27.5 Formarea bavurii

Un alt aspect al calității suprafeței care este în mod normal discutat și văzut în practică este formarea bavurilor. Bavura este definită ca deformarea plastică a materialului produsă la marginile piesei de prelucrat ca urmare a procesului de prelucrare sau forfecare (Gillespie 1999). Existența bavurilor pe piesa de prelucrat poate cauza probleme legate de acuratețea dimensională, finisarea suprafeței, ușurința asamblării pieselor și, în plus, crește costul și timpul de producție pentru debavurare (Chern 2006). Schaller şi colab. (1999) au sugerat că selecția corectă a parametrilor de prelucrare, calitatea și duritatea muchiei de tăiere, fluidul de tăiere și, de asemenea, proprietățile materialelor piesei de prelucrat sunt câțiva factori care afectează dimensiunile bavurilor. În general, dimensiunile bavurilor, în special cele produse în micro-prelucrare, sunt greu de cuantificat în principal din cauza limitării echipamentelor de metrologie. O metodă utilizată în mod obișnuit pentru măsurarea bavurilor este metoda palpatorului. Însă, această metodă este potrivită doar pentru măsurarea înălțimii bavurilor (Aurich et al. 2009).
Another aspect of surface quality that is normally discussed and seen in practice is burr formation. Burr is defined as the material plastic deformation produced at workpiece edges as a result of the machining or shearing process (Gillespie 1999). The existence of burrs on the workpiece may cause problems related to the dimensional accuracy, surface finish, ease of parts assembly, and furthermore increase the cost and time production for deburring (Chern 2006). Schaller et al. (1999) suggested that proper selection of machining parameters, quality and sharpness of cutting edge, cutting fluid and also material properties of the workpiece are several factors affecting the burr dimensions. In general, the burr dimensions especially those produced in micro-machining are difficult to quantify mainly due to the limitation of metrology equipment. One method that is commonly used to measure burr is the stylus method. However this method is only suitable to measure burr heights (Aurich et al. 2009).

Conform lui Gillespie (1999), există șase procese fizice care formează bavuri: curgerea laterală a materialului care are loc ori de câte ori un solid este comprimat, îndoirea materialului, ruperea așchiilor din piesa de prelucrat, redepunerea materialului, tăierea incompletă și curgerea materialului. în crăpături. Hashimura și colab. (1999) au clasificat bavurile la frezarea frontală în funcție de locațiile bavurilor, formele bavurilor și mecanismele de formare a bavurilor. Bavurile de ieșire sunt definite ca bavuri atașate la suprafața prelucrată de marginea secundară a sculei, bavurile laterale sunt bavurile atașate la suprafața de tranziție prelucrată de marginea principală, iar o bavură superioară este definită ca o bavură atașată la suprafața superioară a piesei de prelucrat. În timp ce Chern (Chern 2006) a clasificat cinci tipuri de bavuri în operațiunea de frezare frontală: tip cuțit, tip val, tip spirală, desprinderea marginii și bavură secundară. În timp ce în procesul de micro-frezare, Chern et al. (2007) au clasificat bavurile ca bavuri primare, bavuri asemănătoare acului, bavuri ca o pană (ușoare) și bavuri minore. Bavurile primare, bavurile ca pene și bavurile asemănătoare acului sunt produse în principal pe partea de frezare în sus a peretelui de micro-fante. În general, bavurile în procesul de micro-frezare se formează atunci când muchia de tăiere părăsește suprafața tăiată. According to Gillespie (1999) there are six physical processes which form burrs: lateral flow of material which occurs whenever a solid is compressed, bending of material, tearing of chip from workpiece, redeposition of material, incomplete cut-off, and flow of material into cracks. Hashimura et al. (1999) categorized burrs in face milling according to burr locations, burr shapes, and burr formation mechanisms. Exit burr is defined as the burr attached to the surface machined by the minor edge of the tool, side burr is the burr attached to the transition surface machined by the major edge, and a top burr is defined as a burr attached to the top surface of the workpiece. While Chern (Chern 2006) classified five types of burrs in face milling operation: knife type, wave type, curl type, edge breakout, and secondary burr. Whereas in the micro-milling process, Chern et al. (2007) categorized burrs as primary burr, needle-like burr, feathery burr, and minor burr. The primary burr, feathery burr, and needle-like burr are mainly produced on the up-milling side of the micro-slot wall. In general, the burrs in the micro-milling process are formed when the cutting edge leaves the surface being cut.

