Edzett furatok érdességének összehasonlító vizsgálata

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT Edzett furatok érdességének összehasonlító vizsgálata Hlavács Krisztián II. éves MSc. gépészmérnök hallgató Konzulens: Dr. Kundrák János egyetemi tanár Gépgyártástechnológiai Tanszéke Miskolc, 2011

2 1. Bevezetés A megmunkált felületek érdességi jellemzői A mértani, a valóságos és az észlelt felület Megmunkálásból adódó makrogeometriai hibák Megmunkálásból adódó mikrogeometriai hibák Érdességi jellemzők Csúcs paraméterek Átlag paraméterek Hordozóhossz görbe Keménymegmunkáló eljárások Keményesztergálás Köszörülés A keményesztergálás előnyei a köszörüléssel szemben A kombinált eljárás A kombinált eljárás előnyei Vizsgálati feltételek A munkadarab anyaga Szerszámgép Szerszám Forgácsolási adatok Mérőműszer Mérési eredmények és kiértékelésük Összegzés

3 1. Bevezetés A TDK dolgozatomban a keménymegmunkálással végzett forgácsolási eljárásokkal foglalkoztam, valamint vizsgáltam az említett eljárással megmunkált felületek érdességi jellemzőit. Az irodalmi áttekintés során kidolgozom a megmunkált felületek érdességi jellemzőit külön kitérek a mikrogeometriai jellemzőkre, melyeket az egyenetlenségek magasságával, formájával (ún. hibrid) és az egyenetlenségek profilirányú méreteivel kapcsolatos jellemzők szerint csoportosítom. A továbbiakban a ZF Hungária Kft.-nél megismert két keménymegmunkálási eljárásra, a keményesztergálásra (Pittler szerszámgép) és az úgynevezett kombinált eljárásra (EMAG szerszámgép) dolgozom ki a TDK dolgozatomat. A kombinált eljárás magába foglalja a nagyoló keményesztergálást és a simító köszörülést. A vizsgált esetben csak a fogaskerék furatát munkálják meg az említett eljárással. A dolgozatom során kitérek a különböző keménymegmunkálási eljárások technológiai adatainak megadására is. Azon forgácsolási adatokkal gyártott fogaskerekek belső hengeres felületeit vizsgáltam, amely adatokkal gazdaságosan munkálható meg a fogaskerék. Ezek az adatok, a megmunkálás során kialakult felületek minőségét befolyásolják. A TDK dolgozatom befejeztével a kísérleti eredményeket foglalom össze és mutatom be. A mérések elvégzéséhez a ZF Hungária Kft. nyújtott lehetőséget, ahol a feladatomban szereplő fogaskerék gyártása zajlik. TDK tervemet a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt Befejező precíziós megmunkálások kutatása elnevezésű részprojekt támogatta. 2

4 2. A megmunkált felületek érdességi jellemzői A forgácsolt felület minőségét a felületi érdességgel (geometriai minőség) és a felületi réteg állapotával (anyagszerkezettani minőség) szokás jellemezni. A felületi érdességet a mikroegyenetlenségek magassága és alakja határozza meg. A felületi réteg anyagának állapota pedig a mikrostruktúrával, a felületi felkeményedéssel és a maradó feszültségek nagyságával jellemezhető. A felületiminőség a precíziós megmunkálásnál kiemelt jelentőségű, mert az ilyen felületekkel rendelkező alkatrészeket nagy értékű gyártmányokba építik be. Ezen gyártmányok előállítása költséges, sokszor különleges követelményeket kell teljesíteniük működésük során és az előállításuk is speciális feltételeket igényelt. Ezen alkatrészcsoportba tartoznak a keménymegmunkálással előállított felületek is. Mivel a keménymegmunkált felületek érdességi jellemzőit vizsgáltam, ezért szakirodalom alapján összefoglalom mind a felületi érdesség, mind a keménymegmunkálások legfontosabb jellemzőit. A forgácsoló megmunkálásoknál létrehozott felület érdességét nagyszámú tényező befolyásolja: a képződő forgács típusa, a szerszám élgeometriája, a munkadarab anyaga, az alkalmazott forgácsolási paraméterek, hűtő-kenő anyagok alkalmazása stb. A szakirodalomban gyakran külön elemzik az elméleti és valóságos érdességet. A felületi érdesség elméleti mérőszámainak vizsgálatára egyszerűsített modellt alkalmazunk, melynek segítségével meghatározható a felületi érdesség tényleges értéke. Az elméleti érdesség meghatározásánál a következő feltételezéseket (elhanyagolásokat) alkalmazzák: - a munkadarab anyaga a megmunkált felületen nem deformálható, - a forgácsoló rendszer abszolút merev, - a forgácsolószerszám éle egy meghatározott geometriai vonal. A tényleges érdesség azokból az egyenetlenségekből áll, melyek a megmunkált felületen a szerszám csúcsának áthaladása után visszamaradnak. Ezeket az egyenetlenségeket analitikusan elemezni szinte lehetetlen, ezért azokat mérésekkel határozzák meg. Az elméleti és a tényleges profil viszonyait illusztrálja az 1. ábra.[1] 3

5 elméleti profil f f tényleges profil 1. ábra Érdesség viszonyok A mérőműszerek és a számítástechnika fejlődésével ma már sokkal pontosabban leírhatók a felületek érdességi jellemzői a megmunkálások után. Az eddigi 2D-s mérőszámok azok, amelyekkel széles körben elterjedtek és a mai napig alkalmazottak az ipari üzemekben. Ezzel együtt meg kell jegyezni, hogy a 3D-s érdességmérő műszerekkel mért érdességi jellemzők egyre gyakrabban szerepelnek a szakirodalomban és a legfejlettebb üzemekben is alkalmazzák. A TDK tervemben azokat az érdességi jellemzőket vizsgáltam, amelyekkel a vizsgált alkatrészt ellenőrizni szokták A mértani, a valóságos és az észlelt felület A szilárd testek felületének makro és mikrogeometriai jellemzőit, a felület minőségére vonatkozó alapfogalmakat, jelöléseket és vizsgálati módszereket magyar és nemzetközi szabványok rögzítik. Mértani vagy névleges felület a rajzdokumentációkban előírt, illetve a gyártási eljárással meghatározott szabályos, hibamentes felület, melynek nincsenek egyenetlenségei - alakhibája, hullámossága és érdessége. [10] Megmunkálásból adódó makrogeometriai hibák A makrohibák azok az egyenetlenségek, makrogeometriai eltérések, amelyeknél a hibák a test névleges felületétől való eltérést jelentik, nagyságuk nagyobb területre terjednek ki. Ezek a munkadarab valóságos felülete és névleges felülete közötti eltérések. Az alakhibák az egy felületre vonatkozó hibák, pl. az egyenetlenség-, síklapúság-, köralak-, hengeresség-eltérés, ovalitás, kúposság, hordósság, fogaskerekeknél az evolvens hiba. Mérésük és számszerű értékelésük hossz-és szögméréssel, valamint különféle idomszeres méretellenőrzésekkel, különleges mérőgépekkel végezhető el. Helyzethibák: két felület közötti helyzet eltérése az ideálishoz képest, pl. a párhuzamosságeltérés, merőlegesség-eltérés, hajlásszög-eltérés, egytengelyűség-eltérés, szimmetria-eltérés, pozíció-eltérés, tengelymetsződés-eltérés, radiális ütés, homlokütés, osztáshiba stb. 4

