A forgácsolási folyamat vizsgálata minimálkenéskor

Biró Szabolcs - Csuka Sándor - dr. Sipos Sándor

BGK, Gépgyártástechnológiai Szakcsoport

Összefoglalás

A cikk röviden összefoglalja a szárazforgácsolás, légnemű közeg és minimálkenés (minimal quantity lubrication – MQL) jelenlétében végzett forgácsolás előnyeit. Célunk volt, hogy az esztergálási és marási folyamatot kísérletek végrehajtása közben száraz- és környezetbarát olajalapú közeg minimálkenéses körülménye között tanulmányozzuk. A forgácsolóerő csökkenésére, illetve az érdesség javulására kapott biztató eredmények elsősorban a forgácsolási hőmérséklet csökkenésével magyarázhatóak.

Abstract

This paper briefly summarises the advantages of dry, semi-dry and minimal quantity of lubrication (MQL), arisen in machining process. The main objective of the present work is to experimentally investigate the turning and milling process of dry machining and MQL by environment-friendly oil-based cutting fluid. The encouraging results include significant improvements in the decreased force requirements and lowered surface roughness, mainly through the reduction of temperature in the cutting zone.

Zusammenfassung

In diesem Artikel werden die Vorteile der Trocken- und Halbtrockenbearbeitung, sowie der Minimalmengenkühlschmierung (MMKS) in der spanenden Fertigungstechnik zusammengefasst. Es war unser Ziel, die Dreh- und Fräsverfahren durch Versuche von Trockenbearbeitung und MMKS zu untersuchen. Bei MMKS sind umweltfreundliche Schneidflüssigkeiten auf Ölgrundlage angewandt werden. Die viel versprechenden Ergebnisse bezüglich des verminderten Kraftaufwandes und der verminderten Oberflächenrauigkeit können durch die Temperaturverminderung in der Schneidzone erklärt werden.

Bevezetés

Az acél megmunkálásakor a növekvő termelékenység iránti igény nagy forgácsolósebesség és növelt előtolás beállítását igényli, amely együtt jár a forgácsolási zóna hőmérsékletének növekedésével. A magas hőmérséklet a munkadarab méreteltérését és a szerszám éltartamának csökkenését okozza.

A forgácsolás termelékenységének növelésének egyik módszere a művelet közben alkalmazott hűtő-kenőfolyadék (HKF). Ez azonban több gonddal is jár: növeli költséget, szennyezi a környezetet és ártalmas a gépmunkások egészségére. A HKF alkalmazásával kapcsolatban felmerülő valamennyi probléma arra ösztönzi a kutatókat, hogy lényegesen csökkentsék vagy elkerüljék az alkalmazását.

A költségek, a környezet és az emberi egészség szempontjából a leginkább radikális lépést természetesen a szárazforgácsolásra történő áttérés jelenti. A módszer (az ún. green machining) alkalmazásának területén elért eredményeinkről számos publikáció készült [1, 2].

A gázközegű hűtő-kenőanyagok a legkedvezőbb alternatívát jelentik. A sűrített levegő, a sűrített nitrogén vagy a sűrített levegővel kevert nitrogén hűtésre és kenésre történő felhasználása jobb hűtési tulajdonságokat eredményez a szárazon végzett forgácsoláshoz képest [3].

A minimális mennyiségű kenés (MQL) kifejezés arra utal, hogy csak igen kis mennyiségben (jellemzően 5-50 ml/h mértékben) alkalmazunk HKF-et, amely így a hagyományosnál három-négy nagyságrenddel kisebb érték és maximum 10 liter/min mennyiséget ér el [2]. A forgácsolás műveleti költsége három részből tevődik össze. A szerszámköltség 2-4%, a HKF-re fordított költségek 7-17%, míg a harmadik hányadot az egyéb költségek teszik ki. Megfigyelhető tehát, hogy a HKF költségei három-ötször nagyobbak a szerszámköltségnél.

