Korszerű menetfúrók környezetbarát alkalmazása

Halász Gábor 1Pálinkás Tibor 2 – dr. Sipos Sándor 3

1 – intézeti mérnök
2 – gépészmérnök
3 – mestertanár

ÓE, BGK/Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézet

Absztrakt

A korszerű menetfúrók helyes megválasztása és szakszerű alkalmazása elsőrendű követelmény a folyamatbiztonság, a fokozódó gyártmányminőség és a gyártás költségeinek minimalizálása szempontjából. A végrehajtott kísérletsorozat rangsorolja a tesztelt szerszámok forgácsolóképességét. Emellett arra is választ ad, mely szerszámok felelnek meg leginkább a környezetbarát forgácsolás kritériumainak.

Bevezetés

A menetfúrók innovációs eredményeit manapság a fejlett szerszámkonstrukció, a korszerű szerszámanyag és bevonati rétegek jellemzik. A feladatnak (azaz zsák- és átmenőfurat) megfelelő szerszámválasztás és a folyamat sajátosságait figyelembe vevő alkalmazás kedvező műveleti költségeket eredményez. A gazdaságos gyártás mellett manapság egyre inkább előtérbe kerül a megfelelő folyamatbiztonság igénye is, amely szoros összefüggésben van a gyártmányminőséggel is.

A menetfúrási művelet termelékenysége és gazdaságossága azonban nem csak a szerszámtól függ, hanem a gép állapotától, sőt a vezérlés korszerűségétől is. Ha például a gépen nem lehet a menetemelkedésnek megfelelő előtolómozgást programozni, akkor nagy axiális irányú elmozdulást lehetővé tévő befogóeszközre (alapbefogóra és biztonsági tengelykapcsolóval ellátott betétre) van szükség, amikor a főorsó a menetfúrási ciklusban forgásirányt vált. A mai, modern CNC-gépeken már csak minimális tengelyirányú elmozdulás fordulhat elő a forgásirányváltás következtében, amely a szerszámra ható erőket korlátozza, ezért növekszik a menetfúró tartóssága, sőt, a megmunkálás pontossága is.

Az Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépészmérnöki Karának Gépgyártástechnológiai Szakcsoportja több évtizede foglalkozik forgácsolószerszámok tesztelésével, főként egzakt (on-line) mérési eredményeken alapuló minősítésével. Ennek a tevékenységnek keretében számos felkérést kaptunk például különböző gyártmányú menetfúrók vizsgálatára.

1. Korszerű menetfúrók alkalmazásának vizsgálata

A vizsgálatok fő célja a tesztsorozatban résztvevő hétféle, különböző feladatra alkalmas, M10×1,5 méretű menetfúró összehasonlítása a forgácsolóképesség kiragadott jellemzőinek műszeres mérésével [1]. Ehhez az alábbi feladatok elvégzésére volt szükség:

  • a kipróbálásra kapott (és a választék teljessé tétele miatt megvásárolt további) menetfúrók működésének elemzése, különös tekintettel a szerszámra ható erőkre és a fellépő nyomatékigényre,

  • alternatív hűtő-öblítő-kenőközegek (HÖK) kipróbálása (gazdasági és környezetvédelmi megfontolásból), és végül

  • alkalmassági sorrend megállapítása a különböző gyártmányú menetfúrókra.

A menetfúrási kísérleteket a Gépműhelyben telepített Mazak Nexus 410A típusú megmunkáló-központon hajtottuk végre, amelynek Mazatrol vezérlése alkalmas programozott főorsó-előtolásra, azaz ún. szinkronmenetfúrásra. Forgácsolt anyagként króm-molibdénötvözésű szerkezeti acélt választottunk, amelyet nagy szívóssága miatt elterjedten alkalmaznak járműipari alkatrészek anyagaiként, elsősorban nemesített állapotban. A választás a 42CrMo4 (DIN szerint, W. Nr.: 1.7225) acélra esett, amely nemesítve HB 300 ±5 keménységű. A tesztszerszámok adatait az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat.