6 Hullámosság: a valóságos felületnek viszonylag nagy térközű, kis amplitúdójú ismétlődő felületi egyenetlensége. Hullámhossz-tartománya az alakhibákéhoz viszonyítva kicsi (kb. 0, 5 1 mm). A hullámosságot az érdesség értékelésekor már nem, az alakhiba értékelésekor még nem veszik figyelembe. A hullámosságra jellemző a periodikus ismétlődés. A hullámosság oka gyakran a szerszámgép, a szerszám és a munkadarab rendszerének kisfrekvenciájú lengése. A hullámosság értékelésére alkalmasak a mikrogeometriai vizsgálatok, illetve a sávszűrős érdességmérő műszerek Megmunkálásból adódó mikrogeometriai hibák A felület kis részén található egyenetlenségek a mikrohibák, a mikrogeometriai eltérések. Ezek: -A megmunkálási nyomok, szabályosan ismétlődő érdességcsúcsok és völgyek (érdesség), -Karcok, pikkelyek, dudorok az érdesség barázdák oldalfelületén található apró eltérések (érdesség), -A szövetszekezet felületen megjelenő mintázata pl. a krisztallitok miatt (mikroérdesség). [10] -A kristályszerkezet felületen megjelenő mintázata, a felületen megjelenő atomrácsok, molekula szerkezetek egyenetlensége miatt (szubmikro-érdesség). Felületi érdességként a megmunkálási nyomok, szabályosan ismétlődő érdesség csúcsok és völgyek, karcok, pikkelyek, dudorok az érdesség barázdák oldalfelületén található apró eltérések megjelenését tartjuk számon amelyet a 2. ábra szemléltet. 2. ábra Az észlelt és a valóságos profil értelmezése 5

7 Hullámosságnak nevezzük a valóságos felületnek viszonylag nagy térközű, kis amplitúdójú ismétlődő felületi egyenetlenségét melyet a 3. ábra mutat. [2] 3. ábra A hullámosság értelmezése 2.2. Érdességi jellemzők A legyártott alkatrészek felületeit gondosan nagyítva, például mikroszkóp alatt megvizsgálva megállapíthatjuk, hogy a felület még a leggondosabb megmunkálással sem lesz tökéletesen sima és egyenes, a rajzon szereplő mértani felület csak megközelíthető, ám tökéletesen soha nem valósítható meg. Ennek oka a megmunkáló gépek, illetve szerszámok pontatlansága, a szerszámok megmunkálás közbeni kopása, a gép, a szerszám és a munkadarab rezgése, lengése stb. A megmunkálás közbeni technológiai paraméterek is jelentősen befolyásolják az elérhető felületi érdességet, pl. az előtolás nagysága, a szerszám típusa stb., valamint a szakértelem, szakmai hozzáállás is. Csatlakozó alkatrészeken az illesztés típusa meghatározza a szükséges felületminőséget, illetve az adott illesztés is csak megfelelő, a tűrésnagysághoz illeszkedő felületi érdesség előírásával érhető el, ezért az alkatrészek felületi érdességét mindig egyértelműen meg kell adni. A felületi érdesség nagymértékben befolyásolja az alkatrészek élettartamát is. Az alkatrész felületének érdességét úgy mérhetjük mechanikai eszköz segítségével, hogy a felületérdesség-mérő műszer nagyon kis lekerekítési sugarú (1-2 μm) tapintó érzékelőjét a felületen végigvezetjük. Az észlelt, illetve rögzített felületprofil a tapintócsúcs lekerekítése miatt azonban nem a valóságos profil lesz, hanem annak egy torzított mása, de ezt fogadjuk el a valódi profilnak. A gyakorlatban a felületi érdesség mérőszámaként célszerű olyan jellemzőt választani, amely viszonylag egyszerűen és megbízhatóan mérhető, ugyanakkor a mért, illetve számított jellemzővel a különböző felületek érdessége összehasonlítható. A gyakorlatban két 6

8 mérőszám terjedt el, az egyik az átlagos érdesség, a másik pedig az egyenetlenség-magasság, ezeket a továbbiakban kifejtem.[10] A működő felületek mikrogeometriai jellemzése a gyakorlati méréstechnikában döntően két dimenzióban valósul meg. A síkbeli (2D-s) mikrogeometriai paraméterekhez kapcsolódó fogalom meghatározásokat és a jellemzőket nemzetközi szinten is szabványosították (ISO 4287:1997, ASME B46.1). A gépalkatrészekre vonatkozó rajzi előírások szabályait az ISO 1302:2002 szabvány tartalmazza. [11] E szabványok alapján a jellemzők három fő csoportba sorolhatók: - az egyenetlenségek magasságával kapcsolatos jellemzők (R a, R t, R z, R q, R sk, R ku, R p, R v, R c ), - az egyenetlenségek profilirányú méreteivel kapcsolatos jellemzők (R Sm ), - az egyenetlenségek formájával kapcsolatos (ún. hibrid) jellemzők (R _q ). A paramétereket, melyek a következőkben ismertetésre kerülnek a szabvány és a szakirodalom következőképpen különbözteti meg: R - érdesség, W - hullámosság, P - a nem szűrt profil. Ezek betűjele mellé írjuk a paramétert jelző kis betűt, például: a, t, p stb. A 4. ábra azt a koordináta rendszert ábrázolja, amelyben a felületi egyenetlenségek paramétereit definiáljuk. [3] 4. ábra A felületi egyenetlenségekre alkalmazott koordinátarendszer 7

