Szerszámkopás, tribológiai jelenségek, rezgések, szerszáméltartam

Átírás

1 NGB_AJ012_1 Forgácsoló megmunkálás (Forgácsolás és szerszámai) Szerszámkopás, tribológiai jelenségek, rezgések, szerszáméltartam Dr. Pintér József 2015.

2 Felhasznált irodalom: Pápai Gábor.ppt prezentációja Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. (Előadásanyag ) BME Járműgyártás és Javítás Tanszék, BP Dr Igaz Jenő: Forgácsoló megmunkálás II.1. SZE, Győr oldal

3 Bemenő jellemzők A FORG. FOLYAMAT Kimenő jellemzők Rendszer jellemzők -gép -szerszám -készülék -nyersdarab -anyag -geom. Beállítási értékek -sebesség -előtolás -fogásmélység -hűtés útinformációk Folyamat jellemzők -erő, teljesítmény -hőmérséklet -rezgések -akusztikus emisszió Folyamat eredménye -mdb. méret, alak -érdesség -felületi réteg -szerszám KOPÁS -szerszám -gép, készülék A forgácsolás során az érintkező felületek elsősorban a nagy nyomás, a magas hőmérséklet és a nagy sebesség miatt kopnak. Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 3

4 KOPÁSI FOLYAMAT KOPÁS TÖRÉS IDŐ BEKOPÁS LINEÁRIS KOPÁS KATASZTROFÁLIS TÖRÉS DEGRESSZÍV PROGRESSZÍV Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 4

5 Kopáskritériumok a gyakorlatban Megmunkált felület minősége (érdessége) romlik Pontosság csökken (csúcs-kopás) Rezgések erősödnek Mdb melegedése Forgácsolóerő nő törés Szerszám élettartama lecsökken Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

6 KOPÁSFAJTÁK ÖSSZKOPÁS DIFFÚZIÓS ABRAZÍV OXIDÁCIÓS FORG. SEBESSÉG (HŐ) ADHÉZIÓS (FELHEGEDÉSES) KOPÁSFORMÁK - HÁTKOPÁS - KRÁTERES KOPÁS - FÉSÜS KOPÁS - SZÉLKOPÁS (SAROKKKOPÁS) - KIMORZSOLÓDÁS - KITÖREDEZÉS - PLASZTIKUS DEF. - TÖRÉS Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 6

7 Adhéziós kopás: Kopási jelenségek a határfelületek között kialakult kötés - mikro felhegedés következtében - jön létre, amikor a kötés a tangenciális mozgás következtében megszűnik és a szerszám felületéről apró részecskék válnak le. alacsony hőfok, sebesség tartományra jellemző ez kopásforma elsősorban ferrites, ausztenites acéloknál. Megjegyzés: az élrátét képződés is a felhegedés-leválás folyamatán alapul, de nagyobb méretekben. Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

8 Kopási jelenségek Abrazív kopás: a leggyakrabban előforduló kopás, a két súrlódó felület között, az érdességi csúcsok, vagy a már levált kemény részecskék benyomódnak a felületbe, és mikro forgácsot képezve barázdát húznak abba a köszörüléshez hasonlóan. Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

9 Kopási jelenségek Diffúziós kopás: kémiai folyamat, mely nagy hőmérsékleten és nyomáson megy végbe, a munkadarab ill. szerszám alkotói kölcsönösen átdiffundálnak megváltoztatva az anyagkopás jellemzőit. acél keményfém szerszámmal történő forgácsolása esetén a szerszámba és a munkadarabba elsősorban kobalt atomok diffundálnak. Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

10 Kopási jelenségek Oxidációs kopás: magas hőmérsékleten a környezet levegőjével a legtöbb fém oxidálódik, a keletkező oxidok tulajdonságai igen különbözőek. A wolfram és a kobalt porozus könnyen leváló réteget alkot, melyet a forgács visz magával. Fáradásos kopás: a váltakozó hő- és mechanikai terhelés következtében jön létre Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

11 Kopási jelenségek A forgácsolás során a következő tényezők befolyásolják a kopást: a munkadarab anyaga a szerszám élének anyaga a szerszám élgeometriája a technológiai adatok (sebesség, előtolás, ) a hűtés kenés Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

12 Kopás típusok = Hátkopás 2 = Kráteres kopás (B B) 3 = Főél hasítékos kopása 4 = max. hasítékos kopás 5 = Oxidációs vájat a mellékélen 6 = Plasztikus deformáció (C) 7 = Élrátét (A A) 8 = Fésűs repedések 9 = Kifáradásos repedés 10 = kitöredezés fogáson kívül 11 = Szerszámcsúcs roncsolás

