NOTE DE CURS BAZELE AŞCHIERII CURSUL NR. 5

CURSUL NR. 5

FENOMENE TERMICE ÎN PROCESUL DE AŞCHIERE

În procesul de generare prin aşchiere a suprafeţelor, căldura provine din transformarea unei mari părţi a lucrului mecanic necesar transformării în aşchii a adaosului de prelucrare. Cantitatea de căldură produsă ridică temperatura tăişului, piesei şi aşchiei.

Temperatura tăişului sculei aşchietoare este principalul factor favorizant al uzurii şi deci contribuie cel mai mult la scoaterea sculei aşchietoare din funcţionare.

Studiul acesteia este foarte important deoarece indică posibilităţile de micşorare a căldurii, deci micşorarea temperaturii tăişului şi în consecinţă micşorarea intensităţii uzurii.

5.1. SURSELE DE CĂLDURĂ

Lucrul mecanic total consumat în procesul de aşchiere se transformă aproape integral în căldură şi numai o mică parte se înmagazinează sub formă de energie potenţială în suprafaţa aşchiată sub formă de tensiuni interne.

O parte a forţelor de aşchiere efectuează lucru mecanic de deformare plastică interioară şi de învingere a frecării dintre aşchie şi faţa de degajare, iar altă parte efectuează lucrul mecanic necesar învingerii forţelor de frecare dintre faţa de aşezare şi suprafaţa prelucrată.

Lucrul mecanic total consumat în procesul de aşchiere se poate scrie:

(5.1)

unde: Le - lucrul mecanic efectuat pentru deformaţii elastice;

Lp - lucrul mecanic efectuat pentru deformaţii plastice;

Lf şi Lf - lucrul mecanic al forţelor de frecare de pe faţa de aşezare, respectiv de degajare;

La - lucrul mecanic efectuat pentru deformaţiile suplimentare suferite de aşchia detaşată;

Ldis - lucrul mecanic disipat, pierdut sub diferite forme de energie.

Se poate considera că lucrul mecanic total consumat în procesul de aşchiere este dat de lucrul mecanic de deformare şi de lucrul mecanic al forţelor de frecare:

(5.2)

Puterea totală de aşchiere este compusă din puterea necesară aşchierii Pa şi puterea necesară avansului Ps:

(5.3)

unde: Fy şi Fs sunt forţele de aşchiere principală şi de avans, în daN;

vs - viteza de avans, în mm/min; vs = s n;

v - viteza de aşchiere, în m/min; s - avansul, în mm/rot; n - turaţia de aşchiere, în rot/min.Puterea necesară motorului de antrenare este:

(5.4)

unde este randamentul global al maşinii-unelte.Observaţie: puterea necesară avan-sului reprezintă numai 1-2%

din puterea necesară aşchierii şi în practică se neglijază.Sursa de căldură Q1 se află în zona suprafeţei de forfecare şi are

la origine lucrul mecanic de deformare Ld, la care se adaugă

eventual şi Ldis.

5 - 1

Fig. 5.1. Sursele de căldură la aşchiere.

NOTE DE CURS BAZELE AŞCHIERII CURSUL NR. 5

Sursa de căldură Q2 se află în zona de contact dintre faţa de degajare şi aşchie, iar sursa de căldură Q3 se află în zona de

contact dintre faţa de aşezare a sculei şi suprafaţa prelucrată a piesei. Sursele de căldură Q2 şi Q3 provin în principal din lucrurile

mecanice ale forţelor de frecare Lf şi Lf.

Fiecare sursă de căldură dă câte două fluxuri de căldură, şi anume:- către piesă Q1 şi Q3;

- către aşchie Q1' şi Q2;

- către scula aşchietoare Q2' şi Q3'.

O parte neînsemnată din cantitatea totală de căldură se pierde în mediul ambiant. Deci lucrul mecanic total şi componentele sale (fig. 9.1) constituie sursa de căldură ce face ca piesa, scula aşchietoare şi aşchia să se încălzească până se ajunge la un echilibru termic.

Procedeul de prelucrare influenţează hotărâtor proporţiile de repartizare a căldurii, de exemplu la strunjire 75% din cantitatea de căldură se transmite aşchiei, 4% sculei aşchietoare, 20% piesei, 1% mediului ambiant, iar la găurire 28% din cantitatea de căldură se transmite aşchiei, 15% sculei aşchietoare, 50% piesei, 7% mediului ambiant.

