Környezettudatos forgácsolás – green manufacturing 1. rész

dr. SIPOS Sándor1,2 - BIRÓ Szabolcs1,3

1 Budapesti Műszaki Főiskola - Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar

2 okl. gépészmérnök sipos.sandor@bgk.bmf.hu

3 intézeti mérnök biro.szabolcs@bgk.bmf.hu

Bevezetés

A korszerű technológiának számos, egymásnak sok tekintetben ellentmondó kihívásnak kell megfelelnie: forgácsolással egyre bonyolultabb alkatrészeket kell létrehozni egyre nehezebben megmunkálható anyagokból, növekvő termelékenységgel kell előállítani az egyre nagyobb pontosságú alkatrészeket, a műveletek költséghatékonyságához drága, többfunkciós szerszámgépekre és szerszámokra van szükség stb. A nagyobb termelékenységre való törekvés az anyagáram (cm3/min) emelését teszi szükségessé, amely a fő- és mellékmozgások sebességének növelésével jár együtt. Az előtolás mértékének fokozása, de különösen a forgácsolósebesség növelése a forgácsleválasztási zóna hőmérsékletének drasztikus emelkedését okozza.

Az 1960-as évek kiemelkedő kutatói szerte a világon a szerszáméltartam fokozásának és a termelékenység növelésének egyik módját a hűtő-kenőközegek (HKK) alkalmazásában látták.  És valóban: ezek a megmunkáló közegek (olajok, emulziók, szintetikus folyadékok) nemcsak a gépi idő csökkenését befolyásolták jótékonyan, hanem a szerszámok kopását is, ráadásul az elért méretpontosság és felületi érdesség is megfelelő volt. Néhányan már abban az időben is megfogalmazták kétségüket, mert a hűtő-kenőfolyadék alkalmazása, kezelése (szűrése), tárolása és megsemmisítése egyre jelentősebb költségeket emésztett fel. Az 1990-es évektől kezdve tovább erősödő kételyek egyrészt a HKK-kel kapcsolatos költségek egyre emelkedő mértékével, másrészt az egyre szigorodó környezetvédelmi előírásokkal voltak kapcsolatosak. Nem is beszélve azokról a pszichikai hatásokról, amelyeknek a gépkezelők voltak (és vannak) kitéve: a forgácsolás hőmérsékletén a HKK-ból keletkező mérgező gőzök, kellemetlen szagú füst belélegzése allergiát, tartós munka esetén tüdőbetegséget, bakteriológiai hatásként pedig bőrirritációt okoz (1. ábra).


1. ábra. Árasztásos hűtés marás esetén

Az ezredfordulót jelölhetjük meg olyan fordulópontként, amikor az új szemlélet a megmunkáló közegek (folyadékok, oldott vegyszerek és gázok) ellen végleges moratóriumot hirdet, ez pedig a környezettudatos megmunkálás („green manufacturing”). Erre egyrészt ökonómiai megfontolások késztetik a gyártó üzemeket: a hűtő-kenőközegek beszerzésének, kezelésének, a darabok tisztításának és a hulladék (elhasznált hűtőfolyadék, forgács, zagy) megsemmisítésének a költségei akár a szerszámköltségek négyszeresét is elérhetik [1]. A másik, a változást kikényszerítő erő ökológiai természetű: a dolgozó érdekében megfogalmazott egyre szigorodó környezetvédelmi előírások és ezek tudatos betartása merőben új technológiai szemléletnek kell teret engedjen. Jelen cikkben a környezettudatos forgácsolásban elért kísérleti eredményeinkből adunk ízelítőt.

Szárazmegmunkálás

A környezeti ártalmak csökkentésének leghatékonyabb (és egyben leginkább radikális módszere) a forgácsolás területén a szárazmegmunkálásra való áttérés (2. ábra). Ez a technológiaváltás manapság nagyon időszerű és komoly érdeklődést vált ki.  Természetesen ehhez a lépéshez az szükséges, hogy megvizsgáljunk minden olyan tényezőt, amely a megmunkálás eredményességét befolyásolja. A megmunkált alkatrészek geometriájából, alak- és méretpontosságából kiindulva együtt kell megvizsgálni a munkadarab forgácsolhatóságát, az alkalmazott műveleteket és a forgácsolási körülményeket.