Az általunk használt minimálkenő rendszer (amely a német TKM cég gyártmánya, típusa HCS250) a kenőanyagot külső fúvókákon keresztül juttatja a szerszámra. Az alkalmazott módszer főbb előnyei a következők [3]:

-          A kenő hatású filmréteg kizárólag a főélen jelenik meg. Ez a tény a súrlódási tényező csökkenésével jár együtt, amely mérsékli a kopásintenzitást;

-          A kenőanyag mennyisége 60-90%-kal csökken. A munkadarab és a forgács egyaránt száraz marad, ráadásul a munkadarab korróziója nem következik be, a dolgozó szem- és bőrirritációja megszűnik;

-          A munkadarab felületi kezelésének és zsírtalanításának költségei jelentősen csökkennek, a tárolással, kezeléssel és megsemmisítéssel (esetleg újrahasznosítással) kapcsolatos költségekkel egyetemben.

1. A kísérlet céljai és lefolyása

A szakirodalomban található eredmények azt sugallják, hogy forgácsoláskor a minimálkenés a kopási folyamatok csökkentésében megoldást jelent, amennyiben a forgácsolóerő, a teljesítményigény és a megmunkált felület érdessége elfogadható szinten lehet tartható. A szóba jöhető műveletek közül az esztergálást és a marást választottuk ki, hogy megállapíthassuk a szárazon és minimálkenés alkalmazásával végzett forgácsolás különbségeit. A korrekt összehasonlítás érdekében hosszesztergálási és lépcsőmarási (1. ábra) tesztsorozat elvégzésére volt szükség. A kísérletek körülményeit az 1. táblázat mutatja. A vizsgált hűtési-kenési módszerek hatékonyságának megállapítása a forgácsolóerő és érdességmérési eredmények alapján történt.

1/a. Lépcsőmarás ujjmaróval

1/b. Hosszesztergálás

1. ábra. A minimálkenés módszere különböző műveleteknél

1. táblázat

2. Lépcsőmarási kísérletek különböző hűtés-kenés mellett

A kísérleti összehasonlítás szárazon, minimálkenéssel és emulziósugárral hűtve történt. Az ellenirányú palástmarással végrehajtott vizsgálatoknál a következő kérdésekre kerestük a választ:

·         Miként hatnak a forgácsolóerő-összetevőkre a különböző hűtés-kenési módszerek?

·         Hogyan hat a minimálkenés a mart felület érdességére?

A tesztekhez kétféle szerszámot használtunk.  A T1 kódjelű hagyományos kialakítású, központi vágóélű, hengeresszárú simítómaró volt, amelyet 60110450, 10/10´72/22 Æ10/4/l=40°, HSS-Co8/TiAlN kóddal jelölt a Fraisa AG cég (Svájc). A másik hengeresszárú, ún. rougher maró (T2), amely szintén központi vágóéllel készült, amelyiknél négy palástélen finomemelkedésű forgácsosztót képeztek ki. A forgácsosztó a leváló forgács feldarabolására szolgál. Ez a szerszám 124518P.100-NR-P Æ10/4/l=30°, DIN844NR HSS-Co8/TiAlN jelű volt, és a cseh ZPS a.s. cég gyártmánya.

A tervezett adatbeállításoknál (1. táblázat) előtolásirányú- és normálerő-komponensek mérését végeztük el, és meghatároztuk a felületi érdesség magasságirányú paraméterei közül a három legfontosabbat. Bár a minimálkenő berendezés szállítónyomása változtatható, a legjobb eredményeket 1 bar értéknél értük el.

2/a. Hagyományos élkialakítás (T1)

2/b. Forgácsosztóval tagolt élű maró (T2)

2. ábra. Az átlagos előtolóerő alakulása különböző körülményeknél
Forgácsolási adatok: ae = 2mm; fz = 0,032 mm

A 2. ábrából kitűnik, hogy a fogásszélesség növelésekor az előtolóerő növekszik,  szárazforgácsolás esetén egészen nagy erők mérhetők. A hagyományos, emulziósugaras hűtés közepes erők kialakulásával jár, a legkedvezőbb eredményt azonban a minimálkenő rendszerrel értük el. A legnagyobb és a legkisebb erők 100%-kal különböznek egymástól. A közölt ábra alkalmas a kétféle szerszámgeometria összehasonlítására is. Például a hagyományos élű maró (T1) körülbelül 50%-kal nagyobb erővel dolgozik, mint a forgácsosztós (T2) változat.