 

Felhasználás

Szerszámazonosító

Gyártó

zsákfurat

MGB-1 Enorm, DIN371, HSS-E, natúr

Emuge

MGB-1 Enorm, DIN371, HSS-E+TiN

MGB-1 Enorm-MULTI-NE2, DIN371, HSS-E+bevonatolt

átmenőfurat

M10, DIN371, HSS-E+TiCN

Narex

S20 21305-M10, DIN371, HSS-E+TiN

Prototyp

B1217-TCN, DIN371, HSS-E, gőzölt

Titex

B1248-TiN, DIN371, HSS-E PM+TiN

 

A vizsgálatok tesztek fő vizsgálati eszköze a KISTLER 9257A típusú forgó erő- és nyomatékmérő berendezés volt, amely számítógépre csatlakoztathatóan a Dynoware (Kistler AG) adatgyűjtő és kiértékelő szoftverrel együtt szolgál az adatfeldolgozásra. Az 1. ábrán a vizsgált szerszámok és a különleges befogóba rögzített nyomatékmérő képe látható.

A vizsgált menetfúrók és a nyomatékmérő  A vizsgált menetfúrók és a nyomatékmérő

1. ábra. A vizsgált menetfúrók és a nyomatékmérő

Menetfúrók hagyományos alkalmazása

A menetfúrók hagyományos alkalmazásán árasztásos hűtés-öblítés-kenést értünk, amelyet 35 liter/min folyadékhozam mellett, Aquamet 4HS BAF (AGIP) 4%-os emulzió felhasználásával végeztünk. A forgácsolási körülmények variálásával lehetőség nyílt a forgácsolósebességnek és a menetmélységnek a forgácsolási nyomatékra és előtolási erőre gyakorolt hatásának megismerésére, a mért értékek elemzésére.

A menetfúrók tesztjét – az esetleges geometriai és bevonatolási hibák felderítése céljából – a szerszámok előzetes vizsgálatával kezdtük. A furatelrendezési terv után Syrius200 típusú (gyártó: Tivoly SA, Franciaország) tömör keményfém csigafúróval készítettük el az ∅8,5 mm méretű magfuratokat.

A vizsgálatok során a zsákfuratok menetmélysége 10, 20 és 25 mm volt, az átmenőfuratokat 25 mm-es méretben készítettük el. A forgácsolósebességet 5…10 m/min értékhatárok között változtattuk.

A különböző feladatokra szolgáló menetfúrókat nem szabad összekeverni. Amennyiben például az átmenőmenet fúrására szolgáló szerszámokkal zsákfuratokat készítünk, akkor a főorsó forgásirány-váltásakor (ún. reverzáláskor) nem várt jelenség következhet be. A főorsó megállásakor ugyanis a szerszám már nem vágja el az abban a pillanatban képződő forgácsot, így a visszafelé forgáskor a forgács beszorul a szerszám és a munkadarab közé, ez pedig nagymértékű nyomatéknövekedést okoz és fogtöréshez vezet.

Menetfúrás zsákfuratokban

A zsákfuratok menetfúrását Emuge gyártmányú fúrókkal végeztük, mégpedig 1× d, 2 × d, valamint 2,5 × d menethosszban. Különböző (5 m/min, 7,5 m/min és 10 m/min) forgácsolósebességek beállítása mellett kísértük figyelemmel az előtolás irányú erő és a nyomaték alakulását.

különféle kiképzésű menetfúrók (vc 5 min/min)
A forgácsolósebesség hatása

a.) különféle kiképzésű menetfúrók (vc = 5 min/min)

b.) a forgácsolósebesség hatása

2. ábra. Emuge gyártmányú menetfúrók átlagos nyomatékigénye

A kapott eredmények azt mutatják, hogy a vizsgálati körülmények között a legnagyobb hatást a szerszám kiképzése és a menetmélység nagysága gyakorolja a mért jellemzőkre. A 2/a. ábra tanúsága szerint az átlagos forgácsolási nyomatékigény jelentősen függ a súrlódási körülményektől, amelyeket menetfúró bevonata határoz meg. Minél mélyebb a furat, annál nagyobb a forgácsolás nyomatékigénye. Ezt részben a kialakuló, egyre nagyobb méretű forgácstekercs és a szerszám közötti, illetve az egyre mélyebb furatban dolgozó szerszám és munkadarab felülete között kialakuló súrlódás okozza. Meglepő, hogy a legnagyobb nyomaték a TiN-bevonatú szerszámnál ébred. A 2/b. ábrán a forgácsolósebesség változásának hatása látható. Az alkalmazott kis sebesség esetén jóval nagyobb a forgácsolás nyomatékigénye, mint a 10 m/min érték beállításakor. Ennek az a magyarázata, hogy a forgácsolórész felületein található bevonat csak a megfelelő forgácsolósebességek tartományában fejti ki jótékony hatását.

