20.2 Operațiuni cu mașini-unelte

Mașini cu scule de tăiere cu un singur punct

Sculele de tăiere cu un singur punct sunt cele care au o muchie ascuțită atașată de coadă. Muchia de tăiere este destinată să efectueze tăierea, să producă așchii și să creeze suprafețe prelucrate pe piesa de prelucrat. Geometria unei scule tipice cu un singur punct pe partea dreaptă este prezentată în Fig. 2.

Unghiurile sculei au funcții importante în operațiile de tăiere. Unghiul de degajare controlează direcția curgerii așchiilor și rezistența vârfului sculei. Unghiurile pozitive de degajare îmbunătățesc operațiunea de tăiere prin reducerea forțelor și a temperaturilor, dar reduc rezistența sculei, deoarece unghiul mic poate duce la ciobirea muchiei de tăiere. În cazul general al tăierii oblice, există două unghiuri de degajare, și anume unghiuri de degajare lateral și spate. Deoarece tăierea are loc pe partea laterală a sculei, unghiul lateral de degajare este de importanță primordială. Unghiul de degajare din spate afectează, de asemenea, capacitatea sculei de a forfeca materialul de lucru și de a forma așchia. Unghiul de așezare controlează interfața sculei cu piesa de prelucrat. Unghiul de așezare prea mare poate cauza ruperea sculei, în timp ce un unghi prea mic poate duce la forțe de frecare mari din cauza frecării dintre suprafața flancului și piesa de prelucrat, cauzând uzura excesivă a flancului. Unghiul muchiei de tăiere afectează formarea așchiilor, rezistența sculei și forțele de tăiere. Raza nasului afectează finisarea suprafeței și rezistența vârfului sculei. Raza mai mică creează un finisaj mai aspru al suprafeței piesei de prelucrat și un vârf mai slab al sculei. Însă, raza mare poate duce la forță excesivă și vibrații ale sculei.

Strungul central

Figura 3 prezintă un strung central cu componentele sale principale. Această mașină-unealtă versatilă, care este adesea numită strung cu motor, este folosită în principal pentru producția mică până la medie. Termenul de „motor” datează de pe vremea când aceste mașini erau propulsate cu scripete și curele aeriene, antrenate de motoare cu abur. În prezent, strungurilor au fost adăugate diferite tipuri de automatizări pentru a îmbunătăți eficiența și acuratețea operațiilor repetitive.

Un strung central constă dintr-un pat sau o bază orizontală care susține toate celelalte componente majore. Păpușa fixă, care este fixată pe pat, este echipată cu motoare, scripeți și curele trapezoidale care rotesc arborele, care rotește piesa de prelucrat la diferite viteze. Pârghiile de pe partea din față a păpușii fixe sunt pentru a selecta vitezele de rotație. Păpușa fixă are un arbore tubular la care sunt atașate dispozitivele de prindere a lucrării, cum ar fi mandrine și cleme. Vis-a-vis de păpușa fixă se află păpușa mobilă, care poate aluneca de-a lungul căilor și poate fi prinsă în orice poziție. Un vârf este montat în păpușa mobilă pentru a sprijini celălalt capăt al unei piese lungi de prelucrat. O piesă scurtă este susținută în mod normal doar de mandrina.

Scula de tăiere cu un singur punct este ținută într-o sanie port-cuțit fixată pe glisiera transversală. Ansamblul sanie port-cuțit și glisieră transversală este denumit cărucior. Căruciorul este proiectat să alunece de-a lungul ghidajelor pentru a avansa scula paralel cu axa de rotație. Ghidajele sunt piste de-a lungul cărora se deplasează căruciorul. Ele sunt realizate cu mare precizie pentru a atinge un grad ridicat de paralelism față de axa arborelui.

Tija de avans, care este alimentată de un set de angrenaje din păpușa fixă, se rotește în timpul funcționării strungului și asigură mișcarea căruciorului și al glisierei transversale. Șurubul de avans este util în special pentru a prelucra cu acuratețe filete pe o piesă de prelucrat. Este cuplat cu căruciorul printr-o piuliță despicată de închidere.

Mișcarea primară într-un strung este rotația piesei de prelucrat (mișcarea C'), care este asigurată de arbore. Mișcarea de avans poate fi asigurată prin antrenarea căruciorului de-a lungul patului (mișcare Z). Alternativ, căruciorul poate rămâne staționar; sania port-cuțit este condusă peste cărucior (mișcare X) folosind un șurub de acționare în glisiera transversală. Ca exemplu, Fig. 4 prezintă o suprafață cilindrică generată pe o piesa de prelucrat prin rotația piesei de prelucrat (mișcarea -C') și mișcarea căruciorului de-a lungul patului de strung (mișcarea -Z). Această operație este cunoscută sub denumirea de strunjire cilindrică.

Setarea mișcării de avans pe strung este distanța deplasată de unealtă în timpul fiecărei revoluții a piesei de prelucrat. Odată aleasă, setarea de avans rămâne constantă indiferent de viteza arborelui. Avansul f este definit în mm/tur ca deplasarea sculei în raport cu piesa de prelucrat. Pentru prelucrarea unei piese cilindrice de la un capăt la altul, timpul de prelucrare tm este dat de

tm = L/fN

unde tm este timpul de prelucrare în minut (min), L este lungimea suprafeței prelucrate în mm și N este viteza de rotație a piesei de prelucrat în rotații/minut (tur/min).

Trebuie remarcat faptul că tm este timpul pentru o trecere a sculei de-a lungul piesei de prelucrat. Această singură trecere nu înseamnă neapărat că întreaga operație de prelucrare este finalizată. În plus, aceasta nu include timpul necesar pentru apropierea și retragerea sculei. Mașinile-unelte sunt acum proiectate și construite pentru a minimiza timpul total de operare prin reducerea la minimum a numărului de treceri a sculei, precum și a distanței și a timpului de apropiere și retragere a sculei. După cum se arată în Fig. 4, pentru fiecare rotație a piesei de prelucrat, un strat de material în formă de inel este îndepărtat. Aria secțiunii transversale a acestui strat este produsul dintre avansul f și adâncimea de tăiere d în mm, care este dat de d = (Do - Dm)/2. Do este diametrul inițial al piesei de prelucrat în mm, în timp ce Dm este diametrul suprafeței prelucrate în mm. Produsul acestei arii cu circumferința medie a inelului, care este πDav, unde Dav = (Do + Dm)/2, dă cantitatea de material îndepărtată într-o singură rotație. Astfel, rata de îndepărtare a materialului (MRR) este dată de

MRR = πDavdfN

Viteza maximă de tăiere a suprafeței este definită ca Vmax = πDoN, în timp ce cea medie este Vav = πDavN.

