Új kísérleti eredmények az IMC-csoport esztergalapkáival

A szerszámgyártó IMC-csoport cégei nagyobb termelékenységű és nagyobb hasznot hozó, új fejlesztésű lapkáit a kedvező élgeometria (növelt pozitív szögek) mellett a keményfémek mindkét bevonatolási eljárását (CVD, PVD) megújító technológia jellemzi. A hagyományos kialakításon (lay-down) kívül nagy szerep jut a tangenciális lapkaelrendezésnek, illetve annak az innovációnak, amelyben a nagyolásra alkalmas lapkákat wiper élekkel látják el. A szerteágazó vizsgálatunk azt igazolja, hogy a növelt homlok- és terelőszögű lapkák kisebb erőket igényelnek, a tangenciális elrendezés pedig valóban áttörést jelent a megnövelt fogásmélységek esetén. A nehezen forgácsolható anyagok környezetbarát esztergálása vizsgálataink szerint lassítja a szerszámok elhasználódását, és a kidolgozott kopásmodell alkalmas a lapkák éltartamának előrejelzésére.

Companies of tool making IMC Group deal with tools, having a better productivity and yielding a bigger profit. The newly developed inserts are featured by - beside the appropriate geometry (e.g. increased positive angles) - enhanced coating technology both chemical and physical vapour deposition (CVD and PVD) for cemented carbide substrates. Besides the popular tool holders (lay-down inserts) a special attention has been paid to the tangentially clamped inserts as well as to the innovative roughing inserts, having a wiper configuration. Our investigations have demonstrated that the combination of a very positive radial, helical cutting edge and a positive rake angle substantially reduces the cutting forces, in addition the tangentially clamped inserts due to its unique helical shaped cutting edges provide a good solution, enabling the use of very large depths of cut and high feeds. According to our tests, the wear process of carbide inserts can be slowed down by some environmental friendly turning operation of hard to cut materials, and the wear model, elaborated by us, is suitable for prediction of tool lives for inserts.

Die Unternehmen der werkzeugherstellenden IMC Group beschäftigen sich mit Werkzeugen, die bessere Produktivität und größeren Gewinn erreichen können. Die neulich entwickelten Wendeschneidplatten können – neben der angemessenen Geometrie (z. B. erhöhte positive Winkel) – durch verbesserte Beschichtungstechnologie (sowohl CVD- als auch PVD-Verfahren) gekennzeichnet werden. Neben dem weit verbreiteten Werkzeughalter (traditionelle Wendeschneidplatte) ist eine besondere Aufmerksamkeit auf die tangential eingespannten Wendeschneidplatten und auf die innovativen Schruppplatten mit Wiper-Geometrie gelenkt worden. Es ist durch unsere Untersuchungen bestätigt worden, dass die Schnittkraft durch die Kombination des positiven Span- und Neigungswinkels und des positiven Spanwinkels wesentlich reduziert werden kann. Außerdem können die tangential eingespannten Wendeschneidplatten – dank ihrer einzigartigen schraubenförmigen  Schneidkante – eine gute Lösung bedeuten, die den Einsatz von großen Schnitttiefen und von großem Vorschub ermöglicht. Unseren Proben nach kann der Verschleißprozess der schwer spanbaren HM-Wendeschneidplatten mit umweltfreundlichem Drehen verlangsamt werden, sogar ist der von uns ausgearbeitete Verschleißmodell geeignet, die Standzeit der Wendeschneidplatten zu prognostizieren.

Bevezetés

A korszerű technológiának számos, egymásnak sok tekintetben ellentmondó kihívásnak kell megfelelnie: egyre bonyolultabb termékeket kell egyre összetettebb gyártási folyamatokkal létrehozni. Ezeknek a gyártmányoknak ráadásul a fokozott minőségi előírásoknak is meg kell felelniük, megbízhatóságukkal kapcsolatos igény („zéró kockázat”) pedig sokszor nem teszi lehetővé a meghibásodásukat. Az egyre nehezebben megmunkálható anyagokból készülő, egyre nagyobb pontosságú alkatrészeket – a kor követelményeinek megfelelően - növekvő gazdasági hatékonysággal és termelékenységgel kell előállítani. Ehhez pedig elengedhetetlenek a műveletek hatékonyságát fokozó drága, többfunkciós szerszámgépek és szerszámok.

