MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZERSZÁMGÉPEK TANSZÉK 3515 Miskolc-Egyetemváros
DIPLOMATERV
Forgácsoló szerszám tervezése golyósanya gyártáshoz
Mihályi Gergő MSC szintű, gépészmérnök szakos CAD/CAM szakirányos hallgató
Tervezésvezetők: Dr. Takács György Egyetemi docens Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke Dr. Hegedűs György Egyetemi adjunktus Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke
Miskolc, 2013
2
Tartalom 1.
Eredetiségi nyilatkozat ........................................................................................................ 4
2.
Abstract ............................................................................................................................... 5
3.
Bevezetés ............................................................................................................................ 6
4.
Gótikus-profilú golyósanyák .............................................................................................. 7
5.
Golyósanyák gyártásánál használatos nevezetes technológiák........................................... 8
6. A javasolt szerszámozás korlátait d=20-80 mm névleges anyaátmérő, és h=0,1d-d menetemelkedés tartományban ................................................................................................ 11 7.
Keményesztergálás alkalmazásának lehetősége ............................................................... 13
8.
Lágyított állapotú szerszámozás lehetőségei .................................................................... 16
9. Speciális szerszámkonstrukciók integrálása a golyósanyák gyártástechnológiájába lágyés keményforgácsolás esetében ................................................................................................ 21 10. Modernkori szerszámtervezési módszerek ....................................................................... 25 10.1.
Tervezést támogató eljárások .................................................................................... 25
10.2.
További szerszámvariációk ....................................................................................... 27
10.3.
Élkörnyezet módosító eljárások................................................................................. 35
11. Szerszámgyártás ................................................................................................................ 39 11.1.
A szerszámtest műveleti sorrendje ............................................................................ 39
11.2.
A lapkák műveleti sorrendje ...................................................................................... 40
12. Tesztforgácsolás ................................................................................................................ 41 13. Szerszám- és technológia diagnosztika ............................................................................. 42 14. Összefoglalás .................................................................................................................... 46 15. Irodalomjegyzék ............................................................................................................... 47 16. Köszönetnyilvánítás .......................................................................................................... 48
3
Eredetiségi nyilatkozat
1.
Alulírott ……………………………………………………….; Neptun-kód:………………… a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős ……………. szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy ……………………………………………………………………………………………… című
szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott
szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: -
szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül;
-
tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül;
-
más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése.
Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc,.............év ………………..hó ………..nap
…….……………………………….… Hallgató
4
2.
Abstract
This thesis introduces the modern design methods in generally and in connection with ball nut cutter turning tools. The design methods improved a lot of in the last century due to the improvement of computer technology and machines. Designers and engineers have to design very fast and efficiently according required of industry, so this is the cause to improve the design methods. Aim of this thesis to present the typical design methods what contain the (know-how) experiences and the most developed iCAD technologies what can be achieve to solve most of the cutting problems. The ball nuts with high lead are the most complicated to manufacture with grinding technologies because belong to those very huge helix angles so I tried to change the turning technologies instead of grinding technologies according my experience. Due to the high helix angle the probability of collision is bigger and dressing the profile of grinding wheel to the suitable shape can be impossible. In summarize, those type of ball nuts have to cutting with turning methods because in that case the grinding companies can grind the exact profile to the inserts. End of the thesis the reader can find a test what was chose one of my designed tools. Finally I would like to prepare another project what will connect to the hard-part machining technologies in the ball nut manufacturing area.
5
3.
Bevezetés
A dolgozatom fő célkitűzése, hogy bemutassa a golyósanya forgácsolásához alkalmas szerszámok tervezésének- és gyártásának elméleti valamint ipari gyakorlati hátterét. A szerszámtervezési eljárások, a legutóbbi szerszámtervezéssel kapcsolatos szakirodalmak óta rendkívül nagymértékben fejlődtek, amelyben nagy szerepet játszott számítástechnika, szerszámanyagok és a szerszámgépek úttörő fejlődése. Az ipari követelmények növekedése megköveteli a gyors és működőképes szerszámok tervezését, amelyek a tervezési eljárások fejlődését vonja maga után, megragadva a fejlett számítástechnikai hátteret. Bemutatásra kerülnek a mérnöki gondolkodásmódok a módszeres tervezési eljárásokkal, hogy tervezőrendszerek és adatbázisok segítségével, támogassák a tervezőmérnök munkáját az optimálishoz közeli szerszámkonstrukció kifejlesztésében. A szakdolgozatom megírása során igyekeztem a lágy- és keményforgácsoláshoz alkalmas szerszámtervezési hátteret felkutatni, az ipari szerszámtervezési gyakorlati tudásommal kiegészítve a nagy menetemelkedésű golyósanyák forgácsolására alkalmas konstrukció kifejlesztésével kapcsolatban. A nagy menetemelkedésű golyósanyák hátrány, hogy a nagy profil torzulás miatt a korong leszabályozása a torzított profilra lehetetlenné válik egy bizonyos határon túl és a menethossz függvényében a korong tengelyének bedöntésének ütközési okok miatt korlátozott. Azonban a profilos eszterga lapkákat gyártó vállalatok torzított profilú szerszámok gyártásában rugalmasabbak.
Végezetül egy kiválasztott- és legyártásra került szerszámkonstrukció
tesztforgácsolásának kiértékelését mutatja be a dolgozat, lágy állapotban történő forgácsolás esetén. A szerszámtesztek a szakdolgozati tevékenységeken kívül, alapját képzik majd további szerszámkonstrukciók kialakítását lágy-, valamint a keményforgácsolás területén. Megjegyzés: a mellékletben csatoltam egy az szerszámok élszögrendszerét nagyvonalakban tartalmazó ábrát, mivel a dolgozat során sokszor megemlítésre kerültek és a sok ábra csak fölöslegesen növelte volna a dolgozat terjedelmét.
6
4.
Gótikus-profilú golyósanyák
A
gótikus-profilú
sajátosságáról
kell
golyósanyák tudni,
hogy
geometria
két
egymással
szimmetrikusan eltolt középpontú sugárból képződik (1.
ábra),
amelyeknek
érintkező
felületekként
szolgálnak a profilnak egy-egy pontjai a kialakított horonyban lévő golyók számára [1]. A körszelvényű tulajdonságai [1] (2. ábra): - sima/ egyenletes futás 1. ábra
- optimális merevség - optimális élettartam - minimális kenésigény - minimális kopás A gótikus profil tulajdonságai [1] (2. ábra): - sima/egyenletes futás kép - minimális kenésigény - minimális kopás - elhanyagolható tengelyirányú játékú előfeszítő rendszerek
2./a ábra
2./b ábra
7
Mint hazai, mint nemzetközi színekben igen nemes gyártók foglalkoznak széles körben a lineáris hajtású mechanizmusokat megvalósító gépalkatrészekkel. A magyarországi képviseletek között szerepel a SZIMIKRON Kft., mely már 1979 óta foglalkozik [2], golyósorsó-anya gyártásával és kiknek az napjainkig az innovációjuk rohamos emelkedést mutattak. Külföldi illetve a nemzetközi kereskedelemben jelen van az SKF valamint az INA, mint piacvezető vállalatok. Ezen cégek széles tartományban kínálják fel a gépszerkezeti elemek választékát, az egyedi gyártás- és javítás lehetőségét is, mint szolgáltatást.
5. Golyósanyák gyártásánál használatos nevezetes technológiák Az elmúlt évtizedekben a golyósanyák gyártására az anya hőkezeltségi állapotától függően igen keskeny forgácsoló technológiai ágazat vált alkalmassá. Lágyított állapotban történő forgácsolás esetében az esztergálás (3. ábra) és a marás (4. ábra) jöhet számításba, edzett/
3. ábra Menetesztergálás golyósanyák esetében betétedzett anyák befejező megmunkálására a köszörülés. Mivel az anya élettaramát a tervezők- és technológusok igyekeztek maximalizálni, ezért célszerűen a martenzites szövetszerkezetre törekedtek. A martenzites szövetszerkezet előnye a nagy keménység- és a vele járó kopásállóság, de a forgácsolást megnehezíti. Éppen ezért vált céltechnológiává a 8
profilköszörülés, amely a technológiai korlátok között (anya belső átmérő, menethossz) igen jól alkalmazható. Ezen dolgozat egyik célja, hogy a keményesztergálás lehetőségét megvizsgálja
a
gótikus-profilú
anyamenetek
edzett/betétedzett
állapotban
történő
megmunkálásra való alkalmasságát.
