Tipurile de uzură la care sunt predispuse sculele așchietoare și viteza cu care au loc, au un efect decisiv asupra costurilor de prelucrare. Viteza de producție a procesului de așchiere și cursul uzurii unei scule așchietoare sunt puternic afectate de datele de așchiere selectate. Combinația datelor de așchiere cu uzura sculei modifică timpul în care decurg operațiile de prelucrare. Mulți dintre parametrii care determină costurile de producție, ca de exemplu timpul de prelucrare, rata de piese neconforme și intervalul de înlocuire al sculei, sunt afectate de cât de bine funcționează scula așchietoare. Deteriorarea bazată pe uzura unei scule așchietoare apare des sub formă de uzură întâlnită la nivelul suprafețelor sculei așchietoare ce intră în contact cu piesa și așchiile, uzură ce poate fi uniformă sau neuniformă. Deteriorările care nu se bazează pe uzura sculei pot fi sub formă de fisură, fractură, deformare plastică sau deteriorare cauzată de procesele chimice. Toate tipurile de deteriorare sunt strâns legate de sarcinile mecanice și termice la care scula așchietoare este expusă. Sarcinile termice accelerează orice fenomen de deteriorare.
4.1 Tipuri de bază de deterioare a sculei
Orice formă de deteriorare este fie rezultatul condiţiilor la care este supusă scula așchietoare, fie din preajma acestora. Sarcinile la care este supusă scula așchietorare pot fi atât mecanice cât și termice. Încărcăturile termice accelerează atât procesul chimic, cât și procesul fizic. Încărcăturile tribologice pot fi considerate o combinaţie de procese de deteriorare de tipuri variate.
- FIGURA 4.1 - Trei tipuri principale de tipuri de uzură a sculei: uzura flancului (a), uzură tip crater (b) și o crestătură apărută pe muchia principal și secundară de așchiere (c).
Sarcinile care afectează scula așchietoare în timpul procesului de așchiere pot fi rezumate sub forma modelului de încărcare la care este supus, ceea ce reprezintă efectul total al încărcăturilor termice, mecanice și chimice care influenţează scula așchietoare.
Caracteristicile sculei sunt determinate de materialul din care este compusă, de structura acesteia și de geometria ei atât micro, cât și macro. Aceste caracteristici pot fi măsurate și specificate din punct de vedere al rezistenţei la încovoiere, al rezistenţei la compresie, al rezilienţei, al conductivităţii termice, al rezistenţei la uzură. Câteva dintre caracteristicile muchiei așchietoare, precum rezilienţa acesteia supusă la condiţii variate de prelucrare, pot fi descrise utilizând un fel de scară relativă. Caracteristicile care se ocupă de funcţionarea muchiei pe durata procesului de așchiere pot fi rezumate din punct de vedere al funcţionării caracteristicilor sculei, dar și definite ca și abilitatea sculei de a rezista modificărilor cauzate de factorii procesului de așchiere ce pot duce la deteriorarea ei.
Deteriorări ale sculei de așchiere sunt întâlnite în efectele de uzură și respectiv de deformare plastică. În cazul în care valorile datelor de așchiere sunt scăzute, se face trimitere la o combinaţie de uzură de flanc și a zonei de degajare (crater). Dacă valorile datelor de așchiere sunt ridicate, gradul la care deformaţia plastică ajunge, crește de asemenea. Întinderea pe care are loc deformarea plastică depinde de sarcinile mecanice și termice care se formează, la fel ca și de formele geometrice ale sculei. Pe parcursul uzurii, sarcina de încărcare a sculei crește pentru un timp, datorită schimbărilor geometrice, în același timp cu sarcinile mecanice și termice ale sculei.
Creșterea sarcinilor mecanice pot rezulta temporar într-un mod mult mai favorabil din punct de vedere al stresului sculei, datorită unui anumit echilibru stabilit între creșterea uzurii sculei și deformarea plastică a acesteia, așa cum se poate observa în figura 4.2.
- FIGURA 4.2 - O muchie de așchiere care prezintă diferite grade de deformare plastic și uzură a flancului, de la deformația inițială (sus) până la distrugerea sculei (jos).
Eventual, aceasta este urmată de o deformare plastică foarte rapidă a sculei, care se termină cu nefuncţionalitatea acesteia.
Utilizarea sculelor moderne împreună cu acoperiri avansate poate duce la o încărcare triblogică pe faţa de degajare frontală menţinută la minimum, în timp ce uzura de pe faţa de degajare superioară și o posibilă deteriorare a feţei să joace rol dominant.
- FIGURA 4.3 - Uzură de tip crater și deformare plastică muchiei de așchiere, unde linia de capăt a muchiei de așchiere nu este deteriorată.
În asemenea condiţii, faţa de degajare poate fi protejată împotriva aderenţei materialul semifabricatului prelucrat, rezultând o uzură menţinută la minimum. Atunci, uzura de flanc, de obicei, se dezvoltă întâi pe muchia vârfului în timp ce uzura de tip crater devine mult mai pronunţată.
Întinderea pe care uzura de tip crater se extinde este, de asemenea, dependentă de direcţia evacuării așchiilor. În contrast cu uzura de flanc, uzura de tip crater reduce capacitatea de încărcare a sculei așchietoare.
