Szerszámélminőség

A forgácsolóélminőség olyan komplex fogalom, amely tartalmazza a szabályos élgeometriájú szerszámok élén a forgácsolópont kis környezetének (vagy bizonyos, általában aktív élszakaszának) mikrogeometriai jellemzőit, valamint rétegtulajdonságait.

Mikrogeometriai jellemzőként tartjuk számon a homlok- és hátfelület érdességét, a forgácsolóél érdességét, illetve a forgácsolóél sugarát, vagyis az éllekerekedést. A rétegtulajdonságokhoz soroljuk a szóban forgó szerszámfelületek alatti szövetszerkezeti és keménységváltozásokat, a maradófeszültségek jellegét és eloszlását stb.

Az optimális élminőségre törekvésnek három fontos oka van:

  • elsődleges szempont a megfelelő termékminőség elérése és/vagy a minőség javítása,

  • a termelékenység növelése, amely a megmunkálást végző gép állásidejének csökkenése (vagyis a szerszámcsere gyakoriságának mérséklődése vagy elmaradása) révén érhető el,

  • a gazdaságosság fokozása, amely a szerszámfelhasználás csökkenésével (azaz az éltartamnövekedéssel) kapcsolatos.

A forgácsolást végző eszközök használatbavétele előtt feltétlenül tanácsos a szerszám-élminőség szúrópróbaszerű ellenőrzése, a növelt pontosságú alkatrészek gyártása pedig egyenesen megköveteli az élek előzetes vizsgálatát. A minőségmenedzsment módszerek közül erre a hibamód és hatáselemzés (FMEA: Failure Mode and Effect Analysis) végrehajtása szolgál.

Természetesen a szerszámminősítések is feltételezik az élek állapotának előzetes felmérését. Elöljáróban néhány hibás él fotóját közöljük (természetesen a gyártó cégek megnevezése nélkül).

főélhiba

főélhiba

főélhiba

főélhiba

fő- és mellékélhiba

fő- és mellékélhiba

hibás homloklap

hibás homloklap

1. ábra. Különféle hibákkal rendelkező váltólapkák

1. A forgácsolóél mikrogeometriai jellemzése

1.1. A homlokfelület érdessége

A forgáccsal érintkező homlokfelület fokozott hajlamot mutat az adhézióra, amely egyrészt kráterkopáshoz vezet, másrészt pedig az élrátétképződés kiváltó mechanizmusa lehet. A forgács és a szerszámhomlok közötti súrlódás a kopási folyamatokat felgyorsítja, sőt, oka is lehet a forgácsolópont megváltozásának (2. ábra).

2. ábra. A homlokfelület érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

2. ábra. A homlokfelület érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

1.2. A hátfelület érdessége

A munkadarabbal érintkező hátfelület is fokozott adhéziós hajlamú, amely a főhátlap gyorsuló ütemű kopáshoz vezet. Mivel a munkadarab és a durván élezett hátlap közötti súrlódás is jelentősen megnő, ez a kopás intenzitását növeli, amely a megmunkált felület nagyobb érdességének és a pontosság mérséklődésének is kiváltó oka lehet (3. ábra).

3. ábra. A hátfelület érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

3. ábra. A hátfelület érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

1.3. A forgácsolóél érdessége

A szerszám homlok- és hátfelületének metszésvonala a szerszám (fő)forgácsolóéle. Ennek simasága, illetve az érdesség megváltozása és annak üteme (tendenciája) meghatározó jelentőségű lehet a munkadarab előírt minősége szempontjából. A gondatlan, szakszerűtlen és helytelen élezés egyaránt okozhatják a kedvezőtlen (nagy) élérdességet (4. ábra).

4. ábra. Az élérdesség kialakulásának okai

4. ábra. Az élérdesség kialakulásának okai

A szerszámon kialakuló élérdességet elsősorban a következő tényezők befolyásolják (5. ábra):

  • a szerszám élgeometriai adatai (főként a β ékszög nagysága),

  • a forgácsolóéket alkotó felületek érdessége. Például a homlokfelület (Rmγ) és a hátfelület (Rmα) maximális érdessége,

  • a szerszám anyaga (inhomogenitás, szemcseméret, keménység, a bevonatolás típusa és anyagai), valamint

  • az élezés körülményei. Itt kell megemlíteni a gondatlan (előírt technológiai adatok be nem tartása, rezgési jelenségek fellépése stb.), a szakszerűtlen (nem megfelelő élezőeszköz) és helytelen (rossz irányban végzett) élezést is.