Pe lângă strunjirea cilindrică, o varietate de alte operații de prelucrare pot fi efectuate pe un strung central folosind scula cu un singur punct. Aceste procese, care produc piese cu simetrie radială, dar variază în ceea ce privește mișcarea de avans, sunt ilustrate în Fig. 5:

(a) Strunjire frontală. Prin deplasarea glisierei transversale, scula de tăiere este introdusă perpendicular pe axa de rotație în piesa de prelucrat rotativă pentru a produce o suprafață plană la capătul piesei de prelucrat sau pentru a produce caneluri pentru scaunele inelelor O.
(b) Strunjire conică. Prin deplasarea atât a căruciorului, cât și a glisierei transversale, scula de tăiere se află în unghi, creând astfel o formă cilindrică conică sau conică.
(c) Strunjirea conturului sau profilarea. În loc să treacă scula de tăiere de-a lungul unei căi drepte, aceasta urmează un contur care nu este drept.
(d) Teșire. Scula de tăiere este folosită pentru a tăia un unghi pe colțul piesei de prelucrat, creând o teșitură.
(e) Despărțirea sau tăierea. Similar cu strunjirea frontală, scula de tăiere este introdusă radial în piesa de prelucrat rotativă. De data aceasta, scula este avansată undeva pe lungimea piesei de prelucrat, tăind o bucată de la capătul piesei de prelucrat.
(f) Filetarea. Scula de tăiere este avansată paralel cu axa de rotație la o viteză de avans efectiv mare pentru a crea filete pe suprafața exterioară a piesei de prelucrat rotative. Pentru această operație, scula cu un singur punct are o geometrie care modelează filetul.
(g)Alezarea. Scula de tăiere este avansată paralel cu axa de rotație pe diametrul interior al unei găuri existente în piesa de prelucrat.

Există și alte operații de prelucrare care pot fi efectuate pe un strung cu alte scule decât cea cu un singur punct. Un exemplu este strunjirea formelor, care utilizează o unealtă multipunct special concepută, numită unealtă de formare. Găurirea poate fi efectuată și pe strung folosind un burghiu, care este, de asemenea, o unealtă multipunct.

Mașina de alezat

Similar cu strunjirea, alezarea folosește o sculă cu un singur punct pentru a îndepărta materialul dintr-o piesă de prelucrat rotativă. Însă, alezarea este o operație de strunjire internă, care se efectuează pe diametrul interior al unei găuri existente. În consecință, alezarea poate fi efectuată strunguri așa cum s-a discutat în subsecțiunea anterioară din Fig. 5g. Dar, strungurile au limitări în manipularea piesei grele și/sau necilindrice.

Mașina de alezat poate fi orizontală și verticală, ceea ce se referă la orientarea axei de rotație a arborelui mașinii care asigură mișcarea primară. O mașină de alezat orizontală este prezentată în Fig. 6. Există două configurații posibile în această mașină. Prima configurație este prezentată în Fig. 7a. Similar cu strungul, această configurație montează piesa de prelucrat pe arborele rotativ. Scula de tăiere este atașată la o bară de alezare în consolă, care este montată pe masa de lucru, astfel încât să poată fi introdusă în piesa de prelucrat. Această configurație nu este preferată deoarece bara de alezare trebuie să fie foarte rigidă pentru a evita deformarea și vibrațiile în timpul tăierii. De asemenea, această configurație are încă limitări în manipularea piesei de prelucrat cu diametru mare și grea. A doua configurație este prezentată în Fig. 7b. Similar cu prima configurare, scula este montată pe o bară de alezare. Însă, această bară lungă poate fi sprijinită pe cele două capete ale sale, mărind rigiditatea sculei. Piesa de prelucrat este montată pe masa de lucru, care poate fi deplasată în direcțiile de avans și/sau de avans transversal. Această configurație este mai versatilă, deoarece poate manipula piese mai grele. O operație de strunjire frontală poate fi efectuată pe o mașină de alezat orizontală, utilizând oricare dintre cele două configurații. Dar, necesită un suport special pentru scule, în loc de o bară de alezare.

O mașină de alezat vertical este prezentată în Fig. 8, care este utilizată pentru piesă de prelucrat mare și grea, în general mai mare și mai grea decât cea a mașinii de alezat orizontală. Configurația pentru această mașină este prezentată în Fig. 9. Piesa de prelucrat este montată pe masa de lucru, care este rotită de arbore ce asigură mișcarea primară (mișcarea C'). Scula de tăiere este montată pe capul sculei, care poate fi introdus fie perpendicular (mișcare Z) fie paralel (mișcare X) pe axa de rotație a piesei de prelucrat. Strunjirea frontală pe suprafața superioară a piesei de prelucrat se poate face și cu această mașină.

Mașină de mortezat (șeping)

Mașina de mortezat este utilizată pentru a obține suprafețe prelucrate plate. Un șeping orizontal este prezentat în Fig. 10. Scula cu un singur punct este atașată pe capul sculei, care este montat la capătul berbecului. Mecanismul de legătură cu berbec asigură mișcarea liniară primară (mișcarea X) a capului sculei, așa cum se arată în Fig. 11. Cursa directă a mecanismului efectuează tăierea, în timp ce cursa de întoarcere ridică ușor scula pentru a asigura curățarea și apoi inițializează următoarea trecere. Manivela mecanismului poate fi acționată fie mecanic, fie hidraulic. Pentru a minimiza timpul total de prelucrare, mecanismul este proiectat pentru a produce o viteză mai mare pe cursa de întoarcere decât pe cursa directă. Lungimea cursei poate fi ajustată pentru a obține geometria de prelucrare dorită. La finalizarea fiecărei curse de întoarcere, masa de lucru, pe care este montată piesa de prelucrat, este deplasată lateral (mișcare -Y') pentru a facilita următorul ciclu de tăiere. Înălțimea mesei de lucru poate fi reglată pentru a modifica adâncimea de tăiere. Mecanismul de tăiere al șepingului orizontal este prezentat în Fig. 12. Avansul mașinilor de mortezat este definit în mm/cursă.

