Efectul geometriei aşchietoare asupra sculelor acoperite cu carburi la prelucrarea aliajelor cu titan prin frezare
Cuvinte cheie: uzura uneltei, unelte din carburi, frezare frontală, aliaje cu titan
1.Introducere
Folosirea frecventă a titanului şi aliajelor cu titan în industriile aeronautice, chimice şi ale carburanţilor se datorează în principal proprietăţilor lor avantajoase cum ar fi raportul greutate-rezistenţă, rezistenţă superioară împortiva coroziunii sau compatibilitatea cu alte materiale compuse [1].
Cu toate acestea, prelucrarea aliajelor cu titan este deosebit de dificilă şi este împiedicată de forţa titanului la temperaturi ridicate, o conductivitate termică scăzută, modul de elasticitate relativ scăzut şi reacţii chimică redusă [2].
Importanta avansare în dezvoltarea sculelor aşchietoare din deceniile trecute nu a reuşit sa îmbunătăţească prelucrarea aliajelor cu titan. Aproape fiecare sculă aşchietoare elaborată până acum, inclusiv cele cu diamant, ceramice şi trioxid de bor cubic, este foarte reactivă cu aliajele cu titan, cauzând uzarea la viteze mari de aşchiere [3-6].
Majoritatea studiilor în prelucrarea titanului şi a aliajelor sale au fost concentrate asupra procesului de strunjire exterioară, ceea ce presupune aşchiere continuă. Aceste rezultate nu sunt aplicabile şi la procesul de măcinare, unde au loc tăieri întrerupte şi sculele sunt supuse unei verietăţi de condiţii ostile. La frezarea aliajelor cu titan cu scule din carburi s-a observat o aşchiere/sfărâmare violentă a ascuţişului, acestea fiind principalele moduri de avariere. Avariile de acest tip sunt rezultatul unei combinaţii de diferiţi factori cum ar fi tensionările termo-mecanice şi ciclice precum ruperea unei piese de prelucrat şi lipirea materialului pe feţele sculei. În ciuda câtorva investigaţii frezării frontale a aliajelor cu titan [7-9], mai e nevoie de studiu al efectului geometriei aşchietoare a sculelor la partea de performanţă a tăierii. Studiile frezării frontale efectuate în trecut au arătat că teşirea marginilor a întărit tăişul şi a îmbunătăţit semnificativ viaţa sculei.
Această lucrare are ca scop investigarea influenţei teşirii muchiilor sculelor acoperite cu carburi de tip PVD-TiN şi a performanţei tăierii având în vedere viaţa sculei şi tipurile de avarie în timpul frezării frontale a aliajelor cu titan, Ti-6Al4V în diferite condiţii (moduri) de aşchiere.
2 Procedura experimentului
2.1 Testul de prelucrare
Toate forările frontale au fost efectuate într-un ansamblu de prelucrare vertical Sabre 750 Cincinnati CNC cu un motor de 9 kW în condiţiile prezentate în Tabelul 1.
Freza a fost poziţionată în centrul piesei de prelucrat pentru a efectua o prelucrare neutră. Această poziţionare a fost recomandată de Standardele ISO [10] pentru a evita apariţia întâmplătoare a decalibrării ca rezultat al unghiurilor de ieşire nefavorabile [11]. Prezenţa acelei decalibrări poate conduce la avarierea timpurie a sculei în timpul cioplirilor excesive sau ruperea tăişului. În timpul tuturor testelor de frezare au fost folosiţi agenţi de răcire.
2.2 Materialul piesei de prelucrat
Încercările de frezare frontală au avut loc pe o bară dreptunghiulară cu dimensiunile 125mm x 58 mm x 400 mm, care a fost prelucrată de la dimensiunile 140 mm x 140 mm x 400 mm billet of alphabeta Ti-6Al-4V de aliaj cu titaniu. Tagla a fost laminată la cald la 925C şi răcit cu aer fără un alt tratament special. Cu scopul menţinerii intrării constante şi a unghiurilor de ieşire în timpul tăierii, un capăt al barei unde freza începe să taie a fost prelucrat dinainte în timp ce celălalt capăt a fost lăsat netăiat. Compoziţia şi proprietăţile materialului piesei de prelucrat sunt arătate în Tabelele 2, respectiv 3.
