KÜLSŐ HENGERES FELÜLET ÉLETTARTAM-NÖVELŐ MEGMUNKÁLÁSA A FELÜLETI RÉTEG TÖMÖRÍTÉSÉVEL

Átírás

1 KÜLSŐ HENGERES FELÜLET ÉLETTARTAM-NÖVELŐ MEGMUNKÁLÁSA A FELÜLETI RÉTEG TÖMÖRÍTÉSÉVEL 7.1. Tartósságnövelő megmunkálások Gépek működésekor a legtöbb igénybevétel elsősorban a gépelemek felületét vagy bizonyos vastagságú felületi rétegét érinti. [77] [114] A megmunkált felület mikrogeometriája hat: a gépelem kopásállóságára, fárasztáskor a feszültséggyűjtő hatáson keresztül a kifáradásra.

2 A felületi réteget elsősorban fárasztáskor éri károsodás. Tartósságnövelő mechanikai megmunkálásokkal: az érdesség esetenként hatékonyabban csökkenthető mint forgácsolással, a felületi réteg tulajdonságai hőkezelés nélkül is nagymértékben javíthatóak. Élettartam és üzembiztonság (megbízhatóság) növelése elérhető: a konstrukció tökéletesítésével, megfelelő anyagválasztással, felületi minőség javítással.

3 1. Kérgesítő eljárások hőkezeléssel. Kérgesítő eljárások hőkezeléssel (felületi edzéssel) és termokémiai kezeléssel (kéregötvözéssel) Ezek az eljárások a felületi réteg tulajdonságait: hőhatással (felületi edzés), szénnel, nitrogénnel, krómmal, stb. elemmel való dúsítással, (cementálás, nitridálás, nitrocementálás, diffúziós krómozások) és a dúsított réteg edzésével változtatják meg. 2. Feltöltő hegesztés, fémszórás: Célja: Az alkatrészek élettartamának és üzembiztonságának növelése, a hasznos felületre felvitt jó üzemeltetési tulajdonságokat biztosító anyaggal.

4 Alkatrészek működő felületeinek bevonása: fémes, krómos és kemény nikkelezés, nemfémes bevonatok, műanyag bevonat. A tartósságnövelés céljából alkalmazott mechanikai megmunkálásokat felületszilárdító megmunkálásoknak nevezzük. A megmunkálandó felületet érő hatások jellege szerint a felületszilárdító megmunkálás lehet: felületvasalás, felülethengerlés ütőtestes felületszilárdítás

5 Számos elméleti és kísérleti eredménnyel bizonyítható, hogy ha az elemek működő felületét (felületi rétegét) hideg-képlékeny alakítással (keményítjük) szilárdítjuk, élettartamuk megnő, azaz a koptató és korróziós hatásnak jobban ellenállnak. A felületszilárdítás eredményeként a nagyobb élettartam az alábbi okokra vezethető vissza: nő a felület keménysége, csökken a felület érdessége, nő a hordfelület-hányad.

6 7.2. Külső hengeres felület vasalása A vasalás elmélete Felületvasaláskor a munkadarab felületi érdességét csökkentjük, felületi szilárdságát növeljük. A felületi réteg szilárdítását a megmunkálandó anyagnál jóval keményebb anyagú szférikus felületű (pl.: gömb alakú) szerszám és a szilárdítandó felület csúszási súrlódáskor végbemenő kölcsönhatása eredményezi. A KHF-ek gyémántszerszámmal történő vasalását képlékenyen alakítható anyagoknál alkalmazzák. KHF-ek vasalását esztergán vagy egyszerű célgépen is végezhetik (7.1. ábra).

