“Rz = 4*Ra” és egyéb érdességi értelmezések a forgácsolt felületek értékelésében

 

 Dr. Palásti-Kovács BélaDr. Sipos SándorDr. Czifra Árpád
c. egyetemi tanár, ÓE, BGK/ Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézet
mestertanár, ÓE, BGK/ Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézetegyetemi docens, ÓE, BGK/ Gépszerkezettani és Biztonságtechnikai Intézet

Napjaink ipari gyakorlata, illetve a közép- és felsőoktatási gépész szakemberképzés aktuális tananyagainak egy része is a címben szereplő, több, mint fél évszázada használt érdesség-átszámítási képletből indul ki. Jelen munkánk e képlet kapcsán több területet vesz vizsgálat alá. Bemutatja azt, hogy a különböző forgácsolási eljárások más és más felületi mikrogeometriát és eltérő Rz/Ra-arányokat képeznek le. Rámutat arra, hogy a gyártás során a szerszámok éltartama alatt bekövetkező kopás és élváltozás a felületi mikrogeometriában jelentős magassági-, átlagos- és formai eltéréseket okoz. Példákon mutatja be az érdességmérési technika bizonytalanságait a valós és a szűrt felületi profilok kiértékelésekor.

A géptervezés területén is sok évtizede kialakult számítási módszerekkel találkozunk. A felületi mikrogeometria jellemzésének lényeges fejlődéséhez nem társult a tűrés és az érdesség kapcsolatának felülvizsgálata. Itt is még elfogadottan használnak régi Ra-Rz átszámításokat, pedig a felületi érdesség megválasztása egyike azoknak a feladatoknak, amelyek esetében azonnal jelentkezhet a gépszerkezetek működési hatékonyságának javulása. Az új ismeretek birtokában éppen ezért kíván gondos mérlegelést a felületi érdesség paramétereinek, illetve számértékeinek megfelelő alkalmazása.

Bevezetés

A géptervezésben és az alkatrészgyártásban a felületi minőség szerepe napjainkra kiemelkedően fontossá vált. Egymással kapcsolódó gépelemek működésének, tribológiai viselkedésének megismerésére irányuló kutatásokban a felületi minőség jobban kézben tartható és mérhető oldala, a mikrogeometria (érdesség, hullámosság) széleskörűen megjelenik. Figyelembe is vesszük ezeket a méretezési eljárásokban, géprajzi előírásokban, modellek megalkotásában. A rendelkezésére álló vonatkozó érdességi szabványok (ISO 4287:1997) a paraméterek széles skáláját tárják a mérnökök elé a műszaki rajzi előírásoknál. Több átfogó hazai munka [1, 2] ugyanakkor arra mutat rá, hogy hazai és nemzetközi viszonylatban egyaránt, az ipari gyakorlat továbbra is szinte kizárólag az Ra és Rz paramétereket alkalmazza a működő felületek minősítésére.

Ezek az ún. magassági paraméterek (Ra, Rz) a tervező és gyártó mérnökök számára évtizedek óta jól ismertek, méretezési modell alapjául szolgálnak, ismert és kipróbált megmunkálási tapasztalatot tükröznek, így alkalmazásuk megbízható megoldásként kínálkozik. A gyártástechnológia és a felületalakító eljárások dinamikus fejlődésével azonban olyan új – jellegükben és minőségükben más – tudatosan tervezett és gyártott műszaki felületek jellemzik gépeinket, melyeknél a korábban jól bevált elvek érvényüket vesztik, vagy átgondolásra szorulnak. Munkánkban ezen megfontolások újraértelmezésére adunk néhány példát.

Mit mutat az ipari gyakorlat?

A XXI. század gyártástechnológiájának emelt szintű minőségi követelményei azt indokolják, hogy műszaki szakembereink az érdességet ne csak az Ra vagy Rz érdességi paraméterrel azonosítsák, hanem a gyártmányok javításának lehetőségeit a kapcsolódó felületek "mélyebb" minőségi jellemzőiben is keressék. Az ipari gyakorlat azonban mást mutat (1. ábra) [3].

