Menetformázók teljesítménynövelése optimalizált bevonatok alkalmazásával

Tállai Péter1 - Csuka Sándor2 - dr. Sipos Sándor3

Absztrakt

A szerszámipar vezető vállalatai a különböző szerszámgeometriákat jól uralják. A legnagyobb ütemű fejlődés a bevonatok terén tapasztalható, ennek ellenére azt lehet megfigyelni, hogy a bevonatfajták csupán néhány, ámde széles körben alkalmazható minőségre korlátozódnak.. Felhasználói oldalról ennek nagy előnye az, hogy könnyebb a választás. Az általánosan alkalmazott bevonatrendszereknél azonban sokkal jobb megoldást kínálnak az egyedi alkalmazásokra kifejlesztett bevonatok. Az optimalizált bevonatminőségek fejlesztésével foglalkozó Platit AG. ilyen vizsgálatok elvégzésére kérte fel Szakcsoportunkat. Az alábbi tanulmány a menetformázókkal elért kísérletek eredményeit összesíti.

1. A menetformázás sajátosságai

A menetformázás a menetfúrás technológiai alternatívája. A fejlett bevonatoknak és szerszámanyagoknak köszönhetően olyan nagyteljesítményű formázók jelentek meg a piacon, amelyekkel bizonyos körülmények között nagyobb produktivitást érhetünk el úgy, hogy a szerszámok élettartama a nagyobb sebességek ellenére is többszöröse a menetfúrókénak [1, 2].

A menetfúrással szemben a menetformázásnak az alábbi előnyei vannak:

  • nincs forgács, amelynek kihozatala (terelése) a furatból menetfúráskor sok problémát okoz [3],

  • egy geometria alkalmas zsák-, illetve átmenőfuratokhoz,

  • a hidegalakításnak köszönhetően a menet szilárdsága növekszik (ez pedig elsősorban kis átmérőjű menetek esetén nagy jelentőségű, 1. ábra),

  • akár kétszeres sebességgel is lehet formázni a menetfúráshoz képest úgy, hogy ráadásul az élettartam is növekszik,

  • ugyanaz a befogókészülék alkalmazható, amely menetfúráskor (nincsenek különleges igények).

1. ábra a forgácsolt és a formázott menetek közötti különbség (balra: forgácsolt)
1. ábra A forgácsolt és a formázott menetek közötti különbség

(balra: forgácsolt)

Hátrányként kell megemlíteni, hogy a szerszámgyártók nagy szakítószilárdságú (>1400 N/mm2) és kis szakadási nyúlású (<5%) anyagok, illetve műanyagok formázását nem ajánlják. Az 1200 N/mm2 szakítószilárdság feletti acélok, titán- és nikkelötvözetek esetén a minimálkenés helyett 10%-os emulziós kenést javasolnak.

Menetformázásnál is szükség van magfuratkészítésre, azonban a szükséges furatméret eltérő. Például az M6x1 menet esetén menetfúráskor a magfurat átmérője 5 mm, ha formázzuk a menetet, akkor viszont Ø5,55 mm. A menetformázás érzékenyebb a magfurat átmérőjére és alakhűségére. Ha a magfurat kisebb a megengedettnél, akkor nagyon megnő a nyomatékigény és csökken az élettartam. Ennek tükrében formázás esetén nagyobb gondot kell fordítani az előkészületekre.

2. A kísérletek célja és körülményei

A vizsgálatokat 5 különböző bevonattal rendelkező, M6x1 6HX (HSSE) menetformázón végeztük. A felvitt bevonatok típusai és fontosabb adatai az alábbiak:

#1 Eredeti (a gyártó által felvitt) TiN bevonat: 2-4 µm vastagságú 2300 HV keménységű,

#2 CrTiN (monolayer): 2,5 µm vastagságú (keménység: 38 GPa),

#3 Al0,6 Ti0,4N: 2,5 µm vastagságú (42 GPa),

#4 Al0,5Cr0,5N: 2,5 µm vastagságú (42 GPa),

#5 TiN: 2,5 µm vastagságú (38 GPa).

