1. A megmunkálási módok osztályozása

Átírás

1 1. A megmunkálási módok osztályozása Bővebb értelmezésben: - tömeg csökkentő (anyagszétválasztó) - tömeg megtartó - tömeg növelő Alaptechnológiák: - forgácsolás - képlékeny alakítás - egyéb pl. forgácsoló megmunkálások pl. hőkezelések, öntés, szinterelés pl. bevonatolás, hegesztés, ragasztás A forgácsoló eljárások osztályozása sokféle szempont szerint lehetséges a) Szerszámgép (megmunkálási mód) alapján - esztergálás - fúrás - marás - gyalulás - köszörülés - stb. b) Szerszám élgeometria alapján - határozott élű szerszámokkal - határozatlan élú szerszámokkal c) A leválasztott forgács elméleti jellemzői alapján - forgácskeresztmetszet állandó változó - a forgácsleválasztás jellege folyamatos szakaszos d) Az alakképzés geometriája alapján - profilozás ( a szerszám alakjának negatívja alakul ki a munkadarabon) - generálás,lefejtés: a szerszám él és a mdb relatív mozgása alakítja ki a felületet - (másolás): mesterdarab alakját követi a szerszám e) A megmunkálás mozgásviszonyai (főmozgás) alapján - egyenesvonalú - forgó - rezgő - stb. f) A a hsznosított energia tipusa alapján - mechanikai - hő (elektro-termikus) - kémiai - elektro-kémiai

2 2. Kükönleges megmunkálások Kükönleges megmunkálások felosztása - Kifejlesztésüket a megmunkálandó anyagok fejlődése indikálta - anyagválasztás anyagkészítés Új anyagszétválasztási technológiák - A szerszám (ha van) nem kell keményebb legyen a munkadarabnál - Különböző energia formák hasznosítása: - Mechanikai Különleges megmunkálás: - Hő - Kémiai Fizikai folyamatuk lényegében vagy - Elektrokémiai folyamatjellemzőkben jelentősen különböznek a hagyományos eljárásoktól 2.1. Elektroeróziós megmunkálások (Szikraforgácsolás, EDM Electro Discharge Machining) Hőenergiát hasznosító eljárás (A hőenergiát különféle módokon hozhatjuk létre, e szerint különböztetjük meg az eljárásokat) Elektroeróziós megmunkálások Erózió: Külső hatásra létrejövő jelentős mértékű roncsolódás Elecktro-erózió: Elektromos kisülés hatására jön létre - szokták ezt az eljárást az ún. villamos megmunkálások közé is sorolni - a villamos energiát nem mechanikaivá alakítja, hanem hőenergiává - az anyagleválasztásra fordított hányad kevés, a hatásfok kicsi - csak villamosan vezető anyagok munkálhatók meg így - szerszáma: elektróda, a mechanikai tulajdonságok nem fontosak - vezetőképesség - hőkapacitás - olvadáshő - szikrakisülés - ívkisülés Kisülések szabályozása hatására megy végbe Elektroeróziós megmunkálás

3 Szikraforgácsoló rendszer elemei Szikraforgácsolás: - elektródákat (T W) egyenfeszültségre kapcsol - dielekrikumba (szigetelő folyadékba) merülve - kisüléssorozat létrehozása az elektródák között 1: dielektrikum 2: előtoló mű 3: generátor E: szerszám W: munkadarab Az anyagleválasztás folyamata szikraforgácsoláskor A szikraforgácsoló rendszer elemei Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése - feszültség kapcsolása az elektródákra - potenciálkülönbség létrejötte a dielektrikumban az elektródás között (80-250V) - ionizáció a folyadékban (a) - a szigetelő átüt, vezető csatorna jön létre (szikra, ív) (b, c, d) -az ív hőmérséklete nő (10000K), gázbuborék keletkezik (c, d, e) - az anyag megolvad, gőzzé válik, szétfröccsen (e) - az ívfeszültség gyorsan esik, az energia utánpótlás megszűnik, a kisülési csatorna összeomlik, a gázbuborék szétrobban (f) - a megolvadt fém apró cseppekben szilárdul, kényszeröblítés - deionizáció, a teljes ciklusidő ~ 10-50µs

4 Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése a) A szikraforgácsoló gép gerjesztése A megmunkálási ciklust ún. impulzusgenerátorokkal vezéreljük - vezérelt impulzusgenerátor a generátor egyenfeszültségét tranzisztor és kapcsoló segítségével visszük az elektródákra - relaxációs generátor (olcsó) kapcsoló és tároló elemként kapacitást és induktivitást alkalmaznak - számítógépes vezérlés Szükséges tulajdonságok: b) Dielektrikum - kis vezetőképesség (kisebb távolságnál jön létre a kisülés, nagyobb energiasűrűség, jobb leképzés) - viszkozitás: nagyoláshoz nagy simításhoz kicsi - ne legyen egészségre ártalmas, - nagy forráspont ill lobbanáspont - anyaguk jellegzetesen: petróleum bázisú paraffinok vagy deionizált víz (kis furatok pl.) -hűteni és szűrni kell - a munkatérben mindig friss kel (áramoltatás) Öblítési technikák Normál Sugár Fordított Rezgetéses