O mașină de mortezat verticală, numită și mașină de broșat, este prezentată în Fig. 13. Configurația mașinii și mecanismul de tăiere, prezentate în Fig. 14, sunt similare cu cele ale mașinii orizontale, cu excepția orientării mișcării primare. Mecanismul de berbec al acestei mașini oferă curse verticale înainte și înapoi sculei de tăiere (mișcare Z). Astfel, această mașină este folosită pentru a produce suprafețe verticale plane.

Mașină de rabotat (raboteză)

Mașina de mortezat este nepotrivită pentru generarea de suprafețe plane pe piese de prelucrat foarte mari din cauza limitărilor asupra cursei și a proeminenței mecanismului piston. Această problemă este rezolvată în mașina de rabotat prin aplicarea mișcării primare liniare piesei de prelucrat (mișcarea X'), în locul sculei. O mașină de rabotat cu două coloane este prezentată în Fig. 15. Capul sculei este montat pe șină transversală, ceea ce facilitează mișcarea de avans intermitentă adecvată (mișcare Y). Coloana susține această traversă. Fiecare coloană are o șină de avans, care facilitează mișcarea verticală (mișcare Z) care controlează adâncimea de tăiere. Un cap de sculă lateral, care se deplasează de-a lungul coloanei verticale, poate fi instalat dacă este necesară prelucrarea părții laterale a piesei de prelucrat. Mai multe (mai mult de două) capete de scule pot fi montate fie pe șină transversală, fie pe coloană pentru a permite tăieturi multiple la fiecare trecere. Mecanismul de tăiere al rabotezei este prezentat în Fig. 16.

Mașini cu scule multipunct

O sculă de tăiere multipunct are o serie de două sau mai multe muchii de tăiere. Aceste scule au o varietate de modele care depind de mașini-unelte și de procesul de prelucrare, dintre care majoritatea vor fi tratate în această secțiune. Însă, termenii geometrici, cum ar fi unghiurile și suprafețele rake și flank, definiți mai devreme pentru unealta cu un singur punct sunt încă aplicabili pentru fiecare muchie de tăiere a unei scule multipunct. Acțiunea de tăiere într-un punct selectat pe o muchie de tăiere care cuplează piesa de prelucrat la un moment dat este, de asemenea, aceeași. Majoritatea sculelor multipunct trebuie rotite. Astfel, ele au fie o coadă conică fie paralelă (cilindrice) pentru a fi fixate, fie un orificiu prin care poate fi introdus un arbore sau un ax.

Mașina de găurit

Cea mai comună formă de mașină de găurit este burghiul de banc prezentat în Fig. 17. După cum sugerează și numele, această mașină este în mod normal fixată cu șuruburi pe un banc. Menținerea lucrării se realizează în mod normal prin prinderea piesei de prelucrat într-o menghină, dispozitiv de fixare sau jig pe masa de lucru sau pe bază. Masa de lucru poate fi mutată în sus și în jos pe coloana verticală și apoi prinsă la înălțimea preferată.

Scula de tăiere este montată în mod normal pe o mandrină cu trei fălci, care este rotită de ax ca mișcare primară (mișcare C). Mandrina poate fi deplasată manual în sus și în jos printr-un mâner de avans prin intermediul unui mecanism cu cremalieră și pinion, care asigură mișcarea continuă de avans (mișcare Z). Piesa de prelucrat este întotdeauna menținută staționară în timpul fiecărui ciclu de prelucrare. Pe un burghiu de banc din Fig. 17, piesa de prelucrat trebuie deplasată manual pentru a găuri alte locații.

Găurirea se realizează de obicei folosind un burghiu elicoidal pentru a genera o suprafață cilindrică internă. Un exemplu de proces de tăiere cu burghiu elicoidal este prezentat în Fig. 18. Această sculă de tăiere are în mod normal două muchii de tăiere, fiecare dintre acestea îndepărtând în mod ideal o cantitate egală de material din piesa de prelucrat. Găurirea folosind sculele prezentate aici poate fi efectuată și pe un strung. Diferența este că la strung, mișcarea de rotație primară este furnizată piesei de prelucrat, în timp ce unealta este introdusă în piesa de prelucrat.

Pentru comoditate, viteza de tăiere V în găurire este, în general, definită în mm/min ca viteza la diametrul exterior al burghiului elicoidal:

V = πDN

unde D este diametrul burghiului elicoidal în mm și N este viteza de rotație a arborelui în rotații/min. Este definită astfel pentru comoditate, deși multe procese de tăiere au loc și la viteză mai mică, aproape de axa de rotație a sculei. Viteza de tăiere este zero la vârful burghiului elicoidal, care este sub forma unei margini scurte de daltă. La găurirea unei noi găuri, această margine de daltă trebuie să-și forțeze trecerea prin piesa de prelucrat, rezultând o stare proastă de tăiere. Dar, deoarece această zonă de contact va fi îndepărtată, are un efect redus asupra calității găurii produse de muchiile tăietoare. Așchiile îndepărtate de muchiile tăietoare iau o formă elicoidală și se deplasează în sus pe canelurile elicoidale.

