Determinarea fortelor de taiere

1. Scopul lucrarii

Lucrarea are drept scop sa familiarizeze studentii cu modul de determinare al fortei de taiere atat dupa contur inchis cat si dupa contur deschis in situatiile cand muchiile taietoare ale sculelor sunt inclinate sau paralele.

2. Determinarea fortei functie de pozitia muchiilor active

Taierea intervine datorita actiunii perechii de muchii taietoare a sculei asupra semifabricatului, muchii ce pot fi paralele sau inclinate sub actiunea fortelor transmise de scula, semifabricatul intra intr-o stare de tensionare caracteristica forfecarii pure, deci semifabricatul in zona cea mai puternic tensionata este solicitat in plan dupa o directie de intindere si dupa alta de compresiune asa cum se vede in fig. 1.

Deformarea semifabricatului cuprinde 3 faze si anume: la inceput apar deformari elastice, odata cu cresterea tensiunilor apar deformari plastice, ca in final sa apara fisurile de forfecare care cuprind intreaga suprafata a materialului, fisuri ce apar in momentul patrunderii in material a muchiei active pe o adancime de 2050% din grosimea semifabricatului, functie de plasticitatea acestuia.

Fisurile se propaga dupa un unghi =46s intre muchiile active, conditiile optime ale taierii aparand atunci cand fisurile ce pornesc dintre cele doua muchii active se suprapun pe aceeasi suprafata din interiorul semifabricatului cum se vede in fig. 2.

In situatia in care jocul dintre muchiile active nu este jocul optim, fisurarea se produce dupa un volum, deci consum de energie suplimentar, rezultand o calitate a suprafetei taiate inferioare cum se vede in fig. 3. Este necesar ca jocul dintre muchiile active sa fie egal cu jocul optim.

In zona de taiere materialul sufera modificari structurale care constau in deformari si faramitari ale grauntilor metalici. Apare deci ecruisarea, adancimea stratului ecruisat extinzandu-se la valori intre 0,20,5 din grosimea semifabricatului. In fig. sunt prezentate aspecte ale straturilor din zona de taiere functie de fazele si deformatiile ce apar astfel:

in zona A - straturile superioare datorita deformatiilor plastice ale procesului de taiere, sunt rotunjite;

in zona B - apare un strat lucios care indica frecarile in momentul patrunderii sculei;

in zona C - apare un strat rugos datorita propagarii fisurilor de forfecare din fata muchiilor taietoare;

in zona D - este zona strivita a materialului, datorita reactiunii taisului opus sculei.

Forta de taiere propriu-zisa este forta capabila sa invinga rezistenta materialului, ea producand fisurile de forfecare. In timpul taierii deformatiile plastice si de rupere a semifabricatului sunt insotite de deformatii elastice, fapt ce explica fenomenul ca deseul rezultat in urma unei perforari nu intra in orificiul din piesa perforata el avand dimensiuni mai mari.

Astfel apare situatia in care piesa nu mai poate fi desprinsa decat fortat de pe orificiul placii active. Din aceasta cauza, pentru invingerea rezistentelor suplimentare din cadrul procesului de taiere sunt necesare forte suplimentare ce trebuie adaugate la forta propriu-zisa de taiere.

Forta totala de taiere pentru cazul cel mai general se determina cu relatia:

F_tot = F+ F_d+ F_i+ F_ind    (daN) (1)

in care:

F    - forta de taiere propriu-zisa

F_d    - forta de desprindere a materialului de pe poanson

F_i - forta de impingere a materialului prin orificiul placii active

F_ind - forta de indoire a materialului taiat in situatia in care taierea se executa in muchii active inclinate.