2. ábra. Szárazforgácsolás alkalmazása esztergáláskor

A szárazforgácsolás főbb előnyei a következők:

·         ez a megmunkálási mód környezetbarát, tehát nincs a műhelyben légtérszennyeződés,

·         a gépkezelőt nem érik egészségkárosító hatások: légúti megbetegedés, bőrbetegség megszűnik,

·         a forgácstisztítás (olaj, emulzió vagy vegyszermentesítés) költsége megtakarítható,

·         a hűtő-kenőfolyadékkal kapcsolatos mindennemű költség (beszerzés, tárolás, tisztítás, megsemmisítés) feleslegessé válik,

·         a megmunkálással kapcsolatos költségek szerkezete módosul (a szerszámmal kapcsolatos növekszik, a hűtés-kenéssel kapcsolatos viszont megszűnik), így a termelés költsége csökken.

A szárazforgácsolás hátrányaként említhető meg, hogy

·         a művelet rugalmassága és komplexitása (különösen furatmegmunkálás esetén) mérséklődik,

·         a forgácsolási adatok mérséklésére van szükség, emiatt a megmunkálási idő növekszik, a termelékenység pedig csökken,

·         a szerszáméltartam csökken, ebből következően a szerszámköltség nagyobb lesz,

·         a folyamat megbízhatósága – az éltartam jóval erőteljesebb szóródása miatt - általában csökken,

·         néhány esetben öntvények, rozsdás, revés darabok nagytermelékenységű esztergálásakor, marásakor a szárazforgácsolás a dolgozó egészségét veszélyezteti,

·         az elérhető pontosság és felületi érdesség korlátozott.

Általános tapasztalatként fogalmazható meg az, hogy a szárazmegmunkálás csak akkor jöhet szóba, ha a forgácsolt alkatrészek pontosságával szemben támasztott követelmények nem túlzottan nagyok. Tehát előzetes megmunkálásra alkalmas nagyoló és/vagy félsimító műveletek szárazon is elvégezhetők, azonban a végső alak- és helyzetpontosság eléréséhez szükséges lépések további, általában hűtő-kenőközeg jelenlétében végzett folyamatokkal érhetők el.

A szárazmegmunkálás eredményesen végezhető el a következő feltételek teljesülése esetén:

·         Az alkatrész alapanyagának kedvező mechanikai és hőfizikai jellemzőkkel kell rendelkeznie. A szilárdság növekedése például a forgácsolóerőket jelentősen megnöveli, ez korlátozza a folyamatban ésszerűen elérhető anyagleválasztási sebességet (cm3/min).  A megmunkálandó anyag hőfizikai jellemzője akkor kedvező, ha alacsony a hővezető-képessége, nagy a hőkapacitása és a sűrűsége, mivel az ilyen tulajdonságú munkadarabok forgácsoláskor kevésbé melegednek fel. A nagy ötvözőtartalmú, ausztenites korrózióálló acélok forgácsolása különös figyelmet érdemel, mert a viszonylag kis szilárdság kedvezőtlen hőfizikai tulajdonságokkal társul [2].

·         A forgácsolást végző szerszámnak alkalmasnak kell lennie a szárazforgácsolási folyamatban megnyilvánuló fokozott (elsősorban termikus) igénybevételek elviselésére. Ebben kizárólag a szerszáminnovációban rejlő lehetőségek teljes kihasználása segíthet.

Környezettudatosság és szerszáminnováció

A szerszáminnováció körébe azok a tudatosan végrehajtott és bevezetett fejlesztések tartoznak, amelyek a szerszám konstrukcióját, élgeometriáját és anyagát érintik. Ezek közül kiemelésre tarthat számot a korszerű élgeometriák megjelenése (felhasználás-optimalizált élszögek, testreszabott forgácsmanipuláció), a legújabb fejlesztésű szerszámanyagok (például a mikro- és nanoszemcsés keményfémek, porkohászati gyorsacélok stb.) alkalmazása, valamint a különféle kemény bevonati rétegek felvitele a fejlett szerszámanyagokra [3, 4].