9 A vizsgált felület érdességének 2D-s kiértékeléséhez profilmetszetet alkalmaznak, továbbá definiálják a következő fogalmakat: alapvonal, alaphossz, mérési hossz, középvonal, tetővonal, illetve fenékvonal. Az alapvonal az észlelt profil síkjában lévő, az értékelés céljára kiválasztott vonal, melytől a profil egyes pontjainak a távolságát mérjük. Az alapvonal tulajdonképpen síkgörbe, kis szakasza egyenesnek vehető, a vizsgálat céljából kiegyenesítjük (szűrjük). Az alaphossz (vonatkoztatási hossznak) az érdesség kiértékelésére kijelölt hossz. Rögzítésével a hullámosság és az érdesség különválasztható, az érdesség az egyéb szabálytalanságok mellőzésével értékelhető. A mérési hossz az érdességi kiértékelési hossz meghatározásához, méréstechnikailag szükséges felületszakasz minimális hossza, mely egy vagy több alaphosszat tartalmazhat. Értékét a rajzon előírt paraméter értékének megfelelően kell megválasztani, ezt a szabvány leírja. A középvonal az a vonal, mely a valóságos profilt az alaphosszon belül úgy osztja ketté, hogy a profileltérések négyzetösszege a minimumot adja, vagyis a felette lévő kiemelkedések és az alatta lévő völgyek területe megegyezik. Tetővonal illetve fenékvonal az észlelt profil az alaphosszon belüli legmagasabb illetve legmélyebb pontján megy át és párhuzamos a középvonallal. A felületi mikrogeometria magassági jellemzői Csúcs paraméterek A profil középvonaltól mért maximális csúcsmagassága: R p (alaphosszon értelmezve). A valóságos profil legmagasabb pontja és a középvonal közötti távolság az alaphosszon belül (5. ábra). [11] 8

10 5. ábra A felület csúcs méretei [14] A profil középvonaltól mért maximális völgymélysége: R v (alaphosszon értelmezve). A valóságos profil legmélyebb pontja és a középvonal közötti távolság az alaphosszon belül (6. ábra). 6.ábra A felület völgy méretei [14] Az egyenetlenség-magasság (R z ) (7.ábra) meghatározásánál az alaphosszon belül egy tetszőleges alapvonaltól megmért öt legmagasabb pont távolságának összegéből ki kell vonni az öt legmélyebb pont távolságának összegét, majd a kapott értéket el kell osztani öttel. A 9

11 DIN szabvány az R z értékét úgy határozza meg, hogy a vizsgált profilt öt egyenlő részre osztva a szakaszokon vesszük a maximális eltéréseket, majd azokat átlagoljuk. [11] 7.ábra Az egyenetlenség-magasság értelmezése [15] A profilelemek közepes magassága: R c (alaphosszon értelmezve). A valóságos profil legmagasabb és legmélyebb pontja közötti távolságok közepes magassága az alaphosszon belül (8. ábra). [11] 8.ábra A profil közepes magasságának értelmezése [14] 10

12 Maximális egyenetlenség: R t (kiértékelési hosszon értelmezve). A valóságos profil legmagasabb és legmélyebb pontja közötti távolság a kiértékelési hosszon belül. 9.ábra A profil maximális magassága [14] Átlag paraméterek A profil közepes eltérése: R a Az átlagos érdesség a tényleges profil és a középvonal közti Zi távolságok abszolút értékeinek számtani átlaga. Az átlagos érdesség (R a ) meghatározásánál egy meghatározott alaphosszon egyenlő távolságokban meghatározzák a kiemelkedések és bemélyedések alapvonaltól mért távolságát, majd előjel nélkül a kapott értékeket átlagolják. Általános esetben vagy az R a vagy az R z értéket adják meg a rajzokon. [11] 11

13 Simasági mérőszám: R q, melyet a profileltérések négyzetes középértéke szerint számolunk. Ferdeségi mérőszám: R sk A ferdeségi mérőszám (R sk ) a megmunkált felületet csúcsokra és völgyekre tagolja, és az eltérések eloszlását méri (a profil vizsgálati szakaszán). Az R sk paraméter relatív összehasonlítást ad a megmunkált felületről: ha a mért profil csúcsai nagyobbak, mint a völgyek mélységei, akkor a felület pozitív ferdeségű. Ha azonban a völgyek mélyebbek a csúcsok nagyságnál, akkor a ferdeség negatív. Ez a típusú felületértékelési paraméter nagyon fontos műszaki és a gyakorlati jelentést hordoz a valós működő felületekről. [12] Lapultsági mérőszám: R ku A mérőszám a magasságeloszlás-görbéjének csúcsosságát, hegyességét, tehát szórását jellemzi. Utal a felület egyenletességére. Nagy értéke azt jelenti, hogy a felület nagy része egyenletes. 12

14 A felületi mikrogeometria profil irányú paraméterei Az egyenetlenségek közepes hullámhossza: R Sm ahol az xsi a profil és a középvonal olyan két metszéspontjának a távolsága, melyek között a profilnak csak egy kiemelkedése és egy bemélyedése található (10. ábra). 10.ábra Az egyenetlenségek profilirányú méretei [14] A felületi mikrogeometria formai paraméterei A profil hajlásának négyzetes középértéke: R q belül. A profil hajlásának (dőlésének) négyzetes középértékét adja meg a mintavételi felületen 13

15 Hordozóhossz görbe Fontos alakjellemző a hordozóhossz, amely a profilon belül valamilyen c magasságban a középvonallal egyenközű (akkor mondhatnánk párhuzamost, ha az alapvonal egyenes lenne) vonalszakasznak a munkadarab anyagán belül megtett szakaszainak összege. 11.ábra A hordozóhossz és a hordozóhossz görbe [14] Viszonylagos hordozóhossz: R mr(c) Ahol η p - hordozóhossz, a profil egy c magasságában meghúzott vonal által a profil kiemelkedésekből kimetszett anyagszakaszok összege, l n - a mérési hossz.[11] 3. Keménymegmunkáló eljárások A keménymegmunkáló eljárások alatt azokat az eljárásokat értjük, amelyekkel 45 HRC, vagy annál nagyobb keménységű felületeket munkálnak meg. Hosszú időn keresztül az abrazív (köszörülési) eljárások voltak a meghatározóak. A forgácsoló szerszámanyagok fejlesztésének eredményeként és/vagy a szuper kemény szerszámok kifejlesztésével létrejöttek a feltételei a keményfelületek határozott élű szerszámmal való forgácsolásra is. 14

