A keményesztergálás lehetőségei és korlátai

Acélok edzett állapotban történő megmunkálása az utóbbi időben egyre nagyobb teret nyer a gyakorlatban. A keményesztergálás sok esetben nagyon jó alternatívája lehet a köszörülésnek, amíg azonban az esztergálás teljes mértékben feldolgozható és hasznosítható fémforgácsot hoz létre, addig a köszörülési eljárások újrafeldolgozásra alkalmatlan iszapot (köszörűkorong-anyaggal kevert fémrészecskéket). Jelen cikkben többféle hűtési-kenési módszert (száraz, hűtött levegő és minimálkenés kombinálása) hasonlítottunk össze, edzett acél különféle PCBN-szerszámokkal történő esztergálásakor.

Nowadays, the machining of the hardened steels is spreading in the practice more and more. The hard turning can be a good alternative solution to the grinding machining in several cases. The turning operation produces chips, being totally recyclable and re-usable, while grinding operations generate not recyclable slurry, containing the material pieces of the grinding grits and metal particles as well. In our present examination several lubricating-cooling methods (combination of dry, cooled air and minimum quantity lubrication) will be compared in case of turning hardened steel with different types of PCBN-tools.

Heutzutage kann die Verbreitung der Bearbeitung von gehärteten Stählen in der Praxis immer mehr beobachtet werden. Das Hartdrehen kann oftmals eine gute Alternative zur Schleifbearbeitung sein. Das Drehen produziert in vollem Maße wieder verwertbare und wieder verwendbare Späne, solange das Schleifverfahren nicht wiederverwertbaren Schlamm (Materialstücke von Schleifscheiben, gemischt mit Metalteilchen) erzeugt. In unserem Artikel werden verschiedene Schmier- und Kühlmethoden (Kombination von Trockenkühlung, Kühlung mit gekühlter Luft und Minimalmengenschmierung) im Falle vom Drehen von gehärteten Stählen, durchgeführt mit verschiedenen PCBN-Werkzeugen, verglichen.

1. Bevezetés

A hatékony üzemi alkalmazások érdekében szükség van a rendelkezésre álló szerszámok kísérleti vizsgálatára. A keménymegmunkálás (hard part machining) az utóbbi időben egyre nagyobb teret nyer a gyakorlatban, és a keményesztergálás sok esetben nagyon jó alternatívája lehet a köszörülésnek. Amíg azonban az esztergálás teljes mértékben feldolgozható és hasznosítható fémforgácsot hoz létre, addig a köszörülési eljáráskor újrafeldolgozásra alkalmatlan iszap (köszörűkorong-anyaggal kevert fémrészecskék) keletkezik. Köztudott az a tény is, hogy jelentős a hűtő-kenő folyadékok egészségkárosító- és környezetszennyező hatása. Jelen cikkünkben edzett acél különféle PCBN-szerszámokkal végzett esztergálását vizsgáljuk különféle hűtési-kenési módszer (száraz, hűtött levegő és minimálkenés kombinálása) alkalmazása esetén.

2. A környezettudatos forgácsolás

A környezet lehető legkisebb mértékű terhelésének elve az EU-hoz történt csatlakozásunk után fokozott feladatokat jelent. Ennek tükrében szükség van – egyebek között –a forgácsolástechnológiában használatos hűtő-kenő rendszerek működtetésekor fellépő problémák feltárására és megoldási javaslatok kidolgozására. A hűtő-kenő folyadékok egészségkárosító hatása jelentős. Ez leginkább bőrallergiás, valamint asztmás (ritkán rákos) megbetegedésekben nyilvánul meg azoknál a dolgozóknál, akik a forgácsoló műhelyekben kapcsolatba kerülnek velük. Ennek formái: közvetlen érintkezés a munkadarabbal (pl. kézbe fogva), másrészt a ködhűtés párája, illetve a bőségesen adagolt hűtőközeg magas forgácsolási hőmérsékleten olyan gázok kiválását okozza, ami egészségkárosító hatású. A hűtő-kenő anyaghulladékok nagyobb részét tárolják, kisebb részét elégetik. A tárolás a környezetünkben történik, és ez hatással van az ökológiai folyamatokra: növekszik a környezetszennyezés mértéke. Magyarországon az évente felhasználásra kerülő hűtő-kenő folyadék mennyisége több ezer tonna. Ebből a bizonyíthatóan kezelés alá vont mennyiség becslések szerint nem több mint 50-60%. A fennmaradó rész valószínűleg a talajt és vízkészletet szennyezi. A hűtő-kenő folyadékok használatával kapcsolatos további nehézségek gazdasági téren jelentkeznek: beszerzési és kezelési költségük évről évre növekszik, és ez emeli az alkatrészek gyártási költségét.