4. ábra Menetmarás golyósanyák esetében [17] Akármelyik forgácsolás technológiai eljárást is választjuk, a jellemző nagy spirálemelkedési szög miatt, torzított profilú szerszámot kell tervezni. A profiltorzulás elkerülésének érdekében esztergáló- és marószerszámok esetében is hátszög kompenzációval oldják meg az ilyen típusú problémát. Az alkalmazott (működő) hátszög nagyságát az anyagminőség vágásához szükséges minimális hátszög és a golyósanya legkisebb átmérőjére számított spirálemelkedési szög összegeként kapjuk meg. Ez a fő ok, amiért pl. a marást nem lehet hatásosan alkalmazni szerszámbedöntés nélkül, edzett állapotban történő megmunkálás esetében, mivel a nagy hátszögek eredője kigyengíti a szerszám élkörnyezetét. Továbbá bedöntés nélkül csak is kizárólag egy élű maró jöhet számításba, mivel a további maró élek „elkaszálnák” a még sorra nem került/ megmunkálatlan területeket előtolás irányban. Azonban ha a menethossz mértéke még nem veszélyezteti az ütközés lehetőségét, akkor a bedöntött maró is alkalmazható. Előnye közt szerepel, hogy a több él nagyobb 9
termelékenységet jelent, viszont az élek profilját nem lehet pontosan összehangolni, ezért nagy pontosságú menetek előállítására nem alkalmas. Meg jegyezni, hogy valójában inkább csak nagyoláshoz alkalmazható termelékenyen, mert profilsimítás esetében a kapcsolószám kisebb mint1, így egy időben mindig csak egy él képes forgácsolni. A köszörülés technológiai korlátja a maximálisan alkalmazható köszörűkorong átmérő és a menethosszból adódik, mivel a korongot axiális irányban, a spirálemelkedés szögének megfelelően be kell dönteni. A kis- és közepes emelkedésű anyaváltozatokkal ellentétben az edzett profil köszörülése nem valósítható meg nagy menethosszok esetében, a nagy emelkedésű változatoknál, amelynek két fő oka van. A nagy hosszok valamint a nagy menetemelkedésből fakadó menetemelkedési szög, a szerszám csaprészének az ütközését eredményezi, a magfurat átmérőjén. A másik fő probléma nem a hosszokból ered, hanem a menetemelkedési szögből.
5. ábra Menetköszörülés golyósanyákhoz [18] Köszörülés esetében hasonló a helyzet, mivel profilos köszörűkorongok alkalmazását követeli meg (5. ábra). Minél nagyobb mértékben kell megdönteni egy profilos szerszámot, annál nagyobb a profil torzulás mértéke, amelyre le kell szabályozni a korongot (technológiai korlát) és annál kisebb átmérőjű korong alkalmazható megnövekedett fordulatszámmal, a technológiának megfelelően. A kis korongátmérő hátránya, hogy nagy fordulatszám alkalmazása mellett képes technológiailag jól üzemelni. Nagy korongátmérő esetén a
10
köszörűkorong nem kívánt munkadarab profilokba is beleköszörülhet, miközben a célterületen végzi a forgácsolást.
6. A javasolt szerszámozás korlátait d=20-80 mm névleges anyaátmérő, és h=0,1d-d menetemelkedés tartományban Az alábbi táblázat az adott technológiák alkalmazhatóságának korlátait tartalmazza golyósorsó esetén 20-80mm-es tartományban az 1. táblázat [16]. 1. Táblázat
20
NÉVLEGES EMELKEDÉS P[mm]
5 ●○ 10 ○
25 ●○
●○
●○
●○
●○
●○
○
○
●
●○
15 20 ●
●
25
●
●○
●○
63
80
●○
○ ●▲○
●▲○
▲○
▲
▲○
▲○ ○
30 32
●
40
●
50 ●
● ○ ▲
NÉVLEGES ÁTMÉRŐ D [mm] 32 40 50
●
●
Hengerelt (Nyers tétel) Köszörült/ Hántolt Nagyoló köszörülés/ Hántolás
A fenti táblázat jól megfigyelhető, hogy a hengerléssel készült előgyártmányok főként a táblázat ball oldali- valamint az alsó táblázati régiókban érvényesülnek a legjobban. Ennek a fő oka a képlékeny alakítás erőszükséglete lehet, mivel a növekvő átmérővel a golyó pályák mélysége is növekszik.
11
A köszörülés technológiai korlátait a menetemelkedés korlátozza és a hozzátartozó menetemelkedési szög, mivel a köszörűkorongot a menetemelkedési szögnek megfelelően be kell dönteni. A szakdolgozati kérdés a 1.823-5.71º spirálemelkedési szögű tartományra szűkül, amelyen belül az esztergálás-, marás- valamint a köszörülés is lényegesebb követelmények nélkül is elvégezhetőek. Az iparban szerzett tapasztalataim alapján az esztergálás felső határértéke golyósanya gyártása esetén megközelítőleg P/D≈0.63. Ez a 0.63-as hányad nagy előtolás igényt eredményezett. Jelen esetben ez a hányad (≈0.48), de a korábbi tapasztalataimmal ellentétben jóval nagyobb fogásmélység mellett kell majd forgácsolni. A marás technológiai korlátai kevésbé kényesek és a szerszámozás lehetősége is kevésbé kötött. Természetesen a termelékenysége gyengébb, mint az esztergálásé. Az egyes technológiai korlátokat nem csak a megmunkálás erő- valamint teljesítmény szükséglethez köthető, hanem a legyártható szerszám kivitelezhetőségéhez. A forgácsoló lapkák dönthetősége nem jelent különösebb problémát, mivel az ilyen lapkák legyártása nem a forgácsolásban eltöltött pozíciójához tartozó szerszámtestben történik, hanem úgynevezett dönthetőségét tekintve γRadiális=0 º / γAxiális=0 º -os szerszámtestben, tehát torzított profillal készülnek a szerszámprofilok.
Az elsődleges hátszög köszörülési korlátja kb. 30 º, de
szikraforgácsolással és készülékezéssel nagyobb is lehet. A gyártástechnológiai korlátot a lapka bedöntési γAxiális homlokszöge is korlátozza, mivel a lapka hasznos profilszélessége a lapka bedöntésével csökken, ami a munkadarabon való profilkidolgozhatóságát korlátozza.
12
7. Keményesztergálás alkalmazásának lehetősége Az irodalmak eltérnek a keményforgácsolás technológiájának definiálásában, de közelítőleg
6. ábra Keményesztergálás [4] azt mondhatjuk, hogy a 55 – 64 HRC keménységgel rendelkező acélok esetében beszélhetünk kemény forgácsolásról [3]. A technológia velejárója, hogy a nagy keménység miatt nem alakul ki a nyírási sík és a forgácselemek egy repedés megindulásával „törnek” le a munkadarab felületéről, miközben jelentős erőhatások ébrednek a lágyított állapotú forgácsoláshoz képest. A keményforgácsolás korai szakaszában a köszörülést használták, mint befejező megmunkálás. A köszörülés alkalmazásának egyik környezetvédelmi hátránya, hogy a köszörülés során a munkadarab anyagából és a köszörűkorong komponenseiből egy úgynevezett „köszörűiszap” képződik. Ezért célirányosan fejlesztették ki a CBN/PCBN anyagminőséget, amelyet WIPER geometriával (7. ábra) alkalmazva keményesztergálásnál (6. ábra) a köszörült felületre jellemző hordozó felületi görbét produkál és hasonló nagyságrendű mikrotopográfiai jellemzőket.
7. ábra WIPER élgeometria [4]
13
A CBN-nek mint minden más technológiának is vannak korlátai, ilyen például a keménység korlát, azaz a CBN-t 48HRC alatt nem érdemes használni, legalább is nem gazdaságos. A CBN szerszámanyagot 60HRC-től érdemes használni, legalább is nagyobb darabszám esetén már a megtérülés esélye nagyobb [4]. A golyósanya gyártásához a CBN technológia több technológiai problémát is tartalmaz. A feladatomban szereplő golyós anya profilja túl széles, így a CBN betét forrasztásakor fellépő nagy hőmérséklet különbség miatt a keményfém ágy összeroppanthatja a CBN betétet, így maximum a CBN-es bevonati rétegek alkalmazása lenne célszerű, ha létezne. Léteznek azonban Bor tartalmú bevonatok, amelyek szintén nagy keménységről tesznek tanúbizonyságot pl. Ti2B2 vagy TiBN. További probléma, amely már magából a menetvágási technológiából adódik, hogy a CBN betéteket
nagy
forgácsoló sebességeken
lehet
használni, szemben
a
menetvágás
technológiájával. Így forgácsolás a menetvágó ciklusok a kis forgácsolósebességek és nagy előtolások miatt nem jöhetnek számításba [5]. Összességében az esztergálás lehetősége igen csak kérdéses és a legjobb eredmény maximum egy alap keményfémre, keményesztergálásra szánt bevonati réteges cserebetétes szerszám jelentheti, keményfém forrasztott szárral a nagy működő hossz és a szerszám kihajlás elkerülése miatt. A legjobb eredményt véleményem szerint marással lehetne elérni, mivel CBN-es kivitelű lapkák léteznek maráshoz is és a menet forgácsolásához kontúrmarási eljárást választva a forgácsolási sebesség tetszőlegesen állítható az előtoláshoz képest, így kivitelezhető a CBN technológia követelmények és a forgácsolás technológia összehangolása. Amennyiben gazdaságossági szempontból is megvizsgáljuk a lehetséges szerszám- és bevonat variációkat, akkor nem biztos, hogy a CBN kerülne ki győztesen. Híres bevonatoló cégek pl. OERLIKON BALZERS rendelkezik egy ALDURA fantázianévvel ellátott bevonat típussal (8. ábra), amelyet kifejezetten nagy keménységű anyagminőségek megmunkálásához javasolják [6]. Keményesztergálás területéhez sorolhatóak még a kerámia lapkás szerszámok. Két ismert kerámia alkalmazása terjedt el az ipari gyakorlatban.