Particularizand relatia 1. apar urmatoarele situatii:

la taierea dupa contururi deschise unde semifabricatul se indeparteaza singur de pe taisul sculei F_d= F_i=0 aparand si aici doua situatii:

a)          sculele au muchii taietoare si paralele F_ind=0 deci F_tot va fi:

F_tot=F (daN) (2)

b)         sculele au muchii taietoare inclinate F_ind< >0 deci F_tot va fi:

F_tot=F+F_ind (daN) (3)

la taierea dupa contururi inchise sau deschise, fara posibilitati de distantare a semifabricatului fata de taisul sculei F_i si F_d . Apar si aici doua situatii:

a)          sculele au muchii taietoare si paralele F_ind=0 deci F_tot va fi:

F_tot=F + F_i + F_d (daN) (4)

b)         sculele au muchii taietoare inclinate F_ind< >0 deci F_tot va fi:

F_tot= F + F_i + F_ind (daN) (5)

Forta de taiere propriu-zisa in situatia in care muchiile active sunt paralele, se determina cu relatia:

F= k L g _f (daN) (6)

in care:

L    - lungimea conturului de taiere;

g - grosimea semifabricatului;

_f - rezistenta la forfecare a semifabricatului;

k - coeficient ce tine seama de influenta factorilor ce apar in conditiile concrete industriale de lucru si are valori intre 1,11,3.

Valoarea lui _f poate fi luata din tabele pentru diferite materiale sau se poate aproxima cu _r functie de natura materialului astfel: pentru otel _f =(0,75.0,90)_r; pentru aluminiu moale _f=(0,75.0,90)_r; pentru aluminiu tare _f=(0,55.0,70)_r; pentru alama _f=(0,65.0,75)_r.

Tinandu-se cont de aceste corespondente, relatia fortei de taiere propriu-zisa devine:

F= Lg_r     (daN) (7)

Lucrul mecanic cheltuit in procesul taierii are expresia:

W=gF    (daN ^. m) (8)

unde:

 - coeficient de proportionalitate dintre forta medie si cea maxima ce apare in proces cu valori intre 0,300,75;

g - grosimea semifabricatului;

F - forta de taiere propriu-zisa

Forta maxima care apare in procesul taierii, nu corespunde momentului initial de atac al semifabricatului, adica momentul in care aria sectiunii de rezistenta la taiere are valoarea maxima. Variatia fortei functie de patrunderea relativa a muchiei active a sculei in semifabricat pentru materialele de plasticitate diferita si scule cu jocuri diferite este prezentata in fig. 5. Se observa ca forta maxima este mai mare la materialele dure si la jocurile dintre scule diferite de jocul optim, valoarea maxima la materialele dure se inregistreaza la o patrundere mai mica a muchiilor active, decat la materialele plastice, separarea completa a materialului marcata prin scaderea brusca a fortei pana aproape de zero, intervine la o cursa mai redusa decat grosimea semifabricatului.

In situatia in care muchiile active sunt inclinate, situatia se prezinta diferit de cazul muchiilor active paralele, particularitatea principala constand in faptul ca atacul materialului dupa conturul sau de taiere se realizeaza in mod progresiv. In fig. 6. se prezinta o pereche de muchii taietoare inclinate si rectilinii.

Conform figurii, etapele procesului de taiere sunt:

etapa initiala a procesului de taiere care este etapa de patrundere a muchiei active in material pana la strapungerea acestuia in grosime, adica etapa de la contactul punctiform 1 al muchiei active cu semifabricatul pana la 2 cand contactul devine liniar;

etapa caracteristica a procesului de taiere cand muchia activa parcurge portiunea 2 la 3;

etapa finala a procesului de taiere, de iesire a sculei din semifabricat, adica portiunea de la 3 la

Variatia forte in decursul procesului de taiere se vede in fig. 7. unde se observa o crestere progresiva a forte in decursul etapei initiale, mentinerea constanta apoi in decursul etapei caracteristice si apoi scaderea progresiva a fortei in etapa finala. Din fig. 6. se poate determina expresia fortei de taiere propriu-zise.

(daN) (9.)

