Korszerű bevonatok és forgácstörők a WNT termékpalettáján

dr. Sipos Sándor, mestertanár, Óbudai Egyetem - Halász Gábor, intézeti mérnök, Óbudai Egyetem - Kisa Zsolt, gépészmérnök, Biró Szerszám- és Alkatrészgyártó Kft.

Bevezetés

A gyártás termelékenységének növelése és a szerszámok megbízhatóságának fokozása szempontjából a folyamatos szerszáminnováció jelenti csaknem az egyetlen megoldást. Az egyértelmű eredmények elérésének kényszere érdekében az innovációnak egyaránt ki kell terjednie a konstrukcióra, a szerszámanyagra és a bevonatokra.

Az Óbudai Egyetem Bánki Donát Gépészmérnöki Karának Gépgyártástechnológiai szakcsoportja abból a célból vette fel a kapcsolatot a WNT Magyarország Kft.-vel, hogy kölcsönösen előnyös szakmai együttműködés alakulhasson ki a partnerek között. Ennek keretében került sor a cég legújabb fejlesztésű bevonatos szerszámanyagának és forgácstörőjének tesztelésére.

1. Célkitűzések és a vizsgálati eljárások

Célkitűzésünk volt, hogy műszeres mérések egzakt eredményeinek elemzésével képet alkothassunk az újonnan kifejlesztett HCX1125 jelű, CVD-bevonat és az NM15 forgácstörő hatékonyságáról. E szisztematikus vizsgálatok kiterjedtek a lapkákra ható forgácsolóerő-összetevők és a megmunkált felület érdességi jellemzőinek mérésére, továbbá a forgácsképződés egyes jelenségeinek megfigyelésére is. A lapkák forgácstörő képességét az ún. forgácstörési tabló jellemzi a legjobban, ezért – a vizsgált forgácskeresztmetszeti tartományban  a tabló összeállítása egyértelmű segítséget nyújt a legkedvezőbb körülmények kiválasztásában.

A kísérletsorozat elvégzésekor legfőbb célunk az volt, hogy a lapkák kopását – az általunk választott – forgácsolási körülmények között megvizsgáljuk, a szokásos kopáskritérium eléréséig folytatott vizsgálat alapján pedig éltartamokat határozzunk meg, minderről fotódokumentációt állítsunk össze. Figyeltük ezen kívül a szerszámelhasználódás alapvető jelenségeit (az erőhatások és az érdesség megváltozása), ezek – állapotfelügyeleti céllal végzett – modellezése abban is segít, hogy a folyamatbiztonság előírt szintjét tarthassuk.

1.1 A kísérletekhez alkalmazott eszközök

A forgácsolóképesség szisztematikus vizsgálata érdekében nagyszámú tesztet hajtottunk végre, amelyben meghatározott körülmények között a bevonatolt lapka aktív élszakaszait és súrlódásnak kitett zónáit vizsgáltuk. A vizsgálatokat nemzetközi irányelvek és magyar szabványok, valamint a korábbi vizsgálatsorozatok során [1-4] szerzett tapasztalataink alapján hajtottuk végre az 1. táblázatban közölt berendezésekkel, eszközökkel és munkadarabok felhasználásával.

A forgácsolási kísérleteket a vizsgálat tárgyát képező, az 1. ábrán feltüntetett alakú és forgácstörő kialakítású lapkával hajtottuk végre. A kísérletek eredményessége és reprodukálhatósága érdekében a tesztlapkákon előzetesen mikroszkópos vizsgálatokat végeztünk, hogy kiszűrjük az esetleges hibás éleket. Ezekhez hozzátartozott a lapkák éllekerekedésének a mérése is. A vizsgált lapkák – CVD-bevonathoz képest – elég kis 40 ± 5 μm éllekerekedéssel rendelkeztek.

Ugyancsak az előzetes vizsgálat részét képezte a lapka forgácstörőjének vizsgálata is. A Concept nagyműszerrel egzaktul fel tudtuk térképezni a törőgeometria sajátosságait, képernyőre tudtuk vinni, és le is tudtuk mérni az egyes törőelemek egymáshoz viszonyított helyzetét. A vizsgálatot a lapka képzeletbeli csúcsától 1 és két milliméterre végeztük. A törőgeometriáról felvett diagramok szintén az 1. ábrán láthatók.