Az axiális erőhatás a menetfúró sajátos kialakításának köszönhető: a forgácsot - a szerszám előtolási irányával ellentétesen – ki kell tolni a zsákfuratból. Ebből a célból a szerszámon kb. 45°-ban jobbra csavarodó forgácselvezető hornyokat alakítottak ki. A szinkronmenetfúrás egyik hátránya éppen a tengelyirányú erőhatás, amely a főorsó irányába hat és nyomó erőhatást fejt ki a megmunkálóközpont előtoló berendezésére. A szerszám kiképzésétől függően 50… 250 N átlagos erőket mérhetünk, a bevonatos minőségek esetében ezen erőhatások azonban lényegesen kisebbek.

Menetfúrás átmenőfuratokban

Az átmenőfuratok megmunkálását 3 cég négyféle szerszámával (lásd 1. táblázat) végeztük, mégpedig 2,5 × d hosszban, bőséges emulziós hűtés alkalmazása mellett. Tekintettel arra, hogy nem rendelkezünk a cégek írásos beleegyezésével, így a szerszámokat „A”, „B”, „C” és „D” jelöléssel látjuk el, de ezen betűk sorrendje nem egyezik meg a táblázatban felsorolt szerszámok sorrendjével.

Menetfúrás átmenőfuratokban - átlagos előtolás irányú erőhatások
Menetfúrás átmenőfuratokban - átlagos nyomatékigény

a.) Átlagos előtolás irányú erőhatások

b.) Átlagos nyomatékigény

3. ábra. Menetfúrás átmenőfuratokban

Az átlagos előtolás irányú erő és a forgácsolósebesség kapcsolata a 3/a. ábrán látható. A menetfúrási folyamat pozitív irányú, azaz húzó erőhatást fejt ki a szerszámra, a főorsóra és a szerszámgép előtoló berendezésére. Ez a jelenség a szerszámtípus sajátos kialakításának (a terelőélnek) köszönhető, hiszen a menetfúrónak a keletkező forgácsot az előtolás irányával megegyezően kell kitolni a furatból. A legnagyobb erő a „C” jelű menetfúrónál ébred, a legkisebb pedig a „D” szerszám alkalmazásakor keletkezik.

Az átlagos nyomaték és a forgácsolósebesség összefüggését a 3/b. ábra tünteti fel. A „B” jelű menetfúró a legkisebb sebességen nagy nyomatékkal forgácsol, majd a fordulatszám növelésével a nyomatékigény hirtelen lecsökken. Ez azzal magyarázható, hogy a szerszámon lévő bevonat inkább a növelt forgácsolósebességek tartományában fejti ki jótékony hatását. A „C” és a „D” típusú szerszámok nyomatékigénye a beállított adatok mellett közel azonos értékeket mutatnak. Az „A” szerszám az alkalmazás teljes tartományában szinte a legalacsonyabb nyomatékigényt produkálta, amely a sebesség növelésével még fokozatosan csökkenő tendenciát is mutatott.

2. Elektronikus digitális olajfogyásmérő, minimálkenő berendezéshez

A tulajdonunkban lévő minimálkenő berendezés a német TKM cég gyártmánya, típusa HCS250. A készülék sűrített levegő segítségével növényi olajokat porlaszt el, amely fúvókák segítségével közvetlenül a forgácsolószerszámra irányítható. A legtöbb szakirodalom szerint a felhasznált mennyiség jellemzően 5…50 ml/h. A hagyományos, árasztásos technológiával végzett hűtés-kenés alkalmazásakor a folyadékhozam elérheti vagy akár meg is haladhatja az 50 l/min értéket. Ez több nagyságrenddel nagyobb mennyiség, mint minimálkenés esetén.

A mérőberendezés tervezésére azért volt szükség, hogy

  • egzakt módon megállapíthassuk a tényleges olajfogyasztás értékét,

  • elkerüljünk egy egyébként szükségtelennek tartott, költséges gyári berendezés megvásárlását.

