MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Gépgyártástechnológiai Tanszék Sebességváltó-főtengely köszörülési eljárásainak összehasonlítása és megtervezése Készítette: Szabó Krisztina Miskolc, 2012.november 5.
Tartalomjegyzék Bevezetés... 3 1. Alkalmazható köszörülési eljárások... 4 1.1. Hagyományos köszörülési eljárások... 5 1.2. Új korszerű köszörülési eljárások... 7 2. Forgácsképződés... 11 2.1. A forgácsleválasztás folyamata... 11 2.2. Egyenértékű forgácsvastagság... 13 2.3. Egy szemcsére eső forgácsvastagság... 14 2.4. Az anyagleválasztási sebesség... 15 2.5. Felületképzési sebesség... 16 3. A Köszörülés kinematikája... 17 3.1. A köszörűkorong kerületi sebessége... 17 3.2. A munkadarab sebessége... 18 3.3. Előtoló- és fogásvételi mozgások az egyes eljárásoknál... 19 3.4. Érintkezési ívhossz... 21 3.5. A köszörülésnél fellépő erők, és a teljesítmény... 21 4. A palástköszörülési műveletek összehasonlítása... 23 4.1. A vizsgálat célja... 23 4.2. A sebességváltó főtengelye, mint a vizsgálat tárgya... 23 4.3. A vizsgált eljárások... 24 5. A sebességváltó-főtengely palástköszörülése... 31 5.1. Pontköszörüléssel végzett megmunkálás... 31 5.2. A hagyományos beszúró palástköszörüléssel végzett megmunkálás... 40 6. A két eljárás által készített felületi topológiák összehasonlítása... 44 6.1. Kísérleti körülmények... 48 6.2. Eredmények, kiértékelések... 50 Összefoglalás... 58 Irodalomjegyzék... 59 Mellékletek... 60 2
Bevezetés A vizsgált főtengely egy 6S 450 Amarok Pickup 4x4-es telepjáró sebességváltójában helyezkedik el, amelyet a ZF Hungária Kft. üzemében gyártanak, a vállalat csupán a sebességváltóművet szereli össze, és a szerelt alkatrészek közül is csak a tengelyek, féltengelyeket és a fogaskerekeket gyártják le. A gyártás során négy fő rész különböztetünk meg, ezek a következők: - lágymegmunkálás, - keménymegmunkálás, - hőkezelés, - végellenőrzés. A főtengely gyártástervezésén belül a keménymegmunkálással foglalkozok. A keménymegmunkálásra azért van szükség, mert a hőkezelés során a főtengelyt betétedzik, így sok kemény felületet tartalmaz. A kemény felületet kétféleképpen munkálhatjuk meg: keményesztergálással és köszörüléssel. A sebességváltó-főtengely esetében köszörülési eljárással munkáljuk meg a kemény felületeket, mivel az előírt szűk tűrések és geometriai előírások miatt a köszörülés kedvezőbb. A keményesztergálás azért nem előnyös, mert tengelyek esetében periódikus topográfiát eredményez, és a szerszámkopás nagyon nehezen kezelhető, ellenben a köszörüléssel, ahol a korongokat szabályozás útján a kopás időről-időre kiküszöbölhető. A főtengely gyártástervezése kapcsán az alkalmazható köszörülési eljárásokat ismertetem egy rövid irodalmi áttekintéssel, összehasonlítva a hagyományos és az új korszerű köszörülési eljárásokat. Az eljárások összehasonlítása alapján, kiválasztom a főtengely megmunkálásához legalkalmasabb eljárásokat a ZF Hungária Kft. gépparkjának figyelembe vételével. Majd a kiválasztott eljárásokat részletezem, kitérve az alkalmazott szerszámgépre, készülékekre és a megmunkáló szerszámra. Végül az alkatrészen előírt sodrásmentes átmérő vizsgálatával fejezem be a feladatomat, amely a gyártástervezés során alkalmazott két köszörülési eljárás által kialakított felületet eredményezi. Tudományos Diákköri Dolgozatomat a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt "Befejező precíziós megmunkálások kutatása" elnevezésű részprojekt támogatta. 3
1. Alkalmazható köszörülési eljárások Köszörülés Köszörüléssel bármilyen anyag és bármilyen geometria geometriai alakzatú munkadarab megmunkálható. A megmunkálás köre elsősorban edzett acélok, kemény öntvények, és más természetes keménységű anyagok. A köszörülés szélessávú megmunkáló eljárás, de én elsősorban a gépgyártásban alkalmazott precíziós készremunkáló fokozattal foglalkozok [2]. Célja szerint, az alkatrészeken, valamint a különféle megmunkáló szerszámokon nagy pontosságú, alakhű és kis érdességű felületek előállítása. A köszörülési műveletek közül csak a főtengely megmunkálása során alkalmazható eljárásokat ismertetem. Az 1. ábra alapján a köszörülési módszerek ágai közül elsősorban a forgásfelületek köszörülésével, ezen belül is a palástfelületek köszörülésével fogok részletesebben foglalkozni, így ezeket az eljárásokat emelem ki és mutatom be részletesebben. A palást felületek köszörülésének alapvetően két jellemző változatát mutatom be, ahogy azt a 2. ábrán összefoglalóan szemléltetek. Az ábra alapján a köszörülést végezhetjük csúcsok között vagy csúcs nélküli köszörű gépen is. Az előtolás mindkét esetben lehet hossz- vagy keresztirányú. A hossz- és a keresztirányú előtolással végzett eljárásokat további alesetekre bonthatjuk. Palástköszörülés Hosszirányú előtolással (Hossz-előtolásos) Keresztirányú előtolással (Beszúró) Csúcsnélküli eljárással Fokozatos fogásvétellel történik Egyenes irányú mozgással Ferde irányú mozgással Hosszirányú előtolással (Áteresztő eljárás) Teljes mértékű fogásvétellel történik Alakköszörülés Alakköszörülés Keresztirányú előtolással (Beszúró eljárás) 1. ábra Palástköszörülési eljárások részletesebb bemutatása [3] [4] [5] 4