Avansul f în găurire este specificat în mm/rot. Timpul de prelucrare este dat de

tm = L/Nf

unde L este distanța parcursă de scula de tăiere în mm. Rata de îndepărtare a materialului (MRR) poate fi obținută prin înmulțirea ariei secțiunii transversale a orificiului produs cu viteza de avans:

MRR = (π /4) D_m²fN

unde Dm este diametrul suprafeței prelucrate în mm. Dacă o gaură existentă cu diametrul Do urmează să fie mărită:

MRR = (π /4) (D_m² – D_o²) fN

Mai multe alte operațiuni de prelucrare pot fi efectuate pe o mașină de găurit. Cele mai comune sunt ilustrate în Fig. 19:

(a) Alezarea. Scula de tăiere, alezorul, este asemănător cu un burghiu, dar are mai multe muchii de tăiere cu caneluri drepte sau elicoidale. Este destinat să îndepărteze o cantitate mică de material din piesa de prelucrat, dar îmbunătățește acuratețea și finisarea suprafeței unei găuri forate anterior.
(b) Zencuire. Zencuirea oferă o gaură în trepte, în care o gaură cu diametru mai mare urmează concentric pe una cu diametru mai mic. O gaură zencuită este utilizată pentru a așeza capetele șuruburilor într-o gaură, astfel încât capetele să nu iasă deasupra suprafeței.
(c) Adâncirea. Acest proces este similar cu zencuirea, dar o gaură înfundată este în formă de con pentru a așeza șuruburile și bolțurile cu cap plat.
(d) Găurire centrală. Acest proces se mai numește și centrare, care este pentru a produce o gaură conică mică, cu spațiu liber în partea de jos. Acest orificiu central poate ghida găurirea ulterioară pentru a preveni rătăcirea vârfului burghiului pe măsură ce gaura este pornită.
(e) Prelucrarea suprafeţei de reazem a suprafeţelor frontale. Este destinat să asigure o suprafață plană în jurul capătului unei găuri, care este perpendiculară pe axa acesteia. Această suprafață plană este folosită pentru a așeza o șaibă sau o piuliță.

Pentru a găuri multe găuri pe piese grele de prelucrat folosind burghie mai mari, se utilizează în mod normal o mașină de găurit cu braț radial, prezentată în Fig. 20. Piesa de prelucrat este situată pe baza mașinii. Capul de găurire si motorul pot fi pozitionate de-a lungul unui brat. În plus, acest braț poate fi poziționat de-a lungul coloanei verticale și balansat într-un plan orizontal în jurul coloanei, permițând sculei să atingă o distanță semnificativă.

Tarozi și filiere

Filetele interne de șurub pe un orificiu existent sunt produse prin filetare. Un tarod este o unealtă de filetare cu mai mulți dinți de tăiere, așa cum se arată în Fig. 21. Fiecare muchie de tăiere îndepărtează un strat mic de material pentru a forma filet. Filetul complet format de tarod servește la îndepărtarea așchiilor. Similar procesului de găurire, operația de filetare este realizată prin furnizarea de mișcări de avans primare și liniare rotative fie pe scula de tăiere, fie pe piesa de prelucrat. Astfel, această operațiune se poate face pe o mașină de găurit sau, respectiv, pe un strung. Cu toate acestea, deoarece majoritatea operațiunilor de filetare necesită viteză de rotație mică, acestea sunt adesea efectuate manual, în care tarodul este atașat la o cheie de tarod cu mâner în T, fie printr-o mandrină, fie printr-un gripper, așa cum se arată în Fig. 22.

O filieră este prezentată în Fig. 23. Are aceeași acțiune de tăiere ca un tarod, dar este concepută pentru a produce filete externe pe o suprafață cilindrică. Majoritatea acestor operațiuni sunt efectuate și manual. Cheia pentru filieră este prezentată în Fig. 24. Dar, filetarea exterioară folosind o filieră poate fi efectuată pe un strung, în care păpușa mobilă este înlocuită cu o turelă care ține scula de tăiere (adică filiera).

Mașină de frezat

Frezarea este considerată cel mai versatil proces de prelucrare capabil să producă diferite forme tridimensionale. La frezare, rotația sculei de tăiere multipunct, care este mișcarea primară, are o axă care este perpendiculară pe direcția mișcării de avans. Aceasta este o distincție principală a acestui proces față de găurire. Scula de tăiere în frezare se numește freză. Muchiile de tăiere se numesc dinți, care pot fi fie o prelungire solidă a frezei, fie inserții indexabile atașate la corpul tăietor. Frezarea este un proces de tăiere întrerupt, așa cum este dezvăluit de așchiile scurte generate. Dimpotrivă, procesele de prelucrare descrise anterior sunt destul de continue care produc așchii lungi. Astfel, materialul și proprietățile geometrice ale frezelor urmează să fie proiectate pentru a rezista la cicluri repetitive de forțe de impact și șocuri termice.

Pe baza orientării frezei în raport cu suprafața prelucrată, operațiunile de frezare pot fi clasificate ca frezări periferice și frontale, care sunt prezentate în Fig. 25. La frezarea periferică, axa sculei este paralelă cu suprafața prelucrată. La frezarea frontală, axa sculei este perpendiculară pe suprafața prelucrată.

Pe baza direcției mișcării de avans în raport cu rotația sculei de tăiere, operațiunile de frezare pot fi clasificate ca frezare în sus și în jos, care sunt prezentate în Fig. 26. În frezarea în sus, cunoscută și sub denumirea de frezare convențională, la tăierea piesei de prelucrat, mișcarea dinților este în direcția opusă mișcării de avans. În frezarea în jos, cunoscută și sub denumirea de frezare în sensul avansului, mișcarea dinților este în aceeași direcție cu mișcarea de avans în timpul tăierii. În consecință, așchia formată la frezarea în sus crește în grosime, în timp ce cel la frezarea în jos se reduce pe toată durata tăierii. În ciuda exagerării din Fig. 26, așchia de frezare în sus este mai lungă decât cea de frezare în jos (Groover 2007).