2.3 Inserţiile:
Au fost folosite două inserţii acoperite PVD-TiN cu proprietăţi şi substraturi similare dar cu o geometrie aşchietoare diferită şi notate cu Scula A şi Scula B. Scula A este conţine teşituri negative () la 20 şi o distanţă implicită (b) de 0,213 mm în timp ce Scula B este o inserţie cu muchii ascuţite. Raza tăişului ambelor inserţii, r e < 0.2 mm. Ele au avut o formă de patrulater cu muchii foarte ascuţite în coţul cu unghi închis. Geometria de aşchiere a ambelor inserţii e prezentată în Figura 1. Inserţiile au fost fixate pe o portfreză standard pentru a oferi geometria de aşchiere ca şi în Tabelul 1.
2.4 Măsurarea şi analiza uzurii sculei
Sculele au fost examinate şi faţeta expusă uzurii a fost măsurată în diferite etape a fiecărui test folosind un microscop de atelier fără demontarea inserţiilor de pe freză. A fost folosit un SEM pentru examinarea uzurii sculei şi a modului de avariere.(pentru mai multe detalii - click)
3 Rezultate şi discuţii
3.1 Viaţa sculei
Datele referitoare vieţii sculei la frezare frontală a aliajului Ti-6Al4V cu Scula A şi cu Scula B sunt prezentate în Tabelul 6 şi Figura 2. După cum a fost arătat în Figura 2, Scula B cu muchii teşite a înregistrat cea mai bună performanţă a vieţii sculei, adică de 30 min la cea mai mică viteză de aşchiere de 55 m/min. Scula A a obţinut o performanţă mai scăzută, de doar 10 min la aceeaşi viteză de aşchiere. Frezarea frontală ce depăşeşte viteza de aşchiere de 65 m/min arată o scădere semnificativă a vieţii ambelor scule. Rezultatele au arătat că Scula A sau scula teşită s-a deteriorat prematur şi înregistrările au arătat că sculele au avut o viaţă scurtă la toate vitezele de tăiere. Cele mai scurte vieţi de 5 şi 7 min au fost înregistrate pentru Scula A, respectiv, Scula B la cea mai mare viteză de aşchiere de 100 m/min au fost expuse în Tabelul 6. Performanţa cea mai ridicată s-a obţinut cu Scula B sau scula cu muchia de aşchiere ascuţită şi o viaţă corespunzătoare la toate vitezele de aşchiere prin comparaţie cu Scula A.
3.2 Uzura sculei şi tipurile de avarie
După cum se arată în Figura 3, ambele scule au arătat un model de uzură similar a flancului la toate vitezele de aşchiere, exceptând vitezele de 55, 65 m/min unde rata de uzură a muchiei ascuţite a sculei (Sculei B) a fost mai treptat. Creşterea uzurii flancului a fost semnificant redusă folosind cea mai mică viteză de aşchiere de 55 m/min. În general, creşterea vitezei de aşchiere creşte uzura sculei. Uzura neuniformă a flancului a fost dominantă la toate în toate condiţiile de aşchiere pentru ambele scule. Uzura uniformă a flancului şi vârfului ce au fost observate la aşchierea iniţială au fost desfiinţate pe măsură ce aşchierea a progresat. Uzura la cea mai mică muchie de tăiere a sculei a fost pera mică pentru a cauza orice efect semnificativ sculei în timpul prelucrării.