1.2. A vizsgálat lebonyolítása

A vizsgálat első szakaszában rögzített (v_c=160 m/min) forgácsolósebességnél, négyféle előtolás és háromféle fogásvétel beállítása mellett esztergáltunk. A 12 darab kísérleti beállítást egyenként 10-10 milliméteres felületszakaszokon hajtottuk végre. A vizsgált beállításoknál keletkező tipikus forgácsmintákat összegyűjtve létrehoztuk a forgácstablót.

Az erőmérést mindhárom erőkomponensre elvégeztük, a mintavételezés pedig megegyezett a 10-10 mm felülethosszak esztergálásához szükséges idővel. A mérést követően a forgácsolási adatok (faktorok) hatását az erőkomponensek alakulására többfaktoros hatványfüggvény-regresszióval dolgoztuk fel. A kapott eredmények értékelésekor arra kerestük a választ, milyen pontossággal írja le az általunk feltételezett

Fi=CFi⋅ayi⋅fxi[N]

modell a fogásmélység és az előtolás hatását.

A tesztelt lapka érdességelőállító képességére is kíváncsiak voltunk, ezért a Ra és Rz érdességjellemzők mérési adatait szintén feldolgoztuk. Arra is kerestük a választ, milyen modell alkalmas az előtolás és a fogásmélység változásának leírására. A feltételezett modell a következő volt:

Rj=CRj⋅ayj⋅fxj [μm].

A lapkák hosszú távú teljesítőképességét elsősorban a kopási folyamat befolyásolja: a méréssel megállapított kopásméretek (és az azokhoz tartozó kísérő jelenségek) alapján lehet következtetni a szerszám célszerű működési idejére, azaz az éltartósságára. Ezért vizsgálat második szakaszában az esztergálási folyamatot bizonyos időközönként megszakítva megfigyeltük a lapkák hát- és homlokfelületi kopását és a sztereómikroszkóp segítségével lemértük azok nagyságát. Minden vizsgálat alkalmával 45x nagyításban fotódokumentációt készítettünk a lapkák homlok- és hátlapjáról. A vizsgálatokat VB_max=0,2 mm hátkopásig végeztük, hűtés alkalmazása nélkül.

2. A vizsgálat eredményei

A “forgácsolóképesség” kifejezésnek komplex jelentése van, amelyet a következő paraméterek jellemeznek:

• fő paraméternek tekintjük a fellépő kopást, a kopásintenzitást és éltartamot,

• kiegészítő jellemzők a forgácsolóerő komponensek, a teljesítmény, a hő-mérséklet, az anyagleválasztási sebesség, a felületi minőség (a megmunkált felületet és hullámosságot jellemző számtalan egyéb paramétert is beleértve), a forgács formája és mérete, stb.

Tekintettel arra, hogy a forgácsolóképesség kiegészítő jellemzőit viszonylag rövid idő alatt és kis anyagráfordítással lehet meghatározni, először ezek vizsgálatait végeztük el. A bevonat és a forgácstörő huzamos ideig végzett tesztelésével csak ezek után foglalkoztunk.

A különböző körülmények között kapott eredmények elemzésekor igyekeztünk a legfontosabb gyakorlati következtetéseket levonni. Bár ezek az eredmények érdekesek lennének minden felhasználó számára, bemutatásukra - helyhiány miatt - e beszámolóban sajnos nincs módunk.

2.1. A forgácsolóképesség kiegészítő jellemzői

2.1.1. A törőképesség jellemzése forgácstablóval

A forgácstörés a forgácsmanipuláció egyik lényeges eleme, amely a forgács keletkezése utáni beavatkozás és a feldaraboltság növelésére irányul. A vizsgálat menetét szabvány nem rögzíti, ezért besorolása ún. szokványos vizsgálat, amelyet rögzített forgácsolósebességen (többnyire v_c = 160 - 200 m/min), különböző forgácskeresztmetszeteket beállítva, a keletkező forgácsminták összegyűjtésével végeznek [1-4]. Az esetünkben alkalmazott 3a × 4f kísérleti beállításkor kapott minták a 3. ábrán látható forgácstablót hozzák létre.

Ezen forgácsmintákból az állapítható meg, hogy

• f= 0,1 mm előtolásnál még egyetlen fogásmélység esetén sem érvényesül a törőhatás („nem működik a forgácstörő”), sőt, a=3 mm értéknél már veszélyesen tekeredő forgácsalak észlelhető.

• A forgács feldarabolódása – a vizsgált körülmények között – f = 0,2 mm értéknél következik be, és ezen értéktől kezdve minden beállított kombináció esetén tört forgácsot kapunk.