Pe măsură ce dimensiunile caracteristicilor și/sau ale pieselor devin mai mici, problemele cu bavuri sunt mai dificil de rezolvat deoarece, în timp ce dimensiunea bavurii devine și ea mică, raportul bavurii la dimensiunea caracteristicii crește. Cele mai proeminente bavuri în micro-frezare apar pe marginea superioară a pereților laterali ai fantelor, numite bavuri superioare (Fig. 7). Spre deosebire de calitatea suprafeței pereților laterali din micro-fante, frezarea în sus are bavuri mai mici decât frezarea în jos. În partea de frezare în sus, bavura este o bavură Poisson formată numai prin acțiune de bombare laterală. Pe partea de frezare în jos, bavura superioară este formată prin acțiunea ruperii materialului așchiei pe măsură ce curge, precum și prin deformarea bombată laterală; prin urmare, bavurile de frezare în jos tind să fie mai mari (Saptaji et al. 2012).
As feature and/or part sizes become smaller, burr problems are more difficult to solve because while the burr size also becomes small, the burr to feature size ratio increases. Most prominent burrs in micro-milling occur on the top edge of the side walls of the slots, called top burrs (Fig. 7). In contrast to the surface quality of the side walls in the micro-slots, up-milling has smaller burrs than down milling. In the up-milling side the burr is a Poisson burr formed only by side bulging action. On the down milling side, the top burr is formed by the action of the chip material tearing away as it flows as well as side bulging deformation; hence the down milling burrs tend to be larger (Saptaji et al. 2012).

Fig. 7 Locația bavurilor în procesul de frezare - fante (Gillespie 1976)

Ductilitatea sau fragilitatea, precum și comportamentul de călire prin deformare a materialelor au contribuții importante la dimensiunea bavurilor (Gillespie 1979). Formarea bavurilor în materialele ductile este legată de deformarea elastică-plastică mare care are loc în prelucrare, este probabil să se formeze bavuri mai mari și mai multe odată cu creșterea ductilității (Shafer 1975). În micro-canelarea aliajelor de aluminiu, cum ar fi Al5083-H116, folosind o sculă diamantată monocristal, bavurile superioare apar, în principal, înaintea sculei și sunt cauzate de expansiunea materialului comprimat după ce începe să curgă în jurul unei scule, mai degrabă decât să devină parte a unei așchii. În timp ce formarea bavurilor de ieșire se formează atunci când o membrană subțire de material se formează în fața unei scule și se desparte în două segmente laterale și un segment inferior pe măsură ce scula iese dintr-o piesă de prelucrat (Bourne et al. 2011).
The ductility or brittleness as well as the strain hardening behavior of materials have important contributions to the burr size (Gillespie 1979). Burr formation in ductile materials is related to the high elastic–plastic deformation that occurs in the machining, larger and more burrs are likely to be formed with increasing ductility (Shafer 1975). In the micro-grooving of aluminum alloys such as Al5083-H116 using a single-crystal diamond tool, top burr mainly occurs ahead of a tool and is caused by expansion of material compressed after starting to flow around a tool rather than becoming part of a chip. While exit burr formation is formed when a thin membrane of material forms ahead of a tool and splits into two side segments and one bottom segment as the tool exits a workpiece (Bourne et al. 2011).