5 Szükséges tulajdonságok: - magas olvadáspont - jó elektromos vezető - könnyen megmunkálható c) Szerszám elektróda Leggyakoribb szerszámanyagok: - vörösréz, sárgaréz -grafit A grafit napjainkban kezdi kiszorítani a rezet: Hőtágulási együtthatója a negyede a rézének, (alak és mérethűség) Sűrűsége ötöde a rézének, (könnyebb) Leválasztóképessége 1,5-3 szor nagyobb Az elektróda kopása Kisebb a kopása Nagyobb méretek alakíthatók ki belőle Nagyobb hősokkal szembeni ellenállás Megmunkáhatósága sokkal könnyebb - mennyiségi - sarok - frontális - oldal A grafit szublimál 3550 C-on, fekete füstfellegek kísérik a EDM-et d) Technológiai jellemzők Technológiai jellemzők - a leválasztott anyagrész annál nagyobb, minél nagyobb a kisülés energiatartalma - anyagáram, mm 3 /min, időegység alatt leválasztott anyag - az elektróda relatív kopása, %, elektróda kopás/mdb fogyás általában <10% elérhető (van példa 2 %-ra is) -áramerősség: I v - ciklusidő: t i Egyszeri szikrakisülés okozta kráter fémfelületen

6 Az áramerősség hatása a relatív kopásra e) A felület minősége - irányítottság nélküli kráterek áthatása Az optimumérték 3-4 A áramerősségnél van d, h (R max ) méretekkel jellemezhető - a felületi rétegben jelentős változások történnek - a ciklusidő és az áramerősség befolyásolja elsősorban Az áramerősség és a ciklusidő hatása a felület érdességére Azonos energia esetén I e növelésével d csökken, h nő t c növelésével d nő, h csökken

7 A felület alatti rétegek tulajdonságai A hőhatás zónájában megváltozik a szövetszerkezet ill. az anyag tulajdonsága pl. edzett acél - Felület nagyon kemény - Maradófeszültség: az ujraszilárdult rétegben húzó, alatta nyomó (kedvezőtlen) - Rossz kifáradási tulajdonságok - Felületi réteg hálós repedésének veszélye f) A megmunkálás pontossága Elsősorban az alkképzés pontosságát értjük alatta. Több tényező befolyásolja: - a gép kinematikai pontossága - beállítás pontossága - szerszám gyártási pontossága - hő okozta deformációk - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás g) A szikraforgácsolás változatai Valódi változatok: - tömbelektródás - huzalelektródás Huzalos szikraforgácsolás - huzal: 0,05-0,3 mm átmérőjű vörös- vagy sárgaréz - szigetelő folyadék: deionizált víz - a huzal lassan fogy, pótolják - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás Ma már CNC vezérlésűek Léteznek kombinált berendezések is.

8

9 2.2. Lézer sugaras megmunkálások Lézersugárzás: 1917 Einstein elmélete Az első ipari lézereket (rubin és He Ne lézerek) 1960 ban alkalmazták. Ipari megmunkálások: vágás, fúrás, hegesztés, feliratozás, hőkezelés, átolvasztás, felületi mikroötvözés Lézer: nagy energiasűrűségű (koncentrált), párhuzamosított fénynyaláb, mintha végtelenben lévő fényforrásból jönne, kis átmérőben szabályozható. (LBM, Laser Beam Machining) Lézersugár előállítása Energia bevitellel (fény, hő) gerjesztjük az atomok, molekulák, ionok elektronjait, vagy megváltoztatjuk a molekulák rezgési állapotát. A gerjesztett elektronok magasabb energianívójú elektronpályára kerülnek. Az alapállapotba történő visszatérés során a két elektronpálya energiakülönbségének megfelelő hullámhosszúságú fényt sugároznak ki. A kisugárzott fényt rezonanciával erősítjük (a lézerkamra a hullámhossz felének egész számú többszöröse, egyik vége teljesen visszaveri a fényt, a másik részlegesen). Jellegzetes ipari lézer fényforrások Rubin lézer Nd YAG lézer (Neodímium Yttrium Alumínium Gránát) CO 2 lézer csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével. Rubin lézer amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani kezd. a két tükör miatt a kilépő fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi.

10 Jellegzetes ipari lézer fényforrások CO 2 lézer elektromos gerjesztés (hő) A lézerfény jellemzői Párhuzamos fénynyaláb (egy közönséges izzóval ellentétben). Monokromatikus, mivel a gerjesztett atomok meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsátanak ki (a közönséges izzó fehér fénye különböző frekvenciájú sugárzások keveréke). Polarizált (egy síkban rezgő) fény. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban. A lézerfény teljesítménysűrűsége nagy (a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet). A lézerek hatásfoka nagyon kicsi (0,1 18%). A lézerfény tulajdonságai Lézerek alkalmazása Nem befolyásolja a mágneses tér. Nem szükséges, hogy a munkadarab elektromos vezető legyen. Minden anyaggal kölcsönhatásba lép (fém, műanyag, fa, kerámia). Működéséhez nem kell vákuum. Nem keletkezik röntgen sugárzás. Megmunkálások: Vágás Fúrás Hegesztés Jelölés, gravírozás Felület strukturálás Marás, üregképzés Ötvözés, hőkezelés Bevonás Speciális alkalmazások: Prototípus gyártás (SLA, SLS, LOM..) Speciális bevonatok (LCVD,..) Képalkotás, optika Spektroszkópia Mérés Lézer sebészet Lézer fogászat

11 A lézersugaras megmunkálások lényege A lézeres megmunkálások során a foton energiáját visszük át a céltárgyra termikus vagy fotokémiai energia formájában. Az energia átvitel eredményeként a céltárgy anyaga megolvad, és az olvadékot gázsugárral eltávolítjuk, vagy közvetlenül elpárologtatjuk. A lézeres megmunkálások lokalizált, kontaktusmentes eljárások, az erőhatások mikro skálán mozognak (a foton nyomás hatása elhanyagolható). A lézeres megmunkálógépek felépítése lézersugár előállítása sugárvezetés sugárformálás, fókuszálás kezelés (relatív mozgás) A relatív mozgás többféleképpen is megoldható Mozgató rendszerek Lézersugaras vágás nagy energiasűrűségű, erősen fókuszált (d=0,1 mm) koherens fény hatására a fém megolvad és részben elpárolog vagy elég, az energia s alatt hővé alakul, vágási sebesség: 1 10 m/min, energiasűrűség: W/mm 2, a munkagáz (pl. argon, nitrogén) a megolvadt anyagot kifújja, vékony vágórés, relatíve keskeny hőhatás zóna