A #2 … #5 bevonattípusokat a Platit AG. leányvállalata (Pivot s.r.o, Sumperk, Csehország) vitte fel a natúr gyorsacél szerszámokra. A formázókat forgalmazó cég katalógusa alapján ez a szerszámkialakítás szerkezeti- és szénacélokhoz, ötvözött és ötvözetlen alumíniumhoz, valamint ötvözetlen rézhez alkalmazható. A megengedett formázási sebességtartomány: 12-25 m/min. A formázandó furat lehet átmenő- (> 1,5xd), illetve zsákfurat (> 2,5xd).

A kísérlet elvégzésekor a következő kérdésekre kerestük a válaszokat:

  • hol és milyen kopásforma alakul ki a formázókon és a bevonat típusa miként befolyásolja a formázó elhasználódását,

  • a különböző formázási sebességek miként befolyásolják a formázók viselkedését,

  • az általunk alkalmazott körülmények között melyik bevonat lesz az optimális,

  • hogyan viselkednek a formázók a nagy szakítószilárdságú anyag minimálkenéssel végzett formázásakor, illetve

  • milyen módon lehet a legjobban figyelemmel kísérni a formázók elhasználódását.

Az eredmények objektív kiértékeléséhez Kistler gyártmányú forgó nyomatékmérő segítségével minden 5. furatnál mértük a szerszámok nyomatékigényét, illetve 5-10 furatonként mikroszkóp alatt ellenőriztük a szerszámkopást. Tekintettel arra, hogy felhasználói oldalról nem kizárólag a szerszám viselkedése a mérvadó, hanem az elkészített menet minősége is, ezért a meneteket rendszeresen idomszerrel is ellenőriztük.

A vizsgálatra előkészített próbatestek 945 N/mm2 szakítószilárdsággal és 7,75%-os szakadási nyúlással rendelkező, előnemesített, 40CrMnMo7 (W. Nr. 1.2311) anyagminőségből készültek. Ezt a szerszámacélt az iparban fröccsöntő szerszámok és nyomásos öntőformák alapanyagaként széleskörűen alkalmazzák.

A formázást 1,5xd mélységű átmenőfuratokon végeztük. Ennél nagyobb formázási mélységhez már belső minimálkenés javasolt, tehát az általunk biztosított külső kenési forma már nem optimális [4]. Minden bevonatot 3 sebességszinten (14-20-25 m/min) vizsgáltuk úgy, hogy a minimálkenés körülményei változatlanok maradjanak. Az Intézet birtokában lévő minimálkenő berendezés (TKM (Németország) cég gyártmánya, típusa: HCS250) előkíséreltekből megállapított legkedvezőbb beállításai: belső nyomás 3 bar, külső nyomás 0,6 bar. (Ezzel az olajfogyasztást az optimális 15-20 ml/óra értéken tartottuk. )

3 A vizsgálatok eredményei

A vizsgálatok eredményei jól tükrözik az egyes bevonatok alkalmasságának különbségeit. Tapasztalataink alapján 20 m/min formázósebességnél a legjobban kiértékelhető eredményeket hozták a vizsgálatok. A kisebb (14 m/min) sebességen a szerszámok túl hosszú élettartammal dolgoztak, ezért (elsősorban anyag- és időmegtakarítási okokból) egy bizonyos furatszám fölött nem folytattuk a vizsgálatokat. A nagyobb (25 m/min) sebesség pedig egyes bevonatok esetén túl nagynak bizonyult, tehát a túlzottan kis furatszám miatt az nem használható ipari körülmények között.

A 2. ábra a menetformázás szakaszait, valamint a szerszámfogak kopását és a rezgések megjelenését mutatja. Az ábra bal oldala formázás időbeli alakulását együtt mutatja be a nyomatékmérő által felvett ún. nyomatéklefutási görbével,

  • 1. rész a felfutási szakasz, itt lép a formázó (3 menetemelkedésnyi) nagyoló része a furatba.

