UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI teza... · I Mulțumiri Acum, odată cu...

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI

FACULTATEA DE CONSTRUCŢII DE MAŞINI ŞI

MANAGEMENT INDUSTRIAL

DEPARTAMENTUL TEHNOLOGIA CONSTRUCȚIILOR DE

MAȘINI

CONTRIBUȚII PRIVIND PRELUCRAREA

ALEZAJELOR PRIN ROTOPERCUȚIE - REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT –

Conducător de doctorat, Doctorand,

Prof. univ. dr. ing. ec. Dumitru Nedelcu Ing. Chiriță Daniel

Iaşi, Septembrie 2019

I

Mulțumiri

Acum, odată cu finalizarea acestei etape din viața mea, mulţumirile și respectul meu se

îndreaptă către toţi cei care m-au îndrumat, sprijinit și încurajat în decursul anilor de cercetare

concretizați în această teză de doctorat.

Mulţumesc în primul rând conducătorului știnţific, domnului Prof. univ. dr. ing. ec.

Dumitru Nedelcu, pentru profesionalismul și tactul pedagogic, pentru încrederea și sprijinul total

și necondiționat acordat în acest demers ştiinţific.

Deosebită recunoștință adresez membrilor comisiei de îndrumare: domnului prof.univ.dr.

ing. Edward Rakoși, domnului conf. dr. ing. Viorel Cohal și domnului conf. dr. ing. Gheorghe

Crețu de la Univesitatea Tehnică "Gheorghe Asachi"din Iași pentru răbdarea de care au dat dovadă

în îndrumarea pe care mi-au acordat-o pentru elaborarea și respectiv realizarea tezei de doctorat.

Adresumiri și recunoștință membrilor comisiei de doctorat: președintelui comisiei în

persoana domnului prof.univ.dr.ing Dumitraș Cătălin Gabriel de la Universitatea Tehnică

"Gheorghe Asachi"din Iași, precum și membrilor comisiei, domnului prof.univ.dr.ing. Nițu Eduard

de la Universitatea din Pitești, domnului prof. univ. dr. ing. Frumușanu Gabriel, Universitatea

"Dunărea de Jos"din Galați şi domnului prof.univ.dr.ing. Dumitru Olaru de la Univesitatea

Tehnică "Gheorghe Asachi"din Iași, pentru răbdarea cu care au analizat lucrarea și pentru

sugestiile formulate.

Mulţumiri aduc şi domnului sef lucrări dr. ing. Ciprian Stamate pentru ajutorul, sfaturile şi

observaţiile oferite.

Vreau să închei prin a adresa mulţumiri din tot sufletul soției și copiilor pentru încredere,

dragoste și suport moral.

Iași, Septembrie 2019

Drd. ing. Chiriță Daniel

II

III

CUPRINS

CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL PRIVIND PROCESUL DE TEXTURARE A

SUPRAFEȚELOR METALICE .. .................................................................................................1

1.1. Introducere .... ............................................................................................................................1

1.2. Avantajele suprafețelor texturate .. ............................................................................................2

1.3. Metode de fabricare a texturilor de suprafață . ..........................................................................3

1.4. Optimizarea parametrilor de textură ai suprafeței . ...................................................................4

1.5. Aplicații ale suprafeţelor texturate . .........................................................................................5

1.6. Fenomenele din cupla segment-cilindru .. .................................................................................5

1.7. Analiza lubrefierii cuplei segment- cilindru cu suprafață texturată...........................................6

1.8. Abordarea analitică a mecanismelor de frecare uscate.............................................................7

1.9. Concluzii ... ...............................................................................................................................9

1.10. Obiectivele tezei de doctorat .. ..............................................................................................10

CAPITOLUL 2. METODE ȘI ECHIPAMENTE DE PRELUCRARE ȘI ANALIZĂ A

ALEZAJELOR PRIN ROTOPERCUŢIE……..…............................................…………........11

2.1. Mașini și echipamente utilizate la execuţia/controlul texturării alezajelor .............................11

2.2. Echipamente utilizate la analiza de suprafață a alezajelor texturate .......................................13

2.3. Pachete software utilizate .................................................................................................... . 18

2.4. Concluzii..................................................................................................................................20

CAPITOLUL 3. CONTRIBUȚII PRIVIND CONCEPEREA, PROIECTAREA SI

EXECUȚIA ECHIPAMENTELOR UTILIZATE LA TEXTURAREA ALEZAJELOR

PRIN ROTOPERCUȚIE ............................................................................................................21

3.1. Prezentarea procedeului de texturare.......................................................................................21

3.2. Echipamentul CNC de rotopercuție.........................................................................................23

3.2.1.Generator mecanic de impulsuri pentru rotopercuție utilizând un motor cu ax cu

came..................................................................................................................................................24

3.2.2. Generator electromagnetic de impulsuri pentru rotopercuție...............................................27

3.3. Proiectarea dispozitivului de rotopercuție..............................................................................28

3.4. Concluzii.................................................................................................................................34

CAPITOLUL 4. CONTRIBUȚII TEORETICE PRIVIND REGLAREA PASULUI LA

ECHIPAMENTUL DE ROTOPERCUȚIE.................................................................................35

4.1. Modul de lucru al capului rotopercutor...................................................................................35

4.2. Reglarea densității percuțiilor pe suprafața alezajului..............................................................37

IV

4.3. Definirea unui sistem de parametri pentru caracterizarea suprafețelor texturate.....................40

4.4. Analiza dependenței dintre parametrii suprafeței texturate și comportarea tribologică a cuplei

segment-cilindru ……......................................................................................................................41

4.4.1. Analiza suprafeței texturată total……........................................……….....…..…………...44

4.4.2. Analiza suprafeței texturată în zona PMI al segmentului de ungere....................................46

4.4.3. Analiza suprafeței texturată între zona PMI și PME, la mijloc...........................................47

4.4.4. Analiza suprafaței texturată în zona PME al segmentului de foc.............……….....……...48

4.5. Concluzii..................................................................................................................................50

CAPITOLUL 5. CONTRIBUŢII EXPERIMENTALE PRIVIND TEHNOLOGIA DE

TEXTURARE PRIN ROTOPERCUŢIE.....................................................................................51

5.1. Analiza cavităților obținute prin rotopercuție..........................................................................51

5.2. Analiza SEM a zonelor rototexturate……........................……................……………….......57

5.3. Analiza AFM pe secțiuni ale cavităților create prin rotopercuție............................................61

5.4. Analiza SEM în secțiunea cavităților create prin rotopercuție................................................65

5.5. Analiza cavităților rototexturate cu profilometrul Form Talysurf I50.....................................68

5.6. Concluzii..................................................................................................................................69

CAPITOLUL 6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE..........................71

6.1. Concluzii finale........................................................................................................................71

6.2. Contribuții personale................................................................................................................71

6.3. Direcții viitoare de cercetare....................................................................................................72

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE...........................................................................................73

BIBLIOGRAFIE (selectivă)...........................................................................................................74

1

CAPITOLUL I

STADIUL ACTUAL PRIVIND PROCESUL DE TEXTURARE A

SUPRAFEȚELOR METALICE

1.1. Introducere

Fricțiunea este utilizată în mii de aplicații din viața de zi cu zi. În unele situații este de

dorit o frecare ridicată, cum ar fi între anvelopele vehiculelor și șosea, frâne, cuplaje și sisteme de

transmisie a puterii prin frecare. În alte aplicații, reducerea frecării este o condiție necesară care

reflectă eficiența, durabilitatea componentelor și fiabilitatea sistemului. Drept exemplu energia

pierdută datorită frecării la unele părți componente ale unui automobil este estimată la 40% din

energia totală generată de motorul cu combustie internă, [1]. În toate cazurile, înțelegerea

mecanismelor implicate în frecare și a mijloacelor de control ale acestora sunt necesare în vedera

diminuării pierderilor.

Deși lubrifierea este o soluție de reducere a frecării, sunt totuși situații, în care lubrifierea

în anumite condiții de funcționare nu este aplicabilă. Astfel de condiții sunt observate în sistemele

mecanice microelectrice sau în motoarele termice, cum ar fi la cupla segment-cilindru.

Pentru a se controla frecarea, de-a lungul timpului au fost utilizate diverse abordări, cum

ar fi: prin lubrifiere, acoperirea cu materiale antifricțiune sau modificarea suprafețelor de contact.

Acoperirea de suprafață cu diverse materiale este un mijloc eficient de reducere a frecării.

Materialele de acoperire cu indice de frecare redus sunt utilizate în prezent, într-un domeniu larg

de aplicații, însă acoperirea de suprafață se confruntă, uneori, cu lipsa de aderență dintre straturi,

fracturarea și fisurarea stratului de acoperire, ceea ce poate duce la rezultate catastrofale. Prin

urmare, cercetătorii au căutat o abordare mai fiabilă pentru controlul frecării în cât mai multe

condiții de funcționare.

Acum trei decenii în urmă [2], atenția a fost atrasă de modelarea suprafețelor din cupla de

frecare prin modificarea texturii de suprafață, ca un mijloc eficient de a îmbunătăți performanțele

tribologice. Modificarea suprafețelor de contact, cum ar fi texturarea, ce reprezintă obiectivul

acestui studiu, nu adaugă un material în plus pe suprafața de lucru ci, din contră, scoate material

din zona de contact. Această înlăturare a materialului din zona de contact poate aduce la

îmbunătățiri în regimul de funcționare a cuplei de frecare dacă este executată în anumiți parametri

și dacă se ține cont de regimul de lucru al cuplei unde este aplicată texturarea.

Multe studii, plecând de la performanțele subansamblelor mecanice ce implică mișcarea

unei componente față de altă componentă au la bază coeficientul de frecare din cupla de mișcare.

În același timp, analizând cercetările anterioare se ovservă că una din metodele de cercetare a

CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL PRIVIND PROCESUL DE TEXTURARE A SUPRAFEȚELOR

METALICE

2

frecării din cupla de mișcare este dată de efectul texturii uneia sau ale ambelor suprafețe din zona

de contact, [34]. Prin texturare se caută obținerea unei rugozități controlate în scopul creării unui

comportament mai bun a suprafețelor față de frecare și uzură. S-a constatat că, suprafața texturată

este de diverse tipuri (Figura 1-1) și de-a lungul timpului a dezvoltat un mare potențial de

îmbunătățire a performanței tribologice în termeni de creștere a timpului de funcționare raportat la

gradul de uzură, frecare și condițiile de lubrefiere mai reduși.

Figura 1-1: Forme ale suprafețelor texturate, [25, 27, 36]

În subcapitolele următoare, este prezentată o revizuire a efectului de textură a unei

suprafețe asupra fricțiunii. Aceasta include discutarea parametrilor de textură ai suprafeței,

avantajele suprafeței texturate bazate pe diferite regimuri de lubrifiere la limită, precum și diferite

metode care sunt folosite pentru fabricarea suprafețelor texturate și a aplicațiilor utilizate pe scară

largă a suprafeţelor metalice texturate.

1.2. Avantajele suprafețelor texturate

Rolul texturării suprafeței în îmbunătățirea proprietăților tribologice variază în funcție de

condițiile de contact, fie ele hidrodinamice, mixte, la limită sau uscate. În cazul lubrifierii

complete sau mixte, microcavitățile servesc pentru rulmenți regimuri micro-hidrodinamice și din

cauza distribuției asimetrice a presiunii, capacitatea de încărcare crește, [2-18]. În lubrifierea

mixtă, această creștere suplimentară a presiunii hidrodinamice modifică echilibrul între lubrifierea

hidrodinamică și la limită, în consecință numărul de unități cu asperități în contact scad rezultând

scăderea frecării și uzurii [2-5, 14, 19-22]. În lubrifierea la limită, aceste cavități acționează ca

rezervoare de lubrifianți pentru reținerea continuă a lubrifiantului [5, 12, 23-28] și la alunecarea

uscată suprafața texturată acționează drept capcane de reținere a resturilor de uzură, astfel încât

adeziunea poate să scadă. Prin urmare, uzura abrazivă și frecarea se reduc, [2, 5, 27, 29-33].


METALICE

3

Diferiți parametri de textură, cum ar fi forma, dimensiunea, densitatea, adâncimea și

orientarea sau o combinație a acestor parametri, controlează eficacitatea texturii de suprafață în

cupla de frecare. În general, textura suprafeței poate fi pozitivă, deoarece iese în afara suprafeței

prin proeminențe sau negativă când este în interiorul suprafeței, cum ar fi cavitățile sau găurile. De

asemenea, poate lua forma unor caneluri, canale sau cavități. Acestea pot avea forme discrete, cum

ar fi circulară, pătrată, triunghiulară sau hexagonală, distribuite uniform sau aleatoriu. Texturile de

suprafață pozitive sunt utilizate extensiv în sisteme mecanice microelectrice (MEMS) și discuri

magnetice pentru a reduce frecarea prin scăderea zonei de contact. Textura de suprafață negativă,

aflată în centrul atenției studiului tezei de doctorat, este utilizată în cea mai mare parte la

componentele auto și la diverse prelucrări mecanice.

1.3. Metode de fabricare a texturilor de suprafață

De-a lungul timpului au fost utilizate diverse metode de prelucrare pentru a crea micro-

texturarea pe suprafața diferitelor materiale. Schneider [34] a dezvoltat vibro-laminarea pentru a

crea canale superficiale folosind un indentor dur care vibrează și se transpune pe piesa de

prelucrat. Suh și alții [28] au folosit gravarea chimică și prelucrarea abrazivă pentru a crea modele

modulate sau curbate care acționează drept capcane pentru resturile de uzură, iar Willis [35] a

folosit honuirea pentru a genera micro-caneluri pentru alezajele cilindrilor motoarelor cu

combustie internă. Micro-canelurile îmbunătățesc lubrifierea dintre pereții cilindrului și segmentul

pistonului.

Pattersson și Jacobson [27] au folosit o fotolitografie standard prin tehnica de gravare

anizotropă cu hidroxid de potasiu pentru a crea cavități și depresiuni pătrate de 5μm în adâncime

pe plăci de siliciu. Etapele standard pentru gravarea anizotropă a plachetelor de siliciu sunt

ilustrate în Figura 1-2.