A tényleges olajfogyasztás megállapítására a berendezéshez egy olyan mérőrendszert kellett adaptálni, amely az olajmennyiség változását digitálisan jelzi, lehetőleg 1 ml-nél nagyobb felbontásban. Olyan megoldást próbáltunk keresni, amely nem igényel komolyabb beavatkozást az eredeti konstrukcióba (pl. nem kell nyílásokat, furatokat készíteni a pneumatikus szerelvényekkel zsúfolt tartályfedélen), ráadásul egyszerű eszközökkel elkészíthető, nem igényel drága alkatrészeket és nem utolsósorban könnyen, speciális műszerek hiányában is kalibrálható.

A megfelelő geometriájú hengeres tartályban az olajszint csökkenése egyenesen arányosnak tekinthető az olajfogyással, így a feladat egyszerű szintmérésre vezethető vissza. (Természetesen ez csak akkor igaz, ha a mérés során a környezeti hőmérséklet és ezzel a tartály, illetve a kenőolaj hőmérséklete nem változik számottevően, mert utóbbi tetemes térfogati hőtágulási tényezője jelentős mértékben módosítja a mérési eredményeket.) Ha a mérőkamrát megfelelő magasságban rögzítjük, akkor a közlekedőedények elve alapján az olaj szintje a mérőkamrában mindig azonos lesz a tartály olajszintjével. A mérőkamrában egy függőlegesen megvezetett úszót helyezünk el és elmozdulását egy differenciáltranszformátorral mérjük, akkor már csak ez utóbbihoz illesztett elektronikus rendszer kalibrációján múlik, hogy a mérőlánc végén lévő digitális feszültségmérő az olajszint csökkenését végső soron az olaj milliliterben kifejezett fogyásaként jelezze ki.

Mivel milliliterben, azaz cm3-ben fejezzük ki az olajfogyasztást, a továbbiakban a szokásostól eltérően cm-ben számolunk. A tartály belső átmérője 11,85 cm, amelyre rászereltünk egy átlátszó olajszintjelző csövet. A mérőkamrát a rendelkezésünkre álló vastag falú plexicsőből készítettük el, amely átlátszó, így az olajszint változása, illetve az úszó elmozdulása vizuálisan is megfigyelhető.

Az átmérőadatokból könnyen kiszámítható, hogy a teljes, olajjal „elárasztott” felület ΣA 130 cm2.

Tehát 1 ml olajelvétel esetén a szintcsökkenés: ΔN 1/ΣA 0,00769 cm = 76,9 μm.

Mivel nem csak az úszót, hanem az úszó elmozdulását feszültségjellé átalakító differenciáltranszformátor/jelkondicionáló rendszert is magunk fejlesztettük ki, ezért az első kísérleti összeállításhoz szerény, ±10 ml (kb. ±769 μm) méréstartományú tekercsrendszert terveztünk, úgy, hogy az elmozdulás-kimenőfeszültség karakterisztikájának linearitáshibája ne nagyon haladja meg a 0,1%-ot.

2.1. A mérőkamra

A mérőkamra vázlatos hosszmetszete a 4. ábrán látható. Az (1. jelű) plexitartályt a (2) alsó, ill. a (3) felső tömített záródugó zárja le, amelyeket (a rajzon nem szereplő) 8-8 db csavarral rögzítettünk a plexicsőhöz. A kamra belsejében van a (4) szerelőplatform, amelyet 3 db (5) távtartó közbeiktatásával erősítettünk az alsó záródugóhoz. A platform alsó felületéhez rögzítettük a (6) differenciáltranszformátor tekercsrendszerét, ezt mágnesesen a (7) ferritcső árnyékolja, a mechanikai stabilitását a (8) alumínium harang adja.

A mérőkamra felépítése (hosszmetszet)

4. ábra. A mérőkamra felépítése (hosszmetszet)

A könnyű, vékony falú, üreges, alumíniumból készült (9) úszót a vékony, nagyon sima felületű (10) cső (injekciós tű) vezeti meg a (11) rövid PTFE-perselyben. Az úszó belső tere a csövön keresztül kerül kapcsolatba a kamra nyomás alatti légterével, így belső nyomása mindig azonos a kamrában uralkodó nyomással. Ez megakadályozza az úszó nyomásváltozás hatására fellépő deformációját, és normális üzemi körülmények között nem kerülhet bele olaj.