14
A Szilícium-nitrid (Si3N4) az egyik ismert kerámia, amely igen előnyösen alkalmazhatók megszakított felületekhez, mivel törőszilárdsága még a CBN –ét is. A Szilícium-nitrid emellett nagy oxidációs ellenállással rendelkezik és nagyobb forgácsolósebességek esetén gazdaságos az alkalmazásuk. Tulajdonképpen vastartalmú fémek nagyolási stratégiákhoz
kifejezetten alkalmas. Alkalmazásuk nagy forgácsolósebességek esetén és közepes volumenű gyártásnál gazdaságosabb, mint a keményfém. A javasolt munkadarab keménység korlátjuk 50-55HRC közé esik- és költségűk, a keményfém lapkák és a CBN betétes lapkák között
9. ábra Korszerű élanyagminőségek forgácsoláshoz [7]
15
helyezkedik el [7], [8]. Folytonos/ Folyamatos felületek forgácsolásához (simítási technológiákhoz) használatos az Alumínium-oxid (Al2O3) kerámia, amelyet még nagyobb forgácsolósebesség tartományban érdemes használni, mint a Szilícium-nitridet (9. ábra). Hasonlóan a Szilícium-nitrid kerámiákhoz, az Alumínium-oxid szintén nagy oxidációs ellenálló képességgel rendelkezik. Mind két kerámiát csak szárazforgácsoláshoz ajánlják, mivel a hűtés hatására a szerszámanyag elpattan. A nagy oxidációs ellenállással a többi szerszámanyaghoz képest kifejezetten a magasabb hőmérsékleti tartományokban hasznosul [7], [8]. Természetesen a „hagyományos” keményfém lapkaminőségek is alkalmazhatóak kemény forgácsoláshoz, de alacsony forgácsolósebesség mellett és maximum 55 HRC keménységig [9]. Akkor érdemes alkalmazni, ha kis volumenű gyártásról beszélünk, mivel a kemény forgácsolásközben a keményfém élettartam jelentősen lecsökken. Több szerszámgyártó is javasol
keménymaráshoz
szerszámot,
amelyek
jellemzője,
hogy
nagy
negatív
homlokszögekkel rendelkeznek, mint radiális-, mint axiális értelemben. Továbbá ezen keményfém marók a kemény forgácsolásra optimált bevonati rétegekkel rendelkeznek (IC900-TiAlN /PVD/; IC903-TiAlN- ultra-finomszemcsés bevonati rétegek) [9].
8. Lágyított állapotú szerszámozás lehetőségei A forgácsolás technológiai ágazatok közül a marás és esztergálás kielégíti a lágyított állapotú szénacélok gyártási lehetőségeit a golyósanyák nagyoló forgácsolásának tekintetében. A marás, mint forgácsolás technológiai ágazat egy illetve több élű szerszámvariációkat kínál fel, tömör és cserebetétes változatban. A monolit szerszámok alkalmazásának a lehetőségét a golyósanya belsőátmérője határozza meg. Kis átmérő tartományban a kereskedelmi forgalomban kapható, rögzített lapkaméretek miatt a cserebetétes szerszámok nem, vagy csak korlátozottan alkalmazhatóak, viszont az anyaátmérő méretének növekedésével az ütőkés jellegű szerszám variációk száma növekszik vele együtt a lapkák alkalmazásának lehetősége
16
is.
10. ábra Multi Master marófejek [9] Kisebb menethosszok esetében a Mulit-master jellegű (10. ábra) monolit maró elemet tartalmazó, acélszáras szerszámok is teret hódíthatnak, hiszen a több élű szerszámok a kevésbé nagy pontossággal üzemelő golyósanyákat nagyobb termelékenységgel lehet előállítani. Az esztergálás lehetősége és alkalmazásának korlátai picikét szűkebbek a szóba jöhető szerszámok esetében.
11. ábra TRIGON lapkák [9]
Cserebetétes esetben, a jelenlegi projektnél három élű (TRIGON) lapkák a profilszélessége miatt nem jöhetnek számításban, amelyeket kis profilmélységű golyósanyák esetében alkalmazhatóak (11. ábra). Ennek következtében kevésbé gazdaságos megoldást jelent az egy élű konstrukciók alkalmazása (12. ábra).
17
12. ábra XNUW lapka [9] Monolit szerszámok alkalmazásának lehetőségét a kis és nagy átmérő tartományra is kiterjeszthetőek. A kis átmérő tartományban azonban nagyobb hatékonyság jellemzik, mivel a köszörülésük egyszerűbb és a nagyobb átmérőjű szerszámok forgácsolóképességének megújítása újraköszörüléssel korlátozott a cserebetétes szerszámokhoz képest.
13. ábra Cserebetétes esztergakés és a munkadarab relatív mozgásának elvi ábrája A lágyított állapotban történő forgácsolásra több alternatívát is kidolgoztam. Az első megoldást egy XNUW típusú lapka jelenti egy acél szerszámtesttel (13. ábra). A szerszám egy jelentős hibája, hogy nagy a szerszám kinyúlása, amely remegésre és törésre teszi hajlamossá, főleg a szerszám pozicionálásához szükséges feszültséggyűjtő lapolások miatt. Egy merevebb kialakítás is lehetséges forrasztott szerszámtest alkalmazása esetén, amikor is csak a lapkafészek környezete készül acél alapanyagból a fészek kimunkálhatósága miatt és a szerszám szára (csatlakozó része) keményfémből készülne.
18
14. ábra Forrasztott szárú esztergakés I. jelleg ábrája
15. ábra Forrasztott szárú esztergakés II. jelleg ábrája Ennek a konstrukciónk a további előnyét jelentheti a belső hűtés alkalmazásának lehetősége (14.- és 15. ábrák), mivel központi hűtőfúratós keményfém alapanyagok léteznek. Így már csak
az
acéltestben
kell
kialakítani
a
belső
hűtéshez
szükséges
hűtőfúratókat
szikraforgácsolással. A konstrukció egyik hátránya, hogy a hűtést nem lehet közvetlenül a profil legterheltebb éléhez vezetni, de legalább a hűtés valamilyen szinten biztosítva van. Az ilyen típusú hűtés másik hátránya, hogy a forgácsolási folyamat során képződő forgácsot a még meg nem forgácsolt részek irányába tolja. A forrasztott szerszámok már számtalanszor bizonyítottak ipari szinten, így az eljárás teljesen megbízható, de a korábban említett problémákat ez a szerszám sem orvosolja, legalább is CBN technológia mellett biztosan nem. Az előző konstrukcióval szemben ez a szerszám nagyobb előtolás tartományokban 19
alkalmazható. A forrasztott kötések rendszerint jól viselik a csavaró- és hajlító feszültséget, de ebben az esetben a hajlítás mértéke számottevő lehet. A konstrukción két lapolást helyeztem el. Az egyik a szerszám tájolására szolgál a szerszám megfogó résznél, a másik lapolás rendeltetése a lapka kellő kinyúlásának a biztosítása és az ütközés elkerülése. A hengeres szárat a szerszám befogó geometriája adja. További eshetőségek egy hasonló kialakítású egy lapkás
maró.
Az
előnyeihez
sorolható,
hogy
az
előtolás
függetleníthető
a
forgácsolósebességtől, szemben a menetesztergálással így a tengely irányú erők mérsékelhetőek. A technológiai paraméterek közül az előtolást muszáj csökkenteni, mert a szerszámot jellemzően nagy hátszöggel kéne készíteni, de az esztergáláshoz hasonlóan a lapka itt is megdönthető axiális irányba, szóval a szerszámék erősítésének lehetősége adott. Az eljárás bár nem termelékeny, de a működőképességének a lehetősége nagyobb, mint az esztergálásé. További előnyeihez kell sorolni, hogy maráshoz is létezik CBN lapka, de az átköszörülésének a lehetőségéről/ technológiájáról kevés a rendelkezésre álló információ.
15. ábra Cserebetétes maró mozgásának jellegábrája A monolit maró esete nem indokolt, sőt egyenesen veszélyes (16. ábra). A szerszám nagyon hosszú, nagyon vékony és a dolgozó rész profilja túl széles, így a keményfém igen csak nagy
20
hajlító-csavaró igénybevételnek lenne kitéve. A szerszám egyáltalán nem minősül termelékenynek, hiszen csak egy éllel rendelkezik. További esetek a több élű monolit- és Multi Master jellegű szerszámok lennének, de a több vágóél miatt a szerszámot meg kell dönteni a spirálemelkedés szögének megfelelően a legnagyobb profil átmérőn, ez azonban az ütközés veszélyét vonja maga után, hiszen szemmel láthatóan a menethossz túlságosan hosszú. További hátrányúk, hogy a több él nagyobb profilhibát vonz maga után, mivel nem lehet két egyforma élt köszörülni, így a szerszám a menetmarás során már eleve több profilhibát hozna létre, szemben az egy élű konstrukcióval. Hasonló problémák jelentkezhetnek profilköszörülés közben is, hiszen a korongot szintén be kell dönteni a marókhoz hasonlóan, hiszen a profilos korong a bedöntés nélküli helyzetben belemunkálna a még étre nem hozott menetekbe. Véleményem szerint az egyetlen hatásos megoldást a cserebetétes maró jelentené.
