Forgácsolt mûszaki mûanyagok felületi érdességének vizsgálata

Átírás

1 Forgácsolt mûszaki mûanyagok felületi érdességének vizsgálata DR. KALÁCSKA GÁBOR * egyetemi docens FARKAS GABRIELLA ** PhD hallgató Alkalmazott kutatás 1. Bevezetés A kutatómunka célja a különbözõ megmunkálási eljárásokkal létrehozott felületek topográfiájának összehasonlító elemzése, ezen belül a mûszaki mûanyagok forgácsolt felületének érdességi vizsgálata. Az esztergált felület érdességét, továbbá a forgácsoló megmunkálás paramétereinek hatását vizsgáltuk a kialakult felület mikrogeometriájára. A felület minõségét számos tényezõ befolyásolja, egyrészt a gyártás, másrészt a mûködés oldaláról [1, 2]. A közleményben a gyártás oldaláról közelítve különbözõ forgácsolási paraméterekkel elõállított mûanyag felületek vizsgálati eredményeit mutatjuk be. 2. Alkalmazott anyag és módszer A mûszaki mûanyag féltermékekbõl forgácsolással elõállított gépelemek esetén megfigyelhetõ, hogy különbözõ polimereknél azonos forgácsolási paraméterek esetén is jelentõsen eltért a kapott felület minõsége és méretpontossága. Ezért mindenképpen indokolt a különbözõ molekulaszerkezetû polimerek vizsgálata a forgácsolás optimalizálása érdekében, melyek alapvetõen két csoportba sorolhatók, lehetnek hõre lágyuló és forgácsolás szempontjából hõre nem lágyuló mûanyagok. A szakirodalom további kategóriákat is használ az alkalmazhatóságtól függõen. Ezek közül forgácsolás szempontjából jelentõsek [3 5]: az általános rendeltetésû mûszaki mûanyagok, mint a poliamidok (PA), a poli(oxi-metilén)-ek (POM), a poli(etilén-tereftalát)-ok (PET), valamint az ultra nagy molekulatömegû polietilének (UHMW-PE); a nagy teljesítményû mûszaki mûanyagok, melyek közé soroljuk a poli(éter-éter-keton)-t (PEEK), a poli(fenilén-szulfid)-ot (PPS), a poli(vinilidén-fluorid)-ot (PVDF) és a poliimidet (PI). Az öntött PA6 mechanikai szilárdsága jó, kopásállósága és siklási tulajdonságai kiválóak, hõállósága a feldolgozhatóság szempontjából megfelelõ. Jelentõs a vízfelvevõ képessége, ezért a forgácsolás során léghûtés alkalmazása elõnyös. Jól forgácsolható közepes forgácsolási sebességgel és nagy elõtolással is. A POM C méretstabilitása kiváló, szívós, kemény, merev anyag. Szilárdsága és keménysége nagy, nedvesség hatására nem duzzad. Forgácsolással könnyen megmunkálható, de a megmunkálás alatt a forgácsot gyorsan el kell távolítani. A PET hõállósága jó, mechanikai szilárdsága és merevsége nagy. Jó mérettartása és kis hõtágulási együtthatója megmunkálhatóságát, kis vízfelvevõ képessége és vegyszerállósága széleskörû alkalmazhatóságát biztosítja. Jól forgácsolható, de a megmunkálás során nagy forgácsolási sebességet és kis elõtolást kell alkalmazni. A PEEK kiváló hõállóságú ( C) és mechanikai szilárdságú, nagy merevségû anyag. A lágy acélokhoz hasonló körülmények között jól forgácsolható. Magas hõállósága miatt pedig a jármûiparban is alkalmazható [3, 4]. Mûanyagok megmunkálásakor, a melegalakításon túl, nagy szerepet játszik a forgácsolás, mivel rugalmas gyártásoknál, kis és közepes szériáknál vagy egyedi elemek gyártásánál és a javítóipari technológiáknál szinte egyeduralkodó. A mûszaki mûanyagok forgácsolására a