12 Lézersugárral megmunkálható anyagvastagságok Lézersugaras technológiák acél: 15 (20) mm műanyag. 25 mm Lézersugaras technológiák Lézersugaras technológiák Lézersugaras fúrás Lézersugaras hegesztés

13 Lézersugaras technológiák 2.3. Plazmasugaras megmunkálások (Plasma Beam Machining, PBM) Lézersugaras gravírozás Plazma nagy energiaállapotú gáz az anyag negyedik halmazállapota ionok és elektronok halmaza egyenáramú ív segítségével állítják elő 10 7 K hőmérséklet hozható létre Plazma előállítása A plazmavágás berendezései elektróda ( ) általában wolfram munkadarab (+) kettő között ív jön létre a részecskék ütköznek a gázatomokkal, ionok jönnek létre vágógáz és védőgáz hozzávezetés gáz: ne legyen eróziós hatása, ne károsítsa az elektródát és a fúvókát

14 A plazma sugár hőmérséklet eloszlása (4 mm re a kilépéstől) Plazmával segített forgácsolás 2.4. Elektronsugaras megmunkálások (EBM, Electron Beam Machining) A munkadarabra irányított sugár felgyorsított elektronokból áll, melyet élesen fókuszálnak. Az elektronsugár mozgási energiája becsapódáskor hőenergiává alakul, helyi felmelegedést okoz. A felületi réteg megolvad és elgőzölög még mielőtt a fejlődött hő vezetés útján az anyagba jutna. Az elektronsugár elektromágneses tér segítségével jól fókuszálható, gyorsan mozgatható, mozgása programozható. Hátránya hogy az elektronsugár a levegő nitrogén és oxigén molekuláival ütközve szétszóródik és így csak vákuumban alkalmazható. Ipari megmunkálások: Használják: polimerizálásra, felületi edzésre, hegesztésre, fúrásra, vágásra, marásra, gravírozásra. Ezzel megmunkálható az acél a gyémánt a kerámia az üveg a kvarc stb. Finommechanikában, mikroméretű megmunkálásokra, vékony rétegek lemunkálására.

15 Kibocsátja az elektronokat (katódsugárcső) katód: volfrám, tantál felgyorsítja az elektronsugarat km/s (a fénysebesség 66% a!) elektromágneses mező: kis (<30 kv) és nagyfesz. (>100 kv) rendszerek fókuszálja a munkadarabra (elektromágneses lencse ) nagy energiasűrűség (1 MW/mm 2 ) röntgen sugár veszély Elektron ágyú A vákuum feladata csökkenti a szennyeződéseket (hatása azonos a tiszta argonéval) megakadályozza a levegőt alkotó gázok molekuláival való ütközéseket megakadályozza az égést Elektronsugár vákuumban Elektronsugár levegőben Precíziós finommegmunkálásokhoz: pl. finomfúrás ( <10μm) Elektronsugaras megmunkálások alkalmazása Speciális szűrők készítése (saválló acélból) Fémek (Ti ötvözetek) és nemfémek, ultrakemény, rideg és törékeny anyagok (kerámiák, zafír, kvarc) precíziós fúrása lemezvastagság 0,01 5mm a munkadarab a másodperc milliomod része alatt 1000 C ra hevül, helyi olvadás és elpárolgás az üreg belsejében kialakult nagy nyomás ki és felfelé préseli az olvadékot a lyukból, rendkívül pontos, kis átmérőjű furatok a sugár könnyen eltéríthető hátrány: vákuum kell

16 Az elektronsugaras megmunkálás energiasűrűsége 2.5 Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) A kémiai megmunkálások a marandó munkadarab és a marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak. Az anyagleválasztás tehát közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség áramforrásra. A folyamatokat legfeljebb hevítéssel vagy keveréssel intenzifikáljuk. Elsősorban agresszív maró anyagok alkalmasak. Alumínium, színesfémek és nemfémek (pl. üveg megmunkálására alkalmasak). Nem nagyméretű alkatrészek gyártásakor.

17 2.5 Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) Maratás A megmunkálandó munkadarab felületet a megfelelő marószerrel közvetlen kapcsolatba kell hozni. Amelyeket nem akarunk megmunkálni, a marószer elől el kell takarni. Az alkatrészek felülettel párhuzamos rétegeinek meghatározott helyen való eltávolítására ill. vékony lemezek külső kontúrjának, áttöréseinek kialakítása. Megmunkálás lényege: fémből készült munkadarabot megfelelő marószerbe helyezzük, a felületük és az oldószer (marószer) között kémiai folyamatok játszódnak le, a reakció termékek eltérő tulajdonságaik révén leválnak a felületről, ezzel biztosítva a további felületelemek marószerrel való érintkezését. 2.5 Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) 3.1. Maratás Technológiai paraméterei: A munkadarab és a vegyszer anyaga elsősorban ez határozza meg a merítés időtartama a hőmérséklet Oldószerként acélnál: sósav, kénsav, foszforsav keveréke üvegnél: hidrogénfluorid (folyékony üvegszerű, fényes gázállapot matt ) Takaráshoz: acélnál: tisztítás után különböző állapotú gumi, amit rászárítanak üvegnél: viasz, parafin Védő réteggel részben fedett felületeknél a bevonat határánál alámaródás tapasztalható (maratás mélységével egyezik meg). Maratás 2.5 Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) Maratás 2.5. Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) Pontosság: elsősorban a munkadarab pontossága határozza meg Felület minősége Érdesség: munka jellegéből adódóan nem lényeges közelítőleg eredeti felületnek felel meg Felületi réteg állapota : változásokat (keménység, szövetszerkezet, felkeményedés) a megmunkálás (!) nem okoz. Kifáradást rontó tényező nincs. Leggyakoribb alkalmazása: finommechanikában, műszertechnikában főként vékony (néhány tized mm vastagságú) lemezekből készült, bonyolult alakú alkatrészeket gyártása üveg maratás Leggyakoribb alkalmazása: finommechanikában, műszertechnikában főként vékony (néhány tized mm vastagságú) lemezekből készült, bonyolult alakú alkatrészeket gyártása üveg maratás félvezetőtechnika nyomatott áramkörök készítése homogén és heterogén szövetszerkezetek vizsgálata, egyes fázisok megkülönböztetése és a szemcsehatárok láthatóvá tétele

