M!anyag-feldolgozás Polimerek esztergálásánál fellép" forgácsoló er" vizsgálata Dr. Keresztes Róbert * egyetemi adjunktus, Fledrich Gellért * tudományos munkatárs, Dr. Kalácska Gábor * egyetemi tanár, intézetigazgató 1. Bevezetés Napjainkban a gépészmérnöki gyakorlatban egyre szélesebb körben alkalmaznak korszer! m!szaki m! - anyag ból készült alkatrészeket. Ezeket a gépelemeket leggyakrabban fröccsöntéssel vagy valamely forgácsolási eljárással állítják el". A fröccsöntési technológiát általában nagy darabszám és sorozatgyártás esetén alkalmazzák, míg az egyedi és kisebb darabszámú gyártásnál a forgácsoló eljárásokat részesítik el"nyben. A forgácsoló eljárások között gyakran el"fordul az esztergálás. M!szaki m!anyagok esztergálásakor számos probléma merülhet fel. Ezek közül az egyik a folyóforgács kialakulása, mely balesetveszélyes, és a forgácsoló szerszám meghibásodását, esetleg teljes tönkremenetelét, törését okozhatja. Ezért lényeges a megfelel" forgácsolási paraméterek beállítása, mert elemi vagy átmeneti (könnyen tör") forgács kialakulása is lehetséges. Fontos még ismerni a forgácsolás során ébred" f"forgácsoló er" nagyságát is. Ennek ismeretében a forgácsoló szerszám terhelése egyenletesebbé tehet", valamint a helyes beállításoknál a forgácsolt anyagban a visszamaradó feszültség minimálisra csökkenthet". Az esztergálás során fellép" er"k viszonyait az 1. áb - ra szemlélteti. 2.1. A vizsgálatokhoz használt berendezések A vizsgálatokhoz használt CNC esztergagép típusa Emco Compact 5. A berendezés a GÉPIPARI TECHNOLÓ - GIAI INTÉZET (GÉTI) laborjában található, programozása G kódokkal történik. A befogott munkadarab, valamint a késtar tókba fogatott bélyegzett késszár és az esztergakés fényképe a 2. ábrán látható. 2. Kísérleti módszerek, eszközök A forgácsolás olyan megmunkálási eljárás, melynek során úgy alakítjuk ki a munkadarab kívánt alakját, hogy a felesleges anyagréteget egy arra alkalmas szerszámmal, kisebb-nagyobb részecskék (forgács) alakjában eltávolítjuk. A forgácsleválasztáshoz a szerszám és a munkadarab között relatív elmozdulásra, forgácsoló mozgásokra van szükség. 2. ábra. Az esztergagép és a befogott munkadarab Az er"k méréséhez használt késmegfogás felépítését a 3. ábra mutatja. Az ábra els" része a 3D-s modellt szemlélteti. 3. ábra. Er!mér! késszár modell és valós képe 1. ábra. Esztergálás er!összetev!i (ISO 3002/4, DIN 6584) Minden oldalon 2 2 nyúlásmér" bélyeg van feler"sítve. Teljes hídba kötve a bélyegeket a két irányban fellép" er"k mérésére van lehet"ség. A kés függ"leges síkjában történ" elmozdulásból származó F v f"forgácsoló (tangenciális), és a vízszintes síkú elmozdulásból szár- * Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet, 2103 Gödöll" 106 2010. 47. évfolyam, 3. szám
