1. Tendinţe actuale in domeniul tehnicilor şi tehnologiilor speciale de fabricare şi

reparare a autovehiculelor

Pentru a satisface exigenţele manifestate faţă de calitatea, costul şi performanţele

autovehiculelor, preocupările specialiştilor sunt îndreptate în direcţia valorificării în practică a celor mai noi cuceriri ale ştiinţei prin elaborarea de tehnologii revoluţionare în domeniul metalurgiei metalelor şi aliajelor feroase şi neferoase, prelucrării metalelor şi nemetalelor prin procedee neconvenţionale, automatizării şi robotizării proceselor de fabricaţie şi montaj, conceperii şi realizării unor sisteme de proiectare, încercare, reparare şi control al producţiei asistate de calculator.

Prin aplicarea tehnicilor şi tehnologiilor moderne la conceperea, fabricarea şi testarea autovehiculelor moderne se asigură îmbunătăţirea randamentelor motoarelor şi transmisiilor, reducerea componentelor poluante din gazele de eşapament, afirmarea caroseriilor cu forme aerodinamice din materiale rezistente la acţiunea agenţilor corozivi, în condiţiile ameliorării confortului, creşterii sarcinii utile şi simplificării operaţiilor de întreţinere şi exploatare.

Caracteristicile principalelor tehnologii de vârf aplicate la proiectarea, fabricarea, repararea şi controlul calităţii autovehiculelor moderne vor fi analizate în detaliu în cele nouă capitole ale lucrării.

1.1 Materiale utilizate în construcţia autovehiculelor moderne O tendinţă ce se manifestă, în domeniul materialelor din care se execută piesele de autovehicule este aceea a înlocuirii fontei cu aluminiul şi aliajele sale, masele plastice şi materialele compozite (ponderea greutăţii materialelor ce intrau în construcţia unui autoturism produs de General Motors in anul 1988 se prezenta astfel: fontă 10,5 %, oţel 60%, aluminiu 6,7%, plumb 0,7%, cupru 1,0%, zinc 0,3%, sticlă 2,7%, cauciuc 2,8%, materiale plastice 9,0% alte materiale 6,3%). Pentru modelele de viitor, marile firme producătoare de autoturisme extind nomenclatorul reperelor ce vor fi realizate din materiale neconvenţionale. Astfel, dacă la autoturismele europene de clasă medie aflate în producţie (Volkswagen Golf si Audi 100) greutatea pieselor de aliaje uşoare şi materiale plastice reprezintă 8...10%, iar la cele japoneze 16% (Datsun), aceasta va ajunge în viitorii ani la 20...35% (Renault, la modelul experimental EVE, utilizează piese din aliaje uşoare şi materiale plastice a căror greutate reprezintă 35% din cea a autoturismului; Peugeot, pe prototipul experimental VERA foloseşte 167 kg piese din materiale plastice şi compozite; Porsche 928 are in construcţie 70 de repere din aluminiu, cântărind 265 kg, ceea ce reprezintă 29% din masa totală; Fiat a inclus în concepţia modelului VSS piese din materiale plastice, care deţin 25% din greutatea vehiculului). Datorită posibilităţilor de obţinere economică, prin procedee moderne de turnare şi prelucrare, bunei rezistenţe la coroziune, conductibilităţii termice ridicate, aspectului plăcut şi greutăţii reduse, a reperelor din aluminiu, o serie de piese cum sunt blocurile motoarelor, chiulasele, pistoanele, cilindrii (Mercedes foloseşte tehnologia elaborată de Reynolds Metals la turnarea blocului motor din aliaj supereutectic pe bază de aluminiu cu 17% siliciu; pistoanele şi cilindrii se execută din aluminiu tratat special împotriva coroziunii; cămăşile cilindrilor sunt finisate după lepuire cu scule diamantate şi supuse ulterior decapării electrochimice), radiatoarele, carcasele cutiilor de viteze, ambreiajelor, diferenţialelor, punţilor şi alternatoarelor, accesoriilor sistemelor de frânare şi direcţie; elementele de caroserie şi ornamentele, jantele etc. se execută din aliajele acestui material.

1

Temperatura ridicată din exploatare şi aciditatea crescută a uleiurilor întrebuinţate la ungerea motoarelor diesel de mare turaţie impun folosirea unui aliaj special aluminiu-siliciu (Al-11 Si-1 Cu) pentru lagărele de alunecare ale arborelui cotit. Aliajul acesta este superior celui cu staniu (Al-20 Sn-Cu). Comparând rezultatele mecanice şi densităţile diferitelor materiale, rezultă că o piesă din aluminiu cu masa de 1kg poate înlocui una din fontă de 2,2kg. Dacă se mai adaugă la aceasta şi economiile de 0,5kg material care se obţin prin efectele dependente (uşurarea motorului, transmisiei, suspensiei etc.), reiese că unui kilogram de aluminiu utilizat în construcţia unui automobil, îi corespunde o reducere a greutăţii totale a acestuia cu 1,7kg. Un salt în modernizarea autovehiculelor l-a constituit introducerea materialelor plastice, mai întâi ca înlocuitoare ale celor tradiţionale (piele, materiale textile naturale, arcuri metalice), iar o data cu apariţia ABS-ului, poliuretanului, policarbonaţilor, poliacetatului, fluorocarbonului, răşinilor acrilice etc. ca elemente de bază pentru piese cu rol decorativ şi funcţional. Această evoluţie a continuat cu soluţii îndrăzneţe, care au condus la apariţia unor materiale cu proprietăţi complet noi, obţinute prin combinarea răşinilor cu fibrele sintetice de mare rezistenţă şi foliile metalice. Printre reperele reprezentative fabricate din materiale plastice şi compozite se pot menţiona uşile, aripile, capotele motorului şi portbagajului, planşeul pavilionului, paraşocurile, grilele, ornamentele, volanul, tabloul şi accesoriile panoului de bord, consola, scaunele, tapiţeria interioară, arborii de acţionare (realizaţi din fibre de aramid 70% şi răşini epoxidice 30%), geamurile spate şi laterale (din Lusita SAR- Super Abrasive Resistent Schelet), reflectoarele şi dispersoarele farurilor (din policarbonat transparent acoperit cu o peliculă de lac rezistent la abraziune), axele punţilor spate (65% fibre de sticlă şi 35% SMC – Sheet Molding Compound), lămpile de poziţie şi semnalizare, circuitele electrice flexibile, bacurile şi separatoarele acumulatoarelor electrice, rezervoarele, conductele sistemelor de alimentare şi de frânare, ventilatoarele, lagărele de alunecare şi rostogolire, bazinele radiatoarelor, rotulele şi calotele sistemului de direcţie, filtrele de aer, combustibili şi lubrifianţi, pinioanele, bielele motoarelor, arcurile, barele de torsiune, arborii cardanici etc. (fig1.1). Fabricarea în serie a automobilelor construite numai din materiale plastice este în prezent o viziune în curs de materializare. În acest sens, deja au fost explorate noi concepţii constructive în care oţelul constituie suportul panourilor caroseriei, elementelor de acţionare, roţilor şi habitaclului din polimeri. Materialele plastice şi compozite pătrund în construcţia motoarelor. Astfel motorul HOLTZBERG (fabricat in SUA) cu 4 cilindri şi puterea de 234kW are 60% din piese (colectorul de admisie, bielele, fustele pistoanelor, părţi ale supapelor, carterele, capacele, pinioanele) fabricate din materiale plastice speciale (TORLON – un polimer cu rezistenţă foarte ridicată la tracţiune): motorul model 234 al firmei Polimotor Research (SUA), cu putere de 130kW la 5800rpm (4 cilindri, cilindreea totala 2,3 dm3, 16 supape) introdus în fabricaţia de serie, are blocul şi chiulasa din materiale plastice. Materialele ceramice, cum sunt nitrurile şi carburile de siliciu, carburile şi nitrurile de bor, titanatul de aluminiu, oxidiul de zirconiu, silicatul de magneziu-aluminiu, etc., datorită conductibilităţii şi dilatării termice reduse, bunei porozităţi şi calităţilor antifricţiune acceptabile, precum şi simplităţii tehnologiilor de execuţie a pieselor, se extind ca înlocuitoare ale celor tradiţionale în construcţiile supapelor, scaunelor şi ghidurilor de supape, camerelor de ardere divizate, izolatorului termic al capului pistonului, colectoarelor de evacuare, rotoarelor turbinei. Pentru confecţionarea caroseriilor automobilelor moderne se foloseşte tabla Monogal (protejată galvanic prin zincare pe una din feţe şi acoperită pe cealaltă cu o pelicula

2

protectoare de pulbere de fier şi aliaj de zinc) sau cea ZINCROMETAL. Zincrometalul este un sistem bistrat aplicat continuu pe o tablă de oţel laminată la rece. Primul strat (DACROMET), cu grosimea de 2µm, este realizat dintr-o soluţie apoasă ce conţine ca elemente principale acidul cromic şi pudra de zinc, iar al doilea (ZINCROMET) este o răşină bogată in zinc, special studiată pentru a permite sudarea prin rezistenţă.

Fig. 1.1. Piese din materiale plastice (poliacetat, polipropilenă de mare densitate, polipropilenă, polietilenă

de joasă presiune, polivinilclorid, polibutiletereftalat, polietiletereftalat, materiale plastice pe bază de fluor) folosite în construcţia autoturismelor moderne (punctele înnegrite).

1.2 Tratamente termice neconvenţionale şi tehnologii moderne de prelucrare a pieselor de automobile Domeniul tratamentelor termice se află în plină modernizare. Computerele şi microprocesoarele joacă un rol prioritar în dirijarea şi controlul proceselor, roboţii reprezentând elementul cheie în noile sisteme de tratament termic şi termodinamic. Performanţe spectaculoase, în domeniu, se obţin prin extinderea nitrurării şi carburării ionice, aplicarea la nivelul industrial a procedeelor de aliere superficială prin implantare ionică şi a tratamentelor termice în vid etc. În domeniul călirii, se impun tot mai mult tratamentele termice cu laseri (firma MAN aplică acest tratament la cămăşile cilindrilor). Pe viitor apa şi uleiul de răcire se vor înlocui cu polimeri de tip polivinilpirolidon. Printre tehnologiile moderne folosite la fabricarea diverselor componente ale sistemelor autovehiculelor se află şi cea a metalurgiei pulberilor.

Avantajele aceste tehnologii, în comparaţie cu turnarea, sunt foarte mari. Astfel, daca pentru 1000 piese uzinate se consuma la turnare până la 3000 tone metal, pentru cele sinterizate, se foloseşte de două ori mai puţină materie primă, iar suprafeţele productive se reduc cu 30%.

Piesele sinterizate pot fi atât pinioane, arbori şi lagăre de alunecare, cât şi cămăşi de cilindri. Cămăşile de cilindri, presate izostatic, sunt mai ieftine cu 20...40% faţă de cele turnate centrifugal şi prelucrate mecanic. Deşeurile se reduc în acest caz cu 50...80%.

Procedeele speciale de turnare, cum sunt turnarea sub presiune, în forme vidate, sau cu modele gazificabile, folosite pentru piesele din materiale şi aliaje cu compoziţii chimice şi structurale deosebite, au o largă aplicabilitate în industria de autovehicule.

3

Extrudarea la rece de mare precizie a supapelor, plunjerelor pompelor de injecţie, corpurilor pulverizatoarelor etc., se extinde datorită creşterii de 1,5...3,0 ori faţă de metodele clasice, a coeficientului de utilizare a oţelurilor aliate.

Dacă în prezent la procedeele convenţionale de prelucrare mecanică s-a ajuns la viteza de aşchiere de 500m/min si de avans de 80mm/s, pentru viitor se prefigurează atingerea unor valori ale acestora de 1000m/min, respectiv 250mm/s, prin utilizarea sculelor abrazive din nitruri ionice, sau cu diamante sintetice monogranulare.

Electrotehnologiile bazate pe prelucrările prin electroeroziune, eroziune electrochimică, cu ultrasunete, fascicul de electroni, plasmă şi laseri îşi lărgesc aria de acţiune în industria de autovehicule.

Laserii sunt însă prea puţini valorificaţi faţă de posibilităţile pe care le oferă. Domeniile insuficient exploatate sunt: tratamentele termice, operaţiile de debitare, sudare şi control al calităţii.

1.3 Proiectarea şi fabricarea asistată de calculator în domeniul autovehiculelor Dacă nu cu mult timp în urmă proiectarea asistată de calculator se mărginea la analiza de element finit şi la pachete de programe care rezolvau probleme specifice organelor de maşini sau rezistenţei materialelor, în prezent se înglobează în acelaşi concept, comunicaţia om-sistem prin intermediul graficii interactive, sisteme de gestiune a datelor grafice, metode şi programe aplicative. Grafica interactivă, care cuprinde modele şi tehnici de colectare a datelor, pe şi la un display grafic, prin intermediul calculatorului, s-a dovedit a fi mijlocul cel mai eficient de comunicare a omului cu calculatorul. Ea a permis conceperea unui dialog între om şi calculator, care să ţină seama de importanţa factorilor umani în acceptarea sau respingerea unui sistem de proiectare asistată de calculator, să furnizeze secvenţe de interacţiune simple, consistente, evitând saturarea utilizatorului cu prea multe opţiuni şi stiluri de comunicare cu programele, să îndrume beneficiarul asupra interacţiunii adecvate în fiecare etapă a procesului de prelucrare, să-i furnizeze reacţii corespunzătoare, permiţându-i în cazul unei manipulări eronate, să reia cu uşurinţă şi fără pierderi mari programul. Sistemele de proiectare asistată de calculator (CAD – Computer Aided Design sau CAO – Conception Assistée par Ordinateur) reprezintă ansamblul de ajutoare informatice utilizate în toate fazele concepţiei unui produs (creaţiei, calcule, desen). Sistemul cu unul sau mai multe calculatoare, care preia o serie de sarcini făcând parte din pregătirea, organizarea si comanda execuţiei pe maşinile unelte cu comandă numerică (MUCN) este cunoscut sub prescurtarea CAM (Computer Aided Manufacturing) sau FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur). Atunci când atât concepţia cât şi fabricaţia sunt asistate de calculator sistemul se întâlneşte sub denumirea CAD-CAM sau CAO-FAO. (Fig. 1.2)

4

Fig.1.2. Schema structurală a sistemului CAD/CAM

Inginerul proiectant foloseşte, în cadrul sistemului CAD, ecranul de vizualizarea al computerului ca planşetă de desen. El dispune pe lângă display şi de o tastatură, o tabletă grafică şi un joystick (în limbaj curent „mouse” – şoricel) cu ajutorul căruia sunt introduse informaţii grafice. Proiectantul vizualizează, de regulă, numai segmentul pe care doreşte să-l prelucreze. Bineînţeles, ansamblul poate fi prezentat în întregime, dar la o scară adecvata. Dacă se doreşte scoaterea în evidenţă a unui detaliu, acesta va fi vizualizat cu ajutorul unui reticul; se apasă pe o tastă şi el va apare pe ecran. Viteza de apariţie depinde de capacitatea de calcul a computerului. Desenul nu poate să apară daca nu a fost stocat în memoria de imagini a calculatorului. Când se dispune de un program corespunzător, diferitele elemente pot fi reprezentate şi tridimensional, modificându-se dacă se doreşte unghiul din care sunt privite. Conectând instrumentele grafice (plotterele) la calculator se pot obţine cu rapiditate desene cu o precizie de zecimi de milimetru. Inversând operaţiile, se poate introduce direct in computer, cu ajutorul unui program adecvat şi o machetă a ansamblului. În acest scop, prin fotogrametrie calculatorul preia numeric coordonatele diverselor puncte caracteristice ale machetei. Suprafeţele se modelează matematic si eventualele neregularităţi sunt corectate. Sub forma unui stoc de date, calculatorul dispune de o machetă virtuală mai precisă ca cea originală. Această machetă va fi etalonul pentru proiectanţi şi tehnologi. Pe baza datelor înmagazinate, calculatorul elaborează programele pentru maşinile unelte şi mijloacele de control. În condiţiile în care problemele de concepţie devin din ce în ce mai complexe, necesitând luarea în considerare şi prelucrarea unei enorme cantităţi de date, asistarea proiectării şi fabricaţiei de către calculator apare ca oportună şi de neevitat, dacă se doreşte o

5

scurtare a timpului de inovare – perfecţionarea produselor cu grad sporit de complexitate ce trebuiesc adaptate continuu programului tehnic. Această urgenţă este reclamată şi de faptul că, în prezent, 60% din timpul de lucru din birourile de studii şi proiectări este consumat pentru pregătirea documentelor de fabricaţie, plecându-se de la proiectele existente, 30% este consacrat noilor variante şi doar 10% este folosit pentru creaţie. Daca in costul unui produs concepţia nu participă, in medie, decât cu 10%, rezultă că 70% din aceasta depinde de valoarea proiectului iniţial. O aplicaţie directă a proiectării asistate de calculator este cea a conceperii şi studierii caroseriilor de autoturisme. Pentru aceasta trebuie să se dispună de sisteme software corespunzătoare. Studiul aerodinamic, la scara 1:1, al noilor modele, trebuie sa-l completeze pe primul (instalaţii adecvate pentru astfel de încercări au în Europa Volkswagen, Daimler-Benz, Pinifarina, Institutul St. Syr, MIRA-Motor Industry Research Association).

Cercetările ample şi costisitoare ale unor firme cu renume au condus la definirea unor modele de serie cu coeficienţi de rezistenţă aerodinamică reduşi (Audi 100 – Cx=0,3; Peugeot 205 – Cx=0,316; Ford Sierra – Cx=0,32; Mercedes 190 – Cx=0,33; Toyota Corolla – Cx=0,34; Austin Power Maestro – Cx=0,36). Performanţe de excepţie s-au înregistrat pe modelele „Unicar” (Cx=0,23 – Germania), „Banană” (Cx=0,15 – Centrul de cercetări Pinifarina) şi DACIA 500 (Cx=0,249 – INMT).

Prin conceperea motoarelor cu ajutorul calculatorului, în scopul optimizării proceselor de formare a amestecului şi arderii, electronizarea sistemelor de alimentare şi aprindere, echiparea cu microprocesoare a grupurilor motopropulsoare, introducerea de materiale moderne in construcţia elementelor de bază al mecanismului motor, şi aplicarea tehnologiilor neconvenţionale la fabricarea şi montajul acestora se vor putea asigura performanţe maxime de putere, cuplu şi economicitate, în condiţiile reducerii la minimum a poluării chimice şi sonore.

Necesitatea creşterii eficienţei tehnice-economice în activitatea industrială a determinat utilizarea calculatorului şi în pregătirea tehnologică (CAPP – Computer Aided Planing), controlul calităţii (CAQ – Computer Aided Quality), activitatea de service (CAS – computer Aided Service) şi reparaţii (CAR – Computer Aided Repairs). Aceste sisteme împreună cu cele de proiectare şi fabricare (CAD/CAM) sunt componente ale fabricaţiei integrate cu calculatorul (CIM – Computer Integrated Manufacturing). Conceptul CIM este un sistem complex, cu reacţie în buclă închisă, în care intrările primare sunt necesităţile privind ansamblurile ce trebuiesc realizate şi parametrii lor tehnico-funcţionali, iar ieşirile sunt produse finite, montate, controlate şi gata pentru a fi date în exploatare. Sistemul este o combinaţie de programe şi echipamente în cadrul căruia se realizează proiectarea produselor şi proceselor de fabricaţie, planificarea şi comanda producţiei. El presupune folosirea calculatorului în toate domeniile activităţii industriale (uzină complet automatizată). În cadrul conceptului CIM, ca o perspectiva de viitor, se prevede transferul spre calculator a tuturor activităţilor umane prin utilizarea metodologiilor de vârf specifice inteligenţei artificiale. Prin aceasta, proiectarea şi fabricaţia integrată cu calculatorul va deveni un domeniu propice pentru implementarea de sisteme EXPERT orientate spre rezolvarea unor probleme de decizie şi diagnoză. Avantajele introducerii sistemelor EXPERT constau în faptul că ele oferă mijloace evoluate de planificare, testare, simulare şi diagnoză mergând până la explicarea cauzelor posibile ale defecţiunilor care îi sunt semnalate.

6

1.4 Sisteme flexibile de fabricaţie şi montaj în construcţia de autovehicule Cerinţele pieţii fiind cele care determină tipurile şi variantele constructive de autovehicule ce trebuiesc fabricate, se impune dezvoltarea şi implementarea de sisteme de producţie capabile să asigure prelucrarea unor loturi mici de piese în condiţii de calitate, economicitate şi productivitate ridicate. Calea pentru îndeplinirea acestor obiective este trecerea de la agregatele flexibile de fabricaţie (AFF) la integrarea acestora într-un flux de materiale şi informaţii condus cu ajutorul calculatorului. Sistemul flexibil de fabricaţie (SFF) poate fi definit ca un sistem cibernetic ale cărui elemente sunt coordonate de calculator în scopul autoreglării şi optimizării prelucrărilor mecanice. El se compune din două sau mai multe celule flexibile de fabricaţie (CFF) legate printr-un sistem automat de transport (vehicule automate ghidate electromagnetic sau optic, macarale comandate de calculator etc.), care deplasează palete, piese şi scule de la o maşină la alta, sau şi de la depozitele de piese şi scule. Celula flexibilă de fabricaţie (CFF – Fig.1.3) este o unitate care are una sau mai multe maşini unelte cu comandă numerică (MUCN), de obicei cel puţin un centru de prelucrare, magazine cu mai multe palete, schimbătoare automate de palete şi scule, echipament automat de măsură. Toate elementele, cât şi operaţiile ce se execută în cadrul celulei sunt comandate de un computer (CND – comandă numerică directă), care la rândul său este conectat la un calculator principal. Diversitatea şi complexitatea problemelor ce apar în conducerea sistemelor flexibile impun ca rezolvarea lor să se facă prin configuraţii flexibile de hardware şi software, structurate ierarhic. Parcul internaţional de SFF complexe este redus. Astfel, în anul 1987, acesta număra 350 de unităţi (50 în stadiul de livrare pentru montaj), din care cele mai multe se aflau în Japonia – 100, SUA – 47, Germania – 35, Italia – 25, Olanda – 25, Franţa – 17, Elveţia – 11.

7

1.3. Celulă flexibilă de prelucrare a pieselor de tip disc sau ax: 1 – strung paralel cu comandă numerică; 2 – maşină de rectificat cu comandă numerică; 3 – dispozitiv tip „carusel”; 4 – maşină de frezat cu comandă

numerică; 5 – palete etajate cu semifabricate şi piese prelucrate; 6 – maşină de găurit.

Producţia de SFF este asigurată de 55 de firme din SUA, Japonia, Marea Britanie, Franţa, Italia, Germania, Belgia, Olanda şi Elveţia. Domeniul în care SFF găsesc o largă aplicare este cel al industriei de autovehicule (peste 49% din SFF sunt folosite la prelucrarea de piese şi sisteme pentru autovehicule).

8

Sistemul flexibile de fabricaţie permit aplicarea unor tehnologii computerizate pe maşini unelte cu CN sau CNC, tipizate, cu număr minim de operaţii, fără reglări şi intervenţia operatorilor umani în procesul de producţie. Sistemele de fabricaţie capabile să funcţioneze fără supraveghere umană dispun de senzori şi traductoare care oferă informaţii privind dimensiunile pieselor şi calitatea prelucrărilor. Palpatoarele de evaluare dimensională prin contact fac parte dintr-o primă categorie de tehnici de măsurare. Perspective deosebite deschide însă optoelectronica. Această tehnică presupune folosirea unei camere de luat vederi care reţine profilul piesei prelucrate şi îl compară cu cel aflat, sub formă numerizată, în memoria calculatorului de proces. Informaţii privind dimensiunile piesei şi calitatea prelucrării pot fi oferite şi de o rază laser sau de un fascicul de electroni, care urmăreşte conturul acestuia. Raza laser transmite date ce sunt prelucrate de echipamentul CNC al maşinii, care la rândul său introduce corecţii corespunzătoare în programele de prelucrare. În perspectivă, ca o condiţie esenţială pentru lărgirea utilizării SFF se prevede standardizarea şi unificarea ansamblurilor mecanice, electrice şi a interfeţelor, precum şi a modalităţilor de funcţionare din punct de vedere matematic. În condiţiile tehnologiilor convenţionale, manopera corespunzătoare montajului reprezintă până la 55% din cea necesară realizării produsului finit. Prin modernizarea tehnologiilor de montaj, se pot asigura creşteri importante ale productivităţii muncii în condiţiile îmbunătăţirii substanţiale a calităţii. Aceasta se poate materializa prin introducerea tehnologiilor flexibile de montaj (Fig. 1.4), care valorifică rezultatele a două direcţii de cercetare: abordarea tehnologiei ca sistem şi folosirea informaticii în domeniul montajului. Consecinţa directă este cea a trecerii comenzii sistemului tehnologic de la operatorul uman la echipamentul electronic de comandă. Un exemplu concret în domeniul sistemelor de montaj deservite de roboţi este cel realizat de Deutsche Gardner-Denver GMBH pentru asamblarea motoarelor autoturismelor AUDI. Linia de montaj, cu o lungime de 125m, are în componenţă 27 de posturi automatizate. Capacitatea liniei este de 650 motoare pe schimb. Sisteme flexibile de montaj ale motoarelor deservite de roboţi există şi în fabricile firmelor Yamaha, SAAB (linia are o capacitate anuală de 135.000 motoare în 30 variante constructive), etc. Linii robotizate pentru montajul final al autoturismelor deservite de robocare inductive echipează fabricile firmelor Ford, Volvo, Fiat, Audi, etc. De asemenea, robocarele se folosesc şi la asamblarea motoarelor cu transmisia (pe o linie cu lungimea de 820m, a firmei Opel, se pot monta 80 de modele de motoare cu 20 de tipuri de transmisii in 600 de variante; ea este deservită de 100 de robocare inductive) sau a cutiilor de viteze (SAAB – Scania). Un sistem flexibil de montaj integrat într-un sistem flexibil de producţie este structurat pe mai multe nivele (Fig. 1.5). Primul etaj cuprinde echipamentele de transfer, depozitare şi orientare, roboţii de montaj, manipulatoarele, diferitele maşini de asamblare, echipamentele de testare şi comandă. Celelalte etaje cuprind elementele care asigură integrarea sistemului de montaj în CIM. O caracteristică funcţională a sistemului de montaj este aceea a legăturilor directe ale echipamentului de comandă cu sistemele superioare sau paralele. Efectele economice ale sistemelor flexibile sunt multiple şi pentru a beneficia de ele este necesară o strategie pe termen lung adoptată în comun cu furnizorii şi utilizatorii acestora.

9

Fig. 1.4. Sistem flexibil de montare a motoarelor de autovehicule: 1 – dispozitiv pentru acţionarea benzii;

2 – robot staţionar (IRB 1000) cu deplasare liniară şi magazie de palete; 3 – robot staţionar (IRB 6, IRB 60, IRB 90) sau sistem cu masă rotativă şi europalete;

4 – picupuri manuale pe linie; 5 – staţie de montaj manual în afara liniei; 6 – staţie de montaj pe linie

10

Fig. 1.5. Sistem de montaj integrat în CIM; MAGISTRALA LAN – mijloace de comunicare între diferite sisteme şi subsisteme; AP – automat programabil; PC – calculator personal.

11

Implementarea judicioasă a sistemelor flexibile de fabricaţie asigură o eficienţă care se traduce prin: reducerea cu 50...70% a duratei ciclului de fabricaţie, diminuarea cu 20...50% a timpilor de prelucrare, îmbunătăţirea nivelului calitativ al pieselor, creşterea gradului de utilizare a maşinilor cu 40...50%, mărirea productivităţii muncii cu 200...400%, economisirea forţei de muncă 50...75%, reducerea numărului de maşini, utilaje si SDV-uri specializate în producţie cu 40...50%, micşorarea suprafeţelor productive cu 20...40% şi a rebuturilor cu 10...20%. În acelaşi timp se asigură o majorare cu 32...42% a timpilor de funcţionare în program a maşinilor unelte cu comandă numerică şi centrelor de prelucrare, iar durata de schimbare a sculelor ajunge la 4% la sistemele flexibile, faţă de 18% la maşinile cu comandă numerică şi 12% la centrele de prelucrare. 1.5 Tehnologii moderne de reparare a autovehiculelor Criza de energie şi materii prime tradiţionale a determinat intensificarea cercetărilor în direcţia conceperii unor tehnologii eficiente care să sporească durata de exploatare a diverselor organe de maşini. Prin aplicarea metodelor moderne de recondiţionare, cum sunt cele ale treptelor de reparaţie, compensatorilor, înlocuirii unei părţi din piesă sau reducerii la dimensiunile iniţiale, se pot introduce în exploatare peste 70% din piesele uzate. În aceste condiţii, investiţiile în întreprinderile de reparaţii auto sunt de 5...10 ori mai mici decât în cele constructoare, costul unei reparaţii ajunge la 50...60% din valoarea autovehiculului nou, iar consumurile de metal sunt de 10...15 ori mai mici. Procedeele noi de recondiţionare, ca metalizarea şi sudarea cu jet de plasmă, refularea electromecanică, sudarea cu fascicul de electroni şi prin frecare, acoperirile galvanice şi cu materiale termoplastice de mare rezistenţă, permit majorarea duratei de folosire a pinioanelor şi arborilor din cutiile de viteze, arborilor cotiţi, arborilor cu came, culbutorilor, supapelor, elementelor sistemelor hidraulice, de alimentare, răcire şi ungere ş.a. Studierea posibilităţilor de aplicare a celor mai eficiente soluţii de recondiţionare a pieselor uzate, proiectarea proceselor tehnologice de recondiţionare specifice reperelor caracteristice, precum şi analiza diverselor scheme organizatorice care permit efectuarea unei reparaţii de calitate într-un interval minim de timp constituie obiectul de studiu al unei noi ştiinţe de graniţă – TEROTEHNOLOGIA. 1.6 Tehnologii neconvenţionale în industria românească de autovehicule Răspunzând tendinţelor manifestate pe plan mondial, industria românească constructoare de autovehicule este supusă înnoirilor, atât în domeniul concepţiei noilor produse, cât şi în cel al tehnologiilor de fabricare. În condiţiile unor dotări materiale care nu s-au situat la nivelul cerinţelor mondiale, prin efortul, pasiunea şi capacitatea de creaţie a oamenilor de ştiinţă români şi a specialiştilor din institutele de cercetare, proiectare, producţie şi exploatare s-au obţinut autovehicule capabile să satisfacă cotele înaltelor exigenţe. Încercarea de a prezenta toate realizările deosebite din industria românească de autovehicule nu poate fi realizată, deoarece multitudinea lor ar necesita un spaţiu considerabil, iar pe de altă parte, înnoirile se succed cu o rapiditate aşa de mare, încât ce este deosebit în momentul de referinţă poate deveni cotidian peste câteva luni. Totuşi, o imagine de ansamblu asupra rezultatelor din domeniul industriei de autovehicule se poate forma pornind fie numai de la faptul ca autovehiculele româneşti, care

12

au o istorie ce nu depăşeşte 40 de ani, ating sau uneori depăşesc performanţele produselor unor firme cu tradiţie. Tehnologiile moderne de prelucrare prin eroziune electrochimică, electroeroziune, cu ultrasunete, prin deformare plastică, cu impulsuri electromagnetice şi cu ajutorul explozibililor brizanţi, sudură cu jet de plasmă şi prin frecare, extrudarea la rece ş.a., sunt aplicate în prezent în toate întreprinderile constructoare de autovehicule sau sisteme auxiliare. Din realizările notabile în domeniu, câteva merită a fi prezentate. Astfel, pentru a satisface cerinţele industriilor prelucrătoare, Institutul de Tehnică de Calcul şi Informatică (ITCI) Bucureşti, a executat şi implementat un „sistem la cheie” (ISOLDA) pentru proiectarea asistata de calculatoare. Scopul final al unei sesiuni ISOLDA este crearea unui desen oricât de complex, memorarea sa pe un suport magnetic, într-o formă care să-i permită reutilizarea, precum şi postprocesarea (obţinerea desenului la plotter-ul aflat în configuraţia sistemului, sau a programului pentru o maşină cu comandă numerică). Reducerea timpului necesar pregătirii documentaţiei de execuţie este posibilă prin elaborarea de pachete de programe pentru trasarea automată a desenelor pieselor. În acest sens, la ICSITMU – Titan s-au elaborat programe care permit desenarea automată a roţilor dinţate, arborilor, camelor, piuliţelor, reductoarelor etc. Tot la ICSITMU, s-a conceput un procesor (ROM-APT) pentru programarea automată a maşinilor cu comandă numerică. El poate fi folosit atât la programarea maşinilor unelte, cât şi ca instrument de proiectare la elaborarea unor programe de calcul pentru camele etalon şi şablon ale maşinilor de rectificat arbori cu came. Colectivele mixte de ingineri şi matematicieni de la I.N.M.T., I.P. Bucureşti şi I.C.S.I.T.A. Piteşti au elaborat setul de programe pentru corectarea, definirea formei caroseriei de autoturism şi matematizarea acesteia, pornind de la macheta de stil, la scara 1:5 sau 1:3, optimizată în tunelul aerodinamic. În scopul reducerii muncii de rutină a tehnologiilor şi normatorilor, obiectivizarea şi uniformizarea normării, eliminarea verigilor intermediare umane folosite la prelucrarea datelor tehnologice primare pentru elaborarea documentaţiei secundare de lansare, la ICTCM Bucureşti, s-a realizat un sistem de pregătire tehnologică a fabricaţiei asistată de calculator. Pentru optimizarea soluţiilor energetice ale motoarelor de autovehicule, la Universitatea din Braşov şi INMT au fost dezvoltate sisteme hardware (Fig. 1.6) şi software capabile să rezolve atât problemele achiziţiei parametrilor cu variaţia rapidă sau lentă din timpul cercetărilor, cât şi cele ale prelucrării, listării şi afişării grafice a diverselor mărimi.

13

Fig. 1.6. Schema bloc a sistemului de achiziţie şi prelucrare a parametrilor cu variaţie rapidă al proceselor

din motor: 1 – butelie cu aer la presiunea de referinţă; 2 – electrovalvă; 3 – distribuitor; 4 – unitate de calibrare; 5 – amplificatoare; 6 – punte Wheatstone; 7 – unitate de control; 8 – amplificatoare cu 2 şi 4

canale; 9 – circuite de întârziere; 10 – osciloscop; 11 – sistem de reţinere automată pe peliculă fotosensibilă a oscilogramelor; 12 – amplificator bază de timp; 13 – bază de timp; 14 – trigger; 15 –

plotter; 16 – osciloscop digital cu memorie; 17 – display; 18 – microcalculator; 19 – casetofon; 20 – calculator prelucrare;

21 – imprimantă grafică

Folosind un sistem de achiziţie şi prelucrare a informaţiilor rezultate în urma încercării pe cale a transmisiilor autovehiculelor, Universitatea din Braşov si ICSITA Piteşti au elaborat programe de calcul capabile să uşureze proiectarea cutiilor de viteze şi cercetarea comportării acestora pe stand prin introducerea unor solicitări identice cu cele din exploatare. Tehnica modernă de calcul este valorificată de ICSITA Piteşti atât în conceperea, modelarea şi execuţia machetelor caroseriilor autoturismelor, cât şi la proiectarea matriţelor şi proceselor tehnologice. Laserii şi-au găsit aplicaţii in tehnicile şi tehnologiile de aliniere, centrare, axare şi control al calităţii în industria mijloacelor de transport, elaborate de Institutul Central de Fizică şi în evaluarea distribuţiei tensiunilor mecanice din elementele mecanismului motor, prin intermediul interferometriei holografice (Universitatea din Braşov). În domeniul sistemelor flexibile de fabricaţie a ICSITMU a elaborat proiectul complex al unei linii automate cu strunguri verticale pentru prelucrarea prin strunjire a pieselor de tip flanşă, roată dinţată, tambur de frână (Fig. 1.7) etc. Linia, executată la Întreprinderea de Maşini Unelte Bacău, este dimensionată pentru o producţie anuală de 250.000 repere în două schimburi, respectiv cu o productivitate de un tambur de frână pe minut. Pe această linie se execută în regim automat următoarele operaţii: prelucrarea semifabricatelor, transferul reperelor de la o operaţie la alta, prelucrările mecanice de strunjire, degroşare şi filetare, spălarea, degresarea, conservarea, stocarea pieselor, prelucrarea şi predarea containerelor.

14

Fig. 1.7. Linie automată flexibilă pentru prelucrarea tamburilor de frână: 1 – strunguri verticale cu

platou SV 1/5; 2 – strunguri verticale cu două platouri SV 2/5; 3 – agregat de găurit şi filetat; 4 – manipulatoare MP 150; 5 – manipulatoare MP 300; 6 – manipulator MS 150; 7 – manipulator MEP 1001;

8 – instalaţie de conservare pe termen lung; 9 – instalaţie de conservare pe termen scurt; 10 – sistem de transport; 11 – staţie de paletare; 12 – sisteme de control şi comandă

În structura liniei intră 13 unităţi funcţionale, din care 9 celule flexibile automate şi 4 grupuri funcţionale automate, controlate de 16 echipamente de comandă numerică şi 13 automate programabile. Ea este deservită de 5 operatori umani, faţă de 89 cât ar fi fost necesari în cazul realizării aceleiaşi producţii pe maşini unelte convenţionale. Pentru fabricarea pieselor de tip carcasă există la I.M. Mârşa un sistem flexibil, având la bază un centru de prelucrare tip YBN-30 N. De asemenea, pentru prelucrarea pieselor din familia bolţuri funcţionează la I.M. Medgidia o celulă flexibilă. Dezvoltarea sistemelor flexibile automate de prelucrare şi montaj este condiţionată de existenţa tuturor elementelor componente. În acest sens, la ICTCM se desfăşoară un program care are drept obiectiv realizarea de sisteme de transport-manipulare interoperaţional cu robocare inductive (R.I.160, R.I.320, R.I.630, R.I.1250). Din numărul mare al instalaţiilor, tehnicilor şi tehnologiilor moderne aplicate în marile întreprinderi constructoare de autovehicule, se pot menţiona: liniile automate şi celulele flexibile de prelucrare a blocului motor şi chiulase de la Tractorul U.T.B. S.A. Braşov şi Roman S.A. Braşov, complexele de maşini unelte deservite de roboţi industriali programabili de la Autoturisme Dacia S.A. Colibaşi, Oltcit S.A. Craiova, Hidromecanica S.A. Braşov, Tractorul U.T.B. S.A. Braşov (robotul are o viteză a braţului de 1m/s, 5(6) grade de mobilitate, o precizie de poziţionare de ±0,5mm şi proprietatea de a realiza mişcări de translaţie pe o distanţă de 800mm; poate fi folosit la deservirea maşinilor agregat, efectuarea sudurilor de precizie, realizarea montajelor pretenţioase, găuriri, polizări, debitări sau aşezarea miezurilor în forme), liniile robotizate de asamblare a caroseriei, de la Autoturisme Dacia S.A. Colibaşi şi Oltcit S.A. Craiova, de vopsire şi control automat al formei acesteia de la Oltcit S.A. Craiova, sistemele computerizate de depozitare şi gestionare a pieselor şi subansamblurilor de la Tractorul U.T.B. S.A. Braşov, Roman S.A. Braşov, Oltcit S.A. Craiova, Autoturisme Dacia S.A. Colibaşi, Aro S.A. Câmpulung Muscel ş.a. Echipamentele de comandă pentru roboţi (NUMEROM 770) sunt realizate de Institutul de Cercetare Ştiinţifică şi Inginerie Tehnologică pentru Automatizări (IPA). Pentru comanda sistemelor flexibile de montaj se pot folosi calculatoarele de proces ECAROM 886 S şi microcalculatorul universal Felix-PC. Pentru proiectarea asistata de calculator în domeniul autovehiculelor se poate folosi programul AUTOCAD existent şi la Centrul de Calcul al Catedrei de Autovehicule şi Motoare a Universităţii „Transilvania” din Braşov. Infografia sau creaţia de imagini cu calculatorul în domeniul autovehiculelor permite verificarea ipotezelor de calcul, accelerarea procesului de creaţie, reducerea costurilor şi

15

detaliilor de punere la punct a fabricaţiei, ameliorarea calităţii produsului la toate nivelele, studierea micşorărilor şi operaţiilor care trebuiesc realizate de roboţii industriali, cercetarea proceselor din motor, conceperea grupului motopropulsor, simularea influenţei elementelor estetice ale autovehiculului asupra preţului acestuia pe piaţă. În acest sens, cercetătorii de la Renault dispun în prezent de un supracalculator Cray XMP 18, care permite efectuarea de calcule complexe cu ajutorul unor programe specializate (Fig. 1.8).