Figura 1-2: Gravarea anizotropică a plachetelor de siliciu, [36]


METALICE

4

Wukada și colaboratorii [25] au folosit prelucrarea cu jet de abraziv (AJM), unde

suprafața este bombardată cu particule abrazive fine de mare viteză (Figura 1-3) care provoacă

îndepărtarea fizică a materialului.

Aparatul de prelucrare cu fascicul laser Excimer (LBM) a fost, de asemenea utilizat de

același grup de cercetatori. Aceste două metode de fabricare permit obținerea unor profiluri

diferite, de forma circulară de la AJM și respectiv LBM, deși efectul formei texturii este considerat

nesemnificativ.

Figura 1-3: Prelucrarea cu jet abraziv (AJM) și prelucrarea cu fascicul cu laser (LBM)

utilizate pentru fabricarea texturii, [25]

Tehnica vibro-mecanică de obținere a texturii (VMT) a fost dezvoltată de Greco și

colaboratori [37], iar această tehnică se bazează pe operația de rotire convențională cu un servo

rapid ce este folosit pentru a oscila scula de tăiere. Această mișcare oscilantă creează găuri atunci

când unealta de tăiere intră în contact cu piesa de lucru.

1.4. Optimizarea parametrilor de textură ai suprafeței

Cea mai mare parte a cercetărilor efectuate asupra texturării suprafețelor este

experimentală, cu excepția câtorva studii analitice care încearcă să optimizeze următorii parametri:

- gradul de densitate al cavităților pe suprafața texturat;

- forma și marimea cavităților texturii,

- adâncimea cavităților de pe suprafața texturată.


METALICE

5

În următoarele subcapitole, studiile analitice sunt revizuite și sunt prezentate rezultatele

experimentale.

1.5. Aplicații ale suprafeţelor texturate

Texturarea suprafeței a fost utilizată în diferite aplicații pentru diferite scopuri. În

principal, este folosită pentru a creşte performanța tribologică care include scăderea uzurii și a

frecării. În aceast paragraf sunt prezentate aplicațiile suprafețelor texturate pe scară largă. Cele mai

multe dintre aceste aplicații se regăsesc la fabricaţia componentelor auto, scule și dungi ale

proceselor de formare a metalelor și microelectrice [49] (MEMS), așa cum se arată în figura 1-4.

Figura 1-4: Texturarea suprafeței în diferite aplicații, [49]

În 1966, Hamilton și colaboratorii [50] au propus ideea de a avea micro asperități ce

acționează ca lagăre hidrodinamice în aplicații de alunecare paralelă, cum ar fi garniturile tip

cuzineți de arbore cotit de etanșare. Anno și colaboratorii [51], au verificat capacitățile de

încărcare mai mari, atunci când numai una din suprafețele paralele ale etanșărilor arborelui cotit

conține micro-asperități sub formă de cavități rotunde. Willis [35] a folosit o textură de suprafață

în cilindrii unui motor cu combustie internă. Diferitele texturi, densități de textură și dimensiunile

texturilor au fost investigate, însă adâncimea texturii a fost menținută constant la 5μm. Mașinile de

prelucrare cu jet abraziv și prelucrare cu fascicul laser cu excimer au fost utilizate pentru

fabricarea micro-cavităților cu profile circulare și respectiv triunghiulare. Testele Pin-on-disk au

fost efectuate pentru a măsura coeficientul de frecare în condițiile de limitare a lubrefierii de la

uscat spre lubrefiere mixtă.


METALICE

6

1.6. Fenomenele tribologice din cupla segment-cilindru

Încă de la începuturile dezvoltării motoarelor termice fenomenele care au loc în cupla

segment-cilindru, precum şi modalităţile în care se pot aduce îmbunătăţiri în funcţionarea lor au

făcut obiectul a numeroase studii şi cercetări. Reducerea frecărilor şi a uzurii în scopul creşterii

randamentului mecanic şi măririi fiabilităţii a devenit un scop practic în rezolvarea problemelor

din interiorul cuplei. Dacă despre materialele utilizate şi factorii externi care determină uzura,

concluziile au ajuns într-un punct, dinamica cercetărilor sub aceste aspecte, fiind în scădere, se

pune accent, în prezent, pe studiul fenomenelor termice şi de lubrificaţie. Aceste fenomene de o

complexitate deosebită sunt influenţate de mai mulţi factori, iar cunoaşterea lor este considerată

absolut necesară pentru a se putea aduce îmbunătăţiri, nu doar asupra segmenţilor, în scopul

reducerii uzurii şi a frecării în cuplă [140,140], ci asupra cămășilor de cilindru.

În cupla de mișcare de translație, formată din segmenții pistonului și camașa cilindrului,

funcționarea în timp depinde de:

- materialul din care sunt confectionați;

- temperatura de lucru;

- rugozitatea suprafețelor din cuplă;

- regimul de ungere.

1.7. Analiza lubrifierii cuplei segment - cilindru cu suprafață texturată

Pentru a economisi energie și pentru a îmbunătăți eficiența motoarelor cu combustie internă,

a fost acordată o atenție deosebită reducerii frecării din cupla de translație a cilindrului cu pistonul,

deoarece pierderile prin frecare contribuie semnificativ la pierderea de putere generată de motor.

Recent, o dată cu dezvoltarea tehnologiei de prelucrare a suprafeței, s-a aplicat texturarea de

suprafață pentru a reduce frecarea [2-4] și pentru a crește capacitatea de încărcare [5-7] a

componentelor mobile ale motorului. Datorită acestei texturi crește capacitatea de captare a

resturilor de uzură, în plus apare un efect de lubrifiere microhidrodinamic, [8]. Crearea unor

micro-cavități sau caneluri pe segmenții pistonului sau pe suprafața cilindrului a fost recunoscută

drept o modalitate promițătoare de a reduce fricțiunea, uzura și consumul de ulei, [9, 10].

Deoarece geometria, forma și distribuția canelurilor au o influență importantă asupra efectului de

lubrefiere, efectele lor asupra performanței de lubrifiere a cuplei segment-cilindru a fost extensiv

studiată în două decenii pentru a reduce frecarea și uzura maximă. Aceste studii sunt în principal

împărțite în două categorii: o categorie se concentrează pe structura texturată pe segmentul


METALICE

7

pistonului, iar cealaltă se focalizează pe textura cămășii de cilindru. Pentru texturi pe segmenții de

compresie de tip cavități sau canelură, Etsion și colegii săi, au efectuat unele lucrări semnificative

de cercetare privind îmbunătățirea lubrifierii într-un sistem de cuplă format din segment-cilindru,

[2,11,12]. Ei au sugerat că dimensiunile de texturate să fie parțiale pe segmentul pistonului plat

pentru a obține o frecare și un consum de ulei minime. Gadeschi și colaboratorii [13] au investigat

forța de frecare și capacitatea de încărcare a unui segment de piston cu suprafață de lucru în formă

de parabolă cu canale prelucrate cu laserul. Adâncimea, densitatea și distribuția canalelor au fost

optimizate pentru a minimaliza coeficientul de frecare pentru segmenții cu diferite raze. Zavos, în

lucrarea [14], a investigat forța de frecare a unui segment cu șanțuri dreptunghiulare sau sferice în

diferite condiții de funcționare. A fost obținută o reducere mai mare a frecării pentru canale

dreptunghiulare cu densitate de 61% și adâncime de 4μm. Shen și colaboratorii, [15] au evaluat

performanța de fricțiune a unei cămăși a cilindrului cu segment utilizând un sistem cu micro

cavități. A fost obținută o reducere semnificativă a fricțiunii la buzunarele cu o densitate a ariei de

25% și o adâncime de 5μm. Usman și colaboratorii, [16] au investigat caracteristicile tribologice

ale unui segment de compresie în formă sferică cu caneluri transversale, caneluri axiale și bârne în

condiții de încălzire. A fost obținută pierderea minimă de frecare când canelurile transversale au

fost texturate la marginile segmentului.

În timpul funcționării cuplei segment-cilindru cu suprafața segmentului parabolică,

fenomenul de cavitație al filmului de ulei are loc atunci când presiunea este mai mică decât o

presiune de cavitație dată, [26,27]. Este necesară o condiție a limitei privind marimea cavitîților

pentru o predicție corectă a performanței de lucru [26-28]. Condiția de limitare a cavităților poate

influența continuitatea filmului de ulei și reformare ulterioară. Aceasta a fost validată experimental

și larg acceptată în studiul suprafeței texturate [29].

Pe baza stării conservatoare a limitei cavitației, Checo și colaboratorii [30], au investigat

performanța de lubrefiere a unui sistem de etanșare cu segment de compresie în formă parabolică

cu cilindrul în regim de lubrifiere hidrodinamică. În activitatea lor, viteza și sarcina segmentului

de compresie s-a presupus a fi constante. Cu toate acestea, în practică, viteza și sarcina

segmentului de compresie variază în funcție de timpul de lucru, iar cupla de etanșare este adesea

sub regimuri de lubrifiere mixtă sau limită, în special în capetele de cursa, [25,28] în mod normal

trebuie să se ia în considerare rolul rugozității suprafeței și a condițiilor de lucru asemănătoare

motorului cu ardere internă (viteza și sarcina în timp) în analiza de lubrifiere a cilindrului cu

segmentul de compresie cu textură sistem de linie.


METALICE

8

1.8. Abordarea analitică a mecanismelor de frecare uscate

Mecanismele de frecare pe suprafețe uscate și cu alunecări între contacte au fost analizate,

pentru a arăta că o forță minimă de frecare poate fi obținută prin optimizarea zonei reale de

contact. Prin urmare, parametrii de textură ai suprafețelor influenţează direct mărimea forțelor ce

apar în cupla segment-cilindru.

Bowden și colaboratorii [63-65], au afirmat că, forțele de frecare între două suprafețe de

contact curate sunt formate din două componente. Prima componentă de forță este forța necesară

forfecării joncțiunilor formate între suprafețe când au fost aduse în contact. A doua componentă

este forța care a dus la deplasarea materialului mai moale din calea materialului mai dur

(zgârierea), sau cu alte cuvinte, forța care a influenţat fluxul de material plastic sau deformarea

plastică [63-66]. Persson [67] a definit coeficientul frecare ca raportul între forța de forfecare a

materialului mai moale și fluxul de presiune, care a fost definit drept presiunea necesară inițierii

fluxului de deformare plastică sub efect compresiv.

Bhushan, colaboratoriii [68] și Bowden rearanjează teoria joncțiunii definind un al treilea

tip de forță de frecare numită forţă de brăzdare. Ei au afirmat că, atunci când două suprafețe solide

sunt aduse în contact, intersecțiile sunt formate între cele două suprafețe datorită proximității celor

două suprafețe. Numai fracțiile din zona nominală sunt în contact real, iar aceste fracții sunt

numite aria reală de contact. Dacă cele două suprafețe aflate în contact încep să alunece una în

raport cu cealaltă, apar două tipuri de forțe de frecare. Acestea sunt forțele necesare forfecării sau

depășirii joncțiunilor care se formează în locuri discrete și reprezintă forțele necesare pentru

deformarea la scară micro, care are loc la nivel local în punctele de contact. Un tip suplimentar de

forță poate apărea dacă una dintre suprafețe prezintă o duritate mai mare decât cealaltă suprafaţă.

Această forță este numită forța de brăzdare, care rezultă în urma deplasării materialului mai dur

prin materialul mai moale ce cauzează deformarea plastică pe scară largă sub formă de caneluri.

Având în vedere observaţiile precedente, se pot trage câteva concluzii. În primul rând, există

două componente de frecare, o componentă se datorează forțelor intermoleculare și o altă

componentă se datorează deformării mecanice. În al doilea rând, ambele componente depind de

aria reală de contact. În subcapitolele următoare, este prezentată o scurtă descriere a ambelor

componente ale fricțiunii care a fost utilizată în acest studiu, apoi se demonstrează existenţa unui

model analitic care să minimizeze forțele de fricțiune prin optimizarea zonei reale de contact.


METALICE

9

1.9. Concluzii

În baza celor prezentate, texturarea suprafețelor metalice se dovedește a fi un mijloc eficient

de a se creşte performanța tribologică. Majoritatea studiilor au investigat efectele texturării

suprafețelor în condiții de lubrifiere şi un număr foarte limitat de studii au abordat starea de

alunecare uscată pe suprafețe texturate. Majoritatea studiilor au arătat avantajele potențiale ale

micro texturării pe una din suprafețele perechi din cupla de contact segment - cilindru în diferite

condiții de alunecare.

Texturarea unei suprafețe dintr-o cuplă de mișcare demonstrează un real suport în diferite

roluri bazat pe regimul de lubrifiere astfel:

- În lubrifierea hidrodinamică, cavitățile din suprafața texturată dezvoltă diferențe de presiune,

uleiul din textură acționând precum bilele din rulmenții;

- În modul de lubrifiere la limită, porii cavităților din textură asigură o alimentare continuă cu

lubrefiant la interfața de contact;

- În regim de funcționare uscată, cavitățile din textură acționează drept capcane pentru resturile

de uzură, astfel încât așchierea scade.

Este evident că identificarea parametrilor semnificativi ai texturii nu este suficient studiată,

iar parametrii minimi ai texturii variază foarte mult pentru toate tipurile de regimuri de ungere,

umede și uscate. Etsion [2] a declarat că, majoritatea studiilor efectuate în stare uscată au fost

bazate pe încercări și erori, deoarece nu există o bază teoretică clară care să explice mecanismele

implicate în alunecarea uscată. Prin urmare, optimizarea parametrilor de textură care să optimizeze

performanțele tribologice este o direcție de cercetare de actualitate.


METALICE

10

1.10. Obiectivele tezei de doctorat

În această teză de doctorat, controlul ariei de contact a suprafeței alezajelor din cupla

segment-cilindru prin utilizarea suprafețelor texturate cu o nouă metodă de texturare mecanică

rotopercuția, reprezintă obiectivul principalal cercetărilor. Pentru a se realiza acest obiectiv se va

face o analiză a mecanismelor implicate în condițiile de alunecare uscată si umedă respectiv

identificarea parametrilor cu influenţă semnificativă asupra calităţii de suprafață şi asupra

coeficienților de frecare. În cele din urmă, se va determina zona și gradul de texturare optim al

alezajului prin metoda propusă, luând în considerare parametrii semnificativi ce minimizează

frecarea.