A szerszámokon alkalmazott, hagyományosnak nevezhető PVD-bevonatok manapság nagyon elterjedtek az iparban. Az egyrétegű, egyfázisú kemény rétegekkel (TiC, TiN, CrN, vagy az Al2O3) bevont szerszámok néhány alkalmazásnál tízszeres (vagy még ennél is nagyobb) éltartamnövekedést értek le a natúr (bevonat nélküli) eszközökhöz képest. Az ezt követő fejlesztések egyrészt a háromösszetevős (például a TiAlN vagy TiCN) bevonatok megjelenését eredményezte, másrészt – teljesen új koncepció eredményeként – a többrétegű és az ún. gradiens (szabályosan változó összetételű) rétegszerkezeteknek az iparban történő elterjedésével járt. Az új elemeket (is) tartalmazó negyedik generációs bevonat-kombinációk (TiAlCN, TiAlN, AlTiN stb.) továbbfejlesztett rétegképzési folyamatokkal vihetők fel, és az alábbi előnyökkel jellemezhetők: kisebb a bevonati réteg érdessége, nagyobb adhéziós (tapadási) és bevonati szilárdság (3. ábra).

3. ábra. Bevonatos váltólapkák

A bevonati rétegek egyre nagyobb szerepet játszanak a nagyteljesítményű szerszámok piacán, mert olyan előnyös fizikai tulajdonságokkal jellemezhetők, mint például az extrém keménység és hőszilárdság, továbbá a nagymértékű oxidációs ellenállással együttjáró csekély hővezető-képesség. Néhány alapbevonat fizikai jellemzőjét az 1. táblázatban foglaltuk össze [5].

1. táblázat

Bevonati réteg

Alkalmazási hőmérséklet, max. °C

Mikrokeménység, HV0,05N

Rétegszám és réteg- vastagság, mm

Súrlódási együttható

Hővezető-képesség, kW/mK

TiN

500

2200

1 ; 1,5-3

0,4

0,07

TiCN

450

3000

1 - 7 ; 4-8

0,25

0,1

TiAlN

800

3300

1 ; 1,5-3

0,3

0,05

TiAlCN

500

2800

1 ; 1-4

0,25

0,06

AlTiN

900

3800

1 ; 1-4

0,7

0,04

A felhasználók nagyobb termelékenységre való törekvése azt eredményezte, hogy a régi, „mindenre alkalmas”, aranyszínű TiN-bevonatokat fokozatosan szürkeszínű, lényegesen nagyobb teljesítőképességű változatra (például titánalumínium-nitridre) cserélték le. A TiAlN-bevonat nem kizárólag kopásállóságával tűnik ki, hanem azzal a kedvező jellemzőjével is, hogy a kopásnak magas hőmérsékleten is ellenáll. Az 1. táblázatban bemutatott adatokból kiderül, hogy a legnagyobb hőmérsékletet az AlTiN viseli el, ennek a legnagyobb ugyanis a forgács és a szerszám között létrehozandó hőszigetelő hatása. Következésképp a száraz körülmények közötti forgácsolásra csak azok a bevonatok alkalmasak, amelyek a kopásállóságot és a hőszigetelést egyszerre garantálják. A felsorolt bevonatokkal ellátott ujjmarókra vonatkozó tesztsorozatról más helyeken már beszámoltunk [6, 7].  A vizsgálatok eredményeiről itt röviden most csak annyit, hogy:

·         bár a hagyományos, TiAlCN-bevonat keménysége és abrazív kopással szembeni ellenállóképessége (például az „alapbevonatnak” számító titánnitridhez képest) jelentősen megnövekedett, korlátozott hőstabilitása miatt azonban csak szerény védelmet képes nyújtani a szerszámnak,

·         A fejlettebb AlTiN-bevonat alkalmazása (amelyben az alumínium sztöchiometriai túlsúlyban van a titánnal szemben) azért is kedvezőbb, mert a bevonat nagyobb hőmérsékletet képes elviselni; ráadásul a réteg nagyobb oxidációs ellenállást fejt ki a maró használata közben, így tehát jobban megvédi a szerszámot. A bevonat kedvező hatása különösen a hagyományosan alkalmazott beállításokat meghaladó, kifejezetten nagy sebességeknél tűnt ki. Megfelelő porkohászati gyorsacél alapanyagon (HSS-PM) alkalmazva konkurenciát jelenthet még a monolit keményfémnek is.

