capitolul 11. procedee de prelucrare...

Tehnologia materialelor II 213

Capitolul 11. PROCEDEE DE PRELUCRARE NECONVENȚIONALE

traducere și adaptare (prin adăugare) după K.G. Swift, J.D. Booker –

MANUFACTURING PROCESS SELECTION HANDBOOK, editura Butterworth

Heimemann, Elsevier, Oxford, 2013

11.1. PRELUCRAREA PRIN EROZIUNE ELECTRICĂ (ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING –

EDM)

DESCRIEREA PROCESULUI

Scula, de regulă din cupru sau grafit, și piesa de prelucrat sunt legate la polii unei surse de curent. Scula are de obicei forma negativului cavității care trebuie prelucrată în piesă. Materialul piesei este îndepărtat prin acțiunea de vaporizare a descărcărilor electrice sub formă de scânteie (spark erosion) care au loc între electrodul sculă și electrodul piesă, în condițiile în care între acestea există un interstițiu în care se află un lichid dielectric (Fig. 11.1). În timpul lucrului, pe măsura îndepărtării materialului de pe suprafața piesei, interstițiul de lucru este păstrat constant prin mișcări de avans controlate de sistemul CNC al mașinii de lucru. Lichidul dielectric are și rol de răcire și de eliminare din interstițiul de lucru a particulelor de material îndepărtate din piesă, el fiind continuu injectat în spațiul de lucru și recirculat și filtrat. Prelucrarea prin eroziune electrică se mai numește și prelucrare prin electroeroziune și se poate realiza prin două variante de bază:

• electroeroziune cu electrod profilat (sinker EDM sau ram EDM) – fig. 11.1.a • electroeroziune cu fir (wire EDM) – fig. 11.1.b

MATERIALE POSIBIL DE PRELUCRAT

• Prin electroeroziune se poate prelucra orice material care conduce curentul

electric, indiferent de duritatea lui. • Se utilizează în special pentru oțeluri aliate și înalt aliate, în special pentru

prelucrarea cavităților matrițelor. • Temperatura de topire a materialului prelucrat și căldura latentă de topire sunt

proprietăți importante care determină viteza de îndepărtate a materialului (material removal rate – MRR), care dă productivitatea procedeului.

214 Capitolul 11. Procedee de prelucrare neconvenționale

VARIANTE ALE PROCEDEULUI

• Electroeroziune cu electrod profilat (sinker EDM): scula - electrod are forma

negativului cavității care se va realiza pe piesa de prelucrat.

a. ELECTROEROZIUNE CU ELECTROD PROFILAT

b. ELECTROEROZIUNE CU FIR

Fig. 11.1. Scheme de principiu pentru prelucrarea prin electroeroziune:

a – electroeroziune cu electrod profilat; b – electroeroziune cu fir; c – detaliu din zona

de formare a descărcărilor electrice în scânteie în interstițiul de lucru


• Electroeroziune cu fir (wire EDM): scula – electrod este un fir care se derulează în timpul lucrului și este condus după un anumit traseu de tăiere, rezultând astfel detașarea din piesa de prelucrat a zonei delimitate de traseul de tăiere; prin acest procedeu se pot prelucra doar cavități de trecere și nu găuri sau cavități înfundate.

• Electroeroziune fără uzură (no-wear EDM): se minimizează uzura sculei (având în vedere că și materialul acesteia se îndepărtează prin descărcările electrice) prin inversarea polarității și utilizarea de scule din cupru pur (cupru electrolitic).

• Rectificare asistată de eroziune electrică (electrical discharge grinding): piatra de rectificat din grafit sau alamă se rotește, piesa de prelucrat se rotește, ambele sunt legate la poli sursei de curent; materialul va fi îndepărtat prin efectul descărcărilor electrice și nu prin efect abraziv.

• Electroeroziune asistată ultasonic (ultrasonic EDM): scula are și mișcare de vibrare

cu frecvență ultrasonoră (f >20 kHz), ca urmare crește productivitatea procedeului și rezultă o suprafață prelucrată cu o rugozitate mai bună.

CONSIDERENTE ECONOMICE

• Productivitate foarte scăzută. MRR până la 1,6 mm3/min.

• Viteza de tăiere pentru procedeul de electroeroziune cu fir este de aprox. 0,635 mm/s.

• MRR și viteza de tăiere sunt determinate de parametri regimului de lucru (parametri de

curent) și de proprietățile materialului de prelucrat.

• Durata fabricației (lead time) - timpul de la începerea fabricației, incluzînd pregatirea

pentru fabricație, prelucrarea propriu zisă, controlul, depozitarea - variază de la zile la

câteva săptămâni, depinzând de complexitatea electrodului – sculă.

• Pentru cavități complexe se folosesc mai multe scule.

• Gradul de utilizare a materialului este foarte scăzut. Deșeul rezultat nu se poate recicla.

• Îndepărtarea, neutralizarea, eliminarea lichidelor dielectrice folosite este costisitoare.

• Este posibil un grad înalt de automatizare.

• Procedeu viabil economic pentru producție de unicate, serie mică.

• Costul sculelor este ridicat. Uzura rapidă a acestora presupune înlocuire periodică.

• Costul echipamentelor de prelucrare (mașini de prelucrat prin elecroeroziune) este

relativ mare.

• Costul direct cu munca este scăzut spre moderat.

APLICAȚII TIPICE

• Elemente ale matrițelor pentru forjare, extrudare, turnare, decupare, injectare

materiale plastice (poansoane, plăci active, cuiburi de turnare, injectare, etc.).