7 ábra A gyémántvasalás vázlata 1. feszítőcsavar a vasalóerő beállításra, 2. mérőóra, 3. gyémánt végű vasaló szerszám, 4. munkadarab [77] 4 2 1

8 A felület érdességét és a felületi réteg szilárdítását a megmunkálandó anyagnál jóval keményebb anyagú szerszám és a szilárdítandó felület csúszási súrlódáskor végbemenő kölcsönhatás eredményezi. Szerszámanyag: gyémánt (R s = 0,6 4 mm). Lényeg: a vasalószerszám alakító eleme gyémántgömbszelet, mely méretezett rugó segítségével, megfelelő nyomóerővel alakítja a vasalandó felületet..

9 A munkadarab Szerkezeti acélok Közepes keménységű hőkezelt acélok Edzett cementált acélok Alumínium ötvözetek Bronz és réz ötvözetek Geometriai adatok R s (szerszám sugár, mm) Vasalási sebesség v (m/min) Technológiai adatok Előtolás f (mm/ford) 7.1. táblázat Anyagminősége Keménysége Vasalóerő (F/N) Átvasalási szám HB ,02-0, HRC ,02-0, HRC ,6-1, ,01-0, HB ,04-0, HB ,04-0, Külső hengeres felületek vasalásának technológiai adatai

10 Pontosság IT: 6-10 függ az előgyártmány pontosságától. Termelékenység t g (gépi főidő) hasonlóan számítható, mint esztergáláskor. Felületminőségre hatással vannak a következők: A technológiai adatok hatása a felület érdességére, KHF esetén Ra=0,04-0,16µm, A technológiai adatok hatása a felület mikrokeménységére: felkeménye-dés jön létre, A megmunkálás eredményeként nyomó maradó feszültség keletkezik a felületi rétegben.

11 Jellemzői: Az alakító elem (szerszám) és az alakított felület között csúszó súrlódás van. Az alakítási zónában rendszerint azonos szerszámfelület deformálja az anyagot. Kemény- (63-65 HRC) és lágy anyagok megmunkálására alkalmazható. A szerszámok különböző konstrukciós kialakításúak lehetnek: esztergakés-szerű, üregelő tüske alakú, golyó, tárcsa alakú, stb.

12 A megmunkálás történhet: merev szerszámkonstrukcióval, rugalmas szerszámkonstrukcióval. Az 1 2 karát nagyságú gyémántot alacsony olvadáspontú fémmel rögzítik a tartóba, amelyet szférikusra vagy hengeresre munkálnak.

13 R1,2;3, R3, a) b) 7.2. ábra Vasalógyémánt befogása a) hengeres, b) szférikus, 1. vasalógyémánt, 2. foglalófém, 3. foglalat

14 A vasalt felület átlagos érdességét a vizsgált értékhatárok között a vasalási előtolás, illetve a sebesség növelése növeli, a vasalóerő növekedése pedig egy darabig csökkenti, majd növeli (7.3. ábra) [77].

15 R a µ m HVM,MN/m F, N F, N f, mm/ford v, m/min f, mm/ford v, m/min 7.3. ábra A technológiai adatok hatása a felület érdességére gyémántvasaláskor 7.4. ábra A technológiai adatok hatása a felület mikrokeménységére gyémántvasaláskor

16 A vasalt felület mikrokeménysége a vasalási előtolás növelésével csökken, a vasalóerő és a vasalási sebesség növelésével nő (7.4. ábra) [77]. Az esztergálás illetve köszörülés után F = 196 N vasalóerő, v = 93 m/min vasalási sebesség, f = 0,08 mm/ford. előtolás alkalmazásakor, esztergálással kialakított maradófeszültségek nagysága és eloszlásának jellege számottevően megváltozik (7.5. ábra) [77].

17 σ m,mn/m köszörülés esztergálás esztergálás+vasalás köszörülés+vasalás l, m 7.5. ábra A felületi rétegben maradó feszültségek különféle megmunkálások esetén

18 Gyémántvasalás technológia kísérletei A dugattyúcsapok ( 15 x 100 mm) karbantartásánál, külső hengeres felületeinek megmunkálásánál a kedvező szilárdsági tulajdonságok eléréséhez gyémántvasalást alkalmaztunk. Így a megmunkálási mikrogeometriai egyenetlenségek csökkenthetők voltak és kedvező nyomó maradó feszültség alakult ki a felületközeli rétegben

19 Kísérleti körülmények és a technológiai paraméterek A megköszörült dugattyúcsapokat E400/1000 típusú csúcseszterga gépen vasaltuk. A munkadarab befogását a 7.1. ábra szemlélteti.