mazó F f el"tolás-irányú (axiális) er" határozható meg. A mér"száron található 4 menetes furatra van felrögzítve egy második késtartó, melybe már ténylegesen a forgácsoló szerszám került. A tangenciális (alsó-fels") és el"- toló (jobb-baloldali) er"ket mér" bélyegek vezetékeken keresztül csatlakoznak a Spider 8 típusú mér"er"sít"höz, mely az analóg jeleket digitálissá alakítja át, majd továbbítja a számítógép felé. Catman 3.1 program segítségével láthatjuk a mért adatokat. A mérés és adatgy!jtés frekvenciája 25 Hz. 2.2. A vizsgálatban szerepl! anyagok A mérnöki gyakorlatban gépelemek gyártására gyakran használt polimer alaptípusokat vizsgáltuk. Az 1. táblázatban a termék megnevezése, teljes megnevezése és a kés"bbi diagramokon szerepl" jelölések szerepelnek. A forgácsoláshoz el"készített próbatesteket a 4. ábra mutatja. A vizsgált polimerek fontosabb tulajdonságait a 2. táblázatban foglaltuk össze. 2.3. Forgácsolási paraméterek Fordulatonkénti el"tolás: f = 0,025; 0,05; 0,1; 0,2 mm/fordulat Fogásmélység: a = 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2 mm Forgácsolási sebesség: v = 50; 100; 200 m/min A 3. táblázatban a vizsgálatoknál alkalmazott paramétereket foglaltuk össze. Minden egyes beírt forgácsolási sebesség érték egy-egy anyagonkénti vizsgálatot jelent, melyhez egy el"tolás és egy fogásmélység tartozik. Ez anya gonként 60 mérést jelent. 2.4. Forgácsolószerszám kialakítása A gyorsacél (HSSCo5) forgácsoló esztergakés élszögeit a m!szaki táblázatok alapján határoztuk meg. A hát - szög # 0 = 10, a homlokszög $ 0 = 5. Az esztergakést profilköször! gépen, gyémánt köször!tárcsával köszörültük, az elkészült kés az 5. ábrán látható. 5. ábra. A használt esztergakés betét (HSS) 4. ábra. A forgácsoláshoz el!készített próbatestek M"anyag Szilárdság MPa Szívósság (Charpy) kj/m 2 3. Vizsgálatok eredményei és értékelésük 3.1. Forgácsoló er!k A vizsgálat során kétirányú er"ket mértünk. A tangenciális irányú f"forgácsoló er"t és az axiális, el"tolás-irányú er"t. 1. táblázat. M"anyagok megnevezése és jelölése Sorszám Termék megnevezése Teljes megnevezés Saját jelölés 1. DOCAMID 6G H Öntött poliamid 6, Magnézium PA 6G Mg 2. DOCAMID 6G Öntött poliamid 6, Nátrium PA 6G Na 3. DOCACETAL C Polioximetilén / Poliacetát POM C 4. DOCALENE UHMW Polietilén HD 1000 Csúszási tulajdonság µ H!t"rés C 2. táblázat. M"anyagok fontosabb tulajdonságai Keménység S"r"ség kg/dm 3 PA 6G Na 77 110 112 0,15 0,50 40 140 Rockwell 85 98 HRC 1,15 1,6 PA 6G Mg 77 110 112 0,15 0,50 40 140 Rockwell 85 98 HRC 1,15 1,6 POM C 70 800 8 0,25 0,45 005 120 Rockwell 86 90 HRC 1,4 HD PE 1000 20 240 nem törik 0,2 0,3 80 110 Shore 60 65 D 0,96 3. táblázat. A forgácsolási sebességek az el!tolás (f) és a fogásmélység (a) függvényében, m/min a f 0,025 mm/fordulat 0,05 mm/fordulat 0,1 mm/fordulat 0,2 mm/fordulat 0,10 mm 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 0,25 mm 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 0,50 mm 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 1,00 mm 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 2,00 mm 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 2010. 47. évfolyam, 3. szám 107