szakirodalomban általános javaslatokat találhatunk [4, 5], melyek az egyes paramétereket igen tág határok között határozzák meg. Ezen értékek elsõsorban a jó forgácsleválasztásra, valamint a munkadarab deformációjának, esetleges lágyulásának elkerülésére irányulnak: közepes és nagy forgácsolási sebességgel (v c = m/min), kis és közepes elõtolással (f = 0,05 0,4 mm), valamint a = 0,1 2,5 mm fogásmélységgel forgácsolhatók a mûanyagok. Ezen értékek elsõsorban a jó forgácsleválasztásra, valamint a munkadarab deformációjának, esetleges lágyulásának elkerülésére irányulnak. A megmunkáláshoz alkalmazott szerszám a szakirodalom javaslatai alapján a hagyományos fém (szénacél, gyorsacél, keményfém, *Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet ** Budapesti Mûszaki Fõiskola, Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar, Anyagtudományi és Gyártástechnológiai Intézet évfolyam, 10. szám 419

2 gyémánt), bizonyos esetekben famegmunkáló szerszámok közül választhatók [3 5]. A mûanyagok forgácsolásánál érdemes figyelembe venni továbbá, hogy hõvezetõ képességük a fémekhez képest rosszabb, lágyulási (olvadási) hõmérsékletük sokkal kisebb, lineáris hõtágulási együtthatójuk viszont tízszer nagyobb, mint a fémeké, alacsony hõterhelést, illetve a megfelelõ hõelvezetést kell alkalmazni megmunkálásuk során, rugalmasabbak, mint általában a fémek, ezért viszonylag nagy forgácsolási sebességet kell alkalmazni, gondoskodni kell a munkadarab megfelelõ befogásáról. Vizsgálataink során négy kísérleti beállítást alkalmaztunk, ezek forgácsolási paramétereit és az esztergakéseket a szakirodalom javaslatait figyelembe véve választottuk ki [4 7]. Négyféle forgácsoló sebességgel dolgoztunk, az esztergálást egy nagyolási és egy simítási fázisra bontva végeztük el. A kísérleti beállítások a következõk voltak: forgácsolósebesség (v c ) 200, 250, 315, 400 m/min, elõtolás a nagyolási fázisban (f) 0,2, 0,25, 0,315, 0,4 mm, elõtolás a simítási fázisban (f) 0,05, 0,08, 0,12, 0,16 mm, fogásmélység (a) 0,5 mm (állandó értéken tartva), munkadarab mérete: ø mm, hûtést nem alkalmaztunk. A 2D-s és a 3D-s felületi érdességet MAHR Perthometer-Concept típusú tapintófejes mûszerrel határoztuk meg. A felüli minõség vizsgálatánál alkalmazott beállítások az ISO 4287:1996 szabvány szerint: kiértékelési hossz (l m ) 4 mm, az elõírt szûrõ (l c ) 0,8 mm. A mérések során felvett profilok és paraméterek az ISO 4288:1996 szabvány szerint: szûretlen (P) profil, szûrt érdességi (R) profil, 9 érdességi paraméter: R a, R max, R z, R q, R p, R t, R Sm, R Sk, R Ku, 5 hullámossági paraméter: W t, W a, W Sm, W S, W dq, 6 szûretlen paraméter: P t, P a, P Sm, P Sk, P Ku, P dq. A kutatási program keretében a felsorolt paramétereket értékeltük, jelen publikáció csak az R a és R z jellemzõk elemzését tartalmazza. A mérésekhez MAHR RHT 3/50e és MAHR FRW 250 típusú tapintót használtunk. A 3D-s paraméterek a vizsgált terület 2 2 mm-es részérõl készültek. A topográfiai kép kialakítása a mintavételi felület letapogatása során egymástól meghatározott távolságra lévõ profilmetszetek (jelen esetben 501) létrehozásával történt, a szabványnak megfelelõ mérési hoszszon és elõírt szûrõ alkalmazásával. A felületekrõl JEOL JSM 5310 pásztázó elektronmikroszkópos felvételek is készültek, melyek további értékes információkat adtak. 