  • 2. rész a menet fokozatos kialakításához tartozó szakasz. A kis nyomatéknövekedés azért tapasztalható, mert a formázó felületének egyre nagyobb hányada súrlódik a furatfalon.

  • 3. rész az ún. reverzálási szakasz. A reverzálás forgásirány-váltás, amely után a formázó kicsavarodik az elkészült menetfelületből. A nyomaték negatívvá válása a forgásirányváltás következménye, nagysága pedig azt tükrözi, mennyire súrlódik a formázó kiforgatás során a menetben.

A 2. ábra jobb oldalán olyan nyomatéklefutás látható, ahol a formázó már nagymértékben elkopott és ennek következtében a rezgés is megjelent.

2. ábra a nyomatéklefutási görbe részei
2. ábra A nyomatéklefutási görbe részei, rezgés megjelenése a kopás miatt

Azt tapasztaltuk a tesztek során, hogy mindegyik formázó viszonylag nagy nyomatékkal kezdett dolgozni. A kezdetben mért értékek 10-20 furat elkészítése után lecsökkentek, majd mérsékelten, de - a kopás növekedésével - ismét emelkedni kezdtek. A drasztikus nyomatéknövekedés és a rezgés megjelenése abban az esetben következett be, amikor a formázók mindegyik ún. formázósorán (3. ábra) kialakult a kritikus kopás.

3. ábra a formázószerszám felépítése: a formázósorok értelmezése (metszet) 3. ábra a formázószerszám felépítése: a formázósor és formázóékek (felülnézeti kép)
3.ábra A formázószerszám felépítése

    Bal oldal: a formázósorok értelmezése (metszet)

    Jobb oldal: a formázósor és formázóékek (felülnézeti kép)

A teljes vizsgálati eredménysor bemutatására - terjedelmi korlátok miatt - nincs lehetőségünk. A 4. ábra egy kiragadott példán keresztül a CrTiN bevonatú szerszám formázósorain mért legnagyobb kopásokat szemlélteti a megmunkált furathossz függvényében 20 m/min sebesség esetén A kopások többnyire mindegyik nagyoló formázóéken (azaz a szerszám első 3 menetemelkedésén) kialakultak. Tapasztalataink azt mutatják, hogy az M6 méretű szerszámon elegendő csak a legnagyobb mérhető értéket figyelni, mert az kellő pontossággal tükrözi a szerszám állapotát ilyen vizsgálati körülmények között. A diagramon bejelölt vastag vonal azt a kopáshatárt (1,5 mm) mutatja, amelyet ha mindegyik formázósoron meghalad a mért maximális kopás, akkor pár furaton belül várhatóan tönkremegy a szerszám.

4. ábra crtin bevonatú formázókon mért maximális kopások 5. ábra a maximális nyomaték alakulása az összegzett kopás függvényében

4. ábra CrTiN bevonatú formázókon mért maximális kopások

5. ábra A maximális nyomaték alakulása az összegzett kopás függvényében

Az 5. ábrán a maximális nyomaték látható az összegzett maximális kopás függvényében. A folyamatos görbe vonal a mért pontokra illesztett görbe, aminek a korrelációja 99%. Ez alapján joggal feltételezhető, hogy ilyen körülmények között a kopás és a nyomaték között szoros és egyértelmű kapcsolat van. Ezt a kijelentést azonban más konstrukciójú és méretű szerszámokra általánosítani nem lehet, mert ahhoz még több ellenőrző vizsgálatra volna szükség. Az is látható, hogy a két utolsó nyomatékmérési érték között (bekarikázott terület) hiányoznak a mért eredmények, azaz a köztes rész "viselkedéséről" nincs információ. A megalapozottabb következtetések levonásához ezért ezt a zónát alaposabb vizsgálat alá kell vonni.

A vizsgálatok fő célja a bevonatok teljesítőképessége közötti különbségek megállapítása volt. Erre a legalkalmasabb jellemző a megmunkált menetek száma. A 6. ábrán a maximális mért nyomatékok láthatók a menetszám függvényében. A diagramon vastag vonal mutatja azt a maximális 8,5 Nm nyomatékot, amelyet, ha átlépünk a megmunkálás alatt, akkor várhatóan a szerszám tönkremenetele pár furaton belül bekövetkezik. Az ábrából világosan kitűnik, hogy a megmunkált furatszámok között (a bevonati réteg típusa miatt) akár négyszeres különbség is lehetséges.