A hagyományos bevonatok az elmúlt években komoly versenytársakat kaptak a nagyteljesítményű szerszámok piacán. A legújabb fejlesztésű, nanokompozit szerkezetű bevonatokat ugyanis a következő tulajdonságok jellemezik: nagy alap- és melegkeménység, fokozott oxidációs ellenállás és nagyon csekély hővezető-képesség.  A szuperkemény, Ti-, Al- és Si-elemeket tartalmazó nanokompozit bevonatok két különböző fázisból állnak: a kb. 3 nm méretű, AlTiN-nanokristályokat (nc) ágyazó anyagként amorf (a), Si3N4-mátrix fogja közre. Az így felépülő nc-AlTiN/a-Si3N4-bevonatok tulajdonságai közül kiemelendő, hogy a szerkezet extrém keménységű (eléri a 40-50 GPa értéket), amelyet nagyon magas (még akár 1 100°C) hőmérsékleten is képes megőrizni. Az ilyen típusú bevonat kiváló melegkeménysége lehetővé teszi a környezetbarát (hűtő-kenőfolyadék nélküli, szárazon végzett) forgácsolási technológiát is. Az elvégzett vizsgálatokban egy hasonló minőségű, nanokompozit szerkezetű PVD-bevonatos lapkát használtunk.

Összefoglalásként az állapítható meg, hogy a környezettudatos forgácsolás szempontjából a szerszáminnovációnak a bevonatok fejlesztésére vonatkozó része valódi sikertörténet: a szárazforgácsolásra kifejlesztett PVD-rétegek ugyanis olyan védőhatást jelentenek a szerszám szempontjából, hogy még azokat a keményfém alapanyagokat is forgácsolásra alkalmassá teszik, amelyek csak igen korlátozottan használhatók fel egyik vagy másik acéltípus megmunkálására. Többéves tapasztalatunk szerint a gyorsacélmarókra vagy K10 keményfém-szubsztrátra felvitt bevonati rétegek feleslegessé teszik a hűtőfolyadékok alkalmazását, sőt, az emulziók használata kifejezetten csökkenti a szerszám tartósságát [4-7].

Környezetbarát gázok alkalmazása a forgácsolásban

A megmunkálás közben adagolt levegő és/vagy gáz olyan szárazmegmunkálást jelent, amelynél a forgácsolási zóna hűtésére és a forgács eltávolítására többnyire szobahőmérsékletű, néhány bar nyomású gázközeg szolgál. A HHK harmadik, kenést okozó funkciója itt teljesen hiányzik.  Előzetes kísérleti adatok azt támasztják alá, hogy az adagolócsőből kilépő gáznak jelentős hatása van a forgácsolóerőre, a forgácsolási hőmérsékletre és az egész forgácsképződési folyamatra is, ez pedig csökkentheti a szerszámkopást, javítja a szerszám éltartamát.

Az elvégzett vizsgálatainkban arra kerestük a választ, mely forgácsolhatósági tényezőt és milyen mértékben befolyásolja egy etalon minőségű és állapotú szerkezeti acél a forgácsolási zóna közvetlen közelébe adagolt környezetbarát gáz. Megvizsgáltuk a forgács alakulását, az esztergáláskor fellépő forgácsolóerőket, a forgácsolt felület érdességének magasságirányú paramétereit, a szerszám kopásjelenségeit és éltartamát.  A vizsgálatból kizártuk azokat az anyagokat, amelyek hozzájárulnak az üvegházhatáshoz (CO2), valamint azokat a folyékony gázokat is, amelyek kriogén (nagyon alacsony hőmérsékletű (-195°C)) állapotuk miatt egyrészt nagyon drágán alkalmazhatóak, másrészt balesetveszélyesek.

Első feladatunknak a gázközeg befújási irányának megválasztását tekintettük. Az első esetben a szerszám homloklapjára merőlegesen, a másodikban a szerszám hátlapjára merőlegesen, a harmadik variációban pedig a főhátlappal párhuzamosan juttattuk be a gázt. Az összehasonlítás alapjául a forgácsolóerő komponenseinek és a megmunkált felület érdessége szolgáltak. A műszerrel mért adatok alapján a legjobb eredményt a főhátlapra merőleges befújási irány adta. Ez azonban rendkívül lecsökkenti a munkadarab megmunkálható hosszát, azaz csak tárcsaszerű alkatrészek esztergálásánál alkalmazható. Ahhoz, hogy a forgácsolandó alkatrészek hossz- és kontúresztergálásakor jobb hozzáférést biztosítsunk, az előzetes kísérleteknél elért második legjobb megoldást választottuk, azaz a főhátlappal párhuzamos hozzávezetést alkalmaztunk (4. ábra). Megjegyezzük, hogy tokmányközeli munka esetén ennél a beállításnál is korlátozások adódnak, ez azonban már nem olyan jelentős.