2.1 Szárazforgácsolás

A szárazmegmunkálás széleskörű elterjedését a forgácsolószerszámok anyagának, bevonatának és geometriájának fejlődése, valamint a megfelelő forgácsolási körülmények (korszerű szerszámgépek, vezérlések, szerszám- és munkadarab- befogó rendszerek, optimális technológiai körülmények) létrehozása teszi lehetővé. Mindezek közös célja az, hogy a hűtéssel-kenéssel felmerülő ökológiai, egészségügyi és gazdaságossági problémák teljes kiküszöbölhetővé váljanak.

Rendelkezésünkre áll ún. Cold Air Gun (továbbiakban: CAG) berendezés, amely sűrített levegőt használ, így hozza létre a léghűtéshez szolgáló hideg levegőt. A Vortex-cső a felvett hitelesítési diagram szerint kb. 20 mm távolságból kb. -10 ºC-ra hűtött levegőt fúj be a forgácsolási zónába [1].

2.2. Minimálkenés

A minimálkenési eljárásokat az adagolórendszer és a kenőfolyadék forgácsolási zónába vezetésének módja szerint szokás osztályozni.

Az adagolórendszerek működhetnek levegővel vagy anélkül. Az ún. levegős rendszerek a megmunkálási zónában alakítják ki a permetet vákuumos vagy nyomásos eljárással. Olyan megoldás is létezik, amelynél a permet már az olajtartályban létrejön és a készülék - a kicsapódás veszélye nélkül - képes akár több tíz méter távolságba is eljutni azt. Ez az ún. “boosteres” eljárás. A “boosteres” porlasztás zárt munkaterű, korszerű CNC-szerszámgépeken is alkalmazható, a berendezés a megmunkálóprogramból vezérelhető. Külső és belső kenésre egyaránt használható, de a ki nem csapódott, mikronnál kisebb cseppméretű permet munkatérből való elszívásáról egészségügyi okok miatt gondoskodni kell.

A minimálkenő berendezést 5-6 bar nyomású hálózati levegő működteti. Az adagolt kenőanyag mennyisége 20-40 ml/h, szemben például az emulziós hűtés-kenés 4-10 l/min mennyiségével. A tartályban elhelyezett kenőanyag – általában speciális, nem nagy viszkozitású (ν<100 mm2/s) növényi, ásványi vagy szintetikus olaj – egy kettős csővezeték belső csövén jut a keveredési zónába, a levegő pedig a külső csövön érkezik. Külső kenéskor a permet létrehozása a fúvókákban, míg belső kenéskor a főorsóban történik [1].

3. Forgácsolási körülmények bemutatása

3.1 Kísérletek célkitűzései

A kísérleteket az alábbi célok elérése érdekében végeztük:

• edzett acél esztergálási sajátosságainak vizsgálata szárazforgácsolás és kombinált (MQL+CAG) hűtés-kenés esetén;

• különféle élkialakítású PCBN anyagú lapkák forgácsolóképességének vizsgálata a fenti körülmények között;

• a lapkák elhasználódási körülményeinek műszeres mérése, különösen a kopási folyamat, a kopásintenzitás alakulása, továbbá a forgácsolásképesség romlásával összefüggő jelenségek (erőhatások, érdességváltozás) megállapítása.