5. ábra. A forgácsolóél érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

5. ábra. A forgácsolóél érdességének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

Az élérdesség értelmezésére, kialakulására és számítással történő elméleti meghatározására a 6. ábra szolgál.

6. ábra. A forgácsolóél érdességének kialakulása, jellemzése és számítóképlete6. ábra. A forgácsolóél érdességének kialakulása, jellemzése és számítóképlete

6. ábra. A forgácsolóél érdességének kialakulása, jellemzése és számítóképlete

Az élsorja keletkezése elsősorban a helytelenül megválasztott élezési irány következménye. Az élek állapotát rossz és helyes élezés végrehajtása esetén a 7. ábra mutatja.

7. ábra. Az élsorjaképződés jelensége

Az élsorja eltávolításának számos fizikai, mechanikai és vegyi módszere ismert. Amennyiben az élsorját tartalmazó szerszámot bevonatolják, a kopás először a sorjás élen jelenik meg és innen – fokozott intenzitással  terjed tovább a hát- és homlokfelület irányában (lásd: Dr. Cselle: Aktuális trendek a forgácsolás világából).

1.4. A forgácsolóél lekerekedése

A forgácsolóél rn (μm) sugarát (lekerekedését vagy lekerekítését) mindig a szerszám normál metszetében mérik, például metszettapintós műszerrel (8. ábra).

8. ábra. Az éllekerekedés mérete rn=71 m (műszer: Perthometer Concept)

8. ábra. Az éllekerekedés mérete rn=71 μm (műszer: Perthometer Concept)

A forgácsolóél lekerekedése a szerszámanyag és a köszörülést végző szemcse kölcsönhatásaként kialakuló spontán jelenség, amelyet nagyban befolyásol a szerszám anyagrészecskéinek mérete (kisebb méret esetén kisebb az éllekerekedés is) és kohéziója (nagy kohéziós erő kisebb éllekerekedéssel jár együtt). A köszörülést végző szemcse mérete és keménysége is hat az élre: kisebb méretű és keményebb szemcse nyilvánvalóan kisebb éllekerekedést okoz.

A forgácsolóél lekerekítése az él sugarának szándékolt megváltoztatása, amelynek célja a forgácsolóél (esztergálásnál például a forgácsolópont) optimális viselkedésének elérése. Az éllekerekítés (elsősorban nagy szilárdságú/keménységű acélok forgácsolásakor) nagyban befolyásolja a szerszám tartósságát (éltartamát) és mindig hatással van a forgácsolt felület érdességére is (lásd minimálisan leválasztható anyagréteg, Brammertz-képlet stb.). A lekerekítést kézzel (például fenőhasábbal), sorozatgyártásban (például polikristályos köbös bórnitrid anyagú lapkákon) pedig hónolással végzik.

Az éllekerekítés és/vagy fenés (hónolás) együttes alkalmazására mutat példát a 9. ábra. Ezen sorrendben köszörült (rn=3 μm), éllekerekített (rn=11 μm), fenéssel kialakított (rn=15 μm), illetve éllekerekítés után lefent (rn=15 μm) szerszám mikroszkópi képe látható.

9. ábra. Különböző előkészítéssel kialakított szerszámélek mikroszkópi képe

9. ábra. Különböző előkészítéssel kialakított szerszámélek mikroszkópi képe

(forrás: Dr. Cselle: Aktuális trendek a forgácsolás világából).

A forgácsolóél sugarának véletlenszerű vagy szándékolt módosításának hatásmechanizmusait a 10. ábra foglalja össze.