4. ábra. Hűtött levegő alkalmazása esztergálásnál

A második feladatot az alkalmazandó gázközeg kiválasztása jelentette. Öt változatban gondolkoztunk, amelyek egyike az etalonnak választott szárazforgácsolás volt. Ehhez viszonyítottuk a szisztematikus mérésekkel meghatározott forgácsolhatósági jellemzőket. A további négyféle gázközeget a következő szempontok szerint választottuk ki:

·         a leginkább kézenfekvő megoldás a műhelyek sűrített levegőjének felhasználása volt. Ez ugyanis külön költséget nem okoz, tekintettel arra, hogy a műveleti költség kalkulálásakor beleszámolják a gépüzemeltetési költségbe, a forgácsolási zónába eljuttató adagolócső költségkihatása pedig elhanyagolhatóan kicsiny.

·         A folyékony kenőanyag kiküszöbölésének másik alternatívájaként a negatív hőmérsékleti tartományba lehűtött levegő használata adódott. Ennek megvalósítására fejlesztették ki a Cold Air Gun berendezést (lásd fenti ábra), amely szűrt és sűrített levegőt használ, így hozza létre a léghűtéshez szolgáló hideg levegőt. A Vortex-cső a felvett hitelesítési diagram szerint a kb. 20 mm távolságból kb. -10°C-ra hűtött levegőt fúj be a forgácsolási zónába [8]. Az adagolócső sugarát az 1. ábrán bemutatott módon juttattuk a szerszám hátfelületéhez.

·         A környezetbarát gázok listájáról nem hiányozhat a nitrogén sem. A nitrogénhűtés alkalmazásához 180 bar nyomású nitrogénpalackra volt szükség, amelyet nyomáscsökkentő segítségével 3-3,5 bar értéken használtunk, és az 1. ábrán látható módon juttattuk el a szerszám dolgozó részéhez. Az N2 gáz alkalmazásától azt vártuk, hogy a nitrogénban gazdag forgácsolási környezet a forgácsképződést javítja és az oxigén kizárásával egyes kopási mikro-mechanizmusok intenzitása csökken.

·         a N2 + hideg levegő együttes alkalmazásával kombinált hűtést hajtottunk végre, azt remélve, hogy a kétféle hűtés jótékonyan összegződik és szinergikus hatást fejt majd ki.

Az esztergálási kísérleteket állandó (a=1,5 mm) fogásmélység mellett, 4 különböző előtolásnál és 3 különböző forgácsolósebességen (4f x 3vc),  a 2. táblázatban összefoglalt körülmények között végeztük. Az erő- és érdességméréseket, valamint az ún. forgácstabló felvételét 10-12 mm szakaszok fogácsolása közben végeztük az előzetesen előmunkált, tokmányba fogott, csúccsal támasztott darabokon.

2. táblázat [8]

Gép: SU50/1500 típusú esztergapad (TOS, Csehszlovákia)

         Teljesítmény: 11 kW; főorsó: 24-1400 min-1 (fokozatnélküli hajtással felszerelt)

          Vezérlés: kézi

Munkadarab: mérete: Æ120 ´ 250 mm

Anyaga: C60 jelű ötvözetlen szerkezeti acél (DIN W. Nr. 1.1221), bizonylatolt minőségű, normalizált állapotú, HB225±5 keménységű.

Befogása: tokmányba fogva, csúccsal megtámasztva.

Mérőberendezések:

erőmérő: 5019 típusú, 3 komponenses, DynoWare mérőszoftverrel (KISTLER AG),

       3D-mikroszkóp: WMS típusú (HITEC GmbH),

       digitális fényképezőgép: Nikon Coolpix 5400,

hordozható érdességmérő: PS1 típusú (Perthen&Mahr GmbH, Németország).

Szerszám:

        Késtartó: DCLNR252M12-2 (SANDVIK).

        Lapka: CNMG141408-MP alakjelű, UF1A anyagú, TaeguTec gyártmányú.

        Bevonat: nACo-blue jelű, (bevonatoló üzem: PIVOT a.s., Šumperk, Csehország).

Forgácsolási körülmények:

      Fogásmélység: a= 1,5 mm (konstans).

      Előtolás: f = 0,1 - 0,2 - 0,3 - 0,41 mm.

      Forgácsolósebesség: vc =100 – 160 - 200 m/min.