A vezetőcsövecskére ragasztottuk a (12) furatos ferritmagot, amely az elmozdulásával megváltoztatja a differenciáltranszformátor tekercseiben uralkodó feszültség- és fázisállapotokat, és amelyből a (13) panelra telepített jelkondicionáló áramkör végső soron a vasmag elmozdulásával arányos egyenfeszültségű mérőjelet állít elő.

A jelkondicionáló mérőjele a vasmag középállásában 0, fölötte pozitív, alatta negatív előjelű. Méréseink szerint a vasmag 1 μm-es elmozdulása a méréstartományon belül abszolút értékben kifejezve a mérőjel 3,72 mV-os megváltozását eredményezi. Az előbbiekből kiszámolható, hogy 1 ml olajfogyáshoz a jelkondicionáló áramkör kimenetén 76,9‧3,72 286 mV feszültségváltozás tartozik, tehát a mérőkamrának, mint mérőjel-átalakítónak az átviteli tényezője 286 mV/ml.

A jelkondicionáló tápfeszültségének bevezetésére, ill. a DC-mérőjel elvezetésére a felső záródugóba légtömören szerelt (14) LEMO-csatlakozó szolgál. A szerkezeti vázlatból is kitűnik, hogy a mérőrendszer csak akkor működhet jól (azaz az úszó akkor nem hajlamos az elakadásra), ha annak tengelye egybeesik a differenciáltranszformátor, ezzel együtt a mérőkamra tengelyével. Lényeges tehát, hogy ezt a tengelyt a kenőrendszer minden telepítése után függőlegesbe állíthassuk. Erre is olcsó, könnyen elérhető megoldást találtunk: a kamrát egy közönséges fényképészeti gömbcsuklóra (15) szereltük fel. A beállítást a felső záródugóra csavarozott (16) szelencés libella alapján végezhetjük el.

A mérőkamra beállítási fázisai A mérőkamra beállítási fázisai

5. ábra. A mérőkamra beállítási fázisai

Tekintettel a rendszer korlátozott méréstartományára, gondoskodni kell a mérőkamra kezdeti magasságának beállíthatóságáról. A beállításra három lehetőséget adtunk (5. ábra):

  • durva, kézi beállítás. A (17) rögzítőcsavarok oldása után a (18) rögzítőhasábhoz erősített szerelvény a (19) hengeres állványon kézzel eltolva az aktuális olajszinthez süllyeszthető. A beállítást megkönnyítendő, a mozgatható egységhez egy (20) mutatót erősítettünk, amely a szintjelző csőben megfigyelhető olajnívóra mutat akkor, ha a mérőegység pozíciója megfelelő,

  • finomállító mechanika. A rögzítőhasáb és a (21) konzol közé egy régi mikroszkóp finomfókuszáló szerelvényét (22) építettük be. Ennek állítógombja skálázott, egy osztás 4 μm elmozdulásnak felel meg,

  • nullázó potenciométer, amelyet a következő pontban ismertetünk.

 

2.2. Külső elektronika

A külső elektronika egy fémdobozba szerelt, viszonylag egyszerű felépítésű áramköri egység, amelynek feladatai:

  • a beépített hálózati tápegység biztosítja a rendszer számára szükséges stabilizált tápfeszültségeket,

  • a kalibrálható egyenfeszültség-erősítő a jelkondicionáló elektronika mérőjelét a 10 μl/digit felbon-tásúra tervezett kijelzéshez felerősíti.

Az olajfogyás kijelzésére szolgáló DVM-modul névleges méréstartománya ±2 V. Ha ±10.00 ml-t szeretnénk kijeleztetni, akkor a DC-erősítő kimenetének értelemszerűen ±1 V-os jeltartományt kell átfognia. Ehhez a feszültségerősítésének az Au = 1000/286 = 3,497 környezetében kell beállíthatónak lennie. Erre a célra egy igénytelen, olcsó műveleti erősítőn alapuló fokozat is megfelel, amely

  • lehetővé teszi a nullponti helyzet analóg (középnulla-állású Deprez-műszerrel történő) kijelzését, ill. előlapi potenciométerrel való kismérvű elállítását,

  • végül lehetővé teszi az olajfogyás folyamatos, digitális kijelzését.