13 Élsisak - élfelrakódás Forgácsolási sebesség növelése Előtolás növelése Bevonatos keményfém Pozitív élgeometria Felrakódás-gátló hűtőfolyadék használata, vagy a hűtés megszüntetése

14 Hátkopás Kopásállóbb keményfém Forgácsolási sebesség csökkentése Előtolás növelése Intenzívebb hűtés

15 Kopásállóbb keményfém Bevonatos lapka Forgácsolási sebesség csökkentése Pozitív élgeometria Intenzívebb hűtés Kráteres kopás

16 Szerszám kopások VB HÁTKOPÁS KT KRÁTERMÉLYSÉG KB KRÁTER SZÉLESSÉG KM KRÁTER KÖZÉPTÁVOLSÁG 16

17 Oxidációs vájat a mellékélen Bevonatos (Al2O3), kopásálló lapka Jó kenőhatású és fokozott hűtés Forgácsolási sebesség csökkentése

18 Él plasztikus deformációja Kopásálló keményfém Forg. seb. csökkentése Előtolás csökkentése Hűtőemulzió, intenzív hűtés Nagyobb csúcs-sugarú lapka Nagyobb csúcs-szögű lapka

19 Főél hasítékos kopása Bevonatos (Al2O3), kopásálló lapka Forgácsot egyenlőtelnül kell elosztani (homloklap-forgácstörő kialakítás) Forgácsolási sebesség csökkentése Beállítási szög csökkentése

20 Forgácsoló él rideg kitöredezése Szívósabb keményfém lapka Eltérő élgeometria alkalmazása Fogás kezdetén csökkentett előtolás Kevésbé intenzív forgácsolási feltételek

21 Forgácsolóél (fogáson kívüli) sérülése Előtolás változtatása Élgeometria változtatása (forgácstörő) Szívósabb keményfém

22 Levegős hűtés Szívósabb lapka Fésűs repedés Forgácsolási sebesség csökkentése

23 Kifáradásos repedés a hátfelületen Szívósabb keményfém Szerszám be- és kilépés változtatása Forgácsolási feltételek változtatása Élgeometria módosítása Előtolás módosítása

24 Forgácsolóél-, szerszámcsúcs roncsolása Szívósabb keményfém Nagyobb csúcs-sugár Nagyobb csúcs-szögű lapka Más élgeometria A fogás elején csökkentett előtolás

25 Kopások a forgácsoló lapkán Hátkopás Szélkopás Kráteres kopás Fésüs kopás forrás: Coromant 25

26 Kopások a forgácsoló lapkán Kitöredezés háton Plasztikus deformáció forrás: Coromant Kitöredezés csúcson 26

27 KOPÁS AZ IDŐ FÜGGVÉNYÉBEN 27

28 ÉLTARTAM KRITÉRIUM KOPÁSOK DOMINÁNS KOPÁS MEGENGEDETT KOPÁS KOPÁS VB (Δ) VB MEG v 1 > v 2 > v 3 lgt T 3 KRITIKUS KOPÁS α m - éltartamkitevő m=tgα Δmax T 2 T 1 T 1 T 2 T 3 t (IDŐ) ÉLANYAG MDB. ANYAG ÉLGEOMETRIA f, a ÁLLANDÓ Cv - sebességállandó v 3 v 2 v 1 C TAYLOR EGYENLET v T m = Cv 28 lgv

29 A kopás folyamata

30 Taylor éltartam egyenlet Igaz : oldal

31 Valós élettartam sebesség görbe lg T Különböző élanyagok éltartam egyenesei lg T lg T Néhány munkadarab anyag éltartam egyenese acél Al-Si Mg CA HSS HW öv Éltartam egyenes lg v lg v lg T lg v BŐVÍTETT TAYLOR EGYENLET v = C v b xv h y v T m Éltartam mérési pontjai és jellegzetes szórásképe lg v Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 31

32 MUNKADARAB ANYAGÁNAK HATÁSA AZ ÉLTARTAMRA Rm [N/mm 2 ] KORREKCIÓ: 1,69 1 0,81 FELÜLET: KÉRGES, REVÉS KORR: 0,7-1,0 SZERSZÁM ANYAGA ÉLGEOMETRIÁJA GÉP TELJESÍTMÉNY, ÁLLAPOT, BEÁLLÍTHATÓSÁG Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 32

