Korszerű száras marók forgácsolási adatainak többcélú optimálása

Csuka Sándor ¹ – Pálfalvi Bálint ² – dr. Sipos Sándor ³ – Mózes András ⁴

1 – intézeti mérnök, Óbudai Egyetem, Bánki Gépészmérnöki Kar

2 – műszaki igazgató, Iscar Hungary Kft.

3 – mestertanár, Óbudai Egyetem, Bánki Gépészmérnöki Kar

4 – III. évfolyamú hallgató, Óbudai Egyetem, Bánki Gépészmérnöki Kar

Absztrakt

A korszerű száras marók szakszerű és eredményes alkalmazásának elengedhetetlen feltétele a forgácsolási körülmények kellő ismerete, a korlátfüggvényekre épülő folyamatmodell megalkotása és a megbízható adatgenerálás. Az általunk elvégzett forgácsolási kísérletek is arról tanúskodnak, hogy a különböző konstrukciójú szerelt szerszámok szerteágazó feladatokra alkalmasak. A felhasználhatóságuk azonban eltérő, erről a kísérlettervezés módszerével végrehajtott kísérletek során győződtünk meg. A marókra meghatározott beállítási adatokat két célfüggvény szerint optimáltuk, amelyek egyaránt figyelembe veszik a felhasználó és a termékminőség szempontjait. A kidolgozott grafikus-analitikus módszer alkalmas arra, hogy a forgácsolási körülményeket mindkét szempontot összehangolva állítsuk be. A végrehajtott kísérleteknél ráadásul előtérbe kerültek a környezetbarát gyártás (green manufacturing) szempontjai is.

Bevezetés

A gépipari gyakorlatban több mítosszal és káros nézettel is szembe kell nézni akkor, amikor a száras marókról (másképpen ujjmarókról) van szó. Az előbbiek kategóriájába tartoznak például azok a kijelentések, hogy a „a szármarók a megmunkálóközpontokon alkalmazott szerszámok között a legfontosabbak”, az utóbbi kategóriába sorolhatók azok a nézetek, amelyek szerint „a félgömbvégződésű marók minden feladatot megoldanak”. Amennyiben reálisan közelítjük a szármarók alkalmazásának jelentőségét, úgy találjuk, hogy minden egyes korszerű kialakításnak szerepe van. A marási feladatok köre tágan értelmezett, ezért egyaránt belevonható a sarokmarástól kezdve a horonymarásig, a lejtőmarástól (ramping) kezdődően a süllyesztőmarásig (plunging), a 2,5D-s süllyesztékmarástól kiindulva az 5D-s billenőasztalos megmunkálásig az eljárások széles köre. A szerszámválasztáskor ezért fokozott figyelmet kell fordítani a megfelelő eszköz megkeresésére, és ezekben a feladatokban intelligens kiválasztóprogramok [1, 2] segítik a felhasználót. Ezek hiányában vagy az üzemben szerzett gyakorlati tapasztalatra szükséges hagyatkozni, vagy pedig a gyártó cégek termékfelelőseivel kell folytatni néhány mélyreható szakmai konzultációt.

Az alábbi anyagunk közreadásával az volt a legfőbb célunk, hogy felhívjuk a figyelmet a szerszámkiválasztás és alkalmazás, valamint az adatgenerálás és -optimálás jelentőségére egy neves gyártó cég kiválasztott szerszámait felhasználva.