• Piese de forme neregulate, complexe, debitate din table groase.


• Prototipuri

• Piese lipsite de bavuri (burr-free parts).

ASPECTE LEGATE DE PROIECTARE

• Procedeul permite prelucrări de cavități cu forme complexe, limitate doar de

posibilitatea de a realiza scula electrod la forma cerută.

• Prin electroeroziune cu fir se pot crea profile 2D sau 3D.

• Procedeul e potrivit pentru prelucrarea de găuri de diametre mici, găuri adânci cu

raport de formă (raportul dintre lungime și diametru) până la 20:1. Se poate ajunge la

raport de formă de 100:1 în aplicații speciale.

• Se pot prelucra degajări interioare cu scule speciale.

• Pentru că în timpul prelucrării nu apar forțe mecanice pentru îndepărtarea materialului,

nu sunt necesare dispozitive de prindere/fixare pretențioase, putând fi folosite soluții

simple.

• Este posibil să fie prelucrate piese subțiri și puțin rigide, datorită forțelor mici care

intervin în timpul prelucrării.

• Raza minimă posibil de prelucrat rmin = 0,025 mm.

• Diametrul minim/ lățimea minimă a unei cavități ce pot fi prelucrate dmin = 0,05 mm.

• Grosimea tablelor care pot fi tăiate prin electroeroziune cu fir este până la hmax = 150

mm.

ASPECTE LEGATE DE CALITATE

• Suprafețele prelucrate au calitate bună și sunt lipsite de bavuri.

• Pereții cavităților verticale sunt ușor înclinați, în special în cazul găurilor înfundate.

• Pentru o calitate bună a suprafeței se recomandă ca interstițiul dintre sculă și piesă să

fie între 0,01...0,5 mm.

• Stratul de suprafață (recast layer) suferă modificări de microstructură și compoziție

chimică din cauza energiei termice mari în spațiul de lucru. Acest strat de suprafață este

dur și poate să asigure un coeficient de frecare redus, o rezistență la uzură îmbunătățită

și poate facilita reținerea lubrefiantului în timpul lucrului matrițelor. Dacă se consideră

că este nedorit, acest strat poate fi îndepărtat cu scule abrazive (rectificare,

superfinisare) sau cu paste abrazive (lepuire, lustruire).

• Sub stratul de suprafață se formează o zonă afectată termic care poate avea duritate

mai mică decât materialul de bază.

• Finisarea trebuie făcută cu viteze de îndepărtare a materialului mici.


• Uzura sculei este determinată de temperatura de topire a materialului acesteia și de

regimul de lucru utilizat; uzura sculei afectează precizia dimensională a suprafețelor

prelucrate, de aceea este necesară schimbarea periodică a sculei.

• Din cauza faptului ca procesul de prelucrare se bazează pe un efect termic, în piesă se

induc tensiuni reziduale și se pot forma crăpături la suprafață.

• MRR poate fi crescută cu sacrificarea calității suprafeței obținute; aceasta înseamnă că

MRR mare duce la rugozitate ridicată a suprafeței prelucrate, iar o rugozitate mică

poate fi obținută în condițiile în care se descrește MRR.

• În mod obișnuit se obțin rugozități Ra = 0,4 ... 25 µµµµm. Rugozitatea depinde de

densitatea de curent, materialul piesei și MRR.

• Toleranțele dimensionale posibil de obținut sunt în intervalul ±0,01 ... ±0,125 mm.

11.2. PRELUCRAREA CU ULTRASUNETE (ULTRASONIC MACHINING – UM)


Scula, care ca formă reprezintă negativul a ceea ce trebuie prelucrat pe piesă, are o mișcare de vibrare cu frecvență ultrasonoră (frecvență mai mare de 20 kHz) și o amplitudine între 0,01...0,1 mm. Între sculă și piesă se află, de obicei, o suspensie abrazivă formată din particule abrazive de dimensiuni mici aflate într-un lichid. Materialul piesei este îndepărtat ca urmare a efectului eroziv al particulelor abrazive care sunt accelerate de mișcarea sculei către suprafața piesei pe care o lovesc cu viteze și accelerații foarte mari și a efectului cavitațional al imploziei bulelor de aer formate în lichidul vibrat cu frecvență ultrasonoră. Suspensia abrazivă are și rol de a elimina particulele îndepărtate de pe piesă din interstițiul dintre sculă și piesă. Pe măsura prelucrării piesei, scula are o mișcare de avans precis controlată, pentru menținerea constantă a valorii dimensionale a interstițiului sculă-piesă (Fig. 11.2).


• Prelucrarea cu ultrasunete se poate aplica oricărui tip de material. • Se utilizează în special pentru materiale dure și fragile, de exemplu materiale

ceramice, pietre tehnice, sticlă, siliciu, germaniu, oțeluri înalt aliate (de scule), aliaje de titan.


CARACTERISTICI ALE PROCEDEULUI

• Vibrațiile por fi generate cu transductoare piezo-electrice sau magnetostictive.

• Materialul sculei variază în funcție de aplicație și de gradul acceptabil de uzură a

sculei în timpul prelucrării; în mod obișnuit pentru confecționarea sculei se

utilizează oțeluri moi, oțeluri inoxidabile, oțeluri de scule, aliaje de aluminiu, aliaje

de cupru, carburi metalice.

• Granulele abrazive din suspensia abrazivă pot fi alese dintr-o gamă largă de tipuri și

au caracteristici variate; cel mai des se utilizează: carbura de bor, oxidul de aluminiu

(electrocorindon), carbura de siliciu (carborund) și diamantul sintetic.