Kísérleti eredmények

Az elvégzett forgácsolhatósági vizsgálatok szerteágazó eredményeinek részletes ismertetésére jelen cikkben nincs lehetőségünk. A gázközegű hűtésnek a forgácsolhatóságra gyakorolt hatását a következőkben foglaljuk össze.

Forgácsképződés, forgácsalak, forgácstörés

A jelzett vizsgálat a következők miatt fontos:

·         a folyamatbiztonság fontos tényezője esztergáláskor, milyen fokú a forgács feldarabolódása,

·         a forgács automatikus törése az ún. felügyeletszegény gyártási körülmények között (CNC-gépeken, gyártócellákon, gyártósoroknál) kiemelt figyelmet követel,

·         a forgácskezelés és -raktározás költségei főként nagysorozatgyártás esetén tetemesek, ezért nem mindegy a daraboltság foka.

A forgácsképződésről és a forgácsalakokról összeállított tabló egy kiválasztott sebességen és fogásmélységen a vizsgált előtolás függvényében a 6. ábrán látható. Amennyiben az esztergálás szárazon történik, akkor a kedvezőnek tartott forgácsdarabolódás csak f=0,3 mm előtolásnál következik be. Minden, általunk vizsgált esetben a forgácstörés már hamarabb megindult, leginkább látványosan a sűrített, hűtött levegőt előállító CAG-készüléket is igénybe véve, amikor már f=0,2 mm értéknél kiválóan kezelhető tört forgácsot kaptunk.

6. ábra. Forgácsalakok különböző hűtőgázok esetén

Forgácsolási körülmények: a= 1,5 mm; vc=160 m/min

A forgácsolóerő megváltozása gázközegű hűtéskor

A jelzett vizsgálat a következők miatt fontos:

·         a forgácsolóerő fő komponense meghatározó a gép teljesítménye, a forgácsolószerszám igénybevétele szempontjából,

·         a passzív erőkomponens a munkadarab pontosságát befolyásoló olyan tényező, amelynek szerepe a szerszámkopás előrehaladtával egyre inkább növekszik.

A legnagyobb vizsgálati sebességen (vc=200 m/min) tapasztalt erőváltozás azt mutatja, hogy a szárazon végzett esztergáláshoz képest a gázközegű hűtés maximum 6%-os erőcsökkenést mutat (7. ábra). Kivételt képez a kombinált hűtés, ahol a várt szinergikus hatás elmaradt. Vizsgálataink azt mutatják, hogy a sűrített levegő és az N2 gáz alacsonyabb sebességtartományban is egyértelműen csökkenti a fellépő erőhatásokat. A nagynyomású gázközeg – különösen kis előtolásoknál – megkönnyíti a forgácsleválasztást azzal, hogy a leváló forgácsot eltávolítja a forgácsolási zóna közeléből.

7. ábra. A forgácsolóerő változása (száraz: 100%)

A felületi érdesség változása gázközegű hűtéskor

Ezen vizsgálat a következők miatt fontos:

·         a forgácsolt felület érdessége fontos tényező a munkadarab minőségbiztosításának szempontjából,

·         a szerszámkopással összefüggő károsodási (degradációs) jelenségek miatt szükséges annak ismerete is, milyen mértékű az érdességtartás az adott munkadarab-szerszámanyag párosításnál (azaz, mennyire állandó az esztergált felület mikrogeometriája a kopás függvényében).

A forgácsolt felület átlagos érdességének alakulását az előtolás függvényében a 8. ábra mutatja. Amennyiben ismét 100%-nak vesszük a szárazforgácsoláskor mért értékeket, akkor legalább 5-10% körüli javulást tapasztalunk a sűrített levegő alkalmazásakor, még ennél is kedvezőbb, 15-25% a változás a hideg fúvott levegő (CAG) esetén. A legnagyobb javulást a közepes előtolások tartományában tapasztaltuk, amikor a forgácstörés bekövetkezése miatt a nagynyomású gázközeg szinte „kifúvatja” a forgácsolási zónát, nem hagyva lehetőséget arra, hogy a visszatekeredő forgács károsítsa a már megesztergált felületet.

