ASCHIEREA METALELOR

ASCHIEREA METALELOR

Majoritatea pieselor componente ale masinilor si aparatelor pentru care se cer precizie si netezire corespunzatoare a suprafetelor sunt supuse unui proces de prelucrare mecanica prin aschiere. Prelucrarea prin aschiere presupune indepartarea de pe suprafata semifabricatelor a adaosului de prelucrare.

Adaosul de prelucrare trebuie sa fie cat mai mic, pentru a se face economie de metal, de timp, precum si pentru a se reduce consumul de scule aschietoare. Adaosul de prelucrare se stabileste pe baza unor normative sau se poate determina prin calcul in cazul unui numar mare de piese, deoarece in acest caz este foarte importanta stabilirea unei valori cat mai rationale, asa cum s-a subliniat mai sus.

Procesul formarii aschiei

In procesul de prelucrare desprinderea aschiilor are loc ca urmare a actiunii fortei F aplicata asupra sculei aschiatoare (fig. 16.1). Apasarea exercitata de scula creste treptat, producand la inceput deformarea locala, in stare elastica a materialului, dupa care, pe masura ce apasarea creste, deformatiile trec in stare plastica. In fata taisului sculei se formeaza o zona de deformatii puternice oabcd. In aceasta zona cristalele metalului se lungesc si se inclina treptat. Cand inclinarea a atins unghiul grauntele de metal incepe sa alunece pe directia oc. Acest proces de alunecare continua pana in dreptul pozitiei od, inclinata cu unghiul β₂. Datorita alunecarii grauntilor de metal, in zona cod, are loc desprinderea stratului de metal, de grosimea a₄, formandu-se aschia de grosimea a₁. Din cauza frecarilor puternice, intre suprafata sculei si aschie, aceasta sufera o deformare suplimentara pe adancimea a₂. In aceasta zona, grauntii se orienteaza aproape paraleli cu suprafata sculei aschietoare, iar duritatea in stratul superficial al piese i de adancime a₃, datorita apasarii puternice la contactul cu scula aschietoare, a frecarilor, fenomenelor termince etc., zona neafectata de procesul de deformare plastica la formarea si desprinderea aschiei este situata in masa piesei pana la linia baf.

Din cauza comprimarii puternice la formarea aschiei, aceasta este mai scurta decat spatiul parcurs de varful sculei de piesa de prelucrat, grosimea a₁ fiind insa mai mare decat a₄. Acest proces intens de comprimare a aschiilor poarta denumirea de tasare a aschiei si este rezultatul direct al deformatiilor plastice la care este supus local metalul in timpul prelucrarii. Fenomenul de tasare este infulentat de natura materialului piesei, geometria sculei si viteza de aschiere.

Tipuri de aschii. Forma aschiilor rezultate la prelucrare prin aschiere depinde de natura materialului de prelucrat, de forma geometrica a sculei, de regimul de aschiere etc.

Fig. 16.1. Schema procesului de aschiere    Fig. 16.2. Tipuri de aschii

Dupa forma lor, aschiile pot fi:

- de rupere (fig. 16.2, a), care se prezinta sub forma de parti izolate, rupte unele de altele. Aceste aschii se obtin, de regula, la prelucrarea materialelor fragile, ca: fonta, bronzul etc.;

- de forfecare sau de fragmentare (fig. 16.2, b), care se prezinta sub forma unor elemente unite intre ele, avand o suprafata zimtata pe partea concava a aschiei. De obicei, aceste aschii se obtin la prelucrarea metalelor dure si semidure;

- continue sau decurgere (fig. 16.2, c), care se prezinta sub forma unor panglici continue netede, aschii ce se obtin la prelucrarea otelurilor moi, a alamelor etc.

2. Miscarile necesare la aschiere si dimensiunile aschiei

Desprinderea aschiilor de pe suprafata unui semifabricat presupune o miscare relativa intre scula aschietoare si piesa de prelucrat (fig. 16.3).

Miscarea I imprimata sculei aschietoare (de exemplu: la frezare etc.) sau piese de prelucrat ( de exemplu: la strunjire), in vederea detasarii aschiilor, se numeste miscare principala de aschiere.