16 3.1. Keményesztergálás A keményesztergálás (12. ábra) olyan új anyagleválasztó eljárás, amely edzett felületek készre munkálására alkalmazható, precíziós pontossági- és felületminőségi követelmények mellett. A keményesztergálás szerszámanyagai a szuperkemény szerszámok (a polikristályos köbös bórnitrid PCBN, és a gyémánt mesterséges vagy természetes). Ezekkel a szerszámokkal a nagykeménységű és/vagy nehezen megmunkálható anyagokat munkáljuk meg, például a szerszámgyártásban befejező megmunkálásként a keményfémeket, gyors- és szerszámacélokat valamint kerámiákat. 12. ábra Keményesztergálás munkatere Az ipari gyakorlatban az edzett felületek befejező megmunkálási eljárásaként még jelenleg is széles körben alkalmazott a köszörülés, mely elméletileg jól kidolgozott, technikájában jól megvalósított eljárás. A keményesztergálás képességei és lehetőségei azonosak lévén a köszörüléssel, gyakran felvetődik a kérdés, hogy melyiket alkalmazzuk a kettő közül. Az eddigi ipari és kutatási tapasztalatok számos előnyt írhatnak a keményesztergálás javára.[2] 3.2. Köszörülés Edzett furatok napjainkban is legelterjedtebb befejező megmunkálása a köszörülés (13. ábra). Ez a határozatlan forgácsoló élekkel végzett megmunkálás a legrégebbi eljárás, amit az emberiség alkalmazott. A szerszám mikroszerkezete rendkívül összetett, az éleknek sem a számuk sem a geometriájuk, sem a munkadarabhoz viszonyított helyzetük nem 15

17 meghatározott. Egy időben nagyszámú abrazív szemcse érintkezik a munkadarabbal, a teljes anyagleválasztás nagyon sok egyedi forgácsképzési mechanizmus összegeként adódik. Itt túlnyomóan finom megmunkálási eljárásról van szó, amelynél a forgácsképződés mikrométer nagyságrendű. Elsősorban befejező megmunkálás, de a korszerű nagyteljesítményű szerszámok és gépek alkalmasak előkészítő és nagyoló műveletekhez is [3]. 13. ábra Furatköszörülési eljárás A köszörülés magas gyártási minőséget, és nagy eljárásbiztonságot jelent. Jóllehet lassabb művelet és műveleti önköltsége magasabb. Szükség van hűtő-kenő folyadékra, amely növeli a műveleti önköltséget, és szennyezi a környezetet. Kevésbé rugalmas, mint a keményesztergálás, mert az egyes felületekhez más-más korong kell. Növeli a műveleti időt a korongszabályozások szükségessége is. Megbízhatósága és csekély szórású minőségtartó képessége miatt azonban ismételten előtérbe került alkalmazása. [4] 3.3. A keményesztergálás előnyei a köszörüléssel szemben - csökkennek a műveleti idők - korongszabályozás miatti időveszteségek nincsenek - nincs hűtő kenő folyadék illetve az ezzel járó költségek megszűnek (pl. köszörülési iszap, mint veszélyes hulladék) - környezetbarát technológia - hatékonyabb technológia a köszörülésnél, ezért gazdaságosabb, olcsóbbá teszi az edzett acélok megmunkálását - a keményesztergált felületek gyakorlatilag azonos pontossággal rendelkeznek, mint a köszörültek. 16

18 - a felületek méret - és alakpontosságát (hengeresség, körkörösség, és az alkotók párhuzamossága) tekintve ISO IT5 6-os minőségűek - az egyre szigorodó környezetvédelmi előírásokat is teljesíti - a keményesztergálás forgácsolási hulladéka újrahasznosítható - csökkennek a termelési költségek 3.4. A kombinált eljárás A kombinált eljárás előnye, hogy egyesíti a keményesztergálás és a köszörülés előnyeit. A keményesztergálás során mindössze forgács keletkezik, minthogy nem alkalmaznak hűtőkenő folyadékot, így szárazmegmunkálásnak minősül. Az elkopott szerszámot vagy félreteszik vagy újrahasználják élezés után, de nem keveredik össze más anyagokkal. Köszörüléskor abrazív és kötőanyag részecskék válnak le a megmunkálás és a szabályozás műveletei során. Ezek a kis részecskék keverednek a hűtő-kenő folyadékkal, a forgáccsal, az egyéb szűrt részecskékkel és ún. köszörülési iszap keletkezik. Ezt az iszapot szétválasztani lehetetlen. Ezért ez a maradék különböző az egészségre és a környezetre ártalmas anyagokat tartalmaz. Ugyanakkor olyan alkatrészeknél, melyek felülete kiemelkedő pontosságot igényel, nagy biztonsággal alkalmazható a köszörülés. Az EMAG gépen megvalósuló kombinált eljárás során kiküszöbölhető a felfogási hiba, csökkennek a mellékidők, amelyet a 14.ábrán láthatunk. [13] 14.ábra EMAG VSC 400 DS munkatere 17