A két hagyományos köszörülési eljárás, azaz a hosszelőtolásos, és a beszúró köszörülés ma már hagyományosnak tekinthető, viszont alapelvüket az új korszerű eljárások magukban hordozzák. A hagyományos eljárásoknál alkalmazott szerszám a hagyományos szemcsézetű kerámikus kötésű sima köszörűkorong, a korszerű eljárásoknál pedig CBN, vagy gyémánt szemcsézetű kerámikus, vagy fémes kötésű keskeny köszörűkorong. 1.1. Hagyományos köszörülési eljárások Hosszirányú előtolással végzett palástköszörülés A hosszirányú előtolással végzett palástköszörülés a legelterjedtebb köszörülési eljárás. Hosszú, hengeres felületek megmunkálására előnyösen használható, mert az alkalmazott előtolással a munkadarab kívánt hossza folyamatosan köszörülhető. A megmunkálás folyamatosságának biztosítására az előtolás a köszörűkorong szélességének csak bizonyos hányadát teszi ki. A fogásmélységet leggyakrabban kettőslöketenként adják meg. Ennél a köszörülési módnál a munkadarab felületét, elsősorban azok a köszörűszemcsék karcolják, melyek a korongnak a hosszirányú előtolásával egyenlő szélességű szakszán helyezkednek el [4]. Az eljáráshoz tartozó példát a 2. ábra foglalja össze. 2. ábra Hosszelőtolásos palástköszörülés [1] Teljes mélységű fogásvétellel történő palástköszörülés: A hosszirányú palástköszörülés másik változata a teljes mélységű fogásvétellel történő palástköszörülés 3. ábra. Ennél köszörülésnél a hosszirányú előtolás lényegesen kisebb, löketenkénti fogásmélységet alkalmazunk. A 5
köszörülés során a korong kúpos részének hajlásszöge az érintkezési zóna folytonos növekedésének megfelelően változik. Ezt az eljárást főleg rövid, merev munkadarabok köszörülésére alkalmazzák, mivel a teljes ráhagyás egy fogással történő eltávolítása nagyobb élnyomásokkal jár [4]. 3. ábra Hosszelőtolásos palástköszörülés teljes mélységű fogásvétellel [1] A hosszelőtolásos palástköszörülés problémája a váll köszörülésénél jelentős. A váll köszörülését nem lehet a palástfelületen alkalmazott előtolással köszörülni, mivel a nagy erőhatások miatt a rideg kerámiakötésű korong szétrobbanna, ami nagyon veszélyes. Így a vállat szakmai fogással kell köszörülni, ami a szán kézi mozgatását jelenti, szaktudást igényel. Illetve a korongot 92 fokra be kell szabályozni a műveletelem elvégzéséhez. Keresztirányú előtolással végzett palástköszörülés A második változata a palástköszörülési eljárások közül a keresztirányú előtolással végzett, más néven beszúró köszörülés. Lényege, hogy az eltávolítandó ráhagyást széles köszörűkorong sugárirányú előtolásával forgácsoljuk le. A beszúró köszörülésnek több fajtáját különböztethetjük meg. Az eljárás néhány jellegzetes fajtáját a következő ábrákon mutatom be. A 4. ábrán a beszúró palástköszörülés látható, amelyet megkülönböztetés miatt egyenes beszúró palástköszörülésnek nevezek. Az eljárás problémája a vállak megmunkálásánál van ugyan úgy, mint a hosszelőtolásos palástköszörülésnél. A köszörűkorong túlér a köszörült felületnél. A váll megmunkálásakor kézzel kell ráállni, és a korongot szintén szabályozni szükséges. 6
4. ábra Beszúró palástköszörülés [1] Az 5. ábrán a ferde beszúró palástköszörülés vázlata látható. A köszörülés során ferde irányú előtolást alkalmazunk a korong kialakításnak köszönhetően egyidejűleg nem csak a palástfelületet köszörüljük, hanem a homlokfelületet is. A vállak megmunkálásánál nem jelentkezik probléma. 5. ábra Ferde beszúró palástköszörülés [1] 1.2. Új korszerű köszörülési eljárások A hagyományos eljárások akkor is hagyományosnak tekinthetők, ha azok emelt sebességűek, 30 m/s helyett, 40 m/s vagy 60 m/s a korong kerületi sebessége. Abban az esetben is, ha a beszúró eljárás korongkészlettel, ferdebeszúrással történik [6]. A hagyományos beszúró eljárás során egy tengelyszerű alkatrészhez használt korongkészlet igen nagy tömegű és nehezen kezelhető. Ezek helyére beléptek az új 7