3/a. Hagyományos élkialakítás (T1)

3/b. Forgácsosztóval tagolt élű maró (T2)

3. ábra. A felületi érdesség alakulása különböző élkialakításoknál és kenési körülményeknél

Forgácsolási adatok: ae = 2mm; fz = 0,032 mm

A mart felületek egyenetlenségmagassága (Rz, mm) és a forgácsolási adatok összefüggése a 3. ábrán látható. A diagram 3-3 mért érték átlagát tartalmazza. Az emulzióval megoldott kenés szokatlanul érdes felületet állított elő, amely a forgácsterelés elégtelenségével és az újraforgácsolással áll kapcsolatban. Szárazon dolgozva a hagyományos élű maró elfogadható érdességet produkált, a rougher azonban nem volt képes erre [4, 5].

3. Esztergálási eredmények szárazforgácsolás és minimálkenés körülményei között

Az esztergálási kísérletek végrehajtásakor főleg arra kerestük a választ, miként dolgoznak a rendelkezésünkre álló ISO-alakú, illetve wiper-élkialakítású bevonatos váltólapkák száraz és minimálkenésű körülmények között. Az 1. táblázatban bemutatott körülmények között megvizsgált lapkáknál ismét az erő és az érdességmérések eredményei alapján fogalmazhatók meg a következtetések.

A kísérletek CNMG120408 alakú, TT3500 anyagkódú, TaeguTec (Dél Korea) gyártmányú lapkákon folytak, a forgácstörő MT (ISO), illetve WT (wiper) jelzésű volt. Mindegyik lapkát DCLNR2525M12 jelű, ISO szerinti kialakítású szerszámtartóba fogtuk. A kutatás nemzetközi és hazai szabványos előírásokra, valamint a szerzők előző tapasztalataira [1, 2] épült.

4/a. A forgácsolóerő-változás mértéke

4/b. A passzíverő-változás mértéke

4. ábra. A forgácsolóerő-összetevők alakulása különböző élkialakításoknál és  kenési körülményeknél 

(Forgácsolási adatok:  vc  = 150 m/min)

A forgácsolóerők mérésekor nagyon érdekes felismerésekre jutottunk, helyhiány miatt azonban itt csak az ISO-alakra és a wiper-élkialakításra vonatkozó eredményeket részletezzük (4. ábra). Az erőkomponensek elemzése a következőket mutatja:

·         Ha a szárazon, MT forgácstörővel végzett esztergálás erőigényét 100%-nak vesszük, akkor a minimálkenés esetén 4-5%-os erőcsökkenés tapasztalható. Nagyobb csökkenést tapasztaltunk, amikor minimálkenés mellett wiper-élű lapkát alkalmaztunk;

·         Ha ugyanilyen alapon vizsgáljuk a passzív erőt (azaz 100%-nak vesszük a szárazforgácsolást MT törővel), akkor 6-10%-kal kisebb erőt mérhetünk a száraz+WT, vagy a minimálkenés+MT esetben. Még ennél is nagyobb (12-14%) erőcsökkenés tapasztalható a minimálkenés+wiper párosításnál.

·         A vizsgált körülmények között eredményesen hat az ún. Rebinder effektus, amely a kenőhatással függhet össze [6].