9. Speciális szerszámkonstrukciók integrálása a golyósanyák gyártástechnológiájába lágy- és keményforgácsolás esetében Alkalmazandó anyagminőség [13]: A speciális tervezése- és gyártásba helyezése sokban eltér a standard szerszámok fejlesztési irányzatától. A standard szerszámokat a kevésbé rugalmas alkalmazhatóság jellemzi a speciális megmunkálási helyzetekben és az alapanyag-élkiképzés-(bevonat) kombinációt úgy határozzák meg, hogy a lehető legtöbb általános helyzetben elfogadható módon teljesítsék az elvárásokat. A speciális szerszámokat mindig a célfeladatnak megfelelően fejlesztik, így igen nagyfokú tanulmányozást követel meg, amikor a forgácsolandó anyagminőség tulajdonságait figyelembe vesszük a célfeladatra készülő szerszám tervezése során. A kopásállóság elérésének az érdekében betétben edzhető minőségeket használnak a golyósanyák gyártásához, amely rendszerint 16MnCrS5 (BÖHLER 1.7131-1.7139). Szállítási állapota: lágyított (max.207HB) köracélrúd. 2. Táblázat: vegyi összetétele (%) a 16MnCrS5 anyagminőségnek C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
V
W
Co
Egyéb
0.17
0.3
1.2
0.9
-
-
-
-
-
/S=0.03
21
Lágyított állapotban történő forgácsolás esetében az ilyen típusú (P típusú) acéloknál a határozott élgeometriát nem jellemzi nagy negatív homlokszög és nincs szükség kis hátszögre az élstabilitáshoz. A gyártó cég által javasolt cementálási hőmérsékletet 900-950 ºC között szokták végrehajtani, amelynél az adott rétegvastagságot és keménységet az adott acélhoz tartozó Jomminy görbével határoznak meg (17. ábra).
17. ábra Jomminy görbe az adott acélminőséghez [13] A kéregedzési hőmérséklet tartomány javasolt értékét 780-820 ºC a cég holnapján fellelhető prospektus tartalmazza. Az edzéshez használt közeg általában olaj. Az edzést követő feszültségcsökkentő megeresztést 150-200 ºC hőmérséklettartományban legalább egy órán keresztül tartó hőkezelést igényel. A hőkezelési sorozat végére minimum 59HRC keménységű kérget kapunk. A modernkori tervezési eljárásokat felhasználva a technológiai tervezési folyamatba integráltam a DeForm 3D (version 5.0)-as futatási eredményeit a cementálás mértékéről.
22
18. ábra Karbon diffundálás [14]
19. ábra Keménységváltozás [14]
A 18. ábrán látható, hogy a legnagyobb keménységű kéreg a magfurat átmérőjén képződik. A 18. ábra a visszavezető hornyot elemzi, mivel ez rendelkezik olyan keresztmetszet változással (a mélyebb horony miatt), ahol a legnagyobb a cementálódás mértéke. Azonban ez a horony minket kevésbé érdekel, mivel csak a golyók visszavezetésére szolgál, tehát nem működő felület. Ami számunkra a fontos és a kevésbé veszélyesebb rész az a golyók futtatására szolgáló hornyok. Ahogyan a 19. ábrán is jól láthatók, ez a kialakuló kéregkeménysége kb. 60HRC, de nem vastag. Az általunk esztergálandó felületi kéreg keménysége közelebb fog állni az 55HRC-hez, mint a 60HRC-hez. A munkadarab anyagminőségének ilyen irányú ismeretei esetében már a negatív radiális- és axiális homlokszögek is előtérbe kerülnek, kis hátszögek kombinálásával az élstabilitás növeléséhez. Műveleti sorrendterv keményesztergálás nélküli esetben [15]: -
Darabolás
-
Külső hengeres felületek esztergálása
-
Anya fúrat fúrása
-
Törlő- valamint előfeszítőhelyek (az anya végében) esztergálása 23
Az anyamenetet speciális „félkör” profilú keményfém betétes esztergakéssel szokás nagyolni. -
Golyó visszavezető tag hely marása Maró tüske alkalmazása a megfogásra és osztófejjel való osztása. A szerszám gömbvégű maró.
-
Törlők- és előfeszítők rögzítésére szolgáló furatok fúrása
-
Perembe felfogó csavarok furatainak fúrása
-
Cementálás + edzés (betétedzéssel)
-
Furatköszörülés
-
Anya külső felületek köszörülése
Hőkezelést követően a menetet simítják egy kis átmérőjű köszörűkoronggal. Véleményem szerint a hőkezelésben való módosítással is elő lehet segíteni a nagy emelkedésű golyós-anya gyártását betétedzett állapotban. A hőkezelés során érdemesebb nagy kéregvastagság felé eltolni a hőkezelési technológiát. Ennek oka, hogy a leválasztásra kerülő kéreg lepattanásának az esélye is csökken esztergálás során, mivel kisebb keménységű kéreg kevésbé hajlamos a ridegségre. A szerszámra nézve is kedvezőbb a hatása, mert a leválasztás erőigénye is csökken. A technológia részéről is kedvezőbb, mert vastagabb kéregre egyszerűbb visszaállni a simításhoz. A hátránya, a vastagabb kéregnek, hogy a martenzit keménysége- és vele együtt a kopásállósága is növekszik, így csökken a golyós-anya élettartama is. Keményesztergálás lehetőségének integrálása a golyósanya gyártástechnológiájába Az előzőpontban tárgyalt műveleti sorrenddel ellentétben annyi a számottevő különbség, hogy a köszörülést esztergálás váltja ki. Innentől kezdve azonban nem csak a szerszám, de a technológia is bonyolódik. A kontúrra visszaállás igencsak nagyproblémát jelent esztergálás esetében az betétedzést követően. Szemben a köszörüléssel és marással, ahol a munkadarab áll és a szerszám végzi az összehangolt mozgást, amely jól programozható. Az esztergálás esetében így a célgép fejlesztésének irányába is el kell mozdulni. Az általam javasolt vezérlést, úgy kéne kivitelezni, hogy a munkadarabon egy bázisfelületet használna fel a gép vezérlője (akár optika elven működő-, akár tapintós működtetésű szenzorral), amely a menetvágási ciklus számára a ciklus kezdetét jelentené. A szerszám 24
részéről a korábban tárgyalt kemény fémszáras cserebetétes esztergakés jelentheti a megoldást, amelynél a lapka és a szerszámtest együttes szöghelyzetei negatív homlokszögeket (radiális-axiális) és enyhén pozitív hátszögeket igényelnek, az ajánlott bevonati réteggel és szándékoltan éllekerekített élkörnyezettel. Meg kell jegyezni, hogy a várható végeredmény nem közelítheti meg a köszörült minőséget. Az eltérés fő oka, hogy profilos szerszámra nem alakítható ki a WIPER élgeometria, így nem lehet megközelíteni a köszörült minőség által biztosítható munkadarab felületi mikrotopográfiát. Esetleg erősen vasaló hatást el lehet érni, extrém kis hátszög, rendkívüli nagy negatív homlokszögekkel és az ajánlottnál nagyobb éllekerekítéssel és vastagabb bevonati réteggel.
10. Modernkori szerszámtervezési módszerek Az ISCAR Hungary kérésére a nyilvános internetes felületre a diplomamunka ezen pontja nincs nyilvánosságra hozva.
10.1. Tervezést támogató eljárások Az ipari igények növekedése megköveteli a gyors és hatékony tervezést. A módszeres tervezési eljárásokon belül leghatékonyabb módszerek az intuíciós- és a koncepcionális tervezési eljárás. A multinacionális vállalatok anyavállalatai mindkét eljárást alkalmazzák az ipari gyakorlatban. A leányvállalatok meg főként a koncepcionális tervezési eljárást. Az intuíciós eljárásnál a tudomány van előtérbe helyezve, amelyek közül elsőként a végeselemes modellezés és optimálás lehet kiemelni. A forgácsolás végeselmes szoftverek az elmúlt 5-8 évben nagymértékben fejlődtek, de még sok fejlesztést igényelnek, mivel sokszor a gyakorlati forgácsolás során nem tudnak előre jelezni jelenségeket. Azonban ha a szerszámtervezőnek nem csak a képzelő erejére kell hagyatkoznia és a gyakorlati tudását felhasználnia, akkor a végeselemes szimuláció nagyban segíthet betekinteni neki a forgácsolás apró részleteibe. A végeselemes szoftvereket bár szoftverfejlesztők tervezik, de mégis forgácsoló szakemberek/ kutatok állnak a hátterében, akiknek a tudásuk és elméleti tapasztalataik megtámogatják a tervező rálátását a célfeladatra (49. ábra). A tervezési eljárás hátránya, hogy a számítási idő általában nagy, é a szoftver költséges ezért inkább fejlesztésre használják. Egyszeri szimulációval csak jellegi viselkedés vizsgálható, azonban szimuláció sorozattal optimálható a szerszám a gyárthatóság határain belül, úgy hogy az egyik szimuláció végeredményét felhasználják vagy egymást sorozatban követő optimálásra, vagy a „fagyökér” szerűen
25
elágaztatják több alternatíva vizsgálatára. A Miskolci Egyetem rendelkezik egy ilyen szoftverrel (DeForm 3D), ami bár forgácsolás területén kezdetleges, de a következtetésekben segített a tervezési folyamatban.