fejlesztésű, keskenykorongos eljárások, ahol a korong csupán néhány milliméter széles és könnyű. A korong kerületi sebessége 100 160 m/s [6]. Még egy fontos különbség fedezhető fel az eljárások fejlődése során, ami a kiszikráztatási idő elmaradása, illetve az egyes új eljárásoknál a megmunkálandó darab menesztéséhez elég a forgócsúcs súrlódási nyomatéka, amely azt eredményezi, hogy a darabon átfordítás nélkül lehet dolgozni [6]. 6. ábra Köszörülés keskeny koronggal: a) hagyományos eljárás, b) keskeny korongos eljárás, c) alakköszörülés keskeny koronggal [6] A gépjárműgyártásból lassan kiszoruló hagyományos eljárásokat, felváltja a keskeny CBN koronggal történő köszörülés [6]. A 6. ábrán a hagyományos, azaz a széles koronggal történő köszörülést, a keskeny CBN koronggal való hosszelőtolásos köszörülést, és szintén keskeny CBN koronggal megvalósuló alakköszörülést mutatom be. 8
Ahogyan a 7. ábra a) és b) részét összehasonlítjuk, láthatóvá válik, hogy az a) eljárás a hagyományos széles koronggal történő megmunkálást, míg a b) része az új keskenykorongos eljárást szemlélteti. A keskenykorongos eljárás alkalmazása, kiszorítja a hagyományos széles koronggal történő megmunkálást, mivel a keskeny korongos eljárás során a korong szélessége csupán néhány milliméter, amelynek köszönhetően a köszörülési műveletek az esztergáláshoz hasonlóan rugalmas műveletté változtak, a régi nagy tömegű merev eljáráshoz képest. Az új eljárással megmunkálható a gépjárműgyártásban megtalálható tengelyek, féltengelyek valamennyi felülete. Hengeres és kúpos felületek, vállak jobbról illetve balról, rádiuszok bármilyen helyzetben, konkáv és konvex alakos felületek. A CNC köszörűgép vezérlése a v f,a hosszirányú, és a v f,r keresztirányú előtolások megfelelő összehangolásával vezeti a korong programozott pontját a munkadarab alkotója mentén, ahogy azt a 7. ábra c) részén látható [6]. Az alakköszörülési képessége miatt ezt a korszerű eljárást külső hengeres alakköszörülésnek, németül Aussenrund-Formscleifen nevezik. Többfajta változata van, melyek közül a legelterjedtebb a ZF Hungária Kft-nél alkalmazott hántoló köszörülés (Schälschleifen, Peer grinding), illetve a quickpoint köszörülés (Quickpoint Schleifen, quickpoint grinding), magyar nyelven pontköszörülésnek nevezzük [6]. A 7. ábrán a hántolóköszörülés korongprofilja látszik. 7. ábra Hántoló köszörülés korongprofilja [6] A két eljárás alapelvét tekintve a hagyományos hosszirányú előtolással végzett palástköszörülés elvét használja fel, és ötvözi a CNC technológiával és a kifinomultabb modernebb elektronikával és eszközökkel ellátott köszörűgépekkel. Ezek eredményeként az esztergáláshoz hasonló rugalmasságot érjük el, így a gyakorlatban előforduló bármilyen 9
felületet meg tudunk köszörülni pl.: forgattyús tengelyeket. A köszörülés egy felfogásban történik, és nincs szükség a munkadarab átfordítására. mivel a keletkező tangenciális erő olyan csekély, hogy a munkadarab forgatását a központosító forgócsúcs képes elvégezni, a súrlódásból származó forgatónyomaték által [6]. Ez a két eljárás a HSP köszörüléshez tartozik, azaz a nagysebességű megmunkálások körét bővítik. Mindkét eljáráshoz szükséges a megfelelő mennyiségű hűtő-kenő folyadék alkalmazása. A hántoló köszörülésnél a nagy mennyiségű hűtő-kenő folyadék ára, és annak kezelési költsége rontja az eljárás gazdaságosságát [6]. Míg a hántoló eljárásnál a kúpos korong egyenes, addig a pontköszörülésnél a korong két szögben (α és β döntési szögek) van megdöntve. Így az utóbbinál vonalszerű kapcsolódás helyett pontszerű kapcsolódás alakul ki a szerszám és a munkadarab között. A pontszerű kapcsolódás legfőbb előnyei: a korong kopás csökkenése, a köszörűszemcsék élettartamának növekedése, amely a hűtő-kenő folyadék fokozott hatékonysága eredményezi, mind ez kis erőhatások kíséretében valósul meg. A hántoló köszörülésnél a korongsebesség 160 200 m/s, addig a pontköszörülésnél 140 m/s [6]. 10
2. A Forgácsképződés 2.1. A forgácsleválasztás folyamata A köszörülésnél az anyagleválasztás nagysebességű karcolással történik. A forgácsképződés folyamatát egyszemcsés karcolási kísérlettekkel szokták vizsgálni, amely pontos képet ad a forgácsképződés folyamatáról. A 8. ábrán a hagyományos abrazív szemcse és a 9. ábrán pedig a szuperkemény abrazív szemcse forgácsképződési mechanizmusát láthatjuk, képlékeny anyag, azaz az acél esetében, ami folyó forgácsot eredményez [2]. 8. ábra Hagyományos abrazív szemcse forgácsolóél anyagleválasztási folyamata l μ :súrlódási úthossz, v c : korongsebesség, h c :beállított karcmélység, h c,eff : effektív karcmélység, F ns, F ts : szemcsére ható erő [7] 9. ábra Szuperkemény abrazív szemcse forgácsolóél anyagleválasztási folyamata v c : korongsebesség, h c : beállított karcmélység, h c,eff : effektív karcmélység, F ns, F ts : szemcsére ható erő [7] 11