Pentru îndeplinirea obiectivului propus se vor parcurge următorii pași:

- Realizarea unei documentări din literatura de specialitate privind texturarea suprafeţelor prin

diferite metode cu scopul clar definit de a găsi direcţia de cercetare posibilă în cadrul tezei de

doctorat;

- Explicarea alegerii metodei de texturare prin rotopercuție a alezajelor în urma unei analize

privind avantajele şi dezavantajele tuturor metodelor prezentate în stadiul actual;

- Conceperea, proiectarea şi execuţia dispozitivului de texturat prin metoda rotopercuției;

- Optimizarea distanţei dintre cavităţi pentru materialul ales. Se vor studia efectele diferitelor

parametri de textură, cum ar fi dimensiunea cavităţilor pe zona texturată, creşterea sau scăderea

ariei unei cavități, adâncimea cavităţilor funcție de gradul de maleabilitate al materialului;

- Determinarea zonei optime de texturat de pe suprafața totală a alezajului la care coeficientul de

frecare și consum ulei ar fi minim;

- Determinarea gradului optim de texturare al alezajului în funcţie de patru scenarii, după cum

urmează: pe toată suprafaţa alezajului, pe zona punctului mort superior, pe zona de mijloc a

alezajului şi pe zona punctului mort inferior;

- Realizarea de texturi de diferite densități funcție de viteza de texturat, distanța de lovire și avans

de lucru al echipamentului;

- Analiza SEM a suprafețelor texturate;

- Analiza AFM a materialului din pereții alezajelor texturate în vederea stabilirii structurii

cristaline afectate.

11

CAPITOLUL II

METODE ȘI ECHIPAMENTE DE PRELUCRARE ȘI ANALIZĂ A

ALEZAJELOR PRELUCRATE PRIN ROTOPERCUȚIE

2.1. Mașini și echipamente utilizate la execuția/controlul texturării alezajelor

Pentru texturarea alezajelor supuse cercetării, s-a utilizat dispozitivul de texturat prin

rotopercuție (de concepție prorpie prezentat în mod detaliat la capitolul (3) din figura 2-1,

construit în laboratorul Tehnologii de Mecanică Fină și Nanotehnologii. Dispozitivul este

conceput să textureze mecanic prin rotopercuție alezaje de cilindri detașabili din motoare termice

utilizând un generator electromagnetic de lovire (percuții) cu frecvență constantă de lovire.

Figura 2-1: Echipament CNC de rotopercuţie a alezajelor de cilindri

de motoare termice detașabile (concepție proprie)

Echipament de încercare a suprafețelor texturate

Pentru determinarea proprietăților tribologice rezultate în urma texturării prin

rotopercuție, în laboratorul Tehnologii de Mecanică Fină și Nanotehnologii s-a construit standul

de probe pentru verificarea modului de funcţionare a cuplei segment-cilindru cu suprafeţele

texturate prin rotopercuţie (figura 2-2), prin utilizarea unui motor termic cu aprindere prin

CAPITOLUL 2. METODE ȘI ECHIPAMENTE DE PRELUCRARE ȘI ANALIZĂ A ALEZAJELOR

PRELUCRATE PRIN ROTOPERCUȚIE

12

scânteie cu cilindrii detașabili acționat electric. Echipamentul a fost conceput și executat tomai

pentru a dezvolta o direcție viitoare de cercetare. Motorul termic este acționat din exterior cu un

motor electric prin deconectarea pompei de apă de la fulia arborelui cotit și conectarea la motorul

electric extern.

Figura 2-2: Stand încercări cilindri texturaţi cu acționare electrică (concepție proprie)

S-a utilizat acest tip de motor deoarece, cămășile cilindrice fiind detașabile din blocul

motor, se pot face măsurători înainte de prelucrare, după prelucrare și după un timp definit de

lucru pe fiecare camașă cilindrică în parte.

Centru CNC Akira- Seiki Preforma SR3 XP

Astăzi, comanda numerică poate fi utilizată și pentru fabricarea și execuția de tip prototip

și datorită vitezelor mari de execuție, în figura 2-3 este prezentată imaginea generală a centrului

de prelucrare Akira Seiki Performa SR3 XP utilizat în faza inițială pentru rotopercuția cămășilor

de cilindri, [130].



13

Figura 2-3: Centru CNC Akira-Seiki Performa SR3 in trei axe

Dotarea echipamentului permite definirea mai rapidă a modelului geometric al piesei, a

proiectării rapide a tehnologiei de prelucrare, calcule rapide şi în timp real pentru stabilirea

condiţiilor de prelucrare. În acest context, timpii necesari pentru asigurarea programării pot fi

reduşi la jumătate.

2.2. Echipamente utilizate la analiza de suprafață a alezajelor texturate

Sistemul Kestrel K

Sistemul Kestrel K (figura 2-4) este un sistem optic de măsurare în două axe având

pecizie și acuratețe ridicată. În funcție de gabaritul piesei măsurate și acuratețea cu care se dorește

să se facă măsurătorile, sistemul este prevăzut cu mai multe lentile având factori de mărire de

10X, 20X și 50X. Citirea, stocarea și vizualizarea rezultatelor este posibilă cu ajutorul interfaței

Quadra-Chek 200.



14

Figura 2-4: Sistemul Kestrel K și interfața Quadra-Chek 200

Microscopul Electronic QUANTA 200 3D

Microscopul QUANTA 200 3D (Figura 2-5) este un microscop electric pentru analiza

SEM și a fost folosit în cadrul tezei de doctorat deoarece este o combinație a două sisteme:

- Un microscop electronic cu scanare (SEM);

- Un microscop cu fascicul de ioni concentrat (FIB). Fasciculii de ioni permit obținerea unei

rezoluții înalte a imaginilor.

Microscopul Kestrel pentru măsurări în două axe, folosește pentru a măsura tehnologia

Dynascope, ce oferă o imagine de calitate superioară. Sistemul optic oferă imagini clare de înalte

rezoluții, fapt ce ajută în măsurarea cu precizie ridicată a diferitelor profile. Microscopul digital

QC – 200 facilitează obținerea de măsurători precise și în timp relativ scurt.

În cadrul tezei de doctorat acest echipament a fost utilizat la analiza vizuală a texturilor

realizate.



15

Figura 2-5: Microscopul Electronic QUANTA 200 3D

Microscopul de forță atomica (AFM) Park NX10

Microscopul de forță atomica Park NX10 (Figura 2-6) produce date de cea mai înaltă

rezoluție la scară nano. De la setarea eșantionului la scanarea completă a imaginilor, obținerea

măsurătorilor și efectuarea analizelor, se realizează într-un timp foarte scurt.



16

Figura 2-6: Microscopul AFN Park NX10

Rugozimetrul Mitutoyo SJ-201-P

Rugozimetrul Mitutoyo SJ-201-P (figura 2-7) este un aparat portabil, prin definiție,

destinat măsurării rugozității suprafețelor prelucrate.

Figura 2-7: Rugozimetru Mitutoyo SJ-201-P

Acest rugozimetru dispune de o memorie internă care permite stocarea de date obținute în

urma efectuării a 10 teste, este compact, ușor și simplu de folosit. Câteva dintre funcțiile

aparatului sunt: selectarea parametrilor dorțti a fi mpsurați și afișați, setarea parametrilor de

toleranță, autocalibrare prin introducerea valorilor numerice, posibilitatea conectarii la

imprimanta si alte porturi de comunicare date.

Profilometrul Form Talysurf I50

Profilometrul Form Talysurf I50 produs de firma Taylor Hobson (figura 2-8), este capabil

să facă analiza diferitelor tipuri de textură de suprafață punând în evidenţă distribuţia de material

şi felul cum arată profilele în diferite cazuri pentru a determina parametrii de rugozitate.



17

Figura 2-8: Profilometrul Form Talysurf I50

Alte echipamente de texturare

Punctator dispozitiv rotopercuție

În prelucrarea alezajelor prin rotopercuție dispozitivul a fost dotat cu un punctator de

lovire din aliaj Cr-Va forjat, duritate oțel HRC 55. Punctatorul are suprafață cromată și fățuită și

un vârf de lucru ascuțit la 60 de grade (Figura 2-9).

Figura 2-9: Punctator dispozitiv rotopercuție

În figura 2-10 este prezentat un echipament utilizat în cadrul conceperii și construcției

dispozitivului de rotopercuție din cadrul cercetărilor.



18

Figura 2-10: Aparat de gravura PGG 15B1

2.3. Pachete software utilizate

Pachetul software SolidWorks

Pachetul software SolidWorks prezentat în figura 2-11, pune la dispoziţie instrumente ce

extind capabilităţile SolidWorks-ului, acesta putând realiza teste virtuale pentru piese şi

ansambluri în vederea optimizării şi validării proiectelor. Acest pachet software este integrat în

SolidWorks şi dezvoltat special pentru fişierele de tip CAD realizate în SolidWorks.



19

Figura 2-11: Interfață Solid Works. Imagine generală a dispozitiv rotopercuție

Pachet software Pronterface Arduino

Programul CAM Pronterface (Figura 2-12), este un soft ce rulează pe platforma Arduino

și este conceput să ruleze programul G-code dorit pentru rotopercuție și va transmite mașinii

pașii ce trebuie să îi efectueze. Deplasarea pe direcția de avans și rotație a dispozitivului de

percuție, furnizează impulsuri de mișcare la motoarele pas cu pas ce pot fi controlate la zecime de

grad de rotație.

Figura 2-12: Interfața CAM Pronterface

Programul prin parametrii G - cod impune utilajului să execute:

- deplasarea capului de percuție în zona dorită de texturat;

- mișcările de rotație și avans a capului de percutat pe zona de texturat;

- revinirea în poziția inițială după efectuarea texturării.



20

2.4. Concluzii

În scopul efectuării cercetărilor experimentale au fost utilizate mașini, echipamente,

metode și pachete software de înaltă performanță, ceea ce a condus la obținerea de rezultate

concludente.

În vederea dezvoltării infrastructurii de cercetare s-a conceput, proiectat, executat și

prezentat pe scurt două echipamente necesare obținerii texturilor și încercărilor în funcționare a

alezajelor texturate în cadrul motoarelor termice cu aprindere prin scântaie. Astfel, primul

echipament poate combina două viteze de lucru a capului percutor, prin avans și rotire funcție de

viteza de lucru.

Al doilea echipament, executat în vederea dezvoltării unei direcții viitoare de cercetare,

permite studiul comportării suprafețelor texturate în cupla segment-cilindru.

Demersul de realizare a echipamentelor prezentate a pornit din necesitatea creșterii

gradului de inovare și a avut la bază următorii factori:

- existența unei infrastructuri-suport de bază pentru desfășurarea cercetărilor experimentale;

- nivelul de maturitate al spiritului de colaborare și al abordărilor interdisciplinare.

21

CAPITOLUL 3

CONTRIBUȚII PRIVIND CONCEPEREA, PROIECTAREA SI EXECUȚIA

ECHIPAMENTELOR UTILIZATE LA TEXTURAREA ALEZAJELOR

PRIN ROTOPERCUȚIE

3.1. Prezentarea procedeului de texturare

Așa cum s-a arătat în primul capitol, în prezent sunt utilizate diverse metode de

prelucrare pentru a se crea micro-cavități pe suprafața diferitelor materiale, ce pot fi grupate în trei

mari grupe, astfel:

I). Principalele procedee de texturare chimică sunt:

- Gravarea chimică pentru crearea de cavități modulate sau curbate care acționează drept capcane

pentru resturile de uzură de oxid dezvoltată de către Suh [28];

- Fotolitografierea tehnică constând în utilizarea unui hidroxid pentru a crea cavități și

depresiuni de diferite forme, dezvoltată de către Pattersson și Jacobson [27].

II). În cadrul texturării mecanice procedeele sunt:

- Vibro-laminarea, pentru a se crea canale superficiale folosind un indentor dur care vibrează pe

piesa de prelucrat, dezvoltată de către Schneider [34];

- Honuirea, pentru a generarea de micro-caneluri pe cămașile cilindrilor motoarelor cu combustie

internă, dezvoltată de către Willis [35];

- Prelucrarea cu jet abraziv (AJM), unde suprafața este bombardată cu particule abrazive fine de

mare viteză care provoacă îndepărtarea fizică a unor porțiuni din stratul superficial al materialului,

dezvoltată de către Wukada[25];

- Gravarea ultrasonică, pentru realizarea unor canale de mică adâncime pe suprafaţa

semifabricatului.

III). Texturarea cu laser face referire la prelucrarea cu fascicul laser Excimer (LBM) .

Texturarea surafețelor metalice se poate face așadar prin mai multe procedee tehnologice

ce nu sunt universal valabile pentru toate suprafețele de prelucrat plane, cilindrice exterioare sau

cilindrice interioare. Astfel pentru un anumit tip de suprafață se poate aplica un anumit procedeu

sau mai multe precedee eficiente din punct de vedere economic.

CAPITOLUL 3. CONTRIBUȚII PRIVIND CONCEPEREA, PROIECTAREA SI EXECUȚIA

ECHIPAMENTELOR UTILIZATE LA TEXTURAREA ALEZAJELOR PRIN ROTOPERCUȚIE

22

În prezent, în majoritatea situațiilor este utilizată honuirea ca procedeu de texturare,

putându-se obține canale semidiscontinue de tip circular sub formă de spirală

În literatura de specialitate analizată nu sunt rezultate privind texturarea mecanică prin

percuție a alezajelor cilindrice

Pentru a putea aplica percuția sau lovirea repetitivă, în vederea creării de textură de tip

micro-cavități pe suprafața interioară a alezajelor, a fost concepută o nouă metodă și anume

rotopercuția, ce derivă din lovirea (percuția) repetitivă a suprafeței de prelucrat cu un generator

de impulsuri mecanice care realizează și mișcările de rotire în jurul axei alezajului supus

prelucrării, concomitent cu mișcarea de avans. Acest dispozitiv, conform schemei din figura 3-1

trebuie să lucreze ținând cont de cele trei axe de simetrie: axele X și Y să fie utilizate în centrarea

față de axa alezajului de prelucrat și de-a lungul axei Z să se efectueze operația de coborâre-

ridicare a generatorului de impulsuri mecanice, funcție de zona de texturat. Ajungând în zona de

prelucrare, generatorul trebuie să primească de la a patra axa, derivată din axa Z, rotirea

generatorului de impulsuri de lovire pe zona aleasă de texturat.