18 2.5. Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) Kémiai polírozás Megfelelően választott erős savba mártott érdes felületről a csúcsok lemaródnak, míg a mélyedésekben az anyag nem oldódik. Ennek oka, hogy a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a ph értéke is), a mélyedésekben passziváló hártya képződik, amely gátolja a fém oldódását. Túlmaratás lehetséges! 2.5. Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining) Kémiai polírozás Az egyenlőtlen maródás következtében a felület fokozatosan simább lesz, fényesedik. Polírozáshoz általában foszforsav salétromsav ecetsav megfelelő keverékét használják. Leggyakoribb alkalmazási területe : különböző munkadarabok fényesítése.

19 2.6 Elektrokémiai megmunkálások (Electron Chemical Machining, ECM) A folyamat lényege az un. anódikus oldódás Anód (+): töltéscsere fémleválás O 2 keletkezik Katód ( ): töltéscsere H 2 keletkezik Elektrolit: NaCl vizes oldata csapadék keletkezik (Fe OH) hőfejlődés csak a vizet kell pótolni az intenzitás az áramerősségtől függ Az elektrokémiai megmunkálások előnyei: A szerszámkopás elmaradása. Az alacsony megmunkálási hőmérséklet. A szövetszerkezeti változások elmaradása. 1. Elektrokémiai süllyesztés 2. Elektrokémiai sorjátlanítás 3. Elektrokémiai polírozás 4. Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Jellegzetes eljárások Elektrokémiai süllyesztés vázlata Elektrokémiai süllyesztés Elektrokémiai süllyesztés Szerszám (katód): vörösréz, sárgaréz vagy rozsdaálló acél A szerszámba furatokat készítenek, ezeken keresztül vezetik be az elektrolitot mintegy bar nyomáson. Az elektrolit áramlási sebessége a munkahézagban m/s. NaCl molekulái felbomlanak, nátrium + víz nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 anód: vas oldódik, vasklorid 2 Cl + Fe FeCl 2 a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2 NaOH + 2FeCl 2 2 NaCl + Fe(OH 2 )

20 Elektrokémiai süllyesztés Jellemző adatok (techn. adatok): Elektrolit: NaNO 3, NaCl, KCl, HNO 3 vizes oldata Munkafeszültség: 5 20 V Áramsűrűség: 0,1 4 A/mm 2 Munkarés (s): 0,05 1 mm v f előtolósebesség: 0,2 10 mm/min Anyagáram: 1 2,5 mm 3 /A min Jellemzői: A munkakéregből a vashidroxidot tartalmazó elektrolitot elszívjuk, tisztítás és szűrés (ülepítés) után az elektrolitot ismét visszavezethetjük az elektrolit tartályba. A katód, az elektrolit nátriumklorid része nem fogy; a víz fogy utánpótlás + koncentráció biztosítás. Elektrokémiai süllyesztés Jellemzői: A katódon hidrogén válik ki, robbanásveszélyes gázbuborék formájában... csökken az anyagleválasztási sebesség. Öntöttvas acélok megmunkálásakor az ionsav gyakran mérgező anyagokat tartalmaz környezetvédelmi utasítások. Elektrolit elektromos ellenállása miatt hő keletkezik, hűtésről gondoskodni kell. Felületminőség: igen kedvezően alakul ausztenites, saválló, rozsdamentes acéloknál Rmax < 1 μm szénacélok Rmax = 5 10 μm szemcseszerkezet nem szenved változásokat jól tükrösíthető Alkalmazási terület: Nagy keménységű, nehezen megmunkálható anyagok. Néhány nemesfém és nem nemesfém (karbidok miatt) nem. Elektrokémiai süllyesztés Elektrokémiai sorjátlanítás Elvi vázlat Hatásmechanizmus azonos az elektrokémiai süllyesztéssel, de nincs előtoló mozgás. Az elektródákat a munkafeszültség bekapcsolása és az elektrolit hozzávezetése előtt megfelelő távolságra (0,5 1 mm) beállítjuk A szerszám nem dolgozó részeit szigeteljük.