3. Eredmények 3.1. A 2D-s mikrogeometriai jellemzõk Elõször a forgácsolt mûanyag felületeken mért mikrogeometriai jellemzõket vetettük össze egy C60-as acél forgácsolt felületének érdességi jellemzõivel és vizsgáltuk [8, 9], hogy a mûanyagok forgácsolása mennyiben tér el az acélokétól (1. ábra). A PA6 forgácsolása volt a legbizonytalanabb a kisebb elõtolásoknál (forgács alakja, formája és leválása, mért felületi paraméterek állandósága). A forgácsleválasztáskor a forgács a munkadarabra rátekeredve többször a szerszám és a munkadarab közé került. A forgácsolási sebesség nem befolyásolta jelentõsen az R a értéket az acélok viselkedésétõl eltérõen a vizsgált v c = m/min tartományban. Az elõtolás növelésének viszont jelentõsebb a hatása. Kis elõtolásokkal (f = 0,05 0,12 mm) R a értéke 1,6 µm alatt tartható. Az összes vizsgált mûanyag közül a POM esztergálása volt a legkedvezõbb. Az esztergált felület érdességét azonban itt is az acéloknál tapasztaltaktól eltérõen az elõtolás határozta meg. Az f = 0,05 0,12 mm tartományban az R a értéke 1,6 µm alatti, tehát igen finom felület érhetõ el, ez a forgácsolási sebesség növelésével v c = m/min tartományban biztosan tartható. A PET jól forgácsolható, de a forgácsalak sokszor fonalszerû volt. Megvizsgáltuk, hogy ugyanazon elõtolásnál a különbözõ forgácsolási sebesség függvényében hogyan változott R a értéke. Azt kaptuk, hogy a v c -tõl függetlenül tartható a felületi érdesség, ami eltér az acélok viselkedésétõl. Kis elõtolás-tartományban (f = 0,05 0,12 mm) esztergálással elérhetõ, tartható az alkalmazott forgácsolási sebességekkel (v c = m/min) az R a 1,6 µm finomságú felület. A PEEK szintén jól forgácsolható, a forgács a felületrõl egyenletesen választódott le. Kis elõtolásokkal jó felületi érdesség érhetõ el (R a 2 µm), amely a forgácsolási sebesség növelésével nem változik. Ezek után az egyélû szabályos élgeometriájú szerszámmal forgácsolt felületek minõségét értékeltük. Meg kívántuk állapítani, hogy az acélok esztergáló megmunkálására alkalmazott összefüggés (Bauer-féle formula): e 2 f Re = 125 r ahol R e az elméleti érdesség [µm]; f az elõtolás [mm]; r e a lapka csúcssugara [mm]) mennyire használható mûanyagok forgácsolásakor a várható valós érdesség elõre évfolyam, 10. szám

3 1. ábra. Az átlagos érdesség a forgácsolási sebesség és az elõtolás függvényében azonos fogásmélységgel különbözõ mûszaki mûanyagok esetén. a öntött poliamid; b poli(etilén-tereftalát); c poli(oxi-metilén); d poli(éter-éterketon) jelzésére [10]. Továbbá vizsgáltuk a megmunkálási paraméterek (v c, f) hatását az érdességi profil legjellemzõbbnek tartott paramétereire (R a, R z ). A forgácsolás során az elõtolás hatásának vizsgálatát a felületi érdességre az R f diagramok mutatják. Korábbi vizsgálataink során azt tapasztaltuk mind a négy mûanyagfajta esetében az acéloktól eltérõen, hogy a forgácsolási sebességnek a vizsgált tartományban (v c = m/min) a felületi érdességi profil magasságirányú jellemzõire nincs számottevõ hatása. A mûanyagok forgácsolása során a felületi egyenetlenséget meghatározó R a, R z értékét döntõen az elõtolás befolyá- 2. ábra. Az elméleti és a mért felületi érdesség az elõtolás függvényében a vizsgált mûszaki mûanyagok esetén. a PA 6; b POM C; c PET; d PEEK; v c = 200 m/min évfolyam, 10. szám 421