6. ábra. F!forgácsoló er! értéke különböz! m"anyagoknál adott forgácsolási paramétereknél Az anyagokat fogásmélységenként, el"tolásonként, ezen belül pedig forgácsolási sebességenként csoportosí - tottuk. Ezeket egy fájlban egyesítve négy sorozatnyi f"- forgácsoló és ugyanennyi el"tolás-irányú forgácsoló er" diagra mot kaptunk. Ezekb"l paraméterenként egy-egy ábrát készítettünk. A 6. és 7. ábra egy-egy mintadiagramots zemléltet. A diagram címében szerepel az adott forgácsoló er" (f" vagy el"tolás-irányú), valamint az adott el"tolás (f, mm/ford), fogásmélység (a, mm) és forgácsolási sebesség (v, m/min). A függ"leges tengelyen szerepelnek az 7. ábra. El!tolás-irányú forgácsoló er! különböz! m"anya - goknál adott forgácsolási paramétereknél adott er" értékei [N], a vízszintes tengelyen pedig a forgácsolási id" [s]. Egy diagramban ábrázoltuk mind a négy anyagot, így jól összehasonlítható, hogy azonos forgácsolási paraméterek mellett mekkora er"hatás éri a forgácsoló kést a kü lönböz" anyagoknál. Minden szín egy anyagot jelöl a diagram alatti jelmagyarázatnak megfelel"en. A mérési eredmé nyeket folytonos vonal jelöli. A szaggatott vonal az adott mérési id"tartam alatti átlagot mutatja. Ennek értéke a vonal mellett látható. Mivel minden egyes vizsgált munkadarab azonos méret!, a különböz" el"tolási- és forgácsolási sebesség 8. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PA 6G Mg esetén 9. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PA 6G Na esetén 108 2010. 47. évfolyam, 3. szám
10. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, POM C esetén 11. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PE-HD 1000 esetén érté kek miatt a mérési id"tartam folyamatosan változó. Ezért a legtöbb mérésnél 7 másodpercet vettünk figyelembe. Bizo nyos forgácsolási paraméterek esetén ezt az értéket nem érjük el, ezért ezeknél 4, illetve egy esetben 2 másodpercre csökkent a forgácsolási id". Minden egyes mérés diagramban való rögzítése után az adott paraméterekhez tartozó átlagértékekb"l a fogásmélység és az el"tolás függvényében ábrázoltuk a f"- és el"tolás-irányú forgácsoló er"t az alábbi minták alapján (8. 11. ábra). 3.2. Fajlagos forgácsolási ellenállás Anyagok forgácsolásánál fontos tényez" a fajlagos forgácsolási ellenállás (k s ). Az alábbi minta ennek válto - zását mutatja a fogásmélység és az el"tolás függvényében (12. 13. ábra). 12. ábra. A fajlagos forgácsolási ellenállás értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, HD PE 1000 13. ábra. A fajlagos forgácsolási ellenállás értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, Pa 6G Na 2010. 47. évfolyam, 3. szám 109
A irodalomban fellelhet" összefüggés szerint a f"forgácsoló er" a fajlagos forgácsolási er" (vagy ellenállás) és a forgácskeresztmetszet függvénye. Mivel a vizsgálatok során a f"forgácsoló er"t (F v ) mértük, a forgácskeresztmetszet (A) pedig a beállított paraméterek miatt adott, így az eredeti összefüggés átrendezésével megkapjuk a fajlagos forgácsoló er" értékét. F v = k s A = k s a s! k s = F v /(a s) [N/mm 2 ] (1) A mintadiagram címében szerepel a vizsgált anyag és az alkalmazott forgácsolási sebesség. A koordinátatengelyeken a fogásmélység, és el"tolás mellett a fajlagos forgácsolási ellenállás szerepel (y-tengely), N/mm 2 mértékegységben. A 12. és a 13. ábra diagramjain jól látható, hogy kis fogásmélység (<0.25 mm) és kis el"tolás (<0.1 mm/ford) esetén a fajlagos forgácsolási ellenállás értéke nagymértékben növekszik. Ez a növekedés a vizsgálatban szerepl" anyagokra megfigyelhet". Ebben a tartományban az egységnyi felület megmunkálásához szükséges energia jelent"s. 3.3. Forgácsképek A megmunkálás során levált forgács összegy!jtésre került és fényképek készültek ezekr"l, amik alapján meg vizsgálható a keletkezett forgács jellege (folyó, lemezes, elemi). A 13. ábra a forgácsképet mutatja az el"- tolás és a fo gásmélység függvényében 50 m/min vágósebesség mellett POM C esetén. Anyagonként megállapíthatók azok a paraméterek, amelyeknél a forgács jellege a gyakorlati követelményeket jól kielégíti. 