19 3.5. A kombinált eljárás előnyei - Függőleges tengelyű keményesztergálás és köszörülés vizes és száraz egy felfogásban, egy gépen. - A munkadarab részei az esztergálás során megbízhatóan lesznek megmunkálva és amennyiben a minőség, illetve előírás megköveteli, úgy a keményesztergálás után köszörülést is alkalmazhatunk, mint befejező eljárást. Az ennél a gépnél alkalmazott HDS - technológia költségoptimalizált gyártási módszer. - Magasabb munkadarab minőség és magasabb termékminőség, mert a munkadarab egy felfogásban készül el. A köszörülési ráhagyás megközelítőleg 0,02mm-től az átmérő függvényében változik. - Időtakarékos simítóeljárások, mivel a köszörűkorong kis anyagleválasztás során sokkal kevésbé kopik. - A HDS - technológia a hagyományos köszörüléssel szemben kevés anyag leválasztását is lehetővé teszi, hogy száraz vagy csak minimális mennyiségű kenőolajjal is lehessen köszörülni. A köszörűiszap költséges eltávolítása megszűnik. - Az eljárás megbízhatóságát növelhetjük és egyidejűleg jobb felületminőséget érhetünk el köszörüléssel, mint csak keményesztergálással. - Az egyszerű keményesztergálással szemben, csavarmentes felületeket munkálhatunk meg köszörüléssel, egy gépen belül. - A sima felületek hátoldalai keményesztergálással könnyen megmunkálhatók. - Komplex kontúrvonalakat, amelyek lekövetése köszörűkoronggal bonyolult vagy lehetetlen, azokat gyorsan és egyszerűen lehet esztergálással megmunkálni. - Kis elmozdulások = minimális mellékidők = alacsony darabköltség - Jól megközelíthető munkatér, gyorsabb beállítás. - Nagyobb pontosság és felületminőség az eljárás magas megbízhatósága mellett. - Szimmetrikus felépítés - Merevebb és stabilabb alaptest MINERALIT polimerbetonból. - Szabadabb forgácsesés - Egyszerű kapcsolódás más VSC-s munkadarab-tároló rendszerekkel. [13] 18

20 4. Vizsgálati feltételek A ZF Hungária Kft. ben gyártott fogaskerekek forgácsolt furatainak felületi érdességét vizsgáltam. A vizsgálatok mindegyike ipari körülmények között lett végrehajtva. A fogaskerék üzemben előírt megmunkálási adataival elemeztem a két eljárást felület érdesség szempontból A munkadarab anyaga A munkadarab (15. ábra) anyaga DIN 20MnCr5, 62 HRC-re betétedzett acél. A fogaskerék befoglaló méretei a következők: az átmérője 181 mm és a szélessége 62 mm, a furat átmérője 52 mm és a hossza 52,5mm. Az érdességmérést a keményen megmunkált felületen végeztem el, azaz a fogaskerék furatán. [2] 15. ábra Fogaskerék 4.2. Szerszámgép A furat keménymegmunkálása általában az EMAG VSC 400DS típusú gépen történik, melyen kombinált eljárással munkálja készre a furatot, de szokták a PVSL Pittler keményeszterga gépen is. 19

21 EMAG VSC 400DS A VSC DS/DDS kombinált eszterga- és köszörűközpont egyesíti a függőleges keményesztergálás előnyeit a köszörülés előnyeivel egy gépben, egy felfogásban. Egy szimbiózis, ami magában foglalja az alábbiakat. - Komplett megmunkálást egy felfogásban (Magasabb munkadarab-minőség és nagyobb termelékenység) - A megmunkálások szerszámainak éltartama nagyobb (Szerszámköltségek minimalizálása) - Kis mennyiségű köszörűiszap (A keletkező hulladék kezelési költségeinek minimalizálása - Jelentős csökkentése a köszörülési ráhagyásnak Az EMAG VSC 400 DS (16. ábra) gépállványa rendkívül stabil, optimális rezgéscsillapítási tulajdonságokkal valamint termikus stabilitással rendelkezik. Munkatere függőleges falakkal határolt, mely a forgácskiszóródástól jól véd. Keresztszánja görgős csapágyazású valamint lineáris mozgású, játékmentes. A gépállványon található az X-tengely irányú mozgás megvezetése, ez az esztergálás maximális pontosságáról gondoskodik. A gép szánhajtásai a munkatér tetején kaptak helyet. A munkatér gondos tervezése biztosítja a megfelelő forgácskihordást, valamint a munkadarabbefogó elemekhez és a szerszámhoz való 16.ábra EMAG VSC 400 DS szerszám gép 20

22 jó hozzáférhetőséget. A gép védve van a munkatér burkolása révén, a tolóajtó biztonsági ablakkal és elektromechanikus biztonsági zárral van ellátva. A gép munkaterét egy lámpa világítja meg egy fénycsővel. Automatikus központi olajkenés van a szánokhoz, kis mennyiségű olajköd-kenés a forgó orsó csapágyai számára. Hűtő aggregát van beépítve a főorsó motorjának hűtésére. [13] PVSL Pittler A Pittler keményeszterga egy függőleges orsóval rendelkező önadagolós 8 tárolóhelyes revolverfejjel ellátott szerszámgép, ahol a kiszolgálás magazinos rendszerű, ami azt jelenti, hogy a munkadarab cseréje nem a munkatérben történik, hanem egy külön szállítószalagon. A PVSL gépet a 17. ábra szemlélteti. 17.ábra PVSL Pittler szerszám gép A függőleges tengelyirányban történő forgácsolás a forgácselvezetés szempontjából kedvező, mivel a keletkező forgács nem karcolja össze a felületet. A gép felépítése a CNC esztergákhoz hasonló, bár annak merevsége sokkal nagyobb. - A maximális munkadarab átmérő 380 mm, - a rendelkezésre álló teljesítmény 75 kw. - A gép vezérlése Siemens rendszerű, SINUMERIK 840C szoftver alapján. A gépen lévő adagolóra általában 15 munkadarabot helyeznek, de mód van akár 30 munkadarab elhelyezésére is. [2] 21

23 4.3. Szerszám Az előzőekben említett két gép megmunkáló szerszámait a következőkben részletezem. Az ISO szabványnak megfelelő váltólapkákat használtam melyek a következők. A kombinált eljárás szerszámai (18. ábra) - Nagyoló keményesztergálásnál a lapka típusa: Sumitomo CNGA NCW-4 BNC80 [5] - Simító furatköszörülésnél a korong típusa: Tyrolit 97A 602 I5 V112 [6] 18. ábra a, Tyrolit 97A 602 I5 V112 b, Sumitomo CNGA NCW-4 BNC80 A keményesztergálás szerszámai (19.ábra) - Nagyoló lapka: Sumitomo CNGA NCW-4 BNC80 [5] - Simító lapka: Mitsubishi CNGA GSW2 MBC010 [7] 19. ábra a, Mitsubishi CNGA GSW2 MBC010 b, Sumitomo CNGA NCW-4 BNC80 22

