Nagytermelékenységű marók vizsgálati eredményei

Az alkatrészgyártásban alapvető követelmény a megmunkálási idő és az előállítás költségének jelentős csökkentése. A szerszáminnováció napról napra egyre újabb szerszámkonstrukciók, fejlett élgeometriák, egyre többre képes élanyagok és progresszív bevonatok megjelenését segíti elő. A szerszámgyártók manapság két maróféleséget részesítenek előnyben. Az egyik igen nagy előtolási sebességet tesz lehetővé, a másik pedig – előnyös geometriája révén – nagy ráhagyások leválasztására alkalmas kis forgácsolóerő fellépése esetén.

As fundamental demands in the machine industry are seemed the shorter throughput times and lower production costs. These goals could be achieved in tooling with an innovation process, namely by recent construction tools, enhanced geometry, more productive tool¢s substrate and progressive coating layers from day to day. Tool making companies give preference to two types of milling cutters. One type of milling cutters performs the cutting strategy known as high feed milling, the other one, the tangentially oriented insert construction – applied an advantageous geometry - is perfect for heavy depths of cut, but main cutting force is relatively low.

Es ist ein grundsätzlicher Anspruch in der Maschinenindustrie, die Bearbeitungszeiten und die Herstellungskosten der Werkzeuge zu vermindern. Diese Ziele können in der Werkzeuginnovation durch immer wieder neue Konstruktionen, verbesserte Schneidengeometrie, produktivere Materiale und progressive Beschichtungen vom Tag zu Tag erreicht werden. Werkzeugherstellende Firmen bevorzugen 2 Varianten von Fräsern. Ein Typ von diesen Fräsern macht die äußerst hohe Vorschubsgeschwindigkeit möglich, der andere mit tangential orientierter Konstruktion ist - durch seine vorteilhafte Geometrie - zur Abtrennung von großen Spantiefen geeignet.

Bevezetés

A szerszámgyártók manapság két maróféleséget részesítenek előnyben. Az egyik igen nagy előtolási sebességet tesz lehetővé, a másik pedig – előnyös geometriája révén – nagy ráhagyások leválasztására alkalmas kis forgácsolóerő fellépése esetén.

Jelen cikkben mindkét szerszámról beszámolunk, közölve azokat a bíztató eredményeket, amelyek az újszerű felhasználás sikerességét garantálják.

1. Nagy előtolású marók kísérleti vizsgálata

A forma- és süllyesztékgyártó üzemek kedvelt marószerszámait a 2000-s évek első felében fejlesztették ki. Ezek a szerszámok lehetővé teszik, hogy a nagyolást „near net shape”-módszerrel oldják meg, ezzel pedig a félsimító művelet kihagyható, és az alakos szerszámelemet vagy félgömbvégződésű simító maróval vagy pedig tömbös szikraforgácsolással alakítják végső formára [1, 2]. A nagy előtolású szerszámokkal (high feed milling cutters, HFM) 3D profilmarást, vagyis a formaüregek marását, zsebek kialakítását, lejtő mentén végezhetünk forgácsolást, mindezt csigavonalszerű (2D) és cirkuláris (3D) interpolációt lehetővé tévő vezérléssel ellátott gépeken (ahol a vezérlés „előretekintő” módon vezeti végig a szerszámot a programozott kontúr mentén).

Tekintettel arra, hogy a vetélytársként szóba jövő RNMG-alakjelű lapkával szerelt toroid szerszámoknak számos hátrányos tulajdonságuk van (a fogásban lévő nagy élvonalhossz miatt nagy forgácsolóerőt igényelnek, különösen nagy kinyúlás esetén rezgésre hajlamosak, a szerszámbefogót pedig nagy hajlítási igénybevétel terheli), a nagy előtolású marók mindezeket a hiányosságokat részben kiküszöbölik, sőt, a termelékenység három-ötszörös növelését teszik lehetővé (1. ábra).

