Környezettudatos forgácsolás (2. rész)
dr. Sipos Sándor1,2 , Biró Szabolcs1,3
1. Budapesti Műszaki Főiskola, Bánki Donát Gépészmérnöki Kar
2. főiskolai docens
3. intézeti mérnök
A gazdaságosság és a környezettudatosság sokáig egymásnak ellentmondó fogalomként szerepelt a forgácsolásban: a nagyobb termelékenység eléréséhez gyakran ugyanis árasztásos módszerrel adagolták a hűtő-kenőfolyadékokat. Napjainkban egyre nagyobb hangsúlyt helyeznek a környezetbarát forgácsolótechnológiák alkalmazására, mert az újszerű módszerek, rendszerek és berendezések a produktivitás és a szerszám-élettartamok egyidejű növelését teszik lehetővé. A környezettudatos forgácsolásról korábban megjelent cikkünkben [1] a légnemű hűtő-öblítőközegek szerepére hívtuk fel a figyelmet. Jelen írásunkban a minimális mennyiségben adagolt hűtő-öblítő-kenő (HÖK) megmunkálóközegek hatásáról lesz szó. Az ellenőrzött körülmények között végzett esztergálási kísérletek eredményei azt bizonyítják, hogy a minimálkenő berendezés alkalmazása a forgácsolásban technológiai javulást eredményez és jelentős gazdasági eredménnyel jár.
Forgácsoláskutatás a ’Bánki Főiskolán’
A Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Karán a forgácsoláskutatás évtizedek óta kiemelt terület. A Gépgyártástechnológiai Szakcsoport szakterülete a különféle forgácsolási eljárások ellenőrzött körülmények között történő vizsgálata, amelyet sok tudományos diákköri munka, szakdolgozat és számos szakmai együttműködésre épülő kutatási jelentés is fémjelez [2]. A forgácsolószerszámok használata és vizsgálata ma már elképzelhetetlen folyamatjavító berendezések (a kívánt élgeometriát előállító élezőgépek, vagy éppen a környezettudatos forgácsolást lehetővé tévő készülékek) alkalmazása nélkül. A legkorszerűbb ilyen eljárások és berendezések ismerete hallgatóink számára éppoly fontos, mint ezeknek az ipari gyakorlatban történő megismertetése és elterjesztése. A birtokunkban levő minimálkenő berendezés esztergálás során történő alkalmazásánál szerzett tapasztalatainkat foglaljuk össze, terjedelmi okok miatt a teljesség igénye nélkül.
A minimálkenő berendezés felépítése és működése
Az általunk használt minimálkenő rendszer (amely a német TKM cég gyártmánya, típusjele pedig HCS250) a tartályában tárolt növényi olajból sűrített levegő segítségével milliliter/óra nagyságrendű cseppeket porlaszt közvetlenül a forgácsolási zónába. Az alkalmazott módszer legfőbb előnyei a következők [3]:
· a kenő hatású filmréteg kizárólag a főél környezetében jelenik meg. Ez a körülmény a súrlódási tényező csökkenésével ját együtt, amely a forgácsleválasztás valamennyi körülményére (erő, hőmérséklet, a forgács alakjára, az előállított felület érdességére) kihat, sőt, a szerszám kopásának mérséklődését (és az éltartam növekedését) idézi elő,
· a kenőanyag mennyisége 95-99%-kal csökken, mert a folyadékhozam milliliter/óra nagyságrendű. A munkadarab és a forgács egyaránt száraz marad, ráadásul a folyadék nem okoz korróziót rajta, sőt, a dolgozó szem- és bőrirritációja is megszűnik,
· a munkadarab felületi kezelésének és zsírtalanításának költségei jelentősen csökkennek, a kenőanyag tárolásával, kezelésével és megsemmisítésével (esetleg újrahasznosításával) kapcsolatos költségekkel egyetemben.
A berendezés felépítését az 1. ábra mutatja be, 2. ábrán pedig működését a követhetjük nyomon [4].