Miscarea principala poate fi: de rotatie (in cazul strunjirii, frezarii, gauririi etc.) sau de translatie − (in cazul rabotarii, brosarii, mortezarii etc.).

Pe langa miscarea principala de aschiere este necesara o miscare de avans II sau II', care asigura detasarea continua a aschiilor; aceasta miscare poate fi executata de scula aschiatoare (la strunjire, rabotare etc.) sau de piesa de prelucrat (la frezare, mortezare etc.).

In timpul procesului de aschiere, scula inlatura de pe suprafata de aschiat 3 a piesei adaosul de prelucrare. Suprafata 1de pe care se indeparteaza aschiile se numeste suprafata de aschiere, iar suprafata 2 rezultata in urma prelucrarii, suprafata de aschiata.

Dimensiunile aschiilor (fig. 16.4) sunt:

- latimea b, care reprezinta distanta dintre suprafata de aschiat 1 si suprafata aschiata 2, masurata pe suprafata de aschiere 3;

Fig . 16.3. Miscarile in procesul de aschiere Fig. 16.4. Dimensiunile aschiei

- grosimea a, care reprezinta distanta dintre pozitiile succesive I si II ale suprafetei de aschiere, masurata in directia perpendiculara pe latimea aschiei.

Grosimea si latimea aschiei se masoara in metri.

Sectiunea aschiei q se calculeaza cu relatia: q = a ∙ b[mm²].

3. Scule aschietoare

Cu ajutorul sculei aschietoare are loc desprinderea stratului de metal de pe suprafata unei piese si generarea unei suprafete de o anumita forma si dimensiuni. Pentru ca procesul de aschiere sa poata fi realizat este necesar ca scula sa indeplineasca anumite conditii legate de forma sa geometrica si de proprietatile materialului din care este executata.

In general o scula aschietoare are o parte activa A, cu care realizeaza detasarea aschiilor , si o parte de prindere B. Elementul cel mai important este partea activa a sculei aschietoare, care se descrie pentru un cutit de strung, cu mentiunea ca elementele geometrice intalnite la aceasta, se intalnesc si la celelalte categorii de scule.

Elementele geometrice ale capului cutitului de strung (fig. 16.5) sunt

Fata de degajare 1, pe care aluneca aschiile in timpul procesului de prelucrare.

Fata de asezare principala 2, indreptata spre suprafata de aschiere.

Fata de asezare secundara 3, indreptata spre suprafata prelucrata.

Taisul principal 4 , care rezulta din intersectia fetei de degajare 1 cu fata de asezare principala 2.

Taisul secundar 5, ce rezulta din intersectia fetei de degajare 1 cu fata de asezare secundara 3.

Varful cutitului 6, care rezulta din intersectia dintre taisul principal 4 si cel secundar 5, este realizat prin racordarea cu o raza r.

Unghiurile cutitului. Pentru determinarea unghiurilor cutitului, se folosesc urmatoarele plane de referinta (fig. 16.6).

- planul de baza 1, determinat de directia avansului transversal si longitudinal, ce contine fata de sprijin a cutitului

- planul de aschiere 2, perpendicular pe planul de baza si care trece prin taisul principal, tangent la suprafata de aschiere;

Fig..5. Elemente geometrice Fig. 6. Planele de referinta

ale cutitului ale sculei

- planul secant 3, perpendicular pe planul de baza si pe taisul principal (pe planul de aschiere);

- al doilea plan secant, similar planului secant 3, determinat in raport cu taisul secundar.

Cu aceste plane se determina urmatoarele unghiuri ale cutitului

(fig. 16.7)

- unghiul de atac principal , format de proiectia taisului principal pe planul de baza cu directia avansului longitudinal ( cu axa x-x);

- unghiul de atac secundar χ₁, format de proiectia taisului secundar pe planul de baza cu directia avansului

- unghiul de asezare α, format de fa'a de asezare principala si planul de aschiere, masurat intr-o sectiune cu un plan 1-1, perpendicular pe taisul principal si pe planul de baza. In mod similar se poate masura intr-o sectiune 2-2 unghiul de asezare secundar α₁ intre fata de asezare secundara si un plan ce trece prin taisul secundar, perpendicular pe planul de baza

- unghiul de ascutire , format intre fata de asezare si cea de degajare

- unghiul de degajare γ, format de fata de degajare si un plan perpendicular pe planul de aschiere si care contine taisul principal.

