Această secțiune se concentrează pe tribologia interfețelor sculă-așchie și sculă-piesă de prelucrat, cum ar fi natura și profilul tensiunilor de contact și profilul temperaturii ca funcție de parametrii de tăiere. Interfețele sculă-așchie și sculă-piesa de prelucrat sunt acele zone de contact care participă direct la procesul de tăiere. Interfețele sculă-așchie și sculă-piesă prezentate în Fig. 2 sunt supuse unor condiții de contact diferite, iar geometria/presiunile de contact în ambele cazuri sunt destul de diferite. În ciuda diferențelor, există anumite asemănări în tribologia acestor interfețe, cum ar fi presiuni și temperaturi ridicate de contact și viteze mari de alunecare. Însă, interfața sculă-așchie joacă un rol principal, fiind locația cu temperatură ridicată și locul pentru uzura craterului. Prin urmare, o parte considerabilă a acestei secțiuni este dedicată condițiilor tribologice de la interfața sculă-așchie.

Doar 30–50 % din energia necesară sistemului de tăiere este cheltuită pentru munca utilă, adică pentru formarea așchiilor. Restul este cheltuit la interfețele sculă-așchie și sculă-piesă de prelucrat. Se poate observa că cea mai mare parte a energiei consumate în procesul de tăiere este transformată în căldură. Interesant este că temperatura în zona de deformare primară (PDZ), unde are loc lucrul major de deformare plastică și formare de așchii, este relativ scăzută (în mod normal 80-250^o C). Spre deosebire de aceasta, temperaturile maxime la interfața sculă-așchie pot ajunge cu mult peste 1.000^o C. Obiectivul principal al acestei secțiuni este de a înțelege condițiile tribologice la interfața sculă-așchie și sculă-piesă de prelucrat. Aceste cunoștințe pot fi utilizate în selectarea parametrilor procesului, acoperirilor de scule și a lichidelor de răcire adecvate și a mecanismelor de livrare a acestora.

Interfața sculă-așchie

În timpul tăierii metalului, forța de tăiere acționează în principal asupra feței rake, care este în contact cu așchia și, prin urmare, regiunea interfeței este cunoscută ca interfață sculă-așchie. Este interesant să se determine forța de tăiere și să se înțeleagă mecanica formării așchiilor pentru a stabili caracteristicile tribologice ale interfeței sculă-așchie.

Coeficient de frecare

În analiza lui Merchant, se presupune că contactul dintre sculă și așchie este un contact de alunecare, în care coeficientul de frecare nu variază (Merchant 1945). Multe condiții de contact fizic sunt descrise de un coeficient constant de frecare Coulomb μf,

μf = F/N (1)

unde N este forța normală care acționează la interfața considerată și F este forța de frecare la această interfață.

Este bine stabilit în literatura de specialitate că contactul dintre cele două corpuri este limitat doar la asperități (vârfurile pe suprafețele de contact). În realitate, frecarea totală provine din cauza deformării plastice a asperităților care se interconectează, a aderenței și a tensiunii de forfecare din pelicula de fluid. Totuși, tensiunile pot fi estimate presupunând că forțele sunt distribuite pe suprafața totală (aparentă) de contact. O astfel de aproximare este valabilă pentru prelucrarea în care zonele de contact reale și aparente sunt apropiate din cauza presiunii de contact ridicate (Zorev 1966). Coeficientul de frecare la interfața sculă-așchie, μf, poate fi estimat prin

unde efortul normal mediu la interfață este σn = N/Ac, efortul mediu de forfecare (de frecare) la interfață este τf = F/Ac , iar Ac este aria interfeței sculă-așchie.

Discuția de mai sus a fost pentru frecarea de alunecare la interfață. În condiții extreme, frecarea maximă care poate fi atinsă este solicitarea de curgere forfecară a materialului. Aceasta este cunoscută sub denumirea de frecare de lipire, unde nu există nicio mișcare relativă între așchie și unealtă la interfață. Ambele zone sunt prezentate în Fig. 3. Pentru frecarea de lipire, această rezistență la forfecare ar trebui să fie egală cu solicitarea de curgere în forfecare, kf, și solicitarea normală la limita de curgere a materialului de lucru σy. Folosind criteriul de randament von Mises, coeficientul de frecare in condiții de lipire este

Prin urmare, valoarea coeficientului de frecare μf definit de Ec. 2 ar trebui considerată ca valoare limită, astfel încât, dacă μf ≥ 0,577, nu poate apărea nicio mișcare relativă la interfață.