1. ábra
2.ábra
Vizsgálati körülmények bemutatása
A kísérletet SU50/1500 típusú hagyományos, fokozatnélküli hajtással felszerelt esztergapadon végeztük, ahol ausztenites szövetszerkezetű, korrózióálló acél (magyar jele: KO36, DIN jele W. Nr. X10CrNiTi189) forgácsolhatóságát vizsgáltuk. Az Ø250´260 mm méretű, normalizált próbatestek egyaránt lehetővé tették a közepes és a nagy forgácsolósebesség mellett végzett kísérleteket, anélkül, hogy a szerszámgéppel együtt forgó nagy tömeg negatívan befolyásolta volna az eredményeket.
A forgácsolóerőket KISTLER 5019 típusú, 3 komponenses erőmérővel, a megmunkált felület érdességének főbb paramétereit pedig MarSurf PS1 hordozható műszerrel (3. ábra) mértük.
A nehezen forgácsolható korrózióálló acél szisztematikus vizsgálata során egyrészt arra törekedtünk, hogy mérhető adatokkal támasszuk alá a szárazmegmunkálás, a Cold Air Gun berendezéssel (röviden CAG) hűtött levegő befúvatás és a minimálkenés közötti erő-, érdesség-, és kopásváltozásokat. Az esztergálást a szerszám kopásáig folytatva másrészt azt elemeztük, milyen hatásokkal számolhatunk a különböző HÖK-módszereknél tartósan forgácsolás körülményei között.
3. ábra
A minimálkenő rendszer fúvókáit úgy helyeztük el, hogy a nagynyomású permetsugarak a fő- és a mellékhátoldali felületekre jussanak, ezzel is csökkentve a munkadarab és a szerszám közti súrlódást. Tapasztalatunk szerint a célzott befúvást úgy kell beállítani, hogy a kenőanyag az elsődleges forgácsolási zónában fejtse ki jótékony hatását (4. ábra). A legjobb hatást a csúcssugár környezetére irányítva érhetjük el, ennek az elrendezésnek viszont az hátránya, hogy a munkadarabról lerepülő forgácsok kimozdíthatják a felső flexibilis fúvókát. A kísérletben CNMG 080408 ML alakú és TT5030 anyagjelű, TaeguTec gyártmányú lapkákkal dolgoztunk, melyeknek minden egyes forgácsolóélét előzetesen ellenőriztük. A hallgatói tudományos diákköri munka keretében több technológiai körülmény hatását vizsgáltuk meg, terjedelmi korlátok miatt ebben a cikkbencsak a következő adatok hatását elemezzük: fogásmélység a=1,5 mm; előtolás f=0,2 mm; forgácsolósebesség vc=200 m/min.
4. ábra
Eredmények minimálkenés alkalmazásakor
Az 5. ábra az idő és az Fc forgácsolóerő összefüggését ábrázolja, míg a 6. ábra a mért hátfelületi kopásméret függvényében tünteti fel az ébredő erőt. Az állapítható meg, hogy a kezdeti, közel állandó értékről kiindulva – a szerszámék tompulása és kopásméret növekedése következtében – a szükséges erőhatás természetesen növekszik. Egyértelműen látszik az is, hogy a legkisebb forgácsolóerő a minimálkenés hatására keletkezett. A szárazforgácsoláshoz képest 5%-os, míg a CAG-hoz képest mintegy 11%-os javulást érhetünk el [5].
5. ábra
6. ábra
A minimálkenés nagy hatékonyságú módszer a nemfémes felrakódások és az élrátétképződés ellen. Jól szemlélteti ezt a 7. ábra, amely – megfelelő nagyítás mellett - a lapkák homlokfelületéről készített felvételt tartalmazza. A bal oldali képen jól látható a forgácstörőre tapadt anyag, míg a jobb oldali ábrarészleten a csillogó felület a bevonaton megtapadt olajfilmréteget mutatja. Ebből is megállapítható az, hogy a minimálkenés alkalmazása a homloklapon megtapadt anyagfelrakódást megakadályozza, és ez különösen rozsdamentes acélok forgácsolásakor jótékony hatású.