Mașinile de tip coloană-și-genunchi sunt cele mai frecvent utilizate pentru frezarea de uz general. Aici „coloană” și „genunchi” se referă la cele două componente principale ale acestor mașini. Acestea pot fi clasificate ca mașini de frezat orizontale sau verticale, în funcție de orientarea axului principal. Categorizările menționate mai sus ale operațiunilor de frezare din Fig. 25 și 26 rămân valabile pentru aceste două mașini. O mașină de frezat orizontală este prezentată în Fig. 27. Componentele cheie ale acestei mașini, care îndeplinesc aceleași funcții ca și cele ale mașinilor de frezat verticale sunt:

• Masa de lucru, pe care este montată piesa de prelucrat. Masa de lucru se deplasează longitudinal față de cărucior.
• Căruciorul, care susţine masa. Căruciorul se mișcă transversal.
• Genunchiul, care susține căruciorul. Genunchiul se mișcă vertical pentru a regla adâncimea de tăiere.
• Coloana, care susține axul.
• Capul, care conține sistemul de transmisie (de exemplu, curele și scripeți) de la motorul axului la nasul axului.

Arborele este un arbore care susține freza și este antrenat de ax. Dacă este necesar, unele distanțiere pot fi montate pe arbore pentru a separa două sau mai multe freze. Brațul este pentru a sprijini arborele. Pentru o mașină de frezat orizontală, masa asigură mișcarea X’, căruciorul asigură mișcarea Z’, iar genunchiul asigură mișcarea Y’.

Mașina de frezat orizontală este potrivită pentru frezarea periferică. Pe această mașină pot fi efectuate mai multe procese legate de frezarea periferică, bazate pe dimensiunea și poziția frezei față de piesa de prelucrat. Operațiile, în care mișcarea de avans este fie spre sau dinspre hârtie, sunt prezentate în Fig. 28:

(a) Frezarea plană. Aceasta este cea mai simplă formă de frezare periferică, pe care lățimea sculei se extinde dincolo de ambele părți ale piesei de prelucrat.
(b) Frezare laterală. Freza, care poate fi mai lată, sau mai îngustă decât piesa de prelucrat, este utilizată pentru prelucrarea laterală a piesei de prelucrat.
(c) Frezarea fantelor. Freza, care este mai îngustă decât piesa de prelucrat, este folosită pentru a crea o fantă în piesa de prelucrat. Dacă se folosește o freză subțire pentru a tăia piesa de prelucrat în două, procesul se numește frezare ferăstrău.
(d) Frezarea concomitentă. Acest proces este același cu frezarea laterală, dar două freze sunt utilizate în același timp pentru a tăia ambele părți ale piesei de prelucrat.

Forma frezei determină forma suprafeței prelucrate, care este denumită ca frezarea formei. Diverse forme de freze care pot fi montate pe arborele unei mașini de frezat orizontal sunt prezentate în Fig. 29. Freza cilindrică din Fig. 29a este potrivită pentru a crea suprafețe plane, freza unghiulară din Fig. 29b este potrivită pentru a crea suprafețe unghiulare (de ex., teșituri și danturi), moara convexă din Fig. 29c este potrivită pentru a crea suprafețe concave, iar freza concavă din Fig. 29d este potrivită pentru a crea suprafețe convexe.

Viteza de tăiere V pentru frezare în mm/min este viteza periferică a frezei, care este definită ca

V = πDN

unde D este diametrul morii în mm și N este viteza de rotație a axului în rotații/min. Avansul f la frezare este definit de obicei în avans/dinte, care reprezintă dimensiunea așchiei îndepărtată de fiecare dinte măsurată paralel cu direcția de avans (adică sarcina așchiei). Relația dintre avans/dinte și viteza de avans fr, care este viteza liniară a piesei de prelucrat în mm/min, este definită ca

fr = Nnf

unde n este numărul de dinți.

Timpul de prelucrare al unei piese de prelucrat cu lungimea L în mm trebuie să ia în considerare distanța parcursă de freză înainte de a se angaja complet în piesa de prelucrat. Pentru o frezare plană cu adâncimea d în mm, așa cum se arată în Fig. 30, distanța de la centrul frezei pentru a ajunge la cea mai apropiată margine a piesei de prelucrat este dată de

Astfel, timpul de prelucrare este

tm = (l +L)/fr

Viteza de îndepărtare a materialului la frezare este determinată de produsul dintre aria secțiunii transversale prelucrate și viteza de avans. Pentru frezarea plană din Fig. 30, care taie o piesa de prelucrat cu lățimea w în mm, rata de îndepărtare a materialului (MRR) este definită ca

MRR = wdfr

Este important ca formularea MRR să neglijeze intrarea inițială a frezei înainte de angajarea completă cu piesa de prelucrat, deoarece se bazează pe presupunerea că l este mult mai mic decât L, ceea ce, în general, nu este adevărat. Această ecuație poate fi aplicată celorlalte operațiuni de frezare prin efectuarea ajustării corespunzătoare în calculul ariei secțiunii transversale prelucrate.

O mașină de frezat verticală de tip coloană și genunchi este prezentată în Fig. 31. Tabelul oferă mișcarea X’, căruciorul asigură mișcarea Y’, iar genunchiul asigură mișcarea Z’. Similar cu omologul său orizontal, aceste grade de libertate permit prelucrarea suprafețelor orizontale, verticale și înclinate.

Mașina de frezat verticală este potrivită pentru frezarea frontală. Mai multe procese legate de frezarea frontală, care pot fi efectuate pe această mașină, sunt prezentate în Fig. 32:

(a) Frezarea frontală convențională. În acest proces, diametrul frezei este mai mare decât lățimea piesei de prelucrat.
(b) Frezarea în trepte. Freza se suprapune pe partea laterală a piesei de prelucrat pe care are loc prelucrarea. Prin urmare, acest proces creează o caracteristică în trepte.
(c) Frezarea la capăt. Diametrul frezei este mai mic decât lățimea piesei de prelucrat, creând o fantă în piesa de prelucrat.
(d) Frezarea profilului. Periferia frezei este utilizată pentru prelucrarea periferiei exterioare a piesei de prelucrat. Spre deosebire de cele trei procese de frezare anterioare, capătul frezei nu atinge piesa de prelucrat.
(e) Frezare cavitate. Aceasta este un derivat al frezării la capăt, în care freza de cap este folosită pentru a freza cavități de mică adâncime.
(f) Conturarea suprafeței. Acest proces folosește o freză cu capăt sferic sau cu vârf sferic pentru a prelucra suprafețe tridimensionale (Dhupia și Girsang 2012). Pentru a face acest lucru, această freză de capăt este avansată în raport cu piesa de prelucrat printr-o cale curbilinie la intervale apropiate.