Formarea bavurilor în materialele fragile sau dure este afectată în principal de uzura sculei (Weule et al. 2001). O sculă spartă are un unghi degajare negativ mai mare, mărește răzuirea și, în final, crește semnificativ dimensiunile bavurilor de ieșire (Liang et al. 2009). La micro-frezarea materialelor dure, cum ar fi oțelul, partea de frezare în jos are mai multe bavuri (Schmidt și Tritschler 2004). Schmidt și Tritschler (2004) au observat că starea materialelor mai dure are mai puține bavuri, totuși materialul mai dur (AISI H11, 52 HRC) poate avea mai multe bavuri decât materialul mai moale (AISI H11, 42 HRC), în special datorită progresului mai puternic al uzurii sculei.
The burr formation in brittle or hard materials is mainly affected by the tool wear (Weule et al. 2001). A broken tool has a larger negative rake angle, increases ploughing, and in the end increases exit burr dimensions significantly (Liang et al. 2009). In the micro-milling of hard materials such as steel, the down-milling side has more burrs (Schmidt and Tritschler 2004). Schmidt and Tritschler (2004) observed that the harder materials state has fewer burrs, however the harder material (AISI H11, 52 HRC) can have more burrs than the softer material (AISI H11, 42 HRC) especially due to stronger tool wear progress.

În general, există două abordări pentru a evita bavurile. O modalitate este de a reduce bavurile în timpul procesului de prelucrare prin modificarea parametrilor procesului și alta este de a îndepărta bavurile (debavurare) după prelucrare. Mulți cercetători au discutat despre reducerea bavurilor prin diferite strategii de prelucrare. Se constată că prin scăderea adâncimii de tăiere, înălțimea bavurilor este scăzută (Chern 2006; Lee și Dornfeld 2005). Weule et al. (2001) au arătat experimental că vitezele mari de tăiere au dus la formarea mai mică de bavuri în micro-frezarea oțelului. Sculele acoperite pot, de asemenea, să reducă dimensiunea bavurilor la micro-frezarea oțelului călit (Aramcharoen et al. 2008).
In general, there are two approaches to overcome the burrs. One way is to reduce the burr during the machining process by changing the process parameters and another is to remove the burr (deburring) after the machining. Many researchers have discussed the burr reduction through different machining strategies. It is found that by decreasing the depth of cut, the burr height is decreased (Chern 2006; Lee and Dornfeld 2005). Weule et al. (2001) experimentally showed that high cutting velocities led to less burr formation in the micro-milling of steel. Coated tools can also reduce the burr size when micro-milling hardened steel (Aramcharoen et al. 2008).

Lekkala şi colab. (2011) au susținut că în micro-frezarea aluminiului Al2124 și a oțelului inoxidabil SS-304 folosind o freză din carbură solidă cu diametrul de 300 și 400 μm, viteza are un efect mai puțin semnificativ asupra grosimii și înălțimii bavurilor, în timp ce diametrul sculei, adâncimea de tăiere, numărul de caneluri și interacțiunea dintre viteza de avans și numărul de caneluri au un efect semnificativ asupra înălțimii bavurilor. În plus, ei au observat că frezarea în sus produce mai multe bavuri de ieșire laterală în micro-frezarea aluminiului.
Lekkala et al. (2011) argued that in the micro-milling of aluminum Al2124 and stainless steel SS-304 using a solid carbide end milling cutter with diameter 300 and 400 μm, the speed has a less significant effect on the burr thickness and height whereas tool diameter, depth of cut, number of flutes, and the interaction between feed rate and number flutes have significant effect on the burr height. In addition, they observed that up milling produces more side exit burrs in micro-milling of aluminum.

Debavurarea este definită ca îndepărtarea unor cantități mici de material de pe margini după ce au fost produse caracteristicile principale ale pieselor (Gillespie 1979). Procesul de debavurare este dificil de aplicat pe micro-caracteristici produse prin micro-frezare; procesul trebuie efectuat cu atenție pentru a evita deteriorarea caracteristicilor mici. Selectarea incorectă a tehnicilor sau a parametrilor de debavurare poate introduce, de asemenea, erori dimensionale, deteriorarea finisării suprafeței și tensiuni reziduale. Procesul suplimentar de debavurare și finisarea muchiilor în prelucrarea la micro-scară și ultra-precizie pot fi, de asemenea, prea costisitoare sau nepractic de implementat (Min et al. 2006).
Deburring is defined as the removal of minute amounts of material from edges after major part features have been produced (Gillespie 1979). The deburring process is difficult to apply on micro-features produced by micro-milling; the process must be carefully conducted to avoid damage to the small features. Incorrect selection of deburring techniques or parameters may also introduce dimensional errors, damage surface finish, and residual stresses. The additional deburring process and edge finishing in micro-scale and ultra precision machining may also be too expensive or impractical to implement (Min et al. 2006).