3.2 A kísérletben felhasznált eszközök

A kísérleti körülményeket az 1. táblázat foglalja össze, a vizsgált szerszámok adatait az 1. ábra tartalmazza.

1. táblázat

4. Kísérleti eredmények

Kísérleteinket szárazforgácsolással és ún. kombinált (minimál kenés + CAG) hűtés-kenéssel végeztük (2. ábra) [2].

4.1 A vizsgált lapkák összehasonlítása

Az ötvözött szerszám- és szerkezeti acélokon edzett állapotban végzett kutatásaink [3 - 5] azt bizonyították be, hogy a fellépő extrém nagyságú hőmérsékleten a bizonyítottan hőfok-függő (oxidáció, kémiai reakciók, diffúzió stb.) kopási mikrojelenségek jelentősen felgyorsulnak [1, 3]. Különösen nagy szerepük van a kopásnyomokba (elsősorban a kráterbe) berakódott, illetve a homlok- és a hátfelületen feltapadt igen kicsiny forgácsdarabkáknak, amelyek – a lefutó forgáccsal összehegedve - a lapka adhéziós kopását idézik elő és a szerszám hőfáradását okozzák. Mindezen jelenségek olyan intenzitásúak lehetnek, hogy rövid időn (2¼6 perc) belül a lapkaél környezetének katasztrofális kopását idézik elő. Ezért van az, hogy az éltartamvizsgálatoknál a keményfémre megszokott kopáskritériumot (VBmeg = 0,3 mm) csökkentik és általában VBmeg = 0,2 mm értéket határoznak meg. Az általunk elvégzett tesztsorozatból – a terjedelmi korlátokra is figyelemmel - egyetlen beállítást emeltünk ki. Ezen az ISO kialakítású lapkát és ugyanennek wiper élkialakítású változatát hasonlítjuk össze szárazon és kombinált hűtés körülményei között. Megjegyezzük, hogy a 7015 jelű lapka kevesebb CBN-t tartalmaz növelt arányú, TiCN anyagú kerámia kötésben, míg a 7025 változat több CBN-szemcséből áll, amelyet TiN kerámia kötőanyag tart össze.

A 3. ábrán közölt kopásgörbéket elemezve a szárazon végrehajtott és a kombinált hűtés között nincs szignifikáns különbség, így az éltartamok sem sokban különböznek egymástól. Az ISO geometriájú lapkánál jól megfigyelhető azonban, hogy a kopásintenzitás (azaz az 1 percre jutó kopásnövekedés, jele és mértékegysége: IVB, mm/min) a kombinált hűtésnél némiképp kisebb. A fent említett kopásintenzitási jellemző alakulása kiterjedtebb vizsgálatokat követel. Az is megállapítható, hogy a wiper élkialakítású lapka éltartama – a hűtés tényétől függetlenül – 20%-kal nagyobb, mert - kialakításából következően - némiképp nagyobb élszakasszal vesz részt a forgácsolásban. A lapka kopásvizsgálatakor feltűnő volt az élszalagon fellépő kráterkopás. A 4. ábra nemcsak a hátfelületen kialakuló kopásnyomokat tünteti fel, hanem kráteres kopás fényképét is bemutatja. Ez utóbbinak nagy szerepe van a forgács távozásában, mert szabályozza a forgács továbbhaladásának irányát, illetve összetorlódásának mértékét is. Ez figyelhető meg az 5. ábrán közölt felvételen.

A minimálkenő berendezés által szállított olaj lobbanáspontja kb. 195°C. Joggal feltételezhetjük tehát, hogy környezetbarát olajban lévő szén reakcióba lép a sűrített levegő oxigénjével, ami a létrejövő forgácsolási hőmérséklet hatására a homloklapon ég el. Ezzel pedig a kráteres kopás intenzitását növeli, hozzásegítve a kopás szélességi és mélységi méretének gyors változásához. A lapkán lévő TiN- bevonat éppen csak késleltetni tudja a kopás gyors eszkalálódását. Ez nemcsak a kráterképződésre, hanem a hátfelületen zajló – főként abrazív – kopásjelenségekre is igaz.