Az ipari gyakorlatban mért/alkalmazott érdességi paraméterek [3]

1. ábra Az ipari gyakorlatban mért/alkalmazott érdességi paraméterek [3].

A globalizált világ gyártástechnológiájában is azt látjuk, hogy a magassági paraméterek (Ra, Rz, Rt, Rp) dominánsak és a működési viselkedést jobban leíró jellemzők még mindig a háttérbe szorulnak. Az alkatrészrajzok többnyire csak egy paramétert tartalmaznak, így felmerül a kérdés: Lehet-e megnyugtatóan átszámítani egyiket a másikba? Van-e egy adott képlettel leírható összefüggés megmunkálásnál, pl. az Ra és Rz között?

A címben is szereplő „Rz=4Ra“, vagy „Rz=4,5Ra“, legalább hat-hét évtizede meghatározója a szakmai képzésnek és a gyártástechnológiai gyakorlatnak. Elvétve megjelennek e szemléletet felülbíráló, módosító szakmai közlemények is [4, 5, 6], de igazi áttörést ezek még nem tudtak hozni. Ha megvizsgáljuk az általunk különböző megmunkálási eljárással készített felületek érdességét, akkor az 1. táblázat szerinti értékeket kapjuk. Látható, hogy jelentős különbségek adódnak az Rz/Ra viszonyra, mivel a mért értékek itt 4,91 és 9,2 között szóródnak.

1. Táblázat Különböző megmunkálási eljárással készített felületek érdessége

Horonymart felület

Vízsugárvágott felület

Köszörült marószár

Szuperfiniselt tengely

Ra

Rz

Rz/Ra

Ra

Rz

Rz/Ra

Ra

Rz

Rz/Ra

Ra

Rz

Rz/Ra

0,39

2,09

5,36

2,36

11,58

4,91

0,15

1,3

8,67

0,05

0,46

9,2

0,31

1,72

5,55

3,86

20,45

5,3

0,15

1,29

8,6

0,07

0,53

7,57

0,29

1,69

5,83

4,08

28,52

6,99

0,15

1,25

8,33

0,07

0,53

7,57

Mindez arra utal, hogy a szerszámélek, a forgácsolástechnológiai adatok, valamint a megmunkálási rendszer és annak környezete nagyon változó mikrogeometriai jellegzetességeket mutató felületet adnak eredményül. A 2. ábra esztergált, szikraforgácsolt, köszörült és szuperfiniselt felület mikrogeometriai profilját mutatja. Mindegyiknél jól elkülöníthetők a jellegzetességek, ami azt is előrevetíti, hogy egymástól jelentősen eltérő alaki jegyekkel és természetesen eltérő Rz/Ra viszonnyal rendelkező felületekről van szó.

Mart felület, ra=0.36 μm, rz=2.11 μm

Mart felület, Ra=0.36 μm, Rz=2.11 μm

Szikraforgácsolt felület, ra=0.43 μm, rz=2.95 μm

Szikraforgácsolt felület, Ra=0.43 μm, Rz=2.95 μm

Köszörült felület, ra=0.39 μm, rz=3.00 μm

Köszörült felület, Ra=0.39 μm, Rz=3.00 μm

Szuperfiniselt felület, ra=0.38 μm, rz=3.16 μm

Szuperfiniselt felület, Ra=0.38 μm, Rz=3.16 μm

 

2. ábra Felületérdességi profilok lönböző megmunkálásoknál, Ra=0,36…0,43 μm, Rz/Ra=5,8…9,5

Forgácsolási tapasztalataink

Az elmúlt években számos kísérletet végeztünk különböző forgácsolhatóságú munkadarab anyagokon a legkorszerűbb konstrukciójú és anyagú szerszámok felhasználásával.

Korszerű műszaki műanyagok esztergálása

A simítóesztergálás jelleggel végrehajtott forgácsoláskor a műanyag anyaga, illetve reológiai tulajdonságai döntően befolyásolják az esztergált felület érdességét. Kis fogásvételek (a=0,5 mm) esetén az előtolás növelésével egyes anyagoknál alig változik (PET, POMC), más anyagféleségeknél (PA6, PEEK) pedig egyértelműen csökken az Rz/Ra arány. Az esztergált anyag minőségétől, a beállított forgácsolási adatoktól függően ez a viszonyszám 3,4 – 7,5 között változik. A szisztematikusan lefolytatott vizsgálatból néhány kiragadott példa a 3. ábrán látható.