20 Bemenő adatok: vasaló erő: F v min =125N; F v max =150N, vasalási előtolás: f v min =0,0203 mm/ford; f v max =0,05 mm/ford, vasalási sebesség: v v min =60 m/min; v v max =83 m/min. Állandó jellemzők: a dugattyúcsap keménysége: HRC 55 a köszörült csap geometriai méretei: φ24,9 x 100 mm, a köszörült felület átlagos érdessége (R a ) és maximális érdessége: Ra 1 k = 0,36µ m szerszámelfordítási szög: α = 0 Rmax k = 3,27µm 1

21 Vasaláskor a szerszám csak egyszer alakította a felületet, miközben bő mennyiségű olajkenést alkalmaztunk. A vasalás utáni vizsgált paraméterek voltak: a köszörült felület átlagos érdessége R a1v és a köszörült felület maximális érdessége R max1v.(7.2. táblázat)

22 Köszörülés utáni felületi érdességek Beállított paraméterek 7.2. táblázat Vasalás utáni mért felületi érdességek R max, g R a, g f v v v F v mm/ford m/min N 2,66 0,33 0,0203 1,03 0, ,32 0,33 0,0500 1,92 0,260 3,39 0,37 0,0203 0,70 0, ,32 0,37 0,0500 1,40 0,180 2,79 0,37 0,0203 0,75 0, ,89 0,42 0,0500 1,18 0,160 3,53 0,43 0,0203 0,97 0, ,95 0,34 0,0500 1,20 0,150 Köszörülés és vasalás utáni felületi érdességek R max, v µ m µ m R a, v

23 Mikrogeometriai jellemzők vizsgálata A Faktoriális Kísérlettervezési módszert alkalmaztuk a kísérleti paraméterek időrendi sorrendjének kialakítására. A vasalás utáni felületérdességek számítására szolgáló képleteket az alakhibák szerint írtuk fel: R R max 1 v a 1 v = = C C va v m f f αa v αm v v v γa v γm v F δa v F δm v (7.2) (7.1)

24 A konkrét kísérletek után a Faktoriális Kísérlettervezési módszer lépéseit alkalmazva, a c vm, c va, α m, α a, γ m, γ a, δ m és δ a értékei meghatározhatók voltak. Ezen konstansokat és kitevők értékeit az (7.1) képletre vonatkozóan a 7.3. táblázat tartalmazza táblázat C vm =e 218,152 γ m = -(41,9107-8,2493 ln F v ) α m =(11,5073-0,2899 ln v v - 1,9766 ln F v ) δ m = -42,7924 (7.1) képlet konstansainak és kitevőinek értékei

25 . Megjegyzendő, hogy a (7.2) képlethez tartozó konstans és kitevő értékek is meghatározásra kerültek, azonban itt nem kerülnek közlésre. A felületi érdesség változásáról jobb képet kapunk, ha csak a javulást, a vasalt és a köszörült felület közötti különbséget vizsgáljuk. Így új paraméterek bevezetése válik szükségessé:

26 ρ R max = R R max max 1 1 k v (7.3) R ρ a1k R = a (7.4) Ra v 1

27 A vasalás hatása akkor a legjobb, amikor az R a1 R max1 és értékei maximálisak. A felületi érdesség mérésére bevezetett új képletek a következők: ρ = C f. v δ ρ m αρm γρm R max ρm v v v (7.5) F ρ Ra = C ρ a f α v ρa v γ v ρa F δ v ρa (7.6)