49. ábra Végeselemes terhelésvizsgálat A nehézséget az okozta a szoftver használata során, hogy a szerszámot nehezen lehetett pozícionálni a valódi helyzethez, így csak a forgácsolási környezet közvetlen környezete segített a tervezésben. Másrészt a valóságos forgácsolás során a legkedvezőtlenebb helyzet a profilmélység elérésénél fog keletkezni és az előtte lévő fogás radiálisan és axiálisan (a profil alakja miatt) is egyaránt megközelítőleg 0.05mm lesz a ráhagyás. Azonban ebben a programban nem lehet munkadarab modellt bevinni külső tervezőrendszerből. Az ipari gyakorlatban a másik tervezési eljárás, amelyet a leányvállalatok is alkalmaznak az a koncepcionális tervezési eljárás. A koncepcionális tervezési eljárás a tapasztalatra támaszkodik és a korábbi bevált/ működő szerszámok tesztjeiből nyert tudást használja fel egy új projekt megoldásának támpontjaként. A hátránya, hogy minél több szerszám tapasztalati tudás gyűlt össze, annál nehezebb tárolni és feldolgozni. Ezért célszerű a megrendelői vállalatok alapján csoportosítani a sikerként és kudarcként fejlesztett szerszámok történelmét, így ugyanazon megrendelőknek való tervezés esetén már nagyjából ismerhető az ottani gyártási környezet, illetve, hogy milyen irányba ésszerű fejleszteni. Új megrendelő esetén is működhet az eljárás, amennyiben már a szerszámgyártó rendelkezik sok éves 26
tapasztalattal és az új megrendelő gyártási környezete hasonlít egy másik megrendelő gyártási környezetére. Személy szerint az ISCAR Hungary Kft.-nél jó magam is fejlesztek ilyen jellegű adatbázisokat, emellett bevonat választási-, szerszámkoptatási (éllekerekedés képző) eljárásokhoz- valamint geometriai adatbázist. Személyes tapasztalatom, hogy ipari szintű tervezések esetén a koncepcionális tervezés a leghatékonyabb.
10.2. További szerszámvariációk A modernkori szerszámtervezési eljárások esetébe a multinacionális vállalatok és a kutató intézetek kellő anyagi hátér és szaktudás megléte mellett, rendelkezésükre állnak az úgynevezett forgácsolás végeselemes szoftverek. Az eljárást, főleg a nagy vállalatok a standard szerszámok kifejlesztésére használják, mint optimáló eljárást. Ezen felül még alkalmazható hibafeltárásra is, ha a szerszám működőképességével problémák adódnának az iparszerű tesztelések során. A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológia Tanszéke rendelkezik egy úgynevezett DeForm 3D nevezetű szoftverrel, amelynek a Machining modulja alkalmas a forgácsolási folyamat szimulációjára.
50.ábra feszültség analízis A mellékelt képen a modul által szolgált (látszólag gyalulás/vésés sémája) egyszerűsített esztergálási folyamat szimuláció egyik kimeneti eredménye látható. A bevitt paraméterek a fogásmélység (2.8mm), előtolás (25mm) valamint a forgácsolósebesség (vc=25m/min). A 27
kimeneti eredmények jól szemléltetik, hogy a forgácsoló él közvetlen környezetében ~2500N/mm2 –es effektív feszültség ébred (50. ábra), amely a lapka töröfeszültségétől ugyan elmarad, de azt megközelíti. Így a szerszám- valamint a folyamatbiztonság érdekében célszerű a fogást megosztani a lehető legtöbb fog között a gép kinematika korlátainak a figyelembevételével. A soron következő ábrák jól szemléltetik, majd a fogásmegosztási elveket és az általa kiszélesedő technológiai eljárások bővülését. A munkadarab szemrevételezése során nyilvánvalóvá vált, hogy a munkadarab rendelkezik a szerszámkifutást lehetővé tevő alaksajátossággal. Amennyiben a munkadarab felfogása lehetővé teszi, akkor a soros lapka elhelyezésű marószerszámok is számításba vehetőek. Ezen konstrukciók nagy előnye, hogy a ráhagyás alakzatot több lépésben képesek leválasztani egy műveletelemen belül, mivel a lapkák vagy a rész profilokat tartalmazzák, vagy előnagyoló profilokat alkalmazunk, de mindkét esetben a soron következő legutolsó lapka végzi majd a profil
végleges
kialakítását.
Az
esztergálással
szembeni
előnye,
hogy
nagyobb
termelékenység, nagyobb terhelhetőség, valamint nagyobb éltartam jellemzi a lapkákat. Az éltartambeli jelentős különbség az esztergáló- és marószerszámok profilozó lapkái között igen jelentős, hiszen az esztergáló szerszám konstrukciónál a profilt kiképző él fő dolgozó szakasza
extrém
terhelésnek
van
kitéve.
Véleményem
szerint
a
marószerszám
működőképességének valószínűsége még egy lapkás kivitel esetén is nagyobb, mint az esztergáló konstrukcióé, hiszen „menet”esztergálásnál a technológia kötött.
28
51. ábra Fogásmegosztási elv I. A marószerszám többlapkás kivitelének hátránya „soros kialakítás esetén”, hogy nagyobb szerszámhosszt igényel, amelynek minimálisan 2P emelkedésű szerszámhossz növekményben jelentkezik plusz két nagyoló lapka beépítése esetén, tehát a lapkák számának megfelelően mindig egy menetemelkedésnyit nő a szerszámhossz (51. ábra). A beépíthető lapkák számát jelen esetben a szerszámtest negatív homlokfelületének hossza korlátozza, hiszen a lapkákat be kell dönteni. A profilt lesimító lapkának (, amelyik a megfogóhoz a legközelebb helyezkedik el) lesz a legnagyobb felületet vasaló képessége, mivel a nagyon magasan helyezkedik el a szerszám- valamint a munkadarab szimmetriához képes, de ez egyúttal erősíti is a lapka teherviselő keresztmetszetét is, amellett, hogy nagyobb erőket generál. Ezzel együtt a szerszám rezgési hajlama (valószínűleg kevésbé, mint az esztergáló konstrukcióé) és a szerszám költség is növekszik. A soros elhelyezésű lapkák további előnye, hogy nincs szükség a szerszámtest bedöntésére, így nagy menethosszok is forgácsolhatóak általa. A soros elhelyezésű szerszámkonstrukcióhoz a már korábban említett profilmegosztási elveket lehet alkalmazni, a termelékenység-, pontosság- valamint a sikeresen működő szerszám létrehozásához: -
profiltól eltérő két nagyoló lapka alkalmazása plusz egy simító lapka
-
rész profil szakaszt tartalmazó előnagyoló lapkageometriák plusz egy simítólapka (52. ábra)
52. ábra Lapka konstrukciók fogásmegosztáshoz Ezt a technológiát úgy kell kialakítani, hogy az először fogásba lépő lapka rendelkezzen a legkisebb élhosszúsággal (kb. 60%), az azt követő nagyoló lapka kb. 70%-át, de az átfedést leszámítva nem ugyan azt a profil szakaszt bővítse, mit az első
29
nagyoló lapka. A készre munkálást pedig a simító lapka végezze. Fontos megjegyezni, hogy a nagyoló lapkákat, nem csak fogásszélességben (tengely irányban) lehet osztani, hanem beépítés figyelembevételével radiálisan is célszerű kisebb átmérőn elhelyezni. Ebben az esetben az elől haladó lapka radiálisan a legkisebb átmérőn fog elhelyezkedni, a második lapka középen- és a végsimítást végző lapka fog legjobban kiállni a szerszámtestből. A nagyoló- és simító lapkák bevonatát nem kell egyforma minőségűre választani, már csak azért sem, mert a kéreg kb. 90% -át a nagyoló lapkáknak kell forgácsolniuk. A nagyoló lapkák bevonati rétegének erősen javallott az ALUDUR bevonati réteg, míg a simító lapka bevonatát ALNOVA bevonatra is választható. Három simító lapka is alkalmazható, de csak alacsonypontosságú golyós-anya esetében, mivel a gyártási- és szerelési pontatlanságokból eredő profileltolódások jelentkeznek, amely végső soron a golyók pontszerű érintkezésének meghiúsulását jelenti. Természetesen a szerszám és vele együtt a lapka profilok összehangolhatósága növekszik, ha a felhasználásra kerülő szerszámtestben (szerelt állapotban) köszörülik ki a lapkák profiljait.