Rz/Ra viszony alakulása műanyagok simítóesztergálásakor Rz/Ra viszony alakulása műanyagok simítóesztergálásakor [7]

3. ábra Rz/Ra viszony alakulása műanyagok símítóesztergálásakor [7]

Környezetbarát esztergáláskor mérhető eredmények

A környezetbarát forgácsolás (geen machining) változatai nem vagy csak minimális szennyeződést okoznak. Esztergálási vizsgálatunkban a levegővel történő hűtés különböző módozatok közül ötfélét (száraz forgácsolás, sűrített levegős hűtés, N2 gáz 6 bar nyomással történő adagolása, sűrített-hűtött levegő befúvása CAG készülékkel) alkalmaztunk. A TaeguTec (Dél-Korea) cég K20 anyagú alaplapkáira a Platit AG (Svájc) vitt fel korszerű (μAlTiN) PVD-bevonatot. A 4. ábrából az derül ki, hogy bár mindegyik hűtési módszer hasonló jellegzetességű felületet állít elő, az Rz/Ra arányok mégis 6,5 … 3,9 között változnak. A változás jellege egyértelmű, a modellezés hatványfüggvény regresszióval nagy biztonsággal és reprodukálható módon elvégezhető.

Rz/Ra viszony alakulása környezetbarát forgácsoláskor

4. ábra Rz/Ra viszony alakulása környezetbarát forgácsoláskor

A szerszámkopás hatása edzett felületek esztergálásakor

Edzett acélok hosszesztergálását végző kerámia és köbös bórnitrid lapkák elhasználódása a felület mikrogeometriájának megváltozását vonja maga után. A diagramokból a következők szűrhetők le: a wiper geometriájú élkialakítású kerámialapka a kopás első perceiben 4,3 körüli, a markáns hátkopás bekövetkezésekor pedig 6 … 7,5 közötti Rz/Ra arányú felületet állít elő. A szerszámél további elhasználódásakor kialakul egy vasaló élszakasz, ennek következtében a szóban forgó arány csökkenése tapasztalható (5/a. ábra).

Rz/Ra viszony alakulása a szerszám kopási folyamata alatt Rz/Ra viszony alakulása a szerszám kopási folyamata alatt

5. ábra Rz/Ra viszony alakulása a szerszám kopási folyamata alatt

Az ISO kialakítású köbös bórnitrid lapka elhasználódásának első perceit (bekopás szakasza) az Rz/Ra arány mérséklődése jelzi, ezt követően - az él csipkézettsége következtében - az Rz/Ra arány 4,5-ről 6,2-re növekszik. Az él állapotát tükrözi a hátkopás mérete és jellege, ez pedig szorosan összefügg a magassági paraméterek arányával. Az élváltás jelenségének [8] bekövetkezése (tc=8 min) után a forgácsolt felület jellege folyamatosan változik, ahogy szintén egy vasaló élszakasz kezd kialakulni, majd egy újabb élváltás következik be ez okozza azt, hogy az Rz/Ra arány 5…6 között ingadozik (5/b. ábra).

Régebbi vizsgálataink felületérdességi profilképei kifejezően mutatják a forgácsolási idő alatt bekövetkező, igen jelentős változásokat, amelyeket a szerszámél és a hátfelületi kopás folyamatos (kézben nem tartható) módosulása idéz elő (6. ábra).