A szármarók kiválasztása és összehasonlítása

A különböző kialakítású szármarók alkalmazása annyira sokoldalú, a végrehajtható feladatok köre pedig annyira szerteágazó, hogy a bevezetőben említett mítosznak van némi alapja. A megfelelő szerszám kiválasztásakor természetesen mindig a megmunkálási feladatból kell kiindulni, és ehhez kell társítani a reális forgácsolási körülményeket. Az 1. ábra rendszerbe foglalja mindazokat a szempontokat, amelyek a címben jelölt szerszámok feladatorientált kiválasztását lehetővé teszik [3]. A közölt ábra minden egyes szerszámjellemzőjéhez több korlátozó körülmény is rendelhető, amelyekkel a forgácsolás eltérő körülményei figyelembe vehetőek. A száras marók esetében például (a teljesség igénye nélkül) ezekhez tartoznak például a következő szempontok:

• a fogásban lévő élvonalhossz nem lehet nagyobb a lapka élhosszúságánál (triviális korlátozó körülmény),

• a forgácstér korlátozott mérete miatt a beállított fogásszélesség (a_e) és (axiális) fogásmélység (a_p) nem lehet olyan nagy, hogy ez forgácstömörödéshez és/vagy beszoruláshoz vezessen (konstrukciós korlátozó körülmény) [4],

• a teherviselő (mag)keresztmetszet olyan legyen, hogy még hagyományos (ún. lapjára fektetett) lapkaelrendezésnél is elviselje a pillanatnyi erőhatásokat. Ha ez nem oldható meg, akkor tangenciális lapkaelrendezésű szerszám választása az indokolt [5]. Ekkor ugyanis legalább negyedével nő a magátmérő és egy nagyságrenddel a terhelhetőség (nagytermelékenységű maráskor, ún. HFM szokásos korlátozó feltétel).

A vizsgálatokhoz a tesztelendő marókat egy neves gyártó cég szerszámai közül választottuk ki úgy, hogy az előzőekben említett minden szempontot érvényesíteni lehessen [4]. A kísérletekben szereplő négy száras maró mindegyike Ø20 mm méretű, konstrukciós szempontból pedig egy radiális elrendezésű (E90AX, 3 lapkás), egy hibrid kialakítású (E90AN, 4 lapkás), valamint két tangenciális lapka-elhelyezésű (T290 és T490, 3 lapkás) volt. A különböző konstrukciók (lapkarögzítési módok) a 2. ábrán láthatók. Megjegyezzük, hogy a hibrid kialakítású változat – a lapkamértek csökkentésével és az élek számának egyidejű növelésével – a magkeresztmetszet 170%-os növekedésével jár a hagyományos (radiális) elrendezéshez képest.

A vizsgálatok fő célkitűzései a következők voltak:

• a különböző kialakítású szerszámok teljesítőképességének összehasonlítása,

• forgácsolóképességi különbségek megállapítása és számszerűsítése különböző feladatoknál fellépő erőhatások alapján, végül

• a legalkalmasabb szerszámot alapul véve optimalizált adatok meghatározása.

A sokoldalú összehasonlítást a gyakorlati életben leggyakrabban előforduló sarok-, horony- és lejtőmarási változatnál végeztük, úgy, hogy a nehezen forgácsolható, 42CrMo4 jelű, nemesített szerkezeti acélon (W. Nr. 1.7225, HB280-290) végrehajtott teszteknél konstans forgácsolósebességet (v_c=120 m/min) állítottunk be. A forgácsolóképesség objektív megállapítását célzó mérésekhez a 3. ábrán bemutatott szerszámgépet és mérőrendszert alkalmaztuk.

A forgácsolóképesség műszeres vizsgálatakor három erőkomponens meghatározására alkalmas on-line mérőrendszer felhasználásával az előtolás- és tengelyirányú forgácsolóerő-komponenseket regisztráltuk. Az előbbi (F_f, N) meghatározása azért fontos, mert ‒ a szerszámra hatva ‒ a gép főorsójának meghatározó terhelését okozza (azaz mindig nagyobb, mint a kerületen mérhető F_c, ún. főforgácsoló erő), az utóbbi (F_z, N) pedig – főként deformálódó, kis falvastagságú munkadarabok, vagy kevésbé stabilan rögzíthető előgyártmányok esetén – a termék pontosságára gyakorol hatást.