A cégek globális versenye az ipari energiatakarékosságot és a folyamatok hatékonyabbá tételét teszi szükségessé. A legújabb gyártóeszközök hatékonyabb energiafelhasználása ugyan mérsékli a globális felmelegedés fenyegető veszélyét, a széndioxid-kibocsátáson és a levegőszennyezés csökkentésén túlmenően azonban nagy szükség van a környezettudatos gyártási eljárások egyre bővülő körének bevezetésére is. A környezetkímélő megmunkálás („green machining”) például egy olyan újszerű technológiai szemléletnek engedett teret, amely végleges moratóriumot hirdet a hagyományos megmunkálóközegek (folyadékok, oldott vegyszerek és gázok) ellen.

E törekvéseknek első számú hajtóereje a szerszáminnováció, amely egyrészt előremutató konstrukciós megoldásokat (például többfunkciós, „5 az egyben” szerszámok), VEM-analízissel tervezett újszerű élgeometriákat (növelt pozitív szögek), másrészt korszerű alapanyagokra felvitt, változatos funkciókat megvalósító bevonatokat jelentenek [1]. Szerteágazó vizsgálatunk azt igazolja, hogy a növelt homlok- és terelőszögű lapkák kisebb erőket igényelnek, a tangenciális elrendezés pedig valóban áttörést jelent a megnövelt fogásmélységek esetén. A nehezen forgácsolható anyagok környezetbarát esztergálása vizsgálataink szerint lassítja a szerszámok elhasználódását, és a kidolgozott kopásmodell alkalmas a lapkák éltartamának előrejelzésére. 

1. Nagytermelékenységű esztergalapkák képességvizsgálata

A képesség fő jellemzőit (szerszámkopás és éltartam) csak hosszadalmas laboratóriumi mérésekkel és/vagy félüzemi kísérletekkel határozhatjuk meg. A kiegészítő jellemzők meghatározásának két módszere terjedt el [2]:

• az egyes jellemzők megítélése, amely kvalitatív értékelést jelent és a benyomásokat szavakban rögzíti,

• az egyes jellemzők minősítése, amely mérésekre épül, így a folyamat konkrét, számszerű (kvantitatív) adatokat eredményez.

A kutatás a következőkre terjedt ki:

• a vizsgálatba vont lapkatípusok forgácsolóképességének szisztematikus minősítése négyféle előtolás (f=0,15…0,41 mm), háromféle fogásmélység (a=1,5 …3 mm) és két forgácsolósebesség (vc=100 és 160 m/min) beállításakor,

• a forgácsolóképességi jellemzők egyes tényezőinek megismerése, vizsgálata, minősítése, rangsorolása, illetve modellképzés szempontjából történő vizsgálata.

A vizsgálatokat etalon minőségű (MSZ szerint C60), Ø80 x 300 mm méretű acélrúdon hajtottuk végre egy fokozatnélküli hajtással ellátott SU50/1500 jelű esztergapad felhasználásával.

A vizsgált szerszámtartók és lapkák típusjeleit az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat.

Az elvégzett vizsgálatokban megmértük a különböző forgácsolási körülmények között fellépő Fc és Ff erőkomponensek értékeit, a forgácsolás közben kialakuló felületi érdességprofil magasságirányú (Ra, Rz) jellemzőit, valamint összegyűjtöttük és forgácstablóba rendeztük el a keletkező forgácsokat. A vizsgálatok szerteágazó eredményei közül itt most az erők alakulását vizsgáljuk. A forgácsolóerő számított, illetve KISTLER típusú erőmérővel regisztrált és DynoWare szoftverrel kiértékelt adatait az 1. ábra szemlélteti. A közölt diagramból az alábbi következtetések szűrhetők le:

• a Kienzle-Victor képelttel számított erőérték kis erőhatásoknál elfogadható közelítést jelent, azonban növelt forgácskeresztmetszeteknél az eltérés akár 25%-ot is elérhet. Ez arra hívja fel a figyelmet, hogy az 1960-as években meghatározott számítóképletek a korszerű élgeometriájú és fejlett bevonati rétegű szerszámok alkalmazásakor már nem felelnek meg;

• a csaknem azonos alakjelű (CNMG, CNMM és CNMC), hagyományos (lay-down) elrendezésű lapkák alig különböztek egymástól. A PVD-bevonatú változatok kisebb erőhatás ébredése mellett választják le a forgácsot;

• a tangenciális rögzítésű változat teljesítőképessége – különösen a növelt fogásmélységek és előtolások esetén – figyelemreméltó. 