7. ábra
A forgácsolt felület érdességének vizsgálatánál (8. és 9. ábra) azt tapasztaltuk, hogy a minimálkenés alkalmazása mellett a szerszám bekopása után a mért Ra- és Rz-értékek viszonylag kis értékhatáron belül ingadoztak, míg a száraz és CAG-módszerű hűtésnél nagyobb szóródást regisztráltunk a kopás függvényében. Ez a korlátozott élrátétképződéssel magyarázható, továbbá a forgácsolóél egyre fokozódó tönkremenetelének tudható be. A vizsgált HÖK-módszerek közül a minimálkenésnél fordult elő az, hogy a szerszám elhasználódása mind a mért átlagos érdességeknek, különösen pedig a Rz egyenetlenségmagasság értékeinek csökkenését okozta. A szárazon, illetve hűtött levegős befúvással végzett esztergáláskor egyértelmű érdességromlás volt megfigyelhető. A mérési eredmények ismeretében elmondhatjuk, hogy a megmunkált felület érdességének tekintetében a minimálkenés a leginkább megbízható módszer.
8. ábra
9. ábra
A 10. ábrán a két érdességjellemző aránya (Rz/Ra) látható a forgácsolásban eltöltött idő függvényében. Ebből a diagramból jól megítélhető, hogy a szárazforgácsolás és a hűtött levegő befúvása az esztergált felület érdességi profiljában nagy változást okoz: a felület „csipkézettsége” egyre nagyobbá válik. Ezzel szemben a minimálkenés a felület profiljának szabályosabbá válásával és „kisimulásával” jár. Számszerűsítve az Rz/Ra arány tekintetében a szárazforgácsoláshoz képest 20%-os, CAG-hoz képest pedig még ennél is nagyobb (22%) javulást értünk el.
10. ábra
Még jellemzőbb a különféle hűtés-öblítés-kenés (HÖK) módszereknek a szerszámra gyakorolt hatása. A KO36 anyag esztergálásánál gallérszerű felgyűrődés (oldalsorja kialakulása) a jellemző, ez jól látható szélkopás formájában jelent meg a főhátlapon. Az említett károsodás olyan mértékű volt, hogy a PVD bevonati réteg levált és láthatóvá vált az alapfém. A 11. ábrán a lapkák elhasználódása látható. Szárazmegmunkáláskor a lapka az ötödik perc után használhatatlanná vált. Hideglevegő befúvása esetén a kopás intenzitása mérsékeltebbé vált, és a szerszám forgácsolásra alkalmas maradt. A minimálkenés alkalmazásakor 5 percnyi forgácsolás után alig észrevehető a hátkopás, a szerszám pedig a bekopás-egyenletes kopás szakaszának határán van.
11. ábra
Az éltartamvizsgálat során a hátkopás-kritériumot – számos, korábbi vizsgálat tapasztalatait alapul véve - VB=0,3 mm értékben szabtuk meg. A vc=200 m/min forgácsolósebességre vonatkozó kopásgörbék (12. ábra) klasszikus alakúak és jól felismerhetők az egyes (bekopási, egyenletes kopási, majd a túlkopási) szakaszok is. A megengedett kopás értékénél a következő eredmények adódtak az elért éltartamokra: szárazforgácsolás T=4,5 min, CAG-módszerű hűtés T=7,3 min, míg a minimálkenéssel T=21 min. Ez azt is jelenti, hogy a hűtött levegő 60%-os éltartam-növekedést, a minimálkenés pedig még ennél is sokkal nagyobb, több mint 4,5-szeres javulást eredményez a szárazforgácsoláshoz képest. Ha figyelembe vesszük azt, hogy a CAG-módszerrel végzett hűtés 1 Ft/min, a minimálkenő berendezés pedig mindössze 5 Ft/min költségnövekedéssel jár, azonnal egyértelművé válik a vizsgált HÖK-módszerek hatékonysága és rentábilis volta.