Fig. 1.8. Sisteme CAD şi aplicaţiile lor la Renault

1.7 Tehnologii moderne de prelucrare a semifabricatelor şi pieselor de autovehicule Fabricarea de autovehicule ale viitorului cu performanţe superioare este posibilă prin valorificarea tuturor programelor actuale din domeniile fizicii, chimiei, matematicii şi informaticii. Pentru aceasta, în ţările dezvoltate industrial (S.U.A., Japonia, Rusia, Franţa, Anglia, Germania) se desfăşoară intense cercetări fundamentale şi aplicative în scopul realizării de noi materiale metalice, ceramice, plastice şi compozite, precum şi în cel al folosirii tehnologiilor neconvenţionale la obţinerea şi prelucrarea semifabricatelor. Edificatoare sunt în acest sens progresele întocmite, pentru anul 2000, de Ministerul Japonez al Comerţului Exterior şi al Industriei. Ele arată că în domeniul materialelor, ponderea polimerilor şi compozitelor va creşte de 10 ori, a materialelor ceramice superioare de 19 ori, iar a noilor metale (amorfe) de 39 de ori. În perspectiva pe termen scurt şi mediu, în ţara noastră sunt prevăzute programe de cercetare la nivel naţional, care să focalizeze eforturile creatoare ale specialiştilor români pentru realizarea de: - noi oţeluri nealiate şi slab aliate laminate cu caracteristici superioare sau identice cu cele

ale oţelurilor aliate din prezent; - metale amorfe şi cu memoria formei, noi aliaje pe bază de aluminiu şi magneziu; - piese turnate cu pereţi subţiri din noi tipuri de fonte cu grafit nodular, slab aliate şi aliate,

precum şi din superaliaje; - produse ale metalurgiei pulberilor din materiale metalice feroase şi neferoase; - componente cu performanţe ridicate din materiale ceramice elastice, precum şi din fibre

ceramice, grafit turnat şi sinterizat, oxizi de aluminiu şi zirconiu, nitruri şi carburi de siliciu;

- noi repere din poliolefine, polimeri vinilici, polimeri şi copolimeri stirenici, poliesteri, poliamide, poliacetaţi, poliuretani, materiale plastice armate cu fibre de sticlă sau carbon;

- elemente din elastomeri stirenici, nitrilici, cloroprenici, halogenaţi, cauciucuri acrilice, poliuretanice, siliconice ş.a.;

16

- noi tipuri de materiale stratificate; - tehnologii avansate în domeniile turnării şi matriţării de precizie, metalurgiei pulberilor,

extrudării la cald şi la rece; - progrese în sectorul tehnologiilor neconvenţionale combinate de fabricare (ştanţare cu

prelucrare laser) şi de recondiţionare; - utilaje apte să asigure aplicarea în producţie a noilor tehnologii; - tehnici avansate de analiză şi control. Pornind de la aceste direcţii de cercetare, care sunt în concordanţă cu preocupările specialiştilor pe plan mondial, vor fi analizate toate tehnologiile de vârf ce pot sau sunt aplicate la prelucrarea şi recondiţionarea pieselor de autovehicule din materiale clasice sau neconvenţionale (Schema 1.1).

17

Sche

ma

1.1

18

2. Metode speciale de turnare Creşterea producţiei de piese turnate şi a exigenţelor impuse semifabricatelor ce se obţin prin această tehnică au determinat dezvoltarea unor procedee noi, cum sunt turnarea sub presiune, centrifugală, cu modele gazificabile sau volatile, în forme coji, în forme întărite cu bioxid de carbon, în forme cu modele fuzibile şi formarea în vid. 2.1 Turnarea sub presiune Metoda constă în introducerea metalului sub presiune într-o cochilă, executată din două bucăţi. Se aplică la execuţia unor semifabricate complexe (bloc motor, chiulasă, piston, carter cutie de viteze, carter ambreiaj, corp carburator ş.a. – Fig. 2.1), cu precizie indicată (grosimea pereţilor: 0,5...3,0 ±0,03...0,15mm; rugozitatea: 0,8...6,3µm; diametre minime ale găurilor: 1,0...2,5mm; abateri de la perpendicularitate: ±0,05...0,12mm, de la paralelism: ±0,02...0,10mm, de la concentricitate: ±0,02...0,05mm).

Fig. 2.1. Semifabricate turnate sub presiune: a) chiulasă; b) bloc motor; c) piston

19

Turnarea sub presiune permite realizarea de piese cu consumuri reduse de material şi evitarea, în mare măsură, a prelucrărilor mecanice ulterioare. De asemenea, se pot executa repere armate sau bimetalice. Dezavantajele se datorează limitării metodei la turnarea unor aliaje neferoase cu punct de topire sub 1300K (aliaje pe bază de Zn, Mg, Al sau Cu), uzurii rapide a matriţei şi costului relativ ridicat al cochiliei şi a instalaţiei de tehnicitate avansată. Instalaţiile pot fi cu cameră de presiune rece, pent

ului topit, maşinile de

formă este de

trebuie să asigure

r de turnat sub presiune asă su

joasă: a) maşină de turnat cu cilindru şi piston; 1 – cilindru; 2 – metal lichid; 3 – cameră de prelucrar canal de alimentare; 5 – formă;

Procesul tehnolog matizat. El începe prin transferarea metalului, aflat în stare topită, din cuptorul pentru alimentat instalaţia în cilindrul

ru aliajele cu punct de fuziune mai ridicat, şi cu cameră de presiune caldă, pentru materialele cu temperatură scăzută de topire. După presiunea de injectare a materialturnat pot fi cu presiuni joase (1...10MPa) sau înalte (100...200MPa). Viteza de injectare a materialului în 20...60m/s. La piesele cu pereţi subţiri aceasta poate ajunge la 100m/s. Maşinile de turnat sub presiune menţinerea în stare caldă a materialului lichid, dozarea şi introducerea lui în formă la presiunea stabilită, răcirea cochiliei, deschiderea şi închiderea automată a matriţei şi evacuarea piesei. Schemele de principiu ale maşinilojo nt prezentate în Figura 2.2.

Fig. 2.2. Maşini de turnat sub presiune

e; 4 – b) maşină cu cameră de compresie mobilă: 1 – comanda sistemului pneumatic de acţionare;

2 – vas încălzit; 3 – cameră mobilă; 4 – forma.

ic la turnarea sub presiune este auto

de lucru. La introducerea metalului lichid în camera de presiune, contrapistonul astupă orificiile de comunicare cu cochilia (Fig. 2.3, a). Când pistonul presează metalul fluid, se produce deplasarea contrapistonului, care deschide orificiile de alimentare ale cochiliei, permiţând injectarea. După umplerea cavităţii cochiliei, pistonul mai acţionează câteva fracţiuni de secundă, asupra materialului lichid, pentru a realiza ultima fază de îndesare. Cantitatea de metal rămasă între piston şi contrapiston, la sfârşitul procesului, se solidifică. Concomitent cu retragerea pistonului, contrapistonul se deplasează, astupă orificiile de alimentare şi ridică restul de metal solidificat la suprafaţa cilindrului. După întărirea metalului, cochilia se deschide. Prin deplasarea semimatriţei mobile, placa cu extractoare vine în contact cu un opritor. Extractoarele acţionând asupra piesei vor asigura eliminarea din cochilie a ei şi a reţelei de turnare.

20

Fig. 2.3. Principiul de funcţionare al unei maşini de format cu presiune înaltă: a) înainte de presare; b)

umplerea formei; c) evacuarea: 1 – piston superior; 2 – metal lichid; 3 – cilindru;

De regulă, in a metalului şi altul pentru menţinerea acestuia în stare fluidă şi alimentarea camerei de presiune. La încălzirea

bil, în

4 – piston inferior; 5 – arc; 6 – semicochilă fixă; 7 – semicochilă mobilă; 8 – extractoare; 9 – opritor; 10 – material în exces; 11 – curea; 12 – piston.

stalaţiile folosesc două cuptoare, unul pentru topire

cuptoarelor se poate folosi energia electrică, cea a combustibililor lichizi sau a gazelor. Cochiliile se execută din oţeluri de scule aliate. La conceperea cochiliilor, se vor evita soluţiile cu plan de separare în trepte, iar miezurile fixate vor fi dispuse, pe cât posisemimatriţa mobilă. Pentru evacuarea aerului şi gazelor din forme se prevăd canale cu adâncimea de 0,1...0,2mm şi lăţimea de 10...20mm, a căror secţiune totală ajunge la cca. 50% din suprafaţa orificiului de intrare a metalului. În scopul menţinerii cochiliilor la o anumită temperatură, în acestea se prevăd canale pentru circulaţia apei (Fig. 2.4).

Fig. 2.4. Cochilă pentru turnarea pistoanelor: 1 – partea centrală a miezului; 2,9 – părţile laterale ale

miezului; 3,8 – părţile exterioare ale cochiliei; 4,7 – împingătoare; 5,6 – miezuri pentru locaş ile bolţului; ura – la turnare, b – după turnare.

21

Înainte de turnare, se pot prinde în cochile piese din alte materiale (alamă sau oţel), care au

(Fig. 2.5).

ig. 2.5. Turnarea sub presiune

Performanţele de putere ale motoarelor pot fi îmbunătăţite, printre altele, prin

acestor pistoane.

miezurile se preîncălzesc până la temperatura de 820K. Dizolvarea iezur

torul miezurilor din sare asigură o bună

ntru

rolul de a majora rezistenţa mecanică în zonele intens solicitate. O variantă a metodei prezentate este turnarea sub presiune în vid

Fîn vid: 1 – matriţă; 2 – cameră

de injectare; 3 – metal topit (aluminiu); 4 – tub de alimentare; 5 – capac

supraalimentare. Majorarea cantităţii de aer reţinută în cilindrii motorului la sfârşitul proceselor de schimb de gaze permite creşterea debitului de combustibil injectat pe ciclu. Ca urmare se intensifică solicitările mecanice şi termice ale elementelor mecanismului motor. Încercările au arătat că pistoanele din aliaje de aluminiu, în construcţie clasică, au atins limitele superioare ale puterii specifice (40kW/dm2). În plus, la pistoanele din AlSi, caracteristicile de rezistenţă scad la temperaturi înalte. O soluţie modernă de piston pentru motoarele supraalimentate este cea care are prevăzută în partea superioară unul sau mai multe canale toroidale prin care circulă uleiul de răcire sub presiune (Fig. 2.1, c). Tehnologia actuală prevede turnarea în cochilă sub presiune aMiezurile pentru canalele de răcire se execută dintr-un amestec de metasilicat de sodiu (Na2O şi O2) şi bisilicat de sodiu (Na2O2 şi O2), în cazul turnării sub presiune, la temperatura de 1300K, din săruri topite şi sare cristalină, cu silicat de sodiu ca element de legătură, când se toarnă la temperatura de 350K într-o cochilă încălzită la 300...330K (întărirea se face în 5...7 minute prin insuflare de CO2), sau din sare cu adaosuri (max. 10%) de borax, talc şi oxid de magneziu prin presare la rece, urmată de sinterizarea la temperatura de 620...1000K şi presiunea de 25...75MPa. Înainte de turnare, m ilor, după turnarea pistoanelor, se face în 30...40 minute cu ajutorul apei. Miezurile de sare sinterizată au diametrul maxim de 90...400mm. Pistoanele cu canale de răcire obţinute cu ajuevacuare a căldurii de la partea superioară a capului, comparativ cu cele la care acestea se realizează prin introducerea în cochilă a unei serpentine din oţel sau a unui miez de nisip. Inconvenientele se datorează necesităţii spălării îndelungate cu apă fierbinte peîndepărtarea miezurilor şi asperităţilor ce rămân pe suprafeţele interioare ale canalelor şi care pot determina apariţia fisurilor în exploatare.

22

2.2 Turnarea centrifugală

Acest procedeu constă în turnarea metalului în forme metalice aflate în mişcare de taţie.

Calitatea piesei depinde de viteza de rotaţie a formei.

aţie cu turnarea în forme de nisip sau

Fig. 2.6. Cămaşă de cilindru

În schimb, apare pericolul segregării materialului. De asemenea, nu pot fi realizate

evoluţie verticală (Fig. 2.7 b) sau

ro Metoda se aplică la turnarea cămăşilor de cilindri (Fig. 2.6), bucşelor din care se uzinează segmenţii de piston şi a semifabricatelor din bronzuri, pentru cuzineţi mono sau bimetalici.

Ea are o mare influenţă asupra densităţii materialului, rezistenţei mecanice, omogenităţii compoziţiei în direcţie axială şi exactităţii formei suprafeţei libere a semifabricatului. În comparmetalice, procedeul asigură posibilitatea turnării unor piese cu pereţi subţiri sau bimetalice, economie de material, prin eliminarea reţelelor de turnare şi maselotelor (indicele de utilizare a materialului ajunge la 0,95), obţinerea unei structuri dense, apropiată de a pieselor matriţate, fără porozităţi şi oxizi, reducerea volumului de cheltuieli pentru formare şi turnare cu peste 500%, creşterea productivităţii şi diminuarea rebuturilor de 8...10 ori.

orificii cu dimensiuni exacte în piesele turnate fără miez. Turnarea se poate realiza în forme cu axe de rorizontală (Fig. 2.7 a).

Fig. 2.7. Turnarea centrifugă în forme cu axe de revoluţie: a) orizontală: 1 – semifabricat; 2 – capac

lingotieră; 3 – jgheab de turnare; 4 – strat termoizolant; 5 – tijă şi piston de împingere; b) verticală: 1 – capac; 2 – semifabricat; 3 – forma rotativă.

23

2.3. Turnarea cu modele gazificabile

Procedeul presupune turnarea metalului lichid peste un model gazificabil (volatil) din

n anul 1986 existau peste 100 de rnăto

fecte de turnare apar numai la piesele de oţel cu conţinut scăzut de carbon. Acestea rezint

onfecţionarea modelelor uta, pentru producţia de serie mică sau unicate, prin decuparea

ăcilo

e, modelele se realizează prin expandarea în matriţă. ea

xpandate sunt injectate, la temperatura de 430...490K, în

re pentru relaxarea tensiunilor

lotelor se poate face prin lipire cu ezivi

imo

rea unei membrane elastice şi permeabile la interfaţa aliaj-model care se gazeifică – nisip fără liant, reprezintă operaţia care asigură calitatea piesei turnate.

polistiren, fenopolistiren, polimetilmetacrilat (PMMA) sau stirenacrilonitril, care a fost în prealabil împachetat cu nisip uscat, fără liant într-o formă. Larga extindere a procedeului în ultimii 10 ani (îtu rii integrate ale unor firme de renume din S.U.A. – Ford şi General Motors, Italia – TEKSID şi FIAT, Canada, Germania, Rusia, Franţa – Peugeot şi Citroën, Spania, Austria, Brazilia) se datorează unor multiple înlesniri tehnologice şi economice, cum sunt: dispariţia suprafeţei de separaţie şi a bavurilor; posibilitatea plasării modelelor în orice poziţie de turnare în condiţiile obţinerii unor semifabricate cu configuraţii complexe şi toleranţe dimensionale restrânse; eliminarea miezurilor, lemnului din modele şi operaţiilor de demulare; creşterea indicelui de scoatere cu 3...18%; diminuarea substanţială a rebuturilor; micşorarea cu 40% a manoperei de curăţare şi finisare şi reducerea cu 75% a costului formelor. Dep ă, la interfaţa cu forma, o structură perlitică, urmată de o zonă feritică, dispusă acicular. Structura anormală determină o importantă reducere a rezistenţei. De asemenea, la temperaturi ridicate de turnare, grosimea stratului carburat nu este uniformă pe perimetrul peretelui piesei, fapt ce creează probleme la operaţiile următoare de prelucrare. C Modelele se pot execpl r sau blocurilor din polistiren expandat, cu ferăstraie de tip panglică sau cu fir de nichelină încălzit până la incandescenţă (diametrul firului 0,5...1,5mm) şi asamblarea părţilor componente cu ajutorul unor adezivi. În cazul producţie de serie mar Materia primă pentru modele o reprezintă granulele de polistiren, cu densitataparentă de 600...700gr/dm3, care sunt supuse unui tratament de preexpandare în camere cu vapori de apă. În urma contactului cu vaporii de apă, cu temperatura de 380...390K, densitatea granulelor ajunge la 15...30g/dm3. După uscare, granulele preeforme metalice prevăzute cu orificii prin care pătrund vaporii de apă, aflaţi la temperatura de 380...390K şi presiunea de 33...175KPa. În aceste condiţii se realizează sudarea granulelor de polistiren între ele. La terminarea procesului de sudare, matriţele se răcesc până când temperatura modelelor ajunge la 310...320K şi pot fi extrase. Modelele din polistiren sunt depozitate 190...450 ointerne acumulate de granulele de expandare, eliminarea umidităţii, de 6...8%, provenită de la aburul de expandare condensat sau apa de răcire şi stabilizarea compoziţiei chimice prin eliminarea unor componente volatile de tipul pentanului. Asamblarea modelelor, ataşarea reţelelor şi masead , lipire cu topire locală a suprafeţei de contact sau lipire cu aport de căldură şi presare. Depunerea adezivului prin pulverizare pe suprafeţele de contact, scufundareasem delului într-o baie cu adeziv cald (360K) sau „tipărirea” cu ajutorul unei benzi suport speciale cu strat de adeziv foarte precis dozat, astfel încât să nu rezulte bavuri în zonele de îmbinare, se execută pe linii robotizate de asamblare şi acoperire (Ford, General Motors, Fiat). În acest caz, un robot poate asambla într-o oră 150 de modele din patru componente. Acoperirea modelelor de polistiren cu vopsea refractară pentru realiza

24

Depunerea acoperirii refractare se face mecanizat sau automatizat, prin pensulare, scufundare sau pulverizare. Vopselele pot fi alcoolice (20% praf de grafit în soluţie de etanol – concentraţie 40%;

fractar pulverulent (praf de magnezită în emulsie de dextrină în

ă.

iren cu precizie dimensională ridicată şi cu o netezime superioară a uprafe

dat se pot introduce elemente de aliere sub formă de pulberi sau

n pulbere de ferocrom

ste de 80...90 secunde.

cu suprafeţele active metalizate

Fig. 2.8. Fazele procesului hnologic de obţinere a matriţelor din mase plastice placate prin

electrodepunere

ormarea şi gazificarea odelului

70...90% zirconiu; 10...30% nisip cuarţos şi 1...3% răşină fenolică în metanol), cu apă sau pe bază de răşini şi material reraport 7,75:1 părţi; praf de zirconiu; oxid de aluminiu; oxid de fier cu emulsie de răşină fenolică sau dextrină). Întărirea vopselei se face în timp de 20...90 minute prin evaporare, la cele pe bază de alcooli, autoîntărire, în cazul celor cu răşini şi prin uscare, în cuptoare cu temperatură controlată, la cele cu ap Polistirenul expandabil trece în stare de curgere la temperatura de 430...440K şi începe să se gazeifice la 490...520K. Modelele din polists ţelor se obţin pentru debite ale materialului injectat de 200...250 x 10-6m3/s şi viteze ale coloanei de 30 x 10-6m/s. Corpurile din polistiren expandat injectat au rezistenţa la rupere prin compresiune de 91...140KN/m2. Cenuşa rezultată prin gazeficarea lor nu depăşeşte 1%. În polistirenul neexpangranule, care vor fi injectate în matriţa de expandare cu aburul tehnologic. Alierea superficială se poate realiza şi prin acoperirea modelului din polistiren cu o pastă di(66,98% Cr; 5,45% C) şi răşină fenolică (pentru un strat de pastă gros de 5mm, la piesele din oţel, s-a obţinut o suprafaţă aliată pe o adâncime de 1mm şi o duritate de 500HV faţă de 100HV în axa piesei). Modele injectate se execută pe instalaţii tip carusel, adoptate din industria materialelor plastice. Ciclul de execuţie a unui model de mărime mijlocie, complicat, cu grosimi ale pereţilor de 5...13mm e Matriţele pentru modele se pot fabrica din aluminiu, prin procedee clasice, sau din

mase plastice termorezistenţe,

prin electrodepuneri (Fig. 2.8).

te

Fm

25

Formarea cuprinde: aşezarea modelului, centrat, în cutia de formare; acoperirea lui cu ă liant, şi îndesarea acestuia pentru a se realiza o mulare cât mai bună (Fig. nisip uscat, făr

2.9).

Fig. 2.9. Turnarea în formă cu modele gazificabile: 1 – model; 2 – vibrator; 3 – formă; 4 – amestec de

formare; 5 – vas cu metal lichid; 6 – metal lichid; 7 – strat poros; 8 – pâlnie pentru amestecul de formare; 9 – canal de turnare.

turnate sau sudate, care pot fi manip omate. De exemplu, pentru turnarea blocului unui motor cu patru cilindri, cu reţ ua de turnare centrală, se folosesc cutii de

rmar

ibrare, scuturare, presare şi vidare. Vidarea este obligatorie în zul p

resiuni, de 10...70KPa, amestecul din cutia de formare asigură

concep pe baza principiilor clasice de proiectare.

e polistiren şi de temperatura de turnare. :

tratul de

modificator, care contribuie la finisarea structurii aliajelor rnate

Pentru formare se folosesc cutii metalice tip container, cilindrice sau poligonale,

ulate de sisteme autea

fo e cu diametrul de 750mm, înălţimea de 1000mm, capacitatea de 1000kg nisip, din tablă de oţel cu grosimea de 8,0...9,5mm. Manipularea, plasarea şi ambalarea modelelor, precum şi completarea cu nisip a formelor sunt automatizate, în scopul asigurării unei productivităţi ridicate şi realizării unor piese turnate de mare precizie. Nisipul din cutie trebuie să se afle la temperatura maximă de 348K şi să ocupe sub 50% din volumul util al ramei, pentru a nu deteriora modelul. Tasarea gravitaţională a nisipului este completată prin vca ieselor cu cavităţi. Îmbunătăţirea calităţii suprafeţelor exterioare ale modelelor se poate obţine prin aplicarea unei folii, din material plastic, pe pereţii activi şi matriţei. Aplicarea unei depmajorarea rigidităţii formei şi scăderea presiunii din aceasta în timpul gazeficării modelului, ca urmare a absorbţiei vaporilor de stirol. În formele de turnare se introduce nisip cuarţos obişnuit (min. 85% SiO2) cu indicele de fineţe cuprins între 25...50 unităţi APS. Reţelele de turnare din polistiren se Sub acţiunea căldurii metalului lichid turnat are loc gazificarea modelului. Cantitatea de gaze degajate este dependentă de sortul d La contactul cu metalul lichid, modelul din polistiren suferă următoarele transformăridistrucţia termică, topirea, vaporizarea (gazificarea) şi arderea. În timpul turnării nu există (Fig. 5.10) un contact direct între aliajul lichid şi snisip al formei şi nici între metal şi modelul din polistiren. Spaţiul care le separă poartă numele de „volum de control”. Prin degajarea gazelor, rezultate în urma distrucţiei modelului, se realizează o fragmentare mecanică a dendritelor de cristalizare. De asemenea, produsele carbonice din timpul gazificării au un efect tu .

26

Fig. 2.10. Schematizarea proceselor metalurgice care au loc la turnarea cu modele gazificabile: a)

ansamblu; b) detaliu 2.4 Turnarea cu modele fuzibile Procedeul presupune parcurgerea următoarelor etape: - confecţionarea modelelor şi a reţelei de turnare prin injectarea în matriţe metalice a unui

amestec uşor fuzibil din stearină, parafină, ceară de albine, cerezină, etilceluloză, colofoniu, polistiren, polietilenă şi novolac modificat cu colofoniu;

- extragerea modelelor din matriţe după solidificarea şi răcirea amestecului; - ambalarea modelelor în ciorchine şi scufundarea acestuia într-o suspensie formată din

silicat de sodiu şi praf de cuarţ; - acoperirea suprafeţelor exterioare cu materiale refractare (nisip cuarţos, oxid de aluminiu,

etc.) şi scufundarea ciorchinelui, timp de 90…120s, într-o soluţie de clorură de amoniu; după uscare se mai aplică în mod similar 4…12 straturi în funcţie de rezistenţa mecanică pe care trebuie să o posede forma;

- eliminarea modelului fuzibil prin introducerea acestuia într-un bazin cu apă fierbinte sau în autoclave cu aburi;

- uscarea şi calcinarea la temperatura de 1200…1300 K; - turnarea aliajelor în formele calde scoase din cuptorul de uscare şi calcinarea pentru

prevenirea spargerii formelor; la tunarea pieselor mijlocii şi mari, modelele se împachetează înainte de turnare, în nisip cuarţos cu granulaţie mare.

Prin acest procedeu se pot executa piese cu configuraţii complexe fără plan de separare şi bravuri, cu abateri dimensionale de ±0,5…±0,3% şi rugozităţi ale suprafeţelor de 0,4…6,3µm, cum sunt agenţii motoarelor, carcaselor pompelor de injecţie, rotoarele şi aparatele directoare ale turbocompresoarelor etc., in condiţiile unei producţii complet automatizate.

27

2.5 Turnarea în forme coji

Forma de turnare rezultă din asamblarea a două coji subţiri din amestec refractar (nisip cuarţos 92…95% şi o răşină termoreactivă – fenol-formaldehidică pulverulentă care policondensează la 520…620K şi se întăreşte definitiv).

Succesiunea operaţiilor la confecţionarea semiformelor coji este următoarea (Fig.2.11): - placa model încălzită într-un cuptor la temperatura de 520…570K se aduce, timp de

20…30 secunde, în contact cu materialul termoreactiv (Fig. 2.11 a, b); prin înmuierea răşinii sintetice pe placa model se formează o coajă cu grosimea de 4…15 mm;

- restabilirea poziţiei iniţiale a rezervorului cu material pulverulent, scoaterea plăcii model şi introducerea ei, timp de 2…6 secunde într-un cuptor cu temperatura de 570…620K (Fig. 2.11 c);

- extragerea formelor coji de pe modele (Fig. 2.11 d) şi asamblarea acestora cu miezurile prin şuruburi, cleme elastice sau prin lipire (Fig. 2.11 e);

- introducerea formelor coji într-o cutie de formare umplută cu alice metalice sau cu amestec de formare şi turnarea metalului lichid (Fig. 2.11 f).

Procedeul se aplică la turnarea semifabricatelor din fontă cenuşie maleabilă sau grafit nodular (arbori cotiţi – Fig. 2.11 g, arbori cu came), oţel şi aliaje de aluminiu sau de cupru. Grosimea pereţilor pieselor turnate poate ajunge la 3…5 mm, rugozitatea suprafeţelor de 12,5…25µm, iar greutatea de 2,3…100kg.

Fig. 2.11. Operaţiile principale la turnarea în forme coji (a, b, c, d, e, f): 1-placă model; 2-rezervor; 3-amestec; 4-coajă; 5-model; 6-tijă; 7-nisip cu alice; 8-cutie de formare; g-arbore cotit turnat în forme coji.

28

2.6 Formarea în vid

Formarea în vid se realizează cu material de formare fără liant. Legăturile dintre granulele de nisip sunt asigurate datorită vidului. Procesul tehnologic la formarea în vid poate fi structurat astfel (Fig. 2.12): - montarea modelului pe o placă de construcţie specială, care este racordată la o cameră cu

vid (Fig. 2.12 a); - acoperirea modelului cu o folie de material termoplasat, cu grosimea de 0,05…0,1mm şi

încălzirea ei prin trimiterea unui jet de aer cald (Fig. 2.12 b); - cuplarea plăcii la instalaţia de vidare prin mularea foliei din plastic pe model (Fig. 2.12

c); - aşezarea ramei superioare pe model şi umplerea acesteia cu nisip (Fig. 2.12 d, e); - realizarea pâlniei de turnare, acoperirea părţii superioare a ramei cu o folie din plastic şi

vidarea incintei (Fig. 2.12 g); - executarea semiformei interioare prin aceeaşi metodă; - asamblarea semiformelor şi turnarea materialului lichid (Fig. 2.12 h) şi întreruperea

contactului cu camera de vid se realizează după solidificarea şi răcirea piesei (Fig. 2.12 i).

Fig. 2.12. Fazele procesul tehnologic la formarea în vid

Metoda de formare în vid asigură formarea unor piese complexe,de precizie ridicată,cu

suprafeţe foarte curate,în condiţiile în care un număr mare de operaţii sunt executate de roboţi. De asemenea se reduce substanţial consumul de energie, se asigură recircularea a 95…98% din nisip şi este uşurată dezbaterea si curăţirea.

29

3. Procedee speciale de prelucrare a semifabricatelor prin deformare la rece Tehnologia care asigură folosirea cu eficienţă maximă a materialelor şi energiei,

creşterea productivităţii muncii şi economicităţii este deformarea plastică. Deşi importanţa pieselor matriţate din oţel din construcţia autovehiculelor tinde să scadă cu o rată medie anuală de 0,5%, prin redimensionări şi utilizarea pieselor turnate din fontă cu grafit nodular, totuşi ponderea cea mai mare de matriţate o consumă acest sector. Astfel industria de automobile din Marea Britanie foloseşte 75% din piesele matriţate, iar cele din Germania 64%, Spania 70%, Suedia 59%, SUA 35%. Semifabricatele ce se prelucrează prin presare în matriţe sunt produse laminate şi trase sub formă de table, benzi, profile, bare, ţevi şi sârme.

Din grupa procedeelor speciale de prelucrare prin deformare plastică fac parte ambutisarea cu ajutorul cauciucului, hidraulică şi cu încălzirea sau răcirea criogenică a semifabricatului; extrudarea la rece de mare precizie, presarea volumică la rece, placarea şi matriţarea cu ajutorul explozivilor brizanţi sau a unor amestecuri de gaze combustibile; asamblarea, etanşarea, gâtuirea, evazarea şi bordurarea cu impulsuri electromagnetice sau electrohidraulice ş.a.

Prin aceste procedee se pot executa piese cu configuraţii complexe, într-o gamă largă de forme şi dimensiuni, cu rigidităţi mari, precizii dimensionale ridicate şi greutăţi reduse, pe instalaţii automatizate de mare productivitate.

Dezavantajele se datorează complexităţii proiectării şi execuţiei matriţelor, precum şi posibilităţilor limitate de aplicare la producţia de serie mică. 3.1.Procedee speciale de ambutisare

Ambutisarea unor materiale cu prelucrabilitate redusă, sau a pieselor cu forme complexe (elemente de capotaj şi caroserie) se poate executa cu poanson sau placă activă din cauciuc, hidraulic sau cu încălzirea sau răcirea criogenică locală a semifabricatului, rotativ sau prin tragerea pe calapod.

Ambutisarea cu ajutorul cauciucului

Metoda se aplică la confecţionarea pieselor cave din tablă subţire. Ambutisările moderne se pot realiza cu poanson din cauciuc (Fig. 3.1 a, b), în cazul pieselor cu adâncime mică ori la profilarea unor semifabricate plane, sau cu placă activă din elastomeri. La ambutisarea cu placă activă din elastomeri, rolul plăcii e preluat de o piesă din cauciuc introdusă într-o carcasă metalică. Procedeul permite realizarea unor presiuni girostatice mari, reducerea subţierii materialului şi a tensiunilor de întindere, evitarea formării cutelor, îngroşarea flanşei şi marginilor piesei.

Ambutisarea hidraulică

Deformarea materialului, în cazul ambutisării hidraulice, este realizată de un lichid sub presiune, care acţionează direct sau prin intermediul unei membrane elastice asupra semifabricatului. Ea poate avea loc în matriţe cu placă de ambutisare rigidă (rolul poansonului este preluat de lichid), sau cu poanson rigid.

Prima metoda se foloseşte la prelucrarea dintr-o singură trecere a pieselor sferice, conice sau parabolice. Ambutisarea clasică impune mai multe operaţii pentru piesele cu astfel de configuraţii.

Ambutisarea hidraulică în matriţe cu placă rigidă (Fig. 3.1 c, d) se poate executa prin introducerea lichidului cu presiune ridicată (5...20MPa) în zona de lucru. Cea de a doua

30

metodă se foloseşte pentru ambutisarea dintr-o singură trecere a pieselor cu adâncime foarte mare. Ea este asemănătoare cu ambutisarea cu poanson din cauciuc. Ambutisarea cu încălzire sau răcire criogenică locală a semifabricatului.

Din analiza procesului de ambutisare, rezultă că odată cu creşterea diferenţei dintre rezistenţa mecanică a peretelui deja ambutisat şi cea de formare a flanşei ce urmează a fi ambutisată, se pot obţine grade mai mari de deformare la o singură operaţie. Această diferenţă se poate majora prin creşterea temperaturii flanşei sau răcirea bruscă e peretelui deja ambutisat.

Încălzirea locală a zonei flanşei asigură micşorarea coeficientului de ambutisare proporţional cu creşterea temperaturii. Pentru a se putea dirija încălzirea numai în zona flanşei, în timpul ambutisării are loc răcirea părţii centrale a semifabricatului (Fig. 3.2).

Procedeul se aplică la ambutisarea aliajelor de magneziu (temperatura în zona flanşei 570...620K), titan (570...670K) şi aluminiu (600...650K).

Proprietăţile metalice ale metalelor şi ale aliajelor neferoase se modifică în funcţie de temperatură. Odată cu micşorarea temperaturii, rezistenţa la rupere, limita de curgere, rezistenţa de rupere la oboseală şi durata cresc, plasticitatea se reduce foarte puţin, iar rezilienţa se micşorează simţitor existând pericolul ca materialele să devină casante. Astfel, la reducerea temperaturii de la 290K la 85K rezistenţa la tracţiune creşte de 1,25...1,95 ori, rezistenţa la oboseală se majorează cu 150...300%, iar rezilienţa este de 4...26 de ori mai mică (Fig. 3.3.).

Dacă prin răcirea locală se realizează o creştere a rezistenţei mecanice în zonele unde apare pericolul ruperii sau fisurării, procesul de ambutisare poate continua, fapt ce determină creşterea înălţimii ambutisate (Fig. 3.4.). Pentru ca operaţia să reuşească este necesar ca temperatura în apropierea flanşei şi racordările să nu se reducă. În aceste condiţii plasticitatea materialului în zonele de racordare nu se modifică, iar gradul de deformare a materialului creşte cu 25...30% faţă de ambutisarea clasică. Drept agenţi de răcire se folosesc azotul lichid (temperatura de fierbere 78K) şi aerul lichid (temperatura de fierbere 90K).

31

Fig. 3.1. Ambutisarea cu elemente elastice: a, b – în matriţe cu poanson din cauciuc:1-placă activă, 2-semifabricatul, 3-inel de reţinere, 4-poanson din cauciuc, 5-port-poanson, 6-piesă ambutisată; c –

hidraulic în matriţe cu placă activă rigidă: 1-placa suport, 2-placă de poziţionare, 3-garnitură, 4-placă de ambutisare, 5-ştift, 6-element elastic; d – hidraulic în matriţe cu husă de cauciuc, 1-placă de ambutisare,

2-inel de reţinere, 3-husă din cauciuc, 4-placă de fixare

. Fig. 3.2. Ambutisarea cu încălzirea locală a flanşei semifabricatului: 1-poanson, 2-rezistenţă electrică, 3-

inel de reţinere, 4-placă de ambutisare

32

Fig. 3.3: Influenţa răcirii criogenice asupra rezistenţelor la rupere şi la oboseală, rezilienţei şi alungirii

relative: 1-OL37, 2-OLC45, 3-OLC60, 4-30MoCrNi20

Fig. 3.4. Ambutisarea cu răcirea locală a zonei centrale a piesei: 1-poanson, 2-tub de alimentare, 3-inel de

reţinere, 4-placă de ambutisare, 5-tub de evacuare a lichidului criogenic, 6-mediu de răcire, 7-vas de stocare Dewar, 8-reductor, 9-butelie cu azot lichid

Prelucrarea prin extrudare la rece

Extrudarea este o operaţie de deformare plastică a unui material metalic sau nemetalic, prin presarea puternică a acestuia în orificiul profilat al unei filiere, în vederea obţinerii unei piese cu pereţi subţiri şi diverse forme în secţiunea transversală. Dimensiunile pe orizontală ale pieselor extrudate sunt cuprinse între 3 şi 150mm, înălţimea lor poate fi de 2...450mm, iar

33

grosimea pereţilor de 0,1...20mm. În practica tehnologică extrudarea poate fi directă, inversă, combinată, radială şi hidrostatică.

La extrudarea directă materialul curge în sensul de deplasare al poansonului (Fig. 3.5). Procedeul se aplică la fabricarea tuburilor cu capăt închis sau deschis. Lungimea produsului nu depinde de cea a poansonului.

În cazul extrudării inverse materialul curge prin orificiul calibrat sau prin jocul existent între poanson şi placa de extrudare, în sens opus mişcării filierei (Fig. 3.5 b).