Figura 3-1: Schema de principiu a dispozitivului de rotopercuție

A fost aleasă metoda de texturare prin rotopercuție din mai multe considerente:

- Metoda de prelucrat nu a mai fost analizată și nici implementată în texturarea alezajelor;

- Texturarea prin rotopercuție se poate realiza utilizând o mașină cu comandă numerică (CNC),

la care în loc de freze se montează un dispozitiv de lovire mecanică cu deplasare în coordonate;



23

- Posibilitatea de obținere a texturii în orice zonă dintre PMI și PME datorită ușurinței deplasării

echipamentului.

3.2. Echipamentul CNC de rotopercuție

Pentru realizarea texturării suprafeței alezajelor prin rotopercuție a trebuit să se analizeze

condițiile necesare a fi îndeplinite de către echipament, cum ar fi:

- capul percutor trebuie să execute două mișcari controlate simultan în timpul funcționării, una

de rotire în jurul axei de revoluție al dispozitivului concomitent cu o mișcare de avans, fiind

astfel generată mișcarea spiralată pe suprafața alezajului;

- în funcție de diametrul alezajului de prelucrat, capul percutor trebuie să poată fi centrat față de

alezaj, din punct de vedere al unghiului și al distanței de lovire;

- intensitatea loviturilor capului percutor să poată fi controlată prin distanța de lovire;

- frecvența de lucru (de bătaie) al capului percutor să fie constantă pe perioada prelucrării;

- să poată fi reglată densitatea cavităților și zona de realizare.

Plecând de la aceste condiții s-au căutat soluții și metode prin care se poate realiza

texturarea alezajelor utilizând percuția.

Pentru texturarea alezajelor, capul punctator (dorn) trebuie să primească impulsuri de

lovire de la o sursă atașată dispozitivului. Această sursă de impulsuri poate fi de două feluri:

- impulsuri generate de un ax cu came rotit de un motor electric extern;

- impulsuri electromagnetice cum este cea de la un aparat de gravură (figura 2-10).

După cum s-a arătat în capitolul întâi, cavitățile analizate de diverși cercetători pe

suprafața cilindrică au avut comportări favorabile în momentul în care au avut forma circulară,

diametrul și adâncimea reduse.

Plecând de la acest fapt a rezultat că, dispozitivul propus trebuie să realizeze cavități cu

un diametru cât mai mic.

Analizând cele două variante de generatoare de impulsuri pentru acționarea punctatorului

din capul percutor al dispozitivului în sucapitolele următoare vor fi analizate avantajele și

dezavantajele ambelor generatoare de impulsuri.



24

3.2.1. Generator mecanic de impulsuri pentru rotopercuție utilizând un motor cu ax cu

came

Sursa de impulsuri generate de axul cu came rotit de un motor cu acționare electrică

trebuie să lucreze la un regim de turație nominală constantă pentru a putea fi corelat cu mișcarea

de rotație al dispozitivului percutor. În același timp, pentru a avea un cuplu maxim al motorului,

trebuie mai întâi pornit în gol după care se poate pune în sarcina de lucru. La axul cu came

rotativ trebuie construit un sistem de ghidare al impulsului camei către dornul percutor ce lovește

suprafața de prelucrat (Figura 3-2).

Figura 3-2: Schema 3D a dispozitivului de funcționare a axului cu came pentru acționarea dornului

percutor

Analizând mișcarea de ridicare-coborâre generată de profilul camei pentru a avea o

retragere rapidă, dornul percutor va trebui să execute o mișcare bruscă de revenire, precum

mișcarea unui resort. Datorită acestei mișcări profilul camei are rolul unui generator de apăsare al

dornului percutor (Figura 3-3). Adâncimea de precutare este dată de diferența Hc - Hp, unde Hc

reprezintă zona de retragere rapidă a dornului precutor și Hp este distanța inițială de lovire.



25

Figura 3-3: Adâncime cavități funcție de înălțime came.

Axul cu came acționat de motorul special atașat dispozitivului are camele confecționate

sub forma unor dinți de "fierăstrău" și poate conține un număr ridicat de came, generând doar

cavități ovale alungite. Pentru a se crea cavități cât mai rotunde rotația capului percutor ar trebui

să se facă doar în timpul de retragere a dornului de pe suprafața prelucrată și în prima parte a

mișcării de apropiere. conform figurei 3-4 b .

Figura 3-4: Timpii de deplasare ai dornului funcție de profilul camei:

a - T1 este timpul de retragere dorn percutor până la Hc ; b - T2 timpul de apropiere dorn percutor până la

Hp=0; c - T3 timpul de percutare alezaj



26

Analizând comportamentul axului cu came al generatorului de impulsuri de apăsare al

dornului din capul percutor trebuie să se precizeze că, cu cât viteza de rotație al capului percutor

crește cu atât se generează, pe o distanță mai mare, forma negativă alungită a camei (Figura 3-5).

De aici rezultă că, pentru a realiza cavități căt mai rotunde, trebuie să avem o rotație a capului

percutor doar în timpul eliberării dornului de pe suprafața de lucru și pănă la apropierea din nou

de suprafața de prelucrat pentru a nu se mai realiza copierea în negativ a formei camei axului.

Figura 3-5: Modul de transpunere al formei camei pe suprafața alezajului

Din acest motiv capul percutor trebuie să aibă o mișcare de rotație în impulsuri . Aceste

impulsuri trebuie să fie calculate funcție de timpul de deplasare în gol al capului percutor, iar în

timpul cât excută lovirea capul percutor trebuie să nu se rotească. Pe lângă realizarea vitezei de

rotație în impulsuri trebuie adăugate fracțiuni de timp pentru pornirea/oprirea mișcării de rotație a

dispozitivului de percuție sau pornirea/oprirea mișcarii de rotație a axului cu came.

Astfel noua relație de calcul a turației capului percutor va fi dată de relația (3.1):

N =

1000∗𝑉

𝐿𝑇34

= 25,47𝑇34

rotații/min (3.1)

unde: L este lungimea spiralei de prelucrat și T3 este timpul cât dornul lovește suprafața de

prelucrat.



27

3.2.2. Generator electromagnetic de impulsuri pentru rotopercuție

O altă sursă de impulsuri de lovire, necesare pentru rotopercuție, poate fi de natură

electromagnetică, cum este cea utilizată de aparatul de gravură a suprafețelor metalice din figura

2-10.

Impulsurile electromagnetice sunt utilizate la dispozitive de gravură pentru a lovi

suprafața de prelucrat utilizând un dorn percutor. Loviturile dornului sunt date de mișcarea

miezului fieromagnetic mobil în momentul în care bobina de lucru al dispozitivului este

alimentată cu energie electrică. Atracția și revenirea miezului fieromagnetic este bruscă, iar

durata impulsului este dată de frecvența curentului utilizat.

Luând ca reper frecvența curentului alternativ din rețeaua publică monofazată, de 50 Hz a

rezultat că, pentru a avea o distanță între centrele cavităților pe spirală de 0,5mm, capul de

prelucrat trebuie să aibă viteza :

V=50*0.5=25mm/sec=25/1000*60=1,5m/min (3.2)

Plecând de la relația L=2πR , turația este dată de relația (3.3):

N= 1000∗𝑉

𝐿 = 6,36 rot/min (3.3)

unde: R = 37.5mm și reprezintă raza cilindrului de prelucrat.

În acest caz forma cavităților copie forma unei sinusoide (figura 3-6), deoarece dornul

percutor, execută doar o mișcare de coborâre - ridicare pe verticală. Această sinusoidă este dată

de viteza de rotație a capului de rotopercutat funcție de timpul electromagnetului de 0,1 secunde

apăsare și 0,1 secunde revenire dintre impulsurile frecvenței curentului electric.

În acest caz forma și adâncimea cavităților poate fi ușor de reglat ăn vederea determinării

formelor impuse prin reglarea vitezei de rotație și a distanței de lovire.



28

Figura 3-6: Mișcarea capului percutor, funcție

de viteza de rotație

3.3. Proiectarea dispozitivului de rotopercuție

Plecând de la schema de principiu a acționării dispozitivului de rotopercuție (Figura 3-1)

cu generator de impulsuri electromagnetice pentru dornul punctator de formă conică ascuțită, a

fost conceput dispozitivul din figura 3-7, unde capul percutor a fost construit dintr-un

electromagnet (6) ce folosește un miez electromagnetic care acționează asupra unui dorn

punctator (8) ce lovește suprafața cilindrică de prelucrat. Capul percutor a fost prins de o tija (6)

pe care a fost montat și un tensometru de tip arc (4), pentru reglarea forței de percuție. Tija (6)

este prinsă de axul central (1) printr-un sistem de tip balansoar (5) pentru reglarea poziției de

acționare funcție de diametrul cilindrului de prelucrat. Pe axul central s-a montat un colector

electric (2) izolat față de sistem pentru alimentarea electromagnetului. Colectorul este alimentat

prin două perii ce sunt prinse într-un suport (3) ce nu se rotește odată cu capul percutor, rămânând

fix într-o anumită poziție, în timp ce axul central, de care sunt prinse toate elementele, va efectua

mișcarea de rotație și de avans controlată concomitent cu alimentarea electrobobinei. Pentru a

avea aceeași distanță de lovire la capătul tijei (6) s-a montat un rulment (9), ce ține dispozitivul

constant la aceeași distanță de lovire a suprafeței alezajului.



29

Figura 3-7: Schemă generală a capului rotopercutor

Pentru capul rotopercutor prezentat în figura anterioară s-a realizat în programul

SolidWork o vedere 3D a acestui dispozitiv de rotopercuție (figura 3-8) pentru montarea pe

centrul de prelucreare Akira Seiki Performa SR3.

Figura 3-8: Vedere 3D a capului rotopercutor



30

S-a constatat că, centrul de prelucrare Akira Seiki Performa SR3 poate efectua operația

de rotopercuție, dar trebuie redusă turația de lucru a frezei sub valoarea minimă 50 rot/min.

Totodată echipamentul este potrivit pentru texturarea prin rotopercuție a alezajelor nedetașabile

executate direct în blocul motor. Printr-o singură prindere a blocului motor pe masa CNC-ului,

după texturarea unui alezaj, capul rotopercutor se poate retrage și relua texturarea următorului

alezaj efectuând texturarea întregului motor la parametrii stabiliți dintr-o singură prindere.

Pentru a se lucra pe centrul Akira Seiki Performa SR3 cu cămăși de cilindru detașabili

trebuie să se construiască un dispozitiv de centrare și prindere a lor de masa de lucru a mașinii.

Astfel, dotările suplimentare ale centrului de prelucrare sunt după cum urmează:

- un dispozitiv de reducere a turației de lucru a frezei sub valoarea minimă de 50rot/min;

- un suport de fixare pentru cilindrii detașabili din blocul motor;

- un program CAM de lucru special conceput pentru texturare.

Aceste dotări sunt justificate pentru o prelucrare în regim industrial când sunt stabiliți toți

parametrii ceruți de un beneficiar. Acest fapt a determinat, pentru realizarea cercetărilor din

cadrul tezei de doctorat, conceperea, proiectarea și execuția unui echipament de acționare a

dispozitivului.

Platforma de dezvoltare Arduino este aplicabilă pentru routere CNC și imprimante 3D,

ce permit operarea cu turații mici utilizând motoare de acționare pas cu pas. S-a constatat că,

această platformă open source permite la costuri mici materializarea echipamentului de

rotopercuție propus.

Utilizând placa Arduino Mega 2560 conectată la Ramps 1,4 și LCD comandată de către

calculator prin programul Pronterface s-a conceput CNC-ul ce va putea efectua operația de

rotopercuție controlată (Figura 3-9).



31

Figura 3-9: Ansamblu CNC rotopercuție conectat la Interfața Pronterface

Pentru echipamentul propus a fost nevoie doar de 2 motoare pas cu pas, unul pentru

rotirea capului precutor în jurul axei sale și celălalt pentru deplasare în zona de texturat și

executarea mișcării de avans în timpul texturării, după care execută mișcarea de revenire din zona

de lucru în punctul zero a mașinii. Pe placa Ramps se vor conecta doar două drivere de motor

A49888 ce vor controla motoarele pas cu pas ale CNC-ului.

În laboratorul de mecanică Fină și Nanotehnpologii s-a construit mașina cu comandă

numerică (Figura 3-10) pe care s-a atașat capul percutor (9) ce acționează aspupra cilindrului

prins pe masa mobilă (1). Masa mobilă a fost conectată la motorul pas cu pas (3) care împreună

cu senzorul de poziție (2) determină punctul de zero al mașinii și zona de texturat. Shield-ul

Arduino împreună cu sursa de alimentare sunt înglobate în cutia metalică (4) de care este prins și

LCD-ul pentru vizualizarea procesului de lucru și determinarea punctului de zero al alezajului de

texturat. Pentru a avea un control cât mai eficient a vitezei de rotație al dispozitivului de

ropercutat cu motorul pas cu pas (6) acesta a fost conectat la dispozitivul (9), printr-un sistem de

roți danturate de transmitere cu curea danturată la un raport de 1 la 1 (10). Electromagnetul (8)

este alimentat prin colectorul (7).



32

Marea majoritate a maşinilor CNC utilizează o anumită poziţie pentru fiecare axă pentru

a o înregistra punctul de referinţă. Punctul de referinţă pentru echipamentul realizat este doar

pentru axa Z sau mai bine zis pentru deplasarea mesei pe care este prins cilindrul de prelucrat.

Poziţia de referinţă trebuie să fie foarte precis determinată. Atingerea punctului de referinţă este

semnalizată intern cu ajutorul unui limitator cu contact electric. Față de acest punct se determină

limitele alezajului de prelucrat și precizia de prelucrare pe distanțele stabilite.

Figura 3-10: Detalii Sistem CNC de rotopercuție

Pe baza schiței propuse (Figura 3-9) s-a construit dispozitivul din figura 3-11, și a fost

încadrat în CNC-ul construit utilizând platforma Arduino.



33

Figura 3-11: Vedere cap percutor cu generator de impulsuri electromagnetic

Prin realizarea mişcării de rotaţie și de avans a dispozitivului s-au utilizat motoare

electrice pas-cu-pas ce au caracteristica de funcționare în impulsuri. Motoarele au pe stator două,

patru sau cinci înfăşurări (bobine) distincte. Rotorul este format din magneţi permanenţi.