A hűtési módszerek hatékonyságát, illetve azoknak a kopásmechanizmusokra gyakorolt hatását újabb kísérletekkel kell ellenőriznünk azon a most beszerzett CNC-gépen, amelyet kizárólag szerszámminősítési célokra használunk fel.

4.2 A keletkezett forgácsolóerők elemzése

A forgácsképződés bonyolult folyamata következtében az erőhatások szerepe, valamint a forgácsolóerő-komponensek értéke és aránya a keményesztergálás végrehajtásakor merőben más a rugalmas-képlékeny anyagokéhoz (például a lágyacélokéhoz) képest. A kutatások két irányban folynak jelenleg: az egyik az erőkomponensek megállapítása végeselem-módszerrel [6], a másik pedig a szisztematikus vizsgálatok (például Design of Experiments) mérési eredményeiből történő modellalkotás [4].

Az általunk elvégzett kísérletek egy beállításnál keletkező forgácsolási és passzív erő értékeit a 6. ábra mutatja.

A fő forgácsolóerőt értékelve az ISO geometriájú lapkánál a forgácsolás során közel állandó értéket vesz fel a kombinált hűtésnél, míg szárazon forgácsolva tendenciájában növekszik, akár 100%-kal is. A forgácsolási idő kétharmadánál rétegváltási jelenséget tapasztaltunk [4]. A fő erőkomponens értéke a wiper geometriájú szerszámnál – a hűtési módtól függetlenül – egyenletesen növekszik és közel 20%-ot ér el.

A szerszám kopási állapotát legjobban a passzív erő (Fp) alakulása fejezi ki. Mindkét vizsgált szerszámnál azt tapasztaltuk, hogy a kombinált hűtés alkalmazásakor 30%-kal nagyobb erők ébrednek. Ennek az a magyarázata, hogy keményforgácsoláskor a munkadarab nagyon kemény és rideg, ezért a forgácsképződés másként zajlik le, mint a lágy acéloknál.

A nagy, negatív homlokszögű szerszám igen nagy passzív (Fp) erőt fejt ki, a kialakult extrém nyomás és az aktív (Fa) erő okozta nyírófeszültség eredményeként egy mikrorepedés jön létre, amely a forgácsképződést megindítja. Megjelenésével a felhalmozódott energia felszabadul és ez egy forgácselem leválását és elmozdulását eredményezi a nyírófeszültség hatásvonalának irányában. Ennek a mikrorepedésnek a kialakulását a szerszámélre porlasztott hűtő-kenő olaj gátolja, mivel csökkenti a szerszám és a munkadarab közötti súrlódást. A CAG-berendezéssel előállított hűtött levegő pedig a forgácselemek szilárdságcsökkenését akadályozzák meg.

Összességében megállapítható, hogy az erőhatások szempontjából a kombinált hűtés nem előnyös.

4.3 A felületi érdesség alakulása különböző hűtéseknél

A PCBN-lapka forgácsolóképességét az is jellemzi, milyen mértékben képes egyenletes érdességet előállítani a szerszám, vagyis a népszerűen használt Rz és Ra értékek hogyan változnak a forgácsolási idő függvényében. Az általunk elvégzett tesztsorozatból – terjedelmi korlátok miatt - egyetlen beállítást emeltünk ki. Ezt a 7. ábra szemlélteti.

Vizsgálataink során is beigazolódott az a tény, hogy azonos forgácsolási körülmények között a wiper élkialakítású szerszám egyharmados érdességet ad az ISO-hoz hasonlítva (a forgácsolás kezdő pillanataiban). Az ISO geometriájú, nagy CBN-tartalmú lapka nagyon „érdességtartó”, ha szárazon forgácsolunk vele, viszont kombinált hűtés esetén a kopás előrehaladtával akár harmadára is csökkenhet az érdesség. Ez a passzív erő vasaló hatásának köszönhető, amint ezt kimutattuk [4].