Similar, se poate stabili unghiul de degajare in raport cu taisul secundar.

Se observa ca

α + β + γ = 90

Geometria cutitului. Fig. 5. 11

b) Pentru o scula care se proiecteaza si executa, pentru prelucrarea anumitor piese, se stabileste initial geometria functionala sau gama de geometrii functionale (in functie de gama de regimuri de aschiere ). In aceasta situatie, calculul geometriei constructive succede calculului geometriei functionale. Dupa determinarea parametrilor constructivi, care satisfac geometria functionala necesara procesului de aschiere, se poate efectua desenul de executie al sculei.

4. Consideratii privind procesul de aschiere

Aschierea metalelor, ca procedeu de obtinere a unei piese, cu calitatile functionale cerute de utilizarea ci si prevazute de proiectant, presupune participarea a cinci grupe de factori

a)      scula aschietoare, confectionata dintr-un material adecvat si cu geometria necesara utilizarii ei

b)     regimul de aschiere cu parametrii sai

c) materialul de prelucrat, cu calitatile sale tehnologico-mecanice;

d) mediul de aschiere

e)      masina-unealta ca suport al procesului de aschiere.

Pentru ca o scula sa poata desprinde aschii in conditiile unei economicitati corespunzatoare, procesul trebuie sa indeplineasca o suma de conditii necesare. Materialul din care este executata scula aschiatoare trebuie sa prezinte rezistenta la solicitari mecanice si uzura, stabilitate termica si pret scazut. In afara de material corespunzator, scula trebuie sa mai beneficieze de o geometrie optima,intelegand prin aceasta dimensiunile liniare si unghiulare ale sculei, care conduc la o desprindere a aschiei in conditii economice.

Stabilirea valorii parametrilor regimului de aschiere ( adancime de aschiere t, avans s si viteza _as) are o importanta majora in elaborarea procesului de aschiere. Acesti parametrii au constituit obiectul de studiu a numeroase cercetari in domeniul aschierii, de mai bine de un secol. Cautarea valorilor corespunzatoare a fost efectuata la inceput pe baza unor observatii si a unor incercari de a explica mecanismul formarii aschiilor. Ulterior, valoarea parametrilor regimului de aschiere a fost pusa in legatura cu notiunea de prelucrabilitate. Unul dintre elementele regimului de aschiere si anume viteza de aschiere, este considerat ca unul dintre indicii de prelucrabilitate. Odata cu procesul tehnic in toate domeniile si in special in domeniul tehnicii electronice de calcul, alegerea valorilor regimului de aschiere poate fi optimizata in functie de complexitatea fenomenelor care apar in procesul de aschiere.

In ceea ce priveste prelucrabilitatea, elementul care influenteaza hotarator il constituie materialul de prelucrat cu calitatile sale: duritate, rezistenta la rupere, microstructura, conductivitate termica etc. Sunt cunoscute incercari de a stabili viteza de aschiere, corespunzatoare timpului in care scula nu-si pierde calitatile aschietoare, in functie de material [30].

Mediul de aschiere, lichid sau gaz, are un rol complex si important in procesul de aschiere. Utilizarea sa judicioasa poate sa duca la o usurare substantiala a desprinderii aschiei prin absorbtia sa la suprafata metalului si prin micsorarea coeficientului de frecare intre aschii si fata de degajare si intre fata de asezare si suprafata prelucrata.

Studiul conditiilor in care trebuie sa aiba loc un proces de aschiere trebuie sa tina seama de realizarea tuturor aspectelor unei economicitati maxime si anume:

- obtinerea unei productivitati corespunzatoare, intelegand prin aceasta un anumit volum de aschii in unitatea de timp

- cost minim, incluzand in calcul toate costurile elementelor care participa la procesul de aschiere (scula, amortizarea masinii-unelte, energie etc.)