53. ábra Forgácsolt profilok lapkánként A 51. ábrán vázolt szerszámot esztergálási funkcióra is lehet használni nagy hatékonysággal, mivel a visszavezető horony alámetszést tartalmaz, így a marás nem lehetséges, mert a forgószerszám elsöpörné az alámetszést/ peremet, amely a golyók axiális támasztását biztosítja, ha a golyók a legmagasabb pozíciókban helyezkednek el a visszavezetési gördülés során. A másik nagy előnye, hogy radiális fogásmegosztás elvével a mélyebb (visszavezető horony) egyszerűen nagyolható. Ez úgy valósítható meg, hogy a legelöl haladó lapka dolgozik 30
a legkisebb radiális (és akár axiális) fogásvétellel. A 53. ábra a mozgási viszonyokat szemlélteti, miszerint a legelső lapka lép először fogásba, amely csökkenti a vágandó keresztmetszetet a mögötte haladó lapkák számára, míg a legutolsó lapka számára már csak a profilsimítás marad.
54. ábra Forgácsolt keresztmetszetek A 54. ábra a nagyoló konstrukció leválasztandó keresztmetszeteinek az arányát és geometriáját mutatja be. A tervezendő szerszám legelső (1. számú) előnagyoló lapkája 60º-os főélelhelyezési szöggel rendelkezik, amely a legkisebb forgácsvastagságot biztosítja a lapkák közül. Ez csekély tengely irányú erőkomponenst hoz létre, de nagy radiális erőkomponenst, ami remegésre hajlamossá teszi a szerszámot. A 2. számmal jelölt keresztmetszet a második előnagyoló lapka leválasztó forgácskeresztmetszetét jelöli. Kisebb radiális erő jellemzi, így fogásba lépése után pozícionálja az első lapkát, a nagyobb axiális erő miatt, meg tengely irányba is megfeszíti a lapkát. A simító lapka (3. számú) az alámetszésnek köszönhetően egyrészt stabilizálja a többi lapkát, másrész kialakítja a végleges profilt.
31
55. ábra Fogásmegosztási elv II. Az 54. ábrából származtatott megoldás további részleteit az 55. ábrán láthatóak. A szerszámtest tervezése során igyekeztem figyelembe venni, a Miskolci egyetem gyártási kapacitását is, ugyan is ennél a konstrukciónál egy a hornyolást és bedöntést követően a fészkek programozásánál a meghatározott profilpontoknak csak az offset-jét kell képezni a menetemelkedés és a fészek magasság eltérés függvényében (56. ábra). A lapkák tangenciális kifordulását biztosító negatív lapkafészek felfekvő felületek igényelnének csak tengelyes megmunkálást, de a negatív felfekvő felület dőlés szögének, megfelelő bedöntésével, egy ø2 milliméteres maróval elvégezhető a fészek maradékanyagának kimunkálása.
56.ábra A fészkek kimarásának elhelyezése A szerszámtest szemmel láthatóan egy nagyon merev konstrukció. A forgácstér nagyságának esetében sem láttam értelmét sokkal nagyobb méretűre tervezni, mivel a lapka negatív irányú
32
bedöntésével a forgács axiális irányba fog távozni és csökkennek a szerszám gyártási költségei és időigénye. Ugyan ezen elvek alkalmazhatóak „spirálhornyú”- cserebetétes szerszámok esetében is (57. ábra), amelyek nagyobb előnye, hogy pl. 3 lapka beépítése esetén megoldható, hogy csak egy „P”- menetemelkedéssel legyen hosszabb a szerszáma az esztergakés konstrukciójához képest.
57. ábra Lapkás maró A szerszámtest bedöntés elkerülésének az érdekében nincsenek egy síkban a lapkák, amely kedvező a profilpontosság szemszögéből is, mivel a legutolsó lapka fogja kialakítani a végleges profilt. A lapkák forgácsoló pontjaik egy a szerszám „forgácsoló átmérőjére” vetített görbe, amely az anya spiráljából származik. A termelékenység ennél a konstrukciónál nem növelhető, mivel a kapcsolószám kisebb, mint 1 (φ<1). Természetesen több lapkát is be lehet építeni (általa növelve a termelékenységet), de vele együtt a szerszámhossz és a szerszámköltség is növekedni fognak. A fogásmegosztási elveket akkor lehet alkalmazni ilyen spirális szerszámok esetében, ha a lapkák számának növelésével, periodikusán (menetemelkedésenként) egy síkba esnek a lapkák. 33
Szemben az előzőekkel a forrasztott lapkás kivitelű marókban, ebben az esetben nagyobb lehetőség rejtőzik a fogak számát illetően, mivel kisebb méretű betéteket lehet kapni a kereskedelmi forgalomban és a fészek igényűk is kisebb a szerszámtestben. Az esetleges problémát a lapka forrasztás általi leszorítási módjával lehetséges. Az ipari gyakorlatban fellelhető a fúrás is, mint menetforgácsoló eljárást, de eddigi tapasztalataim alapján körül-belül a technológia felső átmérő határa 30 milliméter körül van, emellett speciális szerszámot igényel meg és az esztergáláshoz hasonlóan a technológiája kötött. Az ipari gyakorlatban a metrikus- és trapézmenet gyártáshoz használják, de megvalósítható a gótikus profilú golyósanyák hornyainak ilyen jellegű forgácsolása is. A megoldás ezen variációja azért sem biztos, hogy működőképes lenne, mivel a ebben az esetben a mag fúrat mérete a technológiai korlát fölött helyezkedik el. Azonban a speciális szerszámok alkalmazhatóságának a lehetősége itt is fenn áll, a fogásmegosztási elvek alkalmazásával.
58. ábra Golyósanya menetfúró Az 58. ábrán szemléltetett szerszám sajátossága, hogy a profil teljes keresztmetszetét a 3x2 lapka esetében fel- osztódik, amelyek közül tengely irányban eső lapkák közül az először 34
fogásba lépő lapka forgácsolja a legkisebb profil keresztmetszetet és a legutoljára fogásba lépő lapka a profil simítását.
59. ábra Készülékezés a menetfúróhoz A szerszám nagy kinyúlása miatt szükséges a szerszám vezetése (59. ábra), mivel nem csak a rezgéscsökkentést támogatja, hanem a profil pontosságát is elősegíti. A készülékezése bonyolult és a pozicionálása is, így csak a tömegtermelés irányában célszerű az alkalmazása. A pozicionálási probléma, amely még a technológia hátránya, így a beállás és az automatizálhatósága is időigényes, amelyek szintén a tömegtermelés irányába tolják el a technológia alkalmazhatóságát. A szerszámköltség is a hátrányok közé sorolható ezen szerszám esetében, mivel hat darab eltérő profilú lapkát igényel.
10.3. Élkörnyezet módosító eljárások A szakdolgozatom egyik fő célkitűzése a keményesztergálás lehetőségének vizsgálata gótikus profilú golyós anyák esetében, így az éllekerekedési sugár módosításának számos lehetősége áll rendelkezésünkre az élstabilítás növelésére. A keményesztergálást megvalósító élszögrendszert a spirál emelkedési szögéből adódó (profil deformációt megszüntető) minimálisan alkalmazandó hátszög gyengíti. Így a keményesztergáláshoz használható élszögrendszert szinten a működő ékszög (axiális-β) segítségével lehet növelni, vele együtt az élstabilitást is. Ebben az esetben a minimális hátszöget a spirálemelkedési szög adja és a stabil ékszöget a negatív homlokszöggel biztosítható.
Már a kis szilárdsági/ keménységi
tartományokban is széles körben alkalmazhatók az éllekerekedést létrehozó „edge preparing” technológiák. Az egyik ilyen eljárás a koptatás, amelyet a keményfém keménységével 35
vetekedő kerámia granulátumban történő többtengelyű forgatással érnek el (60. ábra és 62. ábra). Az alkalmazandó granulátumok rendszerint Alumínium-oxid vagy Szilícium-karbid. A granulátumok közötti jellemző eltérés az elérhető éllekerekedés mértékét- és felületi érdesség csökkentő hatásaik a granulátumoknak (61. ábra).
60. ábra OTEC koptatási eljárás [10] A kereskedelmi forgalomban kapható nagyszemcsés Alumínium-oxid kerámia granulátumok jellemzően nagyobb éllekerekedést eredményeznek rövidebb koptatási idő mellett, mint a Szilícium-karbid granulátumok.
61. ábra Felületi érdességi jellemzők [11] Azonban a Szilícium-karbid granulátumok eltérő „sikló” áramlása és az apró „lencse” alak miatt kedvezőbben hat az érdesség csúcsok csökkenésére (61.ábra), szemben az inkább „gördülő” mozgást végző Alumínium-oxid granulátummal.