A HFM-szerszámok előnyös felhasználásának elméleti alapja a 2. ábrán vázolt diagramban keresendő: a főélszög csökkenésével a forgácsvastagság átlagos értéke – kezdetben kissé, azután rohamosan – csökken. A jelenleg nagy számban használt szerszámok főélszöge 10-12° közötti. Érthető tehát, hogy ezen szögelhelyezés mellett a forgácsvastagság mindössze ötöde az alapul vett (Ƙ_r = 90°) értéknek.

A nagy előtolású marók előnye, hogy a forgácsolási folyamat stabil. Mivel a forgácsoló erő a főorsó irányában hat (1. ábra), ezért az ébredő rezgéseket csillapítja. Nem szükséges különleges megmunkálógép (lehet kis vagy közepes merevségű és teljesítményű), ráadásul a nagy anyagleválasztási sebesség kiváló termelékenységgel párosul. A CNC-géppel szemben azonban fokozott elvárásként áll a fejlett, előretekintő vezérlés, hiszen a maró munkamenetben 12-20 m/min előtolósebességet is elérhet.

A HFM-szerszámok alkalmazásának hátránya, hogy csak nagyoló megmunkálásra alkalmas, a ráhagyást sok (axiális, a_p, mm) fogásvétellel kell leválasztani, mert a szerszámokra érvényes az a_p,max< 2 mm korlátozás. Mivel az eljárás nagyoló, ezért a forgácsolt felület érdessége ennek megfelelően nagy.

1.1. A két szerszám összehasonlítása a mért erők alapján

A műanyag formaüregekhez használatos 40CrMnMoS8-6 anyagjelű (DIN, W. Nr. 1.2312) szerszámacélon a 3. ábrán látható két szerszámot hasonlítottunk össze. A kísérleteket ellenirányú sarokmarással, kizárólag szerszámminősítési feladatokra szolgáló MAZAK VC Nexus 410A megmunkálóközponton, v_c=120 m/min forgácsolósebességgel végeztük [3].

A kísérleteknél KISTLER 3 komponenses erőmérővel és DynoWare szoftverrel regisztráltuk a munkadarabra ható előtoló- (F_f, N) és normál irányú (F_n, N) erőhatásokat. Tekintettel arra, hogy a vizsgált szerszámok átmérőmérete különböző, az összehasonlíthatóság kedvéért állandó kapcsolódási viszonyokat (a_e/d=0,25) állítottunk be.

Az elvégzett vizsgálat eredményeit tükröző 4. ábra alapján a következő megállapítások tehetők:

• A hagyományos, 90° főélszögű maró a szokásos, f_z = 0,1 mm fogankénti előtolás átlagosan 70 N előtolóerőt igényelt. A HFM-maró f_z = 1 mm és (a_e/d=0,25 kapcsolódáskor) 240 N erőt fejtett ki a darabra. Megállapítható tehát, hogy az előtolás tízszeresére történő növelése a jelzett erőhatásokat mindössze háromszorosára fokozza, miközben a forgácsvastagság lényegesen nagyobb lesz.

• A hagyományos és HFM-marók erőregisztrátumainak összevetéséből az is megállapítható, hogy a növelt előtolásra alkalmas maró sokkal kisebb erőingadozással dolgozik, a forgácsolóerő gerjesztette rezgések pedig szinte teljesen hiányoznak

• Megjegyezzük, hogy mért erőkülönbséghez a növelt fogankénti előtolás mellett az is hozzájárult, hogy a HFM-maró nagyobb átmérőjű volt és emiatt (állandó a_e/d=0,25 arány esetén) nagyobb a_e sugárirányú fogásmélység tartozott hozzá.

Megemlítjük, hogy a fentieken kívül megvizsgáltuk a legújabb fejlesztésű, ötlapkás HFM-maró működését is, azonban a tesztek részletes ismertetésére – terjedelmi korlátok miatt - nincs lehetőségünk.