- calitatea optima a suprafetei prelucrate, adica rugozitatea, ecruisarea suprafetei, transformari structurale care modifica functionalitatea suprafetei respective si altele

- conditii bune de munca, referitoare la respectarea normelor de tehnica a securitatii muncii si a igienei industriale.

Prescrierea valorii parametrilor procesului de aschiere, care sa urmareasca realizarea conditiilor enumerate, este deosebit de dificila, deoarece in acest proces au loc unele fenomene diferite : deformatii plastice, frecare exterioara si interioara, fenomene termice, diferite tipuri de uzura a sculei, influenta mediului de aschiere etc. Toate aceste fenomene sunt intr-o interdependenta reciproca, rolul cel mai insemnat jucand-ul deformatiile plastice, deoarece de marimea si directia acestora depinde incarcarea sistemului tehnologic, masina-dispozitiv-scula-piesa, lucrul mecanic de aschiere, tensiunile de contact pe suprafata de lucru a sculei, forma aschiei degajate etc. Dimensionarea optima a procesului de aschiere se poate realiza prin determinarea corecta a ponderii fiecarui fenomen participant.

5. Analiza procesului de aschiere ortogonala

Procesul de formare al aschiilor este, in final, un proces de deformare plastica a metalului, urmat de desprinderea unui strat de material, acesta transformandu-se in aschii. Analiza esentei procesului de aschiere are la baza studiul celui mai simplu proces de aschiere, cel ortogonal sau liber, care a fost definit anterior.

O schema simplificata a procesului de aschiere este prezentata in fig. 5.12, unde sculei i se imprima de catre masina-unealta, o forta de aschiere F_z , care se repartizeaza pe suprafata A=a₁b a aschiei neridicate, solicitand-o la compresiune. Considerand portiunea ce urmeaza a fi detasata a semifabricatului ca o epruveta izolata supusa la o compresiune de o forta F_z, in aceasta vor aparea deformari elastice, plastice si apoi ruperea, tensiunile tangentiale maxime aparand dupa directia liniilor de alunecare. In realitate, portiunea de semifabricat de sectiune a₁b nu este izolata de semifabricat,liniile de alunecare fiind indreptate spre suprafata libera a piesei, deoarece ele nu se pot propaga in jos, sub planul muchiei de aschiere, unde vor avea loc deformatii care se influenteaza reciproc cu cele din stratul aschiat. Din acest motiv izolarea portiunii nedetasate a aschiei , la o epruveta, nu constituie un model cuprinzator al procesului de aschiere, in acest mod obtinandu-se rezultate partiale, care pot fi completate numai prin experimentari.

Natura formarii aschiei contine informatii importante asupra modului in care decurge procesul de aschiere, fiind cunoscute, in general, trei tipuri de baza ale formarii aschiei si anume :

- formarea aschiei discontinue care implica rupturi periodice, astfel incat aschia este formata din mici fragmente separate

- formarea aschiei lamelare sau semicontinue;

- formarea aschiei continue sau de curgere. La acest tip de formare a aschiei pot aparea periodic depuneri din materialul piesei, deformat si ecruisat, pe taisul sculei (fig. 5.13). Aceasta depunere pe tais se rupe de asemenea periodic, antrenand si parti din scula.

Se poate face o legatura intre diferitele tipuri de formare a aschiei si gradul sau capacitatea de formare a materialului de aschiat. In fig. 5.14 este prezentata dependenta dintre tensiunea tangentiala din planul de forfecare si marimea deformatiei ε .