8. ábra. Az érdesség változása az előtolás függvényében (szárazforgácsolás: 100%)

A kopási folyamatok változása hűtött levegő befújásakor

A forgácsolhatóság egyik legfontosabb jellemzője az, miként alakul a kopás és milyen éltartósságot érhetünk el a szerszámon. Amennyiben a választott gázközeg kedvező hatást gyakorol a kopásintenzitásra, akkor a forgácsolhatóság egyéb tényezőitől függetlenül is eredményesen, sőt, rentábilisan alkalmazható. A kopásvizsgálatot szárazforgácsolással és a CAG-berendezést alkalmazva hajtottuk végre növelt anyagleválasztási sebességet (vc=220 m/min; a=1,5 mm; f=0,25 mm) megvalósítva. A közölt párosdiagram a hátfelületi kopás és a kopásintenzitás alakulást mutatja az idő függvényében (9. ábra).

 

9. ábra. A hátfelületi kopás, a kopásintenzitás különböző gázközegeknél

(Forgácsolási körülmények: lásd 2. táblázat, vc=220 m/min; a=1,5 mm; f=0,25 mm)

A vizsgálatot a lapkák homlokfelületén bekövetkező kráterkopásos tönkremenetelig folytattuk (lásd diagramok). A teszteredményekből megállapítható volt, hogy

·         a hűtött levegő befúvásakor a kopás lelassult, a szerszám 30%-kal nagyobb tartósságot mutatott,

·         a kopásintenzitási folyamat arról ad felvilágosítást, hogy a kopás mikrojelenségeinek kifejezetten kedvez a hűtött levegős berendezés alkalmazása.

Vizsgálataink szerint [8] a CAG-berendezés felhasználása a műveleti költségek változó (forgácsolási körülményektől függő) részének 16%-os csökkenését, ugyanakkor a produktivitás (VP, cm3/min) 17%-os emelkedését tette lehetővé.  

Összefoglalás, további teendők

Az eddigi vizsgálatok kedvező eredménnyel jártak: a megfelelő gáznemű hűtőközeg alkalmazásával a forgácsolóerő némileg csökkent, a megmunkált felület érdessége átlagosan 20%-kal mérséklődött, a kopási folyamatok intenzitásának változásával összefüggésben a szerszám éltartama nőtt.

Ezekből a bíztató eredményekből kiindulva a közeljövőben olyan vizsgálatok elvégzését tervezzük, amelyekkel a nehezen forgácsolható, erősen ötvözött acélok (pl. ausztenites korrózióálló acél) gázközegű hűtésének hatásait kutatjuk. Előzetes tesztjeink adatai szerint különösen a hűtött levegő és a N2 gáz alkalmazása kecsegtet jó eredményekkel.  

A cikksorozat második részében normalizált állapotú, ötvözetlen szerkezeti acélon, illetve a 60-62 HRC keménységű edzett acélon mutatjuk be a minimálkenéssel elért eredményeinket.

Irodalomjegyzék

[1]  dr. Cselle T. (Platit AG., CEO): Aktuális trendek a forgácsolás világából
Előadás, 2007. okt. 30., BMF, Budapest

[2] dr. Sipos, S. - dr. Palásti Kovács, B.: Új lehetőségek a korrózióálló acélok esztergálásában
Gépgyártás, 2001 / 1-2. p. 9 – 19.

[3]  dr. Sipos, S: Nagytermelékenységű forgácsolás (5.4. fejezet)
Korszerű megmunkálások (e-learning anyag, V5 modul)
Apertus Project, Budapest, 2002. május.

[4]  Sz. Biró – S. Csuka – S. dr. Sipos: Investigation of cutting performance on PVD coated carbide inserts, The 6th Int. Scientific Conference Development  of Metal Cutting, DMC-2007, Kosice 15-16. 11. 2007. p. 73-77.

[5]   S. dr. Sipos - T. Dr. Cselle (PhD) – S. Csuka: Comprehensive wear model for tools with nanocomposite PVD coatings, ICT-2007. 12th International Conference on Tools University of Miskolc, Hungary, September 6 – 8., 2007. p. 247 – 254.

[6]   S. Csuka – T. Nikitscher – S. dr.  Sipos: Investigation of end milling process with near dry machining, The 6th Int. Scientific Conference Development of Metal Cutting, DMC-2007, Kosice 15-16. 11. 2007. p. 79-84.

[7]   Sz. Biró – S. Csuka – S. dr. SIPOS: Investigation of cutting process 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.

[8]   Bognár, G.: Légnemű közegek alkalmazása  a forgácsolásban

Szakdolgozat, BMF/BGK/AGI, 2008. pp. 91.