21 Elektrokémiai sorjátlanítás Elvi vázlat Munkadarabot elektrolittal megtöltött kádba helyezzük. Elektrokémiai polírozás Elektródok közötti távolság lényegesen nagyobb mint elektrokémiai süllyesztésnél. Az áramerősség a csúcshatás és a kis elektródaköz miatt a kiálló sorjánál (csúcs hatás) a legnagyobb. Faraday törvény itt a legnagyobb az anyagleválasztási sebesség is. Az elektródák megfelelő kialakításával, különösen bonyolult alakoknál, nagysorozat és tömeggyártásban rendkívül gazdaságosan alkalmazható. Következmény: + áramsűrűség nagyon alacsony + mdb. felületéről nagyon vékony réteg válik le + az áramsűrűség a mdb. érdesség csúcsain nagyobb (mélyebb rétegeket az elektroliton képződő sófilm tölti ki + a felület egyenetlenségei fokozatosan lemunkálódnak, a felületi érdesség javul Elektrokémiai polírozás Elektrokémiai polírozás Speciális alkalmazások, finom felületek létrehozása. kiindulási állapot durva sorjátlanítás csiszolással 10 perc elektro polírozás Orvosi implantátumok (térdízület)

22 Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Anódmechanikai megmunkálás A hagyományos köszörülés és az elektrokémiai anyagleválasztás kombinációja. Az elektrokémiai megmunkálás előnyeit (szerszámkopás elmaradása, az alacsony megmunkálási hőmérséklet, szövetszerkezeti változások elmaradása) a köszörülésre tudjuk átültetni. Szerszám: fémkötésű (elektromosan vezető) köszörűkorong A mdb. felületén keletkező anód filmet (amely az elektrokémiai oldást hátráltatja) a mozgó szemcsék eltávolítják. Elektrokémiai köszörülés (elizálás) szerszám: abrazív szemcsék, pl. bórnitrid (szigetel) fémes kötőanyagban (vezető) alapvetően anódos megmunkálás a szemcsék csak a leválasztott anyag eltávolításában segítenek fontos a megfelelő résméret biztosítása 1: csiszoló szemcsék 2: fémes kötőanyag 3: munkadarab 4: fellazított réteg 5: elektrolit Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Alkalmazás: keményfém szerszámok élezése nagy sorozat és tömeggyártásban alakos keményfém élezése NC köszörűgépen komplex profilok kialakítására kemény anyagok (zsugorított karbidok, alaktartó ötvözetek: Inconel, Nimonic, titánötvözetek, fémkompozitok: Al Al 2 O 3 ) megmunkálása Speciális szerszám elektródokat használnak polikristályos gyémánt (PCD) csiszolóporral

23 Speciális alkalmazás: Elektrokémiai korongszabályozás Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Az áramerősség hatása az elektrokémiai megmunkálások jellemzőire fordított polaritás elektrokémiai úton a korong fém kötőanyagát oldja, a szemcsékre nincs hatással minden szemcse hasznosan, a megmunkálás során kopik el, majd a kopott szemcse kihullása biztosítja az új, éles szemcsék felszínre kerülését az intenzitást (a kötőanyag oldásának sebességét) az áramsűrűség (A/m 2 ) értéke határozza meg, amit az anód katód távolságával (az elektrolit réteg vastagságával) állíthatunk be folyamatosan, megmunkálás közben is alkalmazható, kiküszöbölve a korong szabályozása által igényelt holtidőket 2.7. Ultrahangos megmunkálás (USM) Ultrahang: azok a hangok, amelyek az emberi hallásküszöb, azaz 20 khz feletti frekvenciatartományba esnek. Két csoportra osztjuk az ultrahangot, aszerint, hogy a hang intenzitása 1W/m 2 nél kisebb vagy nagyobb. Eszerint: aktív ultrahangok, 1 W/m 2 nél nagyobb intenzitás esetén, passzív ultrahangok, 1 W/m 2 nél kisebb intenzitás esetén. Ultrahang: 2.7. Ultrahangos megmunkálások Rugalmas közegben terjedő mechanikai hullám - terjedésükhöz közvetítő közeg kell - a közegek határától visszaverődnek - a jellemző ultrahang frekvencia: 16 khz MHz - hallható: 20 Hz - 20 khz. - infrahangok: 20 Hz alatt - energiasűrűség: 10W/cm 2 - ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm 2 hangenergia mérhető, ágyút kell elsütni egyszerre Gázban, folyadékban: longitudinális hullám, szilárd anyagokban emellett transzverzális és tágulási hullámok is jellemzőek

24 Aktív ultrahangokat aműszaki életben megmunkálásra (forgácsolás, vágás, hegesztés, forrasztás, hőfejlesztés, gáztalanítás, tisztítás, stb.) alkalmazzák. Ilyenkor a mechanikus rezgés munkavégző képességét használják ki. Passzív ultrahangokat elsősorban a mérés és híradástechnikában, valamint a katonai felderítésben alkalmaznak. Az ultrahangok (általában) longitudinális, azaz hosszirányú hullámok, melyek az átvivő közeg molekuláinak gerjesztésével terjednek, elhanyagolhatóan kicsi csillapítással. A levegőben az ultrahang hangsebességgel terjed (20 C on 343 m/s). A terjedési sebesség a közvetítő közegtől függ: acél és alumínium: 5100 m/s, beton: 3800 m/s, víz: 1460 m/s. Aktív ultrahangok alkalmazási területe elsősorban a kemény, rideg anyagok megmunkálása: o üveg o zafír o korund (alumínium oxid) o ferrit o PCD (polikristályos gyémánt) o piezokerámia o kvarc o szilícium karbid bevonat o műszaki kerámia Ultrahangos anyagleválasztás: Ultrahangos anyagleválasztás animáció: 1. Munkadarab 2. Rezgő szerszám 3. Csiszoló szuszpenzió Víz vagy olaj + csiszoló anyag (30 60 %) Csiszoló anyag: legjobb a gyémánt lenne (drága!), bór karbid (B 4 C) vagy szilíciumkarbid (SiC), esetleg alumínium oxid (Al 2 O 3 )