33 ÉLTARTAMOT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK -MUNKADARAB -ANYAGA -FELÜLETE (REVE, KÉREG) -SZERSZÁM -ÉLANYAG -ÉLGEOMETRIA -SZERSZÁMGÉP -TELJESÍTMÉNY -ÁLLAPOT (DINAMIKAI, TULAJDONSÁGOK) -BEÁLLÍTHATÓSÁG 33

34 ÉLTARTAMOT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK 34

35 GAZDASÁGOS ÉLTARTAM KÖLTSÉG K K MIN (költség optimális forgácsolási sebesség meghatározása) DB. KÖLTSÉG SZERSZÁMHOZ KÖTŐDŐ KÖLTSÉG (K SZ ) V KOPT GÉPHEZ KÖTŐDŐ KÖLTSÉGEK (K G ) ÁLLANDÓ KÖLTSÉGEK V K = F(v) dk dv 1 m K SZ K G T KOPT =( 1)(t cs + ) = 0 v KOPT t cs SZERSZÁM CSERE IDŐ m TAYLOR - KITEVŐ Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 35

36 P MAX P P PRODUKTIVITÁS (TERMELÉKENYSÉG) t cs SZERSZÁM CSERE IDŐ m TAYLOR - KITEVŐ V POPT T POPT =( 1 m V 1) t cs A termelékenység a sebesség növelésével növekszik, de megnő a kopás is, gyakrabban kell cserélni a szerszámot. Egy sebesség határ felett a gyakoribb csere miatt már csökken a termelékenység Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 36

37 A költségminimumot az optimális sebesség mellett a megengedett legnagyobb előtolás és forgásmélység biztosítja, melynek nagyságát a munkadarab,- gép -, szerszám - oldali korlátok határozzák meg. Az ábra esztergálás esetére mutatja be a korlátokat kijelölve az alkalmazható tartományt. Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( ) 37

38 Rezgések forgácsolás közben

39 Bemenő jellemzők A FORG. FOLYAMAT Kimenő jellemzők Rendszer jellemzők -gép -szerszám -készülék -nyersdarab -anyag -geom. Beállítási értékek -sebesség -előtolás -fogásmélység -hűtés útinformációk Folyamat jellemzők -erő, teljesítmény -hőmérséklet -REZGÉSEK -akusztikus emisszió Folyamat eredménye -mdb. méret, alak -érdesség -felületi réteg Kopás -szerszám -gép, készülék

40 REZGÉSEK REZGÉSEK A SZERSZÁM- GÉPEN KÜLSŐ GERJESZTÉS ÖNGERJESZTÉS GÉPEN KÍVÜLI ERŐ GÉPEN BELÜLI ERŐ FORG. ERŐ ALAPZAJ F-v JELLEGGÖRBE ÉLRÁTÉT KAPCSOLÓDÁ- SI HELYZET REGENERATÍV HATÁS GYÁRTÁSI SZERELÉSI HIBÁK VÁLTOZÓ FORG. ERŐ MEGSZAKÍTOTT EXCENTRIKUS MDB. KIEGYENSÚ- LYOZATLANSÁG, CSAPÁGY FOGASKERÉK HIBÁK NYÍRÁSI FOLY. FORGÁCSTÖRÉS

41 REZGÉS AMPLITÚDÓ REZGÉSEK REZGÉS AMPLITÚDÓ KÜLSŐ GERJESZTÉS ÖNGERJESZTÉS n 2 n 1 HATÁR FORGÁCS- SZÉLESSÉG FORGÁCS SZÉLESSÉG b FORGÁCS SZÉLESSÉG b WECK

42 REZGÉSEK HATÁR FORGÁCSSZÉLESSÉG b h =f (GÉP, MDB/SZERSZÁM, FORG. FOLYAMAT) GÉP MDB / SZERSZÁM FORGÁCSOLÁSI ÜZEMI KÖRÜLM. IRÁNYFÜGGŐSÉG FOLY. 1. ALAP, FEL- ÁLLÍTÁSI KÖRÜLM. 2. ALKATRÉSZEK HELYZETE 3. ORSÓ FORDSZ. 4. SZÁN-, ASZTAL MOZGÁS 5. JÁTÉKOK, FESZÜLTSÉGEK, NEM- LINEARITÁSOK, ELŐFESZÍTÉS, ILLESZTÉSEK 6. ÜZEMI HŐMÉRSÉKLET GEOMETRIA BEFOLYÁSA 1. DINAMIKUS ERŐ IRÁNYA (FŐÉL ELHELYEZKEDÉSI SZÖG, TERELŐSZÖG 2. MDB-SZERSZÁM KONFIGURÁCIÓ 1. MDB. MEREVSÉG 2. MDB. TÖMEGE 3. MDB. BEFOGÁSA 4. MDB. ÁTMÉRŐ 5. SZERSZÁM MEREVSÉG 6. SZERSZÁM TÖMEGE 7. SZERSZÁM BEFOGÁSA 1. MDB. ANYAGA 2. ÉLGEOMETRIA 3. SZERSZÁM KOPÁSÁLLÓSÁG 4. CSÚCSRÁDIUSZ 5. FORGÁCS SZÉLESSÉG 6. ELŐTOLÁS 7. MDB. ANYAG- ÉLANYAG PÁROSÍTÁS 8. HŰTŐ-KENŐ ANYAG Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