Alimentând electric o bobină, rotorul se aliniază în direcţie perpendiculară pe acea bobină și la un

impuls provenit de la controler se comută curentul pe altă bobină a statorului, determinând astfel

deplasarea rotorului cu un pas. O rotaţie completă a rotorului se realizează funcție de numărul de

pași sau de impulsuri determinați de către constructor. Sistemele de poziţionare cu motoare pas-

cu-pas se folosesc îndeosebi la construcţia maşinilor cu comandă numerică indiferent de putere.

Sunt precise şi ușor de întreţinut.

Utilizând interfața de lucru CAM, Pronterface (figura 2-12) se încarcă programul G-code

utilizat pentru rotopercuție și se va transmite mașinii pașii ce trebuie să îi efectueze.

Programatorul Pronterface este conceput pentru imprimantele 3D. Cunoscând

corespondenţa între direcţiile de mişcare în spaţiu se introduce numele axei, distanţa de deplasare

din punctul de zero al mașinii către zona de prelucrat și se execută mișcarea de avans în zona de

rototexturat. Mișcarea de rotaţie a generator ului de impulsuri electromecanice este percepută de

program ca pe o împingere a unei lungimi de fir de extrudat pe axa Y. Rotația capului

rotopercutor depinde de lungimea firului de extrudat față de viteza de lucru a mișcării de avans.



34

3.4. Concluzii

Atingerea unor preformanţe ridicate şi extinderea aplicabilităţii procedeelor de deformare

plastică superficială la rece impun dezvoltarea continuă a cercetărilor din acest domeniu. Aceste

inovări sunt necesare pentru cunoașterea si controlul tuturor factorilor de influență.

Conceperea şi execuţia dispozitivelor necesare pentru desfăşurarea activităţilor de

cercetare experimentală în domeniul deformării plastice superficiale la rece, prin rotopercuție, au

condus la necesitatea inovării echipamentului de experimentare, sub aspectul stabilirii soluţiei

constructive optime din punct de vedere funcţional, economic şi al fiabilităţii.

In acest sens s-a ținut cont de următoarele aspecte:

- Modelarea procesului de deformare plastică superficială la rece prin rotopercuție în vederea

determinării factorilor constructivi şi tehnologici cu influenţă semnificativă asupra procesului;

- Optimizarea tehnologiei de rotopercuție;

- Prezentarea sintetică a modelului obţinut simultan cu ierarhizarea factorilor tehnologici în

funcţie de aportul fiecăruia asupra caracteristicilor de calitate a materialelor supuse deformării

plastice la rece prin rotopercuție.

Astfel percuție deoarece se pot texturas-a conceput, într-o primă fază, schema de

principiu a dispozitivului de rotopercuție, apoi s-a trecut la analiza a două tipuri de generatoare

de impulsuri, în final realizându-se fizic echipamentul propus.

Pentru realizarea texturării propuse echipamentul realizat este optim din punct de vedere

al implementării tehnologice de rotopercuție deoarece se pot textura cămăși de cilindru

detașabilidin motoare termice. Echipamentul prezintă performanțe comparabile cu echipamentele

CNC consacrate, cum ar fi flexibilitatea,repetabilitatea,siguranța în exploatare etc.

35

CAPITOLUL IV

CONTRIBUȚII TEORETICE PRIVIND REGLAREA PASULUI LA

ECHIPAMENTUL DE ROTOPERCUȚIE

4.1. Modul de lucru al capului rotopercutor

Frecvența curentului electric monofazat alternativ utilizat în cercetare este de 50 Hz, care

aplicată electrobobinei echipamentului nostru de percuție va genera o lovire a capului precutor cu

o frecvență de 50 de lovituri pe secundă.

Pentru obținerea unei cavități (figura 4-1) cu adâncimea maximă h, trebuie să se țină cont

de cursa de lucru (C) a electromagnetului, distanța de lovire (H) și duritatea materialului. Dornul

percutor execută mișcarea I.

Figura 4-1: Adâncime cavității h funcție de cursa electromagnetului C și distanța de lovire Hp:

1- dorn percutor; 2- parte mobilă electromagnet; 3- electromagnet; 4- materialul alezajului

Pentru a avea diametrul percuțiilor, conform lucrării [18], între 0,1-0,3 mm și distanța

dintre margini d 0.2-0.3mm (figura 4-4) trebuie să se țină cont de duritatea materialului. Conform

figurii 4-3a în urma lovirii alezajului cu dornul punctator se obține o cavitate și o zonă în jurul

cavității cu vârfuri de material necorespunzătoare din punct de vedere funcțional care necesită

operații suplimentare de honuire de finisare.



36

Pentru a nu se rupe materialul din zona cavității (Figura 4-2b) trebuie ca distanța între

percuții să fie controlată pe spirală cât și între spirale de cavități.

Figura 4-2: Distanța între cavități funcție de duritatea materialului

Pentru a avea o suprafață texturată controlat trebuie definit un sistem de parametri, ce țin

de distanța între percuții pe aceeași spirală este dată de viteza de rotație al capului percutor (I)

(Figura 4-3a) și distanța între spiralele prelucrate (A) poate fi optimizată prin avansul de lucru al

echipamentului (Figura 4-4b).

Forma optimă a unei percuții trebuie obținută din corelarea următoriilor parametri:

diametrul percuției (D), distanța dintre marginile percuțiilor (d), distanța între rândurile precuțiilor

(A), distanța de unde începe lovirea (Hp).

Figura 4-3: Distribuția percuțiilor pe suprafața texturată:

a- distanță cavități de-a lungul unei spire, funcție de viteza de rotație (I) și forța de lovire (II);

b-distanța între spire (A) funcție de viteză de avans



37

Viteza de rotație și avans depind de diametrul (D) al unei cavități care funcție de, distanța

de lovire (Hp). Implicit, diametrul (D) al unei cavități va fi dată de diametrul conului dornului

percutor din dispozitiv pătruns în alezaj pe înălțimea h.

4.2. Reglarea densității percuțiilor pe suprafața alezajului

Pentru realizarea rotopercuției într-un timp cât mai scurt cu parametrii optimi, s-a recurs

la ideea utilizării unui cap percutor cu un singur dorn montat pe echipamentul realizat, deoarece

se pot controla parametrii regimului de lucru ai echipamentului și tot odată se poate poziționa

mult mai precis dornul față de zona de început/sfârșit aleasă pentru prelucrat.

În figura 4-4b s-a prezentat o textură cu un număr impar de percuții pe rând, o dată pentru

a nu se începe rândul următor din dreptul aceleiași poziții și pentru că spațiul dintre patru percuții

este mai mare decât spațiul dintre trei percuții (figura 4-10).

Având în vedere relațiile de calcul (3.3), (3.5) și (3.6) cu valorile obținute și adăugând

valoarea Da=76mm, pentru diametrul alezajului respectiv valoarea A=0,3mm pentru distanța

dintre rânduri, va rezulta numărul de spire (Ns) de prelucrat dată de relația (4,1).

Ns=𝐷𝑎

𝐴−𝑑=233,33 spire (4.1)

Se vor realiza 234 de spire de percuții,ultima spiră va fi executatăcătre PMI deoarece nu

are nici o influență din punct de vedere funcționalîn cupla segment- cilindru.

Astfel timpul de prelucrat (T) pentru o suprafața cilindrică considerată este:

T=𝑁𝑠

𝑁= 37 minute (4.2)

Pentru a obține o distanță optimă între percuții (Figura 4-4b) trebuie să se analizeze toate

distanțele și parametrii ce pot fi reglați funcție de diametrul percuției impuse.



38

Figura 4-4: Posibilități de dispunere a percuțiilor

Luând în considerare frecvența curentului utilizat, de 50 Hz se constată urmatorul fapt:

timpul de atracție și destindere al electromagnetului este de 0,01 secunde (Figura 4-5). Din acest

fapt rezultă că, intensitatea loviturii depinde de forța de atracție a electromagnetului și distanța de

lovire, iar distanța dintre percuții depinde de viteza de revenire din cupla electromagnetică în stare

de repaus coraborată cu viteza de rotație a capului percutor .

Figura 4-5: Distribuția percuțiilor funcție de timp:

1- dorn percutor;

2- materialul de rototexturat.

Crescând viteza de rotație a capului percutor (Figura 4-6) va rezulta o alungire a

cavităților create pe direcția sensului de rotație ceea ce duce la refularea materialului percutat pe



39

direcția sensului de rotație. Astfel nu se poate apropia capul percutor în poziție retrasă față de

suprafața de prelucrat fără a ține cont de refularea materialului.

Figura 4-6: Dispersia percuțiilor funcție de viteza de rotație și avans al dispozitivului

Din acest punct rezultă că, controlând viteza de rotație a capului percutor se poate

controla pe lângă densitatea percuțiilor pe rând și direcția de refulare a materialului prelucrat

(Figura 4-7):

Figura 4-7: Distribuția refulării funcție de viteza de rotație 1- dorn percutor; 2- materialul de

rototexturat: a) uniform pe toate direcțiile; b) spre ieșirea din cavități; c) pe mijlocul cavităților.



40

4.3. Definirea unui sistem de parametri pentru caracterizarea suprafețelor texturate

Pentru a se optimiza procesul de texturare prin rotopercuție trebuie luat în considerare

parametrii următori:

- parametri de intrare: diametrul alezajului, frecvența de percuție, avansul, lungimea alezajului și

turația;

- parametrii de ieșire: turație și viteză recalculate, unghiul tangentă la spirală, pasul și timpul de

prelucrare recalculat

- parametrii optimizați de ieșire.

4.4. Analiza dependenței dintre parametrii suprafeței texturate și comportarea tribologică

a cuplei segment-cilindru

Se consideră că, aria efectivă de contact este foarte mică și este direct proporțională cu

aria aparentă sau teoretică. Astfel, presiunile din zona de contact devin foarte mari, deoarece ele

nu mai sunt dispersate pe întreaga suprafață de lucru ci, sunt concentrate pe aria reală de contact.

Elasticitatea materialelor din cupla de lucru datorită presiunilor din zona reală de contact este

depășită conducând la deformații plastice în aria efectivă de contact. Pentru evitarea deformațiilor

plastice din cupla segment - cilindru ce duc la fenomenul de abraziune este nevoie de introducerea

unui regim de lubrifiere. Acest regim de lubrifiere în cupla segment-cilindru al motoarelor termice

este asigurat și intreținut de către segmentul de ungere.

Analizând suprafața cilindrului parcursă de către segmentul de ungere (Figura 4-8) se

observă că, nu este totală. În zona PMI este o suprafață S1 ce nu este parcursă de către segmentul

de ungere dar este atinsă de către segmentul de compresie (de Foc).



41

Figura 4-8: Uzura cilindrului funcție de segmentul de ungere: a- Suprafața de lucru a segmentului de

ungere : S1- suprafața cilindrului neatinsă de segmentul de ungere; S2- suprafața cilindrului atinsă de

segmentul de ungere; b- grafic uzură cămașă cilindru funcție de segmentul de foc

Plecând de la această prezentare a suprafeței parcuse de segmentul de ungere trebuie să

se identifice care ar fi zona minimă necesară pentru texturare din suprafața alezajului pentru

obținerea unui regim de lubrefiere mai performant al segmentului de compresie “de foc” din zona

PME în zona PMI.

Conform schiței din figura 4-9, uleiul din zona segmentului de ungere "nu prea ajunge in

zona segmentului de foc”, din două motive:

Figura 4-9: Mișcarea uleiului între segmenți



42

- Segmenții prin funcția de etanșare a camerei de ardere față de carter, au și funcția de a

racla/curăța suprafața de lucru de ulei și impurități abrazive;

- Compresia și detenta gazelor din camera de ardere împing uleiul din cupla segment-

cilindru.

Pentru a avea un regim de lubrefiere hidrodinamic rezultă că, texurarea trebuie să fie

facută din zona PME a segmentului de ungere spre PMI și trebuie calculată ținând cont de:

- Zona de basculare din PME și PMI;

- Distanța dintre segmentul de foc și segmentul de ungere ;

- Presiunea gazelor din timpul detentei;

- Zona de basculare în PMI;

Pentru a conduce la creșterea etanșeității camerei de ardere față de carter și să existe în

același timp și un regim de ungere hidrodinamic, s-a analizat crearea unei zone minime de

texturare prin rotopercuție plecând de la mai multe scenarii.

Aceste scenarii au fost analizate din perspectiva cantității de ulei ajunse în camera de

ardere în timpul admisiei și arderii, funcție de numărul de cavități create prin rotopercuție. Uleiul

ajunge deasupra segmentului de compresie prin cavitățile create, doar în timpii în care pistonul

execută mișcarea de coborâre dinspre PMI spre PME.

Realizând o analiză a volumului unei cavități și a numărului de cavități expuse gazelor

din camera de ardere, a fost construit un scenariu pe diferite poziționări de suprafețe texturate pe

suprafața alezajului.

Pentru a se efectua o analiză ușoară s-a plecat de la calculul volumului unei cavități

create prin rotopercuție ca, fiind de formă sferică la un diametru mediu de 230 µm conform

figurii 5-10. Cavitățile texturării realizate nu sunt complet sferice astfel că pentru a realiza analiza

acestea au fost aproximate la o jumătate de sferă, volumul fiind dat de relația (4.3).

𝑉

2= 𝜋3

2

=20

µm

3 (4.3)

Din volumul cavității calculate s-a scazut 7/8 din volum în ipoteza exemplificarii

scenariului în care uleiul nu ramâne în totalitate pe pereții alezajului texturat ci, o parte este



43

refulat, de segmentul ce trece prin dreptul cavității, iar o altă parte este împins de gazele din

camera de ardere. În această ipoteză, s-a presupus că, cantitatea de ulei rămasă spre expunere în

camera de ardere este ceea ce aderat la pereții cavităților.

Pentru a se defini zona minimă de texturare prin rotopercuție s-au creat 4 scenarii ținând

cont de suprafața atinsă de segmentul de ungere (Figura 4-10) pentru a vedea după efectuarea a

3000 rotații, ce volum de ulei ajunge în camera de ardere si ce regim de funționare va exista.