I. Rugalmas alakváltozással járó dörzsöléses szakasz [2] [7] A lapos pályán behatoló szemcse, mint az acélgolyók benyomódnak a munkadarab felületébe, de a szerszámra ható sugárirányú erő (F ns ) még annyira kicsi, hogy még forgácsleválasztás nincs. A szakasz fő jellemzője a súrlódás, a súrlódással megtett út hossz az l μ. II. Karcolási szakasz [2] [7] A nagy sebesség és a növekedő forgácsoló erő miatt keletkező hő, annyira nagy hőfokot generál, hogy az edzett acél képlékeny lesz. A súrlódásnál fellépő rugalmas deformáció is képlékennyé válik. A szemcse két oldalán megjelenő felgyűrődés, ahogy azt a 11. ábrán is láthatjuk, a képlékeny alakváltozás jele [2]. Hagyományos szemcseanyagnál a szemcsék az érintkezési felülettel különösen az éllekerekedési sugarukra és negatív homlokszögükre a fokozódó köszörülési nyomás miatt erősen csúsznak és súrlódnak a munkadarab felületén. Szuper kemény szemcsék esetén, ahol a szemcsék élei relatíve hegyesebbek, kisebb csúcsrádiuszuk van, és nagyobb vágósebességgel dolgoznak. A felgyűrődés jelensége kis mértékű, közvetlenül a szemcse munkadarabba belépő éle alatt kell számolni. Emiatt a keményebb megmunkálandó anyagoknál kisebb a felkeményedési jelenség, a szerszám vasaló hatása kevésbé érvényesül. Ennek eredményeként szuper kemény abrazív szerszámok gazdaságos alkalmazása 55 HRC-nél nagyobb keménységű anyagok megmunkálásánál jelentkezik. A 45-55 HRC keménységű anyagoknál a negatív homlokszögből eredően a szemcse addig tömörít, míg ki nem alakul a h c,eff rétegvastagság, ahonnan a szerszám éle képes az anyagba hatolni és forgácsot leválasztani. Ebben a szakaszban a szuper kemény szerszám kopását nem a forgácsolás okozza, hanem a kötésből kitörő szemcsék, amik még élesek maradtak. A karcolásnál fellépő forgácsoló erők még nem elegendőek, ahhoz hogy az eltompult szemcséket a kötőanyagból kiszakítsák. A köszörűszerszámok önéleződés nélkül, kis kopással dolgozik, az időegység alatt leválasztott anyag térfogata kicsi. A szuperkemény szerszámokkal végzett köszörülés esetében a felületi réteg kevésbé melegszik fel a felületi hőmérséklete nem éri el az 500 K-t. Míg hagyományos szemcséjű szerszám esetében (alumíniumoxid, szilícium-oxid) 623-672 K, ami hűtő-kenő folyadékkal 10-15%-al csökken. 12
III. Tényleges forgácsolás szakasza [7] A szerszámra ható sugárirányú forgácsolóerő az MKGS-rendszerben rugalmas alakváltozás határát elérve forgácsolási merevséget hoz létre, melynek következtében az érintkezési felületekre ható köszörülési nyomás hatására ultrasebességgel felmelegednek. A köszörűszerszám rossz hővezető képességű, így a keletkező hő nagy része a munkadarab felületi rétegét melegíti. Az abrazív szemcse negatív homlokfelülete előtt kialakul egy felfelé irányuló anyagfolyás, a szemcse a következő időpillanatban a szerszámelfordulás révén, mint forgácsot elnyírja és levágja a felületről. A szerszám elhaladása után a felület nagy sebességgel hűl vissza. Edzhető anyagoknál újraéleződés, nem edzhető anyagoknál felkeményedés alakul ki. Nagy húzófeszültségek maradnak vissza. Szuper kemény szemcseanyagoknál tiszta slip-nélküli forgácsleválasztás történik. A karcnyomok határozottak és éles kontúrral bírnak. Képlékeny alakváltozás nincs, így húzófeszültségekkel nem kell számolni. 2.2. Egyenértékű forgácsvastagság A keletkező forgácsok mérete, úgymint vastagság, szélesség és a keresztmetszet a szemcsék véletlenszerű elhelyezkedése miatt meghatározni pontosan nem lehet. A köszörűszerszámok megmunkáló részén nincs folytonos vágóél, mint a határozott élű szerszámokon. A korongban a szemcsék szabálytalan alakúak és szabálytalan elhelyezkedésűek 10. ábra [2]. 10. ábra A szerszám felületén elhelyezkedő szemcsék, élek és csúcsok h max : egy szemcsére eső legnagyobb forgácsvastagság, L z1 : szemcsetávolság, L s1 : éltávolság, L k1...: működő éltávolság, h c : forgácsvastagság, t s :szemcsekiállás [2] 13
Minden forgács más keresztmetszetű és méretű, illetve a szemcsék többsége a megmunkálás során nem is forgácsol. Ennek bizonyítéka a fenti ábra jobb oldalán alul látható, hogy a szemcsék távolsága, és az élek távolsága sem azonos, mert több forgácsoló csúcs van egy szemcsén. A szakirodalom alapján a szemcséknek csupán 10-12%-a forgácsol [2]. A forgácsképződés bizonytalansága miatt vezették be a köszörülésnél az egyenértékű forgácsvastagságot, a h eq -t (11. ábra). A számítási képlet alapja a térfogategyenlőségen alapul, amelyből a következő képlet született [2]: eq = v w v c a e [mm] h eq : egyenértékű forgács vastagság [mm] v w : munkadarab sebesség m s v c : korongsebesség m s a e : fogásmélység [mm] A h eq csupán elméleti, szalagvastagságnak nevezik, a munkadarab és a korongpalást érintkezési zónájában generálódik, és v c sebességgel távozik. A h eq az egy szemcsére eső közepes forgácsvastagságot fejezi ki, feltételezve hogy az érintkezési íven (l g ) csak egy szemcse forgácsol. Az l g érintkezési ívhossz egy-egy abrazív szemcse elméleti forgácsolási útja [2]. 