36
62. ábra OTEC koptatási eljárás II. [10] A koptató berendezések esetében a behatolási mélységet és a fordulatszámokat lehet beállítani, amely az adott granulátumban megadja a koptatónyomás mértékét. A másik lehetőség a homokfúvatás. A homokfúvatásnál szintén kerámia granulátum mixet alkalmaznak.
63. ábra Homokfúvatás [12] 37
Homokfúvató berendezések esetében (63. ábra) a szóró nyomást lehet befolyásolni az előtoló sebesség mellett az adott ciklusidőben. Mind két éllekerekítő technológia alkalmas az adott éllekerekedés előállítására, amely esetünkben 0.02mm nagyságrendű. Jelen esetben én a hagyományos koptatást részesíteném előnyben Szilícium-karbid granulátum alkalmazása mellett, mivel a felületi érdesség csökkentő hatása mellett segíteni fogja a bevonati réteg tapadását. A Szilícium-karbid kerámia a pozitív irányú csúcsok előcsökkentése után a bevonatolt felület pozitív irányú felületi érdességi csúcsai is csökkennek. A bevonatolást követően szintén javasolnék egy koptatást, mivel a PVD eljárás során a „droplet” képződést érdemes eltávolítani. Így a megközelítőleg 0.02mm-es éllekerekedést egy elő- és egy utókoptatási technológia a bevonati réteg vastagságának figyelembevételével történne. A javasolt bevonatokat függetlenül, hogy melyiket választjuk meg a cél feladathoz 2-5µm, amelyből a fölső határt érdemes megcélozni, mert az Szilicium-karbidos koptatás technológiai korlátja 0.015mm körül helyezkedik el, amelyhez 5µm-es bevonati réteg párosulna. Harmadik nagy csoportba tartoznak a bevonati rétegek alkalmazása, amelyek elősegíthetik az éltartosságot. Az alábbi táblázat a javasolt bevonati rétegeket tartalmazza a neves bevonatoló cégek esetében. 3.
Táblázat: Alkalmas bevonati rétegek a célfeladathoz Bevonatoló cég Bevonat megnevezése
Oerlikon Balzers ALDURA
Pannon Platit nACo
Eifeler EXXTRAL® EXXTRAL® PLUS
Eddigi tapasztalataim alapján az ALDURA rendkívül megbízható a választható bevonatok közül. Az előző pontokban felsorolt élszögrendszerek, konstrukciók, bevonatok és éllekrekedések kombinációjukból kitenyészthető egy működő képes konstrukció.
38
11.
Szerszámgyártás
A szerszám dokumentáció elkészülte- és az egyetemen ellenőrzött szerszám elrendezési terv elfogadása után a főnököm jóváhagyta a szerszám gyártását, így megkezdődött az alapanyag rendelés és a szükséges. Az ISCAR Hungary Kft. üzemének gépparkját ipari titkok miatt nem közlöm, csak is kizárólag a műveleti sorrendtervet a szerszámtest és lapkák esetében. Mivel a lapkának a gyártási nehézségei kérdésesebbek, mint a szerszámtest gyártása során előforduló nehézségeknél, a korábban említett probléma miatt (CAD modellezési eredményeknek a köszörűgép vezérlésével való összehangolása), így a szerszámtest gyártására került sor először.
11.1.
A szerszámtest műveleti sorrendje
- nyers alapanyag kívánt hosszra való darabolása (a szerszám alapanyagminősége és a beszállító kiléte az ipari titok kategóriába tartozik, így ezt nem közlöm) - nyersdarab nagyoló esztergálása + köszörülési bázisfelületek kialakítása a két csúcs közötti köszörüléshez és a bábbal megtámasztott marási műveletekhez - simítóesztergálás - két csúcs közötti palástköszörülés - báb és patron közötti lapolások marása - forgácshorony marása - fúrás a kis átmérőjű maró részére az alámetszett felületekhez - lapkafészek nagyoló marása (alámetszések nélküli) - lapkafészek alámetszéseinek marása - fúrás - menetalap - menetfúrás - homokfúvatás A minőség ellenőrzési laborban ellenőrzik a szerszámtest megfelelősségét a rajzi előírásoknak. 39
64. ábra A szerszámtest
11.2.
A lapkák műveleti sorrendje
- forgácshorony köszörülése - kontúrt követő elsődleges hátfelületek köszörülése A minőség ellenőrzési laborban a szerszámtestbe szerelve ellenőrzik, hogy a lapka megfelelőségét a rajzi dokumentációknak. - kontúr (elsődleges hátfelület szélességének megfelelő) offset-jének köszörülése, amelyekkel kialakul a másodlagos hátfelületek - koptatás - bevonatolás A minőség ellenőrzési laborban a szerszámtestbe szerelve elvégzik a végellenőrzést.
65. árba A profilos lapka Megjegyzés: a szakdolgozatomhoz elkészült szerszámnak a tervezését-, a gyártás operatív irányítását koordináltam. Az 5 tengelyes marógépen a szerszámtest fúrási-marási műveleteit, szerszámtest homokfúvatását-, továbbá és lapkák koptatását és operatív gyártásirányítását én magam végeztem el.
40
12.
Tesztforgácsolás
A próbaforgácsolást a Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszékének gépműhelyében végeztük el Kiss Dániel (okleveles gépészmérnök) és Dr. Takács György támogatásával. A vizsgálati körülmények: Megmunkálógép: CIX alpha 500 GILDMEISTER (vezérlés: SINUMERIK 840D) Hűtő-Kenő folyadék alkalmazásával. Fordulatszám: n(fix)=180 1/min (Forgácsolósebesség: vc≈30 m/min) Előtolás: f=25 mm A forgácsolási folyamat során nem volt ütközés, sem szerszámtörés, a forgácsolás bizonyos szakaszaiban nagy rezgés volt érzékelhető, amely az alábbi képen is látható.
66. ábra a legmélyebb fogásmélység után (teljes profilmélység) A forgácsolásban résztvevő elemek öngerjesztési jelensége látható a véglaptól mért távolság függvényében (66. ábra), amelyeknek a fogásvétel függvényében is érdemes tovább vizsgálni. De előtte még érdemes a xy. ábrát megmagyarázni. A forgácsolás kezdeti szakaszában, amikor még a lapka nem dolgozik a profil teljes keresztmetszetében a rezgések elmaradnak/ nem számottevőek. A profilszakasz teljes működésével (a munkadarab megfogó felé haladva) a rezgések erősödnek és az öngerjesztés jelensége onnan érzékelhető, hogy a menethossz mentén fokozatosan mélyülnek a rovátkák a munkadarab felületében és a forgácson. A kép baloldali részén a menet kezdete és a vége is megfigyelhető összehaonlításnk. A fogásbalépéskor sima egyenletes felület-, a kilépéskor redőzött és sorjás felület tapasztalható. Az elnyúlt sorjatípus a szerszám kilépése után a munkadarab anyagminőségének a lágyságát igazolja, így azt mindenképpen egy jobban forgácsolható minőségre kell lecserélni. Az öngerjesztés ilyen jellegű megnyilvánulása a szerszámszán hibát is jelenthet. 41
13.