28 A Faktoriális Kísérlettervezés kiértékeléséhez az adatokat továbbra is a 7.2. táblázatból véve az (7.5)-ös képlet konstansára és kitevőire a következő képlet adódik. C m ρ 230,5053 = e γ ρ m 7.4. táblázat = ( 52, ,6419 ln Fv ) α = 0,4515 = 46, 34 ρm δ ρm (7.5) képlet konstansainak és kitevőinek értékei

29 Megjegyezzük, hogy az (7.1), (7.2), (7.5) és (7.6) képletek csak az 7.2. táblázatban található (f v, v v és F v ) értéktartományokban érvényesek. A vasalt felület R max maximális érdességre vonatkozó relatív felületi érdességi paraméter javulását az 7.6. ábra mutatja.

30 7.6. ábra A ρ R max (relatív felületi egyenetlenségi paraméter) változása a vasalóerő F v és a technológiai paraméterek függvényében [174]

31 Néhány megjegyzés a 7.6. ábrához: A vasalási sebesség hatása függ a vasalásnál alkalmazott erőtől. Kis vasalóerő esetén (pl.: F v =125N) a sebesség növelése javítja az R max maximális felületi érdesség értékét. Növelve a vasalóerőt egy nagyobb értékre (pl.:f v =150N) a ρ R max viszony csökkenő hatású. Az előtolás csökkentésével a tehát az R max értéke javul. ρr max arány növekszik,

32 7.3. Külső hengeres felületek hengerlése A külső hengeres felületek hengerlésével növelhető: a működő felületek kopásállósága, gépelem kifáradási szilárdsága, míg a felületi érdesség nagymértékben csökken. Esztergán vagy célgépen acélgörgőkkel vagy acélgolyókkal végzik. Az alkalmazott görgők átmérője D g = mm, a leggyakrabban előforduló alakjait a 7.7. ábra szemlélteti.

33 7.7. ábra Görgők jellegzetes alakjai

34 A görgők: lekerekítésének sugara: r = 0,5 200 mm, anyaga: szerszám vagy golyóscsapágyacél. Kisméretű munkadarabok felületének hengerlésekor: D g = mm átmérőjű golyóscsapágy golyókat alkalmaznak. A görgőket: hidraulikus, pneumatikus úton vagy, rugókkal kifejtett F = N erővel nyomják a megmunkálandó felületre a munkadarab forgása és megfelelő előtolás mellett.

35 Jellegzetes felülethengerlési megoldásokat mutat a 7.8. ábra.

36 Jellegzetes felülethengerlési megoldások: 1. Egygörgős, 4., 5. Kétgörgős, 8. Esztergálás és egygolyós szerszámmal való hengerlés, 2. Egygolyós, 6. Kétgörgős simító, 9. Esztergálás és simító felülethengerlés. 3. Kétgolyós, 7. Kétgörgős kúpos simító hengerlőszerszám,

37 A munkadarab kerületi sebességének nincs lényeges hatása a felületminőség alakulására. A munkadarab sebességének irányértéke hengerléskor: v mdb = m/min Hengerléskor az R a lényegesen csökken.r a = 0,01 1 µm. Az R a kialakulása hasonlóan megy végbe mint egyélű határozott élű szerszámmal végzett forgácsoláskor (7.9.ábra).

38 f f e e r r 7.9. ábra A mikro-egyenetlenség alakulásának vázlata a) görgőzéskor, b) acélgolyóval történő hengerléskor

39 7.10. ábra A görgőzés előtti és utáni érdesség kapcsolata ábra A görgő lekerekítési sugarának hatása a görgőzött felület érdességére

40 A technológiai adatok közül az érdességet a görgőző erő, az előtolás (7.12. ábra) és a fogások száma (7.13. ábra) befolyásolja.

41 R z, µ m R z, µm F, N fogások száma ábra A görgőzőerő hatása a felület érdességére ábra A fogások számának hatása a görgőzött felület érdességére