Fig. 3.5. Prelucrarea prin extrudare: a-directă, b-inversă, c-combinată, d-radială, e-hidrostatică; 1-

cilindru de lucru, 2-piston, 3-inel de etanşare, 4-fluid sub presiune, 5-semifabricat, 6-filieră (placă activă), 7-produsul extrudat

Extrudarea combinată (Fig. 3.5 c) este caracterizată prin deplasarea simultană, în

ambele sensuri, a materialului semifabricatului presat de poanson. La extrudarea radială materialul semifabricatului curge perpendicular pe direcţia de deplasare a poansonului (Fig. 3.5 d). Extrudarea hidrostatică se realizează prin aplicarea unei stări de compresiune spaţială semifabricatului ce trebuie extrudat (Fig. 3.5 e). Ca urmare plasticitatea materialului creşte, iar la trecerea lui prin zona activă a plăcii de extrudare se deplasează şi o peliculă de fluid, care va asigura o bună lubrifiere. Presiunea ridicată aplicată mediului de lucru care poate fi ulei de ricin, ulei mineral, amestec de ulei şi petrol sau apă, poate preveni formarea şi extinderea microfisurilor. Piesele prelucrate prin acest procedeu au rugozitatea de 0,10...0,32µm şi precizia corespunzătoare treptelor 6...8 ISO.

Se recomandă folosirea extrudării pentru producţia de serie mare a pieselor cu configuraţie simetrică (Fig. 3.6 a, b, c). Atunci când este necesar, în condiţii mai grele, se pot executa şi piese care nu au forme de revoluţie (Fig. 3.6 d).

Fig. 3.6. Configuraţii ale pieselor obţinute prin extrudare: a-piese pline cu

diferite forme la capăt sau la tijă, b-piese cave cu baza deformată, c-piese

cave cu suprafaţa interioară şi exterioară în trepte, d-formele pieselor

în secţiune transversală

34

Aspecte ale extrudării la rece a pieselor de autovehicule Ţevile cu pereţi subţiri, inelele de rulmenţi, cheile tubulare, buteliile, pistonaşele, roţile dinţate, piuliţele speciale, elementele aparaturii de injecţie, componentele mecanismului de distribuţie al motorului, repere ale sistemelor de răcire, ungere şi aprindere, piese din construcţia sistemelor de direcţie şi frânare etc. se pot executa din orice metal (aliaje antifricţiune: Al-Si-Cu-Mg, AlSn6CuNi; oţeluri de extrudare: OE-C10 X, OE 180CN20, Ma-8, Q-St32-3; oţeluri cu conţinut scăzut sau mediu de carbon: OLC 10, OLC15, OLC35, 15Cr 08, 18NoCN 10) care posedă o anumită plasticitate.

Elementele aparaturii de injecţie, care se pretează a fi prelucrate prin extrudare sunt bucşele de aliaj antifricţiune, cilindrii şi pistonaşele pompelor de injecţie, pulverizatoarele, piuliţele injectoarelor. Alte piese caracteristice, din construcţia sistemelor auxiliare ale motorului sau autovehiculului, ce se pot prelucra prin acest procedeu sunt: talerele şi galeţii arcurilor de supapă, tacheţii, autocamerele motoarelor cu injecţie indirectă, dopurile şi pistonaşele supapelor pompelor de ulei, reducţiile, bucşele şi pistonaşele cilindrilor receptori de frână, corpurile bujiilor, etc.

Procesul tehnologic de fabricare a bucşelor din aliaje antifricţiune constă în debitarea prin frezare a barelor turnate în cochilă, ungerea pastilelor debitate cu stearat de zinc şi extrudare inversă. Prelucrarea după această tehnologie asigură o compactare mai bună a materialului turnat, creşterea durităţii cu 50%, îmbunătăţirea caracteristicilor fizico-mecanice şi importante economii de materiale şi manoperă. Tehnologiile de grup pentru extrudarea unor repere caracteristice sunt constituite din următoarele faze de lucru (Fig. 3.7):

Fig. 3.7. Structura proceselor tehnologice la prelucrarea prin extrudare la rece a: 1-talerului arcului

supapei, 2-părtii superioare a tachetului, 3-corpului bujiei

35

- debitarea prin forfecare cu dispozitive ce funcţionează după principiul debitării semideschisă cu strângere pasivă;

- recoacerea de înmuiere a pastilelor debitate, la temperatura de 920K, pentru obţinerea unor structuri care să permită deformarea materialului;

- acoperirea prin fosfatare, cu un strat gros de 5...15µm a zonelor ce urmează a fi prelucrate, în scopul realizării unei depuneri între suprafaţa metalică în contact şi eliminării gripărilor şi uzurilor anormale;

- lubrifierea, care constă în aplicarea unui strat de soluţie de săpun de rufe (60...80g/dm³), bisulfură de molibden (MoS2) sau stearat de potasiu peste suprafaţa pregătită prin fosfatare în scopul reducerii frecării dintre piesă şi sculă;

- extrudarea şi perforarea; - recoacerile intermediare de recristalizare între diferitele etape ale procesului, pentru a se

restabili capacitatea de deformare a materialului; - prelucrarea finală pe maşini de rectificat pentru piesele de precizie ridicată.

Semifabricatele, debitate prin diferite tehnici, sunt caracterizate de următoarele precizii:abaterea de la paralelismul forţelor transversale mai mică de 3°; ovalizarea la distanţă de 0,5mm de suprafaţa frontală, inferioară valorii de 0,8mm; abaterea de la perpendicularitatea suprafeţelor sub 1,5°; gradul de ondulare, în zona de rupere, maxim 0,5mm.

Deoarece presiunea la interfaţa semifabricat-matriţă poate atinge 25MPa, pentru extrudare se folosesc piese metalice cu excentric special de 2500...4000KN, cu alimentare automată, prese cu genunchi de 4000KN, cu alimentare manuală, sau maşini automate de extrudat cu mai multe posturi de lucru (maşina automată tip GB-35-5, pentru extrudarea corpurilor de bujii, are cinci posturi de lucru).

Dacă pe maşinile automate de extrudat se obţin 4500...5000 piese/h (cadenţa reală de lucru a maşinii GB-35-5 este de 63...65 lovituri/minut), iar pe presele cu alimentare automată se realizează 2500...3000 piese/h, pe utilajele cu alimentare manuală nu se extrudează decât 450...500 piese/h. Înlocuirea tehnologiilor de prelucrare prin aşchiere cu extrudarea la rece asigură reducerea cu 300...350% a consumului de metal, creşterea productivităţii muncii cu 350...400%, diminuarea consumurilor energetice cu 50...70%, majorarea rezistenţei de rupere la oboseală cu 40...120%, mărirea durităţii cu 40...120% şi a alungirii la rupere cu 80...200%, în condiţiile unei execuţii de calitate superioară (rugozitatea suprafeţelor este identică cu cea a pieselor prelucrate prin rectificare fină şi lepuire).

Pornind de la multiplele avantaje ale acestui procedeu, în comparaţie cu metodele clasice de prelucrare, s-a extins la 150 nomenclatorul pieselor din construcţia unor autovehicule (tab. 3.1).

36

3.3. Presarea volumică de mare precizie

Procedeele speciale de presare volumică, apărute din necesitatea prelucrării unor piese cu grade mari de deformare de precizie ridicată, sunt aplicate la deformarea plastică volumică orbitală şi la prelucrarea roţilor dinţate, pieselor canelate şi filetelor.

Deformarea plastică volumică orbitală se realizează aplicând o presiune determinată prin intermediul unui cap de presare ce se deplasează ciclic pe suprafaţa semifabricatului. Presiunea de lucru nu se aplică pe toată suprafaţa ce urmează a fi deformată, ci numai pe o zonă ce reprezintă 20...30% din aceasta. Prin rotirea părţii superioare a matriţei cu 150...200rot/min si înclinarea capului cu 1°...2°, se deformează integral volumul din zona ce trebuie prelucrată (Fig. 3.8). Prin deformare plastică volumică orbitală se obţin piese ce nu pot fi realizate prin metode clasice de deformare plastică la rece, la dimensiuni finite sau cu adaosuri de prelucrare foarte mici, cu suprafeţe de calitate superioară şi cu economii importante de materiale, manoperă, utilaje şi suprafeţe productive (tab. 3.2).

Structura procesului tehnologic la deformarea plastică volumică orbitală este prezentată în Figura 3.5. El poate fi complet automatizat. În acest caz asigurându-se o reducere a manoperei cu 30% şi a consumului de energie cu 40%. Roţile dinţate şi piesele canelate de precizie medie şi ridicată cu nodule N = 2,0...0.4mm se pot executa în condiţiile producţiei de serie mare şi masă prin deformare plastică la rece (tab. 3.3.).

Această tehnologie permite înregistrarea unei productivităţi de 5...10 ori mai mari faţă de prelucrarea prin aşchiere, în condiţiile obţinerii unui fibraj avantajos orientat şi a unor rezistenţe la uzură şi la oboseală superioare cu 15...140% pieselor executate prin procedeele convenţionale.

Prelucrarea filetelor prin deformare plastică la rece asigură un fibraj corespunzător, o duritate superficială superioară, o creştere a rezistenţelor la rupere cu 20%, la oboseală cu 25% şi la uzură cu 50% şi o productivitate foarte mare.

Fig. 3.8. Deformarea plastică orbitală: 1-capul de presare orbitală, 2-semimatriţa superioară oscilantă,

3-piesa, 4-semimatriţa inferioară, 5-aruncător.

37

Tabelul 3.1. Repere executate prin extrudare la rece

38

Tabelul 3.2. Repere executate prin deformare plastică volumică orbitală

39

Fig. 3.9. Structura procesului tehnologic la deformarea plastică volumică orbitală.

Procedee de realizare a roţilor dinţate şi a pieselor canelate prin presare volumică la rece

Presare volumică cu role profilate: 1-role profilate, 2-roată dinţată; - semifabricatul are mişcarea de avans axială; - rolele sunt antrenate in mişcare de rotaţie; - se utilizează pentru module mici şi mijlocii.

Extrudarea la rece: 1-poanson, 2-semifabricat, 3-placă activă, 4-piesă cu dantură sau caneluri; - se utilizează pentru piese canelate sau roţi dinţate; - după prelucrare se taie la dimensiuni corespunzătoare lăţimii roţii.

Rulare cu cremaliere (roto-flo): 1-cremaliere, 2-semifabricatul - sculele au forma unor cremaliere prevăzute cu o zonă de atac şi una de calibrare; ele se deplasează paralel în sensuri opuse; - se pot obţine piese danturate cu dantură dreaptă sau înclinată, cu diametrul sub 700mm şi lăţimi mai mici de 200mm.

40

Rularea cu role melcate: 1-semifabricat, 2-role melcate. - două role melcate, diametral opuse, execută deformarea semifabricatului sub formă de bară; - semifabricatul este obligat să avanseze axial, executând simultan şi o mişcare de rotaţie.

Prelucrarea coroanelor danturate la exterior: 1-matriţacare realizează dantura, 2-semifabricat, 3-cilindru calibrat, 4-role pentru presare din exterior.

Procedeul Grob: 1,2-capete rotative, 3-semifabricatul. - deformarea se realizează cu ajutorul a două role, având în secţiune profilul corespunzător golului dintre dinţi; ele sunt montate excentric pe două capete rotative; - semifabricatul are mişcarea de avans axial şi circular continuu sau intermitent.

Deformarea radială locală: 1, 2 ,3 ,4 ,5 ,6-elemente active sub formă de segmente, 7-semifabricat, 8-bucşă elastică, 9, 10-role conice, 11-volant. - rolele conice sunt deplasate radial de volant; - se foloseşte la prelucrarea arborilor canelaţi.

41

3.4 Deformarea plastică şi placarea cu explozivi brizanţi sau amestecuri de gaze combustibile

Deformările plastice produse de detonarea explozivilor brizanţi sau de undele de presiune rezultate în urma arderii unor amestecuri de gaze combustibile se produc cu viteze foarte mari. Reţeaua cristalină a semifabricatelor prelucrate prin aceste procedee, fiind supusă la solicitări intense într-un interval scurt de timp, capătă o configuraţie specială, care conferă pieselor noi proprietăţi.

Deformarea plastică cu explozivi brizanţi

Acest tip de deformare a găsit numeroase aplicaţii datorită unor proprietăţi ale explozivilor ca: energii specifice mari, durate scurte ale timpilor de transformare, viteze foarte mari de propagare a undei de presiune, presiuni ridicate de detonaţie (tabelul 3.4.):

Tabelul 3.4. Caracteristicile explozivilor brizanţi

Explozivul Viteza de detonaţie [m/s]

Presiunea de deformaţie [mPa]

Plasticul 7500 14 Nobilitul 2000 2 Astrolitul 1600 0,56 Carbonitul 1500 0,45

Mecanismul deformării plastice cu explozivi este rezumat în Figura 3.10. La detonarea amestecului exploziv se produce o undă de şoc cu grosimea de 0,02mm.

Aceasta atingând semifabricatul îi cedează o parte din energia ei, şi provoacă deformarea în 10-9s. Unda de presiune, care se dezvoltă ulterior, pornind de la bula gazoasă, are un rol secundar. Presiunea din frontul undei se poate determina cu următoarea relaţie: p = K Vd (3.1), unde: m-masa explozivului; L-distanţa de la sursa detonată la piesa de prelucrat; Vd-viteza de detonaţie; K, a, b – constante.

Din analiza relaţiei (3.1) rezultă că viteza de detonaţie este factorul preponderent. Pentru realizarea unei bune deformări ea trebuie să fie mai mare de 6000m/s (plastic, hexogen, penthrit, trotil, nitromonit, hexolit şi pentalit). Masele de exploziv ajung până la 100kg, în cazul formării rezervoarelor de 50.000dm³. Distanţa de la exploziv la partea superioară a matriţei trebuie să fie suficientă pentru a permite o repartizare uniformă a presiunilor. Deformarea produsă de frontul undei de şoc are un caracter unidirecţional, ceea ce o diferenţiază de alte procedee de deformare. Ea realizează o majorare a densităţii metalului (Fig. 3.11) prin translaţia unei interfeţe bidimensionale. Fierul poate, sub acţiunea unei unde de şoc de 40GPa să fie durificat mai bine ca prin laminarea la rece, cu o infimă reducere dimensională. Materialul suferă o tranziţie de fază care lasă, după revenirea la presiunea atmosferică, o microstructură complexă asemănătoare martensitei fără carbon.

După natura agentului în care are loc transmiterea undei de presiune, procedeul se poate aplica în medii gazoase (aer) – (Fig. 3.12 a), lichide (apă) – (Fig. 3.12 b), sau pulverulente (nisip).

Metoda a găsit o largă aplicare la execuţia rezervoarelor mari, lonjeroanelor şi traverselor şasiurilor autovehiculelor grele şi elementelor componente ale benelor autobasculantelor de mare tonaj. Cercetările recente au arătat că prin deformare plastică cu explozivi brizanţi se pot realiza semifabricate pentru pinioanele tubulare din transmisiile autovehiculelor.

42

Fig. 3.10. Mecanismul deformării plastice cu explozivi brizanţi: 1-încărcătura de exploziv, 2-semifabricat, 3-matriţa, 4-bulă de gaz după detonaţie

Tehnologiile clasice permit obţinerea semifabricatelor pentru pinioanele tubulare prin

matriţare deschisă la cald (Fig. 3.13 a) după care acestea sunt supuse prelucrărilor prin aşchiere. Noua tehnologie permite lărgirea (Fig. 3.13 b) sau restrângerea (Fig. 3.13 c) în matriţă a unui semifabricat tubular.

Fig. 3.11. Variaţia densităţii metalelor deformate cu explozivi brizanţi (1) şi prin presare (2)

43

Fig. 3.12. Schemele principale de matriţare simplă sau dublă în medii gazoase (a) sau lichide (b): 1-bazin, 2-matriţă, 3-piesă, 4-exploziv, 5-absorbant, 6-piesă de strângere

.

Fig. 3.13. Soluţii de deformare plastică a semifabricatelor pentru arborii tubulari ai transmisiilor tractoarelor: a-matriţare la cald, 1,2-semimatriţe; b-lărgirea semifabricatului prin explozie, 1,2-

semimatriţe, 3-detonator, 4-exploziv brizant, 5-inele de reţinere, 6-tampon din material nemetalic, 7-semifabricatul; c-restrângerea semifabricatului prin explozie, 1-dorn, 2-capsă pentru detonare, 3-exploziv

brizant, 4-incintă din material nemetalic, 5-inel din material nemetalic

44

Fig. 3.14. Arbore tubular din transmisia tractorului: a-piesa prelucrată, b-semifabricat matriţat la cald; c-semifabricat deformat cu explozivi brizanţi

Prin aplicarea noii tehnologii la deformarea semifabricatului unui arbore tubular al

transmisiei tractoarelor (Fig. 3.14) s-au înregistrat, faţă de tehnologia convenţională, economii de materiale (3,015kg), operatori umani (1) şi timp de execuţie (5,59 minute). Totodată, s-a redus numărul de operaţii (5), utilaje (5), operatori umani (6) şi costul prelucrării (178,1lei) piesei, în condiţiile creşterii productivităţii muncii cu 246% şi simplificării procesului tehnologic.

Placarea cu explozivi brizanţi

Explozivul necesar placării se aplică sub formă de folie, praf fin, uniform distribuit, sau cordon detonant pe suprafaţa exterioară a plăcii acoperitoare. Viteza de detonaţie, densitatea şi grosimea explozivului sunt determinate astfel încât să se realizeze propulsia sau aplicarea violentă a unei plăci din metal protector (oţel inoxidabil, cupru, aluminiu, titan) pe un suport mai puţin costisitor (oţel). Natura şi rezistenţa legăturii depind de condiţiile de operare. În acest sens, placa de protecţie poate fi înclinată (Fig. 3.15 a) sau paralelă cu suportul (Fig. 3.15 b).

Fig. 3.15. Placarea cu explozivi brizanţi: a-placa acoperitoare înclinată, b-plăci paralele:1-exploziv, 2-

absorbant, 3-placă acoperitoare, 4-placă suport, 5-soclu, 6-detonator

45

În primul caz, presiunea exercitată la trecerea undei detonate are ca efect modificarea

unghiului static (α) până la unul dinamic (β) şi accelerarea plăcii până se atinge viteza de placare (Vp). Între cele două plăci se formează un jet metalic care pregăteşte suprafeţele ce vor veni în contact.

Deoarece viteza de detonaţie (VD) are sensul plăcii acoperitoare, între aceasta şi viteza de legătură există următoarea relaţie (Fig. 3.16.): VL= VD .

Viteza de placare este: VP=VD sin( . Viteza jetului de metal este dependentă de cele de legătură şi placare. S-a constatat experimental că unghiul format de direcţia jetului cu placa acoperitoare este mai mic ca fără a deveni însă nul. Pentru valori bine determinate ale vitezei de placare şi unghiului static de înclinare se pot obţine, pe suprafeţele de contact, unde sinusoidale care conferă legăturii o rezistenţă specială.

La plăcile paralele, formarea undelor este mai dificilă datorită lipsei parametrului α. Pentru realizarea unei legături foarte bune este necesară o riguroasă reglare a distanţei dintre plăci,în funcţie de natura materialelor. De regulă, rezistenţa legăturii este mai mică decât cea stabilită prin metoda plăcilor înclinate. Rezultate foarte bune ale placărilor s-au înregistrat pentru perechile de materiale: cupru-oţel, aluminiu-oţel, titan-oţel, oţel-inox, oţel-carbon.

Pentru viteze de detonaţie mai mari de 5500m/s unghiul static este cuprins între 4° şi 5°30’. În cazul plăcilor cu grosimea de 0,8...1,0mm, unghiul (β-α) este situat între 7°40’ şi 11°10’. Viteza de legătură are valoarea optimă de 4000m/s.

Legătura dintre plăci are tendinţa de a se deteriora progresiv pentru lungimi ale îmbinării mai mari de 500mm. Acest fenomen este cauzat de variaţia parcursului şi energiei cinetice a plăcii acoperitoare, formarea unor unde supersonice în piese şi rămânerea unor bule de aer între elementele ce se sudează. Examenul micrografic arată, de altfel, o reducere progresivă a frecvenţei undelor create la suprafaţa de contact pe măsura creşterii distanţei faţă de punctul de amorsare. Pentru viteze de detonaţie reduse (2800m/s) se reţin următoarele condiţii de plasare: α=2°, β-α=10°, VL=2340m/s. Respectând aceste condiţii se pot efectua suduri pe suprafeţe de câţiva metri pătraţi, în cazul aplicării unui strat de protecţie, din oţel inoxidabil, cu grosimea de 0,8...1,2mm.

Mecanismul de formare a legăturii dintre cele două metale În urma cercetării legăturii dintre placa de bază şi stratul de protecţie a rezultat că metalul se comportă, în vecinătatea punctului de joncţiune, ca un fluid nevâscos, suportul fiind incompresibil dar deformabil. Se produce astfel o acumulare de metal înaintea punctului de impact, ceea ce determină o rămânere în urmă a vitezei de legătură faţă de viteza sunetului în suport odată cu creşterea unghiului de incidenţă şi lungimii sudurii. Studiul structurii metalografice a legăturii arată că zona de îmbinare are grosimea de 1...100µm. După proporţia fiecăruia din metale în zona de legătură se disting două grupe de cupluri de materiale. Pentru prima grupă, din care fac parte cuplurile: cupru-oţel, molibden-wolfram, oţel-inox, oţel-carbon, în compoziţia zonei de legătură, proporţia unuia din metale în celălalt variază de la 0

46

la 100%, independent de solubilităţile lor reciproce. La a doua grupă (titan-oţel, aluminiu-oţel), compoziţia legăturii este constantă. Sudurile astfel realizate au o rezistenţă ridicată.

Existenţa compuşilor intermediari constituie obstacolul principal în obţinerea unor legături rezistente prin metode clasice. Zona învecinată cu cea de legătură, are, în general, o duritate mai mare ca o metalelor de bază, ca urmare a puternicei deformări plastice produse în momentul impactului. În plus, în ciocnire se eliberează o cantitate mare de căldura, care determină topirea locală a materialelor.

Calitatea legăturii poate fi apreciată prin rezultatele încercărilor de smulgere sau de forfecare. Acestea arată că ruptura se produce de regulă, în exteriorul zonei de legătură. Procedeul se poate aplica, cu rezultate deosebite, la placarea interioară a rezervelor autocisternelor care transportă produse alimentare, la protejarea pieselor ce lucrează în medii intens corozive precum şi a celor care sunt supuse la solicitări mecanice şi termice intense sau la uzuri de cavitaţie. Deformarea prin detonarea unui amestec de gaze combustibile

Deformarea pieselor mici şi medii se poate realiza în spaţii închise prin detonarea unui amestec de gaze combustibile (metan şi oxigen, acetilenă şi oxigen) (Fig. 3.17).

Fig. 3.17. Ambutisarea cu amestecuri de gaze carburante: 1-bujie, 2-intrare amestec exploziv, 3-

cilindru, 4-piston intermediar, 5-orificiu pentru ieşirea aerului, 6-lichid, 7-conductă de introducere a lichidului, 8-corp de legătură, 9-semifabricat, 10-inel de distanţare, 11-matriţă, 12-conductă de vidare

3.5 Deformarea electrohidraulică

Bazată pe acelaşi principiu ca şi formarea prin explozie, deformarea prin descărcări electrohidraulice se realizează cu ajutorul unei unde de şoc obţinută în urma producerii plasmei între doi electrozi (Fig. 3.18). Unda de şoc este transmisă către semifabricat printr-un mediu lichid. Pentru realizarea deformării, energia electrică este stocată într-o baterie de condensatoare cu capacitatea de 50...1500µF, la un potenţial de 5...40KV. La închiderea circuitului, un curent de mai multe mii de amperi trece prin spaţiul dintre electrozi în 0,1ms, dând naştere unei plasme termice, care evoluând vaporizează apa în jurul electrozilor. Se

47

acumulează astfel o mare cantitate de energie în aburul supraîncălzit, care o eliberează sub formă de undă de presiune în lichid.

Fig. 3.18: Deformarea electrohidraulică. Distanţa dintre electrozi şi piesă, rezistenţa electrică a mediului şi natura lichidului din

cavitate sunt parametrii ce influenţează puterea de deformare. Dezvoltarea undei de presiune în lichid se poate iniţia printr-o descărcare electrică sub formă de scânteie între cei doi electrozi, sau prin intermediul unui fir conductor. Prima metodă este mai comodă pentru deformarea cu explozii repetate. Însă descărcarea este instabilă, iar puterea undei nu este constantă. La a doua variantă deformarea este mai puternică şi mai uniformă iar distanţa între electrozi se poate majora.

Performanţele sunt, de asemenea, dependente de forma firului conductor. Prin folosirea unui conductor din fibre metalice se obţine o putere electrică de deformare de 10 ori mai mare ca cea dintr-o cavitate normală.

Presiunea ce se realizează (p) la descărcarea bateriei de condensatoare se poate determina cu relaţia: p= , unde: C-capacitatea bateriei de condensatoare, d-distanţa dintre electrozi, R-rezistenţa electrică a circuitului de descărcare.

Distanţa optimă dintre electrozi se evaluează cu relaţia: dopt

= [mm], unde: S-suprafaţa electrozilor în contact cu lichidul. Prin acest procedeu se pot executa deformări locale şi ştanţări ale semifabricatelor

plane. De asemenea, se pot asambla ţevile cu plăcile tubulare ale schimbătoarelor de căldură (Fig. 3.19).

Suprafeţele prelucrate au precizie ridicată, cu deformări medii de 5,6...12%.

Fig. 3.19. Schimbătoare de căldură asamblate prin deformare electro-hidraulică

48

3.6 Deformarea electromagnetică Deformarea electromagnetică sau magnetoformarea este produsă de energia electrică acumulată într-o baterie de condensatoare, care se descarcă pe înfaşurarea unei bobine. Curentul care parcurge spirele bobinei produce un câmp magnetic. Dacă se plasează în câmpul magnetic al bobinei o piesă, din material electroconductor, atunci în acesta se induce un curent Foucault de sens contrar celui din circuitul inductor. Curentul indus dă naştere, la rândul său, unui câmp magnetic propriu care se opune câmpului inductor, conform legii lui Lentz. Forţele electromagnetice, care se exercită între bobină şi piesă, dau naştere unei presiuni care depăşind limita de curgere a materialului produce deformarea acestuia (fig 3.20). Tensiunea într-un circuit oscilant RLC este dată de relaţia:

(3.7) unde: R – rezistenţa circuitului; L – inductivitatea globală a circuitului; C – capacitatea bateriei de condensatoare.

Rezolvând ecuaţia (3.7) cu ajutorul transformării Laplace se obţine expresia curentului

în circuitul de descărcare:

* , (3.8)

unde: – pulsaţia curentului; - factorul de amortizare.

Frecvenţa curentului prin circuitul oscilant este cuprinsă între 1 şi 60 kHz. Curentul maxim I(t) se determină pentru timpul :

)max = . (3.9)

Pentru dimensionarea optimă a instalaţiei de deformare cu impulsuri electromagnetice

este necesar ca factorul de amortizare să fie cât mai mic. Ca urmare, iar:

(3.10)

Curentul calculate cu relaţia (3.10) trebuie să fie egal cu cel necesar pentru a produce

deformarea: Inec (3.11)

unde: N – numărul de spire al bobinei; l – lungimea bobinei; µ - permeabilitatea mediului; Rc – rezistenţa de curgere a materialului piesei; t – grosimea peretelui; r – raza piesei tubulare.

49

Fig. 3.20. a) Principiul deformării electromagnetice: 1 – sursa de alimentare; 2 – baterie de condensatoare; 3 – întrerupător; 4 – întrerupător; 5 – piesa de deformat; 6 – bobina;

b) Contracţia electromagnetic a unui tub; c) Placarea electromagnetică.

Energia câmpului electric se determină cu relaţia:

, (3.12) Egalând relaţia (3.10) cu (3.11) se determină tensiunea de încărcare a bateriei de condensatoare. Înlocuind valoarea acesteia în relaţia (3.12) se deduce expresia energiei necesare deformării:

. (3.13) Forţa electromagnetic creată pe suprafaţa piesei este: unde: B – inducţia magnetic; S – suprafaţa piesei. Presiunea normal produsă pe suprafaţa semifabricatului ca urmare a interacţiunii dintre câmpul magnetic şi curenţii peliculari este:

, (3.14) unde: B – intensitatea câmpului magnetic. Viteza de deformare, se poate calcula cu expresia: , (3.15) unde: d – densitatea materialului semifabricatului.

50

Adâncimea de pătrundere a câmpului magnetic în materialul de prelucrat se determină cu relaţia:

, (3.16)

unde: - resitivitatea; ν – frecvenţa. Este necesar ca pătrunderea câmpului magnetic în semifabricat să fie inferioară, ca valoare, grosimii materialului. Dacă h este mai mare ca t, apare un efect contrar de deplasare numit “presă magnetic”, care împiedică deformarea. Bobina folosită la deformarea cu impulsuri magnetice se înfăşoară pe un suport numit concentrator de câmp (Fig. 3.21) din bronz, beriliu sau aluminiu. Forma lui este determinate de configuraţia piesei şi de locul unde trebuiesc concentrate forţele de deformare. Concentratorul de câmp se concepe ca o spiră în scurtcircuit care amplifică fenomenul de inducţie electromagnetică în piesa de prelucrat.

Fîncu ca tul;

ig. 3.21 Bobină cu concentrator de câmp; 1 – carcasa bobinei; 2 – făşurarea bobinei primare; 3 – concentrator de câmp; 4 – piesa

re se va asambla semifabricatul tubular; 5 – semifabrica6 – fanta de despicare a concentratorului.

Capacitatea bateriei de condensatoare se alege în funcţie de forţele de deformare necesare. Ea poate fi de 10…300µF. Tensiunea de încărcare a condensatoarelor depinde de construcţia lor şi de modul de cuplare, fiind cuprinsă între 5 şi 30kV. Intensitatea curentului ajunge la 100kA, frecvenţa descărcărilor la 10kHz, iar durata impulsului de descărcare a bateriei de condensatoare este de 10…100µs. Instalaţiile actuale pot asigura presiuni de deformare foarte mari. Astfel, dacă o folie de aluminiu cu grosimea de 3,8mm, este plasată în faţa unei bobine plane, care generează un câmp magnetic cu inducţia de 30T, atunci aceasta produce pe suprafaţa semifabricatului o presiune de 400MPa. La grosimea indicată, greutatea aluminiului este de 10kg/m2. Sub acţiunea câmpului magnetic, folia suferă o accelerare de 40x106 m/ După un timp de 10µs, de la închiderea circuitului, folia va atinge o viteză de 400m/s. Dacă se interpune, pe traiectoria foliei, o matriţă la distanţa de 0,5mm, aceasta este supusă acţiunii unei presiuni medii de 1400MPa. Randamentul magnetoformării este de numai 20…60%. El este dependent de conductibilitatea materialelor, parametrii constructivi ai bobinei şi concentratorului de câmp, intensitatea şi frecvenţa curentului şi temperaturile bobinei şi semifabricatului. Datorită avantajelor sale procedeul se poate folosi, cu rezultate remarcabile, în operaţii de asamblare, etanşare şi deformare a pieselor tubulare sau plane. Întrucât vitezele de deformare sunt foarte mari, iar timpii de lucru sunt extreme de reduşi, nu se produce, practic, modificarea grosimii materialului în timpul deformării şi nu apar modificări structural sau ecruisări ale straturilor superficial. În construcţia de autovehicule, operaţia de sudare a articulaţiei cardanice cu arborele a fost înlocuită cu o sertizare electromagnetică. Încercările la torsiune ale arborilor cardanici,

51

asamblaţi prin acelaşi procedeu, au arătat că nu se produc modificări ale legăturii mecanice pentru cupluri de forţe mai mici de 3700Nm. De la această valoare a cuplului, arborele se torsionează, dar îmbinarea nu cedează. Magnetoformarea asigură în acest caz, creşterea productivităţii muncii şi evitarea apariţiei deformaţiilor la cardan şi cruce. Procedeul se poate aplica la fixarea furtunelor de cauciuc, folosite la sistemele de frânare şi hidraulice, pe racoardele de metal, cu ajutorul unor inele de aluminiu, la etanşarea burdufurilor de protecţie pe arbori (Fig. 3.22 a) sau la etanşări cu garnituri metalice (Fig. 3.22 b, c).

Fig. 3.22. Fixarea prin magnetoformare a burdufurilor din cauciuc pe un arbore de comandă (a), a

colierelor metalice, fără (b), sau cu (c) garnitură de etanşare; sertizarea prin magnetoformare a rotulei sistemului de direcţie (d: 1 - axul rotulei; 2 – manşon; 3 – inel de reţinere a manşonului; 4 –lagăr din

material plastic; 5 – carcasă; 6 – arc de cauciuc; 7 – strat de acoperire) şi a crucii cardanice (e). O aplicaţie puţin cunoscută a deformării electromagnetice este cea a calibrării interne a cilindrilor cu diametru redus. Prin aplicarea acestei metode se elimina o operaţie de uzinare costisitoare cum este rodarea. Şi alte piese, cum sunt articulaţiile mecanismului de direcţie (Fig. 3.22 d) pot fi asamblate prin acest procedeu, cu condiţia ca încă din faza de concepţie să fie vizată această tehnică de montaj. Deşi încă insuficient exploatată (în anul 2005 existau peste 2400 maşini, din care peste 85% în SUA), tehnica deformării şi asamblării cu impulsuri electromagnetice poate fi automatizată şi robotizată prin eliminarea contactului direct dintre sculă şi semifabricat, lubrifiantului de formare a pieselor în mişcare, în condiţiile folosirii unui utilaj simplificat, care asigură dozări precise şi repetitive de energie, presiune de deformare uniformă pentru execuţia unor repere cu forme geometrice complexe şi toleranţe strânse, fără prelucrări ulterioare, al preţuri reduse şi consumuri minime de energie.

52

4. Metode speciale de deformare plastică la cald

Pentru reducerea consumului energetic, creşterea productivităţii muncii, diminuarea

consumului de metal şi îmbunătăţirea calităţii produselor, la execţia pieselor de automobile se aplică o serie de procedee speciale de deformare plastică la cald, cum sunt: rularea la cald a roţilor dinţate, matriţarea prin electrorefulare, matriţarea metalului lichid etc. 4.1 Matriţarea de precizie

Dacă semifabricatul deformat plastic la cald este supus unei noi matriţări, într-un locaş

de precizie ridicată se pot îmbunătăţi precizia de execuţie şi calitatea suprafeţelor prelucrate odată cu diminuarea adaosurilor.

Reperele realizate prin matriţarea de precizie au abateri dimensionale de ±0,1...0,6mm. De regulă, acestea sunt supuse numai prelucrării prin rectificare si lustruire.

Aplicarea matriţării de precizie la execuţia roţilor dinţate şi pinioanelor, asigură creşterea cu 40...60% a coeficientului de utilizare a materialului, reducerea cu 70...80% a timpului de prelucrare şi mărirea fiabilităţii cu 20...30%.

Fazele de lucru ale matriţării de precizie sunt următoarele: debitarea materialului; curăţirea semifabricatului prin sablare sau strunjire; încălzirea semifabricatului în cuptoare cu atmosferă de protecţie contra oxidării şi decarburării; matriţarea în locaşul primar; debavurarea; matriţarea în locaşul final; debavurarea şi îndreptarea (Fig. 4.1).

Fig. 4.1. Etapele procesului tehnologic la matriţarea unui pinion satelit.

4.2 Rularea la cald a roţilor dinţate Evoluţia tehnologiilor în domeniul deformărilor plastic a impus la scară industrial, execuţia danturii brute prin rulare la cald. Dacă roţile dinţate cu modul m = 2,0…4,0mm se pot executa prin deformare plastică la rece, cele cu modul mai mare se laminează la cald. Rularea danturii se face pe maşini speciale. Semifabricatul se fixează într-un dispozitiv special care este pus în mişcare de rotaţie şi presat cu o forţă de 350...450kN pe 2 cilindrii care imprimă dantura (Fig. 4.2). Deformarea danturii are loc prin angrenarea sculei reci cu piesa încălzită prin inducţie până la temperatura de 1330…1370K. Procesul tehnologic are următoarea structură: debitarea materialului; curăţirea semifabricatului; matriţarea roţii dinţate; tratamentul termic primar; sablarea; încălzirea prin

53

inducţie; rularea danturii; curăţirea de oxizi; prelucrarea mecanică; tratamentul termic final şi rectificarea profilului danturii. Procedeul permite execuţia roţilor dinţate cilindrice şi conice, cu module cuprinse între 3 şi 10mm, pinioanelor conice cu diametre de 175…350mm, tijelor canelate, precum şi roţilor dinţate conice elicoidale.

Fig 4.2. a) Schema de principiu la rularea cu avans continuu a roţilor dinţate: 1 – suport împingător

hidraulic; 2 – semifabricat; 3 – inductor inelar de încălzire cu curenţi de înaltă frecvenţă a semifabricatului; 4,7 – scule de rulare; 5 – contra – piesă rulată; 6 – piesa rulată; b) Dispozitiv de rulare a

danturii unui pinion planetar: 1 – ax principal superior; 2 – roată dinţată de sincronizare; 3 – sculă de rulare; 4 – praguri interioare; 5 – semifabricat rulat; 6 – disc de strângere; 7 – ax de antrenare; 8 – roata

de sincronizare.

Semifabricatele necesită adaosuri de prelucrare de 2,0...2,8mm. Măsurătorile şi înregistrările statistice arată că prin rularea la cald a roţilor dinţate, ciclul de fabricaţie se scurtează cu 60% (într-o oră se pot prelucra 25...30 roţi dinţate conice cu diametrul exterior 175...350mm, lungimea maximă a dinţilor de 50mm şi înălţimea de 20mm), rezistenţa la oboseală creşte cu 15...20%, iar costul se diminuează cu 40...60% faţă de cel al pinioanelor prelucrate prin procedee clasice. 4.3 Matriţarea prin extrudare Matriţarea prin extrudare este un procedeu avansat de prelucrare prin deformare la cald, deoarece el permite realizarea unor piese de precizie ridicată, cu forme apropiate de cele ale produselor finite, din materiale cu deformabilitate scăzută. Semifabricatele matriţate prin extrudare pot avea diferite forme specifice (Fig. 4.3). Din ele se obţin prin prelucrări mecanice ulterioare, pinioane cu dinţi drepţi sau elicoidali, roţi dinţate, supape, arbori din cutiile de viteze, arbori planetari, semiarborii transmisiilor homocinetice etc. (Fig. 4.4). Dimensiunile semifabricatului şi numărul de faze de matriţare sunt determinate de forma şi cotele piesei finite, precum şi de condiţiile de deformare. Astfel, raportul dintre lungimea şi diametrul acestuia nu trebuie să depăşească 2,5...2,8, iar adaosurile de prelucrare pentru aşchiere sunt cuprinse între 0,3...2,5 mm.