10. ábra. A forgácsolóél lekerekedésének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

10. ábra. A forgácsolóél lekerekedésének hatásmechanizmusai és kapcsolatrendszere

Az éllekerekedés függ a homlok- és hátlap felületi érdességétől és az ékszögtől. Az 1970-es évek kísérletei szerint a kapcsolat a következő empirikus képlettel fejezhető ki:

11. ábra. A forgácsolóél lekerekedésének képletének tájékoztató értékei,

ahol:

Crn, x, y – az empirikus képlet konstansa és kitevői,

Raγ, Raα - a köszörült felületek átlagos érdességi értékei,

β - az ékszög korrigált (radiánban kifejezett) nagysága.

A szokásos szerszám- és köszörülőanyagokra a 11. ábra ad tájékoztató értékeket.

11. ábra. A forgácsolóél lekerekedésének képletének tájékoztató értékei

11. ábra. A forgácsolóél lekerekedésének képletének tájékoztató értékei

Az utóbbi években nagy figyelmet fordítanak az éllekerekedés és a szerszám tartóssága közötti összefüggésre. Már 1986-ban kísérletek eredményeivel bebizonyították az optimális élszögek és éllekerekedés, valamint a szerszám éltartama közötti igen szoros kapcsolatot. (Sipos S.: Hazai gyártású, TiN bevonatos ujjmarók forgácsolóképességének vizsgálata, Doktori disszertáció, NME, 1986. p. 89 + app. 99)

A legújabb publikációk a szerszám éltartamának akár 100…2000%-os növekedését mutatják a legmegfelelőbb éllekerekedés elérése esetén (lásd Dr. Cselle: Aktuális trendek a forgácsolás világából).

2. A forgácsolóél rétegtulajdonságai és szerepük

A rétegtulajdonságok az élezési művelet végrehajtása közben alakulnak ki a köszörülést végző szemcse és a szerszámanyag között. Ezen jellemzők meghatározó szerepűek a forgácsolási folyamatban a szerszám tartós viselkedésére, ily módon nem csak az eszköz élettartamára, de a művelet számos minőségi és gazdasági jellemzőjére (költségek alakulása, a termelékenység elérhető szintje stb.) is kihatnak. A rétegtulajdonságok szerepéről lásd még a Felületminőség részt.

Az élezés folyamatában mechanikus hatásként a szemcse negatív élgeometriája és – a fogásmélységgel összevethet – nagy lekerekedése játszik szerepet. Ennek következtében az élezett felület kissé felkeményedik és nyomó jellegű maradófeszültség alakul ki. A szerszám teljesítőképességét tekintve mindkét jelenség kedvező.

Az élezést kísérő termikus hatások mindegyike egyértelműen negatív hatást gyakorol az acélanyagú szerszámra. A szárazon végzett újraélezés egyre inkább kiszorul az ipari gyakorlatból, ugyanakkor minden hűtő-kenőfolyadék jelenlétében végzett köszörülési művelet egyenlőtlen mértékű hődilatációval jár. Ha ehhez még a felület alatt végbemenő jelenségek (szövetszerkezeti módosulásokra visszavezethető fajtérfogat-változások és az ezeknek betudható kilágyulás) is társulnak, akkor mindezek húzójellegű maradó feszültségek kialakulását eredményezik. Amennyiben a felületi rétegben tetemes a húzó feszültséggel terhelt sáv, akkor ez bármely szerkezet (szerszám) tartós működésének korlátja lehet (lásd Hertz-feszültség, pittingképződés, kifáradási határ csökkenése stb.).

A legdurvább élezési hiba szabad szemmel is látható: a barnás elszíneződés beégésre utal és a szerszámfelület hő által okozott károsodását jelenti. A beégést általában négyfokozatú skála jellemzi: közepes és nagy fokú beégés már meghaladja az ausztenitképződés hőfokát és olyan szövetszerkezeti változást takar, amely során egy vékony rétegben martenzitbomlás figyelhető meg. Számolni lehet a mikrokeménység csökkenésével is, ráadásul ott lesz 2–3 HRC-vel kisebb keménységű az él, ahol pedig a legkeményebbnek kellene lennie. Ez főleg gondatlan élezéskor alakul ki, illetve akkor, ha a szerszámhoronyból helytelen irányban és nagyon gyorsan lép ki a korong. A beégés jelenségét szemlélteti a 12. ábra felvételsora: ezen beégés és vakrozsdafoltok együttes megjelenése látható.