2. Nehezen forgácsolható acélok környezetbarát esztergálása

A gazdaságosság és a környezettudatosság sokáig egymásnak ellentmondó fogalomként szerepelt a forgácsolásban: a nagyobb termelékenység eléréséhez évtizedeken keresztül az árasztásos módszerrel adagolták a hűtő-öblítő-kenőközegeket (HÖK). Az autóiparban végzett elemzések azt igazolják, hogy a gyártósorok központi HÖK-ellátó berendezései, a közegek beszerzésének, kezelésének és eltávolításának, valamint a megfelelő tisztító berendezések üzemeltetésének költségei sokszorosát jelentik a felmerülő szerszámköltségeknek (2. ábra). Ráadásul a különféle ásványi olajokat (vizes oldataik az emulziók) tartalmazó HÖK-közegek a dolgozók egészségét veszélyeztetik, mert allergiák és bőrbántalmak kiváltó okai lehetnek.

2.1. Környezetbarát közegben végzett esztergálás

A környezeti ártalmak és a felmerülő költségek csökkentésének egyik leghatékonyabb módszere lehet a szárazon, illetve környezetbarát hűtőgázok és/vagy növényi olajok jelenlétét feltételező minimálkenéssel végzett megmunkálás.

A vizsgálatokat KO36 (MSZ szerint, DIN megfelelője: X10CrNiTi189) ausztenites szerkezetű, Ø200 x 260 mm mérető korrózióálló acélrúdon hajtottuk végre egy fokozatnélküli hajtással ellátott SU50/1500 jelű esztergapad felhasználásával. A vizsgálatok egy részét szárazon végeztük, és ehhez hasonlítottuk a hűtött levegős és a minimálkenéses (minimal quantity lubrication, MQL) eredményeit, amelyet az MWLNR 2525M 08 késtartóba fogott, WNMG 080408-ML alakjelű, TT5030 anyagjelű, TaeguTec gyártmányú lapkával érünk el.

A birtokunkban levő Cold Air Gun rendszer sűrített levegőt használ, így hozza létre a léghűtéshez szolgáló kb. –10°C hőmérsékletű levegőt. A Venturi-cső elvén működő CAG berendezés egyik legnagyobb előnye, hogy az általunk is belélegzett levegőt hasznosítja, tehát abszolút környezetbarát.

Az általunk használt minimálkenő rendszer (amely a német TKM cég gyártmánya, típusa HCS250) a kenőanyagot külső fúvókákon keresztül juttatja a szerszámra. A minimálkenő fúvókákat úgy helyeztük el, hogy a nagynyomású olaj-permetsugarak a fő- és mellékhátoldali felületeken érjék el a lapkát, ezzel is csökkentve a munkadarab és a szerszám között fellépő súrlódást. Korábbi vizsgálataink tapasztalatai azt mutatják, hogy a fúvókákat az elsődleges forgácsolási zónára kell irányítani.

Az általunk felvett diagramon (3. ábra) három különböző görbe figyelhető meg:

• A Cold Air Gun használata közel Taylor-i görbét eredményez,

• Szárazon végzett esztergáláskor az éltartamkitevő változó, azaz log-log léptékű rendszerben a mért éltartamok nem esnek egy egyenesre,

• Minimálkenéskor a görbe előbb enyhén növekszik, majd utána csökken. Egy meghatározott sebességtartományban (kb. 160 m/min közelében) az éltartam a legnagyobb. Feltételezzük, hogy ennél a beállításnál fejtheti ki a minimálkenéssel odajuttatott olajfilm a legkedvezőbb hatását.

• felhívjuk a figyelmet arra, hogy a CAG hűtés 40 – 80%-os éltartamfokozó hatású, míg a minimálkenés 2,5 -5-szörös növekedést jelent a szárazon végzett forgácsoláshoz képest.

2.2. A lapkakopás előrejelzése a kopásmodell alapján

A lapkáknak CCD-kamerával történő tanulmányozásakor világossá váltak azok a mikromechanizmusok, amelyek a huzamos forgácsolás során hátfelületi makrokopások formájában jelentkeznek. Az általunk vizsgált, nehezen forgácsolható ausztenites korrózióálló acél esetében különösen az abrázió, az adhézió és a termokémiai kopás volt a domináns, amely – az előzetesen várakozásnak megfelelően – hátfelületi szélkopás (VBN, mm) formájában jelentkezett.

A környezetbarát hűtő-öblitő-kenőanyagok (HÖK) alkalmazásával végrehajtott kopásvizsgálat lehetővé, a szerszámminősítési tevekénység tervezhetősége pedig szükségessé tette a kopásgörbék modellezését. Az áttekintett kopásmodellek közül legjobban a

alakú kopásfüggvény [4] felelt meg, ahol

• tc – a forgácsolásban eltöltött idő, min;

• IVB(tc) – a pillanatnyi kopásintenzitás számított értéke, mm/min;

• C1 – a mértékegységek közötti átszámítási állandó.