A felületérdességi profil változása a szerszám éltartama alatt

6. ábra A felületérdességi profil változása a szerszám éltartama alatt [1]

2. Táblázat: Ra, Rz és Rz/Ra változása a forgácsolási idő függvényében [1]

vc=250 m/min

rε=0,8

a=0,4

f=0,1 mm


vc=250 m/min

rε=0,8

a=0,4

f=0,15 mm

tc – forg. idő

Ra

Rz

Rz/Ra arány


tc – forg. idő

Ra

Rz

Rz/Ra arány

Elméleti érték

0,4

1,56

3,9


Elméleti érték

0,88

3,66

4,2

0 perc

0,65

3,63

5,6


0 perc

1,3

6,04

4,6

1 perc

0,74

3,7

5,0


1 perc

1,34

5,83

4,4

2,5 perc

0,69

4,33

6,3


2,5 perc

0,95

5,71

6,0

5 perc

0,86

4,7

5,5


5 perc

0,82

5,83

7,1

10 perc

1,18

6,31

5,3


10 perc

0,71

4,26

6,0

15 perc

1,59

9,75

6,1


15 perc

1,2

8,01

6,7

20 perc

1,91

9,06

4,7


20 perc

1,5

8,34

5,6

Max-mért

1,91

9,75

6,3


Max-mért

1,5

8,34

7,1

Min-mért

0,65

3,63

4,7


Min-mért

0,71

4,26

4,4

Max-Min-arány

2,9

2,7

1,3


Max-Min-arány

2,1

2,0

1,6

A 2. táblázat a vizsgálatokból néhány jellegzetes Ra, Rz és Rz/Ra változási sort mutat be. Nem általánosítható, de vélelmezhető az a jelenség, hogy az érdességi profilt meghatározó csúcssugár-rész a hátkopás következtében közel egyenesre kopott (2,5-10 min között), majd a mellékél fokozott szélkopása eredményeként újra növekedni kezdtek az érdességcsúcsok.

Az elvégzett vizsgálatokból egyértelműen kiderül, hogy a kopásviszonyoktól függően az Rz/Ra arány 4,4 … 7,1 között változik, azaz az elhasználódás során a vizsgált arány 30-60%-os változást mutat. A forgácsolt felület minimális és maximális Rz értéke 200-270%-os, az átlagos érdesség pedig még ennél is nagyobb, 210-290%-os értékhatárok közötti változást mutat. Ezen utóbbi változások érdességi osztály átlépést jelentenek, ami viszont már komoly minősítési problémákat vethet fel!

Alkalmazási, mérési és kiértékelési tapasztalataink

Az Ra és Rz értékek ismerete az alkatrészek illesztésénél komoly szerepet kap. A megadott tűréshez tartozó felületi érdességet azonban hol az Ra, hol pedig az Rz értékére vonatkoztatva adják meg a szakirodalomban:

Ra= kTn,    (1)

ahol T a tűrésnagyság, k=0,02 finom; 0,04 közepes; 0,08 durva fokozatra; n=0,8 mindhárom fokozatra,

illetve Rz = 0,1T (Rz = 0,05T finom, Rz = 0,2T durva megmunkálásnál),     (2)

vagy az UNI 3963 olasz szabvány szerint Rt=0,25T (durva), Rt=0,125T (finom fokozatnál).    (3)

Mivel a körülbelül azonos Rz értékekkel rendelkező különböző megmunkálások felületi érdessége más és más magasságokban éri el az 50%-os hordképet, ebből következően az azonosnak vélt illeszkedés jelentősen eltérő lesz (7. ábra).

Köszörült illetve esztergált felület várható alakulása az 50%-os hordképnél

7. ábra Köszörült illetve esztergált felület várható alakulása az 50%-os hordképnél

Az egyes megmunkálások érdességi profilgörbéiből adódó sajátosságok nagyban befolyásolják a működést (lásd 7. ábra). Ebből az következik, hogy például egy köszörült felületen kisebb kopás esetén jön létre az 50%-os hordkép, azaz a szükséges megfelelő működő felület. Ezáltal kevésbé változik az illesztés jellege az alkatrész működése közben vagy az összeszerelése után.