• Az elvégzett vizsgálatoknak azt kell tisztázniuk, hogy a lapka szempontjából a forgács törése milyen (kritikus) adatoknál történik meg. Az ún. törési pont az NM15 forgácstörő esetén jól kivehetően a_kr=1,5 mm és f_kr=0,2 mm értéknél van.

2.1.2. A forgácsolóerő-összetevők vizsgálata, főbb következtetések

A szisztematikus forgácsolóerő-vizsgálat eredményeit szintén az 1. melléklet tartalmazza. Az elvégezett számítógépes vizsgálat eredményei a 4. ábrán láthatóak.

Összefoglalásként az állapítható meg, hogy

• a forgácsolóerő-képletben szereplő kitevők a [6] irodalomban közölteknek megfelelnek. Abban van az eltérés, hogy a fogásmélység y_Fc kitevője lényegesen kisebb mint 1, ez az értéke viszont teljes mértékben megfelel a [7] irodalomban közölteknek.

• az előtolásirányú erő kitevői a [7] irodalomban közölteknek megfelelően alakul;

• passzív erő a [6] irodalomban közült kitevőértékektől eltér;

• az előzetesen feltételezett modell mindhárom esetben helyes (adekvát) volt: erre utal a mért értékek csekély szóródása és a korreláció szokatlanul magas szintje.

2.1.3. Az érdességelőállító képesség vizsgálata, főbb következtetések

A szisztematikus érdességvizsgálat eredményeit a méréseknél rögzített jegyzőkönyvek tartalmazzák. A kapott eredmények összegzését az 5. ábra mutatja.

Összefoglalásként az állapítható meg, hogy

• a fogásmélység hatása egyik mért érdességjellemző esetében sem volt szignifikáns. Ez azért van így, mert ilyen kis fogásmélységek beállítása esetén még nem ébrednek olyan rezgések, amelyek fellépése a modellt – esetleg – befolyásolná;

• az előtolás függvényében az elméleti érdességnek (a Bauer-formula szerint) parabolikus jelleget kellene öltenie [5], azaz

Re≈Rz≈125⋅f2rε [μm].

A közölt modellekben az előtolástól való függés azonban sokkal kisebb az elméleti (négyzetes) értéknél. Ennek két alapvető oka van:

• • A valóságot jobban kifejező Brammertz-összefüggés szerint a kis (f  0,15 mm) előtolások tartományában ún. „leforgácsolhatatlan anyagréteg” alakul ki, amely az érdesség növekedésének irányába hat. Ez oda vezet, hogy a parabolikus jelleg tisztán nem érvényesül.

  • Arra is vannak kísérleti eredményeink, hogy a különböző bevonatú lapkáknál az éllekerekedés nagy értéke és a forgácstörő hatása torzíthatja az előtolás markáns hatását az érdesség magasságirányú (Ra, Rz, Rp, Rt stb.) jellemzőire.

• Az előzetesen feltételezett modell mindhárom esetben alkalmazható, mert a mért adatok szoros, 90% feletti korrelációt mutatnak.

• Felhívjuk arra a figyelmet, hogy a közölt adatok csupán néhány lapkaélre vonatkoznak, így a fenti vizsgálati eredmények általánosítása kétségbe vonható eredményeket szolgáltatna.

2.2. A forgácsolóképesség legfontosabb jellemzői: kopás, éltartam

Az öt éve sikeresen alkalmazott, tesztelésre kialakított módszereinkbe illesztettük be ezen lapka vizsgálatát. A külső hosszesztergálást hűtő-öblítő-kenőközeg alkalmazása nélkül (szárazon), állandó fogásmélység (a=1,5 mm) és előtolás (f=0,2 mm) mellett végeztük. A próbaanyaggal való takarékosság miatt VB=0,2 mm kopáskritériumot tartottunk mérvadónak. A forgácsolósebességet a v_c=315 – 400 m/min tartományban változtattuk.

2.2.1. A lapkák kopásgörbéi

Az általunk ismeretlen összetételű alapkeményfémre CVD-eljárással felvitt HCX1125 jelű bevonat kopásgörbéinek alakulását mutatja a 6. ábra a forgácsolósebességek függvényében.