Sculele de tăiere pentru mașina de frezat verticală vin în diverse forme și configurații. Fiecare sculă este special concepută pentru a optimiza o operație specifică de frezare pe anumite materiale. O freză frontală din Fig. 33 constă dintr-un corp de tăietor și inserții înlocuibile. Inserțiile acționează ca muchii de tăiere pentru a fi montate pe corpul tăietorului. Pentru frezarea frontală convențională, prelucrarea are loc mai ales la capătul frezei. Pentru a minimiza timpul total de prelucrare, unele corpuri de tăiere au un diametru mare și pot găzdui până la 10 sau 12 inserții. Freza cu muchie lungă din Fig. 34 este optimizată pentru a efectua operațiuni de frezare în trepte și profil. Modelul acestei freze este în contrast cu cel al frezei frontale, deoarece cea mai mare parte a prelucrării acestui proces are loc la muchiile așchietoare de la periferia frezei. Frezele de capăt solide, cum sunt prezentate în Fig. 35a, sunt versatile deoarece frezele pot fi folosite pentru a efectua aproape toate operațiunile de frezare frontală menționate anterior. Însă, din cauza considerentelor de proiectare și costuri, astfel de freze nu vin în general în dimensiuni mari. Frezele cu capăt pătrat și cele cu bile sunt cele două cele mai frecvent utilizate freze de capăt. Frezele indexabile, prezentate în Fig. 35b, sunt alternative mai ieftine pentru frezele de capăt solide, care sunt specializate pentru operațiuni de frezare.

Posibilele mișcări relative între freză și piesa de prelucrat în operația de frezare frontală sunt prezentate în Fig. 36. Se obișnuiește să se permită o anumită distanță l în mm pentru ca freza să se apropie de piesa de prelucrat și o anumită distanță k în mm pentru ca freza să părăsească piesa de prelucrat. În ambele mișcări posibile, k = l. Prima mișcare este atunci când freza este centrată pe suprafața prelucrată dreptunghiulară. Astfel, așa cum se arată în Fig. 36a

k = l = D/2

A doua este atunci când freza se suprapune pe o parte a piesei de prelucrat. După cum se arată în Fig. 36b

Pentru oricare dintre mișcări, timpul de prelucrare este dat de

tm = (2l + L)/fr

Pe lângă mașinile de frezat tip coloană și genunchi, există mașini de frezat tip-pat și tip-raboteză potrivite pentru piese mai mari și rate de producție mai mari. La mașinile de tip-pat, masa de lucru este montată direct pe bază sau pat. Astfel, nu există genunchi și piesa de prelucrat poate fi deplasată doar în direcția longitudinală. Dar, aceste mașini au o rigiditate ridicată, permițând viteze de avans și adâncimi de tăiere mai mari; deci, rate mai mari de îndepărtare a materialului. Mașinile de tip pat cu un singur ax sunt numite freze simplex, iar axul poate fi orizontal sau vertical. Mașinile de tip pat cu două axe se numesc freze duplex, iar cele cu trei axe se numesc, în mod înțeles, freze triplex. Mai multe axe permit prelucrarea simultană a două sau trei suprafețe ale piesei de prelucrat. Frezele de tip planar sunt similare cu cele de tip pat, dar pentru piesa de prelucrat chiar mai mare și o rată de producție mai mare. Aspectul lor general seamănă cu cel al mașinii de rabotat prezentată în Fig. 15, dar pentru frezare în loc de rabotare. În consecință, unul sau mai multe axe pentru freze sunt montate în locul capetelor de scule pentru scule cu un singur punct.

Mașină de broșat

Mașina de broșat folosește o broșă, care este o unealtă de tăiere multipunct care este mișcată liniar în raport cu piesa de prelucrat în direcţia axei broşei. Piesa de prelucrat este ținută staționară pe tot parcursul procesului de prelucrare. Majoritatea mașinilor de broșat pot fi clasificate ca mașini orizontale sau verticale în funcție de axa sculei, de-a lungul căreia se află direcția mișcării primare a sculei. O mașină de broșat verticală alimentată manual sau o presă de broșare, este prezentată în Fig. 37. Pentru rate de producție mai mari și materiale mai dure, sunt utilizate în mod normal mașinile de broșare alimentate hidraulic. Este prezentat mecanismul unui proces de broșare în fig. 38.

Broșarea este utilizată cel mai adesea pentru prelucrarea canalelor de pană. O varietate de caracteristici pot fi prelucrate prin broșare internă sau externă. Broșarea exterioară se realizează pe suprafața exterioară a piesei de prelucrat. Broșarea interioară este pentru a prelucra suprafața interioară a unei găuri. Pentru broșarea interioară, trebuie să existe o gaură de pornire, astfel încât broșa să poată fi introdusă. Câteva caracteristici posibile ale broșării interioare sunt prezentate în Fig. 39. Caracteristici similare pot fi aplicate și pe suprafața exterioară.

La broșare, avansul f este asigurat prin eșalonarea dinților pe broșă, în care fiecare dinte îndepărtează un strat subțire de material sau tăiat pe dinte. Deoarece suprafața prelucrată este de obicei produsă în timpul unei treceri a sculei, timpul de prelucrare tm în min este dat de

tm = LV

unde L este lungimea broșei în mm și V este viteza broșei în mm/min.

Mașină cu disc de șlefuit

Șlefuirea este un proces de îndepărtare a materialului care utilizează un disc care conține particule abrazive. Fiecare mașină de șlefuit are un ax care se rotește cu viteză mare și pe care este montat discul de șlefuit. Axul este susținut de rulmenți și montat într-o carcasă. Acest ansamblu se numește cap de disc. Discul de șlefuit are de obicei formă de disc, deși vine și în formă de cupă. Pe lângă particulele abrazive, discul constă și din material de lipire care ține particulele în loc și stabilește forma și structura discului. O proprietate interesantă a discului de șlefuit este că se auto-ascute. Pe măsură ce discul se uzează, particulele abrazive devin tocite. Atunci, aceste particule tocite fie se fracturează creând muchii tăietoare proaspete, fie sunt scoase de pe suprafața discului expunând noi granule.