• Lichidul utilizat poate fi apă, benzen sau ulei mineral; creșterea vâscozității

suspensiei abrazive are ca efect descreșterea productivității procedeului

(descreșterea MRR).

• Rectificare asistată de ultrasunete (rotary USM): se utilizează o sculă de tip piatră

abrazivă cu tijă, cu granule abrazive din diamant, scula are mișcare de rotație și

simultan i se aplică și vibrație cu frecvență ultrasonică; se folosește și lichid de lucru

însă în acest lichid nu există granule abrazive; procedeul se folosește pentru găurire

de mare precizie în materiale fragile (de ex. sticlă).

Fig. 11.2. Schema de principiu pentru prelucrarea cu ultrasunete


• Curățare cu ultrasunete (ultrasonic cleaning): piesele de curățat se introduc într-o

baie de lichid care este vibrată cu frecvență ultrasonică; prin efectul cavitațional

format în lichid, de pe suprafața pieselor se îndepărtează particulele de impurități

(curățare), oxizi (decapare), urme de grăsime (degresare).


• Productivitate foarte scăzută. MRR până la 13 mm3/s.

• Viteza de pătrundere în materialul de prelucrat este până la 0,4 mm/s.


pentru fabricație, prelucrarea propriu zisă, controlul, depozitarea - este de obicei de

ordinul zilelor, depinzând de complexitatea sculei; pentru fiecare aplicație trebuie

proiectate și realizate scule dedicate.

• Gradul de utilizare a materialului este scăzut. Deșeurile rezultate nu se pot recicla.


• Procedeu viabil economic pentru producție de unicate, serie mică.

• Costul sculelor este relativ ridicat.

• Costul echipamentelor de prelucrare (mașini de prelucrat cu ultrasunete) este

moderat.

• Costul direct cu munca este scăzut spre moderat.

APLICAȚII TIPICE

• Găuri/canale precise cu margini lipsite de bavuri (burr-free holes and slots) în materiale

dure și fragile.

• Cavități de formă complexă.

• Gravuri complexe și precise ale suprafețelor (coining operations).


• Procedeul permite prelucrări de cavități cu forme relativ complexe, limitate de

posibilitatea de a realiza scula la forma cerută.

• Scula și port-scula trebuie proiectate având în vedere masa, forma lor și proprietățile

mecanice ale materialului din care se realizează.

• Se va evita proiectarea de cavități în piese care să implice muchii ascuțite (sharp

profiles), colțuri, raze mici, din cauza faptului că suspensia abrazivă le va eroda.


• Scula trebuie proiectată la dimensiuni mai mici decât ale cavității de prelucrat, ținându-

se cont de supra-prelucrarea (overcut) care este de aprox. de două ori mai mare decât

mărimea medie a particulelor abrazive utilizate.

• Procedeul e potrivit pentru prelucrarea de găuri de diametre mici, cu raport de formă

(raportul dintre lungime și diametru) de până la 3:1. Se poate ajunge și la raport de

formă de 4:1 cu echipamente speciale.

• Adâncimea găurilor este limitată de eliminarea tot mai dificilă a materialului îndepărtat

din piesă pe măsură ce adâncimea de pătrundere a sculei în material crește.

• Diametrul maxim al găurilor posibil de prelucrat prin acest procedeu este dmax = 90 mm.

• Diametrul minim al găurilor posibil de prelucrat prin acest procedeu este dmin = 0,08

mm.


• Pereții verticali ai găurilor/canalelor/cavităților sunt ușor înclinați.

• La prelucrarea găurilor de trecere în materiale fragile se recomandă folosirea unei plăci

suport la partea inferioară a piesei de prelucrat.

• Precizia dimensională, rugozitatea și viteza de îndepărtare a materialului MRR sunt

influențate de materialul piesei de prelucrat, de parametri regimului de lucru:

frecvența și amplitudinea mișcării de vibrație, de mărimea și concentrația granulelor

abrazive din suspensia abrazivă, și de vâscozitatea suspensiei abrazive.

• Finisarea trebuie făcută cu viteze de îndepărtare a materialului MRR mici.

• Uzura sculei este un aspect problematic, de aceea este necesară schimbarea frecventă

a sculei.

• Suprafețele prelucrate sunt lipsite de bavuri, prelucrarea cu ultrasunete nu induce

tensiuni reziduale, efecte termice sau deformări geometrice.

• În mod obișnuit se obțin rugozități Ra = 0,2 ... 1,6 µµµµm; rugozități mai mici sunt posibile

prin utilizarea de granule abrazive cu dimensiuni de ordinul micrometrilor.

• Toleranțele dimensionale posibil de obținut sunt în intervalul ±0.005 ... ±0.05 mm.

11.3. PRELUCRAREA CU FASCICUL LASER (LASER BEAM MACHINING – LBM)


Un fascicul laser (fascicul de radiație electromagnetică, coerent, monocromatic, cu o

anumită lungime de undă λ) este focalizat pe suprafața materialului de prelucrat cauzând topirea/vaporizarea locală a acestuia (Fig. 11.3). Prelucrarea se bazează pe un efect termic,


adică încălzirea locală extrem de puternică (mii de grade Celsius) în pata de focalizare a fasciculului laser, efect care duce la:

• încălzirea (în aplicații de tratament termic cu fascicul laser); • topirea (în aplicații de sudare cu fascicul laser); • vaporizarea (în aplicații de prelucrări dimensionale cu fascicul laser: tăiere,

găurire, gravare); materialului de prelucrat. Pentru realizarea traseului de prelucrare (tăiere/găurire/gravare/sudare) sunt necesare mișcări care pot fi executate de capul laser (montat pe sisteme automatizate de deplasare de tip portal sau brațe robotice), de piesa de prelucrat (prinsă în dispozitivul de fixare pe masa de lucru), sau combinarea acestor două posibilități.