54

Soluţiile tehnologice folosite la extrudarea la rece sunt aplicabile şi în acest caz. Numărul fazelor da matriţare este determinat de complexitatea pieselor şi de calităţile de curgere ale materialului semifabricatului.

Fig. 4.3. Forme specifice ale pieselor finisate prin extrudare.

Fig. 4.4. Fazele procesului tehnologic la matriţarea prin extrudare a semiarborelui homocinetic (1,2,3,4,5) şi condiţiile tehnice impuse semifabricatului.

4.4 Matriţarea prin electrorefulare Matriţarea prin electrorefulare consta în încălzirea electrică a semifabricatului şi deformarea plastică a acestuia, până se refulează un anumit volum de material sub acţiunea unei forţe. Prin eletrorefulare se pot realiza atât semifabricate care urmează a fi deformate plastic ulterior într-o alta matriţă (electrorefularea liberă Fig. 4.5 a) cât şi piese cu forme finale (electrorefularea în matriţă Fig. 4.5 b).

55

Fig. 4.5 a) Electrorefulare liberă: 1 – păpuşă mobilă; 2 – semifabricat; 3 – contact mobil; 4 – taler de refulare; 5 – capul maşinii de refulare; 6 – semifabricat matriţat; b) Electrorefulare în matriţă: 1 – păpuşă mobilă; 2 – semifabricat; 3 – contact mobil; 4 – matriţă; 5 – suportul matriţei; 6 – semifabricat matriţat.

Procedeul se aplică la refularea supapelor motoarelor (Fig. 4.6) şi arborilor planetari. Calitatea electrorefulării este dependentă de tensiunea electrică, valoarea forţei de refulare, distanţa iniţială dintre electrozi şi viteza de deplasare a electrodului de ghidare. Tensiunea electrică (2...6V) se alege astfel încât încălzirea semifabricatului să se facă rapid, evitându-se supraîncălzirea. Forţa de refulare (30...900kN) este dependentă de deformarea materialului şi de rezistenţa la deplasarea semifabricatului prin electrodul de ghidaj. Distanţa iniţială între electrozi se recomanda a fi de 3...5mm. Viteza de deplasare a electrodului de ghidaj (0,8...0,05mm/s) este funcţie de diametrul şi lungimea semifabricatului, precum şi de configuraţia piesei ce urmează a se uzina.

Fig. 4.6. Fazele tehnologice la realizarea supapelor pe maşina de forjat orizontală (a) şi prin

electrorefulare şi matriţare (b) : 1 – semifabricat; 2 – electrorefulare; 3 – matriţare pe presa cu şurub. Aplicarea matriţării prin electrorefulare asigură încălzirea rapidă, până la 1530K în 15...80s, fără carbonizare marginală, reducerea arsurilor (0,4% faţă de 2,5% în cazul încălzirii în cuptoare), o bună orientare a fibrajului şi eliminare a poluării chimice şi sonore. De asemenea, procesul tehnologic poate fi automatizat complet.

56

Pe de altă parte, procesul necesită semifabricate (bare sau profile) cu abateri dimensionale minime şi suprafeţe exterioare curate. Procedeul permite recondiţionarea pieselor cu fusuri cilindrice pentru rulmenţi, dacă uzura radială nu depăşeşte 0,25mm iar ovalitatea 0,05mm. Tot odată, cresc duritatea straturilor superficiale de 1,5...2,5 ori şi rezistenţa la oboseală cu 55...75 % iar rugozitatea se îmbunătăţeşte cu 2...4 clase. După refulare se recomandă o prelucrare electromecanică a suprafeţei piesei, prin netezirea acesteia cu o sculă activă având zona de lucru rotunjită cu o rază de 80...100mm. Prin netezire se obţine precizia de prelucrare solicitată şi rugozitatea suprafeţei de 0,63...0,16mm. 4.5 Matriţarea metalului lichid Această tehnică îmbină turnarea sub presiune cu matriţarea la cald. Se poate îmbunătăţii astfel calitatea pieselor şi reduce preţul de cost. Procedeul are următoarea structură: alimentarea matriţei cu metal lichid, umplerea locaşului cu metal lichid ca urmare a acţiunii poansonului, cristalizarea sub presiune a metalului, deformarea plastică a semifabricatului în faza solidă şi evacuarea piesei (Fig. 4.7). Primele trei etape corespund turnării sub presiune, iar a patra matriţării la cald. Piesele matriţate din metal lichid (pistoanele motoarelor) au structura mai fină, compactitatea superioară, precizia ridicată, rezistenţa la rupere, duritatea şi alungirea relativă mai mari cu 10...30%, faţă de cele turnate în cochilă sau sub presiune. Pe de altă parte, coeficientul de utilizare a metalului este de 95%. Dezavantajele procedeului sunt determinate de posibilitatea apariţiei fisurilor în piese, în etapa deformării plastice, dificultăţile apărute la dozarea metalului lichid şi de aderenţa acestuia la pereţii matriţei. Calităţile pieselor matriţate din metal lichid sunt influenţate de presiunea din timpul cristalizării, temperaturile metalului şi matriţei, durata menţinerii metalului în matriţa şi viteza de presare.

Comprimarea metalului lichid în timpul cristalizării contribuie la cristalizarea gazelor şi favorizează formarea centrelor de cristalizare. Dacă presiunile sunt mici (30...60MPa) caracteristicile pieselor nu diferă de ale celor turnate sub presiune. La presiuni mari (100...150MPa) apare şi etapa deformării plastice, caracteristicile mecanice apropiindu-se de cele ale semifabricatelor matriţate (Fig. 4.8). Pentru a elimina pătrunderea metalului prin jocurile dintre poanson şi matriţă este necesar ca temperatura acestuia, la turnarea în matriţă, să fie cât mai redusă (850...900K pentru aliaje Al-Si). Dacă temperatura matriţei este cuprinsă între 470...520K, pentru aliajele din Al, 520..570K în cazul aliajelor din Cu şi 570...620K pentru oţel, iar a poansonului cu 50K mai coborâtă se pot realiza piese cu performanţe superioare. Timpul scurs din momentul umplerii matriţei cu metal până la presarea acestuia nu trebuie să depăşească 2...3s, iar viteza de deplasare a poansonului este necesar să fie 0,2...0,3m/s la matriţarea pieselor mari şi 0,1m/s la executarea semifabricatelor de dimensiuni reduse.

57

Fig. 4.7. Schema matriţării pieselor din metal

lichid: 1 – echipament de transfer; 2 – cuptor cu inducţie; 3 – jgheab; 4 – matriţa inferioară; 5 –

poanson.

Fig. 4.8. Variaţia rezistenţei la rupere (1) şi alungirii relative (2) in funcţie de presiunea de

matriţare pentru un aliaj de aluminiu (8,8 % Si; 0,22 Fe).

4.6 Metode fizico-chimice de pregătire a semifabricatelor şi pieselor uzate pentru prelucrare sau recondiţionare La un mare număr de repere de autovehicule se prevăd condiţii tehnice referitoare la calitatea suprafeţelor fără a se impune precizii dimensionale sau de formă. Tehnologiile speciale, cum sunt tobarea, lepuirea cu jet, sablarea şi debavurarea termică sau electrochimică, permit realizarea de rugozităţi superioare în condiţiile unei productivităţi ridicate şi la un preţ de cost scăzut. 4.6.1 Tobarea Prin tobare se asigură debavurarea, curăţirea şi rotunjirea colţurilor, netezirea şi lustruirea suprafeţelor. Operaţiile din primele două grupe pot înlocui prelucrarea prin rectificare (suprafeţele tobate au rugozităţi de 1,25...0,20µm), iar cele din a treia lustruire normală. Instalaţia constă (Fig. 4.6.1) dintr-o tobă, octogonală în secţiune, în care se introduc piesele şi materialul de adaos. La rotirea tobei, materialul se ridică la o anumită înălţime şi se

58

formează stratul de alunecare, care realizează şlefuirea. Este necesar ca turaţia tobei să nu depăşească acele limite care ar produce separarea componentelor. Ca materiale de tobare se aleg, în funcţie de gradul de netezire ce se doreşte a se realiza şi de structurile straturilor superficiale ale pieselor de prelucrat, minereuri, materiale metalice (oxizi de aluminiu) şi nemetalice. Dimensiunile particulelor sunt determinate de configuraţia, mărimea şi tipul reperelor ce sunt supuse tobării. Astfel, la unele piese materialul care şlefuieşte este necesar să vină în contact cu toate suprafeţele acestora, iar la altele trebuiesc evitate anumite zone sau alezaje interioare. De aceea, dimensiunile materialelor de tobare variază între 0,5 şi 50mm. Pentru a asigura o netezire corespunzătoare este necesar ca particulele să nu posede colţuri ascuţite şi să îşi păstreze neschimbate proprietăţile fizico-mecanice în timpul procesului de prelucrare. Durata de tobare este funcţie de materialele ce se folosesc şi de calitatea solicitată. O debavurare simplă se realizează după o oră, o netezire în 12 ore, iar lustruirea cu bile de oţel după 1...2 ore. În funcţie de gradul de curăţire al pieselor înainte de tobare, se face o spălare a acestora. Apoi, după fiecare treaptă de tobare urmează o spălare abundentă pentru a îndepărta materialul desprins de pe piese. O tehnică nouă de debavurare, raionare, netezire şi lustruire a pieselor fragile, care nu suportă prelucrări prin vibroabraziune sau şocuri mecanice este smuritropia (WALTER - TROWAL). Pentru prelucrare, piesele sunt prinse în mandrine speciale (12...60), care primesc o mişcare de rotaţie (7,1...30rot/min). Masa cu capetele de lucru coboară până când semifabricatele pătrund complet în incinta cu corpuri abrazive, de diferite forme (cilindri, conuri, piramide, prisme etc.) şi dimensiuni şi adezivi chimici adecvaţi (NaOH, LAC, F). Cuva în care se află produsele abrazive are o mişcare de rotaţie şi una vibratorie (Fig. 4.6.2). În urma interacţiunii dintre particulele abrazive, produsele chimice şi semifabricate se obţin suprafeţe exterioare de calitate ale celor din urmă cu randamente superioare cu 40...60% faţă procedeele clasice, în condiţiile reproductivităţii dimensionale, automatizării complete a procesului şi unei bune flexibilităţi a producţiei. Prin această metodă s-au putut debavura şi lustrui chiulasele din fontă ale motoarelor (18...36 piese/ciclu: 1 ciclu = 2x10 minute, alternând sensul de rotaţie al cuvei), roţile dinţate ale transmisiei (36 piese/ciclu: 2x7,5 min), arborii din cutiile de viteze şi pistonaşele distribuitoarelor hidraulice (60 piese/ciclu: 2x5 min).

Fig. 4.9. Instalaţie de prelucrare prin smuritropie; 1 – sistem de ridicare şi coborâre a capetelor de lucru; 2 – motor de antrenare a capetelor de lucru; 3 – sistem mecanic de antrenare a mandrinelor; 4 –

mandrine speciale în care se prind piesele; 5 – toba cu material abraziv; 6 – motor vibrator.

59

4.6.2 Lepuirea cu jet Metoda constă în aşchierea cu ajutorul unor granule abrazive libere antrenate cu viteze mari de un jet fluid. Amestecul, format din granule abrazive, apă şi aer comprimat, trece printr-un pulverizator care-l dirijează pe suprafaţa piesei de prelucrat. La locul de impact dintre granulele abrazive şi semifabricat, energia cinetică a particulelor este transformată în energie de aşchiere. Pe suprafaţa piesei apar microadâncituri. Prin aspectul prelucrării procedeul se deosebeşte de celelalte, deoarece urmele granulelor nu sunt sub formă de traiectorii. Amestecul apă-granule abrazive poate fi format separat şi adus ulterior în jetul de aer comprimat, sau în aceeaşi incintă. În ambele variante energia cinetică a particulelor este imprimată de aerul comprimat. Intensitatea de aşchiere este influenţată de prezenţa lichidului. Datorită asperităţilor piesei, pe suprafaţa ei se depune un strat de lichid, deasupra lui apărând vârfurile reziduurilor. Granulele abrazive trebuind sa străpungă acest strat pentru a atinge suprafaţa piesei, sunt frânate. Se produce astfel o aşchiere mai intensă a vârfurilor şi numai după îndepărtarea lor se uniformizează intensitatea de aşchiere (Fig. 4.10). Productivitatea procesului creşte odată cu diametrul orificiului pulverizatorului. Valori optime se obţin pentru presiuni ale amestecului de 0,7MPa, granulaţia abrazivului de 15...20µm, unghiul de atac de 45º, distanţa dintre pulverizator şi piesă de 50mm şi diametrul duzei de 3...7mm. Ca material abraziv se foloseşte siliciul carbid sau electrocorundul. Calitatea suprafeţelor este funcţie de granulaţia abrazivului (Fig. 4.11). Productivitatea prelucrării este influenţată de concentraţia amestecului în granule abrazive. Încercările efectuate cu diverse concentraţii de granule abrazive, arată că atunci când ponderea granulelor abrazive este sub 6% intensitatea de aşchiere este redusă. Peste 6%, ea creşte rapid şi atinge un maxim la 10%, după care se stabilizează.

Fig. 4.10. Principiul lepuirii cu jet: 1 – lichid; 2 –

piesa. Fig. 4.11. Influenţa granulaţiei materialului

abraziv asupra netezirii suprafeţelor lepuite cu jet

La concentraţii mai mari de 10% apar dificultăţi cu privire la diametrul necesar al pulverizatorului şi uzuri rapide în instalaţie.

60

Lepuirea cu jet se aplică pentru debavurare şi pentru îmbunătăţirea calităţii suprafeţelor pieselor în vederea majorării rezistenţei la uzură, ameliorării condiţiilor de ungere şi măririi rezistenţei la solicitări mecanice. 4.6.3 Sablarea Sablarea este un procedeu eficace, care se aplică la piesele turnate, laminate sau forjate, pentru îndepărtarea ruginei, ţunderului, nisipului sinterizat de la turnătorie, straturilor vechi de vopsea sau a altor impurităţi solide. Curăţirea se desfăşoară sub acţiunea abrazivă a particulelor de nisip sau a aliajelor de fontă, oţel sau corindan proiectate pe suprafaţa metalică cu un jet de aer comprimat sau de aer, aflat la presiunea de 0,2...0,6MPa. Pentru ca sablarea să fie eficientă, piesele trebuie degresate şi uscate în prealabil. Utilajul folosit la sablare are în componenţă un rezervor pentru material abraziv, conducte, dispozitiv de proiectare a agentului de lucru, recuperator de produs abraziv şi instalaţia de aer comprimat (Fig. 4.12). Ca agent de lucru se foloseşte nisip de cuarţ cu muchiile ascuţite, a cărui granulaţie este cuprinsă între 1,0mm şi 2,5mm, în funcţie de natura materialului care se sablează şi de dimensiunile piesei, alice rotunde din fontă, sparte de oţel, sau bucăţi, cu lungimea de 0,3...1,7mm, din sârmă de oţel. Distanţa dintre pulverizator şi piesă este de 150...300mm. Sablarea se recomandă numai pentru piesele la care modificarea dimensiunilor, datorită acţiunii abrazive a nisipului sau alicelor nu este contraindicată din punct de vedere funcţional.

Fig. 4.12. Instalaţie de sablare: 1 – buncăr de alimentare; 2,5 – drosele; 3 – piesă de sablat; 4 – aruncător centrifugat cu alice; 6 – motor electric; 7 – transmisia aruncătorului; 8 – colector elevator; 9 – buncăr de

încărcare; 10 – buncăr de alice sparte; 11 – buncărul separatorului.

61

4.6.4 Debavurarea termică Debavurarea termică este un procedeu de natură fizico-chimică, care constă în arderea instantanee, la volum constant, a unui amestec de combustibil gazos şi oxigen, într-o cameră de presiune în care s-au introdus piesele ce urmează a fi prelucrate (Fig. 4.13). Căldura produsă arde bavurile, care au o masă mică în raport cu cea a piesei. Deoarece gazele pătrund în toate cavităţile se pot elimina toate bavurile interioare, inaccesibile altor procedee. Combustibilul gazos se amestecă cu oxigenul, la o anumită presiune (oţel – 1,0...0,2MPa; CH4 + 1,5...2,5MPa O2; fontă cenuşie – 1,0...1,5MPa; CH4 + 1,5...2,0MPa O2; zinc – 0,3...0,7MPa; CH4 + 0,5...1,2MPa O2) şi într-un raport variabil (2N CH4+ 1N O2; 2,5 N C2H4+ 1N O2; 5 N C3H8+ 1N O2; 6,5 N C4H10+ 1N O2; 0,5 N

H2+ 1N O2), în funcţie de natura materialului piesei ce urmează a fi debavurată. Amestecul de gaze se aprinde electric de la o bujie. În urma arderii, care se produce în 2...3ms, temperaturile gazelor arse ajung la 3800...4300K. Ca urmare, bavurile se supraîncălzesc şi se topesc. Oxidul de metal rezultat prin ardere se depune sub forma unui strat uniform, pe suprafeţele tuturor pieselor aflate în camera de debavurare. Dacă reperele nu sunt supuse unui tratament termic ulterior ele vor fi decapate chimic sau spălate cu detergenţi. Efectul debavurării termice creşte odată cu diminuarea conductibilităţii materialului piesei. Presiunea din cameră în timpul arderii este de 15...20 ori mai mare ca cea a amestecului iniţial. Procedeul se aplică, cu rezultate notabile, la debavurarea capacelor, lagărelor paliere, cilindrilor receptori de frână, corpurilor pompelor centrale de frână şi pompelor de alimentare ale sistemelor de injecţie, cămăşilor de cilindrii etc. Prin acest procedeu se poate efectua debavurarea interioară şi exterioară a pieselor de dimensiuni mici şi medii, indiferent de seria şi variantele de fabricaţie, de mărimea, forma şi orientarea bavurilor. Debavurarea nu este influenţată de poziţia suprafeţelor şi de toleranţele acestora, ea putându-se aplica la repere, care prin configuraţia lor, fac imposibilă folosirea altor procedee. Consumul energetic este mai redus ca la metodele mecanice sau electro-chimice, iar productivitatea creşte de peste 20 de ori faţă de debavurarea manuală.

Fig. 4.13. Instalaţie de debavurare termică: 1 –sistem de dozare a oxigenului şi combustibilului gazos; 2 – cameră de lucru; 3 – piesă; 4 – suportul piesei.

62

4.6.5 Spălarea şi degresarea pieselor După spălarea exterioară a autovehiculelor introduse în unităţile de reparaţii auto şi golirea carterelor de lubrifianţi se procedează la demontarea elementelor componente ale tuturor subansamblurilor. Piesele mici se aşează în containere metalice speciale ce sunt transportate de conveiere la instalaţiile de spălare şi degresare, iar cele mari sunt aşezate individual pe benzi. În instalaţiile de curăţire tip tunel, piesele trec succesiv prin patru compartimente (Fig. 4.14). În primul se face o degresare cu soluţie alcalină; în al doilea se procedează la o încălzire cu abur; în al treilea se execută o spălare cu apă caldă, iar în al patrulea are loc uscarea cu abur. Degresarea pieselor metalice se face cu soluţii, încălzite la temperatura de 340…350K, formate din: sodă caustică (25g/dm3 apă), carbonat de sodiu (35g/dm3 apă), silicat de sodiu (1,5g/dm3 apă) şi săpun lichid (25g/dm3 apă) sau sodă calcinată (4%), silicat de sodiu sau potasiu (1,5%) şi apă (94,5%). La spălarea pieselor din aluminiu soluţiile pot fi formate din: carbonat de sodiu (19g/dm3 apă), silicat de sodiu (9g/dm3 apă) şi săpun lichid (10g/dm3 apă), sau carbonat de sodiu (1,45g/dm3 apă), hidroxid de sodiu (1,3g/dm3 apă), fosfat acid de sodiu (1,45g/dm3 apă) şi praf de săpun (1g/dm3 apă). După degresare şi încălzire cu abur, piesele se spală cu apă conţinând 0,1…0,3% bicarbonat de potasiu.

Fig. 4.14. Instalaţie de spălare tip tunel: 1 – schimbătoare de căldură; 2 – linie pentru transportul containerelor cu piese; 3 – platformă; 4 – conducte; 5,6 – pompe pentru injectatea soluţeie de spălare; 7 –

tubulatură; 8 – tunelul de spălare. Calamina depusă pe pereţii camerei de ardere din chiulasă, capul pistonului şi supape se poate îndepărta cu alcool, petrol sau electrochimic cu un electrolit care conţine 10g sodă caustică şi 117g carbonat de sodiu la 1dm3 de apă. Rezultate foarte bune se obţin cu soluţie ABOMARC.

63

Piatra din sistemul de răcire se înlătură cu o soluţie formată din soda caustică (70…80g/dm3 apă) şi petrol (15g la un dm3 de soluţie alcalină). Procesele de degresare şi curăţire se pot accelera cu ajutorul ultrasunetelor. Curăţirea şi debavurarea fină cu ultrasunete reprezintă rezultatul cavitaţiei ultrasonore, acţiunii chimice a lichidului din baie şi undelor de presiune produse de vibraţiile ultrasonice. Ponderea cea mai mare o are fenomenul de cavitaţie ultrasonoră, care în urma impulsurilor bulelor, dă naştere la presiuni de până la 1,6MPa, ce determina erodarea superficială a suprafeţei corpului aflat în lichid (Fig. 4.15). Gradul de erodare depinde de durata aplicării şi frecvenţa ultrasunetelor, natura, temperatura şi nivelul lichidului de lucru din cuvă, intensitatea undelor formate, forma şi dimensiunile pieselor şi de modul de dispersarea acestora în baie. Ca lichide de lucru se folosesc lichide apoase conţinând detergenţi, silicaţi, fosfaţi, acizi activi sau inhibaţi, alcoolul, benzenul, clormetilenul, tricloretilena, acetona, etc. temperatura lichidului din baie poate fi de 320…370K. Durata de imersie într-un compartiment (15s…30min) este determinată de natura soluţiei de curăţire şi de tipul impurităţilor ce trebuiesc îndepărtate.

Fig. 4.15. Procesul de lucru la decaparea în câmp ultrasonic: 1 – lichid de spălare; 2 – bule de cavitaţie; 3 – strat de material aderent; 4 – piesa.

Procedeul se aplică la îndepărtarea impurităţilor mecanice (pulberi, microaşchii, emailuri de protecţie, resturi de arsuri), grăsimilor şi produselor de coroziune din zonele greu accesibile şi cu distanţe mici între pereţi (elemente componente ale pompelor de injecţie, injectoarelor, carburatoarelor, rulmenţii, etc.).

Instalaţiile de curăţire – spălare cu ultrasunete (Fig. 4.16) sunt compartimentate. Această soluţie se adoptă pentru a se asigura depunerea unei cantităţi importante de impurităţi în prima baie şi în scopul evitării deteriorării suprafeţei piesei ca urmare a atacării ei de componentele solide desprinse. Impurităţile conţinute în lichidul din baie sunt reţinute într-o baterie de filtre. Aplicarea procedeului nu conduce la apariţia microfisurilor de suprafaţă. De asemenea, el asigură o productivitate mai mare ca procedeele clasice în condiţiile unei durate reduse de operaţie şi cu cheltuieli de investiţii foarte mici.

64

Fig. 4.16. Instalaţie de curăţire cu ultrasunete: 1 – motor electric pentru rotirea braţelor; 2 – incintă; 3 – pilon; 4 – bucşă; 5,13 – limitatoare electrice; 6 – braţe; 7 – suportul setarelor cu piese; 8 – baie; 9 – bloc

ultrasonic; 10 – motor electric pentru mişcarea pieselor în sertare; 11 – bară de sisţinere a motorului electric; 12 – placă de bază; 14 – sistem de pârghii; 15 – motor electric pentru ridicarea braţelor; 16 –

generator ultrasonic. 5. Procedee neconvenţionale de sudare a pieselor de autovehicule Din grupa procedeelor moderne de sudare fac parte cele care asigură îmbinarea nedemontabilă a diferitelor elemente cu ajutorul fasciculelor de electroni sau laseri, ultrasunetelor, explozivilor brizanţi, curenţilor de înaltă frecvenţă, prin difuziune, frecare, sau cu arc electric rotitor. 5.1 Sudarea prin frecare Acest tip de sudură este rezultatul transformării energiei mecanice de frecare dintre componentele îmbinate în căldură. Procesul de sudare cuprinde: antrenarea uneia din componentele de sudare într-o mişcare de rotaţie, cu o viteză constantă sau variabilă şi presarea pe ea a celeilalte componente fixe; încălzirea capetelor elementelor în contact şi refularea zonelor încălzite în vederea sudării, după încetarea mişcării relative (Fig. 5.1). După modul în care se dezvoltă energia cinetică de frecare se disting următoarele variante ale procesului de bază: sudarea prin frecare continuă (puterea specifică la sudare este de 12…15W/mm2); sudarea prin frecare HUP (Heat Under Power); sudarea prin frecare cu impulsuri; sudarea prin frecare orbitală; sudarea prin frecare cu încălzire suplimentară prin inducţie a componentelor ce trebuie îmbinate; sudarea prin frecare cu materiale de adaos; sudarea prin frecare indirectă. Mecanismul formării sudurii poate fi structurat în patru faze (Fig. 5.2).

65

Fig. 5.1. Fazele procesului de sudare prin frcare HUP: 1 – Arbore de antrenare; 2 – Volant cuplat cu piesa în rotaţie; 3 – Piesa în mişcare de rotaţie; 4 – Piesa fixă.

Fig. 5.2. Variaţia turaţiei (n), presiunii axiale (pa), momentului de frecare (Mf) şi scurtării axiale (∆l) în timpul porcesului de sudare prin frcare.

Faza I. Componenta fixă se aduce în contact cu cea aflată în mişcare de rotaţie, presâdu-le axial. Datorită vitezei relative de rotaţie în zonele de contact se formează punţi metalice care încep să se dezvolte. Punţile metalice se rup, asigurând astfel un transfer continuu de metal de la o componentă la alta. Transferarea particulelor de metal determină o majorare a momentului de frecare şi a temperaturii care fac ca materialul să devină plastic. Metalul plastificat se amesteca existând doua componente, în mişcare relativă, separate de un strat vâscos. Faza II. Materialul plastificat şi localizat într-o zona inelară, se extinde şi cuprinde întreaga suprafaţă de contact, ceea ce determină o diminuare a momentului de frecare. În continuare el este eliminat, sub forma unei bavuri, spre exterior. Odată cu formarea bavurii cele doua componente se apropie, deplasarea fiind denumită „scurtarea axială”. Faza III. Particulele metalice din ambele componente sunt transferate în metalul plastifiat şi amestecate cu acesta până devin şi ele plastice. În această fază se generează cea mai mare parte din căldură.

Faza IV. În această fază, ce durează sub o secundă, viteza scade la zero. La începutul fazei (înainte ca turaţia să scadă sub 250rot/min) se aplică o frânare moderată (125rad/s2), iar după aceea una puternică pentru a asigura deplasarea materialului plastificat, fără a forfeca sudura. Parametrii regimului de sudare prin frecare sunt: viteza relativă dintre componente (0,6…3m/s); presiunea de frecare (la sudarea pieselor din acelaşi oţel sau calităţi apropiate, timpul de frecare poate varia in limite largi – 10…40s, în schimb la sudarea semifabricatelor din materiale diferite, aceasta are valori strânse – 2…8s); timpul de refulare (este apropiat de cel de frecare); scurtarea axială (se recomandă ca parametru de control al procesului la sudarea pieselor care nu au capete suficient de curate). Valorile parametrilor regimului de lucru la sudarea prin frecare a unor repere din construcţia autovehiculelor sunt date în Tabelul 5.1.

66

Tabelul 5.1

Parametrii regimului de sudare Componenta de sudat

Diametrul în planul sudurii [mm]

Secţiune de sudat [mm]

Materiale de sudat

Turaţia [rot/min]

Viteza periferi-că [m/s]

Timpul de sudare [s]

Presiu-nea de frecare [MPa]

Presiu-nea de refulare [MPa]

Arbore cardanic

21,5 363 SAE 11417 SAE 1020

4400 4,9 4 84,5 120

Arbore de transmisie

24,3 463,8 SAE 11417 SAE1010

4400 5,6 5 56 112

Arborele primar din cutia de viteze

24

452,4

30MoCr10+ 30MoCr10

1500

1,88

12

187

373

Arbore planetar

42,5 1419 SAE1037+ SAE1037

2200 4,7 21 84,5 169

Pinion de atac 64,0 3217 17MoCrNi15 18MnCr10

1500 5,0 41,5 98,9 123,9

Din punct de vedere al dimensiunilor componentelor de sudat procedeul nu limitează

domeniul de aplicare. Astfel, se pot suda pe plăci de oţel fire cu diametrul de numai 0,75mm, dar şi bare din oţel cu diametrul de 150mm sau ţevi cu diametrul de 1200mm (tab. 5.2). În timpul mişcării relative a componentelor de sudat apar vibraţii. Pentru a le diminua se recomandă ca lungimea liberă să fie aproximativ egală cu diametrul componentei. În scopul scurtării duratei procesului de sudare şi îmbunătăţirii calităţii acestuia trebuie ca suprafeţele capetelor componentelor să fie curăţite de grăsimi, rugină, zgură sau alte impurităţi.

Se pot suda prin frecare materiale diferite din punct de vedere al compoziţiei chimice (cuprul cu aluminiul, aluminiul cu oţelul, oţelul cu cupru ş.a.) şi temperaturi de topire (tantal cu oţel, titan cu magneziu ş.a.).

Calitatea sudurilor prin frecare se reflectă în rezultatele încercărilor la oboseală. Astfel, la solicitări de oboseală prin încovoiere rotativă barele din oţel sudate prin frecare şi tratate termic se comportă mai bine ca materialul de bază.

Tabelul 5.3. Caracteristicile maşinilor de sudat prin frecare Diametrul piesei [mm] Tip maşină P

[kw] Turaţia [rot/min]

Forţa defrecare [kN]

Forţa de refulare [kN]

Oţel aliat

Oţel nealiat

Ţevi Lungime [mm]

MSF5 15 1500 50 50 12…22

12…30 12…45

200

MSF17.08AN 17 1500 80 80 15…25

- - 400

MSF10 22 1500 100 100 14…30

14…36 14…45

200

*MSF30S-AP 40 1460 150 300 - - - - *Maşină specializată pentru realizarea din două componente (una forjată şi celaltă laminată) a arborelui primar din cutia de viteze a autoturismului DACIA 1300.

67

În cazul sudării oţelului cu aliaje de aluminiu se produc îmbinări care au rezistenţă la oboseală superioară celei a aluminiului. Acest fenomen se datorează lipsei de constituenţi fragili la sudarea prin frecare.

Sudarea prin frecare se execută pe maşini automate sau semiautomate (Fig. 5.3). Procedeul se foloseşte la fabricarea antecamerelor bimetalice ale motoarelor cu

aprindere prin compresie, supapelor, arborilor cotiţi, rotoarelor de turbină, arborilor din cutiile de viteze, arborilor transmisiilor cardanice, arborilor planetari cu flanşă sau lalea, barelor sistemului de direcţie (Fig. 5.4).

Tabelul 5.2. Îmbinări realizate prin sudură prin frecare

68

Fig. 5.3. a) Schema de principiu a unei maşini de sudat prin frecare continuă: 1 – motor de antrenare; 2 – transmisie prin curele; 3 – cuplaj; 4 – lagăr principal; 5 – mandrină; 6 – componente de sudat; 7 – sanie; 8

– ghidaje; 9 – cilindru hidraulic. b) Maşina MSF-10 de sudat prin frecare: 1 – batiu; 2 – dispozitiv de prindere şi rotire a piesei; 3 –

instalaţia de ungere şi răcire; 4 – sania cu bacurile de prindere a piesei fixe; 5 – coloane de ghidare; 6 – panoul hidraulic; 7 – pupitrul de comandă hidraulică; 8 – cilindri de acţionare a saniei; 9 – cilindrul de acţionare a bacurilor; 10 – cilindri de acţionare a mandrinei hidraulice; 11 – conducte de legătură; 12 –

motorul electric de antrenare în mişcare de rotaţie; 13 – postul de alimentare; 14 – pupitrul de comandă.

69

Fig. 5.4. repere din construcţia autovehiculelor îmbinate prin sudură prin frecare: a) – arbore conducător; b) – arbore primar; c) – arbore canelat; d) – bucşă demaror; e) – arbore planetar.

Aplicarea sudării prin frecare este însoţita de o serie de avantaje, concretizate prin:

rezistenţe la tracţiune şi la oboseala mai mari ca ale materialului de bază, deoarece structura îmbinării este superioară ca omogenitate; precizii ridicate ale asamblărilor; posibilităţi de sudare a metalelor cu temperaturi de topire si compoziţii diferite; productivitate mare a maşinilor de sudat automat (la piese mici se pot atinge cadenţe de 600 piese/oră); economii de manoperă şi energie (tab. 5.4 si 5.5).

70

Tabelul 5.4. Piese bimetalice din transmisia autocamioanelor roman asamblate prin sudurǎ prin frecare Economii realizate prin aplicarea

tehnologiei neconvenţională Schiţele

semifabricatelor îmbinate

prin sudură prin frecare

Caracteristicile piesei –

tehnologie clasică

Caracteristicile semifabricatelo

r sudate prin frecare

De materiale in val. absol.

[kg/buc]

Materiale deficitare [kg/buc]

Financiare [lei/buc]

Pinion de atac 89.35.101.0155

Material 17CrNiMo15 Masa 8.8kg

Arborele 1 se prelucrează din

18MnCr10 Are masa de

5.05kg Piesa 2 care se va dantura este

din 17CrNiMo15 Masa 3.2Kg

0.55 5.6

17CrNiMo15 =

13.05lei/kg 18MnCr10=

6.25lei/kg Economie

totală 41.52 lei/buc

Arbore conducător 89.32.205.0002

Material 17CrNiMo15

Masa 10.2kg

Arborele 1 se executa din 18MnCr10

Are masa de 4.33kg

Piesa 2 se realizează din 17CrNiMo15 Masa 5.42kg

0.45 4.78 35.31

Caracteristicile structurale ale îmbinărilor fac ca mijloacele clasice de control (raze X,

ultrasunete) să fie puţin eficiente. Dar, caracteristicile mecanice ale tuturor îmbinărilor sudate trebuiesc controlate. De aceea, s-a recurs la verificarea capacităţii pieselor de a suporta un anumit nivel de solicitare statică, prin încercarea sistematică a acestora pe un stand montat pe linia de fabricaţie şi la supravegherea şi controlul parametrilor sudurii cu ajutorul calculatorului.

Un asemenea sistem de control permite repetarea oricărui regim de lucru, caracterizat prin parametrii ciclului de deformare, în funcţie de dimensiunile semifabricatelor şi caracteristicilor materialelor din care acestea sunt executate. Conducerea procesului de sudare şi controlului regimului de lucru cu ajutorul calculatorului asigură execuţia unor piese finite cu toleranţe de lungime de ±0.15mm.

Sudarea prin difuzie este un procedeu care asigură îmbinarea ca urmare a interacţiunii atomice dintre materiale şi difuzia reciprocă de particule prin suprafaţa de separare. Aproprierea pieselor se face sub acţiunea unei forţe exterioare, care realizează o deformare plastică microscopică. Pentru accelerarea procesului de difuzie, care are loc în vid sau in atmosferă de gaz protector, componentele se încălzesc la o temperatură inferioară celei de topire.

Procedeul se caracterizează prin eliminarea fazei topite din îmbinare, ceea ce îl face aplicabil la asamblarea pieselor din materiale greu fuzibile sau a celor cu caracteristici fizico-chimice diferite (oţel-aluminiu, aluminiu-material ceramic; oţel-material ceramic). De asemenea, el nu modifică esenţial caracteristicile structurale în zona îmbinării, care are dimensiuni reduse, şi nu produce deformări macroscopice şi dimensionale ale componentelor. Forma şi dimensiunile semifabricatelor în zona de îmbinare nu sunt limitate.

71

Tabelul 5.5. Semifabricate îmbinate prin sudurǎ prin frecare

Dezavantajele se datoresc exigenţelor impuse calităţii suprafeţelor de îmbinat,

necesităţii folosirii unui mediu de protecţie în zona de sudare şi timpilor ridicaţi de operare. Procesul tehnologic la sudare prin difuzie cuprinde următoarele etape:

Parametrii regimului de sudare Schiţele semifabricatelor asamblate prin sudură prin

frecare

Denumirea semifabricatului si

materialul D [mm] tfrec.

[Mpa] tref.

[Mpa] tfrecv [s]

tref [s]

Supapă

1. Taler supapă 2. Tijă supapă

40MoCrNi15 18 180 195 10.0 3.0

Arbore cardanic

1. Furcă OLC 45 2. Piesă de

legătură OLT 35

3. Arbore 40Cr10

50

50

35

31 80 12.2 1.2

Arbore din cutia de viteze

1. Pinion OLC 60

2. Arbore OLC 60

38 105 210 4.2 3.2

Cremalieră sistem de direcţie

1. Tijă OLC 35 2. Cremalieră

40Cr10 38 93 174 4.6 3.4

a) Pregătirea componentelor. La sudarea materialelor de aceiaşi natură se recomandă o pregătire a componentelor prin polizare şi şlefuire ( rugozitatea suprafeţelor 0.5 ... 2µm). Pentru semifabricatele cu proprietăţi plastice mult diferite (oţel – aluminiu) suprafeţele se strunjesc cu rugozităţi mai mari (10 ... 40µm). Îndepărtarea straturilor superficiale de oxizi se face prin decapare cu acizi sau baze, iar a straturilor absorbante de gaze (apă sau substanţe organice) cu solvenţi organici (tetraclorură de carbon). Tehnologiile moderne prevăd curăţirea suprafeţelor cu ajutorul ultrasunetelor, bombardamentului cu fascicul de ioni, prin intermediul unei descărcări luminiscente sau al încălzirii în vid. După curăţirea suprafeţelor acestea sunt protejate cu ajutorul unor medii de protecţie (vid sau gaze inerte).

b) Poziţionarea componentelor şi apăsarea lor cu o anumită forţă, care se menţine constantă în timpul procesului de sudare. Îmbinarea se execută în camere de sudare cu vid înaintat (10-2 ... 10-3Pa) vid parţial (1...0.1Pa) sau cu protecţie gazoasă (argon, heliu, hidrogen, bioxid de carbon, azot) cu

72

ajutorul unor sisteme mecanice, hidraulice sau pneumatice, care asigură poziţionarea şi presarea relativă a componentelor (0.1...40MPa).

c) Încălzirea materialului la temperatura de sudare (400 ... 2300K, funcţie de materialul de bază) prin inducţie, radiaţie sau bombardament cu fascicul de electroni, cu laser sau cu fascicul de lumină şi menţinerea în această stare un anumit interval de timp (0.5...60min). La sudarea prin difuzie se poate introduce între suprafeţele de îmbinat material de adaos (nichel, cupru, titan, beriliu, argint, zirconiu), sub formă de folii, cu grosimea de 1...100µm sau prin depunere electrochimică. Parametrii regimurilor de sudare prin difuzie pentru câteva cupluri de materiale sunt prezentate în tabelul 5.6. Procedeul se aplică la sudarea garniturilor de frână pe suporţi metalici şi a camerelor de ardere din materiale ceramice din pistoanele de aluminiu (Fig. 5.5).