Discurile de șlefuit sunt rareori utilizate în tăierea brută, unde rata de îndepărtare a materialului este factorul important. Sunt mai frecvent utilizate pentru finisarea pieselor, care au fost deja prelucrate prin alte operațiuni. În această etapă, finisarea suprafeței rezultată este criteriul. Discurile de șlefuit sunt, de asemenea, folosite în camerele de scule pentru a forma geometriile sculelor de tăiere. În această secțiune sunt discutate patru mașini de șlefuit majore, pe baza orientării piesei de prelucrat și a discului de șlefuit.

Mașină de șlefuit de suprafață

Șlefuirea de suprafață este utilizată în mod normal pentru șlefuirea suprafețelor plane, folosind fie periferia, fie fața plată a discului de șlefuit. Piesa de prelucrat este în mod normal ținută orizontală, iar mișcarea relativă a piesei de prelucrat este realizată fie prin mișcarea alternativă a piesei de prelucrat, fie prin rotirea acesteia. În Fig. 40 sunt prezentate patru combinații posibile de orientări ale discului și mișcări ale piesei de prelucrat.

O mașină de șlefuit cu ax orizontal cu masă alternativă, prezentată în Fig. 41, este cea mai comună mașină de șlefuit. Axul orizontal asigură mișcarea primară (mișcarea C). Alternarea mesei de lucru, pe care este montată piesa de prelucrat (mișcare X'), asigură mișcarea de avans. Această mișcare se numește mișcare transversală. Mai mult, mișcările de avans pot fi aplicate fie prin mișcarea discului pe verticală față de coloană (mișcarea Y), care este cunoscută sub numele de mișcare de avans, fie prin deplasarea mesei de lucru paralel cu axul mașinii (mișcarea Z'), care este cunoscută ca mișcare de avans încrucișată. Mișcarea de avans încrucișată a acestei mașini este intermitentă, aplicată după fiecare trecere a mișcării de avans a mesei. Definiția acestor mișcări pentru alte operațiuni de șlefuire a suprafeței este prezentată în Fig. 40.

Există două operații de șlefuire bazate pe mișcarea relativă a discului în raport cu suprafața prelucrată, așa cum se arată în Fig. 42. Operația de șlefuire transversală este atunci când discul este avansat paralel cu suprafața prelucrată. Operația de șlefuire în adâncime este atunci când discul este avansat perpendicular pe suprafața prelucrată. Șlefuirea în adâncime se aplică în mod normal folosind un disc de șlefuit format pentru a conferi forma discului de șlefuit pe piesa prelucrat.

Masa rotativă înlătură necesitatea mișcării transversale. Masa rotativă este mai frecvent cuplată cu axul vertical, deoarece această configurație poate obține rate mai mari de îndepărtare a materialului datorită suprafeței relativ mai mari dintre disc și piesa de prelucrat. Un exemplu al acestei mașini este prezentat în Fig. 43.

Mașină de șlefuit cilindric

Slefuirea cilindrică este utilizată în mod normal pentru șlefuirea suprafețelor cilindrice. Suprafața poate fi o suprafață externă, sau o suprafață internă, așa cum se arată în Fig. 44. O mașină de șlefuit cilindric o suprafață exterioară este prezentată în Fig. 45. Piesa de prelucrat cilindrică este susținută și rotită între păpușa fixă și păpușa mobilă. Acest ansamblu este montat pe o masă de lucru care este oscilată orizontal (mișcare Z'). Această masă oferă mișcarea transversală. Păpușa fixă oferă piesei de prelucrat viteză de rotație mică (mișcare C'). Axa capului discului este orizontală, paralelă cu axa piesei de prelucrat. Capul discului oferă viteză mare de rotație discului de șlefuit (mișcare C). Mișcarea poate fi aplicată capului discului în direcția normală pe axa piesei de prelucrat (mișcarea X), care este mișcarea de avans. Pentru această mașină, operația de șlefuire transversală mișcă capul discului perpendicular pe axa piesei de prelucrat, rezultând piesa de prelucrat cu rază sau grosime mai mică, așa cum se arată în Fig. 44a. În schimb, operația de șlefuire în adâncime formează o canelură pe suprafața exterioară a piesei de prelucrat, deoarece discul este deplasat numai în direcția de avans fără nicio mișcare transversală.

O mașină de șlefuit cilindric o suprafață internă este prezentată în Fig. 46. Este proiectată pentru a produce o suprafață cilindrică internă. Capul discului susține un ax orizontal, pe care este montat un disc de șlefuit cilindric relativ mic. Pentru a se adapta la diametrul mic al discului, axul trebuie să se rotească cu viteză foarte mare (mișcare C). Mișcarea alternativă poate fi furnizată capului discului paralel cu axa axului (mișcare Z), care acționează ca mișcare transversală. Mișcarea orizontală poate fi aplicată și pe capul discului normal la axa axului (mișcarea X), care este mișcarea de avans. Piesa de prelucrat este montată într-o mandrină și rotită de păpușa fixă cu viteză mică (mișcare C'). Pentru această mașină, operația de șlefuire transversală mișcă capul discului perpendicular pe axa piesei de prelucrat, rezultând piesa de prelucrat cu grosime mai mică (adică, rază internă mai mare). Operația de șlefuire în adâncime, care nu are mișcare transversală, formează o canelură internă în piesa de prelucrat.

Mașină de șlefuit fără centre

Această mașină este o alternativă pentru șlefuirea suprafețelor cilindrice externe și interne. Principala diferență este că piesa de prelucrat nu este ținută între centre (adică, această mașină nu are păpușă fixă, nici păpușă mobilă). Acest lucru duce la reducerea timpului de manipulare a lucrărilor, ceea ce promovează această mașină pentru rate de producție ridicate. O mașină de șlefuit exterioară fără centre este prezentată în Fig. 47. Configurația sa, din vedere de capăt și laterală, este prezentată în Fig. 48. Pe lângă un disc de șlefuit, are o rolă de reglare, care se rotește cu o viteză mult mai mică. Această rolă poate fi ușor înclinată la un anumit unghi θ pentru a controla avansul continuu al piesei de prelucrat, care se sprijină pe o lamă. Avansul continuu f în mm/min poate fi estimat ca (Kalpakjian și Schmid 2010)

f = πDrNr sin θ

unde Dr și Nr sunt respectiv diametrul în mm și viteza de rotație în rotații/min a rolei de reglare.