2.3. Kalibrálás

Az olajfogyás/olajszint-változás összefüggésének ismeretében a kalibrálás a rendelkezésre álló, 0,2 μm osztásfelbontású MITUTOYO 521-105 típusú mérőóra-/finomtapintó-kalibrátor segítségével könnyen elvégezhető, ha egy erre a célra készült rögzítőszerelvény segítségével a mérőkamra komplett szerelőplatformját arra felfogatjuk. A kalibrátorral 153,8 μm-es lépésekben elmozdítjuk az úszót, és az elektronikus egységben levő kalibráló trimmert úgy állítjuk be, hogy a digitális kijelzőn mindig 2 ml-nyi változást észleljünk, sőt, eközben a hibát is kimérhetjük. A leírtak szerint elvégzett előkalibrálás igazolta várakozásainkat: a linearitáshiba valóban 0,1% körüli értékű volt.

A végső kalibrálást „üzemi körülmények között” végeztük. A minimálkenő berendezés fedelét leszereltük, a mérőrendszert pedig olyan magasságba vittük, hogy a kijelzőn „+10 ml” legyen leolvasható. Ez után egy precíziós pipettával 20 ml-nyi olajat szívtunk le a tartályból. A kalibráció akkor jó, ha a kijelző „–10 ml”-t mutat.

2.4. Tapasztalatok

Az ismertetett rendszert többórás tesztelésnek vetettük alá. A megbízhatósága, stabilitása a célnak megfelelőnek mondható: az üzem közbeni néhány fokos környezeti hőmérsékletváltozás hatására kb. 50 μl mérési bizonytalanságot tapasztaltunk. Kezelési nehézséget a nagy viszkozitású olaj „kúszása” okoz: a tartály és a mérőkamra között az olajnívó nagyon lassan egyenlítődik ki.

Jelen cikk kéziratának leadása idején telt le a minimálkenő készülék garanciális ideje, így lehetővé vált az úszós olajszint-távadónak közvetlenül a tartályba történő beépítése. Az új konstrukció alapja egy különleges, újszerű, külső csőmagos differenciáltanszformátoros útadó. Ezt röviden a [2] cikkben mutattuk be, a hozzá tartozó jelkondicionáló modulról részletes cikket közöltünk a [3] tanulmányban. A korábbinál lényegesen egyszerűbb, kompaktabb szintmérő szerkezet beállási ideje sokkal rövidebb elődjénél (gyakorlatilag azonnal reagál a szintváltozásokra). Az sem lebecsülendő előny, hogy az új, PTFE-vel burkolt tekercsrendszerű, eloxált alumíniumötvözetből és műanyagból készült szinttávadót a kenőolaj ne tudja megtámadni, a kívül elhelyezett jelkondicionáló modul pedig nem érintkezhet annak gőzeivel. A mérőkamra elmaradása miatt az új rendszer kalibrációja során az olajfogyás/szintcsökkenés arányának számításakor csak a tartály keresztmetszetét kell figyelembe venni: ΣAuj 111 cm2. Így azonos olajfogyás nagyobb olajszintcsökkenést jelent, amelyet a kalibrálás során számításba is vettünk.

3. Menetfúrás környezetbarát közegekkel

A menetfúrás nem kizárólag az árasztásos hűtő-kenő-öblítő (HÖK) módszerrel hatékony, egyes esetekben szerepet kaphatnak a környezetet jobban kímélő módszerek is. A hűtési eljárás változtatásakor egyértelműen az egyre kevesebb kenőanyag alkalmazása a cél. A zsákfuratok menetfúrásakor a keletkező forgács áramlásával ellentétesen kellene bejuttatni a folyékony vagy légnemű környezetbarát közeget a furatba, amely (az ellenáram elve alapján) csaknem megoldhatatlan feladat vagy csak nagyon kis hatékonysággal lehet megoldani. A minimálkenés és a hűtött-sűrített levegő csak átmenőfurat kialakításakor jöhetnek szóba. Ehhez azonban megfelelő berendezések és olyan szerszámbevonat szükséges, amely jobban ellenáll mind a mechanikai (súrlódásos), mind pedig a hőmérséklet okozta terhelésnek.