5/a. Átlagos érdesség alakulása

5/b. Az érdesség-változás mértéke

5. ábra. Az átlagos érdesség alakulása különböző élkialakításoknál és kenési körülményeknél 

(Forgácsolási  adatok:  vc = 150 m/min)

A különböző forgácsolási körülmények mellett esztergált felületek legfőbb érdességi jellemzőit Ra-, Rz- és Rm-méréssel határoztuk meg, részletes bemutatásukra – terjedelmi korlátok miatt – azonban most nem vállalkozhatunk. A különböző élkialakításokra kapott eredményeket az 5. ábra szemlélteti. A diagramok elemzése azt mutatja, hogy

·         amíg az ISO-alakú lapka gyökeres érdességváltozást mutatott az előtolás növelésekor, ugyanilyen körülmények között a wiper-élkialakítás azonban nem gyakorolt lényeges hatást az Ra- értékekre,

·         az átlagos érdesség Ra értéke a minimálkenés hatására csökkent, ugyanez nem mondható el a szárazforgácsolásra,

·         amennyiben a száraz+MT körülmények között elért Ra értékét 100%-nak vesszük, a minimálkenéssel elért érdességjavulás az előtolás növelésével eléri az 5-15%-ot is. Az előtolás növelésével az érdesség egyértelműen javul wiper lapka használata esetén,

·         a wiper-élkialakítású lapka alkalmazásakor a legjobb eredmény f=0,4 mm érhető el, amely az Ra 80-90%-os csökkenését jelenti.

4. Következtetések, további feladatok

Kísérletsorozatot végeztünk el, hogy meghatározhassuk a különböző hűtő-kenő-közegek hatékonyságát. Eredményeinket elemezve megállapítottuk azt, hogy

1.) a minimálkenés forgácsolási hatékonysága felülmúlja a szárazmegmunkálásét, mert a forgácsolási hőmérséklet csökkenése előnyösen javítja a forgács-szerszám kapcsolatát, sőt, a szerszámélek élesen tartásában is közreműködnek,

2.) a minimálkenő sugár csökkenti a szerszám kopását, és acél forgácsolásakor kedvezőbb felületi érdesség érhető el a szárazhoz képest,

3.) a növényi olaj tartalmú kenőanyag minimálkenéskor 5-30%-kal csökkenti a forgácsolóerőt, a passzív erőkomponenst pedig még ennél is nagyobb mértékben. A forgácsolási zóna hőmérsékletének csökkenésén túl a forgácsolóerő mérséklődésének másik fő okát a Rebinder-effektus kialakulásával és tartós hatásával magyarázzuk.

A mérséklődő szerszámkopásra vonatkozó, érdeklődésre számottartó eredményekről következő munkáinkban számolunk majd be.

5. Irodalomjegyzék

[1] S. SIPOS dr. – Sz. BIRÓ – J. BIRÓ: Increasing of the cutting performance and the quality of machined surface at the same time        5th International Scientific Conference DEVELOPMENT OF METAL CUTTING DMC-2005, Kosice, 12.-13. 09. 2005.

[2] dr. Sipos, S – Dr. Palásti-Kovács, B: A forgácsoláskutatás néhány eredménye a szerszámminősítés területén       Nemzetközi Gépész és Biztonságtechnikai Szimpózium, 2007. november 14., BGK, Budapest (CD-n kiadott konferenciaanyag)

[3] S. CSUKA – T. NIKITSCHER – S. SIPOS dr.: Investigation of end milling process with near dry machining              6th International Scientific Conference DEVELOPMENT OF METAL CUTTING DMC-2007, Kosice, 15.-16. 11. 2007.

[4] Sz. BIRÓ – S. CSUKA – S. SIPOS dr.:  Investigation of cutting processes with minimal quantity of lubrication

mircoCAD 2008 International Scientific Conference, 20-21 March 2008. Miskolc, Section N: Production Engineering and Manufacturing Systems,  p. 23-30.

[5]   TaeguTec gyártmányú bevonatos keményfémlapkák vizsgálata különféle hűtés-kenés alkalmazásakor

Kutatási jelentés, BGK/AGI/GySz, Budapest, 2008. pp. 41. + CD melléklet

[6] Angyal, B. dr. – és mások: A forgácsolás elmélete és szerszámai  Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1988. p. 191.