• Prelucrarea cu fascicul laser se poate aplica oricărui tip de material. • Rezultatele sunt puternic influențate în primul rând de difuzivitatea termică și de

caracteristicile optice ale suprafeței materialului de prelucrat. Se prelucrează greu materiale cu conductivitate termică mare și cu suprafețe lucioase, reflectante.

• Rezultatele prelucrării sunt puțin influențate de compoziția chimică, conductivitatea electrică sau de duritatea materialului de prelucrat.

• Sudarea cu laser se aplică de obicei pentru oțeluri obișnuite și oțeluri inoxidabile; sudarea aliajelor de aluminiu se realizează cu dificultate; fonta nu se sudează cu laser.

Fig. 11.3. Schema de principiu pentru prelucrarea cu fascicul laser



• Sunt disponibile numeroase tipuri de laseri, utilizați pentru aplicații diverse.

• Tipurile uzuale de laseri au mediul activ: CO2, Nd:YAG, Nd:sticlă, rubin și excimer.

• Depinzând de prelucrare, se utilizează laseri cu fascicul ce acționează continuu sau

în impulsuri de scurtă durată.

• În aplicații de prelucrări dimensionale (tăieri, găuriri, gravări) se poate aduce în zona

de lucru și un gaz (de regulă oxigen sau argon) cu rol multiplu: intensifică efectul

termic local prin generarea unor reacții chimice exoterme, protejează materialul din

zona adiacentă acțiunii facicului laser focalizat și îndepărtează, prin suflare,

materialul topit/vaporizat al piesei de prelucrat.

• În aplicațiile de sudare cu laser se lucrează cu gaz de protecție (de regulă argon)

care are rol de a proteja baia metalică topită împotriva oxidării.

• Instalațiile de prelucrare cu laser se utilizează pentru diferite aplicații (tratament

termic, tăiere, găurire, decupare, gravare, sudare) utilizând pentru fiecare aplicație

densități de putere corespunzătoare.


• Productivitate moderată spre mare.

• În cazul găuririi se pot prelucra până la 100 găuri/s.

• Vitezele de îndepărtare a materialului MRR sunt mai mari decât la prelucrările

convenționale.

• Uzual MRR este 5 mm3/s și viteza de tăiere e de 70 mm/s.

• În cazul sudării cu laser vitezele de sudare sunt de 0,25 ... 13 m/min, în cazul tablelor

subțiri.

• Consum mare de energie.



ordinul săptămânilor.

• Timpul de pregătire/reglare a instalației de lucru este scurt.

• Gradul de utilizare a materialului este bun.


• Procedeul are o flexibilitate mare. Integrarea cu mașinile de debitat prin presare de tip

CNC este mult utilizată, permițînd o libertate mare în proiectarea pieselor.

• Este posibilă realizarea mai multor operații pe aceeași instalație de prelucrare cu laser,

prin alegerea corespunzătoare a parametrilor de lucru.

• Procedeu viabil economic pentru producție de serie mică și mijlocie.


• Costul sculelor este foarte ridicat.

• Costul echipamentelor de prelucrare (instalații de prelucrat cu fascicul laser) este

foarte ridicat.

• Costul direct cu munca este moderat spre ridicat. Procedeul necesită operatori de

calificare înaltă.

APLICAȚII TIPICE

Pentru prelucrare dimensională cu fascicul laser: • Găurire, profilare, gravare, tăiere la dimensiuni.

• Decupări cu forme non-standard.

• Piese de tip prototip.

• Găuri de diametru mic cu rol de lubrefiere/ungere.

• Prelucrarea elementelor precise și de dimensiuni mici pe plachetele de siliciu în

industria electronică/microelectronică/MEMS (micro electro mechanical systems).

Pentru sudare cu fascicul laser: • Construcții sudate.

• Carcase ale transmisiilor mecanice.

• Sigilări ermetice prin sudare (vase de presiune, pompe).

• Îmbinări în industria electronică/microelectronică/MEMS.

• Asamblări de precizie ale elementelor instrumentelor de măsură și control.

• Implanturi medicale.


• Fasciculul laser poate fi format, condus și focusat de sistemul optic permițând înaltă

libertate de prelucrare în spațiu în două și trei dimensiuni.

• Dispozitivele de prindere nu necesită cerințe mari în ceea ce privește forțele de fixare.

• În cazul prelucrărilor dimensionale cu fascicul laser:

� procedeul e potrivit pentru prelucrarea de găuri adânci de diametre mici, cu

raport de formă (raportul dintre lungime și diametru) de până la 50:1;

� pentru găuri înfundate sau în trepte se pot folosi tehnici speciale, însă

rezultatele nu sunt precise;

� se pot prelucra cavități în piese sau piese care să implice colțuri (sharp

corners) cu raze mici;

� grosimea maximă a materialului ce poate fi prelucrat:


- hmax = 25 mm pentru oțeluri carbon;

- hmax = 13 mm pentru oțeluri inoxidabile;

- hmax = 10 mm pentru aliaje de aluminiu;

� diametrul maxim al găurilor posibil de prelucrat prin acest procedeu (direct,

nu prin decupare) este dmax = 1,3 mm;

� Diametrul minim al găurilor posibil de prelucrat prin acest procedeu este dmin

= 0,005 mm.