25 Ultrahangos megmunkálógépek Ultrahangos anyagleválasztó berendezés elvi felépítése: Magnetosztriktor és koncentrátor Piezoelektromos generátor Koncentrátor kialakítások Ultrahangos megmunkálás paraméterei 1. A szerszám oszcilláció amplitúdója (a 0 ) ( µm) 2. A szerszám oszcilláció frekvenciája (f) (19 khz 25 khz) 3. A szerszám előtoló ereje (F) 4. Szerszám anyaga (lágyacél, titán ötvözés) 5. Az abrazív anyag típusa (bórkarbid, szilícium karbid, alumínium oxid) 6. Az abrazív anyag mérete (d) ( um) 7. A szerszám érintkező felület nagysága (A) 8. Az abrazív anyag koncentrációja (C) 9. A munkadarab és a szerszámanyag szilárdságának aránya λ=σ w /σ t

26 Ultrahangos megmunkálás paraméterei Ultrahangos hegesztés: Ultrahangos hegesztés:

27 2.8. Abrazív vízsugaras vágás Az abrazív vízsugaras technológiák történeti áttekintése I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA) 1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar) 1950: vízsugaras tisztítás 1960: a vízsugaras vágás kutatása 1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW) 1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz 1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések 2000: 6000 bar Az abrazív vízsugaras vágás elve Vágófej kialakítások Vízsugaras vágófej

28 A vágófej működési elve A vízsugaras rendszerek elemei 1: nagynyomású víz; 2: elsődleges (vizes) fúvóka; 3: keverőkamra; 4: védősapka; 5: fröccsenő víz; 6: munkadarab; 7: a munkadarabot tartó rács; 8: a kádban lévő víz; 9: a munkadarab már vágott része; 10: abrazív fúvóka; 11: abrazív homok Megmunkáló rendszer A nyomásfokozó z y x Nyomásnövelő szivattyú Abrazív adagoló készülék Abrazív vízsugaras vágófej Rezgős adagoló Munkadarab text Vízsugár energiát elnyelő tartály Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5

29 2.8.4 CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program Formátum konverzió MG Converter Program Elhelyezési terv, szimuláció Nesting Program Különböző alakzatok előállítása Üvegek Kerámiák Fémek Műanyagok

30 Különböző alakzatok előállítása Abrazív vízsugaras vágás Fa Kompozitok Acél Nagy vastagságban is!! pl. 132 mm Abrazív vízsugaras vágás A vágósugarak fajtái Víz Víz Víz Nyomás létrehozása Nyomás létrehozása Abrazív anyag tároló Nyomás létrehozása Abrazív anyag nyomástartó Vízsugaras vágás (WJ) Vízfúvóka Vízfúvóka Abrazív fúvóka Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ) Szívótér (keverőtér) Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ) Szuszpenziós fúvóka Abrazív anyag szuszpenzió

31 2.8.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei A sugár belső struktúrája szuperszonikus sebesség v= m/s Bernoulli törvény: v= 2 p ρ Sebesség és energiaeloszlás a sugárban v: a sugár sebessége p: víznyomás p= MPa ρ: a közeg sűrűsége Kölcsönhatás a környezettel: a koherens sugár sérül a levegő mennyisége növekszik megkezdődik a divergencia a terhelés változhat: statikus dinamikus a környezet elnyeli az energia egy részét Közvetlenül a kilépésnél célszerű forgácsolni! A sugár becsapódásának iránya Injektoros sugár alkotóelemei Becsapódási szög: 0 90 o a) merőleges sugár: ~90 o b) ferde sugár: <90 o c) érintő sugár: ~0 o víz, abrazív szemcsék, levegő Kis vízáram l/min Kis forgácsoló erők, max. 100 N Alacsony hőmérséklet C Nincs károsodás az anyagban Tömegarány Térfogatarány

32 2.8.7 Az anyagleválasztás lényege abrazív vízsugaras vágáskor Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség Szívós erózió Rideg erózió Nagy energiasűrűség Felgyorsult erózió képlékeny alakváltozás nyírással kopás repedések összenövése rideg törés helyi megolvadás (szikrázás) Megmunkálás Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző: HV Jellegzetes vízsugárral vágott felület forgácsolási zóna átmeneti zóna elhajlási zóna Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: K Ic A vízsugaras vágás paraméterei Pontossági kérdések AWJ Berendezés Anyag Eredmény abrazív anyag abrazív mérete abrazív tömegáram fúvóka hossz és átmér ő nyomás vágási sebesség keménység fúvóka magasság repedési tulajdonság keménység szilárdság lemez vastagság anyagleválasztási sebesség tűrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma Az irányváltás okozta pontatlanságok Megmunkálási hiba > 0.1 mm A vágórés lehetséges alakjai (anyag: laminált papír)

33 A pontosság növelése a vágófej döntésével A bevágási mélység értelmezése Változó vágási front α 1 2 α Vágófej döntése az előtolás síkjában Átvágott felület 30 mm W top W i W j W e 1 mm 1 mm v v v v W b,min W b,max β Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen v v Bevágott alumínium ill. üveg Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető Bevágási mélység: k max A technológiai paraméterek hatása a vágórésre és pontosságra A technológiai paraméterek hatása A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző Bevágási mélység Bevágási mélység Nyomás Előtolás Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható Bevágási mélység Bevágási mélység Fúvóka magasság Abrazív áram

34 A technológiai paraméterek hatása Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre ma=6 g/s ma=5 g/s ma=4 g/s 20,00 depth of kerf k, mm 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 p=3000 bar X12Cr13 stainless steel 6, traverse rate f,mm/min Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre f= f=100 depth of kerf k, mm m=400 m=200 m=100 p=300 MPa depth of kerf k, mm m=400 m=200 m=100 p=250 MPa depth of kerf k, mm 40 f= f= f= f= m=400g/min depth ofkerf k, mm 40 f= f= f= f= m=200g/min traverse rate f, mm/min traverse rate f, mm/min pressure p, MPa pressur p, MPa f=100 depth ofkerf k, mm m=400 m=200 m=100 p=200 MPa AlMgSi0,5 depth of kerf k, mm 40 f= f= f= f= m=100g/min AlMgSi0,5 traverse rate f, mm/min pressure p, MPa