Observații generale privind interfața sculă-așchie

Rezultatele studiilor teoretice și experimentale privind starea tribologică la interfața sculă-așchie pot fi rezumate după cum urmează (Astakhov 2006):

• Utilizarea coeficientului fix de frecare nu este suficientă pentru a caracteriza alunecarea dintre așchie și sculă și, prin urmare, nu ar trebui utilizată în studiile de tăiere a metalelor. Majoritatea pachetelor software comerciale folosesc frecare de alunecare care nu poate fi considerată adecvată pentru a modela orice proces real de tăiere. În realitate, trebuie luate în considerare tensiunile de contact la interfața sculă-așchie și dependența lor de parametrii procesului de tăiere.
• Procesul de formare a așchiilor este de natură ciclică, iar tensiunile normale și de forfecare, precum și forma distribuțiilor lor variază în cadrul fiecărui ciclu de formare a așchiilor.
• Lungimea interfeței sculă-așchie depinde atât de grosimea așchiei netăiate, cât și de unghiul de degajare. Dependența lungimii de contact de viteza de tăiere este similară cu dependența raportului de compresie a așchii (grosimea așchiei/grosimea așchiei nedeformată) de viteza de tăiere.
• Lungimea contactului este direct proporţională cu grosimea aşchiei netăiate pentru diferite materiale de lucru. Una din cele mai importante caracteristici tribologice de la interfața sculă-așchie este raportul dintre lungimea contactului și grosimea așchiei netăiate, denumit criteriul-P0. Acest criteriu nu depinde de modificările proprietăților materialului de lucru.
• Tensiunea medie de forfecare la interfața sculă-așchie este funcție de proprietățile materialului de lucru. Se poate observa că tensiunea de forfecare medie determină temperatura la contactul sculă-așchie și se poate afirma că această temperatură este în primul rând o funcție de viteza de tăiere și materialul de lucru.
• Tensiunea medie normală la interfața sculă-așchie este relativ mai sensibilă decât tensiunea de forfecare pentru parametrii procesului de tăiere. Această tensiune crește odată cu creșterea vitezei de tăiere și scade odată cu unghiul de degajare. Depinde de criteriul-P0 în același mod în care acest criteriu afectează starea de solicitare în zona de deformare.
• Dintre proprietățile materialului sculei, cea mai mare influență asupra stării de contact la interfața sculă-așchie este conductivitatea termică și proprietățile de aderență, spre deosebire de proprietățile elastice. O conductivitate mai mare crește temperatura medie de contact la interfața sculă-așchie. De asemenea, afectează distribuția temperaturii pe această interfață.
• Condiția de aderență la interfața sculă-așchie afectează procesul de tăiere. Solubilitatea sculei în materialul piesei de prelucrat trebuie luată în considerare cu atenție în alegerea materialului sculei pentru o anumită aplicație. La temperaturi ridicate, poate duce la uzura accelerată a sculei.

Din discuțiile de mai sus, se poate deduce că răcirea interfeței sculă-așchie este extrem de importantă pentru procesul de tăiere. Pelicula de lubrifiere din fluidul de tăiere reduce coeficientul de frecare, reducând astfel forțele de tăiere. În plus, afectează uzura craterului prin reducerea zonei de lipire, ceea ce facilitează uzura craterului pe bază de difuzie. Rata de difuzie chimică de la sculă la așchie este mai mică la temperaturi mai scăzute.