• În cazul sudării cu fascicul laser:

� este de preferat sudarea în poziție orizontală;

� se poate utiliza pentru suduri de tip cap-la-cap (butt), suprapuse (lap), de colț

(fillet);

� laserul și zona de îmbinare prin sudare trebuie să fie precis aliniate; traseul

de la laser la zona de lucru trebuie să fie drept;

� este necesar un contact strâns între suprafețele ce se vor suda;

� de regulă sudarea va avea loc doar prin topirea locală și solidificarea

materialului pieselor de îmbinat, fără material de adaos.

� pentru table de grosime mare se vor realiza treceri multiple sau se va lucra cu

material de adaos sub formă de sârmă care se aduce automatizat în zona de

lucru prin derulare de pe un tambur (bobină);

� se pot suda table cu grosime minimă hmin = 0,1 mm.

� grosimea maximă a tablelor ce se pot suda (în mod uzual) hmax = 20 mm.

� pentru table de grosime mai mare de 13 mm trebuie prevăzute treceri

multiple de sudare (cordoane de sudare suprapuse);

� este dificil să se sudeze table de grosime mult diferită.


• Dificultatea prelucrării unui anumit material este dată de cât de apropiate sunt

temperaturile de fierbere și vaporizare ale materialului respectiv.

• În stratul de suprafață pot fi prezente efecte de tip tensiuni mecanice, zone afectate

termic, strat resolidificat și deformări mecanice, induse de stressul termic din timpul

prelucrării. Dacă este necesar se pot folosi procedee corespunzătoare de îndepărtare a

acestora.

• Geometria pereților găurilor poate fi neregulată. Găurile adânci pot cauza divergența

fascicului laser.

• Lipsa forțelor mecanice în timpul prelucrării (no cutting forces) permite utilizarea de

soluții de prindere/fixare simple.


• Se pot prelucra piese subțiri și lipsite de rigiditate, datorită faptului că nu există contact

mecanic între sculă și piesă.

• Tăierea materialelor inflamabile se face cu utilizare de gaz inert de protecție (argon).

• Tăierea metalelor se face, de regulă, cu utilizarea oxigenului ca și gaz de asistență.

• Sudarea se face cu utilizarea de gaz de protecție, de regulă argon, pentru evitarea

oxidării materialului din baia metalică topită, care va forma prin solidificare cusătura

sudată.

• Controlul strict a duratei pulsului de lucru (în cazul modului de prelucrare cu fascicul

laser pulsat) este foarte important pentru minimizarea zonei afectate termic, și

optimizarea adâncimii și mărimii zonei de metal topit ce se formează în jurul

tăieturii/cusăturii sudate.

• Reflectivitatea suprafeței piesei este importantă. Se preferă suprafețe mate, nepolisate.

• În mod obișnuit se obțin rugozități Ra = 0,4 ... 6,3 µµµµm.

• Toleranțele dimensionale posibil de obținut la prelucrările dimensionale sunt în

intervalul ±0.015 ... ±0.125 mm. În cazul sudării sunt în funcție de precizia

componentelor ce urmează să fie sudate și de modul de fixare în timpul sudării.

11.4. PRELUCRAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI (ELECTRON BEAM MACHINING – EBM)


Un fascicul de electroni, generat de o instalație numită tun electronic, este accelerat la o viteză de până la 80% din viteza luminii și este focalizat pe suprafața piesei de prelucrat. Acest fapt duce la creșterea locală foarte puternică a temperaturii materialului piesei, având ca efect topirea/vaporizarea acestuia (Fig. 11.4). Prelucrarea se bazează pe un efect termic, adică încălzirea locală extrem de puternică (mii de grade Celsius) în pata de focalizare, efect care duce la:

• încălzirea (în aplicații de tratament termic cu fascicul de electroni); • topirea (în aplicații de sudare cu fascicul de electroni); • vaporizarea (în aplicații de prelucrări dimensionale cu fascicul de electroni:

tăiere, găurire, gravare); materialului de prelucrat. Energia cinetică a fascicului de electroni, energie ce se transformă în mare măsură (60...95%) în căldură la contactul cu piesa de prelucrat, poate fi controlată prin tensiunea de accelerare (de ordinul zeci... sute kV) aplicată între catodul și anodul tunului electronic. Pentru limitarea, direcționarea și focusarea fascicului de electroni se folosesc lentile electromagnetice. Pentru evitarea deflectării și a pierderii intensității fascicului de electroni prin lovirea electronilor de moleculele de aer, procedeul se realizează, de regulă, în incinte vidate.


Adâncimea de pătrundere în material a fascicului de electroni depinde de tensiunea de accelerare și de densitatea materialului de prelucrat.


• Prelucrarea cu fascicul de electroni se poate aplica oricărui tip de material,

indiferent de tipul acestuia, conductivitatea electrică sau duritatea acestuia. • Majoritatea materialelor metalice pot fi sudate cu fascicul de electroni, incluzînd

oțelurile carbon, oțelurile aliate, aliajele de aluminiu, titan, aliajele refractare și metalele prețioase.

• Aliajele de cupru și oțelurile inoxidabile sunt dificil de sudat; fonta, aliajele de plumb și zinc nu se sudează prin acest procedeu.


• Prelucrarea cu fascicul de electroni se poate utiliza pentru tratament termic, tăiere,

găurire, decupare, gravare utilizând aceeași instalație și alegând corespunzător

parametri regimului de lucru.