14. ábra. A forgácskép alakulása a fogásmélység és az el!tolás függvényében, POM C 4. Összefoglalás A vizsgálati eredményekb"l megállapítható, hogy mind a forgácsoló er", mind a fajlagos forgácsolási ellenállás szempontjából a PA 6G (Mg) bizonyult a legszívósabbnak. A fajlagos forgácsolási er" a forgácsolási paraméterek (el" tolás, fogásmélység) növelésével jelent"s mértékben csökken. A keletkezett forgácsfajtát is figyelembe véve a PA 6G (Mg) nehezen forgácsolható anyagnak számít. Ajánlott a kisebb el"tolási sebesség alkalmazása (0,025 mm/ford). A PA 6G (Na) valamivel kisebb szívósságú a forgácsolási er" tekintetében, viszont a fajlagos forgácsoló er" esetén már jelent"sebb változás mutatkozik, megközelít"leg harmadára csökken. Az el"tolás és fogásmélység növeke désével ez az érték nem csökken olyan mértékben, mint a PA 6G (Mg) anyagnál. Forgácsolásakor ajánlott a kis el"tolás (0,025 mm/ford) és nagyobb fogásmélység (1 2 mm) használata. POM C esetén a forgácsoló és a fajlagos er" további csökkenését figyeltük meg. Mindkett" megközelít"leg a felére csökkent, de utóbbi esetében a PA 6G (Na)-nál tapasztalthoz hasonlóan itt sem csökkent az el"tolás és a fogás mélység növelésével olyan mértékben, mint az Mg anyagnál. Esztergálás szempontjából a vizsgálatban szerepl" m!szaki m!anyagok közül a POM C rendelkezett a legkedvez"bb forgácsképpel. A PA 6G típusokhoz képest itt a nagyobb el"tolások az ajánlott fogásmélység növelésével szintén el"nyösebb forgácsfajta kialakulásához vezettek. A legkisebb forgácsoló er"k a PE HD 1000 esetén mérhet"k. A fajlagos forgácsolási ellenállás értékén is jól megfigyelhet", hogy ez az anyag rendelkezik a legkisebb szívóssággal. Esztergálás szempontjából viszont nem kedvez" az anyag, mivel a vizsgált esetek nagy részében a keletkezett forgács folyóforgács. Az elemzések az esztergálási gyakorlatban jól hasznosíthatók. A vizsgált anyagok forgácsolásához és a kedvez" forgácskép kialakulásához beállíthatók a megfelel" el"tolás, fogásmélység és forgácsolási sebesség értékek a vizsgálati tartományokon belül. Gazdaságosság és termelékenység szempontjából a szerszám megfelel" terhelése megállapítható. Irodalomjegyzék [1] Fledrich, A.; Kalácska, G.; Kozma, M.: M!szaki m!anyagok gépészeti alapjai, Minerva-Sop Bt., Sopron, 1997. [2] Angyal, B.; Dobor, Lné.; Palásti, K. B.; Sipos, S.: A forgácsolás és szerszámai, M!szaki Könyvkiadó, Budapest, 1988. [3] Frischerz, Gundelfinger; Häffher, Itschner; Kotsch; Staniczek: Fémtechnológiai táblázatok, B+V Lap- és Könyvkia dó Kft., 1997. [4] Kalácska, G.: M!szaki M!anyag Féltermékek Forgácsolása Quattroplast Kft., Gödöll", 2005. [5] Nagy, P. S.: Szerszámgépek, gyártórendszerek, BDMF jegyzet, Budapest, 1997. [6] www.quattroplast.hu 110 2010. 47. évfolyam, 3. szám