12. ábra. Szerszámhorony felületén látható beégés (bal kép) és vakrozsdafolt (jobb kép)

A felületi rétegben uralkodó maradófeszültség-eloszlás elméletileg a következőképpen néz ki: közvetlenül a köszörült felület alatt nyomó, attól távolabb pedig esetleg húzó jellegű maradó feszültséggel terhelt a szerszám (lásd Felületminőség). Az egyenlőtlen hődilatáció és a martenzitbomlás következményeként kedvezőtlen esetben a köszörült felület alatti sáv 0,01…0,2 mm mélységében kizárólag húzó feszültség marad. A felület alatt 0,05…0,1 mm mélységben kialakuló feszültségcsúcs annyira nagy is lehet, hogy az üzemi terheléshez hozzáadódva csökkenti a szerszám terhelhetőségét. Egy gondosan köszörült és egy nagyon intenzív adatokkal élezett szerszámfelületet maradófeszültség-eloszlását a 13. ábra szemlélteti.

13. ábra. Helyesen (bal) és helytelen adatokkal (jobb) élezett szerszámfelületek maradófeszültség-eloszlása

A felület alatti feszültséggyűjtő helyből (a horonyvégződésből) kiinduló, a fárasztó-hajlító igénybevétel hatására bekövetkezett szerszámtörést a 14. ábra mutatja.

14. ábra. Hajlító igénybevétel hatására bekövetkezett törés ujjmaróknál14. ábra. Hajlító igénybevétel hatására bekövetkezett törés ujjmaróknál

14. ábra. Hajlító igénybevétel hatására bekövetkezett törés ujjmaróknál

3. Az optimális élminőség elérése

A szerszámélezés minősége meghatározó a szerszám tartóssága szempontjából. Mivel a forgácsolóéleknek gyakorta ütésszerű igénybevételeket kell elszenvedniük (marás, pontatlan befogás), az élszilárdság nagyban függ az élek állapotától. Gyakorlati tapasztalatok szerint a szerszám éltartama szoros kapcsolatban van köszörülési karcok nagyságával, az élkitöredezések mértéke és/vagy gyakorisága pedig drasztikusan rontja a tartós működés esélyét.

A szerszámél legkedvezőbb állapotát

  • megfelelő élezőeszközzel (köszörű- és/vagy fenőkorong stb.),

  • alkalmas élezőgépen,

  • helyesen megválasztott technológiával

érhetjük el.

A megfelelő élezőeszközön a helyesen választott korongspecifikációt értjük. A köszörülés témakör részletesen foglalkozik ezzel a kérdéssel.

Az egyre bonyolultabbá váló szerszámél-geometriák következtében alkalmas élezőgépen olyan CNC-vezérlésű köszörűgépeket kell érteni, amelyek minimum 3D-ben vezérelt, legalább 2 köszörűorsóval dolgoznak. Egy korszerű fúróél-geometriát szemléltet a 15. ábra.

15. ábra. Korszerű élgeometriájú fúró öblítőcsatornával, monolit keményfémből 15. ábra. Korszerű élgeometriájú fúró öblítőcsatornával, monolit keményfémből

15. ábra. Korszerű élgeometriájú fúró öblítőcsatornával, monolit keményfémből

A helyesen megválasztott technológia magában foglalja az élezéshez szükséges műveletek (pl. elsődleges hátfelület, másodlagos síkfelület, harmadik – forgácsosztó - sík, különlegesen kialakított keresztél, negatív élszalag stb.) helyes sorrendjét, az élezőkorong megfelelően tervezett mozgáspályáját, a be- és kilépési szakaszok ellenőrzött sebességviszonyait, a mélyköszörülés beégésmentes végrehajtását, valamint az optimális forgácsolási adatok (vs, vw, ae, in, is, iki stb.) szigorú betartását. Az utóbbiaknál figyelembe kell venni azt, hogy az élezést száraz vagy nedves körülmények között végzik. A 16. ábra kétkorongos, nedves élezést mutat.

16. ábra. Hűtő-kenőfolyadék jelenlétében végzett fúróélezés

16. ábra. Hűtő-kenőfolyadék jelenlétében végzett fúróélezés