A nagyobb CBN-tartalmú, wiper élkialakítású lapka a kopás előrehaladtával egyre romló édességet állít elő. Szárazforgácsoláskor ez a romlás kb. 50%, kombinált hűtés esetén azonban elérheti a 150%-ot is. Ennek az a magyarázata, hogy az aktív élszakasz nagyobb, ráadásul a 7025 jelű lapka TiN kötőanyaga kisebb keménységű, mint a 7015 változat TiCN anyagáé, és – az abrazív folyamatok eredményeként – az előtolásnyomok az aktív élszakaszba fokozatosan „belemásolódnak”. Az él fokozatosan elveszíti szabályos jellegét. A kombinált hűtés esetén ez a rámásolódási jelenség még fokozottabb, mert a forgácsleválasztás megnehezül (a forgácselemek keményebbek, karcoló hatásuk jobban érvényesül).

A kétféle lapkaanyag-változat közül kombinált hűtéskor a 7015 minőség javasolható.    

5. Összegzés

Kísérleteinkben a keményesztergálás előnyeit vizsgáltuk szárazforgácsolás, illetve minimálkenés és hűtött levegő együttes használata során. Összehasonlítottuk az ISO kialakítású és a wiper élalakú szerszámok viselkedését, kopási jellegzetességeit és erőigényét.

Megállapíthatjuk azt, hogy a keményesztergálás számos előnnyel rendelkezik és reális alternatívája tud lenni a köszörülésnek. Alkalmazható száraz-, illetve minimálkenésű forgácsolásra is, szemben a köszörüléssel, amit csak hűtőközeg alkalmazása mellett végezhetünk. Vizsgálataink bizonyították, hogy a köszörüléssel szemben a keményesztergálás a lényegesen „környezetbarátabb” (green technology). A mai kor igényei és a környezettudatos technológiák előretörése miatt ez a terület még számtalan kérdést vet fel, melyek további kutatásaink célját határozzák meg.

Irodalomjegyzék

[1] SIPOS, S. dr. –BÍRÓ, Sz.: Green machining: környezetkímélő forgácsolás
Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek, XIII. Vol. 2008/2. p.61 – 68.

[2] Fülöp Zs.: Keményesztergálás hatékonyságának növelése a hűtés-kenés-öblítés célszerű megválasztásával, Szakdolgozat, 2008., BMF/BGF/AGI, Budapest, pp. 57.

[3] Edzett acélok esztergálása bórnitrid és kerámialapkás szerszámokkal (kutatási jelentés) Projekt: K+F SAND_03/2005. Budapest, pp. 50. (CD-melléklettel) Kutatásvezető: dr. Sipos S. f. doc.

[4] SIPOS, S. dr. - BIRÓ, Sz. – HORVÁTH, R. - OROSZ, L.: Investigations on wear mechanisms of newly developed PCBN inserts in hard turning
Proceeding of the 12th Int. Conf. On Tools, ICT-2007., September 6-8, 2007. Miskolc, Hungary, p. 233- 240.

[5] HORVÁTH, R.: Hard Turning with CBN and Ceramic Tools in Hungary, MSc Thesis (in Hungarian), 2007., Technical University Budapest, pp. 83.

[6] HORVÁTH, R., - M., MELCHER: Esztergálási folyamat végeselemes vizsgálatának eredményei, Nemzetközi Gépész és Biztonságtechnikai Konferencia, Budapest BMF. 2008. (CD-anyag).

[7] HORVÁTH, R. - BIRÓ, Sz. –SIPOS, S. dr.: New results on wear mechanisms of PCBN inserts in hard turning, DMC 2007 The 6th International Scientific Conference, Kosice 15.-16. 11. 2007.

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