A jobb összehasonlíthatóság kedvéért a különböző megmunkálási adatok hatását a mért erőkre matematikai képletekkel modelleztük. Sarokmaráskor például az előtolásirányú erőkomponens átlagos értéke:

Ff̄=A1⋅apB1⋅aeC1⋅fzD1[N](1),

az axiális (tengely-) irányú összetevő átlagos értéke pedig:

Fz̄=A2⋅apB2⋅aeC2⋅fzD2[N](2),

amelyben

A₁ és A₂ – a forgácsolási körülményektől függő konstansok,

B₁ , C₁ és D₁ – az előtolásirányú erőre vonatkozó, regressziós hatványkitevők,

B₂ , C₂ és D₂ – az axiális irányú erőre vonatkozó, regressziós hatványkitevők.

Az a_e=Ød egyenlőséget figyelembe véve horonymarásnál az előbbi képletek értelemszerűen a következő alakot öltik:

Ff̄=A1⋅apB1⋅fzC1[N](3) és

Fz̄=A2⋅apB2⋅fzC2[N](4).

A szármarókkal végezett kísérletek néhány eredménye

A 3. ábrán feltüntetett regisztrátumokat kiértékelve és a Dynoware szoftver segítségével a tényleges forgácsolás időszakára meghatározva az átlagértékeket minden egyes eljárásváltozatnál számos diagramhoz jutunk, amelyek közlésére – elsősorban terjedelmi okok miatt – nem vállalkozhatunk. Az erőkomponensek irányának és előjelének, valamint az axiális homlokszög értelmezését a 4. ábra mutatja.

Sarokmarás esetén a leginkább intenzív adatokkal forgácsolva a mért erőértékeket az 5. ábra szemlélteti. Megfigyelhető az, hogy amíg az előtolás irányában kb. 30%-kal nagyobb erőhatás ébred a négylapkás maró üzemeltetésekor (a kapcsolási szám növekedésével összefüggésben), addig az axiális erőhatásoknál elsősorban a lapkák axiális homlokszögének (γ_ax, º) értéke a befolyásoló tényező. Tehát a hagyományos (illetőleg a hibrid) marószerszámok (mivel a lapkahátszög csak korlátozottan növelhető) viszonylag kis axiális homlokszöggel építhetők be, a tangenciális elrendezés jóval nagyobb szabadságot biztosít a hátszögválasztás tekintetében. Érdemes kiemelni azt is, hogy a T290 jelzésű maró minden szempontból másként viselkedik, mint társai: minden beállításkor inkább húzza, mint nyomja a munkadarabot.

A horonymaráskor mért erőhatásokat a 6. ábra mutatja be. Ezekből a vizsgálati eredményekből is az állapítható meg, hogy a tangenciális elrendezésű szerszámok hagyományos konstrukciójú társaiknál lényegesen kisebb erők fellépése mellett dolgoznak. A különbség az előtolásirányú erő tekintetében 10-20% között van, míg például a T290 típusnál regisztrált axiális erő negyede-ötöde, mint a legkedvezőbb, hagyományos kialakítású változatnál. Az előbbi a szerszámgép igénybevétele és teljesítményfelvétele szempontjából jelentős eredmény, az utóbbi körülmény pedig azért kedvező, mert a fogankénti előtolás növelése még inkább mérsékli a munkadarabot terhelő erőt, vagyis minél termelékenyebb a forgácsolás, annál pontosabb a keletkező gyártmány.

Lejtőmarásra a vizsgálatba vont szerszámok közül kizárólag csak az E90AN jelzésű (hagyományos kialakítású) és a T290 típusú (tangenciális elrendezésű) száras marók alkalmasak. A szerszámok közötti különbségek ennél az eljárásváltozatnál teljesedtek ki igazán: a korszerű változattal nagyobb hajlásszögű lejtőket lehet megmunkálni, ráadásul a munkadarabot terhelő erők is kedvezőbbek. Az előbbi (is) a növelt hátszög alkalmazhatóságának köszönhető, az utóbbi pedig a növelt axiális homlokszögnek tudható be. Ennek eredményeként a T290 típusú maróval forgácsolt termékeket rövidebb átfutási idővel és növelt pontosságban lehet gyártani.