4 solta. Ezért, a terjedelemre való tekintettel, a vizsgálatba bevont mûszaki mûanyagoknál egy kiválasztott forgácsolási sebesség esetén (v c = 200 m/min) értékeltük az eredményeket (2. ábra). PA6 esetén a mért érdesség az elméleti érdesség (R e ) görbéjétõl jelentõsen eltér. Az eltérés f = 0,05 0,08 mmnél igen nagy, %. Az egyenetlenség magasság (R z ) eltérések az elõtolás növelésével f = 0,2 0,3 mm tartományban 5 14% között mozognak, f = 0,3mm felett 6 11%, azaz az eltérés az elõtolás növelésével csökken. POM esetén az R z érték az elõtolás növelésével az R e elméleti érdességhez szorosan illeszkedik, az eltérés 1 173%, összességében itt kisebb, mint a többi mûszaki mûanyagnál. A mért érdességi értékek az acélok viselkedésétõl eltérõen jól egyeznek az elméletivel. PET esetén az egyenetlenség magasság (R z ) értéke nagyobb elõtolásoknál szorosan illeszkedik az elméleti (R e ) érdességhez. A v c = 200 m/min forgácsolási sebesség mellett a kis elõtolás-tartományban (f = 0,05 0,08) az R z értéke 185%-kal nagyobb, mint a számított R e. Az f = 0,12 0,4 mm elõtolásoknál a mért érdesség értéke az elméleti értékkel közel megegyezõ, csak kisebb eltérés jellemzi (3 7%). PEEK esetén az egyenetlenség magasság viszonylag szabályosan követi az elméleti érdességet, de az R z értékei minden elõtolásnál meghaladták az R e elméleti érdesség értékeit (19 275%). A kisebb elõtolásoknál kevésbé volt tapasztalható az egyre növekvõ érdességkülönbség, viszont az R z és R e között nincs átmetszés A 3D-s mikrotopográfiai vizsgálati jellemzõk A mikrotopográfiai vizsgálatokat a PEEK esztergált felületén hajtottuk végre. A választás azért erre a mûanyagfajtára esett, mert ennek megmunkált felületén apró, pontszerû hibák jelentkeztek, melyek nagymértékben befolyásolták a felület minõségét. A megmunkálás paraméterei az alábbiak voltak: forgácsolósebesség (v c ) 400 m/min, elõtolás (f) 0,08; 0,125; 0,2; 0,315 mm, fogásmélység (a) 1 mm, a = 2 mm munkadarab méretei: ø mm, a szerszám csúcssugara (r ε ) 0,8 mm hûtést a megmunkálás során nem alkalmaztunk. Az elõvizsgálatokat az esztergálással megmunkált felületen végeztük el Perthometer-Concept típusú tapintófejes mûszerrel. A topográfiai kép kialakítása 2 2 mm-es területen egymástól meghatározott távolságra (jelen esetben 4 µm) lévõ profilmetszetek létrehozásával történt. A felületekrõl JEOL JSM 5310 típusú pásztázó elektronmikroszkóppal készültek a SEM felvételek [11, 12]. A 3. ábra az a = 1 mm fogásmélységgel megmunkált felület elektronmikroszkópos képét mutatja, melyen jól megfigyelhetõk a jellegzetes megmunkálási nyomok, valamint a felület hibái, eltérései. Növelt csúcssugarú 3. ábra. Esztergált PEEK felületének SEM képe (nagyítás 50 ) és topográfiája (f = 0,2 mm; a = 1 mm) szerszámmal végzett esztergáláskor a PEEK próbatest felületén apró lyukakat figyeltünk meg. Ezek az anyagkiszakadások a megmunkált felület minõségét jelentõsen befolyásolták. Megállapítottuk, hogy a felületi hibák az r ε = 4. ábra. Esztergált PEEK mûanyag felületének SEM képe és topográfiája (f = 0,2 mm; a = 2 mm) 0,8 mm rádiuszú évfolyam, 10. szám