Considerand ca in planul de forfecare se produce o deformare de valoare ε₀ corespunzatoare unui anumit unghi γ, apar urmatoarele situatii :

a) ε > ε₀, ceea ce inseamna ca deformarea are loc in domeniul de ecruisare, capacitatea de deformare nefiind complet consumata. In felul acesta apare o aschie de curgere care, pentru a fi rupta, are nevoie de o deformare suplimentara. Situatia este favorizata de grosimile mici si mijlocii de aschiere si daca materialul are o suficienta capacitate de deformare.

b) ε < ε₀ < ε_z , caz in care forta de aschiere se reduce imediat dupa ce gradul de deformare atinge valoarea ε . In acel moment se produce "intarirea " planului de forfecare, pana cand presiunea creata de fata de degajare produce o deplasare a planului de forfecare. Apar aschii lamelare, care se nasc odata cu cresterea deformarii si scaderea rezistentei materialului, in planul de forfecare.

c) ε_z < ε₀, este situatia in care apar aschii de forfecare. Aschia se foarfece, complet, ramanand legata pe o mica portiune. In acest caz, deformarea in planul de forfecare depaseste capacitatea de deformare a materialului. Apare in special la materiale fragile si acolo unde deformarea produce sfaramarea structurii, la limita grauntilor otelurilor austenitice.

d) ε_z ε₀ - situatie corespunzatoare materialelor foarte fragile.

a) Elementele modelului zonei subtiri. Analiza acestui model se refera la formarea aschiei continue sau de curgere. Formarea acestei aschii constituie un proces de curgere plastica si de forfecare. Planul de forfecare face unghiul Φ cu planul muchiei de aschiere. S-a constatat ca se obtine o aproximatie satisfacatoare, la utilizarea acestui model si in cazul aschiei formate cu depunerea pe tais. Avand in vedere ca in aschierea moderna a metalelor se utilizeaza ca materiale de scule carburile metalice, care permit viteze ridicate de aschiere, aschia obtinuta este intr-un foarte mare numar de cazuri o aschie de tip continuu, deci modelul zonei subtiri acopera o mare parte a domeniului proceselor de aschiere.

Mecanismul formarii aschiei poate fi ilustrat foarte plastic prin asemanarea cu o succesiune de deplasari a fiselor dintr-un teanc. Fiecare fisa este deplasata fata de cea consecutiva, cu o valoare mica, respectand integritatea fisei vecine. Cristalele metalului,reprezentate schematic prin cercuri, sunt deformate, alungindu-se sub forma de elipse, directia alungirii coincizand cu directia majoritatii arcelor elipselor reprezentate in figura. Este usor de vazut ca directia de alungire este considerabil diferita de directia de forfecare,facand cu aceasta un unghi ψ. Este de asemenea evident ca, intre unghiurile Φ si ψ si deformarea de forfecare, trebuie sa existe o dependenta. Semnificatia fizica a deformarii la forfecare este ilustrata in reprezentarea schematica data in figura. Considerand ca fasia de element dislocat de scula aschietoare are o grosime finita Δx si ca marimea dislocarii este Δs, deformatia de forfecare ε se poate exprima prin relatia :

b) Relatiile vitezelor in aschierea ortogonala. Cresterea forfecarii este un alt parametru de interes pentru explicarea mecanismului aschierii.

c) Determinarea unghiului de forfecare cu ajutorul geometriei aschiei. In practica, este destul de dificil ca masurarea unghiului de forfecare Φ sa se faca in mod direct.

6. Formarea aschiei discontinue

Aschiile discontinue se formeaza, in general, la aschierea materialelor fragile sau a celor ductile, la viteze joase de aschiere etc. In acest ultim caz, formarea discontinua a aschiei se datoreaza unei puternice frecari ce exista intre scula si aschie. Diferenta esentiala, intre formarea continua a aschiei si cea discontinua, consta in faptul ca, in al doilea caz, apar rupturi intermitente in planul de forfecare, lucru ce nu se intampla la aschia continua.

Exista doua etape in formarea aschiei discontinue

a) cand forfecarea, pornind de la varful sculei, ajunge la suprafata inclinata

b) cand ajunge la suprafata orizontala.

7. Aschierea complexa

Aschierea complexa sau aschierea cu doua sau mai multe taisuri, care actioneaza simultan, constituie situatia care se intalneste cel mai frecvent in procesele de aschiere. Problemele care se pun in cazul aschierii complexe sunt similare cu cele studiate la aschierea ortogonala si oblica in ceea ce priveste determinarea unghiului de forfecare Φ, relatiile dintre viteze si componentele fortelor, precum si directia de curgere a aschiei. Evident, in acest caz, elucidarea problemelor este mai dificila si, deocamdata, incomplet realizata.