• Sudarea cu fascicul de electroni: se utilizează pentru îmbinarea unor materiale

reactive și refractare (aliaje de Ti, W, Ta, Zr, Nb) cu temperatură de topire foarte

Fig. 11.4. Schema de principiu pentru prelucrarea cu fascicul de electroni


înaltă sau îmbinarea unor materiale de natură foarte diferită; se poate lucra fără

material de adaos.

• În cazul sudării cu fascicul de electroni se poate lucra:

� în instalații care asigură în camera de lucru vid înaintat (high-vacuum);

� în instalații la care în camera de lucru este presiune scăzută, dar nu vid

înaintat (reduced pressure sau semi-vacuum);

� înafara unei camere de lucru, în atmosferă normală (non-vacuum sau out of

vacuum) – caz în care distanța până la piesa de prelucrat trebuie să fie mai

mică de 50 mm.

• Pentru realizarea traseului de tăiere/sudare se poate deplasa piesa în interiorul

camerei de lucru, poate fi deflectat fasciculul de electroni (prin intermediul

bobinelor de deflexie) pentru a realiza traseul respectiv, sau se pot combina cele

două posibilități.


• Având în vedere că prelucrarea are loc în camera de lucru care trebuie să fie vidată,

productivitatea depinde de mărimea acesteia și de posibilitatea de a prelucra un număr

cât mai mare de piese la fiecare încărcare a camerei de lucru.

• Mărimea pieselor trebuie să permită încărcarea lor în camera de lucru.

• În cazul prelucrării de găuri multiple de diametru mic în table subțiri timpul de ralizare a

unei găuri este foarte scurt, aprox. 1 s/gaură.

• Viteza de îndepărtare a materialului MRR este scăzută, de obicei 10 mm3/min.

• Viteza de pătrundere în material poate fi până la 10 mm/s.

• În cazul sudării, viteza de sudare variază între 0,2 ... 2,5 m/min.

• Se pot suda între 10 ... 100 piese pe oră în instalații de tip high-vacuum.



ordinul săptămânilor.

• Timpul de pregătire/reglare a instalației de lucru poate fi scurt, dar timpul necesar

pentru vidarea corespunzătoare a camerei de lucru la fiecare încărcare e un factor care

crește durata prelucrării.

• Gradul de utilizare a materialului este bun.


• Procedeul necesită un consum mare de energie.

• Procedeu viabil economic pentru producție de serie mică și mijlocie, pentru table/piese

subțiri în care se prelucrează găuri/tăieturi de dimensiuni mici.

• Costul sculelor este foarte ridicat.


• Costul echipamentelor de prelucrare (instalații de prelucrat cu fascicul de electroni)

este foarte ridicat.

• Costul direct cu munca este ridicat. Procedeul necesită operatori de calificare înaltă.

• Costurile cu finisarea după prelucrare sunt extrem de mici; de multe ori nu sunt

necesare operații de finisare după prelucrarea cu fascicul de electroni.

APLICAȚII TIPICE

Pentru prelucrări dimensionale cu fascicul de electroni: • Găuri multiple, de diametru mic, în table de grosime mică din materiale speciale.

• Găurirea duzelor de injecție.

• Găuri de diametru mic în filiere.

• Decupări cu forme non-standard.

• Gravarea materialelor speciale.

• Prelucrarea elementelor precise și de dimensiuni mici pe plachetele de siliciu în

industria electronică/microelectronică/MEMS (micro electro mechanical systems).

Pentru sudare cu fascicul de electroni: • Asamblări de componente în industria aeronautică (paletele turbinelor și

compresoarelor, filtre, corpuri de pompe de înaltă presiune, etc.).

• Asamblări de componente în industria automotive (arbori cotiți, roți dințate, supape,

lagăre).

• Asamblări de conducte.

• Asamblări în industria nucleară.

• Asamblări de precizie ale elementelor instrumentelor de măsură și control.

• Sigilări ermetice prin sudare (vase de presiune, pompe).

• Implanturi medicale.


• Fasciculul de electroni poate fi format, condus și focusat permițând prelucrarea după

un traseu programat.

• Procedeul e potrivit pentru prelucrarea de găuri adânci de diametre mici, cu raport de

formă (raportul dintre lungime și diametru) de până la 100:1.

• Se pot prelucra table subțiri și piese puțin rigide datorită lipsei forțelor mecanice de

prelucrare.

• Colțurile cu raze foarte mici de racordare (sharp corners) sunt dificil de prelucrat.


• Dacă este posibil, este indicat să fie proiectate pe piesa de prelucrat mai mule găuri de

diametru mic, decât mai puține găuri de diametru mare;

• Grosimea maximă a materialului ce poate fi prelucrat: hmax = 150 mm.

• Diametrul minim al găurilor posibil de prelucrat prin acest procedeu este dmin = 0,01

mm.

• În cazul sudării cu fascicul fascicul de electroni:

� se poate utiliza pentru suduri de tip cap-la-cap (butt), suprapuse (lap), de colț

(fillet);

� este de preferat sudarea în poziție orizontală;

� traseul de la tunul electronic la zona de lucru trebuie să fie drept;

� fasciculul de electroni și zona de îmbinare prin sudare trebuie să fie precis

aliniate;

� adâncimea de pătrundere a sudurii este foarte mare; aspectul de formă al

secțiunii de sudare (raportul dintre grosimea tablelor și lățimea rostului de

sudură) poate depăși 20:1;

� se pot prelucra table cu grosime minimă hmin = 0,05 mm;

� pentru table de grosime mare trebuie prevăzute treceri multiple de sudare

(cordoane de sudare suprapuse), maximul înălțimii ce poate fi sudată la o

singură trecere este de 75 mm.