Temperaturile aşchiei, sculei aşchietoare şi piesei cresc până la atingerea unui echilibru termic.Starea de temperatură a unei zone a sculei aşchietoare şi eventual a piesei, respectiv aşchiei se vizualizează prin curbele

izoterme (fig. 9.2).În general, studiul izotermelor permite următoarele observaţii calitative:- forma liniilor izoterme este influenţată de unghiul de ascuţire ; cu cât acesta este mai mic, cu atât temperatura tăişului

este mai mare, deoarece nu există o secţiune de trecere (evacuare) a căldurii suficient de mare;- temperatura maximă a tăişului se află în centrul suprafeţei de contact a aşchiei cu faţa de degajare. Temperaturi relativ

ridicate se află şi la vârful tăişului, precum şi pe faţa de aşezare;- temperatura maximă a piesei apare în zona de contact cu faţa de aşezare;- aşchia are temperatura maximă în zona de contact cu faţa de degajare.Temperatura piesei prezintă importanţă pentru precizia dimensională a acesteia sau pentru evitarea unor transformări

structurale de natură metalo-grafică.Temperatura aşchiei interesează numai din considerente de protecţie a muncii şi împotriva incendiilor.

5.2. INFLUENŢA PARAMETRILOR PROCESULUI DE AŞCHIERE ASUPRA TEMPERATURII TĂIŞULUI SCULEI AŞCHIETOARE

Nu există până în prezent un model matematic complet care să poată stabili corect temperatura într-un punct oarecare al tăişului în timpul procesului de generare prin aşchiere. S-au făcut numeroase propuneri de relaţii, dar acestea sunt foarte imprecise datorită numărului mare de ipoteze simplificatoare, sau sunt extrem de greu de utilizat din punct de vedere practic.

În locul unor relaţii bazate pe fenomenele fizice se utilizează o relaţie de tip politropic de forma:

(5.5)

În cele ce urmează se vor stabili influenţele parametrilor procesului de aşchiere asupra variaţiei temperaturii tăişului sculei aşchietoare.

Influenţa materialului piesei.Cu creşterea efortului unitar normal de rupere r (sau a durităţii HB pentru ma-

terialele fragile) cresc apăsarea specifică p şi coeficientul de tasare k, crescând lent şitemperatura. Experimental s-a stabilit o dependenţă politropică de forma:

5 - 2

Fig. 5.2. Vizualizarea stării de temperatură a zonei de contact piesă-sculă-aşchie.

NOTE DE CURS BAZELE AŞCHIERII CURSUL NR. 5

(5.6)unde m= 0,28...0,35

În cazul a două materiale cu proprietăţi asemănătoare din punct de vedere al temperaturii tăişului, cele care produc aşchii de alunecare şi nu de rupere sunt mai avantajoase dând o temperatură mai mică, deoarece în acest caz zona de contact dintre aşchie şi faţa de degajare este mai depărtată de muchia tăişului.

Influenţa parametrilor regimului de aşchiere.

Grosimea aşchiei influenţează prin două tendinţe contrare:

- cu creşterea grosimii a a aşchiei temperatura creşte deoarece creşte cantitatea de material deformată plastic şi suprafaţa de frecare cu faţa de degajare a sculei;

- cu creşterea lui a scade apăsarea specifică şi coeficientul de tasare k, ceea ce duce la micşorarea temperaturii. În plus, la creşterea lui a se îndepărtează zona de contact dintre faţa de degajare şi aşchie, crescând volumul tăişului şi deci capacitatea termică a acestuia.

Din aceste tendinţe contradictorii rezultă o creştere lentă a temperaturii cu mărirea grosimii aşchiei, după legea politropică:

(5.7)

cu exponentul având valorile: = 0,25...0,45 pentru oţel şi = 0,133 pentru fontă.

Lăţimea b a aşchiei influenţează foarte puţin temperatura. Cu creşterea lăţimii b temperatura creşte datorită măririi deformaţiilor plastice şi scade datorită măririi proporţionale a volumului, deci a capacităţii termice. Cele două tendinţe se anulează.