Bavurile din alamă sunt îndepărtate prin aplicarea de cianoacrilat și ulterior tăiate cu frezare cu diamant (Fig. 8) (Schaller et al. 1999). În timp ce pentru oțel inoxidabil, bavurile pot fi îndepărtate prin lustruire electrochimică (Schaller et al. 1999). Alte metode, cum ar fi sablare cu pulbere folosind alumină albă topită, îndepărtează, de asemenea, bavurile la micro-frezarea alamei (Yun et al. 2008). O metodă similară este aplicată și de Horsch și colab. (2006) pentru oțel de scule călit și revenit. Micro-ecruisarea și ecruisarea umedă cu ultrasunete sunt, de asemenea, utilizate pentru debavurare și îmbunătățirea finisării suprafeței (Horsch et al. 2006). Bavurile superioare de pe micro-fantele aliajelor de aluminiu, cupru și oțel inoxidabil pot fi reduse folosind micro-EDM suplimentar (Jeong et al. 2009).
Burrs in brass are removed by applying cyanoacrylate and subsequently cut with diamond milling (Fig. 8) (Schaller et al. 1999). Whereas for stainless steel, burrs can be removed using electrochemical polishing (Schaller et al. 1999). Other methods such as powder blasting using white fused alumina also removes the burrs when micro-milling brass (Yun et al. 2008). A similar method is also applied by Horsch et al. (2006) for quenched and tempered tool steel. Micro-peening and ultrasonic wet peening are also used for deburring and improving the surface finish (Horsch et al. 2006). The top burrs on the micro-slots of aluminum alloys, copper, and stainless steel can be reduced using additional micro-EDM (Jeong et al. 2009).

Fig. 8 Fotografie SEM a microcaracteristicilor înainte de îndepărtarea bavurilor (dreapta sus) și după îndepărtarea bavurilor (stânga jos) prin frezarea cu diamant în microcaracteristicile umplute cu cianoacrilat în alamă (Schaller et al. 1999)

Formarea bavurilor poate fi, de asemenea, redusă la minimum dacă materialul este îngrădit să se deformeze în direcția forței din cauza geometriei piesei de prelucrat (Shafer 1975). Park și Dornfeld (2000) au dezvoltat modele cu elemente finite pentru a studia formarea bavurilor de ieșire a diferitelor unghiuri de margine de ieșire a piesei de prelucrat de 60o, 80o, 90o, 100o, și 120o pentru cazul tăierii ortogonale. Se observă că utilizarea unor unghiuri de degajare mai mari ale sculei (Park și Dornfeld 2000) poate reduce, de asemenea, bavurile. Bavurile superioare formate în micro-frezare pot fi reduse prin creșterea unghiului muchiei laterale a micro-fantelor de unde va ieși muchia de tăiere (Saptaji et al. 2012). Această metodă poate oferi o rezistență mai bună la deformarea plastică mai aproape de marginile laterale. În plus, utilizarea unei scule conice este o tehnică posibilă pentru a evita bavurile superioare în micro-frezare, unde unghiul conic mai mare produce bavuri mai mici (Saptaji et al. 2012). Înălțimea bavurilor superioare poate fi redusă prin micșorarea razei muchiei sculei și unghiul de degajare mai pozitiv (Liang et al. 2009).
Burr formation can also be minimized if the material is restricted to deform in force direction due to workpiece geometry (Shafer 1975). Park and Dornfeld (2000) developed finite element models to study the exit burr formation of various workpiece exit edge angles of 60
o, 80o, 90o, 100o, and 120o for the case of orthogonal cutting. It is observed that the use of larger tool rake angles (Park and Dornfeld 2000) can also reduce the burrs. The top burrs formed in micro-milling can be reduced by increasing the side edge angle of the micro-slots where the cutting edge will exit (Saptaji et al. 2012). This method can provide better resistance to the plastic deformation closer to the side edges. In addition, the use of a tapered tool is a possible technique to avoid top burrs in micro-milling where the higher taper angle produces smaller burrs (Saptaji et al. 2012). The top burr height can be decreased by making the tool edge radius smaller and the rake angle more positive (Liang et al. 2009).