� grosimea maximă a tablelor ce se pot suda (în mod uzual, în mai multe

trecerii):

- hmax = 450 mm – pentru aliaje de aluminiu și magneziu;

- hmax = 300 mm – pentru oțeluri carbon, slab aliate și inoxidabile;

- hmax = 100 mm – pentru aliaje de cupru;

� se sudează fără dificultăți table de grosime mult diferită


• Efectele de tip tensiuni mecanice, zone afectate termic, strat resolidificat și deformări

mecanice, sunt foarte reduse în cazul acestui procedeu, datorită densității de putere

ridicate, focalizării precise și a penetrării puternice a fasciculului de electroni.

• Vacuum-ul din camera de lucru este foarte important, e necesară crearea unui vid

înaintat, pentru că altfel apare dispersia fasciculului ca urmare a ciocnirii electronilor cu

moleculele de aer.

• În timpul procesului de lucru, ca urmare a bombardării stratului exterior al piesei de

către fasciculul de electroni se produc radiații X; acestea sunt periculoase pentru

sănătatea operatorilor, de aceea se iau precauțiuni speciale privind protecția acestora,

instalațiile find prevăzute cu scuturi de protecție din plumb.


• Pereții laterali ai găurilor au o ușoară înclinare, în special în cazul găurilor adânci.

• Parametri critici ai procesului care necesită o alegere corespunzătoare și un control

strict sunt: tensiunea de accelerare, curentul, diametru fascicului focalizat și viteza de

prelucrare.

• Temperatura de topire a materialului prelucrat poate influența calitatea suprafeței

prelucrate.

• În cazul sudării lățimea rostului poate fi foarte mică (<0,1 mm) și nu este necesar

material de adaos sau fluxuri pentru protecția băii metalice topite; ca urmare se obțin

suduri de înaltă calitate, cu suprafață foarte curată, care nu necesită curățire ulterioară.

• Lucrul în vid duce la un efect de eliminare a gazelor din baia metalică topită, ca urmare

sudura este lipsită de porozități.

• În mod obișnuit se obțin rugozități Ra = 0,4 ... 6,3 µµµµm.

• Toleranțele dimensionale posibil de obținut sunt în intervalul ±0.015 ... ±0.125 mm. În

cazul sudării sunt în funcție de precizia componentelor ce urmează să fie sudate și de

modul de fixare în timpul sudării.

11.5. PRELUCRAREA CU PLASMĂ (PLASMA MACHINING – EBM)


O coloană de plasmă, cu temperaturi ce ajung la 20000°C, este creată într-un dispozitiv numit plasmatron, prin comprimarea unui flux de gaz ionizat (gaz plasmagen, de regulă argon) care trece printr-o duză cu pereți răciți cu apă. Coloana se formează în jurul unui arc electric ce se stabilește între un electrod nefuzibil, de regulă din wolfram, și electrodul pereche, care poate fi piesa sau corpul plasmatronului (Fig. 11.5). Coloana de plasmă furnizează energia termică necesară pentru topirea materialului de prelucrat. Depinzând de aplicație:

• materialul topit este îndepărtat din zona de lucru, prin insuflarea lui de către jetul de gaz plasmagen (plasmatron convențional) sau de un jet de gaz de asistență (plasmatron de tip dual-flow) – cazul prelucrărilor dimensionale: găurire, tăiere;

• materialul piesei este topit, este topit și un material de adaos, urmând ca acestea să se amestece în baia metalică topită ce se formează, să se solidifice și să formeze cusătura sudată – cazul sudării; în acest caz duza plasmatronului este de tip dual-flow, fiind astfel contruită încât permite aducerea în zona de lucru și a unui gas de protecție (shielding gas).



• Prelucrarea cu plasmă se aplică majorității materialelor care conduc curentul

electric, în special pentru oțeluri inoxidabile, aliaje de aluminiu, cupru, nichel, aliaje refractare și metale prețioase.

• Nu este recomandată pentru fontă, aliaje de magneziu, plumb, zinc.


• Plasmatroanele pot fi portabile (acționate manual de către operator) sau se fixează

pe sisteme de transport automatizate (sisteme de tip portal, brațe robotizate, etc.).

• Se poate lucra în curent continuu (de cele mai multe ori) sau în curent alternativ.

• În cazul sudării se poate lucra cu intensități mici ale curentului (mod de operare

denumit melt-in fusion) sau cu curenți mari (mod de operare denumit keyhole

fusion); priml mod de operare asigură deformări mici în urma sudării, iar al doile e

de preferat când se prelucrează table groase.

• Alegerea gazelor de lucru și a proporției dintre ele este importantă:

- gazul plasmagen este de regulă argon; poate fi și amestec de argon cu

hidrogen;

- gazul de protecție poate fi amestec de argon cu hidrogen (pentru aliaje de

aluminiu), dioxid de carbon (pentru oțeluri inoxidabile) sau aer sau oxigen

(pentru oțeluri obișnuite).

Fig. 11.4. Schema de principiu pentru prelucrarea cu fascicul de electroni


• Prelucrările dimensionale cu plasmă: tăiere, decupare, profilare, se aplică tablelor

până la o grosime de aprox. 40 mm, utilizându-se modul de operare de tip key-hole.

• Prelucrare prin sprayere cu plasmă: un material sub formă de fir, vergea sau

pulbere este topit cu ajutorul plasmei, concomitent are loc insuflarea particulelor

rezultate (sprayerea) spre suprafața piesei unde acestea se depun și se solidifică sub

forma unui strat subțire de suprafață, care îmbunătățește proprietățile materialului

de bază (de ex. rezistența la uzură, rezistența la coroziune, etc.).