Tabelul 5.6. Parametrii regimului de sudare prin difuzie

Materialele ce se sudează

Temp. de încălzire

[K]

Presiune [MPa]

Timp de încălzire

[min] Oţel-aluminiu 820 5 10

OLC15-OLC45 1220-1270 6-10 15 Oţel fontă 1200 15 6

Fig. 5.5. Piston din aliaj de bază de

aluminiu cu izolaţie ceramică: 1-material ceramic; 2-corpul pistonului; 3-inserţie din

fontă 5.2 Sudarea cu arc rotitor

La acest procedeu încălzirea pieselor se face cu un arc electric care se roteşte, pe

suprafeţele frontale ale pieselor ce se sudează, sub acţiunea unui câmp magnetic exterior. După ce temperatura materialului din zona de îmbinare a atins o anumită valoare, capetele încălzite sunt refulate pentru a se obţine sudarea (Fig. 5.8).

Îmbinările realizate prin sudare cu arc rotitor sau caracteristici macro şi microscopice asemănătoare cu cele obţinute la sudarea electrică sub presiune. Rezistenţa la rupere a îmbinării este egală cu cea a metalului de bază, iar la îndoirea cu 180o nu apar fisuri. Înălţimea bavurii sudurii nu depăşeşte 0.5δ (δ – grosimea peretelui),

73

Fig. 5.6. Principiul sudării cu arc electric rotitor: 1-piese; 2-arc electric; B-inducţia magnetică; F-

forţa electromagnetică; R-sensul de rotaţie al arcului electric

iar scurtarea pe lungime este de 1.5...5.0mm. Datorită încălzirii masive a metalului, la sudarea în regim moale (timpi de încălzire mai mari de 5s) neregularităţile superficiale ale pieselor se elimină în bavură, astfel că probabilitatea de apariţie a defectelor de legătură este redusă.

Pentru reducerea conţinutului de oxigen şi azot din structura materialului din zona îmbinării trebuie ca sudarea să se desfăşoare in atmosferă protectoare.

Fazele procesului tehnologic constau in: prinderea automată sau manuala a pieselor pe bancuri, amorsarea

arcului, rotirea arcului electric sub acţiunea câmpului magnetic şi refularea. Parametrii regimului de sudare sunt: curentul de sudare specific (1.2...5A/mm2),

presiunea de refulare (60...200MPa), timpul de sudare (2 ... 20s), inducţia magnetică în interior (0.02...0.10T), tensiunea arcului (20...26V), întrefierul (2.0 ± 0.5mm), timpul de refulare (0...2s), curentul de refulare (300...600A), viteza de refulare (50...200mm/s).

Aplicarea sudării cu arc rotitor este recomandată în cazul producţiei de serie pentru îmbinarea ţevilor de diverse profile sau a arborilor cu fanşe (arbore planetar).

6. Tehnologia fabricării pieselor sinterizate din pulberi metalice pentru autovehicule

Tehnologia de fabricare a pieselor din pulberi metalice are următoarea structură (Fig. 6.1):

- Elaborarea, prin diverse metode a pulberilor de fier, cupru , staniu, plumb, grafit, lubrifianţi, lianţi;

- Dozarea şi omogenizarea amestecului de pulberi de compoziţie prestabilită; - Formarea pieselor; - Presinterizarea sau sinterizarea semifabricatelor în atmosferă protectoare; - Calibrarea, prelucrarea mecanică de finisare şi impregnarea cu lubrifianţi sau aliaje

uşor fuzibile a pieselor sinterizate; - Tratamente termice sau termochimice.

Metalurgia pulberilor asigură produselor sinterizate o compoziţie precisă şi uniformă, cu o mare constanţă a proprietăţilor, în condiţiile înlocuirii materialelor scumpe şi deficiente cu altele mai ieftine şi existente în cantităţi suficiente şi a eliminării complete a deşeurilor. Totodată, prin această tehnologie se obţin materiale, cu o porozitate fină, uniformă şi dirijabilă, care nu pot fi elaborate prin procedee clasice, pe utilaje automatizate sau robotizate, cu o largă universitate şi de mare productivitate (25 ... 30 semifabricate/min).

Domeniul limitat de aplicare a metalurgiei pulberilor se datoreşte: preţului de cost ridicat al pulberilor metalice; limitelor impuse complexităţii formei geometrice şi dimensiunilor pieselor; valorii mari a matriţelor, care se amortizează numai la serii mari de fabricaţie; compactităţii mai mici şi fragilităţii mai mari ale reperelor sinterizate, faţă de cele turnate sau deformate plastic; diminuării rezistenţei la tracţiune, alungirii, durităţii şi rezilienţei odată cu creşterea porozităţii.

74

Fig. 6.1. Schema procesului tehnologic de fabricare a pieselor sinterizate din pulberi metalice

6.1 Elaborarea, dozarea şi omogenizarea pulberilor metalice

Pulberile metalice sunt alcătuite din particule de diferite dimensiuni (1µm…0.4mm). Ele se obţin din metale pure (fier, cupru, staniu, plumb, cobalt, nichel), aliaje sau compuşi intermetalici (tab. 6.1), prin metode mecanice (aşchiere, măcinare în diverse tipuri de mori, pulverizarea metalelor sau aliajelor topite) sau fizico-chimice (reducerea metalelor din oxizi, electroliza soluţiilor apoase sau a sărurilor topite, descompunerea carbonililor de metal. Pulberile trebuie să posede o înaltă compactitate, proprietăţi bune de curgere, variaţii dimensionale minime în procesul de sinterizare, rezistenţe mecanice ridicate si compoziţie chimică uniformă.

75

Dezintegrarea prin aşchiere se aplică foarte rar deoarece compoziţia chimică a diferitelor sorturi de aşchii este variabilă, măcinarea şpanului de oţel cu conţinut scăzut de carbon este dificilă, pulberea din fontă are un procent ridicat de carbon, siliciu si fosfor fapt ce nu permite fabricarea unor piese sinterizate de bună calitate.

Măcinarea în mori vibratoare cu bile a materialelor casante şi prealiajelor (carburi,

feroaliaje, aliaje Al-Fe, Al-Si-Fe, catozi poroşi şi fragili rezultaţi în urma electrolizei) se aplică la elaborarea pulberilor fine şi foarte fine.

Pentru măcinarea fină a unor cantităţi reduse de materiale se folosesc morile planetare cu bile şi atritoarele (Fig. 6.2). La atritoare efectul intens de măcinare se realizează prin rotirea amestecătorului cu bare. Funcţionarea continuă a instalaţiei este asigurată prin folosirea materiei prime sub forma unei suspensii.

Tabelul 6.1 Compoziţia chimică [%]

Tipul pulberii

Denumire

comercială

Fe C SiO2 P S Mn N2Co min

Ni min

Dimensiunea granulei

[mm]

Densitatea

aparentă [Kg/m3]

Densitatea pieselor formate

[kg] FREM

S400-24 97.5 0.05 0.35 0.025 0.025 0.4 0.5 - - 0.06 .. 0.4 2350 6800 Pulbere pură de

fier FREM S400-28 97.5 0.05 0.35 0.025 0.025 0.4 0.5 - - 0.06 .. 0.4 2750 6800

PC-01 0.2 - - - - - 0.4 98.00 1.0 0.09 1300 .. 2000 6900 Pulbere

de cobalt PC-02 0.3 0.05 0.05 - 0.05 0.05 0.3 98.93 0.1 0.045 1000 ..

2000 6900

Pni 1 1.0 0.1 0.02 - 0.05 0.01 - - 98.4 0.04 2900 .. 4000 7100 Pulbere

de nichel Pni 2 0.1 - 0.01 - - 0.01 - - 99.4 0.04 2000 ..

3300 7100

Pulverizarea din faza lichidă a unor metale sau aliaje cu ajutorul fluidelor aflate sub

presiune (Fig. 6.3), are o productivitate ridicată (3...10t/h), dar forma granulelor (apropiată de cea asferică) nu asigură proprietăţi satisfăcătoare pulberilor.

76

Fig 6.2. Principiul de funcţionare al unui atrior: 1-manta de răcire; 2-vas de măcinare; 3-bile; 4-bare; 5-amestecător cu bare; 6-amestecător de

emulsie; 7-rotor cu palete; 8-pompă cu membrană

Fig. 6.3. Instalaţie de pulverizare din fază

lichidă: 1-oală de transport; 2,4-metal topit; 3-creuzet de turnare; 5-cap de

pulverizare cu duză inelară; 6-cameră de pulverizare; 7-bazin de apă; 8-pulbere

metalica

Atomizarea (pulverizarea) metalului topit, ce se scurge printr-o duză din ceramică, se produce sub acţiunea unui jet de aer, argon sau alt gaz inert, puternic comprimat (0.5...3MPa), care curge cu viteze ridicate (300...500m/s). Picăturile fine de metal se solidifică şi cad in apa de la baza turnului de pulverizare de unde sunt evacuate. În instalaţiile mari se foloseşte frecvent, ca agent de pulverizare, apa la presiune ridicată (10...13MPa).

Ulterior pulberile sunt centrifugate şi uscate în mediu neoxidant, după care urmează o recoacere în atmosferă reducătoare (hidrogen sau amoniac disociat) pentru îmbunătăţirea compoziţiei chimice, formei, structurii interne, calităţii şi mărimii granulelor, densităţii aparente de umplere , precum şi a altor proprietăţi fizice şi tehnologice.

Reducerea oxizilor la temperaturi ridicate cu agenţi solizi (carbon Fig. 6.4) sau gazoşi (hidrogen, oxid de carbon sau azot Fig. 6.5) este o metodă ce se aplică la fabricarea pulberilor de fier, cupru, cobalt, wolfram, molibden. Un ciclu complet de reducere cuprinde o preîncălzire (45 ore), menţinerea la temperatura de 1500K (30 ore) şi răcirea (40 ore).

Fig. 6.4. Schema fluxului tehnologic de

fabricare a pulberilor de fier prin reducere cu carbon

77

Fig. 6.5. Schema fluxului tehnologic de fabricare

a pulberilor metalice prin reducere cu gaza

Fig. 6.6. Schema instalaţiei de reducere pentru

fabricarea pulberilor de fier prin procedeul FREM: 1-flacăra; 2-cuptor de reducere;

3-răcitor cu apă; 4-uşă de scoatere; 5-pompă de recirculare; 6-filtre; 7-săcitor;

8-uşă de alimentare

În ţara noastră se aplică, la combinatul Metalurgic Câmpia Turzii, procedeul FREM (Fig. 6.6). Acesta constă în reducerea cu gaz metan a oxizilor măcinaţi în mori cu bile, amestecaţi cu 6...8% negru de fum şi apoi brichetaţi. Pentru unele sortimente de pulberi se aplică un tratament termochimic cu amoniac disociat.

O altă metodă de fabricare a pulberilor este cea electrochimică. La trecerea curentului electric continuu prin soluţiile apoase ale unor săruri (Cu, Sn, Fe, Ag) sau prin topiturile (Ta, U, Mb, Ti, Zr) aflate la temperaturi ridicate, metalul sau aliajul se depune la catod sub formă de pulbere. Aceste pulberi se caracterizează prin puritatea ridicată şi proprietăţi de

presare şi sinterizare foarte bune. Consumul de curent la electroliză este de 1.5...4kWh/Kg pulbere, iar costul este de

3...6 ori mai ridicat ca al pulberilor reduse. Metoda carbonil (Fig. 6.7) permite obţinerea unor pulberi de mare puritate şi cu

granulaţie foarte fină din metale (Fe, Ni, Co, Cr, W, Mo) care formează cu oxidul de carbon carbonili. Datorită procesului complicat de fabricaţie, aceste pulberi sunt de 7...15 ori mai scumpe ca cele realizate prin reducere, motiv pentru care sunt folosite numai atunci când se cer produse de înaltă puritate.

78

Pentru creşterea compactităţii pulberilor, diminuarea presiunii de ejecţie, eliminarea defectelor fizice din semifabricate, reducerea frecărilor dintre particule, poansoane si pulbere, matriţă şi pulbere şi diminuarea uzurii sculelor, în pulberi se introduc, în proporţie de 0.2 ... 1% lubrifianţi şi lianţi (stearaţi de zinc, calciu, aluminiu, magneziu, plumb sau litiu, acid stearic, oleic sau benzoic, parafină, bisulfură de molibden, grafit, melamină, amelină etc.).

Fig. 6.7. Schema procedeului carbonil de fabricare a pulberilor metalice

Amestecurile se realizează prin omogenizarea, în

instalaţii speciale (Fig. 6.8), a două sau mai multor sorturi de pulberi cu ingrediente nemetalice. Dozarea componentelor se face prin cântărire sau volumetric conform reţelei prescrise. 6.2 Formarea pieselor din pulberi metalice

În urma compactării amestecurilor de pulberi rezultă semifabricate poroase cu rezistenţe mecanice foarte mici. Formarea trebuie astfel condusă încât să se asigure stabilitatea mecanică a formei până la introducerea în cuptoarele de sinterizare.

Compactitatea şi rezistenţa mecanică a semifabricatelor depind de proprietăţile pulberilor, mărimea presiunii şi modul de aplicare a forţelor de presare, forma şi dimensiunile piesei şi temperatura la care se execută formarea.

Formarea semifabricatelor se poate realiza prin compactare (presare, sintermatriţare, extrudare, laminare), turnare în forma de ipsos sau presărare fără tasare.

Fig. 6.8. Amestecătoare pentru pulberi metalice

6.2.1 Formarea prin presare

Presarea pulberilor în matriţe de otel se poate face la rece (unilateral, bilateral sau

izostatic) sau la cald. La presarea unidirecţională cu simplă acţiune poansonul şi matriţa sunt fixe. Forţa de

comprimare se aplică numai prin intermediul poansonului superior (Fig. 6.9 a). Procedeul asigură o repartizare neuniformă a densităţii pulberii presate în matriţă, iar compactarea scade cu creşterea distanţei faţă de poansonul activ.

În cazul presării bilaterale (Fig. 6.9 b) se deplasează ambele poansoane cu viteze egale, asigurându-se astfel o omogenitate mult mai mare a densităţii şi durităţii.

79

Prin această metodă se pot presa piese cu raportul h/D (înălţime/diametru) cuprins între 2 şi 4. Aproximativ la mijlocul înălţimii semifabricatelor rezultă o zonă neutră cu densitate mai mică, care se restrânge în timpul sinterizării.

Se recomandă ca valoarea presiunii de compactare să nu depăşească 60...70MPa. Presarea izostatică cu pungă umedă a formei cu înveliş elastic, umplută in prealabil cu

amestec de pulbere, se realizează sub acţiunea unui lichid comprimat la presiuni de 300...500MPa (Fig. 6.9 c). Deoarece aerul dintre granulele de pulbere nu se poate îndepărta în timpul presării, formele flexibile sunt în prealabil vidate si închise.

Fig. 6.9. Formarea prin presare: a-unidirecţională cu simplă acţionare;

b-unidirecţională cu dubla acţiune; c-izostatică (1-dop; 2-pulbere; 3-înveliş; 4-cameră de presare; 5-ulei);

d-explozie (1-exploziv; 2-piston; 3-capac; 4-pulbere; 5-înveliş; 6-ulei)

Mediul de transmitere a presiunii pentru presare la rece poate fi apa, uleiul sau glicerina, iar pentru cea la cald gazele inerte încălzite la temperaturi ridicate.

Presarea izostatică cu pungă se execută în forme din material elastic (cauciuc, mase plastice) aşezate în matriţe obişnuite din oţel.

O variantă a presării izostatice este cea prin explozie (Fig. 6.9 d). Procedeul permite fabricare pe instalaţii simple, cu cheltuieli minime, a unor repere ce

nu pot fi obţinute prin alte metode, cu aceleaşi rezistenţe mecanice în toate secţiunile, fără goluri şi tensiuni interne, cu compactităţi (10...16%), rezistenţe mecanice (30...60%) şi alungiri la rupere (20...60%) mai mari ca ale celor executate prin presare unidirecţională. Dezavantajele se datoresc imposibilităţii respectării riguroase a formei şi dimensiunilor semifabricatului, productivităţii mici şi durabilităţii reduse a sculei.

La presarea semifabricatelor cu presiuni mari de compactizare, apare o deformare plastică la rece, şi ca urmare o ecruisare puternică a granulelor de pulbere, fenomen ce determină micşorarea plasticităţii şi creşterea durităţii. Dacă se supune semifabricatul presat unui tratament termic de recoacere de recristalizare la temperaturi joase (presinterizare) se anulează efectul negativ al deformării plastice la rece, produsul devenind din nou moale şi uşor deformabil. Aplicarea unei noi presări şi sinterizarea finală vor asigura o densitate finală mult mai mare fără a fi necesare presiuni exagerate de comprimare.

Execuţia automată a pieselor din pulberi metalice este asigurată pe prese mecanice sau hidraulice de mare productivitate (10...30 piese/min).

80

Dacă in timpul presării pulberilor metalice are loc încălzirea materialului până la temperatura de sinterizare (Fig. 6.10), presiunile de compactizare necesare sunt mai mici ca cele aplicate la presare la rece.

Datorită dificultăţilor tehnice şi durabilităţii şi durabilităţii reduse a matriţelor, această metodă costisitoare şi de mică productivitate se aplică foarte rar. 6.2.2 Formarea prin extrudare, laminare şi sintematriţarea pulberilor metalice

Formarea prin extrudarea pulberilor la

cald sau la rece, se aplică la produsele cu secţiune uniformă, lungimi mari şi proprietăţi constante. Prin ea se pot prelucra pulberi aşezate liber întru-un container încălzit, lingouri sinterizate sau pulberi ambalate într-un înveliş metalic (Fig. 6.11).

Prin extrudare rezultă simultan creşterea densităţii şi reducerea secţiunii de 6...100 ori la temperaturi mai coborâte ca cele necesare sinterizării sau presării la cald.

Laminarea pulberilor se realizează între doi cilindri rotativi aşezaţi într-un plan orizontal sau vertical. Cilindrii antrenează pulberea şi o introduc în zona de lucru unde o compactează într-o bandă continuă de grosime redusă (Fig. 6.12). Produsele laminate din pulberi, la ieşirea dintre cilindri au o rezistenţă mecanică suficientă, de aceea ele sunt supuse sinterizării.

Procedeul asigură fabricarea produselor sinterizate de mare puritate cu respectarea riguroasă a compoziţiei chimice prescrise şi execuţia benzilor bi sau trimetalice de porozitate şi dimensiuni dorite (lagărele de alunecare autolubrifiate) cu investiţii relativ reduse).

Sintermatriţarea este un procedeu nou de formare a pulberilor metalice, care are următoarea structură (Fig. 6.13): presarea pulberilor în matriţe; presinterizarea; forjarea la cald în matriţe de oţel; răcirea în tunele cu atmosferă controlată.

Tehnologia asigură realizarea de piese complexe (biele, pinioane, segmenţi) cu compactităţi foarte bune (peste 98%), structuri omogene, fără defecte şi cu rezistenţe mecanice excelente, în condiţiile unei producţii complet automatizate.

Fig. 6.10. Schema ciclului de presare la cald a

pieselor din pulberi metalice: a-lubrifierea matriţei; b-alimentarea cu pulbere; c-comprimarea; d-

poziţionare – lubrifiere; e- presare finală; f-ejecţia

Fig. 6.11. Metode de extrudare a pulberilor

metalice: a-pulbere liberă; b-lingou sinterizat; c-pulbere compactată într-un înveliş

81

Fig. 6.12. Schema de principiu a laminării pulberilor metalice:

a-laminarea cu cilindri aşezaţi în plan orizontal; b-cilindri aşezaţi în plan vertical, cu alimentare din pâlnie curbată; c-alimentare laterală forţată cu melc;

d-laminarea unei benzi bimetalice; e-laminarea unei benzi trimetalice; 1-cilindri; 2-pâlnii şi dispozitive de alimentare; 3-produsului laminat din pulberi; 4-pereţi despărţitori în pâlnia de alimentare; 5-bandă

plecată de ambele părţi

Fig. 6.13. Schema fluxului tehnologic la sintermatriţarea unui pinion satelit:

a-semifabricat presat şi presinterizat; b-începutul matriţării; c-fazele intermediare ale matriţării (1-poanson; 2-miez; 3-matriţă; 4-poanson inferior; 5-semifabricat presinterizat; 6-roată dinţată); d-faza finală a matriţării (1,2,3-forme intermediare ale semifabricatului în cursul matriţării); e-produs finit

6.2.3 Turnarea în forme de ipsos

Metoda constă din turnarea unei suspensii de pulbere metalică (barbotină) într-o formă cu pereţi poroşi, executată dintr-un material absorbant (ipsos). Particulele de pulbere din suspensie sunt antrenate de curenţii din lichid spre pereţii formei absorbante, unde se depun şi se compactează, legându-se puternic între ele. În funcţie de grosimea dorită a pereţilor, durata formării sedimentului de barbotină se înlătură (Fig. 6.14)

Formele, înainte de turnare, sunt uscate până când conţinutul de apă ajunge la 5...10%, după care suprafeţele interioare sunt umectate cu o soluţie formată din săpun, grafit, talc, bentonită şi caolină, care va uşura dezlipirea semifabricatului.

82

Barbotinele se prepară din pulberi metalice foarte fine (granule cu diametru de 1...3µm

uscare las

r reduse,

), în proporţie de 40...70% din greutate, şi lichidul suspensiei (apă sau alcool etilic). Pentru defloculare şi reglarea pH-ului în suspensie se mai dizolvă hidroxid de sodiu, hidroxid de potasiu şi alginat de amoniu sau de sodiu.

Pentru a se evita fisurarea şi deformarea semifabricatului, cauzate de o

rapidă şi neuniformă acesta se ă în formă, după turnare, timp de 10...16 ore. Semifabricatele scoase din forme sunt supuse sinterizării.

Turnarea suspensiilor din pulberi metalice permite execuţia, în condiţiile seriilo

a unor piese cu configuraţii complexe.

Fig. 6.14. Principiul formării prin turnare în forme de ipsos: a-formarea pieselor cu secţiune plină; b-formarea pieselor cu gol interior; 1-vas cu barbotină; 2-formă de ipsos; 3-semifabricat; 4-

tavă

6.3 Sinterizarea semifabricatelor din pulberi metalice

Sinterizarea este un tratament termic executat într-o atmosferă controlată la o

principal, dar superioară cele de recristalizare. Prin sinterizare se majorea compactarea şi rezistenţa mecanică a semifab

Cu mărirea temperaturii devine predom

este puternic stimulat de fenome

Alegerea atmosferelor protectoare se face în funcţie de materialul supus sinterizării.

temperatură inferioară celei de topire a componentuluiză

ricatului ca urmare a creşterii suprafeţelor de contact dintre particule. Granulele de pulbere îşi pierd individualitatea şi dispar suprafeţele de separaţie dintre ele, apărând limitele noilor grăunţi. In acelaşi timp, se accentuează creşterea proporţiei porilor mari şi dispariţia celor mici. Pe durata desfăşurării procesului au loc şi alte transformări, cum sunt: topirea, în unele cazuri, a unui component secundar, reacţii chimice între componenţii amestecului, sau între aceştia şi gazele protectoare, recristalizarea, alierea etc.

La începutul sinterizării, prin încălzire creşte energia cinetică şi mobilitatea atomilor. Apoi se manifestă fenomenul de difuzie de suprafaţă prin deplasarea atomilor cu mobilitate maximă. Concomitent se iniţiază şi difuzia intergranulară.

inantă difuzia de volum şi apar germeni noi de cristalizare în zonele puternic ecruisate, prin care începe recristalizarea şi creşterea grăunţilor nou formaţi.

Uneori poate să apară şi un transport de materie prin faza gazoasă, cauzat de evacuări parţiale, urmate de condensări în zona punţilor de legătură în curs de formare între granule. Când are loc o sinterizare cu apariţie de fază lichidă, procesul

nul de activare-precipitare, accentuându-se contracţia şi creşterea grăunţilor. Sinterizarea se realizează în atmosferă protectoare în trei faze (încălzire la temperatură

disociat, oxid de carbon si gaz metan ars parţial), carburanţi (propan sau alte hidrocarburi) şi de nitrurare (NH3).

83

Pentru realizarea unor piese din pulberi metalice cu proprietăţi fizico-mecanice satisfăcătoare cuptoarele de sinterizare trebuie să asigure temperaturi optime, riguros controlabile în fiecare zonă, viteze de încălzire şi răcire reglabile, alimentare continuă cu gaze de prot .

Fig. 6.15. Cuptor tabular de sinterizare cu bandă transportoare cu trecere continuă cu două zone de încălzire şi una de răcire: 1-platformă de încărcare; 2-perdea de flacără;

3-hotă de aspiraţie; 4-termocuple; 5-mecanism pentru uşa intermediară; 6-uşă de scoatere; 7-bandă transportoare; 8-

tam e

i

îmbunătăţi unele proprietăţi. Acestea

ifiere. Ea se realizează prin fierberea ulei

ecţie , siguranţă mare în funcţionare, productivitate ridicată, consum redus de energieCuptoarele de sinterizare pot fi tubulare, cu bandă (Fig. 6.15) sau role transportoare,

cu clopot, cu inducţie, sau cu tub de grafit. După sinterizare, la unele

produse se mai aplică operaţicomplementare pentru a se

sunt calibrarea, îmbibarea cu lubrifianţi lichizi, prelucrarea prin aşchiere, tratamentele termice, infiltrarea cu metale sau aliaje topite.

Impregnarea reperelor sinterizate cu lubrifianţi lichizi se face pentru a se obţine proprietăţi de autolubr

pieselor in până la încetarea degajării bulelor de aer sau prin imersarea elementelor vidate în prealabil in ulei cald.

bur; 9-răcitor; 10-cameră de lucru; 11-elemente dîncălzire; 12-antecameră; 13-elemente de preîncălzire; 14-

mecanism de avans 6. n c

Beneficiarul principal al pieselor sinterizate este industria constructoare de utovehicule (peste 50% din producţia mondială).

00-120 de componente realizate prin tehnica sinteriz rii. Aceste componente intră în componenţa motoar

ţate, ghiduri de supape, pistoane plunjer), cire

ale metalurgiei pulberilor.

4 Repere din pulberi metalice sinterizate folosite î

onstrucţia autovehiculelor

a Marile firme producătoare de autoturisme echipează noile lor modele cu peste 1

ăelor (cuzineţi, biele, lagăre oscilante ale culbutorilor, pinioane pentru antrenarea

distribuţiei), sistemele de ungere (rotoare, roţi dinră (garnitura de etanşare a pompei de apă) şi alimentare (cama carburatorului, pistonul pompei de acceleraţie, lagărele pompelor de injecţie), ambreiajelor (garnituri de fricţiune, butuc disc ambreiaj), cutiilor de viteze (conuri sincronizatoare, bucşe pentru roţile dinţate), diferenţialelor (pinioane), amortizoarelor (pistoane, corp supapă amortizor, ghidaj tijă amortizor), sistemelor de frânare (pistoane, suport pedală pentru frâna disc, piuliţe şi sectoare dinţate pentru mecanismul de reglare a frânei), mecanismelor de direcţie (furci şi cuzineţi pentru cremaliera şi pinionul mecanismului de direcţie), alternatoarelor (piese polare, bucşe distanţiere), demaroarelor (piese polare, lagăre autolubrifiante), ruptorului-distribuitor (contacte, lagăre, came, contragreutăţi, regulator centrifugal), instalaţiilor de climatizare (cuzineţi motor, butuc şi coroana roţii de curea), ştergătorul de parbriz (pinion ştergător, lagăre autolubrifiante), mecanismelor de manevrare a uşilor şi geamurilor (pinionul dispozitivului de manevră, cremaliere uşi), elementelor interne ale caroseriei (piesă de blocare a centurii de siguranţă, bucşe şi pinioane pentru scaunele rabatabile) etc. (Fig. 6.16).

În ţara noastră, odată cu dezvoltarea industriei constructoare de autovehicule, s-au asimilat şi dezvoltat, la Întreprinderea „SINTEROM” din Cluj-Napoca, tehnologii moderne

84

Fig. 6.16. Sisteme ale autoturismelor care au în componenţă piese din pulberi sinterizate: 1-sistem de frânare; 2-suspensia; 3-sistemul de direcţie; 4-ambreajul şi cutia de viteze; 5-motorul cu sistemele sale

(alimentare, aprindere, ungere, răcire); 6-instalaţia de climatizare; 7-elemente interioare ale caroseriei; 8-mecanismele de manevrare a uşilor şi geamurilor; 9-ştergatoarele de parbriz

e-C ,

autovehicule i) la rotirea axului în lagărul autolubrifiant, apare un efect de aspiraţie care determină apariţia unui film de lubrifia

are, durată lunga de exploatare (3000...5000 ore) şi un preţ de cost redus. Forma lagărel

talice sinDintre produsele poroase, lagărele me terizate pe bază de pulberi de fier (F

u-grafit) sau de bronz (bronz cu plumb 60 Cu/40 Pb, bronz grafitat cu 1.75...3.50% grafitbronz sinterizat cu politetrafluoretilenă) au găsit o largă aplicabilitate în construcţia de

. Datorită impregnării cu ulei a porilor (10 .. 30% din volumul piese

nt între piesele în mişcare. La oprirea, datorită forţelor capilare, filmul de ulei este absorbit în pori.

Pentru condiţii de funcţionare uscată porii lagărelor pot fi impregnaţi cu politetrafluoretilenă. Impregnarea se face cu metale topite. În cazul condiţiilor grele de exploatare (viteze mai mari de 1.5 m/s şi temperaturi mai înalte de 360K), lagărele pot fi prevăzute cu ungere suplimentară cu ulei sau cu lubrifiant solid (grafit, bisulfură de molibden).

Faţă de lagărele fabricate prin procedee clasice (turnare şi prelucrare mecanică), cele executate din pulberi metalice sinterizate au coeficienţi de frecare reduşi (0.004...0.1) sunt rezistente la uzare şi solicitări statice (0...15MPa) şi dinamice, pot funcţiona la turaţii ridicate (30000rot/min) şi temperaturi cuprinse între 210K şi 720K, în medii abrazive, au tendinţă mică de grip

or sinterizate autolubrifiante poate fi cilindrică, cilindrică cu guler sau sferică (Fig. 6.17).

85

Fig. 6.17. Forme ale lagărelor sinterizate autolubrifiante

a-lagăr cilindric cu guler; b-lagăr cilindric; c-lagăr sferic

Tehnologia de fabricare a lagărelor autolubrifiante este prezentată în Fig. 6.18. O tehnologie modernă în domeniul metalurgiei pulberilor este aceea de fabricare a

cuzineţilor prin sinterizarea pulberilor metalice pe suportul de oţel (Fig. 6.19). Procesul tehnologic de fabricare a cuzineţilor din aliaje antifricţiune depuse pe benzi

de oţel prin plecare sau sinterizare decurge conform scheme din Figura 6.20.

86

1. Material FUE 8 Fe 20-63 conţine pulberi de bronz 90/10 şi 20% Fe. Lubrifiantul pentru presare este steorat de zinc, 0.8%

2. Formarea se execută pe prese mecanice de 200 KN în matriţă. Semifabricatul format are înălţimea de 15.07...15.21mm; masa 5.9...6.1g; densitatea 6.15…6.25g/cm3

. 3. Sinterizarea se execută în cuptor tunel cu bandă transportoare, în atmosferă endogaz

cu punct de rouă 273…283K la temperatură de 1090±10K; viteza benzii transportoare 8m/h. Semifabricatul sinterizat are diametrul exterior 15.1…15.3mm şi rezistă la o forţă de comprimare de 3200N.

4. Calibrarea lagărului se execută pe prese mecanice de 250KN. Produsul finit are densitatea de 6.2g/cm3, rezista la o forţă de comprimare de 3500N şi are suprafeţele lucioase.

5. Impregnarea cu ulei se execută în vid (-50KPa) la temperatură de 330…350K, timp de o oră.

Fig. 6.18. Tehnologie de fabricare a lagărelor autolubrifiante:

a-formarea bucşei (1-matriţă; 2-poanson superior; 3-poanson inferior; 4-miez); b-calibrarea bucşei (1-matriţă; 2-poanson superior; 3-poanson inferior; 4-miez)

Fig. 6.19. Procesul tehnologic de fabricare a benzii bimetalice sinterizate:

1-bandă de oţel; 2-dozator pulbere Cu-Pb; 3- cuptor cu atmosferă neutră; 4-laminare; 5- bandă bimetalică sinterizată

87

Fig. 6.20. Schema procesului tehnologic de fabricare a benzilor bimetalice pentru cuzineţi:

1-colaci de bandă de oţel; 2-masă de control; 3-derulator; 4-instalaţie de sudare cap la cap a benzilor metalice; 5-instalaţie pentru avansul benzii de oţel; 6-instalaţie pentru depunerea pulberii şi

sinterizare; 7-hotă de aerisire; 8-instalaţie de răcire a benzii bimetalice; 9-instalaţie pentru tragerea benzii bimetalice; 10-colaci cu bandă bimetalică; 11-laminor (urmează a doua sinterizare şi

laminare); 12-depozit colaci bandă bimetalică

Piesele mecanice de rezistenţă (pinioane, pistoane, arbori, biele) se execută din pulberi pe bază de fier cu un conţinut de 0.2…1% carbon şi 3…8% cupru sau materiale pe bază de fier prealiate cu nichel şi molibden. Structura tehnologiei aplicată la fabricarea unui pinion de pompă de ulei este prezentată în Figura 6.21.

Un alt domeniu în care pulberile metalice sunt intens folosite este cel al garniturilor de fricţiune. Materialele de fricţiune sinterizate realizate din pulberi pe bază de fier, cupru sau bronz şi componenţi metalici (până la 35% grafit, SiO2, Al2O3, carbură de siliciu , azbest), au coeficienţi de frecare ridicaţi (0.20…0.45), bună conductibilitate termică, rezistenţă mare la uzare, coeficienţi reduşi de dilatare şi suportă temperaturi ridicate.

Stratul de fricţiune cu grosimea de 3 .. 12mm, se aplică pe suportul din tablă de oţel prin presare (180…220MPa). Sinterizarea se face sub sarcină (1.0…1.2MPa) la temperaturi de 1020…1120 K, în atmosferă reducătoare (amoniac disociat, gaz metan cracat).

Suportul de oţel se cuprează electrolitic înainte de sinterizare (grosimea stratului de cupru 3…15µm), pentru a favoriza aderenţa materialului de fricţiune.

Execuţia pieselor autovehiculelor din pulberi metalice sinterizate este urmată de o reducere substanţială a costurilor de fabricaţie, de importante economii de materiale şi energie (Fig. 6.22). Astfel, pentru producerea a 1000t bucşe din bronz turnat sunt necesare 930 000 ore manoperă, iar pentru 640 t bucşe sinterizat, care le înlocuiesc, numai 51 000h. Rezultă o creştere a productivităţii muncii de 6.1 ori prin reducerea a 400 operatori umani şi 165 de maşini unelte şi o economie de 23 000t metal la 1000t piese sinterizate (coeficientul de utilizare a materialului variază între 22% şi 40% la tehnologiile clasice, pe când la cea a pulberilor metalice ajunge la 98…99%).

88

Fig. 6.23. Arbore cu came tip TOYOTA: 1- came; 2- camă pentru pompa de benzină;

1-pinion; 4-fusuri de reazem brazurarea fusurilor pe arbore, sinterizarea camelor şi solidarizarea camelor pe arbore prin sinterizare-difuzie.

Execuţia arborelui cu came prin această tehnologie este urmată de reducerea greutăţii acestuia cu 25%. Îmbunătăţirea rezistenţei la uzură a camelor, simplificarea sistemului de ungere şi o diminuare cu 20% a prelucrărilor mecanice ale camelor.

7. Electrotehnologii de prelucrare a pieselor de autovehicule

Din grupul electrotehnologiilor fac parte acelea la care energia transmisă agentului de lucru, se prezintă sub formă electrică, electrochimică, magnetică, termică, ultrasonică, radiantă sau combinaţii ale acestora.

La aceste tehnologii energiile se aplică concentrat, prin impulsuri de XXXX durată şi la nivele ridicate. In zona de interacţiune are loc transformarea XXXX ţinută în agentul de lucru în energie de distrugere a integrităţii de suprafaţă XXXX supusă prelucrării. Aceasta presupune o anumită mărime şi o astfel de distribuţie XXXX distructive încât să se depăşească energia de legătură a particulelor din XXXX de suprafaţă ale reperului supus prelucrării. 7.1 Prelucrarea pieselor de autovehicule prin electroeroziune

7.1.1 Fenomene fizico-chimice şi fizico-mecanice la prelucrarea prin electroeroziune

Prelucrarea prin electroeroziune EDM (electrical discharge XXXX realizează prin microdescărcările electrice sub formă de impulsuri intre doi XXXX (scula si piesa de prelucrat) ce sunt cufundaţi într-un lichid dielectric XXXX.

Microdescărcările electrice străpung stratul de dielectric dintre XXXX simultan, într-o infinitate de puncte. Ca urmare, energia electrică să transforme energie calorică şi energie mecanică (30…35 KJ/mm3). Localizarea energiilor mari pe XXXX asperităţilor are ca efect topirea şi vaporizarea metalului, urmate de răcire XXXX lui rapidă.

Materialul condensat şi răcit este îndepărtat prin circulaţia si XXXX electricului. În locurile unde au fost vârfurile neregularităţilor apr XXXX cu adâncimea maximă pe direcţia axelor canalelor de ionizare, iar în imediata XXXX a acestora se profilează alte microvârfuri. Procesul continuă în aceleaşi XXXX dacă se menţine mărimea interstiţiului.