1.2. A nagy előtolású maró által előállított érdesség alakulása

A feltűzhető kivitelű, ötélű, Ø40 mm méretű, nagy előtolású maró (típusjele: FF FWX Ø40-05-16-05) teljesítőképességét csak a mart felület érdessége alapján jellemeztük. A lapkák WCXU05T312HP alakjelűek, IC830 anyagúak (TiAlN bevonattal) voltak. A forgácsolósebesség állandósítása (v_c=120 m/min) mellett három adatot változtattunk, ezek a fogásmélység (ap=0,5…0,8 mm) a fogásszélesség (ae=12…18 mm) és a fogankénti előtolás (fz=1…1,5 mm).

A kísérleti adatbeállításokat a jól bevált DoE programunk segítségével 3 szinten variáltuk. Az ellenirányú lépcsőmarással végrehajtott kísérletek a megmunkált felületen lényegesen változó, nagyolási jellegű érdességet hoztak létre, ahol az érdességváltozás a szerszámközéppont felé növekedő tendenciájú volt. A beállítások összehasonlíthatósága érdekében egységesen egy 2 milliméteres sávot választottunk ki az értékelésre. Az 5. ábra a 8 kísérleti beállítás eredményeit tartalmazza.

A közölt ábra elemzéséből kiderül, hogy

• a mart felületek átlagos érdessége 5 … 25 mm tartományban szóródott. Azaz, beigazolódtak az előzetes feltételezések a nagyolt felület tekintetében;

• a beállítási paraméterek alapján a megmunkált felületek érdességét 3 osztályba sorolhatjuk: a 6. beállításkor keletkező, igen kedvező simaságú felület (R_a ~5 µm), közepes érdességű felületek (10< R_a, µm < 15), és a 8. beállításhoz tartozó nagy érdességű (R_a ~20 µm) felület.

• a forgácsolási adatok és a felületi érdesség kapcsolatának modellezésére az alábbi képlet használható:

V'=10−3⋅ap⋅ae⋅vfcm3/min

A közelítés elfogadható jósága (R~0,8) miatt jogosan tételezzük fel azt, hogy a mart felület átlagos érdességére főként a fogankénti előtolás a meghatározó. Emellett még a fogásszélesség van hatással, a vizsgálati tartományban változtatott fogásmélység azonban elhanyagolható befolyású.

A célszerűen kiválasztott, a_p=0,8 mm, a_e=18 mm és f_z=1 mm forgácsolási adatokkal mart felület felületi érdességének 3D-s (topográfiai) vizsgálati eredményét a 6. ábra mutatja, amelyen jól kivehetők az egyes fogak által kialakított érdességi nyomok mélyebb karcai, illetve a maró visszafutásának nyomai is.

A 3D-s felvételek további elemzésére (topográfiai jellemzők és azoknak a marási iránnyal kapcsolatos sávos megoszlása) – terjedelmi korlátok miatt - nincs lehetőségünk.

2. Tangenciális elrendezésű marószerszámok

Az alkatrészgyártásban és a szerszámgyártásban a szerelt kivitelű szárasmarók, valamint a nagyobb átmérőjű (ún. feltűzhető) marók lapkáinak elrendezését a legutóbbi időkig a radiális, lay-down konstrukció jellemezte. Egy merész innováció azonban a lapkák szokásos elrendezését megváltoztatta, ezzel egy csapásra kitágította a szóba jöhető alkalmazási tartományt.

Az általunk vizsgált tangenciális elrendezésű szerszámot (típusa: SJ5F040R00, lapka: DGM314R001, anyaga IN2005, gyártó: Ingersoll) a következő előnyök jellemzik: 

• tekintettel arra, hogy a lapka tangenciálisan, a forgás irányában áll, nagyobb terhelhetőségű, mint a hagyományos, radiálisan fektetett lapkák. Ez azzal függ össze, hogy az új elrendezésnél a lapka teljes élhossza terhelt, a hagyományosnál fellépő erőhatásokat pedig a lapka vastagsága viseli;

• a terhelhetőség növekedése azzal is összefügg, hogy a marószerszám hasznos, teherviselő keresztmetszete (magátmérője) nem gyengül olyan nagy mértékben, mint a szokásos elrendeződésnél. Ennek következtében szerszámkihajlás és deformáció gyakorlatilag megszűnik és még nagy fogásmélységek mellett sem jön rezgésbe a szerszám;

