculei aşchietoare. Manometrul (17) verifică gradul de compresie a mediului gazos în situaţia utilizării de medii gazoase (ca suport tehnologic de lubrifiere răcire) în locul fluidelor de aşchiere [FAV78].

Fig. 5.1

Pentru evaluarea proprietăţilor tribologice ale fluidului de prelucrare, piesa de

prelucrat este amplasată în interiorul cutiei cilindrice. Piesei îi este prelucrat un filet interior, măsurându-se în acelaşi timp momentul de torsiune. Filiera utilizată pentru prelucrare se încadrează în condiţiile standard, (metric-normal), cu trei începuturi, cu dimensiunile 10x1,5 mm, dreapta, având o viteză de rotaţie de 243 rpm. Oţelul utilizat pentru piesa de prelucrat trebuie să se încadreze în categoria oţelurilor slab aliate hipoeutectoide (cu ductibilitate medie). Piesele utilizate sunt piuliţe (găurite-nefiletate cu diametrul interior 8.5382±0.0038 mm) pentru o filetare de 75% din înălţime. Această metodă de evaluare ia în considerare caracteristicile chimice şi fizico-chimice ale fluidelor de prelucrare şi efectele acestora asupra metalului în momentul prelucrării [HOW83], [HEW96], [BET98].

În figura 5.2., este redată o altă variantă a instalaţiei de testare tribologică a fluidelor de prelucrare cu ajutorul operaţiilor de găurire, filetare care prezintă în mod riguros acelaşi principiu de funcţionare, dar suplimentar are avantajul că asigură recircularea fluidului de prelucrare, existând posibilitatea de analizare eventuală a degradării fluidului de prelucrare datorită, solicitărilor mecanice la sarcini progresive. În cazul acestui tip de instalaţii de testare (în fapt cele mai reprezentative deoarece această operaţie care se desfăşoară în condiţii mecanice dificile -faţă de procesele de aşchiere în condiţii industriale şi momente de torsiune mari- solicită cele mai pretenţioase caracteristici tribologice (condiţii de lubrifiere ) dintre toate tipurile de operaţii de aşchiere), eficienţa tribologică a fluidului de prelucrare se poate exprima printr-o mărime relativă care reprezintă raportul dintre momentul de torsiune al fluidului de prelucrare standard (în cazul fluidelor miscibile şi nemiscibile cu apa) sau a uleiului de bază

neadivat (în cazul fluidelor nemiscibile cu apa) şi momentul de torsiune al fluidului de prelucrare investigat (în cazul fluidelor miscibile şi nemiscibile cu apa) sau a uleiului (în cazul fluidelor nemiscibile cu apa).

Fig. 5.2

( ) 100xMMEE T

Ex

TRBF = (5.3)

în care TRM reprezintă media valorilor momentului de torsiune măsurate pentru fluidul de

prelucrare (uleiul de bază neadivat) de referinţă, TExM reprezintă media valorilor momentului

de torsiune măsurate pentru fluidul de prelucrare (uleiul de bază aditivat) analizat, EF reprezintă eficienţa de lubrifiere în timpul operaţiei de filetare şi EB reprezintă eficienţa de lubrifiere în timpul operaţiei de găurire (burghiere) [HES87], [SIL92].

În baza unui volum mare de date obţinute experimental, deşi acest test obţine rezultatele de evaluare globale, se poate caracteriza, aportul tribologic (capacitatea de lubrifiere) individual al aditivilor sau uleiurilor de bază în mărimi relative prin prelucrare statistică a datelor preluate în mod selectiv [WEH80], [HOW83], [MCB96].

Acest test poate asigura îmbunătăţirea funcţionării fluidului de prelucrare prin analizarea efectului tribologic al componentelor majoritare, al aditivilor (individual şi în amestec) sinergic sau antagonic şi prin urmărirea evoluţiei caracteristicilor tribologice în raport cu durata testărilor (numărul de teste la care este supus un volum bine definit de fluid de prelucrare). Acest test se numeşte Testul Falex (de măsurare a momentului de torsiune la filetare prin metoda Falex) [FAV78], [HOW83], [SIL92].

5.3. CONCLUZII • S-a studiat corelarea între modul de apreciere a mărimilor fizice evaluate şi

măsurate prin metodele de testare analizate şi parametrii tribologici care influenţează desfăşurarea proceselor de prelucrare prin aşchiere în condiţii reale.

• S-au evidenţiat mărimile fizice reprezentative obţinute prin metodele de investigare tribologice directe şi indirecte şi modul de participare în analizarea şi caracterizarea caracteristicilor tribologice ale unui fluid de prelucrare prin aşchiere.

• S-au studiat implicaţiile fenomenelor termice aferente proceselor de prelucrare şi efectele termodinamice produse asupra caracteristicilor de lubrifiere în timpul testării şi în condiţii reale de utilizare a fluidelor de prelucrare prin aşchiere.

• S-au studiat oportunităţile utilizării celor două tipuri de modele în raport cu obiectivele tribologice urmărite.

• Eficacitatea tribologică, mecano-analitic apreciată, reprezintă cuantificarea efectului de lubrifiere prin măsurarea parametrilor geometrici obţinuţi după prelucrarea prin aşchiere.

• Eficacitatea tribologică, chimic-energetic apreciată, reprezintă gradul de reactivitate a fluidului de prelucrare (manifestată prin formarea de legături chimice între moleculele de formare a componenţilor chimici ai fluidului) cu suprafaţa metalică, ceea ce la nivel macroscopic reprezintă energia mecano-chimică înglobată în compuşi chimici care micşorează capacitatea de lubrifiere în dependenţă liniară directă cu creşterea concentraţiei acestor compuşi (fapt care include şi modificarea structurii microscopice metalografice la nivelul suprafeţei metalice).