35 Különböző anyagminőségek bevágási mélységei A megmunkált felület érdessége depth of kerf k, mm AlMgSi0.5, p=2000 bar marble, p=2000 bar Steel X12Cr13, p=2000 bar AlMgSi0,5 traverse rate f, m/min márvány acél Kétféle lehetséges erózió Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium) Acél: nehézkes szívós erózió, jelentéktelen rideg erózió (200 mm/min) (250 mm/min) A megmunkált felület átlagos érdessége A megmunkált felület átlagos érdessége Saját mérések Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny] p=200, 250, 300 Mpa, m a = 200, 400 g/min surface surface roughness roughness Ra, Ra, um um 77 6,5 6,5 66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3, depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium f=127 f=127 mm/min mm/min garnet garnet ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm= dm= 0,76 0,76 mm mm p=207 p=207 Mpa Mpa p=345 p=345 Mpa Mpa surface surface roughness Ra, Ra, um um depth depth of of kerf, kerf, mm mm aluminium aluminium p=345 p=345 Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25 mm mm dm=0,76 dm=0,76 mm mm garnet garnet ma=3,8 ma=3,8 g/s g/s f=64 f=64 mm/min mm/min f=191 f=191 mm/min mm/min f=254 f=254 mm/min mm/min Ra, um feed rate, mm/min f=100 mm/min Ra ~ 5 8 μm f=300 mm/min Ra ~ 5 10 μm f=500 mm/min Ra ~ 4 10 μm

36 A megmunkált felület érdessége A megmunkált felület érdessége p=250 MPa,m a =400 g/min,f=100 mm/min p=200 MPa,m a =400 g/min,f=300 mm/min R a = 6.03 μm R z =69.41 μm R a = 6.21 μm R z =57.51 μm R a = 6.74 μm R z =68.25 μm p=200 MPa, m a =200 g/min, f=300 mm/min W t =10.70 μm P t = μm W t = μm P t = μm W t =57.60 μm P t = μm 35x 17x A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva f= x AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm f=300 mm/min Abrazív anyagok Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges Gránát homok Olivin Cu salak C salak Kvarc homok Korund Al 2 O 3 SiC Porcelán Szempontok: fizikai tulajdonságok környezeti hatások költséghatékonyság technológiai hatások ár

37 Gránát homok A gránát azon szilikátok (SiO 4 )összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Pl.: almadin pyrope Mg 3 Al 2 [SiO4] 3 andradit uvarovit Ca3Cr 2 [SiO4] 3 Új állapotú gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe 25x 100x andradit kvarc almadin olivin 150x 250x Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe A vízsugaras vágás költséghatékonysága 38x 77x 200x 200x

38 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai Alkalmazási lehetőségek Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása Előny Hátrány széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés) nincs megolvadás és füst termelődés magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges hp t2 hw t1 tw Térbeli alakzatok vágása A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei Többtengelyes robotok alkalmazása Biztonságtechnikai feltételek megoldása

39 A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei További lehetséges megmunkálások Lehetséges műveletek vágás fúrás esztergálás marás Kb. 420MPa Kb. 600MPa Műveleti sorrend sakkfigura készítés Esztergálás Esztergálás Esztergálás A befejező megmunkáláshoz: finomabb abrazív anyag Fogásvétel nélküli megmunkálás

40 Fúrás körpályán mozgó sugárral (vágás) álló sugárral a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos Marás Probléma: A bevágási mélység kézbentartása Korrekt geometria biztosítása nehéz 3D-s megmunkálási kísérletek Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek Marás Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek

41 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei Munkavédelmi kérdések Üzemi nyomás [MPa] Szállított vízmennyiség [l/min] 1. Vízsugaras vágás 2. Falazatok bontása 3. Burkolatok, bevonatok eltávolítása 4. Nagy sík beton felületek gépi eltávolítása 5. Aszfalt érdesítése, eltávolítása 6. Felülettisztítás 7. Bányászat 8. Csatornatisztítás Azonnali orvosi intézkedés szükséges!! Munkavédelmi kérdések

42 4. Élettartam növelő megmunkálások (tartósság növelő) Gépek működésekor igénybevétel felületi felületi réteg belső keresztmetszet Felületi mikrogeometria (érdesség) hatással van a: kopásállóságra fáradási tulajdonságokra feszültséggyűjtés kifáradás működési tulajdonságokra Tartósságnövelő megmunkálások célja: A felületi réteg tulajdonságainak megváltoztatása elsősorban képlékeny alakítással Eredményeként megváltoznak a felületi réteg tulajdonságai: Felületminőség: érdesség (felületi mikrogeometria) keménység maradó feszültségek szövetszerkezet A megmunkált felületet érő hatás szerint a tartósságnövelő megmunkálások lehetnek: felületvasalás felülethengerlés ütőtestes szilárdítás nő a keménység csökken az érdesség nő a hordfelület 4.1 Külső hengeres felület felületvasalása Csúszási súrlódás közbeni jelenségek játszódnak le a vasaláskor, melynek eredményeként: a felületi érdesség csökken (R a ) keménység nő felületi szilárdság nő A forgácsoló technológiák: pl. köszörülés Szuperfiniselés, hónolás tükrösítés a felületi érdességet javítják a felületi réteg szilárdságtani tulajdonságait rontják