6. ábra maximális nyomatékok 20 m/min formázási sebesség esetén 7. ábra kopásintenzitások 20 m/min formázási sebesség esetén

6. ábra Maximális nyomatékok 20 m/min formázási sebesség esetén

7. ábra Kopásintenzitások 20 m/min formázási sebesség esetén

A bevonatok közötti különbségek jól számszerűsíthetők az ún. kopásintenzitás mértékével, amelyet az alábbi képlettel számíthatunk:

Kopásintenzitás[μmmm]=Formázósorokösszegzettmaximáliskopása[μm]Formázotthossz[mm]

A 7. ábra a kopásintenzitásokat szemlélteti a formázási hossz függvényében. Egyértelműen kitűnik az AlTiN bevonatú szerszám a nagyfokú és ingadozó kopásintenzitásával. A többi bevonat kb. 60%-kal kisebb és szinte állandó kopásintenzitással dolgozott. Ez a körülmény lényeges a szerszámok tervezhető kopásának és állapotfelügyeletének szempontjából.

Összegzés

A célkitűzéseinkben megfogalmazott kérdésekre az alábbi válaszokat kaptuk:

  • A kopások megjelenési helyének vizsgálatából egyértelműen kiderült, hogy - az éppen tesztelt bevonattól függetlenül - elsősorban a nagyoló formázóékek kopnak. Méréseink alapján az bizonyosodott be, hogy M6 méretű formázóknál 1,5 mm ívhosszban jelölhető ki az a maximális kopás, amelyet, ha minden soron túllép az elhasználódás mérete, akkor a szerszám hamarosan eléri teljesítőképességének határát.

  • Kiderült, hogy az eredeti - a gyártó által bevonatolt - szerszám teljesítőképessége alulmarad a Platit által bevonatolt szerszámokhoz képest (amely már a legkisebb, 14 m/min sebességen is egyértelműen megmutatkozott).

  • A formázási sebességek növelése ilyen vizsgálati körülmények között drasztikusan csökkenti az elérhető furatszámokat, ezért 25 m/min már túlzottan nagy érték.

  • A formázók kopottsági állapotát nyomatékméréssel nagyon jól lehet követni. Kutatásainkból kiderült ugyanis, hogy mindegyik szerszám esetén 8,5 Nm az a felső nyomatékhatár, amely felett már várható a szerszám tönkremenetele.

  • A vizsgálati eredményeink egyértelműen rámutattak arra, hogy a jól megválasztott (feladathoz optimalizált) bevonattal olyan eredményeket érhetünk el, amelyeket univerzális ("gyári") bevonattal meg sem tudunk közelíteni. E megállapításunkat jól alátámasztja az a tény, hogy amíg a gyári bevonat 14 m/min sebességen mindössze 15 menetet tudott elkészíteni, addig az AlTiN és AlCrN bevonatok 500 furat fölött tudnak teljesíteni.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetet mondanak Dr. Cselle Tibornak, a Platit AG. igazgatójának sokoldalú támogatásáért és az eredmények publikálásának engedélyezéséért.

Irodalomjegyzék

  1. T. Cselle: Dedication-Integration-Open Source: New Rules in the Coating Industry (and in progressive economics), Werkzeug Technik, 15 July 2011, Nr. 120b, pp. 22
  2. J. Destefani: Don't Cut Threads--Form'Em In the right application, thread forming can boost quality and throughput, Manufacturing Engineering April 2004 Vol. 132 No. 4 (www.sme.org)
  3. Halász G., Pálinkás T., dr. Sipos S.: Korszerű menetfúrók környezetbarát alkalmazása Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek, 2011. p. 3-9.
  4. Walter Product Handbook (Drilling&Threading) The Perfect Thread, pp. 62.