24 4.4. Forgácsolási adatok A forgácsolási adatokat külön kombinált és külön keményesztergálási eljárásra adtam meg, a kombinált eljárásnál a nagyolás esztergán történik egy fogásban, a simítás pedig köszörüléssel kettő fogásban, ezzel ellentétben a keményesztergálásnál csak esztergálást használunk. [2] Kombinált eljárás: - Nagyolás: (1. fogás) forgácsolósebesség: v c =180 m/min, fordulatszám: n=1102 1/min előtolás: f=0,2 mm/ford fogásmélység: a p =0,078 mm - Simítás: (2. fogás) forgácsolósebesség: v c =45 mm/min munkadarab sebessége: v w =180,5 m/min munkadarab fordulatszáma: n w =1102 1/min 1. fogás előtolás: f=0,25 mm/min fogásmélység: a p =0,01 mm 2. fogás előtolás: f=0,18 mm/min fogásmélység: a p =0,008 mm Keményesztergálás: - Nagyolás: forgácsolósebesség: fordulatszám: előtolás: - Simítás: forgácsolósebesség: fordulatszám: előtolás: v c =170 m/min, n=1041 1/min f=0,24 mm/ford v c =180 m/min, n=1102 1/min f=0,08 mm/ford 23

25 4.5. Mérőműszer Az érdességmérését a Mitutoyo SurfTest SJ-301 mobil érdesség mérő berendezésen végezetem, amelyet az 20. ábrán láthatjuk. A mérést minden 5. legyártott darab után végeztem, így mindkét eljárás esetén is darab, mérési eredményt kaptam. A mérési hossz 2,4 mm volt, az alaphossz 0,8mm. A mérési hossz megfelel a rajzi érdesség előírásra vonatkozó, szabványban meghatározott hossznak. 20. ábra Mitutoyo SurfTest SJ-301 [8] 5. Mérési eredmények és kiértékelésük Az érdességmérést az előbbiekben kifejtett két gépen történő megmunkálás után hajtottam végre. A felület érdességét meghatározott darabszám után mértem (minden ötödik), az 1. számú mellékleten belül közlöm külön a keményesztergálás és külön a kombinált eljárás eredményeit és a szűrt profilokat (Gauss-szűrést alkalmaztam). A keményesztergálás és a kombinált eljárás után a felületi érdességi paraméterek változását vizsgáltam. A darabszám függvényében a mérési eredmények mellékletként egy táblázatban vannak megadva. 24

26 A táblázat alapján készített diagramokon is jól tükröződik, hogy bármelyik érdességet veszem figyelembe, a keményesztergálásnál romlik a felületi érdesség, míg kombinált eljárásnál egy bizonyos intervallumon belül ingadozik. Az érdességek változásait mindkét eljárásnál a (21, 22, 23, 24). ábra mutatja. A diagramokon megfigyelhető keményesztergálás esetében, hogy vannak kiugró értékek. Ezen kiugró értékek oka lehet az élrátét képződés és leválás. Az átlagos érdesség diagramnál bejelöltem egy élrátét keletkezési és leválási lehetséges helyét. A maximális egyenetlenség című diagramon látható a kombinált eljárásnál alkalmazott korongszabályozás. 21. ábra Átlagos érdesség, (R a ) 22. ábra Átlagos érdesség, (R q ) 25

27 23. ábra Egyenetlenség-magasság, (R z ) 24. ábra Maximális egyenetlenség, (R t ) A táblázatnál feltüntetett mérési profilokon látható, hogy a kombinált profil egyenetlen, míg az esztergált profil szabályos, periodikus jellegű változást mutatnak. Az is látható a profildiagramokon, hogy a keményesztergálás jellegzetessége minden mérésnél látszik, melyből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a forgácsolószerszám kopásától nem függ a profil periodikussága. A szabályos profil nagyon sok helyen kedvező különösen azt ismerve, hogy a megmunkált felületi réteg igen kedvező tulajdonságokkal rendelkezik, nyomó maradó feszültség jön létre, amely a kopásállóságot és az alkatrész élettartamát növeli. De ebből a szabályosságból adódik a legnagyobb hátránya is, ugyanis a barázdált felület mikromenetként viselkedhet, így az érintkező felületek berágódhatnak és működés közben 26

28 egyéb problémákat is okozhatnak. A kombinált eljárás során ezt az egyenletes profilt teszik egyenetlenné köszörüléssel. A felületi érdesség szempontjából mind a két eljárás megfelel, mivel a műszaki rajzon előírt érdesség (R z =4µm) mindkét eljárással elérhető. A kombinált eljárásnál az egyenetlenség-magasság érdességi mérőszáma az első mérésnél 2,22µm lett, az utolsó mérésnél pedig 1,91µm lett, ez jól tükrözi azt, hogy egy bizonyos intervallum között ingadozik az érdesség, ami annak az eredménye, hogy minden harmadik darab után korongszabályozást hajtanak végre, ezért a köszörűkorong forgácsolóképessége gyakorlatilag minden megmunkálásnál ugyanaz és nem függ a szemcse kopásától. Ennek azonban van következménye is, mégpedig az, hogy a köszörűkorong szabályozási ideje nem egy sorozatot, hanem gyakorlatilag minden munkadarabot terhel. A profil aszimmetriája a kombinált eljárásnál negatív, ami jobb folyadék megtartó képességet mutat, amit a 25. ábra szemléltet. [9] 25. ábra Ferdeségi mérőszám, (R sk ) A keményesztergálásnál az egyenetlenség-magasság az első mérésnél 1,73µm, a utolsó mérésnél pedig 3,77µm lett. Az első mérési eredmény azt mutatja, hogy a keményesztergálással jobb felületet lehet kialakítani, mint a kombinált eljárással, de ez csak az első 20 darabig van így utána romlik a keményeszterga által kialakított felület érdessége, ami azzal magyarázható, hogy a határozott élű szerszámmal megmunkált daraboknál a szerszám kopásával egyenes arányban romlik a felület érdessége, mert a kopott dolgozó él belemásolódik a munkadarab felületébe. A keményesztergálásnál az R a értékei nem haladták 27