Működő műszaki felületek érdességének és a gépelemek méretezésének talán legjellemzőbb, de mindenképpen legismertebb kapcsolatát siklócsapágyaknál találjuk. Folyadékkenésű csapágyak hidrodinamikus méretezése a mérnöki gyakorlatban évtizedek óta ismert és alkalmazott. A minimális kenőfilm vastagság meghatározása a kapcsolódó csapágy-tengelypár felületi érdességének függvényében az (4) egyenlet szerint történik.

h0=(Rt1+Rt2+f1+f2) x    (4)

ahol Rt1 és Rt2 a tengely és a persely maximális érdessége (és a szakirodalmi ajánlás szerint “Rt≈4.5Ra forgácsolt fémfelületekre”),f1 és f2 a rugalmas deformációk,

x üzembiztonsági szorzótényező (értéke: 1,2…4) [9].

Megvizsgáltuk a kereskedelemben beszerezhető siklócsapágyak felületi érdességét. A 8. ábra egy acélperselyes bélésfémes és egy szinterbronz csapágy érdességi profilját mutatja és a felületek néhány érdességi paraméterét foglalja össze.

Siklócsapágy érdességi profilja és jellemző paramétereiszinterbronz (balra), bélésfémes acélpersely (jobbra) - ra= 3.77 µm, rz= 30.96 µm, rz/ra= 8.21

Ra= 3.77 µm, Rz= 30.96 µm, Rz/Ra= 8.21

Siklócsapágy érdességi profilja és jellemző paramétereiszinterbronz (balra), bélésfémes acélpersely (jobbra) -ra= 0.19 µm, rz= 1.47 µm, rz/ra= 7.74

Ra= 0.19 µm, Rz= 1.47 µm, Rz/Ra= 7.74

8. ábra Siklócsapágy érdességi profilja és jellemző paraméterei - szinterbronz (balra), bélésfémes acélpersely (jobbra)

Mindkét vizsgált felület – és számos további példa is – azt igazolja, hogy az ipari gyakorlat átvette a modern tribológia eredményeit: a felület csúcszónája kedvező teherviselési képességekkel rendelkezik (nagy, negatív Rsk), a völgyzóna mély „kráterekkel” tarkított a megfelelő kenőanyagmegtartó képesség biztosítására. A felületeket jellemző Rz/Ra viszony mindkét esetben nagyobb mint 4,5, sőt a 7-szeres értéket is jelentősen meghaladja. Siklócsapágyak esetén a persely forgácsolással vagy öntéssel történő kialakítása (ami 70 évvel ezelőtt még mindennapi volt), mára már kiszorult a gyakorlatból. Új – kedvezőbb működési tulajdonságokat eredményező – technológiák vették át a helyüket. A hidrodinamikus méretezési elv ugyanakkor változatlan maradt. A megfelelő alkalmazáshoz nem pusztán az Rz/Ra viszonyszámot kell módosítsuk, hanem a felület jellemzők újragondolása is szükséges. Erre mutat példát a 9. ábra. Miközben a két felület átlagos érdessége gyakorlatilag azonosnak tekinthető, a jobb oldali felület Rz-je lényegesen nagyobb; kisebb Rp értékével azonban mégis ez tekinthető a kedvezőbb működő felületnek.

Melyik a kedvezőbb működő felület...?

9. ábra Melyik a kedvezőbb működő felület...?

Ugyancsak fontos tényező – mely gyakran meg sem jelenik a műszaki rajzokon – hogy a felület geometriai minőségét nem pusztán annak érdessége jellemzi, hanem további geometriai eltérések is. Ezek együttese jellemzi a felületi mikrogeometria „névleges” alaktól való eltérését. A DIN 4760 hat különböző rendű eltérést különböztet meg, amelyek közül kiemelendő az alakhiba, a hullámosság, az érdesség és a szubmikroérdesség. Az alakhiba és az érdesség valamilyen formában megjelenik a rajzokon. A szubmikorérdesség (nanoérdesség) műszaki jelentősége napjaink kutatási területei közé tartozik, ezen típusú eltérésnek sok esetben még nem ismerjük a pontos hatását és a vonatkozó irányelvek is hiányoznak.