Viteza de aşchiere vaş are o puternică influenţă asupra temperaturii tăişului, atât direct cât şi prin apăsarea specifică p şi prin coeficientul de tasare k.

Prin micşorarea coeficientului de tasare k se măreşte viteza de curgere a aşchiilor pe faţa de degajare şi creşte lucrul mecanic al forţelor de frecare pe această suprafaţă, ceea ce duce la creşterea temperaturii.

Cu creşterea vitezei de aşchiere vaş, zona de contact a aşchiei cu faţa de degajare se îndepărtează faţă de muchie, ceea ce are ca efect scăderea uşoară a temperaturii.

Aceste influenţe combinate au ca efect o creştere a temperaturii cu creşterea vitezei de aşchiere vaş după o lege politropică de forma:

(5.8)

exponentul q având valorile: q = 0,26...0,75 pentru oţel şi

q = 0,26...0,40 pentru fontă.Influenţa geometriei tăişuluiGeometria activă influenţează asupra procesului de aşchiere, iar geometria constructivă influenţează asupra capacităţii

termice a tăişului.Cu creşterea unghiului de degajare efectiv e se micşorează apăsarea specifică p şi coeficientul de tasare k, ceea ce produce

două tendinţe contradictorii:- micşorarea apăsării specifice scade temperatura;- micşorarea coeficientului de tasare creşte temperatura (vezi explicaţiile de la infuenţa vitezei de aşchiere asupra

temperaturii).Cu creştera unghiului de degajare constructiv se micşorează unghiul de ascuţire şi deci capacitatea termică a tăişului.Cumularea acestor efecte conduce la o variaţie a temperaturii cu un minim pentru valoarea optimă a unghiului de degajare

(fig. 5.5).La creşterea vitezei de aşchiere apăsarea specifică p scade după depăşirea valorii de 50...60 m/min, micşorându-se

temperatura prin scăderea lucrului mecanic de deformare plastică.

(5.9)

5 - 3

Fig. 7.3. Influenţa lăţimii şi a grosimii de aşchie asupra

temperaturii tăişului.

Fig. 5.4. Influenţa vitezei de aşchiere asupra temperaturii

tăişului.

Fig. 5.3. Influenţa unghiurilor de aşezare şi de

degajare asupra temperaturii tăişului.

NOTE DE CURS BAZELE AŞCHIERII CURSUL NR. 5

unde u = 0,1...0,115 pentru e < e,opt şi

u = - 0,12...- 0,13 pentru e > e,opt şi unde e,opt = 20...30°.

Unghiul de aşezare funcţional (efectiv) e are o influenţă asemănătoare cu a unghiului de degajare efectiv e, dar mai

redusă.Cu creşterea unghiului de atac efectiv kre temperatura tăişului scade, rezultatul fiind compunerea următoarelor tendinţe:

- creşterea unghiului de atac duce la micşorarea apăsării specifice p şi a coeficientului de tasare k (ceea ce înseamnă scăderea, respectiv creşterea temperaturii, mai importantă fiind scăderea);

- cu creşterea un-ghiului de atac se mic-şorează unghiul de profil , reducându-se volumul tăişului şi deci capaci-tatea termică a acestuia, ceea ce duce la creşterea temperaturii;

- cu creşterea un-ghiului de atac creşte grosimea aşchiei a şi scade lăţimea aşchiei b, ceea ce are ca efect cumulat creşterea temperaturii.

În sfârşit, influenţa unghiului de atac asupra temperaturii tăişului se exprimă prin legea politropică:

(5.10)

unde w= 0,18...0,26.

Raza de racordare la vârf r produce o micşorare a temperaturii odată cu creşterea ei, în principal datorită creşterii capacităţii termice a tăişului:

(5.11)

Mai există şi alţi parametri de influenţă, dar cei prezentaţi sunt cei mai importanţi.În final, pe baza relaţiilor anterioare determinate pe cale experimentală, în mod identic cu determinarea relaţiei de calcul a

apăsării specifice, se poate stabili o relaţie experimentală completă de calcul al temperaturii, de forma:

(5.12)

5.3. METODE DE MĂSURARE A CĂLDURII ŞI TEMPERATURII ÎN PROCESUL DE AŞCHIERE.

Metoda calorimetrică. La această metodă aşchierea se realizează într-un calorimetru, ca în fig. 5.8. Cunoscând temperaturile iniţială şi finală ale lichidului, se poate determina cantitatea de căldură produsă în timpul aşchierii.