89

Microdescărcările electrice dintre electrozi se produc prin XXXX cu diametrul de 700 – 900µm şi lungimea de 100…600µm. Acestea se XXXX vârfurile celor mai apropiate proeminenţe, când este străpuns stratul XXXX.

Fig. 7.1. Instalaţie pentru prelucrare prin electroeroziune:

1-sculă; 2-piesă; 3-cuvă; 4-dispozitiv de avans; 5-motor electric; 6-analizor de proces; 7-pompă; 8-filtru electrostatic; 9-rezervor cu dielectric (petrol, apă dedurizată, uleiuri minerale); 10-generator de impulsuri datorită rezistenţei sale reduse. În canale are loc un fenomen de ionizare a metalului şi formarea plasmei la temperaturi de 50.103 .. 100.103 K.

Fenomenele fizice ce caracterizează trecerea energiei şi materialului dintr-o stare în alta au loc cu mici explozii, care dau naştere la unde de şoc mecanice ce favorizează îndepărtarea produselor electroerozice din microcraterele care se formează (Fig. 7.2).

Fig. 7.2. Modelul formării microcanalelor de descărcare:

a-orientarea liniilor de câmp electric (E); b-străpungerea spaţiului dintre electrozi; c-lărgirea canalului de descărcare şi producerea exploziei;

d-formarea undelor de şoc şi îndepărtarea produselor electroerozive; U-tensiunea scânteii; I-curentul de erodare

90

Procesul de descărcare are loc în două etape:

- Formarea canalelor de microdescărcare, în 10-9 .. 10-7 s; - Descărcarea energiei prin canal, în 10-6 .. 10-2 s, în funcţie de forma impulsului.

Distanţa dintre cei doi electrozi nu trebuie să depăşească o anumită valoare (0.6…0.01mm), in funcţie de regimul de prelucrare.

Deplasările electrodului sculă, necesare pentru păstrarea mărimii reglate a interstiţiului, se realizează automat, folosindu-se în acest scop un motor pas cu pas.

Prin electroeroziune se pot executa prelucrări cu electrod profilat şi cu electrod filiform. 7.1.2 Prelucrarea prin electroeroziune cu electrod profilat

Prin electroeroziune cu electrod profilat se pot prelucra piese cu forme complexe de precizie ridicată (Fig. 7.3)

Fig. 7.3. Variante ale procedeului de prelucrare prin electroeroziune:

a) prelucrare spaţială cu electrod sculă profilat: 1-generator; 2-dispozitiv de avans; 3-sculă; 4-piesă; 5-masă de lucru; 6-masă planetară cu mişcare suplimentară;

b) prelucrarea spaţială cu sculă mobilă sau cu electrod filiform: 1-generator; 2-dispozitiv de avans; 3-piesă; 4-sculă; 5-sârmă de tăiat; 6-safir de conducere; 7-sistem de tragere a sârmei

Calitatea şi productivitatea prelucrării prin acest procedeu sunt dependente de

materialul din care se execută piesa şi complexitatea acestuia, precum şi de valorile parametrilor regimului de lucru.

91

Parametrii tehnologici se evaluează cu ajutorul următoarelor relaţii:

- putere de erodare: Vme ≈ (KA/ ηf) · ti Tf [mm3/min]; (7.1)

- rugozitatea medie a suprafeţelor prelucrate: Ra ≈ KR t1

0.3 (If)0.3

[µm]; (7.2)

- uzura relativă a electrodului sculă: u ≈ Ku ti

-0.1 (If)-0.2 · 100 [%]; (7.3)

- diametrul mediul al craterului: D ≈ KD ti

0.1 (If)0.5 [µm]. (7.4)

unde: KA , KR , Ku – constante dimensionale dependente de calitatea materialului prelucrat: ti [s] – durata impulsului; If – curentul de erodare [A]; Ku – constantă ce depinde de materialul sculei, ηf = = factorul de umplere.

Încercările experimentale au permis stabilirea următorilor parametri tehnologici pentru prelucrarea, cu o sculă din cupru, a unor piese din oţel aliat (56 Ni Cr MoV): If = 42.5; ti = 100 µm; ηf = 0.91; presiunea de spălare – ps = 5Kpa; Vme = 240 mm3/min; u = 5.0%; Ra = 3.3 µm /51/.

Procesul de prelucrare prin electroeroziune este puternic influenţat de natura dielectricului. Acesta trebuie să fie stabil în timp şi să nu-şi modifice caracteristicile sub influenţa descărcărilor electrice, să posede o conductibilitate electrica şi viscozitate scăzute, să aibă un punct de inflamabilitate ridicat, să nu fie toxic şi să se evaporeze cât mai puţin în timpul prelucrării, să dispună de o mare capacitate de ionizare şi de o pasivitate chimică ridicată în raport cu materialul electrozilor.

Dielectricul poate fi introdus în zona de prelucrare prin injecţie, absorbţie, tangenţial sau combinat, în funcţie de tipul prelucrării, materialul piesei, forma şi dimensiunile acestei, regimul de lucru.

Costul electrodului profilat poate ajunge, în cazul execuţiei unor repere de mare complexitate, la 40…60% din valoarea totală a prelucrării. De aceea, el se va realiza din materiale ieftine şi cu procedee cât mai economice.

Pentru confecţionarea electrodului sculă se pot folosi materiale feroase şi aliaje lor (cuprul electrolitic, alame, aluminiul, wolframul, aliaje Cu-W, Cu-Cd, W-Ag), materiale nemetalice (grafitul) sau combinaţii ale acestora (cupru-grafit).

Parametrii procesului tehnologic de prelucrare se aleg în funcţie de calitatea impusă suprafeţelor. Acestea sunt mate datorită microcraterelor formate prin descărcări electrice. Alveolele formate pe suprafeţele prelucrate asigură menţinerea peliculei de ulei.

În stratul deformat termic, la prelucrarea de finisare, s-au constatat doua zone: - una exterioară, cu grosimea de 0.05mm, având duritate ridicată ca urmare a unei căliri

superficiale cauzată de scăderea bruscă a temperaturii la sfârşitul descărcării electrice; - una situată sub prima, cu grosimea de 0.08…0.12mm, cu o duritate mai redusă faţă de

cea iniţială, ca rezultat al creşterii şi scăderii temperaturii în procesul de prelucrare.

Eroarea de prelucrare de finisare poate fi de 0.03…0.05mm, iar în condiţii speciale ea poate ajunge de 0.01…0.025mm.

92

Prin suprapunerea mişcărilor verticale si orizontale ale maşinilor se pot realiza forme geometrice complexe (Fig. 7.4). Această tehnică poartă denumirea de erodare planetară. Maşinile care realizează astfel de prelucrări sunt cu comandă numerică (Fig. 7.5).

Această tehnică se poate aplica la prelucrarea rotoarelor si statoarelor pompelor de injecţie cu distribuitor rotativ, pistonaşelor şi bucşelor pompelor de injecţie cu pistonaşe plonjoare, injectoarelor motoarelor cu aprindere prin compresie si distribuitoarelor instalaţiilor hidraulice.

Astfel, într-o duză de injector cu grosimea pereţilor de 0,75mm, se pot executa, în timp de 4 minute, 8 găuri cu diametrul de 0,173…0,178 mm, cu o eroare medie a coordonatelor mai mică de 25µm.

Fig. 7.4. Erodare planetară (mişcările electrodului sculă şi ale piesei)

Fig. 7.5. Instalaţie cu comandă numerică de prelucrare prin electroeroziune: 1-cap revolver axial; 2-

piesă; 3-magazie de scule; 4-cap revolver radial; 5-maşină cu comandă numerică

93

7.1.3 Prelucrarea prin electroeroziune cu electrodul filiform

Prin execuţia unor piese cu forme complexe ca: poansoane, extractoare, duze calibrate, profile, etc., se apelează la electroeroziunea cu electrod filiform (Fig. 7.3 a). Procedeul permite înlocuirea electrodului sculă cu unul filiform, realizarea unor repere de precizie ridicată cu un utilaj simplu, care poate fi automatizat şi diminuarea simţitoare a cantităţii de material erodat la prelucrare. El poate fi însă aplicat numai pentru decupări şi debitări ale pieselor cu grosimea maximă de 150 mm.

Deoarece procedeul este lent (viteza de deplasare pe contur -0,2…1mm/min) şi puţin productiv (10…16 mm3/min), pentru creşterea performanţelor electrodul se poate roti şi vibra sau se pot crea suprapresiuni în spaţiul de lucru. Ca sculă se foloseşte o sârmă din alamă, cupru, wolfram sau oţel aliat, cu diametrul de 0,02…0,2mm si lungimea de 7000…10000m. Forţa de întindere a sârmei este de 0,015…3N, iar viteza de derulare de 1…3,5m/s. Ca dielectric se foloseşte apa dedurizată. Suprafeţele prelucrate au rugozitatea maximă de 2…20µm. Toleranţele la execuţia contururilor sunt de ±0,01…0,05mm. Prin comanda numerică a mişcării sculei în plan orizontal şi înclinarea piesei în plan vertical se pot executa piese complexe. Comanda maşinii poate fi asigurată de un microcalculator încorporat – DCNC (Direct Computer Numerical Control). 7.2 Procedee electrochimice folosite la prelucrarea pieselor de autovehicule

Aceste procedee îşi bazează funcţionarea pe principiul dizolvării anodice (trecerea în soluţie a metalului din care este confecţionat anodul). Datorită posibilităţii prelucrării materialelor de orice duritate şi lipsei uzurii electrodului sculă, aceste procedee au largi aplicaţii la găurirea pieselor metalice dure cu diametre foarte mici şi pe adâncimi relativ mari (15…20 diametre). Deşi prin electroeroziune se pot realiza aceleaşi prelucrări, chiar la precizii mai ridicate, din păcate este necesar câte un electrod pentru fiecare perforare, iar productivitatea este foarte mică. 7.2.1 Bazele fizico-chimice ale procedeului

În baia electrolitică, ionii metalici proveniţi din anod (piesa) reacţionează cu ionii negativi din soluţie dând naştere la hidroxizi metalici, mai mult sau mai puţin solubili (Fig. 7.6). Procesul electrochimic este însoţit de o pasivizare a suprafeţei electrozilor. Din această cauză se limitează viteza de prelucrare anodică. Acest fenomen apare atunci când viteza de trecere a ionilor în soluţie rămâne în urma procesului de evacuare a electronilor din anod în circuitul exterior, acumulându-se un exces de sarcini pozitive care conduc la modificarea potenţialului anodic. Depasivizarea se poate realiza natural (degajări de gaze sau dizolvare) sau forţat, pe cale chimică, hidrodinamică, electrică (schimbarea periodică a polarităţii electrozilor) sau mecanică.

94

7.2.2 Prelucrarea electrochimică prin depasivizare naturală

În condiţiile depasivizării naturale, se îndepărtează de pe suprafaţa piesei cantităţi mici de material. Dintre variantele tehnologice ale procedeului debavurarea, lustruirea, marcarea, decaparea), cea mai largă aplicaţie o are lustruirea electrochimică. Ca efect al eroziunii electrochimice, în golurile asperităţilor piesei se acumulează

Fig. 7.6. Schema proceselor la prelucrarea electrochimică

materialul dizolvat, iar intensitatea curentului pe vârfurile rizurilor creşte foarte mult. În urma dizolvării rapide a microneregularităţilor suprafaţa piesei capătă un luciu pronunţat.

Tensiunea electrică de lucru se alege în funcţie de rezistenţa electrică a electrolitului. Astfel, pentru electroliţii pe bază de acid fosforic sau sulfuric sunt necesare tensiuni de 4…25V, iar pentru electroliţii formaţi din acid percloric şi substanţe organice, tensiunile de lucru sunt de 50…220V. Temperatura electrolitului trebuie menţinută în limitele prescrise (340K – la prelucrarea oţelurilor aliate) pentru a se realiza prelucrări de calitate superioară. Catozii trebuie confecţionaţi din materiale care să nu fie atacate de electroliţi şi pe care nu aderă peliculele dielectrice. Pentru a micşora rezistenţa electrică a băii şi a facilita reglarea procesului prin intermediul tensiunii de alimentare, suprafaţa activă a catozilor trebuie să fie cât mai mare. 7.2.3 Prelucrarea electrochimică prin depasivizarea hidraulică

La acest tip de prelucrare depasivizarea se realizează prin circulaţia forţată a electrolitului (Fig. 7.7). Datorită dependenţei dintre cantităţile de material desprins şi distanţa dintre electrozi este posibilă generarea suprafeţelor prin copiere, electrodul catod având o formă bine determinată în funcţie de suprafaţa de prelucrat, electrolitul folosit şi parametrii regimului de lucru.

Catodul nu este în contact cu piesa de prelucrat (distanţa dintre electrozi 0,01…1,5mm), fiind doar parţial supus acţiunii electrolitului de unde rolul său de purtător de informaţie a geometriei suprafeţei de prelucrat şi de element care asigură transportul energiei în zona de lucru. Electroliţii folosiţi sunt soluţii apoase ale unor compuşi anorganici puternic corozivi (soluţii apoase de clorură de sodiu cu adaosuri de acid boric sau soluţii apoase de fluoruri şi acid fluorhidric). Ei sunt dirijaţi în spaţiul dintre electrozi cu presiuni de 0,7…1,4MPa (în

95

unele cazuri 2,4…2,8MPa) şi viteze de 6…60m/s. Viteza de avans a sculei este de 0,5…10mm/min, iar densitatea de curent de 0,1…2A/mm2.

Fig. 7.7. Principiul procedeului de prelucrare electrochimică cu depasivizare hidraulică : 1-generator de

curent; 2-maşina de prelucrat; 3-rezervor de electrolit; 4-pompă; 5-motor pentru deplasarea catodului; 6-catod; 7-anod

Un debit mare de electrolit (400 dm3/min) previne încălzirea locală a pieselor şi

polarizarea electrozilor. Catozii se execută din oţeluri inoxidabile, aliaje anticorozive, cupru, alamă, bronzuri, aluminiu şi aliajele sale. Ei pot fi şi din mase plastice, lemn sau materiale ceramice cu suprafeţele exterioare acoperite cu un strat de material electroconducător. Datorită unor fenomene complexe ce apar în spaţiul dintre electrozi, cum sunt reacţiile secundare la anod şi degajarea de hidrogen la catod, între geometria sculei şi forma finală a piesei apar diferenţe. Pentru a se obţine o abatere minimă este necesară corectarea formei electrozilor. Prin acest procedeu se pot prelucra tripodele semiaxelor planetare şi profilul frontal al danturii pinioanelor de cuplare cu sincronizatoarele din cutiile de viteze ale autovehiculelor. Piesele prelucrate prin eroziune electrochimică au suprafeţele fără tensiuni superficiale, modificări structurale sau microfisuri, ceea ce le conferă o mare rezistenţă la oboseală, la uzură şi în unele cazuri la agenţi corozivi. 7.3 Tehnologia prelucrării cu ultrasunete a pieselor de autovehicule 7.3.1 Fenomene fizico-mecanice la prelucrarea cu ultrasunete

Ultrasunetele, cu energie mecanică ridicată, sunt oscilaţii elastice, cu frecvenţa de 20…100KHz, care se propagă în mediul material. Atunci când energia acustică este suficient de mare pentru a produce modificări structurale ale mediului în care se propagă, aplicaţiile se numesc active sau tehnologice. Ele se bazează pe următoarele efecte ale câmpului ultrasonic.

- Efectul de „înmuiere acustică”. El se manifestă prin reducerea tensiunii statice necesară deformării plastice a metalului la creşterea densităţii de energie acustică. Ultrasunetele au acelaşi efect, în cazul deformării plastice, ca şi energia termică.

96

Aceste fenomene sunt cauzate de creşterea mobilităţii dislocaţiilor datorită tensiunilor acustice periodice.

- Efectul de „durificare acustică” se caracterizează prin creşterea tensiunii statice necesară pentru deformarea plastică. El apare ca rezultat al schimbării structurii specifice de dislocaţii în materialul supus acţiunii undelor ultrasonice.

- Efectul termic, constă în încălzirea puternică a materialului metalic (în special în zona ventrelor) odată cu creşterea intensităţii undelor ultrasonice şi a timpului de activare.

- Efectul de reducere a frecării de contact apare la prelucrarea unor materiale metalice cu scule activate ultrasonic.

Prelucrările dimensionale cu ultrasunete se fac prin desprinderea materialului din piesa supusă prelucrării prin intermediul unor particule abrazive activate ultrasonic. Particulele se pot afla într-o suspensie (Fig. 7.8 a) sau pot fi încorporate în materialul sculei (Fig. 7.8 b).

În cazul primului procedeu, în spaţiul dintre piesă şi suprafaţa activă a sculei este introdusă prin stropire, aspiraţie sau injecţie o suspensie abrazivă cu concentraţia în greutate de 50% particule abrazive (carburi de siliciu – SiC, carburi de bor – B4C, particule de diamant).

În acest procedeu, scula activată ultrasonic apasă asupra piesei cu o presiune de 0,04…0,45MPa. Oscilaţiile au frecvenţa de 18…30KHz şi amplitudinea maximă de 120µm.

În al doilea caz scula cu material abraziv este activată ultrasonic cu frecvenţe de 20…30KHz. Amplitudinea oscilaţiilor este de 15µm, iar presiunea pe suprafeţele active ale sculei de 2…3MPa.

Distrugerea materialului în zona de lucru se produce ca urmare a transmiterii energiei cinetice de la sculă la particulele abrazive. Acţiunea este însoţită de ciocnirea particulelor abrazive, cu energie cinetică ridicată, de suprafaţa piesei; desprinderea particulelor de material din zona de acţiune; ciocnirea particulelor abrazive cu cele de material şi între ele, în spaţiul dintre sculă şi piesă; cavitaţia acustică şi coroziunea chimică. Viteza de prelucrare depinde de presiunea exercitată de sculă asupra piesei, factorul de formă a sculei, viscozitatea lichidului purtător de

Fig. 7.8. Principiul prelucrării dimensionale cu ultrasunete:

a-cu suspensie abrazivă; 1-scula; 2-suspensie abrazivă; 3- piesa;

b-cu sculă abrazivă; 1-scula; 2-lichid de răcire; 3-piesa

granule abrazive, dimensiunile suprafeţei prelucrate, adâncimea de prelucrare, precizia şi calitatea suprafeţei supusă prelucrării.

97

7.3.2 Instalaţii de prelucrare cu ultrasunete

Maşinile-unelte ultrasonice pot fi universale sau speciale (destinate executării numai anumitor tipuri de profile). Cele universale execută operaţii de găurire, retezare, profilare, frezare, rectificare, filetare, strunjire, broşare, honuire, lepuire, sudare, lipire. Din punct de vedere constructiv, instalaţiile de prelucrare cu ultrasunete se compun din: generatorul de frecvenţă ultrasonică, blocul ultrasonic, sistemul de alimentare cu suspensie abrazivă şi sistemul de avans al capului de lucru (Fig. 7.9).

Schema de principiu a unei instalaţii de prelucrare cu ultrasunete se prezintă în figura 7.10. Generatorul de frecvenţă ultrasonică are rolul de a transforma frecvenţa industrială (50Hz) a curentului alternativ în frecvenţă ultrasonică (18…35KHz). Generatoarele industriale de frecvenţă ultrasonică au puterea de 0,1…4KW, dar uneori aceasta poate fi şi de 10…15KW.

Fig. 7.9. Elementele componente ale instalaţiei de prelucrare cu ultrasunete

Blocul ultrasonic (Fig. 7.11) transformă energia electrică, cu frecvenţă ultrasonică, în energie mecanică concentrată în zona de acţiune a sculei asupra piesei.

Transductorul este componenta principală a blocului ultrasonic. El este format dintr-un element activ (vibratorul) şi din unul pasiv (transformatorul de lucru). După natura mediului în care lucrează, transductoarele pot fi imersibile şi neimersibile. În funcţie de natura mediului de propagare a oscilaţiilor şi de valoarea şi natura energiei ultrasonice, transductoarele pot fi electromecanice (electromagnetice, magnetostrictive, piezoelectrice), aerodinamice, hidrodinamice sau mecanice. Transductoarele magnetostrictive îşi bazează funcţionarea pe proprietatea unor materiale feromagnetice (ferite, invar, nichel, permendur) de a-şi modifica dimensiunile sub acţiunea câmpului magnetic. Generatoarele piezoelectrice lucrează pe principiul modificării dimensiunilor unor cristale naturale sau artificiale (cuarţ, titanat de bariu, zirconat de plumb) sub acţiunea unor câmpuri electrice. În prezent se extind transductoarele piezoelectrice compuse, alcătuite dintr-un element piezoelectric ataşat la unul sau mai multe materiale nepiezoelectrice (oţel). Amplificarea vibraţiilor transductorului poate fi obţinută prin executarea pieselor marginale din materiale cu densităţi şi constante elastice diferite (Fig. 7.12). Generatorul de vibraţii se cuplează cu concentratorul ultrasonic, care transferă energie ultrasonică spre locul prelucrării, concentrează şi focalizează energia ultrasonică în zona de

98

lucru, măreşte amplitudinea vibraţiilor sculei şi contribuie la îmbunătăţirea randamentului execuţiei. Din punct de vedere constructiv, lungimea concentratorului trebuie să fie egală cu un număr întreg de jumătate de lungime de undă a vibraţiei produse de generator.

Fig. 7.10. Schema de principiu a instalaţiei de

prelucrare cu ultrasunete: 1-batiul maşinii; 2-sania transversală; 3-sania longitudinală; 4-piesa de

prelucrat; 5-cuva de lucru; 6-pompa pentru suspensia abrazivă; 7-suspensie abrazivă; 8-circuit de transfer; 9-rezervor; 10-agitator de uniformizare a suspensiei

abrazive; 11-concentrator; 12-scula de prelucrat; 13-generator; 14-transformator; 15-redresor; 16-bobină de joc; 17-condensator; 18-sistem de avans; 19-sistem

de poziţionare a capului de lucru; 20-sistem de echilibrare; 21-transductor; 22-carcasa blocului

ultrasonic.

Fig. 7.11. Blocul ultrasonic: 1-izolaţie acustică;

2-transductor; 3-lichid de răcire; 4-carcasa blocului ultrasonic; 5-flanşa nodală; 6-coloana

intermediară; 7-concentrator; 8-scula.

Forma concentratorului poate fi: conică, cilindrică, în trepte, exponenţială, catenoidală, în serie Fourier, cilindrică cu exponenţială, sub formă de combinaţii de diferite forme (cilindrică-conică-exponenţială), în trepte, cu suprafaţa exterioară cilindrică şi cu cea interioară variabilă axial după o lege exponenţială, cu secţiune transversală dreptunghiulară variabilă axial după o lege exponenţială. Concentratoarele ultrasonice se confecţionează din oţeluri rezistente la oboseală (OLC 45, OSC 8, etc.). Asamblarea lor cu generatorul de vibraţii se face prin lipire sau înşurubare. Sistemul de alimentare cu suspensie abrazivă este compus dintr-o pompă centrifugală, tuburi flexibile şi o pompă de aspiraţie. El asigură realizarea unor cicluri de

99

absorbţie, injecţie sau stropire a suspensiei abrazive din sau în zona de lucru, la presiuni de 0,1…0,3MPa. Sistemul de avans al capului de lucru are rolul de a crea şi menţine presiunea specifică dintre sculă şi piesa supusă prelucrării.

Mecanismul de avans trebuie să asigure o precizie ridicată de deplasare, în strânsă corelaţie cu toleranţele de prelucrare impuse şi să posede o sensibilitate ridicată în vederea menţinerii presiunii statice, în anumite limite, astfel încât viteza de prelucrare să fie maximă. Sistemele de avans pot fi gravitaţionale, hidraulice, pneumatice, electromecanice.

Fig. 7.12. Schema de principiu a unui transductor piezoelectric: 1-generator de frecvenţă ultrasonoră; 2-emiţător ultrasonic; 3-element de fixare mecanică cu

izolare acustică; 4-element de adaptare acustică; 5-concentrator de energie acustică; 6-cuplaj acustic; 7-element de transfer (sculă); 8-piesa de prelucrat.

7.3.3 Procedee tehnologice de prelucrare cu ultrasunete

Datorită avantajelor pe care le au procedeele de prelucrare cu ultrasunete cum sunt: mărirea durabilităţii sculelor aşchietoare cu 100…600%; reducerea câmpului termic şi a tensiunilor remanente; creşterea vitezei de prelucrare şi a productivităţii; diminuarea forţelor şi momentelor de aşchiere; eliminarea arsurilor şi microfisurilor din straturile superficiale, acestea şi-au extins gama de aplicabilitate la strunjire, frezare, găurire, alezare, broşare, filetare, rectificare, şlefuire, honuire, lepuire, sudare, tratamente termice, spălare, decapare, etc. Prelucrările ultrasonice cu scule sau suspensii abrazive se pot aplica la execuţia oricăror tipuri de suprafeţe, de la cele mai simple la cele mai complexe (cavităţi de diferite forme, orificii străpunse, caneluri, suprafeţe reglate de diferite profile (Fig. 7.13). Strunjirea în câmp ultrasonic La strunjirea în câmp ultrasonic poate fi activată ultrasonic, cu oscilaţii longitudinale, radiale sau combinaţii ale acestora, piesa (Fig. 7.14 a) sau scula (Fig.7.14 b) În cazul prelucrării prin acest procedeu a unor materiale metalice (oţeluri carbon, oţeluri aliate, aluminiu, bronz, alamă, etc.), forţele de aşchiere se reduc de 0,5…2.5 ori.

100

Găurirea în câmp ultrasonic Procedeul (Fig. 7.15) se aplică la practicarea găurilor cu diametrul de 0,2…80 mm în

piese cu grosimea de 20…30mm. În cazuri speciale se pot realiza găuri cu lungimi de 180…350mm. Găurirea se poate executa cu blocul ultrasonic staţionar sau rotativ prin activarea ultrasonică, cu oscilaţii longitudinale, torsionale, sau complexe, a sculei, piesei sau a ambelor elemente.

Fig. 7.13. Tipuri de suprafeţe prelucrate ultrasonic cu scule sau suspensii abrazive

Aplicarea acestui procedeu la găurirea pieselor din oţeluri carbon, oţeluri aliate, bronzuri, aluminiu, etc., a avut ca urmare reducerea cu 40…85% a forţei de aşchiere axială şi a momentului de torsiune, datorită uşurării desprinderii materialului ca efect al şocurilor periodice ale sculei. Prin folosirea unor regimuri optime de activare ultrasonică se pot obţine creşteri de 3…4 ori a durabilităţii sculelor aşchietoare, deoarece scula nu mai este în contact permanent cu materialul piesei şi se îmbunătăţesc condiţiile de răcire a ei. Cu toate că prin creşterea amplitudinii vibraţiilor ultrasonice se reduc eforturile prin aşchiere, totuşi valorile maxime ale acesteia sunt limitate.

Depăşirea amplitudinii critice are ca rezultat desprinderea de particule de pe tăişul sculei şi micşorarea durabilităţii ei. Deoarece la găurirea ultrasonică a alezajelor străpunse apar în zonele suprafeţelor de intrare şi de ieşire a sculei din piesă anumite abateri de la cilindricitate, se impune prevederea unor adaosuri de prelucrare în vederea executării de operaţii ulterioare de rectificare. Găurirea cu scule activate ultrasonic se aplică la execuţia orificiilor din duzele injectoarelor motoarelor cu aprindere prin compresie, a elementelor pompelor de injecţie şi a jicloarelor carburatoarelor.

101

Alezarea în câmp ultrasonic

La acest tip de prelucrare scula are oscilaţii longitudinale şi torsionale, pentru a se permite o cât mai bună pătrundere a lichidului de răcire-spălare în zona de lucru şi diminuarea presiunilor specifice. Prin activarea ultrasonică a alezoarelor se reduce forţa axială de aşchiere cu 25…65%, se micşorează de 3…4 ori momentul de torsiune, durabilitatea sculelor creşte de 4…6 ori, rugozitatea suprafeţelor se îmbunătăţeşte simţitor (Fig. 7.16), iar precizia de prelucrare este superioară celei realizate prin procedee clasice.

Fig. 7.14. Principiul strunjirii în câmp

ultrasonic prin introducerea vibraţiilor ultrasonice în piesa (a) sau în scula (b): 1-piesa supusă prelucrării; 2-concentratorul

ultrasonic; 3-flanşa nodală; 4-transductorul magnetostrictiv; 5-izolator acustic; 6-scula de

prelucrare.

Fig. 7.15. Schema de principiu a găuririi în câmp ultrasonic: 1-generator de ultrasunete; 2-convertor de ultrasunete; 3-concentrator cu canal de absorbţie; 4-scula; 5-piesa; 6-prindere magnetică; 7-dispozitiv de

absorbţie; 8-pompa de material abraziv; 9-ghidaj; 10-dispozitiv de reglare a înclinării

Fig. 7.16. Variaţia rugozităţii suprafeţelor alezate în funcţie de avansul sculei, la prelucrarea clasică şi cu

scule activate ultrasonic

102

Filetarea în câmp ultrasonic Introducerea vibraţiilor ultrasonice longitudinale şi torsionale în scula de filetat (filieră

sau tarod) este urmată de o diminuare a frecării de contact pe flancurile profilului acesteia (momentul de torsiune se reduce cu 4…30%), eliminarea posibilităţilor de apariţie a microsudurilor dintre piesă şi sculă, creşterea durabilităţii sculei cu 40…150%, diminuarea puterii necesară aşchierii cu 7…30% şi îmbunătăţirea rugozităţii suprafeţei realizate.

Frezarea şi broşarea în câmp ultrasonic

În cazul frezării în câmp ultrasonic se înregistrează majorarea durabilităţii sculei de 3…4 ori, se îmbunătăţeşte calitatea suprafeţelor prelucrate ca urmare a diminuării vibraţiilor sistemului tehnologic şi creşte productivitatea.

La broşare, vibraţiile ultrasonice se introduc numai prin intermediul sculei supuse prelucrării. Ca urmare, productivitatea prelucrării creşte cu 40…60%, forţele la aşchiere se reduc cu 35…50%, durabilitatea sculelor se majorează de 3…4 ori, calitatea suprafeţelor realizate se îmbunătăţeşte, tensiunile remanente din stratul superficial se diminuează, iar durabilitatea piesei se măreşte cu 40…50%.

Procedeul se aplică, cu rezultate deosebite, la execuţia canelurilor şi danturilor arborilor şi pinioanelor din cutiile de viteze.

Rectificarea suprafeţelor în câmp ultrasonic

Vibraţiile ultrasonice, la rectificarea în câmp ultrasonic, pot fi transmise atât pietrei, cât şi piesei care poate vibra în direcţia avansului, tangenţial sau normal la suprafaţa sculei (Fig. 7.17).

Procedeul asigură obţinerea unei precizii dimensionale de ± 0,02mm şi a unei rugozităţi de 0,2µm.

Fig. 7.17. Rectificarea în câmp ultrasonic: 1-transductorul; 2-flanşa nodală; 3-concentratorul; 4-portscula; 5-piatra de rectificat; 6-

piesa de prelucrat; 7-izolatorul acustic; 8-lichidul de răcire.

Sudarea cu ultrasunete Îmbinarea sudată se

realizează fără material de adaos şi la temperaturi de adaos şi la temperaturi mai coborâte ca cele de topire a componentelor ce se solidarizează, ca efect al fenomenelor de difuziune, cavitaţie acustică şi absorbţie. Introducerea energiei ultrasonice în zona de lucru se face prin: oscilaţii longitudinale şi transversale, oscilaţii de încovoiere sau forfecare.

Sudarea cu ultrasunete se poate face în puncte sau în linie. Parametrii tehnologici la realizarea îmbinărilor sudate sunt : frecvenţa de lucru

18…45KHz, amplitudinea oscilaţiilor 20…120µm, forţa de apăsare 15…1000N, timpul de sudare 0,05…3s.

Prin acest procedeu se pot obţine îmbinări sudate ale unor cupluri de materiale cu proprietăţi mecanice şi caracteristici fizico-chimice diferite, cum sunt: Cu-Al; Al-sticlă; Al-ceramică.

103

Datorită eliminării supraîncălzirii pieselor în toată masa (degajarea de căldură se produce numai în zona de sudare) şi posibilităţii realizării îmbinării reperelor din materiale diferite, ultrasunetele sunt frecvent utilizate la sudarea materialelor plastice.

Sudarea ultrasonică a materialelor plastice se produce ca urmare a topirii unui strat superficial dintre suprafeţele aflate în mişcare relativă şi a realizării unor puternice legături moleculare în interiorul acestuia.

Prin sudare ultrasonică pot fi îmbinate piese din materiale termoplastice ca: polistiren, polipropilenă, polietilenă, policlorură de vinil, policarbonat, ABS, poliamide armate cu fibre de sticlă, etc.

Un alt domeniu de utilizare a ultrasunetelor este şi armarea materialelor plastice prin sudarea acestora cu cele metalice în vederea realizării unor piese cu rigiditate sporită (elemente ale caroseriei autovehiculelor).

Sudarea cu ultrasunete se aplică la îmbinarea elementelor din materiale ceramice ale camerelor divizate şi colectoarelor de evacuare ale motoarelor cu aprindere prin compresie.

La aceste motoare, semicamerele de ardere şi colectoarele de evacuare nu pot fi executate dintr-o singură piesă. De aceea, pentru formarea celor două semipiese se injectează, în forme de ipsos un amestec de pudră ceramică şi material organic termoplast. După întărirea în forme a materialului injectat, semifabricatele se extrag. Urmează apoi asamblarea semipieselor prin sudură cu ultrasunete (Fig. 7.18) şi calcinarea.

Piesele executate prin aceasta tehnică au suprafeţele interioare foarte netede, iar abaterea de la grosimea prestabilită a pereţilor nu depăşeşte 0,01 mm.

Fig. 7.18. Fazele sudării cu ultrasunete a pieselor din materiale ceramice: 1-introducerea în semiforme speciale a celor două

jumătăţi de piese; 2-închiderea dispozitivului şi aplicarea unui efort uşor; 3-sudarea cu ultrasunete; 4-răcirea zonei de sudură şi

extragerea piesei

7.3.4 Proiectarea tehnologiei de prelucrare cu ultrasunete

Proiectarea tehnologiei de prelucrare implică alegerea instalaţiei ultrasonice, determinarea formei şi dimensiunilor sculelor aferente şi stabilirea regimurilor de lucru în concordanţă cu precizia de prelucrare şi calitatea impuse suprafeţelor. Forma şi dimensiunile sculei se stabilesc în funcţie de cele ale suprafeţei prelucrate, tipul operaţiei ce se execută şi materialul din care se confecţionează piesa. Sculele se execută din materiale uşor prelucrabile, prin aşchiere, cu proprietăţi mecanice superioare (OLC 45, în cazul unor producţii de serie mare se pot utiliza şi scule din carburi metalice sinterizate).

104

În suspensiile abrazive se introduc granule sau micropulberi cu duritate ridicată (8…11 unităţi pe scara Mohs), fragilitate redusă şi indice relativ de aşchiere mare (0,16…1,1), din diamant, bronzon, carbură de bor, carbură de siliciu şi electrocorund. Alegerea abrazivului se face în funcţie de materialul de prelucrat, de tipul operaţiei executate şi de granulaţie (STAS 1730-82). Particulele abrazive se amestecă cu un lichid (apă, ulei de transformator, ulei de in, petrol) în proporţie de 20…50%. Amplitudinea oscilaţiilor ultrasonice are valori de 40…50µm la degroşare şi de 20…40µm la finisare. Gama de frecvenţă care se recomandă este de 20…25KHz. Precizia dimensională a suprafeţelor prelucrate este funcţie de dimensiunile medii ale particulelor abrazive. Astfel, precizia cea mai ridicată (± 0,03mm) se obţine în cazul folosirii micropulberilor cu dimensiuni medii ale particulelor de 3…7µm. Datorită anumitor valori ale parametrilor de lucru şi uzurii sculelor, în mod curent, se obţin suprafeţele cu precizie de prelucrare de ± 0,006…0,040mm, rugozitate de 0,16…3,5µm şi conicitatea alezajelor de 45’…3º. 7.4 Tehnologia prelucrării pieselor de autovehicule cu ajutorul plasmei termice 7.4.1 Consideraţii generale

Plasma este un gaz sau un amestec de gaze puternic ionizate, cvasineutru din punct de vedere electric. Ea se caracterizează prin conductibilitate electrică ridicată, posibilitatea interacţiunii cu câmpurile electrice şi magnetice şi prin aceea că poate genera radiaţii electromagnetice cu spectru larg. La o anumită temperatură, plasma se află într-un echilibru dinamic – ionii şi electronii se unesc în permanenţă pentru a forma atomi, iar aceştia la rândul lor se descompun, în urma ciocnirilor, în electroni şi ioni. În plasma izotermă prin care nu trece nici un curent electric particulele componente sunt într-o continuă mişcare termică. Datorită ciocnirilor ele îşi schimbă permanent direcţia. Când asupra plasmei termice acţionează un câmp electric repartiţia vitezelor se modifică. Între două ciocniri, câmpul accelerează particulele, imprimându-le o anumită viteză, cu care se deplasează spre electrozi. Pentru ionizare, în vederea obţinerii plasmei termice, se foloseşte arcul electric. La descărcarea arcului electric între electrozi, în zona anodului, se formează o flacără anodică. În urma încălzirii, la o temperatură de 4000…8000K, se produce fenomenul de disociere a moleculelor. Acest proces este însoţit de absorbţia unei însemnate cantităţi de căldură, ceea ce contribuie la creşterea energiei absorbite de arc. Când temperatura atinge 10.000K apar fenomenele de ionizare. La depăşirea temperaturii de 20.000K se produc ionizări repetate ale atomilor. Dacă arcul electric nu arde liber, ci este constrâns să treacă print-un curent de gaz, acesta din urmă se transformă în plasmă. Contracţia puternică a coloanei arcului şi prin urmare creşterile temperaturii maxime şi gradientului ei radial se obţin prin răcirea intensă a straturilor periferice ale acesteia. La comprimarea plasmei concură doua efecte: unul termodinamic, iar celălalt de strangulare magnetică. Generatorul de plasmă poartă denumirea de plasmotron. Acesta poate fi cu arc de plasmă (Fig. 7.19 a) sau cu jet de plasmă (Fig. 7.19 b). De asemenea, el poate avea un singur arc sau un arc dublu de plasmă (Fig. 7.19 c).

105

Generatoarele de plasmă pot fi răcite cu aer sau cu apă. Stabilizarea arcului electric se poate face cu gaze, cu apă, şi pe cale magnetică. În primul caz, prin insuflarea axială sau turbionistă a gazului, stratul rece din jurul coloanei produce strangularea acesteia. Stabilizarea turbională se utilizează la tăiere, iar cea axială la sudare. Dacă stabilizarea se realizează cu ajutorul unui jet de apă, vaporii formaţi servesc drept mediu plasmogen, iar temperatura coloanei atinge 50.000K.