11. ábra Az egyenértékű forgácsvastagság [2] 2.3. Egy szemcsére eső forgácsvastagság A köszörűszerszámok munka közbeni viselkedését az egy szerszámra eső terhelés alapján lehet magyarázni. A h eq egyenértékű forgácsvastagság tájékoztatást nyújt erről, de ezt az értéket még lehet pontosítani is. Mert előfordulhat, hogy egy érintkezési ívhosszon több vagy kevesebb szemcse forgácsol, így be kell vezetni az egy szemcsére eső közepes forgácsvastagságot [2]: z = eq lg Lz = eq L z l g [mm] h z : egy szemcsére eső közepes forgácsvastagság L z : aktív szemcsék egymástól való közepes távolsága 14
A h z képletből többféle következtetés vonható le, például: minél magasabb az l g, annál kisebb a h z, emiatt kisebb a szemcsék terhelése, így a korongnak keményebben kell dolgoznia [2]. 2.4. Az anyagleválasztási sebesség A köszörülési folyamat állandósult állapotára igaz, hogy az időegység alatt leválasztott anyagmennyiség állandó, a köszörűszerszám kopás, pedig egyenesen arányos a köszörülési idővel [7]. A Q w anyagleválasztási sebesség, az időegység alatt leválasztott anyagtérfogatot értjük. Hagyományos szemcseanyagból készült köszörűszerszámokkal térfogategységnyi kopás közel húsz térfogategységnyi fém eltávolítása után jön létre. Ezzel ellenben a szuperkemény szerszámok élettartama és termelékenysége 3.5-5-szöröse a hagyományos szemcséjű szerszámokénál [2]. Az anyagleválasztási sebesség számítása következőképpen történik hosszelőtolásos illetve beszúró palástköszörülésnél [2]: Q w = a e a p v w Q w : anyagleválasztási sebesség cm 3 a e : fogásmélység [mm] a p : fogásszélesség [mm] min v w : munkadarab sebesség m s Az anyagleválasztási sebesség mértékegységeként még gyakran használjuk a mm 3 A Q w anyagleválasztási sebesség mellett, még a Q w fajlagos anyagleválasztási sebességet alkalmazzuk, amelynek mértékegysége mm 3 mm s. Ez csak a korong palásttal végzett köszörülésre értelmezhető. Jelentése pedig 1mmszéles koronggal 1s alatt leköszörülhető térfogat mm 3 -ben [2]. Q w = a e v w Q w : fajlagos anyagleválasztási sebesség mm 3 mm s s. 15
Beszúró palástköszörülésnél az a e fogásmélység a munkadarab-fordulatonkénti rétegvastagsága [2]: a e = v f,r n w [mm] v f,r : sugárirányú beszúró sebesség mm s n w : munkadarab fordulatszáma 1 s Az anyagleválasztási sebesség a forgácsoló eljárások termelékenységére vonatkozó paraméter. A hatékonyságra és a gazdaságossági összehasonlító számítások alapjául szolgál. A fajlagos anyagleválasztási sebesség, pedig az egyes köszörülési folyamatok jellemző paramétere [2]. 2.5. Felületképzési sebesség Gyakran hasznát paraméter a felületképzési sebesség, az anyagleválasztási sebesség mellett. A paraméter jelentése az, hogy az időegység alatt milyen nagyság felületet képes készremunkálni valamely eljárás [2]. A felületképzési sebesség számítása a következő képlettel történik [2]: A w = a p v mm 2 w A felületképzési sebesség összetevőinek értelmezése ugyanaz, mint az előbbiekben. s 16
3. A köszörülés kinematikája A köszörülésnél a forgácsoló főmozgást a köszörűkorong végzi. A főmozgáson kívül vannak mellékmozgások is, amelyeket többnyire a munkadarab végez, ezek a mellékmozgások egymásra merőleges három koordináta irányában helyezkednek el. Ennek eredménye, hogy a köszörülendő felületet a szerszám be tudja járni és képes a ráhagyást leválasztani. A főmozgást v c -el jelöljük, a mellékmozgást, pedig v f, szaknyelven előtolás [2]. 12. ábra a) Síkköszörülés; b) Külső palástköszörülés v c : korongsebesség, v f : előtolósebesség, v e : effektív sebesség, d s : korongátmérő, d w : munkadarab átmérő, Ѡ c : korongszögsebesség, Ѡ w : munkadarab szögsebesség, v w : munkadarab sebesség, a e : fogásmélység [2] A 12. ábra az álló munkadarabhoz viszonyítva szemlélteti a hozzá kapcsolódó sebességvektorokat. A mellékmozgás, ahogy az a) részén is látható egyenes vonalú, mértéke v w [m/min]. Az ábra b) részén pedig a mellékmozgás a körmozgás, melyet Ѡ w -el jelölünk. A mellékmozgások eredménye az a e fogásmélység [2]. 3.1. A köszörűkorong kerületi sebessége A köszörűkorong kerületi sebessége vagy korongsebessége a legfontosabb kinematikai jellemzője a köszörülésnek. A korongsebesség klasszikus értéke v c =30 35 [m/s]. Ennél az értéknél az anyagleválasztás optimális feltételei megvannak. A fejlesztések során már vannak emelt sebességű köszörűgépek, amelyekkel v c =45 [m/s], és vannak nagysebességű köszörűgépek v c =60 90 [m/s] sebességet is el lehet érni. Ezeknél a 17