Szerszám- és technológia diagnosztika
67. ábra A szerszám-, szerszámmegfogó- és a munkadarab elrendezése A témavezetői ismertetésből a jutott tudomásomra az a tény, hogy megközelítőleg egy év a szerszámgép egy ütközést szenvedett el forgácsolás közben, amely során alkatrész cserére volt szükség. Feltehetően az ütközés következtében a nem cserélt elemek is deformálódtak, ami az alkatrészek közötti hézagok növekedését vagy szorulását eredményezheti. Ez a tény azért fontos, mert a technológia optimálásához szükséges a munkadarab-készülékekszerszám-gép (továbbiakban MKSG) rendszer előéletének pontos ismerete. Vagyis miután egy igen csak kiélezett technológiai kísérlet megvalósítását igyekszünk kivitelezni és ipari gyakorlatba ültetni, így a további kísérleteket a feltárt hibák kiszűrése után célszerű folytatni a sikeres tesztek eléréséhez. A gép másik teszteléshez szükséges kritériuma hiányzik, azaz a gép merevsége. Az 67. ábrán vázolt módon nagy erőkarokkal rendelkezett a szerszám, annak ellenére, hogy a tervezett kinyúlásnál kisebb értéken volt kilógatva a szerszámmegfogóból a szerszám (130mm). Ez szintén egy rezgés keltő tényező. A revolver fej kinyúlásáról nem is beszélve. A forgácsolási folyamatot három szakaszra osztottam fel a rezgés észlelés függvényében:
42
68. ábra Forgácsváltozás alakulása a profilmélység függvényében 68. ábra / I. rezgés nélküli szakasz: a fogásmélység ezen tartományában (a < 1.3mm), spirális forgács képződött, amely ennél a forgácsoló sebességnél, ilyen anyagminőség esetében nagy húzófeszültséget hagyott hátra a forgács belső felületén. A forgácsolósebesség növelésével javítható, mivel a forgácsolósebesség növelése a képlékeny alakváltozási tulajdonságoktól a rideg törés tulajdonságú anyagviselkedés fele tolja el a munkadarab forgácsképződési mechanizmusát. Továbbá a lapkán kialakított forgácstörő a menethossz mentén csak 1 maximum 2 alkalommal aktiválódott, amelyre a forgácshossz és a kiterített menethosszból lehet következtetni. Ha ugyanezen anyagminőséget forgácsolására kerül sor a továbbiakban, akkor élesebb élgeometria és kisebb éllekerekedési sugarat kell kialakítani a lapkán. Az első szakasz a technológia és a szerszám ezen változtatási lehetőségét tárta fel. 68. ábra/ II. szakaszrezgések észlelése szakasz (1.4mm < a < 2.2mm): a forgácsképződés nem spirális, hanem hossztengelymentén csavarodott el. Arra lehet következtetni, hogy a forgács széle nagyobb képlékenyalakításnak volt kitéve a kisebb forgácsolósebesség miatt, mivel a profilmélység növelésével, növekszik a működő élhossz, amelyek eltérő átmérőn forgácsolnak és amelyek közül a legkedvezőbb szakasz a profil legmélyebb pontján található. Ilyen profilmélység mellett a munkadarab anyagminőségének változtatása kedvezőbb minőségre-, a forgácsolósebesség növelése- valamint erősebb gép alkalmazása javíthatja a forgácsolás minőségét. 68. ábra / III. súlyos rezgések szakasz (a > 2.3mm): ebben a tartományban a forgácsképződés során fellépő rezgések már a megmunkálógép mellett is érzékelhető volt a talajon keresztül. 43
Ebben az esetben nem elegendő a megmunkálógéppel szembeni követelmény a szimpla merevség, hanem a gép telepítésénél is gondoskodni kell a rezgéscsillapító talajról. Szerszámrészről elengedhetetlen a szerszámszár keményfém szárral való kiegészítése, miszerint a szerszám forrasztott kivitelben készülne el. Acél lapkafészek, amelyhez hozzá kell forrasztani a keményfém szerszámszárat. A forgács jellege ebben a szakaszban már kitöredezett, de nem a forgácstörő horony aktiválódása miatt, hanem a nagy profilmélység melletti forgácsolásnál, a profil magasabb- és legmélyebb pontja közötti a forgácsolósebeség eltérése okozta húzófeszültség miatt, amelyet az MKSG rendszer instabilitásai segítettek elő ütésszerű igénybevételekkel (nyomófeszültségekkel), rezgéstani szempontból. A forgács nem csavarodott
meg
hiszen,
a
II.
szakaszban
észlelhető
csavaró
feszültségek
erős
nyomófeszültségek hatására nyírása alakultak a forgács keresztirányú szélességének határán, tehát a II. szakaszban deformációt okozó feszültségek folytonossága megszakadt, így elmaradt a forgács elcsavaródása. Tehát egyenes forgács képződött redőzésekkel „hernyó alakú”. Összességében: Nagyobb forgácsolósebesség igény merült fel a technológiai paraméterek részéről. A nagyobb gép merevség mellett szükséges gép telepítésénél a kedvezőbb rezgéseket elnyelő talaji rétegek kialakítása. Lapkarészről még nem lehet nyilatkozni, azonban meg kell jegyezni, hogy az extrém rezgések ellenére a forgácsoló él környezete nem sérült (még a bevonati réteg sem). A szerszámtest részéről, keményfém-acél száras „hibrid” kivitelre lesz szükség. A munkadarab megfogásnál a szorítónyomást célszerű növelni. Az alábbi képen a lágy- és keményesztergálásra alkalmas szerszámtest látható (70. ábra).
69. ábra Hibrid szerszámtest 44
Megközelítőleg 200 mm hosszúságú keményfém szár, és 45 mm hosszú nemesített álapotban lévő acél fészekrész, amelyeket forrasztással kerülnek összeállításra. A forrasztással nem lesz különösebb probléma a forgácsolási folyamat során, hiszen a nagy előtolás miatt főleg tengelyirányú erőkomponensek fognak ébredni.
45
14.
Összefoglalás
A szakdolgozat kezdeti szakaszaiban a kutatást végeztem a golyósanyák kialakítás változataikkal - és az ipari szinten megvalósítható gyártástechnológiájukkal kapcsolatban. Megvizsgáltam a geometriai követelményeket funkcionális szempontból a profil kialakítást illetően és felállítottam azokat a követelményrendszereket, amelyeknek meg kell fellelniük az adott gyártási eljárás változathoz tartozó szerszámkonstrukcióknak. A standard golyósanyaorsó gyártási palettáját felkutattam és összevetettem a célfeladatban készülő egyedi tervezésű golyósanya gyártási nehézségeivel a korábbi ipari tapasztalatom alapján. A lágy állapotú forgácsolás esetében bemutattam a lehetséges szerszámvariációkat eljárástól függően és azok erősségeiket valamint gyengeségeiket. A keményforgácsolás elméleti hátterét felkutattam és a lehetséges élkörnyezet típust feltártam, amely elméleti szinten alkalmas lehet a probléma megoldásban. A hagyományos golyósanya-orsó gyártástechnológiai eljárásokat ismerve megvizsgáltam a speciális szerszámok integrálhatóságának lehetőségét lágy- valamint keményforgácsolás esetében a golyósanya gyártási folyamatába. A napjainkban folytatott iCAD rendszerekkel történő szerszámtervezési eljárásokat ismertettem a célfeladat esetében illetve annak hatékonyságát és nehézségeit a tervezési folyamatban. A modernkori tervezési eljárásokat támogató fejlett tervezői szoftvereket alaposan tanulmányoztam és az ipari szoftverekkel párhuzamosan felhasználtam a sikeres szerszámkonstrukció kifejlesztésében. A forgácsoló eljárásváltozatok függvényében az esetlegesen alkalmazható szerszámvariációkat megterveztem és felhasználói szinten feltártam az előnyöket és hátrányokat az egyes változatok esetében. A sikeres technológiai kivitelezéshez szerszámtervezési oldalról bemutattam azokat az élkörnyezet módosító eljárásokat, amelyek képesek biztosítani a kedvezőbb forgácsolási folyamatokat a magasabb éltartam biztosításával. A felhasználásban javasolt bevonati rétegek gondos felkutatása során szűkítettem a lehetőségeket a sikeres konstrukció kivitelezéséhez, felhasználva az iparban szerzett tapasztalatokat és az adatbázisok útmutatását. A szerszámtest- és a lapka gyártástechnológiájának rövid bemutatását követően elemeztem a tesztforgácsolás tapasztalati eredményeit. Javaslatokat tettem a technológiavalamint a gépkörnyezet területén szükséges változtatásokra. Megindokoltam a forgácsolás során fellépett jelenségeket és az eredmények függvényében nagyvonalakban bemutattam, a szerszám
továbbfejlesztési
irányzatot,
amely
a
szerszámozási
részről
megközelíti
kifejleszthető legalkalmasabb szerszámkonstrukciót.
46
15.
Irodalomjegyzék
[1] - SERVOMECH-ball-screws-and-nuts-catalogue.pdf [2] - www.szimikron.com/hu_index.html [3] - http://industriadohmen.hu/szakcikkek_reszletei.php?cmnewscmd=view&cmnewsid=IDMN400e43feb7a0f41 a3c4bfb0ac76bdab8 [4]-www.sandvik.coromat.com/engb/technical_guide/general_turning/getting_started/turning_different_materials/hard_part_tur ning/pages/default.aspx [5] - ITA (ISCAR TOOL ADVISOR) [6] - OERLIKON BALZERS-NCT 110829 (előadásanyag) [7] - www.forgacslakutatas.hu [8] - http://www.cimindustry.com/article/tooling/-hard-turning[9] - www.iscar.com [10] - http://www.youtube.com/watch?v=Y1RDh6aIK6s [11] - http://www.gepesztuning.hu/images/kepekfile/Feluleti_erdesseg.pdf [12] - http://www.youtube.com/watch?v=B8mx56qNV54 [13] - http://www.boehler.hu/hungarian/files/1.7131-1.7139.pdf [14] - Technológiai folyamatok tervezése, előadás anyag [15] - segéd dokumentáció a SZIMIKRON KFT.-tŐL [16] http://www.thomsonlinear.com/website/com/eng/download/document/Precision_Ball_Screws _ctuk.pdf [17] - http://www.drakeballnut.com/manufacturing.htm [18] - http://www.drakemfg.com/newsirbn.htm
47
16.
Köszönetnyilvánítás
A dolgozat végével szeretném megköszönni a szakdolgozat konzulensemnek, valamint a Miskolci Egyetem többi oktatójának, akiknek segítségével sikeresen el tudtam látni a feladataimat maradéktalanul. Továbbá szeretném megköszönni az ipari vállaltoknak, név szerint az ISCAR Hungary Kft.-nek, akik támogattak a szerszámtervezéshez szükséges szoftverhasználattal és a szerszámlegyártással való támogatással.
48