Fig.7.19. Scheme ale generatoarelor de plasmă:

a-generator cu arc de plasmă: 1-piesa; 2-admisie lichid; 3-admisie argon; 4-electrod infuzibil din wolfram; 5-arc de plasmă;

R-rezistenţă adiţională; S-sursa de curent; b-generator cu jet de plasmă: 1-jet de plasmă; 2-admisie lichid de

răcire; 3-admisie gaz inert; 4-electrod infuzibil; c-generator cu arc dublu de plasmă: 1-electrod; 2-ajutaj; 3-gaz

plasmogen; 4-ajutaj exterior; 5-gaz pentru protecţia băii metalului topit; 6-piesa; 7-arcul de plasmă; 8-jet de plasmă;

S1,S2-surse de alimentare

Stabilizarea magnetică se face cu un câmp magnetic longitudinal, care comprimă coloana arcului. Procesul asigură reglarea gradului de comprimare al coloanei, independent de debitul gazului plasmogen. Electrozii plasmotroa-nelor pot să fie consumabili (grafit), protejaţi (wolfram) sau cu peliculă de protecţie (zirconiu). Majoritatea plasmotroa-nelor folosesc curentul continuu cu polaritate directă. Astfel, cea mai mare parte din căldură este evacuată prin coloana arcului şi pata anodică. Generatoarele de plasmă de curent alternativ se folosesc la sudarea aluminiului şi aliajelor sale. Pentru a avea o înaltă conductibilitate termică şi durată mare de funcţionare, ajutajele se confecţionează din cupru. Mediile plasmogene pot fi inerte (Ar, He), reducătoare (H2, NH3), oxidante (O2) sau active (aer). Proprietăţile deosebite ale arcului de plasmă au deschis perspective largi unor tehnologii moderne de tăiere, sudare şi metalizare a pieselor metalice.

106

7.4.2 Prelucrarea prin aşchiere cu ajutorul plasmei termice Căldura dezvoltată de jetul de plasmă este folosită pentru încălzirea şi topirea

metalului, precum şi la amorsarea unor reacţii chimice în materialul topit. Dacă viteza de tăiere depăşeşte o anumită limită jetul de plasmă nu mai poate străpunge placa de metal. Ca urmare, are loc îndepărtarea metalului topit numai din zona de suprafaţă. Prin poziţionarea înclinată a plasmotronului, se evită aruncarea metalului topit în craterul rămas în spatele jetului. Se pot realiza astfel şanţuri şi caneluri cu diferite forme şi dimensiuni în funcţie de parametrii regimului de lucru (Fig. 7.20). Când operaţia se repetă, cu o decalare a poziţiei generatorului, la fiecare trecere rezultă o prelucrare a stratului superficial de metal printr-un proces asemănător rabotării.

Fig. 7.20. Cantitatea de metal înlăturat şi forma canelurilor

rezultate în cazul prelucrării cu plasmă, în funcţie de puterea generatorului (viteza de avans 1,5 m/mm)

Aplicarea procedeului la prelucrarea corpurilor de revoluţie a permis realizarea „strunjirii cu plasmă” (Fig. 7.21). Procedeul asigură creşterea productivităţii de 8…10 ori faţă de tehnologiile clasice.

Fig. 7.21 Soluţii de poziţionare a plasmotronului la „strunjirea cu

plasmă”

Toleranţele de execuţie, starea suprafeţei şi calitatea metalurgică a pieselor depind de valorile parametrilor de lucru (avansul plasmotronului, viteza de rotaţie a piesei, grosimea stratului îndepărtat, puterea şi unghiul de poziţionare ale sursei). 7.4.3 Sudarea cu plasmă a pieselor metalice

Trăsătura esenţială a generatoarelor de plasmă moderne este cea a constrângerii arcului electric într-un orificiu cu un diametru relativ redus. Prin aceasta se asigură o concentrare energetică ridicată, densitate mare de curent şi un aspect columnar al arcului, caracterizat printr-o stabilitate deosebită. Sudarea cu arc de plasmă (SP), faţă de procedeul WIG (Wolfram Inert Gas), are următoarele avantaje:

- o bună dirijare a fluxului termic spre piese datorită nedeformabilităţii arcului de plasmă;

- nu apar salturi ale piciorului arcului pe proeminenţele pieselor şi este posibilă efectuarea îmbinărilor de colţ;

107

- concentrarea energetică ridicată (500…600W/mm2) permite realizarea îmbinărilor, cu grosimea de 10…15mm, dintr-o singură trecere cu viteză de sudare mare (0,8m/min);

- curenţii de sudare sunt mai mici, datorită acţiunii ionizante a arcului pilot; - calitatea îmbinărilor este mai puţin influenţată de denivelarea relativă sau de alinierea

incorectă a suprafeţelor pieselor ce se sudează; - poziţionarea generatorului de plasmă poate fi realizată cu toleranţe mai mari; - se evită contaminarea băii de metal topit cu material din electrodul incandescent,

datorită construcţiei speciale a generatorului de plasmă. Dezavantajele constau în aceea că plasmotroanele sunt constructiv mai complexe, mai

scumpe şi mai mari cu arzătoarele WIG. Faţă de sudarea MAG (Metal Activ Gas), cea cu plasmă cu metal de adaos (SPMA)

are o serie de avantaje, cum sunt: - intensitatea curentului şi cantitatea de metal depus se reglează independent, astfel

încât rezultă o cusătură plană, aspectuoasă; - nu apar oxizi pe suprafaţa cusăturii; - deformarea pieselor sudate este minimă; - nu sunt necesare prelucrări ulterioare ale cusăturii; - capul de sudare nu este supus acţiunii stropilor de metal topit, deoarece acesta nu este

împroşcat. Costurile ridicate ale echipamentului de sudare şi gazelor plasmogene fac ca procedeul

să fie mai scump ca MAG. Sudarea cu plasmă se poate realiza prin topire progresivă („melt plasma welding”) şi

prin jet penetrant („tehnica găurii de cheie”). La table subţiri (sub 3 mm grosime) se aplică sudarea prin topire progresivă. Cusătura

se obţine prin avansul băii de metal topit şi solidificarea ulterioară a acestuia. În acest caz, intensitatea curentului şi debitul de gaz au valori reduse (20…140A; 5…15dm3N/min).

Pentru piese mai groase (3…15mm) se foloseşte sudura cu jet penetrant (Keyhole Welding). Jetul de plasmă este suficient de puternic pentru a străpunge piesa, fără a sufla însă metalul topit din baia formată (300…450A; 25…50dm3N/min). Energia cinetică ridicată a plasmei permite menţinerea unui orificiu înconjurat de o baie inelară de metal topit, care se mişcă împreună cu arcul. În spatele arcului, metalul topit se solidifică, rezultând cusătura.

În scopul realizării unor îmbinări sudate de calitate se protejează baia de metal topit printr-o pernă de flux ceramic, o panglică specială adezivă de fibre de sticlă sau cu un curent de gaz inert.

Perfecţionarea tehnicii sudării cu arc de plasmă a fost posibilă prin utilizarea „curentului pulsant” (În locul unui singur nivel de curent se introduc două sau trei. Fiecare nivel este menţinut un timp bine stabilit).

Procedeul permite realizarea unei penetraţii mai mari, scurtarea duratei de menţinere a metalului la temperaturi ridicate, reducerea lăţimii cusăturii şi a zonei de influenţă termică şi sudarea tablelor subţiri.

Un alt procedeu de sudare cu arc de plasmă este cel întâlnit sub denumirea de PLASMAMING. La acest procedeu partea inferioară a electrodului fuzibil nu mai este înconjurată de o perdea rece de gaz protector, ci se află în curentul de gaz ionizat al plasmei (Fig. 7.22). Practic se obţine un arc într-un arc. Protecţia gazoasă optimă asigură stabilitatea arcului şi elimină împroşcările de metal topit.

Aplicaţiile majore ale procedeului sunt sudura de colt şi acoperirea pieselor metalice. O altă variantă perfecţionată a sudarii cu plasmă este şi cea cu fir cald. În acest caz, în

spaţiul arcului de plasmă se introduc 1-2 sârme electrod încălzite prin efectul Joule-Lenz cu curent alternativ. Rezultă astfel o creştere o vitezei de depunere a metalului (27kg/h) şi o reducere a aportului energetic.

108

Aplicaţiile tehnologice ale sudării cu

arc de plasmă sunt concretizate prin sudarea cap la cap, dintr-o singură trecere, a tablelor cu grosimi de 5…10 mm pentru oţeluri nealiate, 7...8 mm pentru oţeluri austenitice şi 1…6 mm pentru aluminiu şi aliajele sale.

Sudarea oţelurilor aliate, în special a celor înalt aliate, constituie domeniul în care se recomandă aplicarea procedeului.

În ultimii ani se conturează tendinţa de a valorifica avantajele acestui procedeu la sudarea oţelurilor obişnuite. Preţul ridicat al echipamentului şi gazelor inerte limitează aria aplicării lui. De aceea, se recomandă folosirea sudării cu arc de plasmă numai atunci când productivitatea trebuie să fie deosebit de ridicată, iar calitatea cusăturii trebuie să corespundă unor mari exigenţe.

La autovehicule, procedeul este folosit la îmbinarea talerului cu tija amortizorului.

Aplicarea sudării cu plasmă la amortizoarele de autoturisme asigură o capacitate portantă a îmbinării, fără defecte,

Fig. 7.22 Procedeul de sudare FLASMAMING: 1-

arc de plumb; 2-arc MIG

de 40…45KN, o deformare radială redusă a tijei (max. 80µm) şi abaterea la poziţionarea talerului pe tijă de max. 0,1mm. 7.4.4 Metalizarea cu plasmă Metalizarea prin pulverizare este un procedeu de depunere a unor straturi superficiale, groase de 0,1…10mm, cu proprietăţi speciale, pe suprafeţele unor piese metalice sau nemetalice. Ea asigură recondiţio-narea pieselor uzate şi permite ca unele repere, sau numai anumite părţi ale acestora, care trebuie să posede rezistenţă sporită la uzură, şocuri termice, oxidare

Fig. 7.23 Generator de plasmă folosit la metalizare

109

sau coroziune, să fie acoperite cu straturi din materiale care sa corespundă solicitărilor. Metoda constă în trecerea unui material, sub formă de pulbere sau sârmă, prin jetul de

plasmă, topirea şi antrenarea particulelor incandescente ale acestuia, de către gazul plasmogen (Fig. 7.23) spre suprafaţa piesei ce urmează a fi metalizată. La ciocnirea particulelor topite cu suprafaţa ce trebuie acoperită, energia lor cinetică se transformă în energie de deformare şi căldură. Temperatura particulelor metalice este necesar să fie superioară celei de plastifiere. Dacă temperatura particulelor este sub această valoare, atunci acestea nu aderă la suprafaţă. Aderenţa creşte proporţional cu rugozitatea suprafeţei pe care se depun particulele de material pulverizat. Ea se datoreşte atât ancorării mecanice cât şi forţelor de atracţie moleculară, microsudurilor şi fenomenului de difuziune între metalul de bază şi cel al stratului depus. Pentru majoritatea aderenţei pe suprafaţa piesei de metalizat se depune un strat de molibden, care are o mare capacitate de difuzie. Generatoarele se plasmă folosite la metalizare au puterea de 25…50KW şi lucrează cu gaze plasmogene aflate la presiuni de 0,3…0,4MPa. Procesul tehnologic de metalizare este compus din următoarele operaţii: - pregătirea prin procedee fizico-chimice (decaparea cu paste acide sau alcaline şi degresarea electrochimică cu solvenţi), sau mecanice (sablarea cu alice, strunjirea, filetarea, dăltuirea, moletarea) a suprafeţelor ce urmează a fi metalizate; - acoperirea suprafeţei cu un strat intermediar dintr-un material foarte aderent; - încălzirea piesei la temperatura de 420…450K; - depunerea stratului de material de aport; - prelucrarea mecanică a stratului depus (rectificarea cu disc abraziv). Pentru obţinerea unor straturi de calitate superioară, viteza de depunere trebuie să fie scăzută, nu însă sub limitele care ar putea determina o supraîncălzire a materialului depus, deoarece pot sa apară fisuri în acesta. Randamentul metalizării cu jet de plasmă, în condiţii normale de lucru, este de 50…70%. La materiale cu punct de topire ridicat el scade, iar la metale ajunge la 80…90%. Prin acest procedeu se pot depune carburi de zirconiu, niobiu, titan, wolfram, oxizi de zirconiu, magneziu, beriliu, bor, aluminiu, precum şi wolfram, molibden, fier si crom. În industria de autovehicule, procedeul se aplică la depunerea de molibden sau bronz pe suprafeţele inelelor sincronizatoarelor şi furcilor din cutiile de viteze, recondiţionarea arborilor cotiţi, arborilor cu came, culbutorilor, supapelor, pârghiilor de debreiere ale ambreiajelor, etc. 7.5 Tehnologia prelucrării pieselor de autovehicule cu fascicul de electroni 7.5.1 Bazele fizice ale prelucrării Prelucrarea cu fascicul de electroni se bazează pe transformarea energiei cinetice, de mare densitate, a unui fascicul de electroni puternic acceleraţi într-un tun electronic (Fig. 7.24), în energia termică, la impactul cu suprafaţa piesei. În zona de lucru se produce încălzirea, topirea sau vaporizarea materialului. Electronii sunt emişi de un filament de wolfram, tantal sau toriu, încălzit până la incandescenţă într-o incintă vidată (10-4…10-5Pa) prin trecerea unui curent de mare intensitate. Ei sunt puternic acceleraţi între anod şi catod (vmax = 150m/s), după ce au fost focalizaţi electrostatic cu un câmp electric. La ieşirea prin orificiul anodului fasciculul suferă

110

fenomenul de împrăştiere. El este din nou concentrat (diametrul fasciculului poate ajunge la 10…30 µm) de câmpul magnetic al bobinei de condensare. Distanţa punctului de focalizare se poate regla prin modificarea curentului care străbate bobina de deflexie. Prin polarizarea negativă a bobinei Wehnelt se poate regla intensitatea fasciculului. Dacă tensiunea de polarizare este suficient de ridicată intensitatea devine nulă. Această proprietate este valorificată la accelerarea fasciculului. Bobinele de deflexie (patru la fiecare nivel), plasate echidistant, permit modularea fasciculului liniar sau circular.

Fig. 7.24. Elementele componente ale tunului electronic: 1-catod; 2-electrod de comandă; 3-anod; 4-sistem de deviere dublă pentru centrarea fasciculului; 5-sistem stigmatic de

corecţie; 6-fanta 1 de formare a fasciculului; 7-bobina 1 de condensare; 8-sistem de deviere pentru formarea secţiunii transversale a fasciculului; 9-bobina 2 de condensare; 10-

sistem de deviere ca barieră de fascicul; 11-fanta 2 de formare a fasciculului; 12-sistem de deviere pentru

măsurarea intensităţii fasciculului (bobina Wehnelt); 13-sistem stigmatic; 14-bobină de mişcare; 15-fanta; 16-sistem

stigmatic; 17-sistem de deviere; 18-bobină obiectiv de focalizare fină; 20-piesa; A-orificiul (pata) generatorului de

fascicul; B-secţiune transversală a fasciculului, formată parţial; C-prima imagine a petei; D-secţiunea transversală a

fasciculului (prima imagine a fantei de formare a fasciculului); E-a doua imagine a petei; F-imaginea fantei de

formare a fasciculului; G-a treia imagine a petei; H-secţiunea transversală a fasciculului pe suprafaţa piesei

În afara de aceasta, tunurile electronice posedă echipamente pentru controlul parametrilor fasciculului (centrarea, forma, poziţia). Dispozitivele speciale pot realiza fascicule electronice cu secţiuni programate (ex. un dreptunghi cu raport lăţime/lungime variabil). Astfel de secţiuni, cu densitate de energie uniformă (105…106 W/cm2), se obţin prin copierea optoelectronică a unor fante de configuraţie precisă. La prelucrări tehnice, imaginea petei fasciculului pe suprafaţa de prelucrat este de formă circulară (diametrul de 10µm), cu o distribuţie normală a densităţii energiei (106…109W/cm2). Filamentul de wolfram se află într-o incintă vidată nu numai pentru a evita amorsajul între electrozi dar şi pentru a elimina devierea şi frânarea electronilor de atomi de gaz.

La ciocnirea cu suprafaţa piesei, energia cinetică a electronilor (Ec) este transformată în căldură (W):

111

unde: m - masa electronului; v - viteza electronilor; n - numărul de electroni emişi; Ua - tensiunea de accelerare; e - sarcina electrică a unui electron; I - intensitatea curentului Adâncimea până la care electronii pătrund în materialul de prelucrat se poate calcula cu relaţia:

în care : ρ – densitatea materialului [kg/dm3]

Fig. 7.25. Instalaţie de prelucrare cu fascicul de electroni: 1-camera de

ioni; 2-catod filiform; 3-catod masiv; 4-electrod de

focalizare; 5-anod; 6-sistem auxiliar de centrare a fasciculului; 7-fereastră

de obturare; 8-sertar transversal; 9-sistem degnetic de deviere a

fasciculului; 10-lentilă magnetică; 11-rezistenţă

de curgere; 12-racord pompa vid; 13-rezistenţă

de curgere; 14-lentilă magnetică; 15-racord

pompa vid; 16-izolator; 17-racord de cabluri

Instalaţiile de

prelucrare cu fascicul de electroni (Fig. 7.25) sunt de complexitate ridicată. Ele sunt echipate, în afara tunului electronic, cu sisteme de reglare şi comandă a fasciculului de electroni şi a suportului pe care se aşează piesa de prelucrat, precum şi cu un echipament de vidare.

Din cauza fenomenelor care apar la impactul fasciculului de electroni cu suprafaţa

112

piesei de prelucrat, numai 60…95% din energia acestuia se transformă în căldură, restul distribuindu-se sub formă de lumină, raze Röentgen, atomi, ioni, electroni retrodifuzaţi, electroni secundari şi vapori metalici.

În funcţie de densitatea de putere (q) realizată, fasciculul de electroni este folosit la următoarele operaţii de prelucrare:

q < 104 W/cm2 – tratamente termice; 104 < q < 106 W/cm2 – sudare şi aliere superficială; q > 106 W/cm2 – prelucrări dimensionale (găurire, tăiere). Parametrii reglabili de lucru ai intensităţilor sunt: tensiunea de accelerare a electronilor

(15…150KV), durata impulsurilor (5µs…50ms), frecvenţa de repetare a impulsurilor (50…10.000Hz), puterea fasciculului (100W…4KW). 7.5.2 Sudarea cu fascicul de electroni Penetrarea electronilor din fascicul în materialul pieselor ce trebuie îmbinate este infimă. Unirea prin sudură a metalelor se explică prin aceea că încălzirea este foarte puternică (6000 K) în punctul de impact al fasciculului cu piesa. Ca urmare a încălzirii violente se produce nu numai fuziunea unei mici cantităţi de metal dar şi vaporizarea unei părţi din acesta. Vaporii sub presiune îndepărtează metalul lichid la periferia zonei topite formând un fund de crater care bombardat fiind de electroni se topeşte la rândul lui. Procesul continuă până la traversarea completă a piesei din metal dacă puterea sursei este suficient de mare. Metalul lichid aderă prin capilaritate şi este menţinut în orificiul creat datorită presiunii gazelor care se degajă. Fuziunea este întreţinută de electronii care ricoşează către extremitatea canalului. Dacă piesa şi fasciculul suferă o deplasare relativă, atunci acesta încălzeşte puternic faţa cilindrului lichid. Sub acţiunea vaporilor metalul lichid este aruncat înapoi formând o suprafaţă solidă care topeşte la rândul ei, chiar dacă cele două valuri de metal lichid sunt deplasate în spatele fasciculului şi se solidifică. În felul acesta se realizează o sudură îngustă pe toata înălţimea piesei. Atunci când fasciculul este aplicat în planul de joncţiune a doua piese, care trebuiesc unite, se obţine prin fuziune un canal de metal topit pe toată grosimea. După răcire rezultă un cordon de sudură a cărui dimensiune este comparabilă cu fanta dintre piese. Una din trăsăturile dominante ale sudurii cu fascicul de electroni este determinată de căldura care se dezvoltă în planul joncţiunii. La alte procedee de sudură prin fuziune sursa de căldură este plasată în apropierea pieselor de sudat, iar energia termică este transferată în zona de îmbinare prin conductibilitate. La sudura cu fascicul de electroni, conductibilitatea termică a pieselor ce trebuiesc asamblate este un factor secundar, deoarece, datorită energiei specifice a fasciculului, viteza de sudură este superioară celei de transmitere a căldurii. În plus, la grosimi egale ale pieselor de îmbinat, volumul de material este mai redus la sudura cu fascicul de electroni şi, prin urmare, şi consumul energetic este mai mic. Din punct de vedere teoretic, cele mai bune suduri se obţin cu un fascicul foarte fin de electroni acceleraţi puternic şi focalizaţi pe o suprafaţă redusă. În realitate, datorită acţiunii unor factori, ca geometria pieselor şi precizia maşinilor şi utilajelor, diametrul secţiunii transversale a fasciculului trebuie sa fie mai mare. Îmbinarea cu fascicul de electroni asigură o sudură profundă, îngustă şi cu secţiune constantă, fără defecte fizice (golfuri, sufluri, porozităţi) şi canal lateral, precum şi o încălzire redusă şi o deformare minimă a pieselor.

113

Datorită aportului de energie în planul de îmbinare sudurile de mare penetraţie rezultă dintr-o singură trecere. Zona de influenţă termică redusă şi încălzirea rapidă pot provoca şocuri termice şi contracţii cu gradient foarte ridicat. În urma cercetării mecanismului uzurii a reieşit că densitatea de energie a fasciculului trebuie să aibă o distribuţie normală şi nu una omogenă. Dacă se doreşte ca procedeul să fie rentabil este necesar ca suprafeţele care trebuie îmbinate să fie rectificate (toleranţele pieselor ± 50µm). Sudura cu fascicul de electroni, datorită densităţii mari de energie, focalizării precise şi penetrării puternice asigură îmbinarea unor materiale cu temperaturi de topire foarte înalte sau mult diferite. Se pot suda, fără material de adaos, piese cu grosimea de 0,05…300 mm, cu viteze de 15…20 m/min. Exemple de aplicare a sudurii cu fascicul de electroni Performanţele superioare ale sudurii cu fascicul de electroni au impus acest procedeu la asamblarea roţilor dinţate de pe arborii secundari şi a arborilor intermediari din cutiile de viteze (Fig. 7.26 a, b)

Fig. 7.26 Repere din construcţia autovehiculului asamblate prin sudura cu fascicul de electroni: a-arbore intermediar; b-roată dinţată de pe

arborele secundar; c-piston

Asamblarea prin sudură cu fascicul de electroni a pinioanelor şi arborilor din transmisie determină îmbunătăţirea performanţelor şi reducerea preţului de cost, deoarece prelucrarea danturii este mai uşoară, gabaritul roţilor dinţate se micşorează, greutatea devine mai mică, productivitatea creşte prin automatizarea prelucrării, se descompune un reper complex în elemente mai simple şi se pot folosi materiale care să corespundă solicitărilor diverse. Deformările maxime ale pieselor din cutiile de viteze sudate cu fascicul de electroni (puterea sursei 2KW, viteza de sudare 2,5m/min), măsurate după două direcţii perpendiculare, mai mici de 0,05…0,08mm. Tot prin această

tehnică, se pot asambla, din mai multe elemente, arborii rotoarelor turbosuflantelor (Fig. 7.26 d).

114

O alta grupă de piese, la care se poate aplica procedeul, este cea a pistoanelor care au prevăzute în partea superioară a capului canale toroidale pentru circulaţia uleiului de răcire. Soluţia convenţională de execuţie a acestor canale constă în introducerea unui torr de fier turnat în cochilă şi dizolvarea ulterioară a acestuia cu acid. Datorită duratei mari a operaţiei de dizolvare a fierului apar golfuri în camera inelară. Realizarea pistonului din două elemente (Fig. 7.26 c) facilitează prelucrarea, iar asamblarea lor prin sudura cu fascicul de electroni îmbunătăţeşte calitatea produsului. Materialul de bază pentru piston poate fi un aliaj de aluminiu (AT Si 12 CuMgNi). Pentru a se evita apariţia defectelor, se recomandă ca sudura să se realizeze în două treceri, cu următorii parametrii de lucru: Ua = 50KV; I = 110…300mA; viteza de sudare 1,0…3,5m/min. Atunci când motoarele trebuie să lucreze în medii cu temperaturi ridicate o atenţie deosebită trebuie acordată garniturii de chiulasă. Îmbunătăţirea legăturii dintre chiulasă şi blocul motor se obţine prin sudarea acestora cu fascicul de electroni. În acest caz chiulasa este turnată în vid din oţel cu crom şi molibden. Din realizările recente în domeniul prelucrării cu fascicul de electroni fac parte: - comanda prin ordinator a proceselor de sudare şi tratament termic; - echiparea tunului electronic cu un sistem de control al descărcării, eliminându-se astfel eventualele întreruperi în transportul energiei; - realizarea de noi aliaje pentru catozi (durata de viaţă a crescut 10…50 ori faţa de cea a materialelor tradiţionale). Automatizarea şi înalta performanţă a sudurii cu fascicul de electroni fac din acest procedeu o tehnică de vârf pentru producţia de masă. Fasciculul de electroni este deja capabil să identifice automat piese cu forme complexe prin repararea unor puncte caracteristice, de a transmite informaţia computerului, care apelând la un program adecvat va comanda asamblarea piesei în condiţii optime. 7.5.3 Alte aplicaţii ale fasciculului de electroni Fasciculul de electroni se poate folosi, cu rezultate deosebite, la operaţii de perforare. Găurirea se execută prin vaporizare superficială sau prin vaporizarea şi topirea materialului (Fig. 7.27). Găurile cu diametrul de 0,01…2mm se pot practica în materiale cu grosimea de 1…10mm în monopuls şi de 10…20mm în regim multipuls. Cu ajutorul fasciculului de electroni se pot aplica materiale dure pe suprafeţele unor piese, în vederea măririi rezistenţei la uzură sau eroziune. De asemenea, se pot realiza tratamente termice, aluminizarea unor suprafeţe (reflectoarele farurilor), alierea superficială prin difuziune, etc. Domeniul de aplicabilitate al procedeului este limitat de posibilităţile instalaţiilor specializate. 7.6 Tehnologia prelucrării pieselor de autovehicule cu laseri Laserul este un sistem în care se produce amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaţii electromagnetice pe baza inversiei de populaţie.

115

7.6.1 Mecanismul producerii laserului Pentru a prezenta efectul laser se porneşte de la legea lui Beer, care arată că, dacă într-un mediu oarecare, de lungime L, se trimite o radiaţie de intensitate iniţială Io, intensitatea la ieşire va fi dată de expresia:

I = Io e Kλ L

Fig. 7.26. d-rotorul turbosuflantei unde Kλ – coeficientul de absorbţie al

mediului. Atunci când Kλ are valori pozitive rezultă o

amplificare a radiaţiei la trecerea prin mediu. Laserul este cel care valorifică această posibilitate.

Radiaţia, cu lungimea de undă λ, ia naştere ca urmare a unei tranziţii între două nivele energetice E1 si E2 (E2 > E1). Valoarea coeficientului de absorbţie depinde de numărul de electroni care se află, in medie, pe aceste nivele (aşa numitele „populaţii” n1 şi n2 ale nivelelor E1 şi E2), de densitatea de radiaţie ρ ( λ ) [J/m3], de timpul de viaţă τ1 al nivelului E1, de lungimea de unde λ şi de ponderile nivelelor g1 si g2.

Absorbţia poate fi aproximată prin relaţia: Kλ = C1 ρ ( λ ) (n2-n1) – C2 (7.8)

Fig. 7.27. Succesiunea fazelor şi modul de îndepărtare a materialului la găurirea

cu fasciculul de electroni

116

În ultima relaţie, primul termen apreciază absorbţia (n1>n2) sau lumina stimulată (n2>n1), iar al doilea ţine seama de emisia spontană (el nu poate fi decât negativ).

Pentru a se realiza condiţia Kλ>0, trebuie ca primul termen din relaţia 7.8 să fie pozitiv şi mai mare ca al doilea. Acesta se obţine crescând densitatea câmpului de radiaţie în care are loc emisia laser.

Satisfacerea acestor condiţii este dificilă. Aceasta deoarece, în condiţii normale de temperatură, pentru o diferenţă de energie ce corespunde tranziţiilor optice, n2 reprezintă 10-4

din n1. Pentru a se înregistra o inversie de populaţie (n2>n1) este necesar ca in mediul respectiv să se pompeze energie. În acest fel primul termen, care estimează emisia stimulată, devine preponderent. Majorarea densităţii de radiaţie este rezultatul emiterii într-o cavitate rezonantă.

Schematic, un laser se compune dintr-un mediu activ, închis între două oglinzi paralele, în care se pompează energie pentru realizarea inversiei de populaţie (Fig. 7.28).

Coeficientul de reflexie (R) al oglinzilor paralele este definit prin:

R = , unde: I0 – radiaţia incidentă (7.9) Ir – radiaţia reflectată. Transmisia prin oglinzi este : T = 1 – R – A, unde: Fig. 7.28. Schema unui laser R – reflectivitatea; (7.10)A – absorbţia oglinzii Ameliorarea performanţelor oglinzilor se obţine prin aplicarea pe suprafeţele

reflectoare a unor depuneri dielectrice, în locul celor metalice, care au absorbţie mult mai mică (A ≈ 0).

Dacă din vecinătatea oglinzii O1 porneşte o rază cu intensitatea I0 care ajunse în dreptul oglinzii O2 cu intensitatea I(L) = I0 · e Kλ · L, atunci în mediu este reflectată de oglinda O2 o radiaţie cu intensitatea IR, iar complementara I(1-R) va fi „radiaţia laser” care părăseşte mediul. Pentru simplificare, s-a constatat ca ambele oglinzi au acelaşi coeficient de reflexie şi absorbţie nula (A = 0).

Dispozitivul se afla în pragul emisiei laser dacă, pe parcursul L, câştigul în intensitate este cel puţin egal cu radiaţia care părăseşte mediul trecând prin oglindă. Sistemul încetează în a mai emite radiaţie laser atunci când pierderea prin transmisie depăşeşte amplificarea. Deci, emisia are loc atunci când:

I – Io > I (1 – R) (7.11) Din relaţiile 7.3 si 7.10 rezultă: Kλ L > 1 – R (7.12) Pentru majoritatea tranziţiilor laser, Kλ L < < 1 şi deci eKλ L ≈ 1 + Kλ L. Sunt însă

cazuri în care Kλ L poate ajunge supraunitar, când laserul funcţionează chiar cu R ≈ 0 (fără oglinzi). Regimul este cunoscut sub denumirea de superradianţă. Laserul cu azot sau linie infraroşie 3.39µm a laserului He – Ne sunt exemple de linii superradiante.

117

Din 7.7 si 7.12, neglijând emisia spontană rezultă: n2 – n1 > (n2 – n1) prag = C (7.13) Relaţia 7.13 arată că efectul laser nu poate apare decât dacă inversia de populaţie

depăşeşte o anumită valoare de prag (n2–n1)prag. Pragul poate fi coborât lungind mediul activ, mărind reflexia oglinzii sau majorând densitatea radiaţiei.

Mediile laser sunt gazoase (bioxid de carbon, azot si heliu) sau solide (solid amorf sau cristalin în care sunt disipaţi ioni de neodium).

Introducerea energiei iniţiale în mediu (energia de „pompaj”) se face prin descărcări în gaze, inducţia magnetica la laserii gazoşi si prin iradiere optică la cei solizi. Pompajul optic se realizează aşezând într-o cavitate reflectoare, de tip eliptic, un flash. În cele două focare sunt dispuse paralel flash-ului şi bara laser. Cavitatea reflectoare are rolul de a concentra lumina flash-ului pe bara laser. Pentru mediile active lichide, inversarea de populaţie se obţine în urma unor reacţii chimice de disociaţie si pompaj chimic.

Radiaţiile laser se caracterizează prin proprietăţile sale specifice: coerenţa, direcţionalitate, monocromaticitate, distribuţie temporală, intensitate, strălucire, si polarizare.

Pentru prelucrările termice, proprietăţile care interesează sunt puterea şi energia. Laserii cu funcţionare continuă au puteri de la 10-3...1012KW, iar cei pulsanţi au

energii cuprinse intre 1 şi 100J. De cele mai multe ori, fasciculul laser este focalizat cu ajutorul unui sistem de lentile

şi oglinzi, obţinându-se densităţi uzuale de putere de 104 ... 1010W/cm2 şi de energie de 102...108 J/cm2.

7.6.2 Instalaţii laser folosite la prelucrări termice Generatoarele laser utilizate la prelucrări tehnologice (tratamente termice, sudură,

găurire, tăiere) realizează puteri specifice ridicate, au sisteme optice de dirijare şi concentrare a radiaţiilor pe suprafeţele pieselor de prelucrat şi folosesc medii active sub formă solidă sau gazoasă.

Generatoare cu mediu activ solid

Mediile active pot fi excitate pentru obţinerea unui fascicul laser cu eficienţa ridicată sunt rubinul, sticla dopată cu ioni de neodim şi YAO (Y1 A13 I12) dopat cu ioni de neodim.

Dintre laserii cu mediu activ solid, cel mai utilizat este cel cu sticlă dopată cu neodim. Aceasta furnizează energii mari pe puls (1...100J) la temperatura mediului ambiant.

Un astfel de laser este construit dintr-o bară de material dopat cu neodim de formă cilindrică (diametru de 5...15mm ăi lungimea de 30...1200mm). Capetele barei sunt prelucrate optic şi acoperite cu straturi reflectante pentru a realiza cavitatea rezonantă (Fig 7.29). Paralel cu mediul activ se află o sursă (lampă cu descărcare în vapori de metal, lampă cu filament, dioda semiconductoare, sistem solar de pompare) care realizează pompajul optic al sediului activ (puterea sursei 1...15000W).

Alimentarea lămpilor de pompaj se face la surse electrice speciale, în care sunt incluse

condensatoare (130...800µF) si impedanţe (7...111µH) capabile de a înmagazina şi restitui energia (700...2230J) în corelaţie cu o anumită durată (100µs...1ms) şi tensiuni de descărcare (2430...3280V).

O parte din energia radiată de sursa de pompaj este absorbită de mediul activ care determină apariţia unei inversii de populaţie. Pentru ca radiaţia emisă de flash să lumineze cât

118

mai eficient mediul activ, întreg ansamblul este montat intr-un reflector cilindric cu secţiune eliptica (cavitate de pompaj).

Corpul cavităţii de pompaj se execută din aluminiu, cupru sau oţel inoxidabil. Pereţii interiori se execută cu un înalt grad de reflectivitate prin lustruire şi depunere în vid de straturi de aluminiu, argint, aur.

Temperatura mediului activ trebuie sa fie cât mai scăzută pentru ca laserul să funcţioneze la o frecvenţă rezonabilă. Pentru aceasta se folosesc instalaţii speciale de răcire care după fiecare puls laser preiau energia calorică pe care lampa o emite odată cu energia de pompaj.

Randamentul scăzut la transformarea energiei electrice în cea luminoasă (35...40%), utilizarea incompletă a energiei absorbite de bastonul laser (6...14%) şi pierderile din cavitatea de pompaj (30...70%) sunt elemente ce determină eficienţa scăzută a laserilor cu mediu activ solid (0.1...5%).

Caracteristicile fasciculelor laser depind şi de elementele optice care formează cavitatea de rezonanţă (oglinzi, prisme). Rezonatorul poate fi cu oglinzi plan-paralele, cu oglinzi cu raza mare de curbură, confocal, sferic, cu oglinzi cu raze diferite de curbură, convex-concav sau semiconfocal.

Laserele cu mediu activ solid (sticla, Nd şi YAG) pot realiza în regim pulsat relaxat un tren de impulsuri cu durata totală de 0,1...1ms şi energia de 0,1...20J (puterea de impuls 1...50KW), în regim pulsat declanşat un singur impuls cu durata de 10...50ns şi energia de 0,01...0,2J (putere de impuls 1...20KW),€ iar în regim continuu pot emite fascicul cu puterea de 1...100W.

Instalaţiile de prelucrare cu laser pot fi prevăzute cu comandă numerică a deplasării (cu motoare pas cu pas) piesei de prelucrat, precum şi cu alte echipamente, cum sunt cele de realizarea a unei atmosfere controlate în incinta de lucru şi de urmărire cu monitor TV a zonei de acţiune a fasciculului.

Principalele tipuri de prelucrări ce se pot executa cu aceste lasere sunt: găurirea de mare fineţe, pe adâncimi de 3...4mm, sudura prin puncte (adâncimea de pătrundere 0,3mm), tăierea materialelor metalice cu grosimi de 0,5...10mm, tratamentele termice ale pieselor metalice de mari dimensiuni.

Fig. 7.30. Schema de principiu a unei instalaţii de

prelucrare cu laser: 1-Generator laser, 2-Sisteme de modulare şi deviere a fasciculului, 3-Sisteme de

focalizare a radiaţiilor, 4-Piesa de prelucrat, 5-Sistem de poziţionare a piesei, 6-Echipament de comandă

numerică, 7-Dispozitiv de programare a emisiei laser, -Sistem de comandă şi sincronizare a emisiei laser, 9-sursă de alimentare cu energie electrică, 10-Sistem

TV cu circuit închis, 11-Dispozitiv de control şi măsură a fasciculului laser

8

Generatoare cu mediu activ gazos

La laserele cu gaz, datorită densităţii scăzute a mediului activ şi nivelurilor energetice înguste, inversia de populaţie se obţine prin ciocniri electronice sau transfer rezonant de energie şi, uneori, prin pompaj optic sau reacţii chimice.

Prelucrarea metalelor se poate face cu trei tipuri de lasere cu gaz, atomice, ionice şi moleculare.

119

Mediul activ al laserului cu gaz ocupă un volum cilindric (diametrul cilindrul 3...30mm) închis la capete de două oglinzi (Fig. 7.31). Una din oglinzi este parţial transparentă deoarece prin ea iese fasciculul laser.