gépeknél olyan kötőanyagú korongokat szabad használni, melyeket kizárólag erre a célra fejlesztenek ki [2]. Mára már addig jutottak a fejlesztések, hogy találhatunk ultrasebességű köszörűgépeket, melyek v c =100 200 [m/s] sebességgel tudnak megmunkálni, de ehhez már CBN alumíniumtestes köszörűkorongokat alkalmaznak, melynél az említett korongsebesség értékek teljesen kockázatmentesek [2]. Fontos feladat a gép főorsójának fordulatszáma (n s ) és a korong megengedett kerületi sebességének egyeztetése. A sebesség számítás képlete a következő [2]: v c = d s π n s m s d s : korongátmérő [m] n s : gépi főorsó fordulatszáma 1 s 3.2. A munkadarab sebessége A munkadara sebesség és a többi mellékmozgást a 13. ábrán foglalom össze, amely a hosszelőtolásos, illetve a beszúró köszörülés látható. 13. ábra Hosszelőtolásos és beszúró köszörülés kinematikai jellemzői n s : korong-fordulatszám, n w : munkadarab-fordulatszám, v w : munkadarab-sebesség, b s : korong szélesség sebesség, v f,a : hosszirányú előtolás, v f,r : beszúró előtolás a p : fogás szélesség vagy előtolás, a e : fogásmélység [2] 18
A munkadarab-sebesség v w, mértékegysége legfontosabb, nagyságának meghatározásához a v c következő képlet alapján [2]: m s. A mellékmozgások közül a m s korongsebességből lehet a q = v c = 60 150 v v w = v c w q m s A q a sebességhányadot jelöli, ami a korong-, illetve a munkadarab-sebesség aránya. A v w 60 150-szer kisebb, mint a v c sebesség. Palástköszörülésnél a szokásos értéke q=60, vagy q= 80, mert így a kisebb asztalsebeség miatt irányváltáskor kisebb tömegrő lép fel [2]. A v w munkadarab-sebességet palástköszörülésnél a hajtómű megfelelő n s fordulatszámával kell beállítani [2]: n s = v w d w π 1 min n s : hajtómű fordulatszáma v w : munkadarab sebesség 1 min m min d w : munkadarab átmérő [mm] A v w a köszörülési folyamatot jelentősen befolyásolja, mivel meghatározza a munkadarabot érő, az érintkezési zónából származó hőhatás idejét, befolyásolja az egyedi szemcsékre értelmezett forgácsvastagságot, továbbá a szemcséket terhelő erőt, így a köszörűkorong dinamikus keménységét. Illetve a köszörült felület éredsségét is [2]. 3.3. Előtoló- és a fogásvételi mozgások az egyes eljárásoknál Az előtolómozgásra akkor van szükség, amikor a köszörülendő felület szélesebb vagy hosszabb, mint a köszörűkorong b s szélessége. Az előtoló mozgást v f,a -val jelöljük, mértékegysége pedig mm min vagy mm löket [2]. Hosszelőtolásos palástköszörülés [2] Az előtoló sebességet az előtolásból számoljuk ki, az előtolás a p, vagy f, mértékegysége pedig mm mdb fordulat. 19
Szokásos értékek [2]: nagyolás: simítás: finom: a p =f=(0.50 0.75)b s a p =f=(0.25 0.50)b s a p =f=(0.10 0.25)b s mm mdb fordulat mm mdb fordulat mm mdb fordulat A v f,a előtolósebesség számítása a következő módon történik [2]: Beszúró palástköszörülés [2] v f,a = a p n w m min a p : fogásszélesség [mm] n w : munkadarab fordulatszáma A fogásvételi mellékmozgás eredménye az a e fogásmélység. A fogásvételi mozgás a beszúró palástköszörülésnél folyamatos, a többi eljárásnál pedig szakaszos. Beszúró palástköszörülésnél a fogásvételi mozgás folyamatos, és a v f,r el jelzett beszúró sebességgel valósul meg, mértékegysége mm s 1 min. Az a e fogásmélység a munkadarab egy fordulatra eső leköszörült rétegvastagságát értjük. Számítása a következő képlettel történik, melyet már korábban is bemutattam [2]: a e = v f,r n w v f,r : sugárirányú beszúró sebesség mm s n w : munkadarab fordulatszáma 1 s A v f,r nagyságrendje 0.001 0.012 [mm/s], ha v c =30 35 [m/s]. A köszörűgépeken csak a v f,r -t lehet beállítani. A beszúró eljárásoknál az a p fogásszélesség, beszúrási szélesség értéke maximum a b s korongszélességgel lehet egyenlő [2]. Az a e nagyságrendje nagyolásnál. 0.01 0.2 mm, simításnál 0.001 0.01 mm, ezek az értékek v c =30 35 [m/s]-nél értendőek [2]. 20