43 Gép: Felületvasalás Szerszám: mesterséges vagy természetes gyémánt egyetemes eszterga célgép 1: feszítő csavar 2: mérőóra (erő) 3: szerszám 4: munkadarab Vasalószerszám Gyémánt kemény μ kicsi jó hővezető kicsi a hőtágulása nagyon kis érdességűre munkálható Lehet rugalmas szerszámkonstrukció merev szerszámkonstrukció hengeres gömbalakú R1,2;3, R3, a) b) 1: vasaló gyémánt 2: foglaló fém 3: foglalat Technológiai adatok v c : m/min f: 0,02-0,2 mm/min F: N Felületi érdesség elméleti maximális érdesség: f 2 /8r tényleges elérhető érdesség: 0,04-0,16 μm Kemény anyagokhoz is alkalmazható: pl. edzett acélok (golyóscsapágy acél, HRc) R a μ m Felületi érdesség F, N f, mm/ford v, m/min HVM,MN/m 2 Keménység F, N f, mm/ford v, m/min

44 e e Maradó feszültségek σ m,mn/m köszörülés esztergálás v c = 93 m/min f = 0,08mm/min F= 196 N 4.2 Külső hengeres felület felülethengerlése szerszám: kemény (acél), szférikus vagy gyűrű alakú gördülő súrlódás történik kopásállóság és kifáradási határ javul Jellegzetes gőrgő alakok: esztergálás+vasalás köszörülés+vasalás D g = mm R = 0,5-200 mm l, m Jellegzetes eljárások 1: egygörgős 2: egygolyós 3: kétgolyós 4: kétgörgős 5: kétgörgős ferde 6: kétgörgős simító 7: kétgörgős kúpos 8: golyós + eszt. 9: görgős + eszt. Technológiai adatok v c : m/min F: N pneumatikus hidraulikus rugós Felületi érdesség: Ra= 0,01-1 μm kb. tizedére csökken r f r f

45 Megelőző érdesség Görgő sugara Erő, előtolás Fogások száma R z μ m, R z, µm z 1: eredeti érdesség: R z = 80 μm 2: eredeti érdesség: R z = 40 μm F, N fogások száma A keményedett réteg vastagsága: 0,2-20 mm Függ: a F geometriai viszonyoktól technológiai adatoktól anyagminőségtől 4π 3 = Δ 1+ a + ( + υ) Δl Δl arctg ReH 3 l a a Δl: a képlékenyen alakított réteg vastagsága F: görgőerő a: az érintkezési ellipszist helyettesítő kör sugara υ: poisson szám R eh : folyáshatár 1 Ábrázolva az összefüggést Ha υ=0,3 és akkor ahol a = 3 3 a = 1 2 = R d a ismeretében F/a 2 R eh leolvasható Pontszerű érintkezést feltételezve: Δl = 2 F R eh ( 1 ν ) w f e F R E 2 + D g 1 + r

46 4.3 Külső hengeres felületek ütőtestes szilárdítása szabad vagy korlátozott mozgású testek ütődnek a felülethez a réteg tulajdonságai dinamikus kölcsönhatás miatt változnak meg Elterjedt eljárások: szabad ütőtestes: sörétezés Kötött elhelyezésű: - szilárdítás forgó ütőtestekkel - szilárdítás vibrációs ütőtestekkel Sörétezés Sűrített levegő nyomása Forgó lapátkerék röptető ereje Gravitáció (saját tömeg) Ezek eredménye: mozgási energiával szilárdítanak Sörét: legtöbbször öntöttvas 0,5-5 mm Technológiai adatok: v: m/s R a : 6,3-25 μm Δl: 0,2-0,5 mm Pneumatikus sörétező Gravitációs sörétezés Forgó ütőtestes felületszilárdítás Szerszám: tárcsa szerű, a kerületén elhelyezett gyűrű vagy golyó alakú ütőtestekkel Gép: pl. eszterga, az ütőtestes berendezés a késtartó helyére fogható munkadarab alaptárcsa alakos gyűrű ütőtest felfogócsap 1: alaptárcsa 2: oldaltárcsa 3: golyókosár 4: acélgolyó 5: szorítócsavar 6: munkadarab

47 Az eljárást befolyásoló tényezők: ütőtestek alakja és mérete az átfedés nagysága h v: kerületi sebesség ütőtestek száma anyaga (acélgolyó) f, v w Fogásszám munkadarab anyaga A mikrogeometriát a fajlagos ütésszám határozza meg: k: a golyók száma Nü Elérhető érdesség, Ra= 0,02-0,05 μm k ns i = d π f n w w Az alakváltozás mértékére hat még: az ütőerő nagysága az ütési impulzus A felületi réteg tulajdonságait befolyásolja: a munkadarab anyaga ütések száma ütési impulzus szilárdítási technológia Technológiai adatok: N ü : ütés/mm 2 h: 0,05-0,8 mm F: N h A keménység nagymértékben növekszik 1: v sz : 41 m/s; h=0,15 mm 2: v sz : 41 m/s; h=0,05 mm 3: v sz : 15 m/s; h=0,15 mm 4: v sz : 15 m/s; h=0,05 mm Cél: 4.4 Belső hengeres felületek hideg képlékeny megmunkálása mikrogeometria Pontosság Felületi réteg tulajdonságai (keménység, hordozó felület, maradó feszültségek) Vasalás Golyóval vagy kúpos alakító elemmel

48 Kettős kúpos alakító elem: F Golyós: φd Hengerlés hátsó kúp F 3 kosár kalibráló kúp alakító kúp φd 0 f alakító elem (golyó) 1 2 alakító elem (görgő) támasztó kúp merev (tömör) merev (szerelt) Vasalás történhet rugalmas elemmel is (ld. Külső felület vasalása) F f F f v F f Golyóval vagy kúpos alakító elemmel Furathengerlő szerszám konstrukciója l szerszám β befogó fúrórúd δ Ütőtestes Ritkán, inkább csak nagy átmérők esetén α/2 Morse n olaj kenés f n f n f n