Dacă se măsoară şi forţele de aşchiere sau puterea consumată, rezultă şi lucrul mecanic transformat în căldură. Considerând că tot lucrul mecanic se transformă în căldură, se poate determina cu aproximaţie forţa principală de aşchiere:

(5.13)

unde Qm este cantitatea de căldură măsurată, iar v este viteza de aşchiere.

Metoda termoculorilor reprezintă aplicarea unor vopsele termosensibile pe scu-la aşchietoare şi pe piesă. În urma aşchierii vopselele îşi schimbă culoarea în funcţie de temperatura atinsă. Această metodă dă rezultate aproximative, fiind folosită doar pentru orientare. Vopselele se livrează în truse, fiecare vopsea schimbându-şi culoarea la o

anumită temperatură (de obicei diferită cu 5, 10 sau 25oC faţă de vopselele anterioară şi posterioară). Metoda pirometrică - un fascicol de raze calorice generează un curent electric prin intermediul unei celule fotoelectrice.

Piesele încălzite generează un fascicol de radiaţii infraroşii, care focalizate şi concentrate asupra fotocelulei sensibile la spectrul dorit generează curentul care se măsoară ulterior.

5 - 4

Fig. 5.6. Influenţa unghiului de atac asupra temperaturii

tăişului.

Fig. 5.7. Influenţa razei de racordare la vârf asupra

temperaturii tăişului.

NOTE DE CURS BAZELE AŞCHIERII CURSUL NR. 5

Metoda termocuplului artifi-cial reprezintă introducerea unui termocuplu cupru-constantan într-un punct situat cât mai aproape de zona de contact sculă-piesă şi măsurarea temperaturii prin efect termoelectric (fig. 5.9).

Se pot monta mai multe ter-mocuple în diferitele zone ale cuţitului obţinându-se astfel vizualizarea câm-pului termic, şi se poare măsura chiar şi temperatura aşchiilor cu ajutorul unui termocuplu montat pe faţa de degajare, în calea acestora.

Metoda termocuplului naturalAceastă metodă utilizează tot principiul de funcţionare

al termo-cuplului, dar acesta este realizat din materialele diferite ale sculei şi piesei (fig. 5.10) sau din materialele diferite aparţinând la două scule diferite (fig. 5.11). Se poate considera că între cele două materiale există un punct de sudură datorită presiunilor mari de contact din zona de interacţiune sculă-piesă. Măsurarea efectivă a tempe-raturii se face cu un voltmetru etalonat direct în unităţi de temperatură.

În cazul termocuplului format din materialele piesei şi sculei aşchietoare temperatura măsurată este temperatura medie de pe feţele de aşezare şi de degajare ale sculei aşchietoare.

Problema fundamentală a dispozitivelor pentru măsurarea temperaturii este etalonarea.

În cazul termocuplului format din materialele piesei şi sculei aşchietoare temperatura măsurată este temperatura medie de pe feţele de aşezare şi de degajare ale sculei aşchietoare.

Metoda examinării streucturii metalografice şi a durităţii. Pentrum fiecare material de scule se pot stabili legile după care se produc anumite modificări ale structurii metalografice şi micşorarea durităţii materialului, în funcţie de temperatura atinsă şi de durata efectivă a funcţionării sculei, echivalentă cu timpul de încălzire. Observându-se modificarea structurii şi măsurând duritatea superficială a stratului de material al sculei afectată de diferite temperaturi şi făcând comparaţia cu etaloane realizate prin cercetări anterioare, se pot deduce cu bună aproximaţie temperaturile la care au fost supuse diferitele zone superficiale ale sculei.

5 - 5

Fig. 5.8. Metoda calorimetrică de măsurare a căldurii degajate la aşchiere.

Fig. 5.9. Măsurarea temperaturii de aşchiere cu termocuplul artificial.

Fig. 5.10. Măsurarea temperaturii de aşchiere cu termocuplul natural sculă-

piesă.

Fig. 5.11. Măsurarea temperaturii de aşchiere cu termocuplul natural cu două

cuţite.