• az ívelt forgácsolóélek és a szokásosnál nagyobb (pozitív) élszögek lágyabb és könnyebb forgácsleválasztást tesznek lehetővé kisebb erőhatások ébredése mellett, miközben a forgácslefutás szabadabban történik, a folyamat biztonsága növekszik, a szerszám éltartóssága gyakran megduplázódik, sőt, még nagyobb mértékben is fokozódhat;

• az anyagleválasztás mértéke (V'= 10-3 ap × ae × vf; cm3/min) mindezek következtében megnövelhető, anélkül, hogy a szerszámgép merevségével és teljesítményével szemben támasztott igények fokozódnának.

A számos előny mellett természetesen néhány hátránnyal is számolnunk kell. Ezek körébe sorolható az, hogy a szerszám palástmarásra és síkok homlokmarására használható, kontúrmarásra azonban csak korlátozottan alkalmazható.

A cikkben szereplő két marószerszám összehasonlításához ismét az ébredő erőhatásokat vettük alapul. Az ötélű, nagy előtolású marót, valamint a szintén ötélű, tangenciális lapkaelrendezésű szerszámot a jól bevált DoE programunk segítségével vizsgáltuk, a beállított forgácsolási adatokat itt is 3 szinten variáltuk. A kísérleti elrendezést az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat

A 7. ábra az előtolásirányú és az erre merőlegesen ébredő, ún. normálirányú erőkomponensek esetén mutatja be a végrehajtott kísérletek eredményeit.

A közölt diagramokból az alábbi következtetésekre jutunk:

• a tangenciális szerszám valóban kisebb erők fellépése mellett forgácsol, mert a forgács leválasztott keresztmetszete (ap × ae, mm2) rendre 4-szer nagyobb volt, mint a HFM-maróval leválasztottnak, mégis minden egyes beállításkor kisebb előtolóerők ébredtek. Az igazság kedvéért megjegyezzük azt, hogy a HFM-marót rendre 10-szeres előtolással működtettük.

• a normál irányú erők tekintetében még nagyobb a különbség. A különböző beállítások mellett 4…20-szor nagyobb normálerők ébrednek a HFM-maró üzemeltetésekor. E tény felhívja a figyelmet arra, hogy minden olyan esetben (például vékony falú munkadaraboknál) előnyben kell részesíteni a tangenciális marót, amennyiben már a nagyolómarás fázisában is fontos a megmunkálási pontosság. 

Tekintettel arra, hogy a tangenciális marót a hagyományos fogankénti előtolással alkalmazzuk, így a mart felület átlagos érdessége a szokásosnak megfelelően (a vizsgálati körülményeink között tehát  R_a << 5 µm) alakult.

3. Összefoglalás, további feladatok

Az általunk vizsgált, nagy forgácsleválasztási sebességet garantáló szerszámkonstrukciók számos gazdasági előnnyel kecsegtetnek. Ezek kihasználására indított kutatásaink első, meglehetősen kedvező eredményei arra bátorítanak, hogy a szóban forgó marók teljesítőképességi határainak feltérképezésével párhuzamosan a megmunkálás minőségi követelményeit is figyelembe vevő forgácsolási adatajánlásokat dolgozzunk ki a közeljövőben. E vizsgálatok elvégzésére kutatás-fejlesztési szerződéseket is kötöttünk.

Irodalomjegyzék

[1] C. Bates: A Rough Guide to Better Milling, American Machinist, May 2006.

[2] EXP High Feed Milling Cutters (H.O.T. Product Memo #037-W), Tungaloy, 2004

[3] Tállai, P. – Mihályi, G.: Új konstrukciójú marószerszámok képességvizsgálata (TDK-dolgozat), BMF/BGK/AGI, Budapest, 2008. p. 34.

Megjegyzés: jelen cikk a XXIII. microCAD 2009 Nemzetközi Tudományos Konferencián (Miskolc) előadott és a rendezvény kiadványában megjelenő írás magyar nyelvű változata.