Vieţi scurte au fost înregistrate la ambele scule la viteze mari de aşchiere datorită uzurii rapide ca rezultat al sfărmării sau despicării pronunţate a muchiei aşchietoare înainte apariţiei oricărei forme de uzură treptată. În general, rata uzurii pe flancul sculei cu muchie ascuţită (Scula B) a fost mai mică decât a celei teşite (Scula A), prin urmare s-a înregistrat o durabilitate mărită. (pentru detalii - click)
3.3 Efectul vitezei de aşchiere asupra vieţii sculei
Efectul unei creşteri a vitezei de aşchiere pentru ambele scule sunt prezentate grafic în Figura 6.
Rezultatele experimentelor au arătat că viteza de aşchiere a jucat un rol important în controlarea performanţei vieţii sculei şi prin urmare uzura mecanismelor la frezarea frontală a aliajelor cu Ti-6Al4V. După cum s-a arătat în figura 6, durata vieţii Sculei A a crescut liniar cu creşterea vitezelor de tăiere. Efectul vitezei de tăiere a fost mai puţin semnificativ la frezarea frontală cu scula teşită (Scula A) şi s-au înregistrat durate mai puţine de viaţă la creşterea vitezelor de aşchiere. Aceasta s-a datorat avarierii premature a sculei, probabil ca rezultat al teşirii marginii, ceea ce poate cauza o aşchiere instabilă, rezultând procesul de cioplire şi aşchiere a muchiei aşchietoare.
În mod similar, Scula B a obţinut o îmbunătăţire nesemnificativă a duratei vieţii sculei când viteza de aşchiere a fost redusă de la 100 la 65 m/min. În orice caz, influenţa vitezei de aşchiere asupra performanţei Sculei B a fost foarte ridicată când viteza de aşchiere a fost redusă de la 65 la 55 m/min. O reducere de 15% a vitezei de tăiere a generat o durată a vieţii sculei crescută cu 76%. Prelucrând Ti-6Al4V la viteze mari a produs aşchii subţiri, ceea ce a rezultat o durată a contactului pe o lungime/arie mai reduse, prin urmare s-au dezvoltat tensionări şi temperaturi mai ridicate pe o suprafaţă relativ mică a sculei. Efectul tensionării şi al temperaturii ridicate la un loc, dezvoltate la viteze mari de aşchiere, au crescut sensibilitatea la uzura termică, ceea ce este dezavantajos. Aceste uzuri ale mecanismelor, incluzând uzura prin mărunţire, abraziune şi frecare, crăpare sau difuziune au fost pronunţate la viteze mari de aşchiere şi astfel au condus la uzura şi avarierea rapidă a ambelor scule, de aici şi viaţa scurtă a sculelor. Pe baza rezultatelor obţinute, este recomandat ca viteza de aşchiere să rămână mică la prelucrarea aliajelor cu titan pentru a se obţine performanţa maximă de aşchiere a sculelor din carburi cercetate.
3.4 Efectul geometriei aşchietoare
Acest efect al geometriei aşchietoare asupra uzurii şi vieţii sculei la frezarea frontală a fost cercetat de mulţi experţi (13-15). Consensul principal este că teşirea sau despicarea marginilor muchiei principale de aşchiere s-au dovedit a fi factori de influenţă semnificativi ai duratei vieţii sculei.
Scula teşită (Scual A) care a fost proiectată pentru a preveni problemele fracturării muchiei nu a expus rezultate promiţătoare la frezarea aliajelor cu titan Ti-6Al4V, în comparaţie cu scula cu muchie ascuţită (Scula B) după cum au arătat înregistrările cu scurta viaţă a sculelor. Curbele V-T din Figura 6 au demonstrat că durata vieţii obţinută de scula A nu a fost niciodată mai mare decât durata vieţii Sculei B în toate condiţiile de tăiere testate. Variaţiile duratei vieţii ambelor scule au fost semnificativ mai mari la viteze de aşchiere mai reduse între 55 şi 65 m/min. Deci geometria fisurii cu inserţii ale Sculei A s-a schimbat de la o fisură negativă-pozitivă, ca şi cazul inserţiilor Sculei B, la o fisură negativă-negativă. Dezavantajele fisurii negativă-negativă la prelucrarea aliajelor cu titan au fost probabil motivele performanţei scăzute a sculei teşite (Scula A). Generarea de forţe mari la aşchierii (16-18) şi îndepărtarea sărăcăcioasă a aşchiilor zimţuite (16,17) la acest tip de fisură poate genera sculei şi piesei de prelucrat stricăciuni grave. Toţi aceşti factori cuplaţi cu temperatura mare de aşchiere asupra feţei teşite a Sculei A pot duce mecanismele uzate la difuzie, abraziune, astfel ajutând la apariţia diferitelor tipuri de pană. Ca rezultant, uzura rapidă a flancului şi avarierea prematură a Sculei A a apărut în toate condiţiile de tăiere şi un s-a obţinut nici o îmbunătăţire. Chiar şi la vitezele de aşchiere cele mai reduse de 55 m/min la frezarea frontală a Ti-6Al4V, duratele vieţii obţinute au fost relativ scăzute (10 min).