Fig. 7.31. Schema constructivă a unui laser cu mediu activ gazos. 1-Fascicul laser, 2-fereastră din NaCl, 3-

5-Oglinzi, 4-Tub laser, 6-Sistem de alimentare cu amestec gazos (CO2+He+N2), 7-Sistem de evacuare a gazului folosit, 8-Dispozitiv de formare a amestecului gazos, 9-Pompă de vid, 10-Sursă de alimentare cu

energie electrică Amestecul gazos (gazele se pot afla într-un raport (1 vol. CO2, 1 vol. N2, 8 vol. He),

care formează mediu activ, este realizat de gazele aflate în butelii. Presiunea amestecului (2...2,6KPa) este ajustată cu ajutorul unei pompe de vid. În cilindru are loc o descărcare luminiscentă, între anod si catod, care va fi sursa laser. Rolul descărcării în gaz este acela de a excita nivelul inferior. Celelalte gaze ajută la realizarea inversiei şi eventual la răcirea amestecului sau la micşorarea impedanţei electrice. Curentul descărcării electrice ajunge la 10...100mA, ceea ce determină dezvoltarea unei mari cantităţi de căldura. De aceea, este necesar ca aceste lasere să funcţioneze într-o incintă răcită cu apă.

Laserele cu mediu activ gazos pot fi cu bioxid de carbon, heliu, neon, CO2+N2+He si argon ionizat. Ele pot atinge randamente de 10 – 35%.

7.6.3 Prelucrări tehnologice cu laser a pieselor autovehiculelor

Tehnologiile de prelucrare cu laser oferă soluţii avantajoase la execuţia pieselor de precizie ridicată, cu rezistenţe mecanice superioare, în condiţiile diminuării timpului de lucru, eliminării deformaţiilor şi tensiunilor termice care ar putea apare în urma uzinării. Ele asigură realizarea reperelor cu configuraţie complexă, în spaţii care nu necesită atmosfere controlate (se pot fabrica şi piese aflate în incinte transparente), pe instalaţii automatizate sau robotizate comandate de computere.

Laserele de mare putere şi-au găsit largi aplicaţii in domeniile tratamentelor termice, alierilor de suprafaţă, sudurii, debitării si găuririi. Tratamente termice

Pentru ameliorarea caracteristicilor mecanice ale pieselor metalice prin modificarea constituenţilor metalografici structurali trebuie ca materialul să fie adus în stare de suprasaturare. Aceasta se realizează încălzind metalul, cu ajutorul fasciculului laser, până la anumite temperaturi, după care acesta se răceşte rapid pentru a se împiedica apariţia fenomenului de difuzie.

Temperatura suprafeţei piesei şi adâncimea de pătrundere pot fi variate prin reflectarea puterii fasciculului şi vitezei de baleiere. Puterea radiaţiilor nu trebuie să depăşească anumite

120

valori critice (la oţel 180KW/cm2 pentru o durată a impulsului de 100ns) pentru a nu se produce în material transformări de fază.

Tratamentul termic cu laser se poate executa prin deplasarea piesei, ce urmează a fi călită, prin câmpul de radiaţie laser, focalizat la diametre ale spotului de 1...4mm. Rezultă astfel benzi călite cu o lăţime egală cu diametrul spotului.

Realizarea de suprafeţe călite cu dimensiuni mai mari este posibilă prin suprapunerea parţială a benzilor sau prin oscilarea fasciculului laser intr-un plan perpendicular pe direcţia de deplasarea a piesei (Fig. 7.32).

Spotul laser, cu diametrul de 5mm, este deviat de oglinda mobilă pe lentila semisferica. Diametrul spotului poate fi redus până la 0,8mm cu ajutorul lentilei. Oglinda mobilă se roteşte cu turaţia de 2000rot/min. Piesa este fixată pe masa mobilă, care se poate deplasa după direcţiile X şi Y cu viteza de 0,2...3cm/s.

Transformările produse de fasciculul laser în material au un caracter neomogen, datorită maximului de energie în centrul fasciculului. Ca urmare, duritatea în centru este foarte mare (800µHV la OTC 45), iar spre margini ea se micşorează (350µHV).

Evoluţia durităţii în adâncime respectă aceeaşi lege (Fig. 7.33). Influenţa determină asupra tratamentului termic o putere a radiaţiilor şi durata de

acţiune a fasciculului laser (Fig. 7.34). Un alt parametru de care depinde duritatea stratului tratat este mărimea defocalizării

fasciculului laser (Fig. 7.35). Pentru realizarea unor tratamente termice de calitate este necesară corelarea densităţii

de putere cu diametrul spotului şi durata impulsului (Fig. 7.36).

Fig. 7.32. Schema de principiu a instalaţiei de tratament termic cu laser. 1-Camă, 2-

Radiometru laser, 3-Oglindă mobilă, 4-Oglindă, 5-Oglindă divizoare, 6-Lentilă, 7-Fascicul laser,

8-Piesă, 9-Masa mobilă.

Fig. 7.33. Variaţia microdurităţii într-o bandă de OLC 45: 1-Bandă călită la o singură trecere, 2- Bandă călită la două treceri prin suprapunere totală (puterea sursei 400W; lăţimea benzii 2,5

mm; viteza de deplasare a piesei 1,5cm/s)

Fig. 7.34. Variaţia durităţii în funcţie de

densitatea de putere şi de durata impulsului. 1-σi= 6,5 · 10-3s şi 2-σi= 1,5 · 10-3s

Fig. 7.35. Influenţa mărimii defocalizării asupra durităţii stratului superficial (ρt = ct; σi=ct)

121

Fig. 7.36. Variaţia densităţii optime de putere în

oţ .

Folosirea laserelor cu mediu activ gazos (CO +N +He) care emit in regim continuu,

cu put

diaţilor, viteza de deplasa

e 25s, roţi dinţate din oţel 34 MoCrNi 15, cu

urificarea prin călire cu fascicul laser a oglin

ircumferinţa segmenţilor şi oglinda cilindrilor

ioară a durităţii ce trebuie să rezulte după turnare nu poate depăşi 240...2

şi tratamente termice

funcţie de durata impulsului pentru călirea elurilor cu un conţinut de carbon sub 0,4% (1

Diametrul petei fasciculului pe piesa 0,2 mm. 2. df=0,4mm. 3. df=1mm)

2 2eri ale radiaţilor de 140...400W şi cu viteze ale pieselor în faţa fasciculului de

5...25mm/s, asigură încălzirea uniformă a unor suprafeţe cu geometrie complexă şi obţinerea de constituenţi structurali ce conduc la creşteri semnificative ale durităţii.

Valorile optime ale parametrilor regimului de lucru (puterea rare a piesei), pentru lasere cu emisie continuă, în funcţie de adâncimea de penetrare se

pot determina cu ajutorul unor nomograme (Fig 7.37). Prin acest procedeu au putut fi călite, în timp ddiametrul de divizare de 150mm, grosimea de100 mm şi înălţimea dinţilor de 20mm.

Puterea sursei laser a fost de 650 W. Dzii cămăşilor de cilindri de către MAN

cu instalaţii de mare putere în condiţiile încălzirii riguros controlate, eliminării agentului de răcire şi obţinerii structurii martensitice până la o adâncime de 1,5mm în zonele intens solicitate termic, eroziv şi coroziv, a permis diminuarea uzurii cu 70–75% faţă de cea înregistrată. În aceleaşi condiţii, la cămăşile pe care s-au aplicat tratamente termice convenţionale sau nitrurări, aplicarea acestui procedeu a fost determinată de faptul ca reducea frecările din sistemul tribologic „oglinda cilindrului – lubrifianţi - segmenţi” doar că perfecţionarea sistemelor de ungere escontact se reduc si se uniformizează uzurile pe cşi se asigură un control mai riguros al consumului de ulei.

Durificarea oglinzii cilindrului se poate mări prin creşterea procentului de elemente de aliere. Dar limita super

te limitata. Prin durificarea suprafeţelor de

50UHB, deoarece prelucrarea mecanică devine dificilă. De aceea, pentru creşterea durităţii stratului superficial se pot aplica acoperiri

galvanice cu Cr sau Ni sau se pot face nitrurări pe adâncimi de 0,1...0,3 mm cu laser.

122

Cercetările experimentale au arătat că rezistenţa la uzură este mult mai bună la cămăşile durificate cu fascicul laser faţă de cele nitrurate adâncimi de 0,1...0,3mm şi tratamente termice cu laser.

Cercetările experimentale au arătat că rezistenţa la uzură este mult mai bună la cămăşile durificate cu fascicul laser faţă de cele nitrurate. Aceasta deoarece straturile nitrurate sunt foarte dure dar prea subţiri, astfel încât ele se uzează rapid în zona punctului mort superior.

Dacă segmenţii de compresie se durifică cu fascicul laser, atunci uzura acestora se reduce cu 30–60% faţă de cei prelucraţi cu tehnologii convenţionale.

Cu acest procedeu, GM tratează termic, pe anumite linii de fabricaţii elemente ale transmisiei şi direcţiei, precum şi cămăşile de cilindrii din fontă pentru motoarele MAC.

Durificarea cu laser se aplică cu succes şi la călirea superficială a fusurilor arborilor cotiţi şi arborilor cu came, elementelor aparaturii de injecţie, etc.

Tratamente termice speciale cu fascicul laser

Din categoria tratamentelor speciale fac parte topirea superficială a metalului, alierea de suprafaţă, călirea prin şoc şi vitrificarea-glazurarea cu laser.

Topirea locală rapidă a stratului superficial (10...300µm) al unui material metalic urmată de resolidificare cu viteze de răcire ridicate (105...106K/s) produce în piese creşteri granulare şi modificări ale microstructurii. Ca urmare, se ameliorează caracteristicile materialului tratat.

Acest procedeu de tratament termic este materializat prin 4 variante: - Încălzirea cu fascicul laser a stratului superficial deasupra punctului de topirea al materialului, urmat de revenire. - Alierea superficială prin topirea unei pelicule subţiri (2...15µm) dintr-un material cu proprietăţi superioare celui din care este realizat reperul respectiv. - Acoperirea de protecţie cu o peliculă, cu grosimea de 20...50µm dintr-un material rezistent la acţiunea agenţilor corozivi sau abrazivi. - Dispersia unei particule inerte într-un substrat material topit. Dintre procedeele de topire locală a stratului superficial, alierea superficială cu laser

prezintă cel mai mare interes. Ea permite formarea la suprafaţa pieselor din oţeluri slab aliate ale unor aliaje metalice cu structură omogenă.

Astfel, prin topirea cu radiaţii emise continuu de un laser CO2 (λ = 10,6µm) în condiţiile unei densităţi de putere de 100MW/cm2 şi viteze de baleiaj de 500 ... 1000 m/s, a unui strat de crom cu grosimea de 5...16µm aplicat electrolitic pe suprafaţa unei piese din oţel-carbon, s-a format un amestec omogen oţel-carbon-crom până la adâncimea de 320µm.

Formarea amestecului omogen în stratul superficial se datorează faptului că temperatura scade, iar tensiunea de suprafaţă creşte de la punctul de impact al razei laser spre marginile picăturii de metal topit. Ca urmare, are loc o deplasarea a metalului lichid spre margine, determinând o cavitate in picătură. Diferenţa de presiune statică rezultată din aceasta curbare produce o reîntoarcere, sub forma de curent de adâncime, în picătura metalica, de la periferie spre centru (Fig. 7.38). Aceste fenomene explica şi aspectul caracteristic cu neregularităţi uşor ondulate ale suprafeţei solidificate, ce apare la materialele aliate superficial cu laser.

Pentru a obţine o structura cvasiuniforma a stratului tratat este necesar ca zonele iradiate să se suprapun intre ele pe o treime din lăţimea cordonului.

123

Fig. 7.38. Mecanismul formării zonelor ondulate

după resolidificarea metalului topit cu laser: a-Picătura de metal topit este imobilă

b-Picătura de metal topit se deplasează c-Formarea ondulaţiilor la suprafaţa metalului

resolidificat; d, e-Contracţia metalului topit şi formarea

ondulaţiilor după solidificare.

Prin călirea superficială prin şoc a unor piese din oţel (puterea radiaţilor 200...780MW/cm2 şi durate ale impulsurilor de 100µs) duritatea stratului tratat creşte de peste 3 ori faţă de a celui de baza.

Vitrificarea – glazurarea cu laser se obţine prin încălzirea locala a suprafeţelor metalice cu fascicule cu densităţi ale puterii de 10...40MV/cm2 şi durate ale impulsului de 0,1...5µs. După răcirea rapidă a metalului topit, structura cristalină a stratului superficial se transformă în amorfă-sticloasă cu duritate foarte mare.

Sudarea cu laser

Sudarea prin topire este un procedeu prin care laserul şi-a găsit aplicaţii multiple. Posibilitatea concentrării fasciculului laser pe suprafeţele dure asigură realizarea unor densităţi de putere de peste 1000 de ori mai mari decât la procedeele convenţionale (Fig. 7.39).

Datorită progreselor tehnologice înregistrate in tehnica laserelor mai mult de 100 de echipamente sunt folosite la tratamente termice, sudări, găuriri, debitări si control în uzinele de producţie ale GM (pe plan mondial se precizează că vânzările de lasere industriale vor ajunge la 3000 în 1990 şi 8000 în 1984; în Franţa, la sfârşitul anului 1985 se aflau 78 de lasere industriale, din care 58 cu CO2 şi 20 cu YAG). Alţi beneficiari ai acestei tehnici de vârf sunt: Ford, Fiat, Renault, Mercedes-Benz, Volkswagen.

Pentru realizarea asamblărilor sudate, durata de acţiune a radiaţiei laser se alege astfel încât penetrarea frontului de topire în material să se producă înaintea evaporării stratului superficial al acestuia. Prin acest procedeu se pot asambla piese din materiale cu puncte de fuziune diferite (oţel-aluminiu, oţel-cupru, oţel-bronz, aluminiu-aluminiu), cu viteze de sudare foarte mari (120...140m/min) şi penetrare profundă (raportul adâncime/lăţime cordon = 10...15/1), obţinându-se îmbinări cu rezistenţe mecanice superioare celor executate prin metode clasice. Deoarece durata de execuţie a sudurii este foarte mică, zona de influenţă termică este minimă. Sudarea cu laser poate profita de avantajele ordinatoarelor care permit efectuarea unui control automat ai tuturor parametrilor de lucru la intervale <20ms, înregistrarea lor şi semnalarea abaterilor faţă de situaţia normală, precum şi verificarea vitezei de deplasare a piesei şi sculei (Fig. 7.40).

124

Posibilitatea de deplasare cu viteza luminii a fasciculului laser de la un punct la altul,

situate la distanţe apreciabile, conferă acestui procedeu de sudare, o mare flexibilitate în producerea de serie.

La sudarea pieselor metalice, acestea se pot afla cap la cap sau pot fi suprapuse (Fig. 7.41).

Fig. 7.41. posibilităţi de realizarea a îmbinărilor cu fascicul laser. a-cap la cap, b-două margini suprapuse, c-sudare prin suprapunere, d-sudare in T, e-sudare fire pe placă, f,g-sudare in colţ, h-îmbinare in

T cu fantă, i-sudare tip flanşă

Fig. 7.42. Toleranţele de poziţionare şi direcţia forţelor de apăsare la sudarea

cu fascicul laser.

Fig. 7.43. Domeniul optim de reglare al densităţii de

putere şi duratei impulsului în funcţie de adâncimea de topire al materialului.

125

Fig. 7.44. Procesul tipic de găurire la metale: 1-Plasmă, 2-Front de vaporizare, 3-Front de încălzire, 4-Material, 5-Front de

topire.

Pentru a executa îmbinări sudate de calitate este necesar ca piesele să fie curăţate în prealabil de oxizi şi impurităţi, să fie poziţionate corespunzător una faţă de alta (Fig. 7.42) şi sa fie presate în zona de legătură.

Procedeul asigură îmbinarea pieselor cu grosimea de 0,05...1,5mm. În condiţii speciale se pot realiza suduri cu penetrare profundă până la adâncimi de 15...18mm.

Parametrii de lucru (densitatea de putere, durata de acţionare şi modul de acţionare) se aleg în funcţie de adâncimea pe care trebuie să se producă topirea (Fig. 7.43).

Sudarea cu fascicul laser se aplică la realizarea, din două sau trei bucăţi a arborilor din cutiile de viteze (Ford), la îmbinarea nedemontabilă a elementelor caroseriei, etc.

Sudarea maselor plastice se execută în mod curent cu fascicul laser. Lungimea de undă recomandată este de 10,6µm, deoarece radiaţia este mai puternic absorbită decât cea a laserelor în vizibil.

Prelucrarea aliajelor cu fascicul laser

Prelucrarea aliajelor cu fascicul laser îşi dezvăluie performanţele atunci când trebuiesc practicate găuri cu diametre mici (0,015...1,5mm) şi lungimi reduse (12...14mm) în materiale foarte dure sau fragile (materiale ceramice).

La găurirea cu fascicul laser nu există contact fizic cu piesa de prelucrat, iar tensiunile interne şi deformaţiile sunt eliminate. De asemenea, se pot executa prelucrări de mare precizie ale aliajelor pieselor din orice material, în condiţiile reducerii zonei de influenţă termica, pe instalaţii complet automatizate.

Procesul de găurire debutează cu o fază cvasistatică de încălzirea a materialului care trece, intr-un interval scurt de timp (10ns) într-o alta faza dinamică, de topire, vaporizare si expulzare a produselor gazoase, solide si lichide rezultate. Produsele antrenate, acţionând asupra materialului piesei, în sensul opus radiaţiilor laser, măresc dimensiunile cavităţii în formare (Fig. 7.44).

Densitatea de putere la aceste prelucrări este de 4...50MV/cm2, iar durata impulsurilor de 9...50ms.

În funcţie de forma impulsurilor şi modul de focalizarea a radiaţiilor pot rezulta găuri cu diverse forme (cilindrice, conice, semisferice, etc. – Fig. 7.45).

Cu toate că domeniile de aplicare ale acestei tehnici în construcţia de autovehicule sunt restrânse (Rolls-Royce foloseşte tehnica găuririi prin trepanare la prelucrarea rotoarelor turbinelor), totuşi se anticipă ca ea va fi folosită la prelucrarea componentelor instalaţiilor de alimentare a MAC precum şi a altor instalaţii care au în componenţa elemente de precizie ridicată.

126

8. Uzinajul cu jet de apă

8.1 Principii. Istoric Brevetul uzinajului cu apă există din anul 1970. El aparţine societăţilor americane

FLOW SYSTEMS şi INGERSOLL RAND. După aceea au apărut şi alţi furnizori de pompe bipolare şi constructori de instalaţii complete.

Principial, procedeul constă în faptul că se poate realiza o decupare la rece a materialului, fără a-l deteriora şi deforma termic.

Procedeul a evoluat mult după apariţia sa. Astfel în anii 1980 firmele americane, care au pus bazele procedeului, au propus un jet de apă cu particule abrazive:

- Ingersoll (maşină hidroabrazivă); - Flow Systems (maşină pentru particule abrazive „Stream Erosion”). - 1986 – BHRG (British’ Hydraulics Research), pune la punct un dispozitiv ce

permite injecţia, la o presiune de 70MPa a unui amestec de apă şi abraziv, ce permite decuparea cu randament ridicat.

- 1987 – JET EDGE (USA) – perfecţionează pompele de putere foarte mare utilizate pentru operaţii de decupare şi decapare, precum şi articulaţii turnate de mare viteză de rotaţie;

- 1990 – Principalele companii aeriene americane încep să se doteze cu sisteme cu jet de apă de înalta presiune pentru efectuarea decapajului motorului de avion, înlocuind băile chimice foarte poluante;

- 1993 – Prima aplicaţie de uzinare cu jet de apă abraziv la separarea elementelor din centralele nucleare.

În anul 1991, existau 3000 de instalaţii în funcţiune, din care 145 in Franţa pentru decuparea diverselor materiale (lemn, carton, textile, metale, plastice, ceramice, piele, etc.). Această tehnică utilizează acţiunea mecanică a unui jet fin de lichid aflat la presiune înaltă (200-500MPa) şi cu viteză mare (~1000m/s). Materialul este decupat prin depăşirea limitei de elasticitate. În prezent procedeul permite, deja, decuparea şi presarea în condiţii industriale. Unele laboratoare desfăşoară cercetări pentru utilizarea jetului de apă la frezare şi strunjire. În particular, Flow Research (SUA) a reuşit strunjirea unei bare de la Ø25,4mm la Ø6,4mm, cu ajutorul unui jet cu viteza de 600m/s şi avansul de 10mm/min. Jetul a fost orientat tangenţial la generatoarea barei. Suprafaţa rezultată este destul de rugoasă şi nu poate fi considerată ca una de finiţie.

127

Fig. 1

Maşina de decupat cu jet de apă se compune din (Fig. 1): - Un multiplicator hidraulic de presiune a apei (apa este eventual tratată şi filtrată); - O conductă de distribuţie la foarte înaltă presiune; - Un rezervor cu material abraziv (grenat, corindon); - Unul sau mai multe capete de lucru, cu câte o duză din safir (diametrul orificiului

0,08...0,5mm); - O instalaţie de alimentare cu polimeri; - Un dispozitiv de recuperare şi tratare a apei după decupare. Spaţiul unde este plasată maşina este dotat cu: - Un sistem de aspiraţie a vaporilor de apă; - Echipamentul electric necesar; - O incintă pentru diminuarea zgomotului; - Instalaţie standard de alimentare cu apă de la reţea. Una din caracteristicile decupării cu jet de apă este capacitatea sa de a distribui mai

multe jeturi cu aceeaşi sursă de energie şi de a efectua tăieri simultane în materiale diferite, pe mai multe posturi de lucru. Traiectoria decupării este asigurată prin deplasarea relativă a utilajului şi a piesei. Mai multe variante sunt posibile:

- Jetul este fix si piesa se deplasează; - Jeturile sunt mobile după o axă şi piesa se deplasează după axa perpendiculară; - Jetul se deplasează în spaţiu utilizând un robot pentru realizarea decupărilor in 3D.

8.2 Configuraţia instalaţiei

8.2.1 Generatorul de înaltă presiune Presiunea este generată printr-un sistem de 2 etaje: - etajul de medie presiune cu ulei hidraulic; uleiul este la o presiune de 10...20MPa

şi acţionează pe suprafaţa frontală a unui piston cu secţiunea transversală foarte mare (puterea 30...75kW);

- etajul de înaltă presiune cu un amplificator cu dublu efect, care generează presiunea dorită. Un raport al suprafeţelor de 40 cu o presiune a uleiului de 10MPa generează o presiune a apei de 400MPa. În principiu, acest etaj este foarte simplu

128

dar tehnologia de realizare este foarte complexă din cauza etanşărilor ce trebuie realizate.

Se poate reţine faptul că apa se comprimă cu 15...18% la 400MPa. Apa este vehiculată prin intermediul unui furtun flexibil (oţel) sau elemente tubulare

rigide cu articulaţii având încheieturi circulare. Încheieturile de înaltă presiune au o durată medie de viaţă de 1000 ore în medie. Zgomotul produs de instalaţie este de ordinul a 90dB, pentru apă pură si de 120dB pentru apă cu încărcătură de abraziv. 8.2.2 Duza Duza este elementul care focalizează jetul pe piesa de decupat. Avansul materialului ce trebuie decupat poate să se realizeze în mai multe variante:

- duza este fixă, iar piesa se deplasează; - duza se deplasează după axa „x”, iar piesa se deplasează după axa „y”; - duza se deplasează după axele x şi y (x-y – clasic); - duza se deplasează după axele x-y-z cu orientare pentru a realiza un contur 3D. Electronica pilotajului este de tip CNC, foarte rapidă, cu posibilităţi de cuplare cu

sisteme CAD-CAM clasic. Ţinând seama de fineţea jetului (0,1...0,3mm), debitul de lichid este relativ scăzut (câţiva litri pe minut. Exemplu: 2 l/min la 250MPa pentru o duză cu diametrul de 0,3mm). Debitul redus întreţine pierderile mici de încărcătură din circuit. Datorită acestora şi dilatării materialelor canalizaţiilor de aducere a apei la duză conductele nu pot fi prea lungi. Deci, dacă tablele ce trebuie decupate sunt de dimensiuni mari, trebuie să se separe grupul hidraulic şi posturile de decupare în mai multe locuri. La fel, grupa de alimentare. De regulă sunt necesare mai multe duze. De exemplu un debit de 4,5l/min poate alimenta 2 duze cu Ø0,25 mm sau 8 duze cu Ø0,12 mm (Tabelul 1).

Diametrul duzei [mm]

Debit apă la 300 MPa [l/min]

Putere jet la 300 Mpa [kW]

0,10 0,26 1,9 0,13 0,41 3,0 0,15 0,59 4,3 0,18 0,81 5,9 0,20 1,06 7,7 0,23 1,34 9,7 0,25 1,65 12,0 0,28 2,00 14,5 0,30 2,38 17,3 0,33 2,79 20,3 0,36 3,23 23,3

Tabelul 1: Corelaţii între diametrul duzei, debit şi putere

129

Fig. 2

În cazul utilizării abrazivilor, care sunt direct introduşi la nivelul duzei, aceasta posedă

o cameră de amestecare (funcţionează prin depresiune) şi un canon (piesă profilată) de localizare a jetului încărcăturii. Această piesă (Fig. 2) este intens supusă la uzură şi de aceea este periodic schimbată. 8.2.3 Fluidul Fluidul de lucru este apa. Uneori se pot utiliza şi alte lichide (ex. uleiuri). Apa este filtrată deoarece particulele de mari dimensiuni riscă să obtureze diferite circuite. În unele cazuri, poate fi necesară tratarea apei de la reţea deoarece ea nu este dedurizată. Ea nu trebuie să fie nici prea curată întrucât o apa extrem de pură poate avea un efect coroziv asupra materialelor. Sunt utilizate trei metode de filtrare:

- microfiltrarea (10µm, 1µm la 0,1µm); - dedurizarea; - osmoza inversă. Se recomandă a fi utilizată apă care nu conţine mai mult de 25ppm calciu, fier sau

reziduuri minerale. Astfel aceasta poate avea următoarea compoziţie:

- filtrare: 1µm - concentraţie în solide ≤ 500mg/l; - duritatea in carbonat de calciu ≤ 25mg/l; - concentraţia în fier ≤ 0,2mg/l; - concentraţia în magneziu ≤ 0,1mg/l; - concentraţia în clor ≤ 100mg/l; - clor liber ≤1,0mg/l; - turbiditate maximă – 5NTU; - 6,5 ≤ pH ≤ 7,5. În unele cazuri ce încorporează:

- Dopanţi, uleiuri sau polimeri cu fibre lungi, pentru ameliorarea concentraţiei jetului, fapt ce produce divergenţa jetului la distanţe mai mari. Aceştia reduc uzura duzei şi articulaţiile circulare.

- Agenţi specifici (ex. acidul citric) pentru sterilizare, în cazul echipamentelor alimentare

În funcţie de fluidul utilizat (apă pură sau cu încărcături), parametrii tipici sunt (Fig.3):

130

Fig. 3

- Decuparea cu apă pură sau încărcături din polimeri:

- presiunea 250...400MPa; - viteza lichidului la ieşire din duză: 900m/s; - distanţa duză – piesă 5...10mm (până la 80mm pentru materialele fibroase).

- Decupare cu abraziv: - presiunea 200..300MPa; - diametrul duzei: 0,2...0,5mm; - abraziv de tip granat sau oliviu (minerale) – granulometrie 0,1...0,5mm; - debit: 300g/min

Când se utilizează abrazivi (Tabelul 2), durata de viaţă a duzei este de 80...150 ore.

Cercetările sunt făcute cu duze din carbonitrură de bor pentru creşterea durităţii (ele sunt adesea din safir).

Abraziv Compoziţia Densitate [Kg/ m3] Duritatea

Grenat Trisilicat de aluminiu, magneziu, calcit, oxid de fier, mangan sau

oxid de crom

3,4...4,3

7,5 Mohs

1350 Knoop

Oxid de aluminiu

99,5...99,9% alumină pură cu siliciu şi diverse impurităţi

minerale

3,95...4,00

8...9 Mohs

2100 Knoop

Carbură de siliciu Carbură de siliciu 3,2 9 Mohs 2500 Knoop

Particule de oţel

Fier cu 0,85% carbon, 0,4% silicon, 0,6%

mangan

8,7

400...800 Knoop

Nisip de siliciu Dioxid de siliciu 2,2...2,65 700 Knoop Tabelul 2: Caracteristicile abrazivilor utilizaţi la decuparea cu jet de apă

Dacă apa are încărcături de abraziv, decuparea provine din impactul, cu viteze mari, al particulelor dure cu suprafaţa piesei. Apa, în acest caz, nu serveşte decât pentru vehicularea abrazivului. Un jet de apă pură care iese din duză, este compus din mai multe zone:

- cea de lucru, unde jetul este perfect continuu; - altele periferice, unde jetul începe să se fragmenteze în mai multe, cu un capăt de o

anumită lungime, când aceasta devine un ansamblu de picături. Mediul din zona maşinii este foarte umed, de aceea piesele nu trebuie stocate lângă

aceasta. În caz contrar există riscul corodării celor metalice sau al absorbţiei de apă în cazul polimerilor.

131

Recuperarea apei se face sub piesele care sunt aşezate pe un pat de bile de oţel sau pe o tablă cu structură alveolară. Apa este reciclată după decantare şi tratament. 8.2.4 Reglaje şi funcţionare Parametrii de reglaj sunt:

1. Pentru apă pură: - Diametrul duzei; - Presiunea de lucru; - Distanţă duză-piesă; - Viteza de avans;

2. Pentru apa cu polimeri se adaugă: - Natura polimerului; - Proporţia polimerului;

3. Pentru apa amestecată cu abraziv, se adaugă: - Natura abrazivului; - Granulometria; - Debitul de abrazivi; - Diametrul tubului de focalizare a abrazivilor din jet. Funcţionarea economică este asigurată de o duză cu diametrul mic şi o presiune mai

mare. Puterea jetului în zona de impact este mare si smulgerea materialului este brutală. Deci, daca o duză fină şi o presiune foarte mare dau un impact precis localizat, atunci utilizarea unei duze cu diametru mare şi o presiune mai mică, asigură în multe cazuri o prelucrare mai netedă. Referitor la încorporarea abrazivilor, se poate gândi că dacă procentul de abraziv este mare, atunci tăierea este mai profundă. Există însă o valoare de la care eficienţa începe să se diminueze deoarece apa transferă o parte din energia sa abrazivului. Ori daca această energie este destul de mare, jetul pierde din puterea sa si devine prea slab (Fig. 4).

Fig. 4

Fenomenele de tăiere sunt studiate foarte precis. Ele sunt aşa de rapide încât tăiere rezultă din succesiunea avansului jetului în grosimea materialului. Înainte de decupare pe toată grosimea, jetul penetrează în material, iar particulele de apă sunt respinse treptat şi erodează marginile tăiate care devin uneori în formă de striuri lejer curbate. Alte analize oferă explicaţii referitoare la modul în care se restrânge lăţimea tăieturii între feţele atacate şi felul în care iese jetul în zona din spate. În zona decupată rezultă o conicitate, mai importantă, atunci când grosimea este mai redusă. Ea poate fi de 6...8º pentru 1mm de grosime şi mai mică de 1º pentru materiale cu grosimea de 15mm.

132

Distanţa de atac influenţează profunzimea tăieturii: distanţele obişnuite sunt de 5...20mm. O valoare prea îndepărtată de cea optimă implică o diminuare a calităţii şi creşterea lărgimii decupării. Calitatea tăieturii se îmbunătăţeşte cu presiunea jetului şi diametrul duzei. Ea se diminuează dacă se măresc viteza de avans, grosimea sau duritatea materialului. Pe de altă parte, profunzimea tăieturii este direct proporţională cu presiunea oferită lichidului de pompă. Ea creşte în general, cu diametrul jetului şi dacă se majorează viteza de avans. Precizia de uzinare este dată de mecanismele purtătoare ale jetului. Astfel, o maşină clasică, cu decupare plană (x-y) oferă o precizie de ordinul 0,1mm. Există maşini cu 6 axe, care decupează un contur al unei piese in 3D, care asigură precizii de 0,5mm. Toleranţa decupării este 0,1...0,2mm pe seria de piese identice cu aceeaşi parametri de reglaj. 8.3 Parametri de lucru Valorile parametrilor de lucru depind de materialul ce trebuie decupat, presiunea fluidului şi diametrul duzei (Fig. 5).

Fig. 5

8.3.1 Rugozitatea suprafeţei

Fig. 6

Rugozitatea depinde de profunzimea decupării. Această variaţie se explică prin reducerea diametrului jetului în funcţie de penetraţia sa şi prin diminuare eficacităţii impactului abraziv datorat săriturilor şi deviaţiei jetului (Fig. 6). 8.3.2 Conicitatea Extragerea se produce la fel, perpendicular pe două direcţii ale decupării şi progresiv pe toată profunzimea canalului deoarece jetul este cilindric.

133

Fig. 7

Dacă viteza de tăiere este mare, atunci în material se obţine forma de „V”. Pentru viteze de tăiere mici, tăietura are forma „A”.

Fig. 8

Tăietura se lărgeşte odată cu uzura duzei. Lărgimea tăieturii poate creşte cu majorarea penetrării pentru cupluri de materiale nemetalice sau relativ ductile. 8.4 Caracteristicile jetului de apă şi structura acestuia Rolul duzei este de a transforma energia potenţială a presiunii apei în energie cinetică. Puterea absorbită:

Viteza jetului: [m/s]

Debitul apei: Q= [dm3/min] unde: P- presiunea [105N/m2]; η - randamentul mecanic (0,7 pentru o duză cu diametrul de 0,25mm); C- coeficientul orificiului (~0,72); S- secţiunea jetului [cm2] Valorile caracteristice calculate pentru un jet ce este creat de o duza cu diametrul de 0,25mm sunt următoarele:

P [bar] 2500 3000 3500 Puterea [kW] 9,1 12 15,1 Debitul [dm3/mm] 1,5 1,64 1,77 Viteza [m/s] 509 557 601

Un jet de apă poate fi descompus în trei zone distincte:

- regiunea iniţială; - regiunea principală;

134

- regiunea finală. În ceea ce priveşte natura scurgerii, jetul cuprinde: - o zonă de curgere continuă, care corespunde regiunii iniţiale la o parte a regiunii

principale; - o zona în care curgerea începe să se fragmenteze şi care corespunde restului din

regiunea principală; - o zonă în care jetul nu este ca un turbion. Regiunea iniţială în care curgerea este continuă se compune din:

Fig. 9

- o parte centrală potenţială, corespunde zonei active a jetului în care acesta este

coerent; - o regiune de tranziţie. Jetul este înconjurat de straturi de picături create prin turbionarea aerului de la

suprafaţa acestuia. În privinţa distribuţiei vitezelor de curgere ale jetului aceasta este constantă pe toată secţiunea de ieşire a duzei. Treptat, pe măsura îndepărtării de duză, viteza se diminuează radial, rămânând constantă în axa de propagare a jetului până la debutul regiunii principale. Deci, viteza se diminuează axial şi radial. De asemenea, regiunea principală este caracterizată printr-o diagramă de distribuţie a vitezelor, care prin formă, se apropie de o curbă gaussiană. 8.4.1 Polimeri După filtrare, apa este adiţionată cu polimeri plastici sub formă de polimeri lungi în proporţie de 0,2...0,4%. O pompă primară debitează fluidul la presiunea de 14x105N/m2 la intrarea în pompa principală. Creşterea tensiunii superficiale a lichidului obţinută prin adaosul polimerilor asigură un număr de avantaje:

- mărirea lungimii jetului înainte de divergenţă; - majorarea duratei de viaţă a duzei (1,5...2 ori); - lubrifierea articulaţiilor turnate ale instalaţiei; - diminuarea umidităţii reziduale din piesele decupate.

8.4.2 Abrazivi

Un jet de apă cu încărcătură de abrazivi este capabil de a decupa metale (oţel, titan, aluminiu, etc.) şi materiale foarte dure (ceramică, sticlă, kevlar, etc.) Sistemul de decupare cu abraziv, cuprinde:

- un injector de abraziv;

135

- un dozator de abraziv. Injectorul se montează în extremitatea tubului port duză. El cuprinde: - o cameră de amestecare, cu efect Venturi; - un canar din carbură de wolfram, menţine cu un cleşte cu trei braţe un dispozitiv

de centrare a jetului. Apa pulverizată expulzată la traversarea orificiului de safir formează un jet coerent cu

viteză foarte mare. Jetul de apă şi abrazivul sunt introduse intr-un tub de amestecare din wolfram şi accelerate. Transferul mişcării cantitative între jetul de apă şi particulele de abraziv este un fenomen complex. Unul dintre mecanismele acestui fenomen asigură prin picăturile jetului de apă coerent iniţial, accelerarea particulelor solide. Un al doilea mecanism corespunde forţelor hidrodinamice impuse de apă particulelor. În urma acţiunii jetului cu abraziv asupra piesei se produce decuparea. Acesta este rezultatul eroziunii, tăierii şi microuzinajului în funcţie de materialul decupat. Caracteristicile abrazivilor Particulele abrazive pot fi caracterizate prin:

- duritate; - dimensiuni (granulometrie); - materialul din care provin (compoziţie); - formă. Materialul particulelor determină proprietăţile mecanice şi formele lor. Duritatea unui corp este caracterizată prin proprietatea sa de a-l zgâria pe altul. Dintre

toate durităţile, în particular, se fac referiri la scara MOHS, care are zece clase de duritate (1...10). Cifra 1este atribuită talcului iar 10 diamantului.

Granulometria În Tabelul 3 se dau dimensiunile din standardele americane, ale sitelor pentru ciuruirea abrazivului din acelaşi material.

Numărul sitei

Mărimea ochiului [µm]

Grăunţi trecuţi [%]

Grăunţi reţinuţi [%]

16 1191 100,0 0,0 20 841 100,0 0,0 30 594 100,0 0,0 40 419 98,9 1,1 50 297 59,5 39,4 60 249 23,0 36,5 80 178 5,9 17,1 100 150 3,3 2,6 140 104 1,1 2,2 170 89 0,5 0,6 200 74 0,3 0,2

Tabelul 3

Tipuri şi caracteristici Proprietăţile utile şi compoziţia chimică a abrazivilor sunt date în Tabelul 2.

Forme

136

În funcţie de originea abrazivilor particulele au forme de grăunţi sau sunt relativ rotunde. Materialele de origine fluvială care sunt grăunţi relativ rotunzi sunt puţin eficace pentru decuparea materialelor cu alungiri importante (aluminiu sau cupru). Pentru materialele metalice abrazivii cu grăunţi unghiulari sunt recomandaţi. 8.5 Concluzii Procedeul de decupare cu jet de apă facilitează execuţia unor prelucrări de fineţe în materiale sintetice, ceramice, plastice sau compozite. Detalii privind structura instalaţiei şi a echipamentelor, precum şi a performanţelor ce se obţin prin aplicarea acestei sunt prezentate, cu multe elemente de noutate, în lucrare.

137