Figura 4-10: Dispunere a zonelor texturate prin rotopercuție funcție de segmentul de ungere

4.4.1. Analiza suprafeței texturată total

În primul caz s-a luat spre analiză texturarea în totalitate doar a suprafeței S2 nu și a

suprafeței S1 deoarece aceasta nu este alimentată cu ulei de către segmentul de ungere (Figura 4-

11) și s-a facut următoarea analiză:



44

Figura 4-11: Suprafață S2 texurată total

După cum s-a prezentat anterior pe o spirală de textură pot fi un număr N de cavități care pot

fi calculate cu relația (4.4):

N=𝐿

𝐷+𝑑 =471 cavități (4.4)

Unde : L este lungimea unei spirale de prelucrat calculată conform relației (3.1); D este diametrul

unei cavități cu valoarea medie 235,75µm și d este distanța dintre marginile a două percuții cu

valoarea de 264,25 µm.

Făcând produsul dintre numărul de cavități pe rând și numărul de sprire conform relației

(4.4) avem pe suprafața S2 un numar total (Nt) de cavități (4.5):

Nt = N x Ns = 471 x 234 = 109898,43cavități (4.5)

Continuând analiza se constată că 1/8 din volumul unei cavități înmulțite cu numărul de

cavități de pe suprafața S2 va genera volumul VS2 de ulei ce ajunge suplimentar în camera de

ardere, calculat de relația (4.6):

𝑉𝑆2= 𝑉

2 x

1

8 x 𝑁𝑡 = 20 x

109898,43

8 = 274746,07µm

3 (4.6)



45

În continuare, considerând că la un ciclu complet de 4 timpi avem două încărcări de

volum de ulei VS2 va rezulta că, într-un minut, la un regim de functionare constant de 3000rot/min

vom aduce în camera de ardere o cantitate de ulei calculată cu relația (4.7):

VS2 x 3000rot/min =824238210 µm3 = 0,0008cm

3 ulei (4.7)

Din acest calcul a rezultat că, nu este aplicabil procedeul de rototexturare pentru întreaga

suprafață S2 deoarece este introdusă o cantitate de ulei ce nu este arsă în totalitate și este

eliminată în timpul evacuării, mărind astfel poluarea indiferent de combustibilul utilizat.

Totodată calculul a fost efectuat pentru un timp de un minut ceea ce arată că, motorul nu

poate funcționa cu nivelul constant de ulei din baie în parametrii proiectați, consumul de ulei creat

conducând la necesitatea alimentării periodice cu ulei.

În acest caz o analiză suplimentară nu mai este necesară deoarece introducerea de ulei

suplimentar în camera de ardere modifică regimul de funcționare al motorului conducând la arderi

incomplete, formare gudron și eliberarea în atmosferă a unei cantități de hidrocarburi ce contravin

normelor de poluare impuse motoarelor termice de orice tip.

4.4.2. Analiza suprafeței texturată în zona PMI al segmentului de ungere

În acest scenariu (Figura 4-12) a fost reprezentată schematic o zonă texturată alcătuită

din trei rânduri dar analiza se va efectua doar pentru un rând de cavități texturate pentru a

evidenția avantajele sau dezavantajele texturării în zona PMI maximă de urcare a segmentului de

ungere.

Segmentul de compresie în timpul mișcării de coborâre spre PME se va alimenta cu

uleiul din textură executând mișcarea în continuare într-un regim mixt.

La fel ca și în cazul precedent s-a calculat cantitatea de ulei ce ajunge în camera de

ardere.

Pentru un singur rând de cavități a rezultat volumul VS1 dat de relația (4.8):

𝑉𝑆1 = 𝑉

2 x

1

8 x N =20 x

471

8 = 1177,5 µm

3 (4.8)

Volumul de ulei adus în camera de ardere după 3000 rot/min va fi conform relației (4.9):



46

VS1 x 3000 = 3.532.500.00 µm3 = 0.000003 cm

3 (4.9)

Volumul de ulei consumat fiind mult mai mic decât în situația suprafeței S2 texturată total

rezultă, implicit, și o creștere a timpului de funcționare, până la nivelul minim admis de

producător.

Figura 4-12: Suprafață texurată în zona PMI al segmentului de ungere

În acest caz trebuie adusă în discuție și temperatura la care este supus uleiul rămas în

timpul coborârii pistonului rezultând cantități de gudron rămase în cavități ce va conduce la

disfuncționalități în funcționarea optimă a motorului, astfel:

- Gudronul creat va umple cavitățile rototexturate în timp și va fi o sursă suplimentară de

menținere a căldurii în camera de ardere, fiind de altă natură decăt cea a materialului din care

este confecționat cilindrul;



47

- Segmentul de compresie va întâlni o sursă suplimentară de căldură ce se va adăuga la căldura

din timpul arderii;

- Cavitățile umplându-se cu gudron nu vor conduce la scăderea suprafeței de contact din cupla

segment- cilindru, ci o va mări, gudronul depus în cavități devenind abraziv după arderea

completă a uleiului;

- Sursa suplimentară de căldură introdusă în camera de ardere, în timpul admisiei și compresiei

va genera arderi necontrolate.

Și în acest caz , analiza suplimentară, nu mai este necesară deoarece introducerea

suplimentară de ulei în camera de ardere, modifică regimul de funcționare al motorului,

producând instabilitate și un mediu de funcționare la temperaturi peste limita admisă, duce la

conluzia conform căreia, texturarea alezajului în zona PMI nu este benefică regimului de

funcționare al motorului termic.

4.4.3. Analiza suprafeței texturată între zona PMI și PME, la mijloc

În acest caz, analiza a fost efectuată, tot pe un singur rând de cavități, pe suprafața dintre

PMI și PME, adică în zona 𝑆2

2 (Figura 4-13). Față de cazul precedent luând în calcul doar o

singură spirală se va aduce aceeași cantitate de ulei în camera de ardere de 0.000003 cm3

dar

vom întâmpina urmatoarele probleme:

- Gudronul se va forma într-o perioadă de timp mai mare deoarece uleiul expus nu va avea o

ardere completă și va putea fi spălat parțial de către segmentul de ungere;

- Va ajunge o cantitate de ulei parțial ars în baia de ulei schimbând, într-un timp relativ scurt,

proprietățile uleiului necesar bunei funcționări a cuplelor de frecare din întregul motor ;

- Sursa suplimentară de căldură introdusă în camera de ardere în timpul admisiei nu va

determina arderi necontrolate, dar va fi o sursa suplimentară de menținere a căldurii pe suprafața

segmentului de foc.



48

Figura 4-13: Suprafață texurată în zona de mijloc a suprafeței S2

În acest caz o analiză suplimentară dezavantajele anterior arătate care ar putea aparea în

funcționarea motorului cu cilindrii texturați în această zonă. Introducerea suplimentară de ulei în

zona segmentului de foc nu este benefică decât pe a doua parte a coborârii acestuia în timpul

detentei. În camera de ardere ajunge o cantitate de ulei ce modifică regimul de funcționare al

motorului producând hidrocarburi ce contravin normelor de poluare și un mediu de funcționare al

motorului la temperaturi mai ridicate pentru această zonă de texturare.

Această analiză conduce la concluzia conform căreia texturarea alezajului în zona 𝑆2

2 nu

este benefică regimului de funcționare al motorului termic.

4.4.4. Analiza suprafaței texturată în zona PME a segmentului de foc

În acest caz pentru exemplificarea texturării în zona PME se va analiza zona texturată tot

dintr-un singur rând de cavități doar în zona primului segment de compresie din punctul PME

(Figura 4-14).

În acest caz poate exista următorul scenariu la utilizarea unei singure spirale texturată:

- Cavitățile sunt alimentate direct de barbotajul uleiului din baie și raclate de segmentul de

ungere;



49

- În momentul în care ajunge segmentul de compresie în dreptul texturii procesul de ardere este

finalizat;

- Segmentul de compresie se alimentează suplimentar cu ulei pentru mișcarea de ridicare din

PME spre PMI;

- În timpul alimentarii cu ulei din cavitățile rândului texturat, segmentul de compresie se

descarcă de temperatura acumulată în timpul arderii prin transferul acesteia în uleiul din cavități

și transmiterea către suprafața alezajului din PME;

- Vârfurile asperităților desprinse în timpul lucrului sunt depuse în cavități după care acestea

sunt spălate de ulei prin barbotaj;

- Nu există gudron format prin arderea gazelor reziduale de la sfârșitul arderii;

- Mișcarea elementelor din cuplă va fi funcție de regimul fluid, în zona PME, către mixt

semiuscat, în zona PME.

Figura 4-14: Suprafață texurată în zona PME al segmentului de " Foc"



50

4.5. Concluzii

Din analiza parametrilor de care trebuie să se țină cont în texturarea alezajelor prin

rotopercuție, datele obținute din cercetărilor teoretice au fost analizate și optimizate stabilindu-se

direcții și reguli pentru implementarea acestora în cercetările experimentale folosindu-se diferite

metode și analize.

Contribuțiile teoretice au avut la bază, pentru început, definirea clară a unui sitem de

parametri în vederea caracterizării suprafețelor texturate. Astfel, s-au folosit o serie de parametri

de intrare cum ar fi diametrul alezajului, frecvența de percuție, avansul, lungimea alezajului și

turația, la ieșire s-a urmărit obținerea optimizarea turației și vitezei, unghiul tangentei la spirală,

pasul și timpul de prelucrare. Prin conceperea unui unui pachet software s-a reușit optimizarea

valorilor recalculate pentru un caz concret de spirală dreaptă și rază R pentru parametrii de ieșire

mai sus menționați.

În vedera stabilirii zonei optime de texturare s-au analizat patru scenarii de texturare. În

urma prezentării avantajelor/dezavantajelor pentru fiecare scenariu în parte s-a concluzionat că

amplasarea optimă a zonei texturate trebuie sa fie în zona PME a segmentului de "foc".

51

CAPITOLUL V

CONTRIBUŢII EXPERIMENTALE PRIVIND TEHNOLOGIA

DE TEXTURARE PRIN ROTOPERCUŢIE

5.1. Analiza cavităților obţinute prin rotopercuţie

Pentru obținerea texturii de analizat s-au pregătit cămăși cilindru din fontă cenușie cu

grafit lamelar SR EN 1561: 1999 EN-GJL-BH 175 detașabile de motorul termic cu aprindere prin

scânteie, pe care se vor monta/demonta secțiuni de cămașa cilindrică și se vor constitui drept

epruvete (figura 5-1).

Aceste epruvete au fost folosite în cercetare, pentru a analiza diferitele densități de

textură realizate utilizând mașina cu comandă numerică de rotopercutat programabilă, prezentată

în capitolul 3.

Figura 5-1: Camașă de cilindru prelucrată

CAPITOLUL 5. CONTRIBUŢII EXPERIMENTALE PRIVIND TEHNOLOGIA DE TEXTURARE PRIN

ROTOPERCUŢIE

52

Examinând zona texturată cu microscopul Kestrel System K si Quadra-Chek 200 (Figura

2-4) s-a constatat că, cavitățile create pe suprafața alezajului nu au o formă rotundă alungită, ci au

forma unei picături de apă în cădere (Figura 5-2).

Figura 5-2: Imaginea cavităților utilizând microscopul Kestrel System K si Quadra-Chek 200

Forma cavităților este dată de mișcarea formei vârfului dornului percutor utilizat la

texturare, montat pe echipament (Figura 5-3).

Figura 5-3: Vârful dornului percutor

Pentru a se defini mai clar forma cavităților au fost realizate mai multe suprafețe

rototexturate, pe același alezaj, cu viteze de rotație și avans definite pentru a se analiza forma

acestora la diferite densități de textură conform figurii 5-4.


ROTOPERCUŢIE

53

Figura 5-4: Diferite texturări funcție de viteza de rotație

La aceeași forță de lovire, dată de capul percutor, ajustând viteza de rotație și avans,

gradul de texturare al suprafeței alezajului este mai mare cu cât vitezele de rotație și avans ale

echipamentului sunt mai mici ( Figura 5-5c).

Figura 5-5: Diferite densități funcție de viteza de rotație și avans ale echipamentului

Analizând la microscop zonele texturate au fost vizualizate urme de lovituri care, se pare,

că nu sunt formate datorită acțiunii dornului percutor (Figura 5-6). Se consideră că aceste urme

sunt lăsate de rulmentul montat în capul axului echipamentului.

Analizând în detaliu suprafețele texturate, au fost constatate urmatoarele:

- Materialul este refulat din cavități pe direcția de rotație a echipamentului;

- Dornul dacă nu lovește perpendicular, refularea materialului poate fi chiar sub un unghi mai

mare de 900;

- Pe suprafața alezajului apare o urmă de lovitură aparentă (Figura 5-5) ce nu este efectuată de

dornul dispozitivului de rototexturat;


ROTOPERCUŢIE

54

- Suportul pentru asigurarea distanței constante de lovire efectuează o a doua lovire în timpul

retragerii dornului din cavitatea creată.

Figura 5-6: Urme lovituri dispozitiv sprijin

Aceste urme de lovituri date de rulment (Figura 5-7) au putut fi vizualizate la microscop

deoarece pe aceeași probă au fost efectuate mai multe texturări conform figurii 5-4. Urmele de

lovituri nu apar în prima zonă de texturare ci, datorită faptului că, au fost făcute pauze de 10mm

între texturări, următoarele texturi efectuându-se pe zona de lovire a suportului echipamentului

de pe prima texturare.

Figura 5-7: Amplasarea rulmentului pe axul echipamentului


ROTOPERCUŢIE

55

Pentru a nu mai avea această problemă s-a înlăturat rulmentul și s-a conceput un

dispozitiv cu trei role (1) de sprijin (Figura5-8) cu suprafața exterioară din material nemetalic.

Cele trei role au fost plasate la o distanță egală una de cealaltă și cu un sistem de centraj pe alezaj

prin marirea distanței laturii triunghiului isocel format.

Figura 5-8: Schiță dispozitiv cu trei role de sprijin

Analizând cavitățile executate în timpul cercetării s-a observat că, forma grafitului este

cea care influențează, cel mai mult proprietățile mecanice, dar nu trebuie neglijată și cantitatea,

distribuția respectiv mărimea separărilor de grafit din compoziție. În figura 5-9 se poate vedea

influența grafitului din structura fontei cămășilor de cilindru asupra refulării materialului. Grafitul

în structură se prezintă drept goluri de material (de fier) ceea ce provoacă refulări ale materialului

sau ale dornului în momentul lovirii.