Interfața sculă-piesa de lucru

Interfața sculă-piesă de prelucrat nu este la fel de critică ca interfața sculă-așchie; prin urmare, a fost studiată la fel de cuprinzător ca și interfața sculă-așchie în literatură. Constatările cheie pot fi rezumate după cum urmează (Astakhov 2006):

• Tensiunile normale și de forfecare sunt cele mai mari în apropierea vârfului sculei muchiei de tăiere, așa cum se arată în Fig. 2. Mărimea tensiunilor scade pe lungimea contactului devenind în cele din urmă zero la sfârșitul contactului.
• Aderența are loc în regiunea adiacentă muchiei de tăiere deoarece frecarea de lipire este observată aproape de vârful sculei și tensiunile de forfecare sunt egale cu tensiunile de deformaţie plastică de forfecare din acea regiune.
• Deși nivelul de solicitare, temperatura și rezistența legăturilor de aderență sunt mult mai scăzute la interfața sculă-piesa de prelucrat în comparație cu cele de la interfața sculă-așchie, viteza de alunecare la interfața sculă-piesă de prelucrat este mult mai mare. Viteza crescută de alunecare poate duce la o uzură mare a flancurilor pentru materialele ductile și greu de prelucrat. Răcirea și lubrifierea flancului (zona de contact dintre sculă și piesa de prelucrat din cauza uzurii) este esențială pentru a menține controlul uzurii flancului.

Temperatura la interfață

Căldura produsă din cauza deformării plastice și a frecării în prelucrare are ca rezultat temperaturi foarte ridicate (~1.000^o C) în interfața sculă-așchie. Temperaturile ridicate observate la tăierea metalelor afectează tensiunile de curgere ale materialului de lucru și, prin urmare, formarea așchiilor. Temperatura de la interfață determină modul de uzură a sculei și tipul și mecanismul de livrare a lichidului de răcire.

Pentru a aborda aceste probleme, au fost raportate multe lucrări în literatură. Trent și Wright au raportat (Trent și Wright 2000) că luarea în considerare a căldurii generate în tăierea metalului este de a explica rolul temperaturii în rata de îndepărtare a metalului. Studiul lor a arătat că nu există o corelație directă între forța de tăiere sau consumul de energie și temperatura din apropierea muchiei de tăiere. Zorev (Zorev 1966) a descoperit că temperatura nu este un factor important. Pe baza bilanţului energetic în tăierea metalelor, el a raportat că temperatura maximă la capătul zonei de formare a aşchiilor nu a depăşit 270^o C pentru oţelurile simple şi aliate, în timp ce modificările dependente de temperatură ale proprietăţilor mecanice nu apar înainte de 300^o C. Gorczyca (1987) a arătat aplicarea practică a temperaturii în tăierea metalelor. El a operat la o temperatură numită temperatura de ardere, care este definită ca temperatura la care scula nu poate efectua eficient procesul de tăiere. Din păcate, această proprietate nu este disponibilă în specificațiile pentru materialele sculei. Milton Shaw (1984) a prezentat o descriere detaliată a diferitelor metode de evaluare a temperaturii în prelucrare și a subliniat importanța temperaturii de tăiere din următoarele motive:

• Temperatura planului de forfecare are o influență asupra tensiunii de forfecare în curgere a materialului de lucru și afectează, de asemenea, temperatura feței sculei și a flancului.
• Temperatura de pe fața și flancul sculei este foarte importantă pentru ratele de uzura craterului și, respectiv, uzura flancului.
• Temperatura de pe fața sculei influențează, de asemenea, dimensiunea și stabilitatea muchiei încorporate.
• Temperatura mai mare a piesei de prelucrat poate afecta integritatea suprafeţei.

Temperatura medie la interfața sculă-așchie depinde de conductivitățile termice ale sculei și piesei de prelucrat împreună cu capacitatea de căldură a piesei de prelucrat. Poate fi aproximată prin următoarea formulă (Astakhov 2006):

unde Cθ este o constantă, kt este conductivitatea termică a sculei, kw este conductivitatea termică a piesei de prelucrat, Cp este căldura specifică și ρ este densitatea materialului de lucru.

Deoarece temperatura generată în prelucrare este unul dintre factorii majori care determină durata de viață a sculei și care limitează viteza de așchiere, evaluarea corectă a acesteia, corelarea cu caracteristicile și parametrii sistemului și controlului de așchiere sunt de o importanță enormă în teoria și practica așchierii metalelor. precum și în selectarea sculelor și a lichidului de răcire.