43 REZGÉSEK REGENERATÍV REZGÉS (RATTERN) m tömeg c csillapítás k rugóállandó F forg. erő FORGÁCS VASTAGSÁG VÁLTOZÁSA

44 Bizonyára sokan tapasztalták már, hogy szerszámgépek egyes műveleteinél a szerszámvibráció olyan nagy, hogy nem csak az elkészített felület lesz rossz minőségű, hanem akár szerszámtörés is bekövetkezhet. Azonban ha nem is történik törés -, a megmunkálás során keletkező vibrációk ronthatják a szerszám élettartamát. A jelenség vizsgálata ezért elengedhetetlen. A folyamat megértése után pedig fontos, hogy olyan módszerek kerüljenek kidolgozásra és alkalmazásra, melyekkel gyorsan lehet kiküszöbölni a nem kívánt rezgéseket. A rezgéseknek két fő forrása különböztethető meg. Az egyik, mikor a gép-készülékmunkadarab-szerszám rendszer sajátfrekvenciája és a periodikusan változó forgácsoló erő által gerjesztett rezgés frekvenciája, vagy egy felharmonikusának frekvenciája elegendően közel van egymáshoz. Ebben az esetben rezonancia alakul ki. A rezgés másik oka az úgynevezett regeneratív hatás lehet. A megmunkálás során a fogásmélység, forgácsszélesség nem állandó, csak bizonyos mértékű elhanyagolások mellett. Ezeket az elhanyagolásokat is figyelembe kell azonban venni, mikor a regeneratív rezgéseket vizsgáljuk. A fogásmélység befolyásolja az ébredő forgácsoló erőket, a forgácsoló erő hatására pedig deformálódik a szerszám. A deformáció eredményeképpen megváltozik a fogásmélység, ami a következő fordulat során eltérő nagyságú erőhatást ébreszt. Emiatt a ciklikusság miatt nevezik regeneratív rezgésnek ezt a jelenséget. Mikor instabillá válik a folyamat, kialakul a chatter -nek nevezett öngerjesztett rezgés. Forrás: Lehotzky Dávid TDK dolgozata

45 FORGÁCS SZÉLESSÉG (b) VASTAGSÁG (v) HATÁSA AZ AMPLITÚDÓRA REZGÉSEK FORGÁCSOLÁSI SEBESSÉG ÉS HOMLOKSZÖG HATÁSA AZ AMPLITÚDÓRA BALI

46 REZGÉSEK HATÁSA A MEGMUNKÁLT FELÜLETRE ESZTERGÁLÁSKOR: REZGÉSEK

47 REZGÉSEK HATÁSA A MEGMUNKÁLT FELÜLETRE ESZTERGÁLÁSKOR: REZGÉSEK

48 Forgácsolt felület minősége

49 Bemenő jellemzők A FORG. FOLYAMAT Kimenő jellemzők Rendszer jellemzők -gép -szerszám -készülék -nyersdarab -anyag -geom. Beállítási értékek -sebesség -előtolás -fogásmélység -hűtés útinformációk Folyamat jellemzők -erő, teljesítmény -hőmérséklet -rezgések -akusztikus emisszió Folyamat eredménye -MDB. MÉRET ALAK -ÉRDESSÉG -felületi réteg Kopás -szerszám -gép, készülék Forrás: Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Járműszerkezeti Anyagok és Megmunkálások II. ( )

50 ÉRDESSÉG

51 HAGYOMÁNYOS WIPER ÉRDESSÉG

52 Újabban előszeretettel használják a WIPERgeometriájú keményfém lapkákat, mert ezekkel a termelékenység változatlanul hagyása mellett a felületi érdesség akár felére csökkenthető. A technológiai paraméterek (a, f) változatlanul hagyása mellett az érdesség hozzávetőleg felére csökken: R max 2R maxw. Lásd Videót! Forgácsolás egyívű és WIPER csúcssugarú szerszámmal

53 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!