Tekintettel arra, a kopásgörbe degresszív (az elhasználódási folyamatok lassulnak) és progresszív (a tönkremenetel felgyorsul) kopásintenzitási szakaszokból tevődik össze [4], így a pillanatnyi kopásintenzitás függvénye a következőképp alakul:

        ,

ahol:

• tc – a forgácsolásban eltöltött idő, min;

• A, B és C – az intenzitásfüggvény – az előbb tárgyalt mikromechanizmusokkal összefüggő – konstansai.

A szárazon végzett, illetve a hűtött levegő befújásával (CAG) végrehajtott esztergáláskor a vizsgálat körülményei között a mért hátkopás adatok és a modell segítségével megállapított értékek nagyon jó egyezést mutattak. A vizsgált sebességeknél az eltérés (szórás) nem haladta meg a ± 0,003 mm különbséget.

A minimálkenéssel végrehajtott kísérleteknél a közölt modell ugyan megfelelő volt, azonban sem a szorosság, sem pedig a szórás nem elégítette ki az elvárásainkat. Ez annak tudható be, hogy minimálkenés esetén olyan vegyes-súrlódási folyamatok zajlanak le, amelyre nem érvényes a fenti modell. Összességében megállapítható az, hogy szárazon végzett, illetőleg CAG-gal és emulzióval hűtött körülmények között a közölt modell nagy pontossággal, megbízhatóan és adekvátan írja le a lapkaelhasználódás folyamatát [5]. Éppen ez inspirált minket egy kopáselőrejelző-szoftver kifejlesztésére.

A szoftver működtetéséhez szükség van a tesztelt lapka négy, különböző időpontban, szakszerűen megmért hátkopásának adatára. Ezekből a bemenő adatokból a szoftver kiszámolja az intenzitásfüggvény A, B és C konstansait, és előre jelzi a lapka valamely kopáskritériumhoz (például VBmeg=0,3 mm) tartozó éltartósságát. Természetesen minél több pontot adunk meg bemenő adatként, annál megbízhatóbb eredményt kapunk.

A vc=125 m/min forgácsolósebességgel végrehajtott kopásvizsgálat közben CAG-gal hűtöttük a szerszámot. Egy másik esetben szárazforgácsolást hajtottunk végre növelt (vc=140 m/min) sebesség mellet. A 4. ábra a szoftver alkalmazási példáját szemlélteti mindkét esetben.

Összefoglalás

Az IMC szerszámcsoport korszerű geometriájú esztergalapkáinak tesztelése közben szerzett tapasztalataink arra hívják fel a figyelmet, hogy egyre nagyobb szerep hárul a forgácsoláskutatásra. A múlt század 60-as éveiben kidolgozott forgácsolóerő- összefüggések manapság már korrekcióra szorulnak, a wiper élgeometriájú lapkákra az érdességszámító képletek pedig nem érvényesek. Ezen felismerés vezetett bennünket a forgacsolaskutatas.hu honlap kifejlesztéséhez és a szerszáminnováció eredményeinek közzétételéhez.

Cikkünkben a környezetbarát forgácsolásban rejlő műszaki és gazdasági lehetőségek bemutatását is célul tűztük ki. A nehezen forgácsolható ausztenites korrózióálló acélnál a legnagyobb áttörést minimálkenéssel értük el, mert minden egyes beállított sebességnél a kopás, az elért érdesség és forgácsoló erő szempontjából figyelemre méltó javulást mutatott és 2,5…5-szörös éltartamnövekedést mértünk. A fenti honlapon ebben a témában is számos konkrét, gazdasági számításokkal alátámasztott eredmény található.

Irodalomjegyzék

[1] forgacsolaskutatas.hu

[2] Sipos, S. dr.- Palásti K. B. Dr.: Eredmények a Nemzetközi Gépész- és Biztonságtechnikai Szimpózium, Budapest, 2007. november 14. (ISBN 978-963-7154-68-3)

[3] Korszerű bevonatos keményfémlapkák forgácsolóképességi vizsgálata (Kutatási jelentés, ISCAR_04/2008), BMF/BGK/AGI, Budapest, 2008. p. 30. (+CD melléklet)

[4] Sipos S.: Hazai gyártású bevonatos gyorsacélszerszámok vizsgálata (Egyetemi doktori értekezés,  NME, Miskolc, 1986. pp. 99. (+ mellékletek)

[5] Kisa, Zs. –Uracs, P.: Korrózióálló acélok környezetbarát forgácsolása Országos Tudományos Diákkör, BMF, Budapest, pp. 38. (+ mellékletek).

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