3.1. Menetfúrás minimálkenéssel

A minimálkenés (MQL, MMKS) ismert előnyei (a forgácsolóélen kialakuló kenőfilm, a súrlódás és kopás mérséklődése, a felület és forgács szárazon maradása, a megmunkálás utáni zsírtalanítás, illetőleg a kenőanyag ártalmatlanításának elmaradása) felhívja a figyelmet e környezetbarát módszer alkalmazására. A 6. ábra a berendezés részeit, illetve a menetfúráskor alkalmazott elrendezését szemlélteti [1, 4-7]. Kísérletekhez mindvégig 3 bar szállítónyomást és 1 bar porlasztónyomást alkalmaztunk. Ezen beállítás az általunk kifejlesztett mérőkészülék alapján óránkét 21,2 ml olajfogyasztást jelentett.

A minimálkenő berendezés felépítése és elrendezése A minimálkenő berendezés felépítése és elrendezése

6. ábra. A minimálkenő berendezés felépítése és elrendezése

A minimálkenés alkalmazásakor az átmenőfuratok megmunkálására alkalmas szerszámok mindegyike használhatónak bizonyult. A mért nyomatékok a 7. ábra szerint alakultak. Jól látható, hogy minimálkenés használatával a forgácsolás nyomatékigénye az esetek döntő többségében csökkent. Ez a megállapítás különösen a „C” jelű szerszámra igaz, amely alacsony sebességtartományban jelentősen kisebb nyomatékkal forgácsolt.

A minimálkenés hatása az átlagos nyomatékigényre

7. ábra. A minimálkenés hatása az átlagos nyomatékigényre

3.2. Menetfúrás hűtött-sűrített levegővel

Lehetőség van a HÖK-folyadék teljes kiküszöbölésére is. A forgácsolási zóna hűtéséhez, illetve a forgács eltávolításához használhatunk alacsony hőmérsékletű sűrített levegőt vagy egyes esetekben nitrogéngázt (N2). Ez utóbbival csökkenthető a szerszám kopása és javítható az éltartam, amely hozzájárul a költségek csökkenéséhez és a művelet során egyáltalán nem keletkeznek szennyező anyagok. A negatív hőmérsékletre hűtött levegő jelentős mértékben csökkentheti a forgácsolóerőt és a forgácsolási hőmérsékletet, valamint kedvező hatása van a forgácsképződés folyamatára is.

A birtokunkban lévő ColdAirGun (CAG) készülék a gépipari üzemekben általánosan használt sűrített levegőhálózat segítségével hozza létre a hűtésre szolgáló hideg levegőt [8]. A berendezés legnagyobb előnye az, hogy az általunk belélegzett levegőt használja fel, tehát teljes mértékben környezetbarát. A készülék a Venturi-cső elvén működik, amely képessé teszi a hideg és a meleg levegő szétválasztására. A negatív hőmérsékletű levegő a készülék fúvókáján keresztül irányítható a forgácsolási zónába, míg a meleg levegő a berendezés hátsó kivezetésén távozik (8. ábra).

A hűtött-sűrített levegőt előállító berendezés elve és részei A hűtött-sűrített levegőt előállító berendezés elve és részei

8. ábra. A hűtött-sűrített levegőt előállító berendezés elve és részei

Az emulzióval történő, HÖK alternatívájaként alkalmazott minimálkenés valamennyi szerszámnál sikerre vezetett, azonban a hűtött-sűrített levegő felhasználása csak az „A” és a „D” szerszámok esetében hozta meg a várt eredményeket. Az alternatív HÖK-közegek összehasonlítását ezért ez utóbbi két menetfúrótípusra végezzük el.