A kopásgörbék alakulásáról összefoglalóan azt lehet megállapítani, hogy a meglepően nagy intenzitású (90…110 μm/min) bekopást követően egyenletesen, a klasszikus (elméleti) elhasználódást megközelítő módon megy végbe a tönkremenetel. A jelzett kopáskritérium értékét mindegyik sebességen kipattanás, kicsorbulás vagy hő okozta anyagfáradás nélkül érik el. Ez azt jelenti, hogy a vizsgált sebességtartományban és a vizsgálati körülmények között megbízhatóan teljesítettek, a folyamatbiztonság megfelelő volt. Az általunk kifejlesztett kopáselőrejelző szoftver [8] segítségével pedig nagyon jól prognosztizálható volt a kopásméret, így alkalmasnak találtuk arra, hogy – állapotfelügyeleti szempontból – az elhasználódás mértékét és ütemét előre jelezni tudjuk.

A legkisebb vizsgálati sebességen (315 m/min) a kopás egyenletes volt. A forgácsolásban töltött 10. perc után felerősödött a szélkopás (VB_N) és egyre inkább dominálóvá vált. Ennek tudható be az intenzív oldalsorja-képződés, amely nem csak az erőhatások növekedésében, hanem a forgácsolt felület érdességének romlásában is megnyilvánult. A mellékélre is kiterjedő kopás (kb. 30 perc után) az érdesség drasztikus növekedését okozza. A kopáskritérium értékét a forgácsolóél 44 perc alatt érte el.

A 350 m/min forgácsolósebességnél gyorsabb bekopási szakasz rajzolódott ki a görbén. Ezután, kb. 8 perc eltelte után kialakult a szélkopás, amely drasztikus formában 17 perc után figyelhető meg. Az intenzív oldalsorja-képződéssel egyidejűleg  körülbelül a huszadik perc körül  a mellékélre is kiterjed a kopás. A kopáskritériumot 22 percnyi forgácsolási idő után érte el a vizsgált él.

375 m/min forgácsolósebességen érdekes módon a legnagyobb kopásintenzitással kezdődik a görbe menete, ezután két, különböző kopásarányt produkáló szakasz figyelhető meg a diagramon. A szélkopás ugyan a 9. perc után már kialakul, az esztergált felület érdessége innentől kezdve drasztikusan romlik. A hátfelületnek azonban nem ezen szakaszán alakul ki a legnagyobb kopásméret, hanem a VB_B (középső) sávban. A lapka  a közölt feltételek mellett – 15. percnél érte el a kopáskritérium értékét.

400 m/min forgácsolósebességen érdekes módon mérsékeltebb kopásintenzitással kezdődik, ezután két, különböző kopásarányt produkáló szakasz figyelhető meg a diagramon. A szélkopás már a hetedik perc után kialakul (innentől kezdve a forgácsolt felület érdessége ugrásszerűen romlik), de a legnagyobb kopásérték ezen a sebességen is a középső hátkopás-sávban alakul ki, 12 percnyi forgácsolásban eltöltött idő után.

2.2.2. A lapkák elhasználódása: a forgácsolóképesség degradációja

A kopási folyamattal párhuzamosan végzett erő- és érdességmérési adatok birtokában a lapkák elhasználódásának mértéke igen kifejezően rajzolódik ki. A jelenségek tanulmányozására a korrigált kopás fogalmát vezettük be: méréssel megállapított kopásmérthez egyet hozzáadva (1+VB, mm) az ún. korrigált kopást kapjuk [9, 10].

Az erőkomponensek méréséből arra a következtetésre jutottunk, hogy az elhasználódást egyedül a hátfelületen kialakuló kopás jelezte, a homloklapon kialakuló kráteresedés nem befolyásolta jelentősen során kialakult értékeket. Különböző forgácsolósebességgel esztergálva és a forgácsolási idő függvényében vizsgálva a forgácsolóerő kezdetben minden esetben csökken (lásd 7. ábra).

A bekopási szakaszon túljutva azonban az erő – különböző intenzitással – növekvő tendenciájú. A kialakuló szélkopás egy ideig még képes mérsékelni ezt, azonban az elhasználódás fokozódásával (a legkisebb sebességet leszámítva) a korrigált kopás 1,12-1,13 értékénél már egyértelmű és visszafordíthatatlan az erő növekedése.

Az esztergált felület érdessége még árulkodóbb a szerszámok hosszú távú felhasználását tekintve. A lapka ugyanis csak akkor minősül kiváló forgácsolóképességűnek, ha a kopási folyamat az érdességtartó képességet nem, vagy csak alig befolyásolja. A 8. ábra azt mutatja be, hogy az érdességtartás tekintetében a 350 m/min sebességen vizsgált lapka a legkiválóbb: a kezdeti (éles szerszámnál mért) érdességet mindvégig képes megtartani, sőt, kicsiny javulás is megfigyelhető. Az összes többi lapkáról viszont az állapítható meg, hogy – a szélkopás bekövetkezésével és a mellékélen jelentkező kopáskárosodással összefüggésben – az érdességtartás meglehetősen rossz.

