Solicitări mecanice şi geometrii de aşchiere la operaţiile de strunjire (II)

Articolul continuă analiza aspectelor referitoare la operaţii de strunjire. Se prezintă câteva elemente pe care operatorul maşinii ar trebui să le aibă în vedere la alegerea sculei, a geometriei acesteia.

Rezolvarea problemelor cu ajutorul geometriei sculei

Se crede că mărirea productivității la așchierea metalelor și rezolvarea problemelor necesită introducerea unor materiale avansate pentru sculele de așchiere, cum ar fi noi clase de carburi, acoperiri, ceramică și PCBN. Valoarea noilor descoperiri în tehnologia materialelor pentru scule este de netăgăduit. Cu toate acestea, rezolvarea probleme lor doar cu noi materiale pentru scule de așchiere este o abordare reactivă și poate duce la un punct mort. De exemplu, dacă solicitările mecanice mari duc la pro bleme de genul ruperii sculei, soluția este alegerea unui material pentru scula de așchiere mai rezilient. Dar dacă un material mai rezilient nu există, atunci se ajunge la un prag peste care nu putem trece.

Rolul geometriei sculei în rezolvarea proactivă a problemelor este subapreciat. Schimbarea geometriei sculei modifică direcția de curgere a materialului deformat întro manieră activă. De exemplu, dacă formula pentru estimarea forțelor de așchiere (vezi SIDEBAR) indică faptul că rezultă solicitări mecanice mari, pornirea cu o geometrie mai ascuțită poate micșora forțele de așchiere și poate rezolva o problemă înainte ca ea să apară. Modificarea curgerii așchiilor cu o geometrie diferită a sculei poate, de asemenea, afecta pozitiv efectele solicitărilor chimice, termice și tribologice.

Elementele geometriei sculei

Geometria sculei include forma și dimensiunile, atât la nivel micro cât și la nivel macro. La nivel macro, mărimea și forma de bază determină soliditatea. Forțele de așchiere care acționează pe o plăcuță mare vor duce la solicitări mai mici comparativ cu solicitările care apar aplicând aceleași forțe pe o plăcuță mai mică. O plăcuță mare, solidă, permite adâncimi de așchiere și avansuri mari, rezultând o productivitate mărită. Cu toate acestea, o plăcuță mare nu poate prelucra componente de mici dimensiuni. Considerente similare se pot face și legat de forma plăcuței. Plăcuța rotundă este cea mai solidă, iar o plăcuță pătrată cu un unghi de 90º la colț este mai solidă decât plăcuța rombică cu 35º la colț. Dar o plăcuță rotundă nu va putea realiza profilurile pe care o plăcuță la 35º le face în semifabricat. Există, așadar, un compromis între puterea și flexibilitatea aplicației.

Un alt factor geometric implicat în modul în care avansează scula în semifabricat este definit de un ghiul muchiei de așchiere, unghiul de înclinare și unghiul de degajare. Dacă fața superioară (de degajare) a plăcuței este perpendiculară pe suprafața de lucru, unghiul de degajare al sculei este considerat negativ. Forțele de așchiere sunt direcționate în corpul plăcuței sau în partea cea mai solidă a sculei. Pe de altă parte, atunci când muchia de așchiere este înclinată înapoi față de suprafața semifabricatului, atunci unghiul de degajare se consideră pozitiv. Forțele de așchiere sunt concentrate în muchia de așchiere, care nu este atât de solidă ca și corpul plăcuței. Suplimentar, o plăcuță cu unghi de degajare pozitiv trebuie să aibă o pană sau un unghi liber pe flanc, reducând și mai mult soliditatea sculei.

Prelucrarea cu unghi de degajare negativ este eficace la prelucrarea materialelor dure ca oțelul și fonta, dar produce forțe de așchiere mari, poate restricționa curgerea așchiilor și poate produce vibrații, mai ales atunci când fixarea nu este suficient de rigidă, mașina nu este foarte stabilă sau piesa este una zveltă. Unghiul de degajare pozitiv produce forțe de așchiere mai mici și asigură curgerea așchiilor, dar scula este mai susceptibilă la apariția ciupiturilor și a rupturilor, iar controlul așchiilor are de suferit. Unghiul de degajare pozitiv se folosește la așchierea materialelor aderente și a superaliajelor care necesită o muchie de așchiere ascuțită.