3.4. Érintkezési ívhossz Az l g érintkezési ívhossz egy-egy abrazív szemcse elméleti forgácsolási útja. Azért elméleti, mert figyelmen kívül hagyjuk a korong és a munkadarab rugalmas alakváltozását és a kinematikai viszonyokat. Az l g -t geometriai összefüggések alapján lehet meghatározni, tehát az l g -t a hozzátartozó húrral lehet helyettesíteni. A 14. ábra szemlélteti az érintkezési ív elhelyezkedését palástköszörülésnél [2]. Számítása [2]: l g = a e d se [mm] d se : egyenértékű átmérő [mm] 14. ábra Érintkezési ívhossz [2] Az l g kihat a forgácsvastagságra, ez pedig a szemcsére ható erőre, ami a korong munka közbeni keménységét befolyásolja. A másik hatása, pedig az érintkezési hőre vonatkozik. Azaz, ha az l g növekszik, akkor az egyes szemcsék munkadarabra gyakorolt hőhatása is [2]. Az l g képlete nemcsak a palástköszörülésre, hanem a többi változatra is érvényes a d se függvényében [2]. A d se palástköszörülésre [2]: d se = d w d s d w +d s [mm] A képletben szereplő paraméterek értelmezés ugyan az, mint a korábbi fejezetekben. 3.5. A köszörülésnél fellépő erők, és a teljesítményszükséglet A köszörülésnél fellépő erő az egyes abrazív szemcsékben fellépő mikro-forgácsoló erők eredője. A ezt az erőt csak egyetlen koncentrált erőként kezeljük, amely a 15. ábrában a D főpontban ébrednek. Az F z térbeli erőt a forgácsolásban megszokott módon, három komponensre kell bontani (15. ábra) [2]. 21
Az F c fő köszörülési erőt a következő képlettel számolhatjuk ki: F c = k c A c = k c a p eq [N] k c : fajlagos forgácsoló erő [N/mm 2 ] A c : forgácskeresztmetszet [mm 2 ] Ha a h eq -t helyettesítjük a képletbe, akkor a következő képletet kapjuk: F c = k c v w v c a e a p [N] 15. ábra A köszörülésnél fellépő erők: F z :köszörülés térbeli ereje, F c : főköszörülési erő, F p : passzíverő, F f :, előtolóerő, D: főpont [2] A képletben szereplő paramétereket értelmezése ugyanaz, mint a korábbi fejezetekben. A fenti képlet beszúró- és hosszelőtolásos köszörülésre egyaránt alkalmas, de a e mindig rétegvastagságot, a p pedig beszúró eljárásnál a beszúrási szélesség, a hosszelőtolásos eljárásnál pedig egy munkadarab-fordulatra vagy löketre eső előtolás legyen [2]. A k c fajlagos forgácsolóerőt a Kienzle-féle formulával számolhatjuk ki [2]: k c = k c1.1 eq z [N] A képletben szereplő k c1.1 főérték és a z kitevő értékét táblázatból vehetjük ki. A köszörülés sajátossága az F p passzív erő, amelyre az igaz, hogy mindig jelentősen nagyobb értéke van, mint az F c forgácsoló erőnek [2]: F p = 1.5 3 F c [N] Az F c erő ismeretében kiszámíthatjuk a köszörülés teljesítményszükségletét, és a fajlagos energiaszükségletét is. Ez az érintkezési zónában értelmezett tiszta köszörülési (forgácsolási) teljesítmény [2]. P c = F c v c 1000 [kw] A képletben szereplő paramétereket értelmezése ugyanaz, mint a korábbi fejezetekben. 22
4. A palástköszörülési műveletek összehasonlítása 4.1. A vizsgálat célja A TDK dolgozatom célja a 6S 450 sebességváltóban található főtengely köszörülési műveleteinek megtervezése és összehasonlítása, az egyes műveletekhez tartozó géptípus kiválasztása és a köszörült felületek összehasonlítása, pontosabban a sebességváltó főtengely alkatrészrajzán feltüntetett Z16 felület, Ø 41h8 átmérőn feltüntetett Rz3Rz1Rmax4 sodrásmentes előírású felület érdességi paramétereinek vizsgálata. Kísérleti körülmények a következők: A sebességváltó-főtengely anyaga 20MnCr5. A CBN keskeny korongos eljárás során alkalmazott szerszámgép: Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű megmunkáló gép A hagyományos beszúró eljárás során alkalmazott szerszámgép: SCHAUDT A512-N750 palástköszörű megmunkáló gép 4.2. A sebességváltómű főtengelye, mint a vizsgálat tárgya A vizsgált főtengely, ahogy már azt korábban is említettem egy 6S 450 Amarok Pickup 4x4-es telepjáró sebességváltójában helyezkedik el, amelynek szerves részét képzi a vizsgált alkatrész. A főtengely funkcióját tekintve a motor által előállított hajtónyomatékot közvetíti a sebességváltóban, amelyet a motor felől a nyeles tengelyen keresztül veszi fel, és adja tovább a fogaskerekeken keresztül, amik az előtéttengelyre illetve a főtengelyre vannak szerelve. A főtengely műhelyrajzát megvizsgálva az alkatrész szigorú pontossági követelményekkel rendelkezik. A megmunkálás során, az alkatrészrajzon található szűk, néhány esetben mikronos mérettűrések tartása, a homogén felületminőség és az alakpontosság biztosítása a cél a meghatározott rajzi előírások szerint. Az alkatrészrajz által támasztott geometriai követelmények betartására a főtengely palástfelületein történő keménymegmunkálás által kerül sor, a hőkezelő művelet után. A szóban forgó alkatrész anyaga 20MnCr5 minőségű betétben edzhető acél. Az 23