Ha például a minőségbiztosításban megszokott Ra=2,5 μm átlagos érdességet írunk elő, a 315 m/min értéknél 33 min, 350 m/min fölött pedig kb. 10 percig használhatnánk a lapkákat. Ezt nevezzük elhasználódási üzemidőnek (régebben: technológiai éltartamnak). A 8. ábra jobb oldala arról tájékoztat, a korrigált kopás kb. 1,15 mm értékénél az érdességromlásban visszafordíthatatlan folyamat kezdődik el, amely gátolja, sőt, megakadályozza a minőségi munkát.

2.2.3. A lapkák éltartamának alakulása

Az elvégzett kopásvizsgálatok alapján a forgácsolósebesség függvényében ábrázolt éltartamokat a 9. ábra mutatja. A kopáskritérium eléréséig forgácsolásban töltött időtartam- (éltartam-) adatok arról tanúskodnak, hogy a T – v_c összefüggés – csekély (±2 m/min értékű) szóródással és igen szoros (R=0,9987) korrelációval  követi a hagyományos, ún. Taylor-görbét, egyenlete pedig:

vc⋅T0,18= Cv=608m/min= áll.

A vizsgálati sebességtartományra kapott egyenlet arról tanúskodik, hogy a lapka nagyon sebességérzékeny: a v_c kismértékű változása is nagy éltartammódosulással jár. Ez a körülmény az előírt forgácsolási körülmények és adatok szigorú betartását követeli meg a gépen dolgozótól.

Az elvégzett eddigi vizsgálatok arra is rávilágítanak, hogy a tesztelt lapkaélek minősége megfelelően egyenletes: az éltartamszóródás csekély, az éltartamvariancia kicsiny, így tehát a vizsgált lapka a felügyeletszegény gyártásban is előnyösen alkalmazható.

3. Összefoglalás

A vizsgálatok elvégzését nagyban segítette az a körülmény, hogy – a felkéréssel párhuzamosan – egyéb gyártású, korszerű, PVD-bevonatos esztergalapkákat is teszteltünk. Így az elvégzendő méréseket a tesztelési folyamat egyes fázisaiba megfelelően be tudtuk illeszteni.

A WNT termékében egy megfelelően felhasználható, jó forgácsolóképességű szerszámot ismertünk meg. Amennyiben rendelkezésünkre álltak volna költségadatok, a termékek gazdaságos felhasználásáról is nyilatkozni tudtunk volna.

Irodalomjegyzék

[1] Palásti, K. B. dr. – Dajcs, L: - Sipos, S. dr.: ISG-gyártmányú lapkák forgácstörési tartományának vizsgálata, Gépgyártástechnológia, 1990/8. p. 346-351

[2] ISG által gyártott lapkák forgácsolási tulajdonságainak vizsgálata

A forgácstörés vizsgálata és számítógépes tárolásának megoldása

Kutatási jelentés, ISG-BDGMF kutatás, SzM 523/1989. pp. 42.

[3] Nagy Ágnes: ISG gyártmányú lapkák forgácstörésének vizsgálata

TDK-dolgozat, BDGMF, Budapest, 1990.

[4] Szűcs Attila: Különböző forgácstörővel ellátott Seco lapkák vizsgálata

TDK-dolgozat, BDGMF, Budapest, 1992.

[5] www.forgacsolaskutatas.hu/elmelet/elminoseg

[6] Angyal, B. dr.- és mások: A forgácsolás elmélete és szerszámai

Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1988.

[7] www.forgacsolaskutatas.hu/elmelet/

[8] Sz. Biró – Zs. Kisa – P. Uracs – S. dr. Sipos: New results of investigations carried out on tools made by the IMC Group, XXIII. microCAD International Scientific Conference, 19-20 March 2009, Miskolc, Section M., p. 27 – 33.

[9] dr. Sipos, S.- Biró, Sz – Tomoga, I.: A termelékenység és a minőség egyidejű növelése WIPER élgeometriával, Gépgyártás, 2006/.4, p. 17- 24.

[10] dr. Sipos, S. – dr. Cselle, T. – Csuka, S.: Nanokompozit PVD-bevonatok kopásának széleskörűen alkalmazható modellje, Gépgyártás, 2008/1-2, p. 5-10.

A GTE Műszaki Irodalmi Díjával 2009-ben kitüntetett cikk