ROTOPERCUŢIE

56

Dornul dispozitivului, ajungând în unele cazuri pe o porțiune neuniformă de material cu

grafit, în timpul lovirii, se poate deplasa în zona golului de material ocupat de către grafit.

Continuând cu analiza suprafeței de texturat trebuie să se țină cont și de tensiunile

remanente din material care pot influența chiar poziționarea centrelor de texturare pe aceeași

spiră.

Figura 5-9: Suprafață texturată neuniform:

a- magnitudine 50X; b- magnitudine 100X; c- magnitudine 500X .

Gradul de refulare al materialului din cavități este proporțional cu forța de lovire. Din

această constatare vizuală a reieșit că, distanța dintre percuții trebuie calculată nu de la diametrul

interior al cavității ci, de la diametrul maxim al refulării materialului (Figura 5-10 a și b).

Figura 5-10: Refularea materialului: a- Imaginea cavităților învecinate, 500X;

b- vedere schematică a materialului refulat uniform


ROTOPERCUŢIE

57

Pentru a nu avea întrepătrunderi de material de cavitățile învecinate se consideră că la

calculul vitezei de rotație și avans ar trebui luați în considerare următorii parametri: distanța de

lovire;viteză de rotație a capului percutor; viteză de avans; structura materialului; jocurile din

dispozitiv; tensiunile din material.

Obținerea cavităților poate fi comparată cu un proces de așchiere.

În figura 5-11 utilizând microscopul Quanta 200 3D s-au măsurat în mod aleatoriu câteva

diametre ale cavităților formate

Figura 5-11:Diametrul mediu percuții suprafața texturată

În calculul numărului de cavități pe spiră (relația 4.4, capitolul 4) s-a luat în considerare

valoarea medei de 235,5µm pentru diametrul unei cavități.

5.2. Analiza SEM a zonelor rototexturate

Conform relației (4.4) din capitolul 4 la o distanță de 0,5mm între cavități au rezultat 471

de cavități pe spirala de textură. Plecând de la acest fapt, dornul percutor trebuie să parcurgă

lungimea unei spire în timpul Ts dat de relația (5.1).

Ts = 𝑁

50 =9,42 s (5.1)

Programul Pronterface, utilizat în funcționarea echipamentului, este conceput să

calculeze timpul necesar capului de printare, dintr-o imprimantă 3D, să depună pe o suprafață


ROTOPERCUŢIE

58

definită, o lungime de fir impusă. În situația rototexturării, lungimea de fir este dată de lungimea

tuturor cercurilor/spirelor pe zona dorită de texturat a alezajului.

Pronterface, plecând de la solicitarea Go Y20 E2200 F10 (exemplu figura 3-15), va

împinge firul de extrudat, pe distanța de 20mm, la viteza de 10mm/sec.

Pentru a face acest lucru programul a fost construit și reglat astfel: G28 Y - poziționare zero

mașină pe axa Y; G21 - sistem calcul metric parametri; G91 - sistem coordonate relativ; E -

extrudor; F - viteză de lucru extrudor; M82 - E în sistem de coordonate absolut; M302- efectuarea

extrudării la rece și E step/mm - pași pe milimetru reglați în firmware echipament pentru pulsuri

motor pas cu pas pe milimetru.

Numărul de turații (NE) al axului echipamentului de rototexturat s-a calculat ținând cont

de numarul de turații pe care trebuie să le facă motorul extrudor pentru un milimetru de deplasare,

conform relației (5.2):

𝑁𝐸 =𝐸∗ 𝐸𝑠𝑡𝑒𝑝/𝑚𝑚

𝑅𝑡 =

𝐸∗200

200 =E (5.2)

unde:

- Rt - reprezintă 200 de pașii pe care trebuie sa îi facă motorul pas cu pas pentru o revoluție

completă de 3600;

- Estep/mm - a fost setat la +3000 pulsuri pe milimetru (datorită raportului de transmitere de 1/1).

În cadrul cercetărilor experimentale s-a analizat realizarea diferitelor densități de textură

pe o lungime de 10mm din alezaj plecând de la parametrii obtimizați.

Pe lungimea de 10mm la o distanță între spire de 0,5 mm au rezultat 20 de spire astfel E=

300, iar din relația (5.1) a rezultat o viteză de realizare a rotopercuției pe o spiră F= 𝑇𝑠

3 =3,14.

Pentru analiza experimentală au fost variați parametrii vitezei de realizare a unei spire în

intervalul 3≤ 9,42≥ 4mm/s și numărul de spire 15≤ 20 ≥25.

Timpul necesar rototexturării a 10mm de alezaj este dat, pentru cazul prezentat, de relația

(5.3):

NE x Ts=94,2s (5.3)

Vizualizând cavitățile create de dispozitivul de rotopercuție, cu ajutorul microscopului electronic

pentru analiza SEM QUANTA 200 3D au fost analizate refulările rezultate în urma prelucrării


ROTOPERCUŢIE

59

prin rotopercuție pentru mai multe probe cu viteze de rotație și avans diferite de prelucrare

(Figurile 5-12, realizată la puterea de mărire 50X și 5-13, realizată la puterea de mărire 100X).

a) viteza de rotație de 10mm/s b) viteza de rotație de 9mm/s Figura 5- 12: Refulări ale materialului din cavități la diferite viteze de rotație a capului rotopercutor, 50X

a) viteza de rotație de 10mm/s b) viteza de rotație de 9mm/s Figura 5-13: Refulări ale materialului din cavități la diferite viteze de rotație a capului rotopercutor, 100X

Datorită materialului refulat din zona cavităților pe direcția de deplasare a echipamentului

a fost luata decizia, în urma analizelor de suprafață că, trebuie efectuat încă o dată operația de

honuire de finisare pentru a se înlătura materialul refulat din cavități prin rotopercuție (Figura 5-

14).


ROTOPERCUŢIE

60

Figura 5-14: Imagine refulări material din zona de impact, 500X

După efectuarea operației de honuire pentru alezaj (5-15) s-au refăcut imaginile SEM

prezentate în Figura 5-16.

Figura 5-15: Suprafața alezajului după operația de honuire

După operația de honuire finală au fost tăiate mostre din cămașile de cilindru, pentru a fi

analizate SEM și AFM în vederea vizualizării structurii materialului.

a) b)

Figura 5-16: Imagini ale suprafețelor texturate după operația de honuire finală:

a- magnitudine 50X; b- magnitudine 100X


ROTOPERCUŢIE

61

5.3. Analiza AFM pe secțiuni ale cavităților create prin rotopercuție

Pentru a nu fi influențate analizele de suprafață, mostrele (Figura 5-17) au fost debitate cu

un dispozitiv cu jet de apă de înaltă presiune cu abraziv, realizându-se tăieturi ce nu au modificat

structura materialului, după care au fost lustruite cu pastă diamantată pentru a se putea analiza

materialul în secțiune, mai exact, în zona de mijloc a spatelui unei cavității rotopercutate.

Figura 5-17: Secțiune cavitate pregatită pentru analiză AFM

Utilizând microscopul de forță atomică (AFM) Park NX10, ce poate furniza date de cea

mai înaltă rezoluție la scară nano, s-au efectuat cercetări asupra zonei din spatele cavităților. Cu

acest microscopul Park NX10 datorită rezoluției foarte mari de lucru și utilizând un profilometru

nano, cu avantajul că poate fi realizată o analiză în modul "True non-Contact", s-au analizat două

zone, Z1 și Z2, (Figura 5-18) din peretele unei cavități.

Golul evidențiat în Figurile 5-19 și 5-20 este dat de grafitul lamelar expulzat în timpul

lustruirii de pregătire a probei.

Figura 5-18: Zonele din spatele cavității


ROTOPERCUŢIE

62

Linie Min(µm) Max(µm) Mijloc(µm) Mediu(µm) Rpv(µm) Rq(µm) Ra(µm) Rz(µm) Rsk Rkv

Roșu -0,290 0,226 -0,032 0,050 0,515 0,130 0,111 0,437 0,576 2,628

Verde -0,488 0,073 -0,208 0,154 0,561 0,121 0,093 0,407 0,584 3,308

Albastru 0,087 0.355 0,221 0,207 0,268 0,064 0,056 0,217 -0,260 2,158

Figura 5-19: Vederea de sus a imagine scanate AFM a zonei Z1

Pachetul software al AFM a generat și valorile componentelor rugozității Rpv, Rq, Ra,

Rz, Rsk și Rku prezentate în aceeași figură 5-19.


ROTOPERCUŢIE

63

Pentru o vizualizare cât mai clară a existenței amorselor de fisuri s-a realizat și imaginea

3D prezentată în figura 5-20.

Sursa Lațimea

probei

Inălțimea

probei

Distanță

scanată

pe X

Distanță

scanată

pe Y

Rezoluția Coordonatele

punctului de

plecare

Amplitudine Frecvență Acoperire

Z

detector

256pxl 512pxl 20µm 20µm 0,5Hz 13,5E3nm 19,672E3nm 260,77E3Hz 2,47%

Figura 5-20: Vederea 3D a zonei Z1

Efectuându-se aceleași analize AFM și pe zona Z2 (Figura 5-21) nu au fost evidențiate

modificări sau neconformități diferite de cele din zona Z1. Analiza AFM a suprafeței lustruite din

secțiunea cavității în zona Z2 (Figurile 5-21 și 5-22) a evidențiat o continuitate a materialului

analizat, acesta nefiind afectat dacâăt de particulele abrazive din pasta de lustruit folosită la

pregatirea probei pentru analiză.


ROTOPERCUŢIE

64

Linie Min(µm) Max(µm) Mijloc(µm) Mediu(µm) Rpv(µm) Rq(µm) Ra(µm) Rz(µm) Rsk Rkv

Roșu -267.838 133,086 -67,376 -14,956 400,925 62,135 44,595 265,040 1,503 5,505

Verde -235,620 42,596 -96,532 -72,577 278,256 55,586 44,876 217,004 0,547 2,852

Albastru -561,562 95,852 -252,855 17,315 657434 100,901 57,019 356,651 3,704 17,891

Figura 5-21: Vederea de sus a imagine scanate AFM a zonei Z2


ROTOPERCUŢIE

65

Sursa Lațimea

probei

Inălțimea

probei

Distanță

scanată

pe X

Distanță

scanată

pe Y

Rezoluția Coordonatele

punctului de

plecare

Amplitudine Frecvență Acoperire

Z

detector

256pxl 512pxl 20µm 20µm 0,4Hz 14E3nm 19,672E3nm 260,77E3Hz 2,47%

Figura 5-22: Vedere 3D a zonei Z2

5.4. Analiza SEM în secțiunea cavităților create prin rotopercuție

Prin analiza SEM, efectuată de microscopul electronic QUANTA 200 3D s-a putut

demonstra eficiența tehnologică a procesului de rotopercuție aplicat pe alezajele din motoarele

termice construite din fonte industriale cu grafit lamelar.

Imaginile prezentate în analiza SEM, la diferite magnitudini de vizualizare conform

figurilor 5-23, 5-24, 5-25, 5-26 au evidențiat o structură nemodificată a materialului în urma

rotexturării.

Grafitul din structura materialului nu a fost afectat de procesul de rotopercuție și tot odată

în urma analizelor nu s-au evidențiat amorse de fisuri sau structuri instabile apărute în material.


ROTOPERCUŢIE

66

Figura 5-23: Imagine secțiune material prelucrat prin rotopercuție, 100X

Figura 5-24: Imagine SEM cavități în secțiune, 200X


ROTOPERCUŢIE

67

Figura 5-25: Imagine SEM a cavității în secțiune, 400X

Figura 5-26: Imagine SEM a cavități în secțiune, 500X


ROTOPERCUŢIE

68

5.5. Analiza cavităților rototexturate cu profilometrul Form Talysurf I 50

Măsurătorile cu profilometrul Form Talysurf I50 produs de firma Taylor Hobson, pe mai

multe tipuri de densități de textură, din aceeași probă, au ca scop evidențierea modului cum arată

în interior cavitățile pentru diferite viteze de texturare şi pentru determinarea parametrilor de

formă a cavităților percutate (Figura 5-27).

Figura 5-27: Imaginea desfășurată a lungimii de masură la 10mm/s oferită de profilometrul Form

Talysurf I50 a cavităților create la deferite viteze de lucru al dispozitivului

Analiza cavităților, create la diferite viteze de lucru ale echipamentului, de către

profilometru s-a făcut, nu pe direcția de execuție a cavităților pe alezaj de 20mm. Conform figurii

se pot vedea densitățile dintre cavitățiaparținând diferitelor rânduri și adâncimi corespunzătoare

ale cavităților.

Pentru analiză s-a căutat o zonă cu cât mai multe cavități pe aceeași linie verticală. În

figura 5-28, din cavitățile întâlnite în calea palpatorului, a fost analizat profilul unei cavități

mărite.


ROTOPERCUŢIE

69

Figura 5-28: Detaliu A pentru cavitatea aleasă din figura 5-27

Conform graficului cavității analizate, din figura 5-28, forma cavității analizate după

efectuarea operației suplimentare de honuire, are o adâncime de 0,05mm, un diametru de 0,22mm,

ceea ce a condus la calculul teoretic din capitolul 4, subcapitolul 4.4.

5.6. Concluzii

In urma analizelor efectuate cu microscoapele SEM QUANTA 200 3D și AFM Park

NX10 cavitățile create prin rotopercuție și palpate cu profilometrul Talysurf I50 s-au desprins

următoarele concluzii:

Microduritatea stratului superficial al alezajelor cămășilor prelucrate prin rotopercuție nu

modifică structura materialului;

Analizele SEM și AFM pe cele trei dimensiuni ale spațiului generat de cavitățile create

prin rotopercuție au arătat felul și modul în care este deformat materialul și de ce trebuie să se țină

cont în determinarea densității maxime de cavități pe suprafața aleasă de lucru;


ROTOPERCUŢIE

70

S-a evidențiat distanța optimă între percuții pentru a nu afecta procesul de rotopercuție

din cauza microdurităţii superficiale ale exteriorului cavităților și al grafitului din compoziția

fontei industriale folosite în fabricarea cilindrilor detașabili din motoarele termice cu aprindere

prin scânteie, pe care sau facut testele de rotopercuție;

S-au realizat vizualizari ale texturilor obținute în condițiile variației vitezei de rotație și

avans ca parametri de intrare şi unele mărimi caracteristice precum calitatea suprafeţei pieselor

prelucrate, mărimea deformaţiilor ca parametri de ieşire;

S-a realizat un studiu privind variaţia influenţei mărimilor de intrare asupra mărimilor de

ieşire;

Densitatea cavităților suprafeței prelucrate depinde de mărimea, forma capului de

percuție, viteza de rotație și avansul de lucru al capului port sculă;

Suprafața materialului texturat la densitățile realizate, conform analizelor SEM și AFM,

nu prezintă amorse de fisuri și fracturi în zona percuțiilor.