Klímakompresszorház mikrogeometriája keményfémmel (fent) és gyémánt lapkával (lent) finomesztergálva

10. ábra Klímakompresszorház mikrogeometriája keményfémmel (fent) és gyémánt lapkával (lent) finomesztergálva

Értékelés: az érdességet és a hullámosságot is magába foglaló teljes (P) profil szerint

A hullámosság egy olyan mikrogeometriai eltérés, amelynek nagyon komoly hatása lehet a szerkezetek helyes működése szempontjából, mégis, alig-alig találunk erre vonatkozó előírást [10]. Ez jórészt annak köszönhető, hogy „hagyományosan” a hullámosság lényegesen kisebb mint az érdesség, így „elhanyagolható tényezők” kategóriába kerül. A gyártástechnológia fejlődése az érdesség csökkentésének irányában fejlődött, míg sokkal kisebb hangsúlyt fordított a hullámosság kiküszöbölésére. Így mára egy-egy felület hullámossága nagyságrendileg az érdesség szintjét éri el (sőt a W paraméterek akár meg is haladják azt), ezzel potenciális jelentősége is megnőtt. Erre mutat érzékletes példát a 10. ábra.

Összegzés, javaslatok

Ha az Ra vagy az Rz értékekből származtatjuk az általunk használni kívánt paramétert, akkor megmunkálásonként is széles tartományban mozoghatnak az értékek. Az általánosan használt összefüggések nem mindig adnak megfelelő eredményt, így megengedhetetlenül nagy hiba adódhat.

Fontos működési esetben célszerű az Ra-tól és az Rz-től különböző, esetenként egyszerre több paraméter megadása is. Mindezt a megmunkálás típusa is befolyásolja, így tisztában kell lennünk azzal, hogy az alkalmazott technológia milyen módon befolyásolja a majdani működést.

A felületi érdesség önmagában nem jellemzi a működő, az illeszkedési kapcsolatban résztvevő felületi mikrogeometriát, mivel (a szűrés hatására) jelentősen eltérhet a valós felülettől. Megfontolandó a hullámosságot is magába foglaló teljes (P) profil jellemzőinek használata, amely jobban kifejezi a működő felületek kapcsolatát.

„A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. (TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 Kritikus infrastruktúra védelmi kutatások)”

Irodalomjegyzék

  1. Palásti-K, B.: Forgácsolással megmunkált felületek mikrogeometriájának értékelése, Kandidátusi értekezés, MTA- Budapest, 1984

  2. Horváth, S.: A felületi hullámosság 2D-s és 3D-s jellemzése, a működési tulajdonságokra gyakorolt hatásának vizsgálata és elemzése, PhD értekezés, ZMNE – 2008

  3. L. De Chiffre, P. Lonardo, H. Trumpold, D. A. Lucca, G. Goch, C. A. Brown, J. Raja, H. N. Hansen, Quantitative Characterisation of Surface Texture, Annals of CIRP, Vol. 49/2, p. 635-652.

  4. Palásti-K, B.: Az érdességi jellemzők információtartalma, Gép, 1992/5. p. 30-36.

  5. Andó Mátyás: Felületi érdesség, Budapest 2010-Gépész Tuning Kft.

  6. Sipos, S. – Biró, Sz. – Tomoga, I.: A termelékenység ée a minőség egyidejű növelése WIPER élgeometrival Gépgyártás, XLVI. évf., 2006/4. p. 17-24.

  7. Különféle műanyagok esztergálásakor nyert felületek érdességnek vizsgálata, Kutatási jelentés, Budapest, 2006. Témavezető: dr. Sipos Sándor

  8. R. Horváth - Sz. Biró – S. Sipos.: New results on wear mechanisms of PCBN inserts inhard turning The 6th Int. Scientific Conference DEVELOPMENT OF METAL CUTTING, DMC-2007, Kosice 15-16. 11. 2007. p. 85-90. ISBN 978-80-8073-858-7

  9. Zsáry Á.: Gépelemek II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1990.

  10. Horváth, S., Czifra, Á.: The importance of waviness in study of microtopography of cutting surface, DMC 2005, Development of Metal Cutting, Kosice, 12-13 September 2005. p.:H 1-4, ISBN 80-8073-303-1

A szerzők:

Óbudai Egyetem, Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar

1081 Budapest, Népszínház u.8.

palasti@uni-obuda.hu, sipos.sandor@bgk.uni-obuda.hu, czifra.arpad@bgk.uni-obuda.hu