5 kés alkalmazása miatt keletkeztek, ezért tehát a PEEK megmunkálásakor nem érdemes ezt használni. A 4. ábraaz a = 2 mm fogásmélységgel megmunkált felületrõl készült, melyen jól kivehetõk a szerszám által hagyott jellegzetes megmunkálási nyomok. Megfigyelhetõk a felület legapróbb részletei, a kagylószerû kiszakadások, melyek a megmunkálási nyomban keletkeznek egymástól nagyjából azonos távolságra. A nagyobb fogásmélységgel megmunkált felületen az anyagkiszakadások száma nõtt és jellemzõen mélyebbek, kedvezõtlenül befolyásolva a felületi minõséget. Következésképpen poli(éter-éterketon) esetén nem a forgácsolási paraméterek megválasztása okozta a felületi hibákat, hanem a növelt rádiuszú szerszám. Az r ε = 0,8 mm csúcssugarú késsel rutinból nem érdemes esztergálni a PEEK mûanyagot. 4. Összefoglalás A forgácsolási kísérletekkel és a megmunkált felület mikrogeometriai vizsgálatával értékes tapasztalatokat szereztünk a mûszaki mûanyagok esztergálásáról, melyek alapján jellemeztük a kiválasztott mûanyagfajták (PA6, POM C, PET, PEEK) forgácsolhatóságát, a keletkezett felület minõségét. A publikációban felvetett megállapítások arra ösztönöznek, hogy a forgácsolási paraméterek kiterjesztésével a kutatómunkát folytassuk, és így a mûszaki gyakorlat számára is hasznos eredményeket érjünk el. Irodalomjegyzék [1] Palásti-Kovács, B.; Czifra, Á.: Forgácsolt felületek mikrogeometriája és mikrotopográfiája. Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek, No. 2, (2002). [2] Czifra, Á.: A felületi mikrotopográfia vizsgálata, BME- GÉK, Diplomamunka, Budapest, [3] Kalácska, G.: Mûszaki mûanyagok gépészeti alapjai, Mineva-Sop, 1997, 62. oldal. [4] Füzes, L.; Kelemen, A.: Mûszaki mûanyagok zsebkönyve, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1989, oldal. [5] Kalácska, G.: Mûszaki mûanyag féltermékek forgácsolása, Quattroplast Kft., Gödöllõ, 2005, oldal. [6] Sagdic, M.; Dubbert, F.: Spanende Bearbeitung von Kunststoffen. Bildschirmpresentation, LBK, FSM-02, [7] Southard, G.: High performance thermoplastics. Materials, properties and applications, The IAPD Education Committee (Module 5), [8] Farkas, G.: A megmunkálási körülmények hatása a felületi mikrogeometriára mûszaki mûanyagok esztergálásakor, Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek, No. 1., 9 12 (2007). [9] Farkas, G.; Kalácska, G.: Felületi mikrogeometria vizsgálata forgácsolással megmunkált mûanyagok esetén. Gép, 8/4, 7 12 (2007). [10] Man ková, I.; Ben o, J.; Marková, G.; Melcher, M.: Assessment of surface roughness produced by turning and grinding, MicroCAD 2006 International Scientific Conference, Miskolc, March 2006, pp [11] Kovács, K.; Palásti-Kovács, B.: Mûszaki felületek mikrotopográfiájának jellemzése háromdimenziós paraméterekkel. I. A háromdimenziós topográfiai paraméterek áttekintése, Gépgyártástechnológia, No. 8, (1999). [12] Pozsgai, I.: A pásztázó elektronmikroszkópia és elektronsugaras mikroanalízis alapjai, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, évfolyam, 10. szám 423