29 meg a 0,7 µm-t az R q értékei pedig a 0,85 µm-t, ezzel szemben a kombinált eljárásnál is vizsgálva ezt a két mérőszámot megfigyelhető, hogy az R a nem lépte túl a 0,3 µm-t és az R q pedig a 0,35 µm-t. A továbbiakban az R z R a arányát vizsgáltam meg, amit a 1. táblázat szemléltet. A szerszám kopásával az R z R a arány 2 egységgel változott, ez az arány közel azonos a hagyományos esztergán tapasztalt aránnyal, míg a kombinált eljárás esetében csak 0,6-del változott. Kombinált eljárás 1.táblázat R z R a viszonyai Keményesztergálás A következőkben a hordfelületi görbék elemzésére térek ki. A hordozóhossz görbék alakját tekintve a kombinált eljárásnál normál gauss eloszlású, míg a keményesztergálásnál mechanikailag nehezen kezelhető (26. ábra). 26. ábra Hordozóhossz görbék a, Kombinált eljárás hordozóhossz görbéje b, Keményesztergálás hordozóhossz görbéje 28

30 A keményesztergálásnál az úgynevezett Plowed ridge profil jellegzetessége miatt jól látszik a görbéken a könyök rész ami egyfajta szabálytalan hullám, esetleg törés, amit a 27. ábrán szemléltetek. A keményesztergálás 85. darabját vettem példaként, amin bemutatom ezt a jellegzetességet a felvett érdességi profilon és a hordozóhossz görbén. 27. ábra A Plowed ridge jelenség szemléltetése Végül a lapultsági mérőszámmal (R ku ) foglalkoztam, amelynél azt vizsgáltam, hogy a hordozóhossz görbék, hogyan változnak keményesztárgálásnál a szerszám kopásának függvényében. A keményesztergálásnál a szerszámok kopásával arányosan úgymond csúcsosodik a görbe, ezt szemlélteti a 28. ábra. 28. ábra A lapultsági mérőszám változásai keményesztergálásnál Végeredményben leszűrhető, hogy mindkét eljárásnak megvannak a sajátosságai amellett, hogy mindkét eljárással megmunkálható a kívánt érdesség. 29

31 Irodalomjegyzék: [1] Dr.Dudás I: Gépgyártástechnológia I. Műszaki Könyvkiadó, 2007 oldalszám: 219. [2] ZF Hungária Kft. dokumentációi [3] Wilfred König: Köszörülés, dörzsköszörülés, tükrösítés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, [4] Prof. Dr. Kundrák János: Expansion of the capabilities of hard machining [5] Sumitomo katalógus (A keményesztergálási és kombinált eljárás nagyoló esztergáláshoz. 2011) [6] Tyrolit katalógus (Kombinált eljárás simító megmunkálásához. 2011) [7] Mitsubishi katalógus (Keményesztergálás simító megmunkálásához. 2011) [8] Mitutoyo Surftest SJ-301 katalógus [9] Humienny Z., Bialas S., Osanna P. H., Tamre M., Weckenmann A., Blunt L., Jakubiec W.: Geometrical product specifications. Warsaw University of Technology Printing House, 2001, Warsaw, Poland. url hivatkozások: [10] (letöltés ideje: szeptember 26.) [11] (letöltés ideje: szeptember 26.) [12] (Sipos-Biró-Tomoga) (letöltés ideje: október 28.) [13] (letöltés ideje: július 11.) Szabvány hivatkozások: [14] ISO 4287:1997 [15] JIS 82, JIS 94 30

32 Összegzés A TDK tervem témája a ZF Hungária Kft.-nél megmunkált fogaskerék keményen megmunkált felületének a vizsgálata volt két különböző eljárás esetében. A szakirodalmi áttekintés részében először a felület érdesség mérőszámait, azon belül a csúcs- és átlag paramétereket, illetve további lényeges paramétereket és összefüggéseket részleteztem. A következőkben a keménymegmunkálási eljárástípusokat ismertetem. A keménymegmunkálási eljárásoknál kitértem a hagyományos köszörülési eljárásra, a keményesztergálási eljárásra, valamint ennek a kettőnek a kombinációjára az úgynevezett kombinált eljárásra. A dolgozatomat a vizsgálati feltételek meghatározásával folytattam, kitértem a keményen megmunkált felület befoglaló méreteire, a munkadarab anyagára, a megmunkálási művelet elvégzésére használt szerszámgépekre és az azon befogott szerszámokra, valamint a forgácsolási adatokra. A továbbiakban az érdesség mérésére szolgáló mérőműszert mutattam be. A TDK dolgozatom befejező részében a mérési eredményeket adtam meg és értékeltem ki. A kiértékelésénél arra a következtetésre jutottam, hogy mind a kombinált mind a keményesztergálási eljárással megmunkálható az előírt érdesség, de mégis a vizsgált fogaskerék gyártásánál a két eljárás közül a kombinált eljárás a preferált, mert a felület érdesség szempontjából ez az eljárás mutat egyenletesebb minőséget. Köszönetnyilvánítás: Először köszönettel tartozom a ZF Hungária Kft. munkatársainak, hogy lehetőséget adtak a nyári szakmai gyakorlat sikeres teljesítéséért. Külön köszönöm a segítséget Keresztes Tibornak. A legnagyobb köszönettel Dr. Kundrák János egyetemi tanárnak tartozom, aki a tanácsaival nagyban elősegítette a TDK terv kiírás feltételeinek teljesítését. 31

33 MELLÉKLET 1. számú melléklet Mérési eredmények és mérési profilok 32

34 Érdességi jellemzők R a 0,26µm R p 0,76µm Kombinált eljárás Mérési profil Hordozóhossz görbe 1 R z 2,22µm R v 1,46µm R q 0,33µm R sk -0,82 R t 2,63µm R ku 4,97 R a 0,23µm R p 0,82µm 5 R z 1,92µm R v 1,09µm R q 0,30µm R sk -0,38 R t 2,39µm R ku 3,51 R a 0,21µm R p 0,78µm 10 R z 1,69µm R v 0,91µm R q 0,26µm R sk -0,24 R t 1,98µm R ku 3,15 R a 0,20µm R p 0,69µm 15 R z 1,87µm R v 1,18µm R q 0,26µm R sk -0,76 R t 2,04µm R ku 4,18 R a 0,20µm R p 0,85µm 20 R z 1,99µm R v 1,15µm R q 0,26µm R sk -0,84 R t 2,34µm R ku 4,70 R a 0,24µm R p 0,75µm 25 R z 1,77µm R v 1,02µm R q 0,31µm R sk -0,63 30 R t 2,00µm R ku 3,47 R a 0,19µm R p 0,68µm R z 1,65µm R v 0,97µm R q 0,24µm R sk -0,58 R t 1,98µm R ku 3,85 33