Geometria fragmentatorilor

Geometria fragmentatorului de așchii al plăcuței de strunjire are trei componente de bază: profilul muchiei de așchiere, conturul de control al așchiei sau canelura și așa zisa zonăT dintre muchie și ca nelură. Profilul muchiei de așchiere începe procesul de decupare a așchiei, canelura determină modul în care se formează așchia, iar zonaT asigură tranziția între cele două. Toate cele trei componente influențează mărimea forțelor de așchiere generate.

Muchia de așchiere poate fi ascuțită, rectificată, rotunjită sau șanfrenată. Fiecare profil diferit asigură anumite beneficii specifice și produce unele consecințe specifice. În unele situații, o muchie de așchiere ascuțită poate duce la o durată mare de viață a sculei. Dar pentru aceasta, semifabricatul, mașinaunealtă și fixarea (piesei și a sculei) trebuie să fie solide și stabile, altfel muchia ascuțită va avea tendința de ciupire la apariția unor forțe inegale. Muchiile rotun­jite și cele șanfrenate sunt foarte solide și asigură o rezistență mare la ciupire sau la rupere.

Vorbind în general, cea mai bună sculă pentru așchirea oțelului, acolo unde se cere tenacitate, este cea cu muchia solidă; în schimb la așchierea oțelului inoxidabil, care are tendința de a fi aderent, este de preferat o sculă cu muchia ascuțită. Bineînțeles, se poate așchia oțel cu o muchie ascuțită și oțel inoxidabil cu o muchie solidă, dar parametrii și condițiile de așchiere trebuie adaptate, iar productivitatea nu va fi prea mare. Operatorii mașinii vor avea de ales între sculele flexibile ,,bune peste tot” și cele personalizate pentru fiecare aplicație în parte.

De remarcat faptul că o sculă foarte ascuțită nu produce întotdeauna cea mai bună finisare a suprafeței. Cele mai bune rezultate se obțin după ce muchia de așchiere a lucrat ceva timp. Acest fenomen este analog utilizării unui brici pentru cojirea unui măr. Este dificil să cojești un măr cu cel mai ascuțit cuțit deoarece lama va intra în fruct în loc să ridice simplu coaja de pe fruct. O sculă de așchiere foarte ascuțită se va comporta la fel și va fi împinsă în semifabricat în așa măsură încât va lăsa un finisaj neregulat. Muchia de așchiere se va comporta cel mai bine la finisare după ce a căpătat o oarecare uzură.

Zona-T, cea dintre muchia de așchiere și geome­tria de fragmentare, poate avea configurație pozitivă sau negativă. O zonă-T pozitivă permite utilizarea unor viteze de așchiere mai mari și are ca rezultat o temperatură de așchiere mai mică și o uzură redusă. Totuși, zona-T pozitivă permite concentrarea efortu­lui într-o zonă mică a plăcuței, ceea ce poate duce la apariția craterelor sau a ciupiturilor. În schimb, o zonă-T negativă sau plată canalizează materialul așchiat pe o suprafață mai largă, protejând plăcuța, dar vor crește forțele de așchiere, căldura generată și uzura.

Geometria canelurii de fragmentare prezintă o dihotomie similară. Un contur deschis sau plat va deforma mai puțin așchiile și va genera forțe de așchiere mai mici. Un contur strâns sau închis va răsuci mai mult așchiile, iar deformarea mai puter­nică va genera mai multă căldură.

O geometrie a fragmentatorului deschisă sau plată se utilizează pentru a mări contactul dintre așchie și sculă și pentru a disipa forțele de așchiere pe o suprafață mai mare. Atunci când forțele de așchiere sunt mari, o geometrie deschisă va produce solicitări mecanice mai mici. Totuși, o așchie produsă de un fragmentator cu geometrie deschisă va avea tendința de a fi lungă. Dacă așchiile nu pot fi con­trolate și devin o problemă de evacuare, generând un pericol pentru semifabricat, mașină sau operator, atunci o geometrie mai închisă a fragmentatorului poate rezolva problema.

Pe de altă parte, o geometrie mai închisă curbea-ză așchiile pentru a putea fi rupte în bucăți mici. Dar acest rezultat se obține cu prețul unei presiuni mari de așchiere. Așchiile care sunt prea mici pot distruge muchia de așchiere și duc la micșorarea duratei de viață a sculei. Solicitarea mecanică poate fi mare, chiar dacă forțele de așchiere sunt mici. Geometriile închise se aplică acolo unde forțele de așchiere sunt mici, de exemplu la operațiile de finisare, unde adân­cimile de așchiere și avansurile sunt mici. Operatorul trebuie să găsească un compromis și să găseascăgeometria cea mai largă ce poate fi folosită, care să îi permită și un control acceptabil al așchiilor.