Az alkalmazott alternatív hök-közegek nyomatékigénye - „a” szerszám

a.) „A” szerszám

Az alkalmazott alternatív hök-közegek nyomatékigénye - „d” szerszám

b.) „D” szerszám

9. ábra. Az alkalmazott alternatív HÖK-közegek nyomatékigénye

A 9/a. ábra alapján megállapítható az, hogy a forgácsolás nyomatékigénye az „A” szerszámnál csökkenthető a minimálkenés alkalmazásával. A CAG-berendezés használatakor a mért átlagos nyomaték mindhárom sebességen megnőtt. Ez azzal a ténnyel magyarázható, hogy – kenés hiányában – a szerszám bevonata, a leválasztott forgács és az acél munkadarab közötti súrlódás jelentősen megnőtt. A kísérletben résztvevő szerszámok közül a „D” jelű szerszámnál meglepő eredményeket tapasztaltunk (9/b. ábra), ugyanis egyedül ennél a menetfúrónál hozott mindkét esetben pozitív eredményt az alternatív hűtőközeg használata. Ennek magyarázata a bevonat kis súrlódási tényezőjében keresendő. A „D” jelű menetfúró még abban is kiemelkedik a vizsgáltak közül, hogy a szerszám ára jóval kedvezőbb a kísérletben alkalmazott többi menetfúrókénál. Tehát a „D” jelű menetfúró használatával lehetőség van alternatív HÖK-közegekkel végzett forgácsolásra, minimálisra csökkentve így a hűtéstechnikára fordított költségeket.

4. Összegzés, további feladatok

A menetfúráshoz gyakorta alkalmazott szerszámok forgácsolási tesztje a nyomatékigény és az előtolási erő összehasonlítására épült. A fentiekben közölt eredményekből kiderült, hogy az emulzióval hűtött és kent szerszámok kedvező működési feltételeit legjobban az alkalmazott bevonat és a forgácsolósebesség összehangolása befolyásolja. Átmenőmenet fúrásakor például az átlagos nyomatékigény (teljesítményfelvétel, elektromos energiaköltség stb.) akár 25%-kal is csökkenthető.

A környezetbarát forgácsolás kutatása jelentősen könnyebbé válik a minimálkenő berendezéshez kifejlesztett olajfogyasztás-mérő készülékkel, mert a tényleges felhasználás regisztrálását teszi lehetővé, a valós költség pedig egzakt számítás útján meghatározható.

Az eddig elvégzett kísérletek tanúsága szerint az alternatív HÖK-közegek használatával jelentős költségcsökkenés érhető el, mert nem csak a forgácsolás nyomatékigénye kisebb, de a hűtéssel-kenéssel kapcsolatos ráfordítások is megtakaríthatók. A percenkénti 35 liter emulzióhozam óránként 2100 litert jelent árasztásos megmunkálás esetén. Ezzel szemben a minimálkenés mért olajfogyasztása mindössze 21 ml/óra étéket jelentett, azaz pontosan 5 nagyságrenddel kisebb, a nyomatékigény mégis egyértelműen csökkent az MQL révén. A továbbiakban olyan bevonatok tesztelését tervezzük, amelyeket vezető szerszámgyártók a menetfúrók teljesítőképességének fokozására kívánnak alkalmazni termékeiken, többek között minimálkenés körülményei között.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetüket fejezik ki a résztvevő cégek magyarországi képviselőinek a kísérleti szerszámokért, illetve Tállai Péter és Varga Bálint intézeti mérnököknek (ÓE, BDGBK, AGI).

Irodalomjegyzék 

  1. Halász, G.: Korszerű menetfúrók vizsgálata, Szakdolgozat, BDGBK, 2010. pp. 59.
  2. Pálinkás, T.: „Kifordított LVDT”, Rádiótechnika 2011/2. p. 82-83.
  3. Pálinkás, T.: Jelkondicionáló modul 50 kHz-es, házi készítésű differenciáltranszformátoros útadókhoz; Rádiótechnika 2010/7-8, p. 360-363. és 2010/9. p. 422-424.
  4. Balázs, K.: Minimálkenés alkalmazása esztergáláskor, Szakdolgozat, BDGBK, Budapest, 2008. pp. 56.
  5. Biró, Sz. - Sipos, S. dr.: Green Machining: környezetkímélő forgácsolás, Gyártóeszközök (XIII. évf.) 2008/2. p. 61-68.
  6. Biró, Sz. - Sipos, S. dr. : Környezettudatos forgácsolás – Green manufacturing Gyártástrend (I. évf.) 1. rész: 2008. augusztus, p. 32 - 37. ; 2. rész: 2008. szeptember, p. 38 – 42.
  7. Horváth, R. - Fülöp, Zs. – Sipos, S. dr.: A keményesztergálás lehetőségei és korlátai, Gyártóeszközök (XIV. évf.) 2009/1. p. 30-34.
  8. Bognár, G.: Légnemű hűtőközegek alkalmazása a forgácsolásban, Szakdolgozat, BDGBK, 2008. pp. 58.