• În cazul sudării cu plasmă viteza de sudare variază de la 0,4 m/min (sudare manuală) la

3 m/min (sudare automatizată).

• Sudarea cu plasmă este o alternativă la sudarea cu arc electric în mediu de gaz

protector de tip WIG; circuitele electrice sunt însă mai complexe și sunt necesare:

controlul suplimentar al curentului de arc și deionizarea apei de răcire, fapt ce adaugă

costuri și precauțiuni suplimentare legate de operare/întreținere și mentenanță.

• Procedeu viabil economic pentru producție de unicate și serie mică.

• Costul sculelor este scăzut spre moderat.

• Costul echipamentelor de prelucrare (instalații de tăiere sau sudare cu plasmă) este în

general ridicat.

• Costul direct cu munca este moderat.

• Costurile cu finisarea după prelucrare sunt mici.

APLICAȚII TIPICE

• Construcții sudate din tablă.

• Construcții sudate de tip sisteme de conducte.

• Componente de motoare.

• Elemente ale echipamentelor domestice.


• Complexitatea proiectării este ridicată.

• Se poate utiliza pentru suduri de tip cap-la-cap (butt), suprapuse (lap), de colț (fillet), pe

muchie (edge).


• Se recomandă proiectarea cordonului de sudare astfel încât să fie cît mai simplu, dacă e

posibil să fie intermitent, astfel încât să se utilizeze cât mai puțin material.

• Proiectarea și croirea tablelor care vor fi sudate trebuie făcută astfel încât să se

minimizeze deformările construcțiilor sudate care apar după solidificarea cordoanelor

de sudură.

• Proiectarea și croirea tablelor care vor fi sudate trebuie să aibă în vedere accesul în

zona de îmbinare pentru materialul de adaos și pentru curățare și inspectare post

sudare.

• Se preferă sudarea în poziție orizontală, însă se poate face și sudare în poziție verticală

folosinduse un debit crescut de gaz de protecție.

• La sudarea tablelor subțiri nu este necesar material de adaos.

• Se pot prelucra table cu grosime minimă hmin = 0,05 mm.

• Grosimea maximă a tablelor ce se pot suda (în mod uzual):

- hmax = 3 mm – pentru aliaje de aluminiu

- hmax = 6 mm – pentru aliaje de cupru și aliaje refractare

- hmax = 10 mm – pentru oțeluri

- hmax = 13 mm – pentru aliaje de titan

- hmax = 15 mm – pentru aliaje de nichel.

• Pentru table de grosime mai mare de 10 mm trebuie prevăzute treceri multiple de

sudare (cordoane de sudare suprapuse).

• Este dificil să se sudeze table de grosime mult diferită.


• Sudarea cu plasmă produce construcții sudate de înaltă calitate cu deformații mici, sau

chiar lipsite de deformații.

• Procedeul permite un control bun al stabilității arcului electric și al penetrării

materialului de prelucrat.

• Asigură posibilitatea inspecției cusăturilor sudate (se pot folosi metode nedistructive).

• În cordonul de sudură nu se transferă wolfram, din electrodul de lucru, spre deosebire

de sudarea WIG, unde acest lucru se întâmplă.

• Prepararea corespunzătoare a muchiilor piesei (rostul) pentru sudare și curățirea post

sudare sunt foarte importante.

• Se folosesc dispozitive de fixare pentru menținerea poziției pieselor în timpul lucrului.

• În jurul zonei de prelucrare apare întotdeauna o zonă afectată termic, dacă e necesară

restaurarea proprietăților materialului în această zonă, se vor prevedea procedeele

necesare.


• Nu se va lucra în exterior atunci când condițiile atmosferice implică vânt, pentru că

gazul de protecție poate fi disipat.

• Materialul de adaos trebuie manevrat astfel încât capătul lui să fie în zona de acțiune a

gazului de protecție, pentru a nu se oxida.

• Duza de lucru este utilizată pentru a crește gradientul de temperatură în arcul electric,

concentrând astfel căldura; arcul electric este mai stabil și mai puțin sensibil la variația

lungimii lui (care are loc inerent atunci când se sudează manual și operatorul menține

cu dificultate constantă distanța dintre electrod și piesă).

• Alinierea corectă a orificiului duzei plasmatronului cu electrodul de lucru din wolfram

este foarte importantă pentru o operare corectă.

• Parametri importanți pentru bune rezultate la sudarea manuală cu plasmă sunt:

parametri de curent, debitele gazului plasmagen și al celui de protecție, poziția

pistoletului de sudare și viteza de sudare.

• Sudabilitatea materialului de prelucrat depinde de compoziția sa chimică,

microstructură, mărime de grăunți cristalini și de proprietățile lui fizice: conductivitate

termică, căldură specifică, coeficient de dilatare. Sudabilitatea determină posibilitatea

de sudare și calitatea sudurilor ce se pot obține. O sudură de calitate trebuie să aibă

rezistență mecanică foarte apropiată de cea a matealului de bază și trebuie să fie lipsită

de porozități și crăpături.

• Sudarea cu plasmă asigură o suprafață excelentă a cordonului de sudare.

• Toleranțele dimensionale posibil de obținut în urma sudării cu plasmă sunt în funcție de

precizia componentelor ce urmează să fie sudate și de modul de fixare în timpul sudării;

în mod obișnut se obțin toleranțe de ±0.25 mm.

capitolul 11. procedee de prelucrare...

Documents