Characterization, cutting mechanisms and machinability of lead-free brasses

Abstract

In recent years, the enforced stricter regulations concerning allowable lead content levels in products, especially for drinking water applications, have encouraged the invention and utilization of innovative solutions, such as the development of lead-free brass alloys.This study was focused on the material characterization, cutting mechanisms (chip breaking), as well as the assessment of the machinability of leaded and lead-free brass alloys, widely used in industrial applications for the fabrication of final brass component (bolts, nuts, hydraulic fittings, valves etc.) by machining.Initially, the influence of microstructure and lead presence on dynamic and static mechanical behaviour was studied. The main purpose of this study was the identification of the emergent microscopic fracture mechanisms, for the better interpretation of cutting behaviour during brass rods‘ turning.In addition, a statistical non-parametric study was implemented for the improvement of the quality characteristics of machining process (Chip Morphology, Power Consumption, Cutting Force and Surface Roughness) of the studied alloys.Finally, a first attempt was pursued pertaining to the redesign of the production process flow, via the realization of experimental heat treatment procedures, which were applied for the alteration of microstructure in order to improve the machinability of the studied brass alloys

Προσφάτως, λόγω της αυστηρότερης νομοθεσίας σχετικά με τα επιτρεπόμενα ποσοστά μολύβδου, κυρίως στα προϊόντα/εξαρτήματα στις εγκαταστάσεις πόσιμου νερού, απαιτείται η χρήση καινοτόμων λύσεων, που αφορούν στην ανάπτυξη και βελτιστοποίηση μη μολυβδούχων ορειχάλκων-υψηλής κατεργασιμότητας, ώστε να αποφευχθούν οι επικίνδυνες επιπτώσεις του μολύβδου στον άνθρωπο και το περιβάλλον.Η εν λόγω διατριβή εστιάζεται στον χαρακτηρισμό, τους μηχανισμούς κοπής (chip breaking) καθώς και την κατεργασιμότητα μολυβδούχων και μη μολυβδούχων ορειχάλκων που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία για την κατασκευή εξαρτημάτων (κοχλίες, περικόχλια, υδραυλικοί σύνδεσμοι, βαλβίδες κλπ) μέσω μηχανουργικών κατεργασιών. Αρχικώς, μελετήθηκε η επίδραση που έχει η μικροδομή και η παρουσία του μολύβδου στα αποτελέσματα των δυναμικών και στατικών μηχανικών δοκιμών. Στόχος των παραπάνω δοκιμών είναι η καταγραφή των κυρίαρχων τύπων θραύσης, η οποία πρόκειται να συμβάλλει στην κατανόηση της συμπεριφοράς των ορειχάλκινων ράβδων κατά την κοπή. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε στατιστική μη παραμετρική μελέτη της κατεργασιμότητας μεταξύ των εξεταζόμενων κραμάτων, για την αριστοποίηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών της κατεργασίας (Μορφολογία Αποβλίττου Κοπής, Ισχύς Κοπής, Δύναμη Κοπής και Τραχύτητα Επιφάνειας Κατεργασμένου Δοκιμίου). Τέλος, γίνεται μία πρώτη προσπάθεια ανασχεδιασμού της παραγωγικής διαδικασίας, μέσω πραγματοποίησης κατάλληλων θερμικών κατεργασιών, των μη μολυβδούχων κραμάτων, με στόχο την τροποποίηση της μικροδομής τους προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η κατεργασιμότητα σε κοπή.