35 Érdességi jellemzők R a 0,21µm R p 0,77µm Kombinált eljárás Mérési profil Hordozóhossz görbe 35 R z 1,85µm R v 1,08µm R q 0,28µm R sk -0,68 R t 2,15µm R ku 3,91 R a 0,21µm R p 0,74µm 40 R z 1,99µm R v 1,26µm R q 0,28µm R sk -0,67 R t 2,75µm R ku 4,76 R a 0,22µm R p 0,62µm 45 R z 1,86µm R v 1,23µm R q 0,29µm R sk -0,96 R t 2,09µm R ku 4,83 R a 0,20µm R p 0,64µm 50 R z 1,87µm R v 1,23µm R q 0,26µm R sk -0,73 R t 2,17µm R ku 4,74 R a 0,22µm R p 0,68µm 55 R z 1,70µm R v 1,02µm R q 0,28µm R sk -0,69 R t 2,17µm R ku 3,61 R a 0,19µm R p 0,64µm 60 R z 1,46µm R v 0,82µm R q 0,24µm R sk -0,41 65 R t 1,62µm R ku 3,07 R a 0,18µm R p 0,65µm R z 1,55µm R v 0,90µm R q 0,23µm R sk -0,48 R t 1,79µm R ku 3,74 34

36 Érdességi jellemzők R a 0,22µm R p 0,90µm Kombinált eljárás Mérési profil Hordozóhossz görbe 70 R z 1,94µm R v 1,04µm R q 0,29µm R sk -0,50 R t 2,32µm R ku 3,86 R a 0,22µm R p 0,80µm 75 R z 2,02µm R v 1,22µm R q 0,28µm R sk -0,81 R t 2,99µm R ku 5,22 R a 0,21µm R p 0,63µm 80 R z 1,57µm R v 0,94µm R q 0,26µm R sk -0,41 R t 1,76µm R ku 3,22 R a 0,23µm R p 0,72µm 85 R z 2,02µm R v 1,30µm R q 0,30µm R sk -0,84 R t 2,58µm R ku 4,45 R a 0,21µm R p 0,88µm 90 R z 2,05µm R v 1,17µm R q 0,29µm R sk -0,80 R t 2,81µm R ku 5,00 R a 0,23µm R p 0,76µm 95 R z 1,89µm R v 1,12µm R q 0,30µm R sk -0, R t 2,34µm R ku 3,68 R a 0,21µm R p 0,76µm R z 1,91µm R v 1,16µm R q 0,27µm R sk -0,68 R t 2,15µm R ku 4,32 35

37 Érdességi jellemzők R a 0,35µm R p 0,94µm Keményesztergálás Mérési profil Hordozóhossz görbe 1 R z 1,73µm R v 0,79µm R q 0,42µm R sk 0,33 R t 1,81µm R ku 2,15 R a 0,29µm R p 0,79µm 5 R z 1,62µm R v 0,84µm R q 0,36µm R sk -0,21 R t 1,67µm R ku 2,52 R a 0,30µm R p 0,90µm 10 R z 1,70µm R v 0,81µm R q 0,38µm R sk 0,08 R t 1,75µm R ku 2,47 R a 0,29µm R p 0,80µm 15 R z 1,63µm R v 0,83µm R q 0,35µm R sk 0,15 R t 1,70µm R ku 2,28 R a 0,26µm R p 0,95µm 20 R z 1,66µm R v 0,72µm R q 0,33µm R sk 0,35 R t 1,72µm R ku 2,66 R a 0,33µm R p 1,12µm 25 R z 2,01µm R v 0,89µm R q 0,40µm R sk 0,16 30 R t 2,07µm R ku 2,48 R a 0,37µm R p 1,34µm R z 2,17µm R v 0,83µm R q 0,45µm R sk 0,49 R t 2,25µm R ku 2,47 36

38 Érdességi jellemzők R a 0,39µm R p 1,60µm Keményesztergálás Mérési profil Hordozóhossz görbe 35 R z 2,42µm R v 0,82µm R q 0,47µm R sk 0,78 R t 2,48µm R ku 3,20 R a 0,40µm R p 1,50µm 40 R z 2,39µm R v 0,89µm R q 0,48µm R sk 0,46 R t 2,42µm R ku 2,81 R a 0,42µm R p 2,14µm 45 R z 2,95µm R v 0,82µm R q 0,57µm R sk 1,49 R t 3,02µm R ku 5,38 R a 0,37µm R p 1,77µm 50 R z 2,63µm R v 0,86µm R q 0,49µm R sk 0,84 R t 2,72µm R ku 4,42 R a 0,40µm R p 1,90µm 55 R z 2,87µm R v 0,96µm R q 0,53µm R sk 0,62 R t 2,98µm R ku 4,38 R a 0,42µm R p 2,03µm 60 R z 3,13µm R v 1,11µm R q 0,56µm R sk 0,58 65 R t 3,18µm R ku 4,28 R a 0,44µm R p 2,08µm R z 3,17µm R v 1,09µm R q 0,60µm R sk 0,97 R t 3,27µm R ku 4,58 37

39 Érdességi jellemzők R a 0,47µm R p 1,96µm Keményesztergálás Mérési profil Hordozóhossz görbe 70 R z 3,07µm R v 1,11µm R q 0,62µm R sk 0,78 R t 3,16µm R ku 3,66 R a 0,52µm R p 2,57µm 75 R z 3,56µm R v 0,99µm R q 0,72µm R sk 1,56 R t 3,65µm R ku 5,70 R a 0,54µm R p 2,30µm 80 R z 3,68µm R v 1,37µm R q 0,71µm R sk 0,37 R t 3,72µm R ku 3,57 R a 0,63µm R p 2,82µm 85 R z 4,55µm R v 1,73µm R q 0,84µm R sk 0,72 R t 4,96µm R ku 4,28 R a 0,57µm R p 2,75µm 90 R z 4,16µm R v 1,41µm R q 0,75µm R sk 0,73 R t 4,39µm R ku 4,25 R a 0,55µm R p 2,64µm R z 3,99µm R v 1,35µm R q 0,74µm R sk 0,98 R t 4,06µm R ku 4,74 R a 0,54µm R p 2,58µm R z 3,77µm R v 1,19µm R q 0,69µm R sk 1,11 R t 3,84µm R ku 4,91 38

40 39