Az elvégzett vizsgálatok eredményeként nagyon egyszerű feladat a szerszámok alkalmassági sorrendjének megállapítása és a célszerűen beállítható adatok kiválasztása. Természetesen az általunk ismertetett módszer és kapott eredmények pusztán a szerszámok rövid használati idejű viselkedését mutatják, a marók tartós működését csak tervezett, költséges forgácsolási tesztekkel lehet majd minősíteni.

A szármarók forgácsolási körülményeinek optimálása

A korszerű száras marók szakszerű és eredményes alkalmazásának elengedhetetlen feltétele a megmunkálási feladat végrehajtási körülményeinek minél pontosabb ismerete. A különböző kialakítású szerszámok kiválasztása – hasonló típusú vizsgálatok elvégzése – után lehet csak megalapozott. A beállított adatok megbízhatósága kizárólag egzakt folyamatmodell megalkotásán múlik, amelynek műszaki-technológiai alapját különböző típusú és „szigorúságú” (triviális, alsó- és felső) korlátfüggvények alkotják [6]. A szóba jöhető adatok tartománya (SZAT) az a legkisebb területű poligon, amelyet alulról és felülről határoló korlátfüggvények zárnak be, és lehetővé teszik a zavarmentes forgácsolást.

Az adatoptimálás a szóba jöhető adatok tartományára épülő kereső-kiválasztó tevékenység, amelyet különböző módszerekkel – többnyire – számítógépes programokkal támogatva, egy vagy több célkitűzés figyelembe vételével végeznek. Terjedelmi korlátok miatt nem térünk ki sem az egycélú (időalapú és/vagy költségbázisú) optimálás korszerű módszereire, sem pedig a magasrendű optimumfeladatok tárgyalására. Ebben az anyagban a többcélú optimálás grafikus-analitikus módszerének alkalmazására mutatunk be egy példát.

Többcélú optimáláson olyan komplex célok egyidejű teljesülését értjük, amelyek több – akár egymással ellentétes – elvárás kielégítésre alkalmasak [3]. Ilyenek lehetnek például a szerszám forgácsolóképességével (például éltartamával) és a gyártmány minőségével (például előírt érdességével) kapcsolatos célkitűzések. Az elvégzett vizsgálatok elegendő alapot nyújtanak arra, hogy egyszerre vegyük figyelembe a gyártó szempontjait és a gyártmány minőségi előírásait. Mindezt egy olyan módszer segítségével tesszük, amely – kevéssé elterjedt volta folytán – újszerű megközelítést tartalmaz.

A kiindulási alap természetesen a gyártmány előírt pontossága, ami csak optimális axiális erő fellépése mellett garantálható (túlzottan nagy erőhatás deformációt eredményez, túl kicsiny axiális terhelés pedig a szerszám „támolygását” okozza). A felhasználó szempontjából értelemszerűen az optimális anyagleválasztási sebességre törekszünk, amelyet maráskor – rögzített v_c forgácsolósebesség esetén - a fogásmélység (a_p), a fogásszélesség (a_e), valamint az előtolási sebesség (v_f) határoznak meg. (Megjegyzés: az anyagleválasztási sebesség optimális értéke szorosan kötődik például a célszerű szerszámfelhasználás mértékéhez.)

Elsősorban a szemléletesség kedvéért választottuk az általunk kidolgozott grafikus-analitikus módszert, amelyet horonymarás esetén 8. ábra mutat be. Legyen például a kitűzött cél a munkadarab előírt pontosságát biztosító terhelés F_axopt=100 N, a felhasználó szempontjából pedig V^'_opt=30 cm³/min! A fogankénti előtolás függvényében felrajzolt páros diagramokon berajzolhatók a célfüggvények konkrét értékei, ebből pedig – grafikus úton – meghatározható az f_zopt optimális fogankénti előtolás, és ebből – analitikus úton – kiszámítható az a_popt optimális fogásmélység is.