Un caz de aschiere complexa il constituie strunjirea longitudinala, la care participa doua taisuri, principal si secundar, taisul principal fiind cel care ridica cea mai mare cantitate de aschii. Scula se deplaseaza in sensul vitezei de avans V_δ , cu avansul s.

Aschierea cu scule triunghiular simetrice, este un caz particular la aschierea cu doua taisuri, cazul mai general fiind doua taisuri asezate asimetric. In cazul aschierii simetrice, procesul de desprindere a aschiei se va petrece in doua plane de forfecare care pornesc de la taisurile sculei. Acest proces poate fi analizat in acelasi ca si aschierea ortogonala, cu exceptia faptului ca directia fortei de forfecare si a fortei de frecare vor fi dependente de deformatie.

In cazul unei aschieri triunghiulare asimetrice, directia de curgere a aschiei va fi inclinata fata de normala la directia de aschiere. Unghiul de inclinare se poate determina utilizand ipoteza lui Colwell.

8. Procesul fizic de aschiere considerat ca un proces de curgere

hidrodinamica

( Procesul fizic de aschiere in acceptiunea hidrodinamica

Din practica procesului de aschiere s-a constatat, ca la prelucrarea anumitor materiale cu bune calitati plastice, la viteze mari de aschiere, aschia, inmagazinand o mare cantitate de caldura, degajata in procesul de aschiere, devine incandescenta si curge pe fata de degajare ca un jet continuu de lichid.

Aceasta constatare a stat la baza unor studii facute de cercetatorul Lamm, care, pe baza a numeroase experiente si calcule analitice demonstreaza ca in conditiile enuntate mai sus, procesul fizic de aschiere reprezinta un proces de curgere hidrodinamica.

Exista doua analogii : analogia dintre legea lui Newton si a lui Hooke , si analogia dintre apasarea specifica de aschiere si presiunea hidrodinamica.

Pentru a demonstra prima analogie, se considera un element de fluid, pentru care conform legii frecarii vascoase a lui Newton, tensiunea tangentiala din elementul de fluid considerat este proportionala cu vascozitatea dinamica si gardientul de viteza.

Pentru prezentarea celei de-a doua analogii, se porneste de la explicatia fizica a fenomenului de curgere. Zona de deformare plastica se propaga continuu inaintea taisului, mentinandu-si volumul si forma, stratul de metal deformat curgand pe fata de degajare sub forma unui jet continuu, pe directia usor divergenta, fata de suprafata de degajare.

La modelul fizic real de aschiere, mecanismul de formare al aschiei si fenomenele aferente sunt aceleasi, rolul de placi de presare avandu-l suprafata de degajare si zona de metal nedeformat. Aceste experiente si considerente stau la baza determinarii celei de a doua analogii.

9. Generalitati

Ca urmare a miscarii relative intre piesa si scula, scula exercita o forta sub actiunea careia stratul de aschiere este indepartat sub forma de aschie cu invingerea tuturor fortelor de frecare (interne si externe). Pe elementul de suprafata de pe suprafata de forfecare apar reactiunile fortelor de deformare plastica sub forma starii de tensiune σ si τ.

Prin urmare din cauza deformarii plastice a materialului rezulta rezistenta interioara de deformatie a aschiei.

Intre scula si suprafata prelucrata mai apar forta de respingere si forta de frecare.

Intre fata de degajare a sculei si aschia ce se degaja mai apare o forta de frecare datorata componentei normale pe fata de degajare a rezistentei interioare de deformatie.

Rezistenta totala are o directie oarecare in spatiu, motiv pentru care in practica ea nu reprezinta interes. Pentru dimensionarea sculei si a organelor lanturilor cinematice ale masinii-unelte ( lantul cinematic principal si de avans ) prezinta interes componentele rezistentei dupa directiile sistemului de referinta cinematic.