12. ábra
A lapkaéltartamok vizsgálatának kapcsán megjegyezzük azt, hogy
· A KO36 ausztenites korrózióálló acél forgácsolásakor hasonló éltartamnövekedési tendenciákat tapasztaltunk a CAG- és a minimálkenés módszerénél kisebb forgácsolósebességek tartományában is a szárazon végzett megmunkáláshoz viszonyítva.
· Ötvözetlen szerkezeti acél (például C60) esztergálásakor már nem volt ennyire markáns javulás a szárazforgácsoláshoz képest [6]. Igaz, hogy ebben a tesztelt lapka forgácsolásra való alkalmasságának is szerepe volt.
· Figyelemre méltó eredményeket értünk el az edzett állapotú (HRC³60) ötvözetlen szerkezeti acélok polikristályos bórnitrid lapkákkal történő finomesztergálásakor is. Különösen wiper élkialakítású, CNGA120408S01030A-WH alakjelű, 7025 anyagú lapkákon (forgalmazó: Sandvik Coromant) domborodott ki a CAG-módszerű hűtés kedvező hatása a száraz forgácsolással szemben, ahol mintegy 10%-os éltartósság-növekedést tapasztaltunk [7]. Ez az igen nagy szerszámköltségű keményesztergálásnál komoly gazdasági előnyt jelent.
Összefoglalás
A nehezen forgácsolható, KO36 jelű, ausztenites korrózióálló acél minimálkenés mellett történő esztergálása alkalmazása azt bizonyította be, hogy a szárazon végzett forgácsolást érdemes felváltani valamilyen környezetbarát HÖK-módszerrel. Mind a CAG-módszerű hűtés, mind a minimálkenés létjogosultságát sikerült bizonyítanunk ezen az acélminőségen. A forgácsolhatóság egyéb tényezőit (erőhatás, forgácsalak, az esztergált felület érdessége stb.) nem számítva az igazi áttörést a szerszámkopás és az éltartam jelentette. A szárazmegmunkáláshoz képest a minimálkenésű szerszám éltartamában bekövetkező több mint négy és félszeres javulás nagyon jó eredmény, nem is beszélve arról, hogy az esztergált felület érdessége is fokozatosan csökkent. Úgy összegezhetjük vizsgálatainkat, hogy minimálkenéssel egyetlen él teljesítménye több mint a CNMG alakjelű lapka négy élének szárazon végzett összes munkája. És akkor még a minőséget jellemző tényezőkről (érdesség, pontosság) nem is beszéltünk!
Irodalom
[1] dr. Sipos, S., Biró, Sz.: Környezettudatos forgácsolás (I. rész)
Gyártástrend, 2008. aug., p. 32-37.
[2] dr. Sipos, S., Biró, Sz.: Forgácsolószerszámok vizsgálata a BMF Bánki Karán,
Gépgyártás (XLVIII), 2008/3. p. 96-99.
[3] Biró, Sz., Csuka, S., dr. Sipos, S.: A fogácsolási folyamat vizsgálata minimálkenéskor (www.forgacsolaskutatas.hu)
[4] HCS250 Üzemeltetési kézikönyv, TKM Sprüh- und Dosiergeräte GmbH, pp. 25.
[5] Kisa, Zs., Uracs, P.: Forgácsolási folyamat vizsgálata minimálkenéskor, TDK-dolgozat, BMF/BDGBMK, Budapest, 2008.
[6] Balázs, K.: Minimálkenés alkalmazása esztergáláskor, Szakdolgozat, BMF/BDGBMK, Budapest, 2008. jún. pp. 71.
[7] Fülöp, Zs.: A keményesztergálás hatékonyságának növelése a hűtés-kenés-öblítés célszerű megválasztásával, Szakdolgozat, BMF/BDGBMK, 2008. jún., pp. 57.