71

CAPITOLUL VI

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

6.1. Concluzii finale

O privire de ansamblu asupra cercetării în ceea ce priveşte conceperea și realizarea

procedeului tehnologic de rotopercuție, precum şi contribuţiile aduse de diverși cercetători în

domeniul texturarii suprafețelor s-a dovedit a fi necesară în realizarea obiectivelor tezei de

doctorat.

În urma studiilor efectuate de diverşi cercetători în domeniul deformaţiilor plastice

superficiale la rece s-a constatat că majoritatea organelor de maşini se distrug din cauza

solicitărilor mecanice şi termice, cât şi din cauza procesului de uzură abrazivă. Acesta se datorează

în primul rând unor frecări necontrolate (aleatorii), precum şi unei lubrefieri necorespunzătoare

sau chiar a absenţei acesteia. Pentru eliminarea acestor inconveniente, în practică, suprafeţele

supuse acestei uzuri rezistă mai bine fenomenelor, dacă dispun de alveole (cavități) în care se

poate depozita lubrefiantul. Din punct de vedere al realizării rotopercuției, procedeu s-a putut

realiza relativ simplu prin deformare plastică superficială la rece prin percuție. Utilizarea acestui

procedeu tehnologic, prin cinematica sa, a condus la posibilitatea de a crea microgeometrii

regulate pe suprafaţa alezajelor, pentru care toţi parametrii s-au calculat analitic, în funcţie de

regimul utilizat de rototexturare şi au fost reglați independent unul faţă de altul.

În funcţionarea maşinilor unelte, a aparatelor şi a instalaţiilor, un rol foarte important îl

deţine starea iniţială a suprafeţelor de contact, caracterizată prin starea fizico - mecanică a stratului

superficial rezultat în urma prelucrărilor mecanice anterioare. Necesitatea studierii procedeului de

rotopercuție în cadrul procesului de deformare plastică superficială a reieșit din cele menţionate

mai sus, cât şi din faptul că rugozitatea suprafeţelor prelucrate prin prezentul procedeu ține cont de

rugozitatea suprafeţelor alezajelor obţinute prin operaţiile clasice de finisare (rectificare, honuire,

finisare, suprafinisare) existând, în plus, posibilitatea obţinerii numărului prescris de pete de

contact pe unitatea de suprafaţă și în zona impusă de beneficiar.

6.2. Contribuții personale

Pentru îndeplinirea obiectivelor impuse în cercetare s-a conceput şi s-au executat

dispozitivele necesare pentru desfăşurarea activităţilor de cercetare experimentală în domeniul

deformaţiilor plastice superficiale la rece prin rotopercuție. Aceste dispozitive create au condus la

o serie de inovări în privința echipamentelor de experimentare și de testare sub toate aspectele.

Soluţiile constructive optime din punct de vedere funcţional şi al fiabilităţii au fost testate

cu succes.

CAPITOLUL 6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

72

Texturarea suprafețelor metalice analizate a fost efectuată în conformitate cu obiectivele

propuse şi, în urma rezultatelor obţinute, pe parcursul elaborării tezei de doctorat, contribuţiile

personale sunt:

- Realizarea unui studiu bibliografic în ceea ce priveşte stadiul actual al cercetărilor în domeniul

cuplelor de frecare cu suprafețe texturate;

- Stabilirea metodologiei de experimentare în vederea determinării și evidențierii parametrilor

tehnologici de rotopercuție asupra reperelor obţinute;

-Conceperea, proiectarea și execuția dispozitivelor necesare pentru desfăşurarea activităţilor de

cercetare experimentală în domeniul deformaţiilor plastice superficiale la rece prin rotopercuție;

- Analiza și optimizarea procesului de rotopercuție în scopul definirii zonei optime de texturat;

- Conceperea şi realizarea sistemului de reglare a dispozitivului de rotopercuție;

- Determinarea densității maxime a suprafeței de texturat prin rotopercuție utilizând diferite viteze

de rotație și avans;

- Determinarea gradului de încarcare a zonei texturate cu ulei pentru a vedea cantitatea de ulei

rămasă în camera de ardere;

- Determinarea zonei optime de texturat în cupla segment cilindru în urma analizei a patru

scenarii posibile de amplasare a zonei texturate;

- Analiza structurala SEM a cămășii de cilindru rotexturate;

- Analiza structurală AFM a materialului din spatele cavităților rotopercutate;

- Analiza SEM în vederea vizualizării materialului refulat;

- Determinarea distanțelor dintre cavitățile aparținând diferitelor rânduri și adâncimile

corespunzătoare ale acestora, utilizând profilometrul Form Talysurf I 50.

6.3. Direcții viitoare de cercetare

Utilizarea cuplei segment-cilindru din motoare termice va avea și în viitorul apropiat o

utilizare largă indiferent de combustibilul utilizat, ceea ce impune continuarea cercetărilor în

domeniu, în special pentru motoare termice cu capacități cilindrice reduse și regim de lucru

amplificat. Ca direcții de cercetare insuficient studiate se pot menționa următoarele:

Studiul analitic și numeric în funcționare, al unei suprafețe texturate în zone definite

dintre PMI segment de ungere și PME segment de "foc", ale alezajelor unui motor termic ;

Analiza stării de tensiuni din stratul superficial după o perioadă de funcționare definită;

Determinarea valorilor maxime de rezistenţă la şoc pentru materiale din care sunt

confecționate alezajele, supuse rotopercuției;

Determinarea proprietăților tribologice ale texturilor analizate, ținând cont de valori ale

CAPITOLUL 6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

73

presiunii gazelor din camera de ardere, pe diferite zone dintre PMI si PME.

73

LISTĂ LUCRĂRI ŞTIINŢIFICE

1. Daniel Chiriță, (2013), Process Smoothing of the Inner surface of Cylinders after Honing and

its Role in Eliminating Wear in the Activation of the Heat Engine, Advanced Materials Research,

837, 43-48.

2. Daniel Chiriță, (2014), Decreasing the Contact Surface between Piston and Cylinder at the

Heat Engines by Rotary-Percussion, Advanced Materials Research, 1036, 619-624.

3. Daniel Chiriță, Pavel Iurea, (2016), Contributions Regarding the Bores Processing Through

Rotopercussion, The XX International Conference "INVENTICA 2016", June 30th-July 1st, 2016,

Iasi, Romania.

4. Daniel Chiriță, Simona Plavanescu (Mazurchevici), Dumitru Nedelcu, The 3D Liquid

Wood Sheets Forming Through a Vacuum Process, Tehnomus – New Technologies and Products

in Machine Manufacturing Technologies, May 8-9, Suceava, Romania, pp. 150-153.

5. Ciprian Stamate, Ioan Doroftei, Daniel Chiriță, Adrian Burlacu, On Designing an

Automated Tool For Capacitors Removal From Waste printed Circuits Boards, IOP Conference

Series: Materials Science and Engineering, vol....., în curs de publicare

74

BIBLIOGRAFIE (selectivă)

1. Nakada,M., Trends in engine technology and tribology. Tribol. Int, 1994. 27(1), 3-8.

2. Etsion, I., State of the art in laser surface texturing. Journal of Tribology, 2005. 127(1), 248-

253.

3. Costa, H.L., I.M. Hutchings, Effects of die surface patterning on lubrication in strip drawing.

Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(3), 1175-1180.

4. Etsion, I. Improving tribological performance of mechanical components by laser surface

texturing. 2004. USA: Kluwer Academic/Plenum Publishers.

5. Borghi, A., E. Gualtieri, D. Marchetto, L. Moretti, S. Valeri, Tribological effects of surface

texturing on nitriding steel for high-performance engine applications. Wear, 2008. 265(7-8),

1046-51.

6. Burstein, L., D. Ingman. Pore ensemble statistics in application to lubrication under

reciprocating motion (C). 2000: Society of Tribologists and Lubrication Engineers.

7. Etsion, I., L. Burstein, A model for mechanical seals with regular microsurface structure.

Tribology Transactions, 1996. 39(3), 677-683.

8. Kovalchenko, A., O. Ajayi, A. Erdemir, G. Fenske, I. Etsion. The effect of laser surface

texturing on transitions in lubrication regimes during unidirectional sliding contact. 2005:

Elsevier Ltd.

9. Ronen, A., I. Etsion, Y. Kligerman, Friction-reducing surface-texturing in reciprocating

automotive components. Tribology Transactions, 2001, 44(3), 359-366.

10. Ryk, G., Y. Kligerman, I. Etsion, A. Shinkarenko, Experimental investigation of partial laser

surface texturing for piston-ring friction reduction. Tribology Transactions, 2005, 48(4), 583-588.

11. Siripuram, R.B., L.S. Stephens, Effect of deterministic asperity geometry on hydrodynamic

lubrication. Journal of Tribology, 2004. 126(3), 527-534.

12. Tnder, K. Hydrodynamic effects of tailored inlet roughnesses: Extended theory. 2004:

Elsevier Ltd.

13. Venkatesan, S., L.S. Stephens. Surface textures for enhanced lubrication: Fabrication and

characterization techniques. Proceedings of the World Tribology Congress III, 2005, 521-522.

14. Wang, X., K. Kato, K. Adachi, K. Aizawa, Loads carrying capacity map for the surface

texture design of SiC thrust bearing sliding in water. Tribology International, 2003, 36(3), 189-

197.

15. Xiaolei, W., K. Adachi, K. Otsuka, K. Kato, Optimization of the surface texture for silicon

carbide sliding in water. Applied Surface Science, 2006, 253(3),6- 1282.

75

16. Xiaolei, W., K. Kato and K. Adachi, The critical condition for the transition from HL to ML

in water-lubricated SiC. Tribology Letters, 2004. 16(4), 253-8.

23. Saka, N., H. Tian and N.P. Suh, Boundary lubrication of undulated metal surfaces at elevated

temperatures. Tribology Transactions, 1989. 32(3), 389-395.

24. Tian, H., N. Saka and N.P. Suh, Boundary lubrication studies on undulated titanium surfaces.


25. Wakuda, M., Y. Yamauchi, S. Kanzaki and Y. Yasuda, Effect of surface texturing on friction

reduction between ceramic and steel materials under lubricated sliding contact. Wear, 2003.

254(3-4) 356-63.

26. Komvopoulos, K., Sliding friction mechanisms of boundary-lubricated layered surfaces. Part

II. Theoretical analysis. Tribology Transactions, 1991. 34(2), 281-291.

27. Pettersson, U. and S. Jacobson. Influence of surface texture on boundary lubricated sliding

contacts. 2003. Stockholm, Sweden: Elsevier Ltd.

28. Suh, N.P., M. Mosleh and P.S. Howard, Control of friction. Wear, 1994. 175(1-2), 151-158.

29. Brizmer, V., Y. Kligerman and I. Etsion, A laser surface textured parallel thrust bearing.


30. McNickle, A.D. and I. Etsion, Near-contact laser surface textured dry gas seals. Journal of

Tribology, 2004. 126(4), 788-794.

31. Nosonovsky, M. and B. Bhushan, Multiscale friction mechanisms and hierarchical surfaces

in nano- and bio-tribology. Materials Science and Engineering, R: Reports, 2007. 58(3-5), 162-

193.

33. Voevodin, A.A. and J.S. Zabinski, Laser surface texturing for adaptive solid lubrication.

Wear, 2006. 261(11-12): pag. 1285-92.

34. Schneider, Y.G., Formation of surfaces with uniform micropatterns on precision machine and

instrument parts. Precision Engineering, 1984. 6(4), 219-225.

35. Willis, E.,Surface finish in relation to cylinder liners. Wear, 1985. 109(1-4), 351-366.

37. Greco, A., S. Raphaelson, K. Ehmann, Q.J. Wang and C. Lin, Surface texturing of

tribological interfaces using the vibromechanical texturing method. Journal of Manufacturing

Science and Engineering, Transactions of the ASME, 2009. 131(6), 0610051-0610058.

49. Sugihara, T. and T. Enomoto, Improving anti-adhesion in aluminum alloy cutting by micro

stripe texture. Precision Engineering, 2012. 36(2), 229-237.

50. Hamilton, D.B., J.A. Walowit and C.M. Allen, Theory Of Lubrication By Microirregularities.

American Society of Mechanical Engineers -- Transactions -- Journal of Basic Engineering, 1966.

88(1), 177-185.

76

51. Anno, J.N., J.A. Walowit and C.M. Allen. Microasperity lubrication. 1967. New York, NY,

United States: American Society of Mechanical Engineers (ASME).

63. Bowden, F.P. and D. Tabor, Theory of metallic friction and role of shearing and ploughing.

1942, 7-38.

64. Bowden, F.P. and D. Tabor, Metallic friction: theory. Bulletin of the Council for Scientific

and Industrial Reseach, 1942(145), 59.

65. Bowden, F.P. and D. Tabor, Mechanism of metallic friction. Nature, 1942. 149, 197-199.

66. Bowden, F.P., A.J.W. Moore and D. Tabor, The ploughing and adhesion of sliding metals.

Journal of Applied Physics, 1943. 14, 80-91.

67. Persson, Sliding Friction , Physical Principals and Applications. second ed. 2000: Springer.

68. Bhushan, B., Principles and Applications of Tribology. 1999.

140. Ruddy B.L., Hildyard M.L.: A review of tribological aspects of piston assembly design,

Vehicle Tribology, Elsevier Science Publishers B.V., Tribology Series, 18, Amsterdam, The

Netherlands, 1991, 93–102.

Date post:	06-Nov-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	9 times
Download:	0 times

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI” DIN IAŞI teza... · I Mulțumiri Acum, odată cu...

Documents