Formarea uzurii de tip crater împreună cu creșterea temperaturii vârfului muchiei conduce la deformare plastică, ce duce în schimb la o uzură locală de flanc rapidă, urmată apoi de fracturarea/ruperea muchiei. Rezultatul unei astfel de uzuri este numit ca distrugere minoră a muchiei așchietoare.
Ciupirea muchiei implică ruperea locală a muchiei așchietoare împreună cu pierderea de material. Aceasta poate fi cauzată de mai mulţi factori diferiţi, precum pierderea de material între seturi diferite de crăpături (crăpături paralele și crăpături combinate) sau lovirea așchiilor sub muchia de așchiere. Exemple de ciupituri datorate așchiilor sunt prezentate în figura 4.4.
- FIGURA 4.4 - Distrugrea liniei muchiei de așhiere sub forma unor ciupituri apărute între crăpăturile adiacente.
Degradarea muchiei de așchiere datorită ciupiturilor poate afecta suprafaţa prelucrată în diferite moduri. În degroșare, consecinţele sunt mai degrabă limitate, cu excepţia faptului că se poate crește riscul de rupere a sculei. În finisare, ciupiturile datorate așchiilor pot crește rata de piese finite neconforme datorită rugozităţii suprafeţei generate.
Exfolierea este o formă de ciupire a muchiei de pe faţa de degajare frontală sau superioară. Exfolierea acoperirii muchiei așchietoare este numită și delaminare. Cazuri de exfoliere pe faţa de degajare superioară sau pe cea inferioară se pot întâlni împreună sau separat. Stresul rezidual al sculei așchietoare poate avea un efect decisiv în apariţia ulterioară a exfolierii. Efectele comune a unei situaţii de încărcare mare și a unui stres rezidual poate uneori duce la apariţia unei fracturi mari la nivelul suprafeţei.
- FIGURA 4.5 - Exfolierea muchiei de așchiere la strunjire (sus), precum și o exfoliere a muchiei de așchiere datorată încărcării externe și a relaxării stresului residual (jos), în cazul strunjirii Inconel 718.
În figura 4.5 sunt exemplificate diferite tipuri de deteriorări ale sculei cauzate de exfoliere. Efectele comune ale exfolierii și ale formării de crăpături apar în general în cazul frezării, în care tiparul crăpăturii realizate poate iniţia deteriorări majore ale muchiei așchietoare.
- FIGURA 4.6 - Formarea de crăpături în fagure și crăpături paralele în muchia de așchiere (sus) și crăpături ale acoperirii în cazul încărcărilor materiale muchiei de așchiere în cazul strunjirii (jos).
Există două tipuri esenţiale de modele de formare a crăpăturilor pe linia muchiei de așchiere, mai exact formare de faguri și formarea de crăpături paralele, așa cum se poate observa în figura 4.6. Crăpăturile în fagure se realizează în unghiuri fixe faţă de linia muchiei, pe când crăpăturile paralele sunt paralele cu ea.
- FIGURA 4.7 - Distrugerea unei scule de așchiere PCBN, inițializată în principal de pe fața de degajare superioară
Crăpăturile în fagure sunt echidistante una faţă de cealaltă; ele nu se întind întotdeauna până la linia muchiei.
În contrast, crăpăturile paralele se întâlnesc la diferite distanţe faţă de linia muchiei; ele tind să se formeze în funcţie de un anume grad de uzură de flanc. Aceste două tipuri de crăpături ar trebui distinse de simplele crăpături de pe stratul de acoperire a sculei, chiar dacă în termeni practici, este foarte dificil de determinat care din cele două s-au format.
Cedarea totală a sculei așchietoare apare sub o varietate largă de condiţii, care implică diferite combinaţii de situaţii de încărcări și de deteriorări care au avut loc.
Distrugerea muchiei așchietoare care poate apărea în conexiune cu cedarea sculei, în care muchia așchietoare deteriorată continuă să acţioneze, poate fi dificil de prezis. În cazul proceselor de așchiere cu o singură muchie, rareori există posibilitatea unui studiu adecvat despre suprafeţele primare de rupere direct asociate cu apariţia cedării sculelor. Un exemplu de cedare a unei scule așchietoare în care o parte a sculei s-a desprins, este prezentat în figura 4.8.
- FIGURA 4.8 - Cedarea sculei așchietoare datorată stresului puternic din timpul prelucrării cu intermitențe.
O fracturare principală cauzată de tensiune, de tipul celei prezentate, nu este de obicei precedată de o formaţiune de rupere decisivă cauzată de secvenţe anterioare de încărcare, deși crestarea sau alte tipuri de uzură a muchiei pot reprezenta un factor iniţiator al unei potenţiale ruperi cauzate de tensiuni. Deteriorarea combinată ce include simultan uzura de flanc și deformarea plastică a sculei așchietoare crește importanţa dezvoltării și îmbunătăţirii materialelor pentru scule și acoperiri.
Multe dintre figurile prezentate, precum figura 4.9 (dreapta), ilustrează efectele combinate ale deformării plastice și a uzurii de flanc.
- FIGURA 4.9 - Apariția doar a uzurii de flanc (stânga), a uzurii de flanc împreună cu deformarea plastică echilibrate (mijloc) și uzurii de flanc împreună cu deformație plastic (PD) în diferite grade (dreapta).