În ciuda faptului că modurile de avariere au fost la fel cu cele ale sculei teşite, Scula B sau cea ascuţită a oferit o durată mai îndelungă a vieţii în toate testele şi investigările aşchierii. Cea mai mare performanţă a aşchierii s-a obţinut la viteza de aşchiere de 55 m/min şi rata de avansare de 0.1 mm/dinte, adică durata vieţi sculei de 30 de minute, înregistrate la frezarea frontală a Ti-6Al4V. Performanţa remarcabilă a sculei ascuţite (Scula B) s-a datorat probabil geometriei favorabile negativ-pozitiv a fisurii transversale care a oferit multe avantaje la prelucrarea aliajelor cu titan. Unghiul negativ al racleţilor axiali oferă o muchie tare de aşchiere, în timp ce racleţii axiali oferă o îndepărtare uşoară a aşchiilor îndepărtate şi reduce forţa aşchierii în timpul prelucrării (16,17).
În ciuda avantajelor subliniate de multele cercetări a sculei teşite, s-a stabilit că scula teşită (Scula A) este nepotrivită pentru frezarea frontală a aliajelor cu titan Ti-6Al4V prin comparaţie cu scula ascuţită (Scula B). Slaba performanţă a Sculei A, s-a datorat probabil pregătirii necorespunzătoare a muchiei de aşchiere pentru frezarea frontală a Ti-6Al4V. Cu scopul de a realiza potenţialul cel mai ridicat al sculelor teşite la prelucrarea titanului este esenţială optimizarea datelor tehnice despre muchii, precum unghiul racleţilor şi geometria aşchietoare a ascuţişului.
4. Concluzii
Concluziile trase din frezarea frontală a aliajelor cu titan Ti-6Al4V cu două geometrii diferite ale inserţiilor sunt după cum urmează:
1.În general, inserţiile cu muchii de aşchiere ascuţite (Scula B) au dezvoltat o performanţă a aşchierii mai ridicată în toate condiţiile de aşchiere prin comparaţie cu inserţiile cu muchii teşite/oblice (Scula A) la frezarea frontală a aliajelor cu titan Ti-6Al4V.
2.Cele mai bune condiţii de tăiere, având în vedere şi viaţa cea mai lungă a sculei (30 minute) sunt realizate cu inserţiile cu muchie ascuţită (Scula B) la viteza de 55 m/min şi rata de avansare de 0.1 mm/dinte.
3.Înclinarea muchiei sau teşirea ascuţişului nu au îmbunătăţit performanţele de aşchiere a sculelor la frezarea frontală a aliajului cu titan Ti-6Al4V după cum se pretindea la frezarea frontală a oţelului.
4.Uzura neuniformă a flancului a fost un model dominant de uzură manifestată de ambele scule, teşită şi ascuţită.
5.Sfărâmarea sau despicarea excesivă a muchiei aşchietoare şi aşchierea şi/sau sfărâmarea pe faţa cu racleţi au fost modurile dominante în care sculele au cedat în majoritatea condiţiilor de aşchiere.
posted by La Dani @ 5:51 AM
5 comments