In care:

k - coeficient de majorare cu valori intre 1,11,3;

_f - rezistenta la forfecare a semifabricatului;

g/2^.tan  - aria suprafetei triunghiulare ACD de rezistenta la taiere;

 - unghiul de inclinare al muchiei taietoare.

Din relatiile 6. si 9. se observa ca la semifabricatele de latime mare la care f>>g/2^.tan , procedeul de taiere cu muchii taietoare inclinate utilizeaza forte de taiere mai reduse. Se observa din relatia 9. ca odata cu cresterea unghiului forta de taiere scade, lucru prezentat si in diagrama din fig. 8. Valoarea unghiului  este limitat insa deoarece s-ar produce o indoire pronuntata a piesei rezultate iar calitatea suprafetei rezultate se micsoreaza. De asemenea, la muchii inclinate apare si o componenta orizontala H a fortei exercitate de scula, fig. 9., care tinde sa scoata semifabricatul de sub actiunea muchiei taietoare si a carei relatie este:

H=N^.sin     (daN) (10)

La o valoare a lui H ce depaseste valoarea fortei de frecare dintre semifabricat si reazemul sau inferior, semifabricatul se deplaseaza, fapt ce face ca unghiul  sa fie ales intr-un domeniu delimitat de un minim si un maxim, functie de grosimea semifabricatului si anume intre 2s8s, maxim 12s. Datorita fortei constante ce se manifesta in decursul procesului de taiere, lucrul mecanic cheltuit se poate determina cu usurinta. Pentru simplificare se considera portiunea de semifabricat taiata initial, transpusa la capatul opus al semifabricatului fig. 10, adica triunghiul hasurat ACD, se transpune in pozitia EFG. Forta, de aceasta data, este considerata de-a lungul intregului proces de taiere, iar cursa realizata de muchia taietoare este:

H_c =^.tan  (daN) (11)

Lucrul mecanic va fi:

(Kgf^.m) (12.)

In situatia taierilor dupa contur in fig 11. se prezinta etapa initiala a taierii fig. 11.a; etapa propriu-zisa fig. 11.b. si etapa finala in fig. 11.c. Relatia de calcul a fortei propriu zise va fi:

(daN) (13) unde:

_r - unghiul real de inclinare a muchiei taietoare in raport cu semifabricatul;

k_t - coeficient ce are valori diferite functie de etapele de taiere astfel:

pentru etapa initiala

(14)

de aici se deduce k_t pentru etapa propriu-zisa cand h=g

pentru etapa finala k_t are expresia:

Pentru celalalte forte ce se adauga la forta de taiere propriu-zisa exista relatii determinate experimental astfel:

F_i=k_i^.F    (daN) (15)

unde: k_i- coeficient functie de natura si grosimea semifabricatului cu valori experimentale variind intre 0,01..0,07.

F_d=k_d^.F (daN) (16)

unde: k_d- are valori cuprinse intre 0,01..0,07.

F_ind=k_ind^.F (daN) (17)

unde: k_ind=0,05^..

3. Modul de lucru

Se vor lua materiale de grosimi diferite si se va indica ce procedeu de taiere se va utiliza, urmand ca studentii sa calculeze forta de taiere propriu-zisa. Pe un material de aceeasi grosime se vor face probe de taiere dupa contur inchis si dupa contur deschis pe aceeasi lungime, se vor calcula fortele de taiere pentru ambele situatii si se vor compara. La forta de taiere propriu-zisa se vor adauga apoi fortele suplimentare, gasindu-se forta totala.

Mersul lucrarii

Rezultatele se trec in tabelul 1.

fig. 2.

e

fig. 3.

F

h

fig. 7.

F

j

fig. 8.

j

j

H

N

fig. 9.

B

A

C

B

E

F

G

Hc

fig. 10.

j

h

H

(a)

g

h

H

(b)

H

(c)

g'

g

h

j

fig. 11.

fig.

A

B

C

D

Material dur, jopt

Material plastic

j>jopt

j=jopt

y/g

F

fig. 5.

A

C

O

a

a

fig. 6.