Configurația unei mașini de șlefuit intern fără centre tipice este prezentată în Fig. 49. În loc de o lamă de sprijin, o rolă de susținere și o rolă de sprijin sunt folosite pentru a menține poziția piesei de prelucrat. Poziția rolei de susținere poate fi ajustată pentru a se adapta la dimensiunea piesei de prelucrat. Rola de reglare este înclinată la un unghi mic de înclinare pentru a controla avansul piesei de prelucrat. Pentru această mașină, nu este posibil avansul continuu al piesei de prelucrat, deoarece un capăt este ocupat de capul discului.

Mașină de șlefuit cu avans fluent

Mașina de șlefuit cu avans fluent are aceeași configurație exactă ca cele din Fig. 41 și 45. Astfel, se poate aplica atât în șlefuiri de suprafață cât și în cilindrice exterioare. Șlefuirea cu avans fluent permite prelucrarea la adâncimi de tăiere foarte mari, de la 1.000 la 10.000 de ori mai mari decât în ​​cazul șlefuirii convenționale de suprafață. Însă, pentru a se adapta la astfel de adâncimi, șlefuirea se realizează la viteze de traversare foarte mici, reduse cu aproximativ aceeași proporție cu adâncimile de tăiere; prin urmare, este denumită șlefuire cu „avans fluent”.

Centre de prelucrare

Mașinile-unelte din discuțiile precedente sunt concepute pentru a efectua tipuri limitate (de multe ori doar unul) de operațiuni, fie manual, fie cu un anumit nivel de automatizare. Însă, fabricarea produselor sau a pieselor necesită, de obicei, diferite operații de prelucrare consecutive, cum ar fi frezarea, găurirea sau filetarea, pe diferite suprafețe. Niciuna dintre mașinile-unelte descrise până acum nu este capabilă să producă individual astfel de piese. Într-un atelier de producție extrem de automatizată, acele piese sunt realizate prin transferul lor printr-o linie de transfer, în care un număr de mașini-unelte sunt aranjate în succesiune. Piesele sunt transferate de la o mașină unealtă la alta până la finalizarea tuturor operațiunilor necesare. Această metodologie este utilizată în mod obișnuit în producțiile de volum mare.

Pentru unele tipuri de produse și în anumite situații, cum ar fi tipul de produse care se schimbă rapid, liniile de transfer prescrise cu mașini-unelte dedicate nu sunt fezabile sau economice. Pentru a rezolva această problemă, centrele de prelucrare au fost introduse la sfârșitul anilor 1950. Un centru de prelucrare este o mașină-uneltă extrem de automatizată, capabilă să efectueze mai multe operații de prelucrare pe diferite suprafețe și de-a lungul aproape a tuturor direcțiilor unei piese de prelucrat. Automatizarea de nivel înalt este realizată în general prin control numeric computerizat (CNC).

Câteva caracteristici cheie ale centrelor de prelucrare sunt schimbarea și poziționarea automată a sculelor și a plăcii transportorului. Fiecare centru de prelucrare este echipat cu un depozit de scule, care în general poate primi mai mult de 15 scule de tăiere. Fiecare sculă este montată pe propriul suport de scule și echipată cu o anumită identificare (de exemplu, cod de bare, cod etichetă și cip de memorie). Scula de tăiere trebuie schimbată astfel încât în ​​cadrul acestui centru fie să poată fi folosită o unealtă cu dimensiuni diferite, fie să poată fi efectuată o operație de prelucrare după alta. Schimbarea sculei și atașarea la ax se realizează automat de către brațul de schimb al sculei, așa cum se arată în Fig. 50. În plus, unele centre de prelucrare sunt echipate cu mai mult de o placă transportor, pe care piesa de prelucrat este plasată într-un centru de prelucrare. Plăcile transportoare multiple cu schimbare automată permit mașinistului să descarce piesa prelucrată și să încarce piesa următoare în timp ce piesa curentă este prelucrată. Atât la schimbarea sculei, cât și la schimbarea plăcilor transportoare, unealta de tăiere este poziționată automat în raport cu piesa de prelucrat. Centrele de prelucrare sunt în general echipate cu palpatoare, care pot fi încărcate în ax, pentru a determina suprafețele de referință ale piesei de prelucrat sau pentru a inspecta online suprafețele prelucrate. Unele centre de prelucrare sunt, de asemenea, echipate cu senzori pentru monitorizare, cum ar fi pentru a indica dacă sculele sunt uzate sau pentru a monitoriza forța și vibrațiile suportate de ax.

Centrele de prelucrare pot fi clasificate ca centre de prelucrare verticale, orizontale sau universale, pe baza orientării axului. Centrele de prelucrare verticale și orizontale utilizează în mod obișnuit scule de tăiere multipunct rotative, cum ar fi găurirea și frezarea. Centrele de prelucrare verticale sunt potrivite pentru a prelucra suprafețe superioare plane și cavități adânci pe o piesă de prelucrat. Centrele de prelucrare orizontale sunt potrivite pentru prelucrarea unui număr de suprafețe pe partea laterală a piesei de prelucrat. Un alt tip de centru de prelucrare orizontal este centrul de strunjire, care este un strung controlat numeric cu mai multe turele (de exemplu, depozitarea sculelor) și mai multe capete orizontale de ax, așa cum se arată în Fig. 51. Acest centru de prelucrare este specializat în efectuarea diferitelor operațiuni legate de strunjire, așa cum este ilustrat în Fig. 5. Centrele de prelucrare universale sunt echipate atât cu axuri verticale, cât și orizontale, care sunt capabile să prelucreze toate suprafețele piesei de prelucrat, deoarece axul poate fi rotit la orice unghi între orizontală și verticală, așa cum se arată în Fig. 52.