Materialul semifabricatului ce urmează a fi pre­lucrat joacă un rol cheie în alegerea geometriei fragmentatorului. Aluminiul, de exemplu, necesită o geometrie foarte închisă pentru a crea și fragmenta așchiile care, în general, sunt drepte și lungi, în timp ce așchiile mici ale fontei au nevoie de un fragmenta­tor minim sau acesta chiar poate lipsi.

În funcție de parametrii de așchiere, un avans agresiv va produce așchii scurte, iar o adâncime de așchiere mică va avea ca rezultat așchii lungi. În funcție de materialul semifabricatului, viteza de așchiere poate avea un impact major asupra contro­lului formării așchiilor. Scopul este controlul tuturor factorilor care influențează solicitările mecanice și producerea unor așchii acceptabile, combinat cu reducerea sau eliminarea pericolului de ciupire sau de rupere a sculei.

Dezvoltarea geometriilor şi aplicabilitate

Pentru a folosi avantajele abilității geometri­ilor plăcuței de a remodela curgerea materialului, producătorii de scule de așchiere dezvoltă geometrii pentru operații specifice cum ar fi degroșarea sau finisarea. Diferite configurații și combinații ale muchiei de așchiere, zona-T și geometriile fragmen­tatorului de așchii sunt proiectate pentru diferite aplicații sau semifabricate.

Geometriile M3 și M5 de la Seco sunt un bun exemplu de geometrii de scule concepute să atingă anumite rezultate în operații și materiale bine definite. Geometria M3 este proiectată ca o opțiune flexibilă pentru semi-finisare și degroșare într-o plajă largă de semifabricate și parametri de așchiere. Cu toate acestea, o solicitare mecanică prea mare poate indica trecerea la geometria M5 care este concepută pentru degroșări cu avansuri mari, cu solicitări mari, dar cu forțe de așchiere mici. Alegerea unei anumite geometrii specifice unei operații poate reduce considerabil riscul de rupere a sculei și mărește fiabilitatea operației.

Concluzii

Deteriorarea sculei în timpul prelucrării este inevitabilă. Este alfa și omega, începutul și sfârșitul duratei de viață a sculei. Dacă durata de viață a sculei este inacceptabil de scurtă, dacă scula se ciupește sau se rupe, sau dacă uzura nu este previzibilă, atunci operatorul poate jongla cu geometriile sculei și cu condițiile de așchiere pentru a mări productivitatea și durata de viață a sculei. Chiar și atunci când aceste eforturi sunt încununate de succes, alfa și omega deteriorării sculei rămân. Scopul este stabilirea unui mod de deteriorare: unul lent și cât mai previzibil posibil. (SIDEBAR) Estimarea forţei de aşchiere Interacțiunea și echilibrul dintre parametrii de așchiere poate fi modelat cu o formulă a forței de așchiere concepută în anii 1950 de către Dr. Otto Kienzle de la Institutul de inginerie a producției și mașiniunelte (IFW) din Germania. Operatorii pot folosi formula pentru estimarea forțelor de așchiere pentru a acționa proactiv în alegerea geometriei și a altor factori pentru un bun control al solicitării sculei de așchiere. Formula conține o constantă a materialului kc11, care reprezintă forța de așchiere specifică (măsurată în N/mm2) necesară pentru tăierea unei așchii cu aria de 1 mm2, cu grosimea de 1 mm, dintrun anumit material. În formulă, Fc =kc11*b*h 1mc, forța de așchiere (Fc) este egală cu constanta kc11 multiplicată cu ,,b” (lățimea așchiei/ adâncimea de așchiere), ori ,,h” (grosimea așchiei/ avans) și un factor de putere exponent 1mc care ține cont de combinația dintre geometria sculei de așchiere și materialul semifabricatului.

English summary

The article continues the presentation of the parameters of the tool that bear on both the quality of the machined surface and the durabil- ity of the tool. It recommends a few aspects, that machine operator should take into account when choosing the tool and its geometry

ION ŢÂMPU este Technical Representative, Seco Tools România