8. ábra. Többcélú, grafikus-analitikus optimálás horonymarás esetén Szerszám: E90AX típusú, Ø20 mm méretű

Az anyag terjedelmét meghaladná, de ugyanilyen módszer segítségével lehet optimalizálni a lejtőmarás adatait is. A sarokmarás beállítási körülményeinek többcélú optimalizálására a közölt grafikus-analitikus módszer már sajnos nem alkalmas (többdimenziós ábrázolási kényszer), ilyenkor a szerzők által kidolgozott és nehezen forgácsolható (pl. HRSA) anyagok marására sikeresen alkalmazott, tisztán analitikus módszer a megoldás [7].

Összefoglalás, további feladatok

Az általunk végrehajtott szerteágazó vizsgálatokat összefoglalva a következő eredményekre jutottunk:

• • A hagyományos száras marók alkalmazása csak olyan körülmények között indokolt, ahol nem lehet (vagy nem célszerű) áttérni a nagytermelékenységű marásra (high performance milling, HPM),

  • Az elvégzett vizsgálatok és tesztek során szerzett tapasztalatok alapján a tangenciális elrendezésű marószerszámok széles körű alkalmazásának pillanatnyilag nem látjuk ésszerű alternatíváját: a szerszámgép kisebb teljesítményfelvétel mellett, ráadásul pontosabban dolgozik,

  • A vizsgált szerszámok közül sokoldalú használhatóságával kiemelkedik a T290 típus, amely egy sikeres innováció eredménye,

  • Az elvégzett erőmérések és a kapott hatványfüggvény alakú modellek lehetőséget teremtettek arra, hogy a beállítási adatokat több szempontot is figyelembe véve optimáljuk.

A következőkben a szerszámok tartós vizsgálatát tervezzük és igyekszünk képet alkotni az egyes konstrukciók kopási viselkedéséről, a szükségszerűen bekövetkező elhasználódási (degradációs) folyamat intenzitásáról és összefüggéseiről.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők köszönetüket fejezik azoknak a kollégáiknak, akik bármilyen mértékben hozzájárultak a kutatási anyagok elkészítéséhez. Ugyancsak megköszönik a közreműködést azoknak a vállalatoknak, amelyek a kísérleti anyagokat, szerszámok és feltételeket biztosították.

Irodalomjegyzék

1. S. Sipos, dr. – L. Bereczky: The Development of Intelligent Tool Catalogues
   ICT – 2004. XIth Intern. Conf. on Tools, Sept. 9-11. Miskolc, 2004. p. 285-290.
2. http://www.forgacsolaskutatas.hu/elmelet/szerszamvalasztas
3. Sipos, S. dr.: Forgácsolási folyamatok informatikája
   BMF jegyzet, Budapest, 2001. p. 22-26.
4. Mózes A.: Csúcstechnológiát képviselő marószerszámok alkalmazási sajátosságainak összehasonlítása TDK dolgozat, ÓE/BDGBMK/AGI, Budapest, 2010. pp. 30 + mellékletek
5. Különböző kialakítású szerelt szárasmarók vizsgálata
   Projekt: ISCAR_01/2010. ÓE/BGK/AGI/GySz,
   Budapest, 2010. május, pp. 35. + DVD melléklet
6. http://www.banki.hu/ggyt/tantargyak/BAGFT14NNC/adatgeneralas
7. Tömör keményfém-marókkal végzett horonymarás vizsgálata
   Projekt: ISCAR_01/2009. BMF/BGK/AGI/GySz,
   Budapest, 2009. november, pp. 50. + DVD melléklet