alkatrészrajzon meghatározott értéke 81-83 HRA. A betétedzés következtében a tengely magban szívós marad, de a kéreg keménnyé, kopásállóvá válik, melyet keménymegmunkálás által lehet forgácsolni. A keménymegmunkálásnak két fajtáját különböztetjük meg, ami lehet a keményesztergálás vagy a köszörülés. A főtengely köszörülése kedvezőbb, mivel keményesztergálás esetében a megmunkált felület periódikus topográfiát eredményez. Mivel nagy keménységű alkatrészről beszélünk, így a megmunkálásához is nagyobb keménységű szerszám és megfelelő rezgéscsillapítású megmunkáló gépet szükséges alkalmazni. A főtengely nagysorozatgyártása és az alkatrészrajz geometriai követelményei alapján fontos a megfelelő technológia és eljárás kiválasztása. 4.3. A vizsgált eljárások A eljárások összehasonlítása során, az alkatrészen található Z16 jelű, Ø 41 h8 átmérő, feltüntetett Rz3Rz1Rmax4 előírású 65 mm hosszú felületre esett a választásom, amelyről Ø 0.3 mm köszörülési ráhagyást kell eltávolítani. Az alkatrészen, ez a leghosszabb felület a többi közül, amely köszörülés szempontjából problémás lehet. Az vizsgált eljárások a hagyományos hosszelőtolásos, egyenes beszúró, ferdebeszúró, a hántoló és a pontköszörülés összehasonlítása. Az eljárások közül a hosszelőtolásos eljárást a felület rövidsége miatt nem vizsgálom, mivel a hosszelőtolásos palástköszörüléshez minimum 100 mm hosszú felületre van szükség. Illetve a ferdebeszúró eljárást sem tudom vizsgálni, mivel nem állnak rendelkezésre technológiai adatok. Az idő rövidsége miatt csak erről a három eljárást tudom összehasonlítani. A három eljárás során főként az anyagleválasztási sebességet, a felületképzési sebességet végül a gépi főidőt hasonlítom össze, majd kiválasztom azt az eljárást, amelyet az alkatrész megmunkálásához fogok felhasználni. 24
A ZF Hungária Kft. által biztosított adatok alapján: Közös adatok: d w =41 mm z = 0.3 mm a e = 0.15 mm eltávolítandó rétegvastagság sugár irányban Egyenes beszúró eljárás: Alapadatok: n w = 80 1/min v c = 35 m/s d s = 600 mm 3 fogásban: 1. v f,r =0.2 mm/min 2. v f,r =0.15 mm/min 3. v f,r =0.08 mm/min Munkdarab-sebesség [2]: v w = d w π n w 1000 q = v c v w = 35 m /s 0.17 m /s = 41 (mm) π 80 (1/min) 1000 = 10.3 m/ min = 0.17 m/s = 205, ez az arány túl sok, a q szokásos értéke [2] szakirodalom alapján q=50 100 között, így q=90, mivel edzett anyagot munkálunk meg Tehát v w értéke a következő: v w = v c q = 35 = 0.38 m/s 90 Anyagleválasztási sebesség [2]: Q w1 = a e1 a p v w = 0.0025 mm 65 mm 0.38 m s 1000 = 61.75 mm3 /s Q w2 = a e2 a p v w = 0.001875 mm 65 mm 0.38 m s 1000 = 46.31 mm3 /s Q w3 = a e3 a p v w = 0.001 mm 65 mm 0.38 m s 1000 = 24.7 mm3 /s Q w = Q w1 + Q w2 + Q w3 = 132.76 mm 3 /s 25
Beszúró eljárásnál az a p fogásszélesség értéke maximum a korongszélesség lehet, én így megmunkálandó felület szélességét vettem alapul, azaz 65 mm. Az a e értéke, pedig a következő képlettel számolható: a e = v f,r n w 1. fogás: a e1 = v f,r n w = 0.2 mm /min 80 1/min = 0.0025 mm 2. fogás: a e2 = v f,r n w = 0.15 mm /min 80 1/min = 0.001875 mm 3. fogás: a e3 = v f,r n w = 0.08 mm /min 80 1/min = 0.001 mm Fajlagos anyagleválasztási teljesítmény [2]: Q w1 = a e1 v w = 0.0025 mm 0.38 m s 1000 = 0.95 mm3 /mm s Q w2 = a e2 v w = 0.001875 mm 0.38 m s 1000 = 0.7125 mm3 /mm s Q w3 = a e3 v w = 0.001 mm 0.38 m s 1000 = 0.38 mm3 /mm s Q w = Q w1 + Q w2 + Q w3 = 2.0425 mm 3 /s Felületképzési sebesség [2]: A w = a p v w = 65 mm 0.38 m s 1000 = 24700 mm2 s Gépi főidő: t gépi fő = Z N(sug ár) V f,rn + Z S1(sug ár) V f,rs1 + Z S2(sug ár) V f,rs2 + t kisz. = 0.12mm 0.2mm/min + 0.02 0.15mm/min + 0.01 0.08 mm/min 60 + 6sec = 57sec Hántoló eljárásnál: Alapadatok: n w = 511 1/min n c = 4536 1/min d s = 400 mm v f,a =100 mm/min a e =0.15 mm 26
Köszörűkorong-sebesség [6]: v c = d s π n s 400 (mm) π 4536 (1/min) = = 95 m/s 60 1000 1000 Munkdarab-sebesség [6]: v w = d w π n w 1000 = 41 (mm) π 511 (1/min) 1000 = 66 m/ min = 1.1 m/s q = v c 95 m/s = = 86, ez az arány jó, a szokásos érték q=50 100 között van. v w 1.1 m/s Anyagleválasztási sebesség [6]: Q w = a e f v w = 0.15 mm 0.19 mm 1.1 m s 1000 = 31.35 mm3 /s A ráhagyást egy fogásban távolítjuk el a megmunkált felületről, a e =0.15 mm, Az a p =f, tehát f = v f,a n w = 100 mm/min 511 1/min = 0.19 mm/mdb fordulat Fajlagos anyagleválasztási teljesítmény [6]: Q w1 = a e v w = 0.15 mm 1.1 m s 1000 = 165 mm3 /mm s Felületképzési sebesség [2]: A w = f v w = 0.19 mm 1.1 m s Megjegyzés: a p =f. 1000 = 209 mm2 s Gépi főidő: t gépi fő = L w V f,a + t ráfut. + t kifut. = 60 65mm 100mm/min + 4 s + 4 s = 47 sec Pontköszörülés eljárásnál: Alapadatok: n w = 500 1/min n c = 4565 1/min d s = 400 mm v f,a =160 mm/min 27
a e =0.15 mm Köszörűkorong-sebesség [6]: v c = d s π n s 400 (mm) π 4565 (1/min) = = 96 m/s 60 1000 1000 Munkdarab-sebesség [6]: v w = d w π n w 1000 q = v c v w = 96 m /s 1.07 m /s = 41 (mm) π 500 (1/min) 1000 = 64.2 m/ min = 1.07 m/s = 90, ez az arány jó, a szokásos érték q=50 100 között van. Anyagleválasztási sebesség [6]: Q w = a e f v w = 0.15 mm 0.32 mm 1.07 m s 1000 = 51.36 mm3 /s A ráhagyást egy fogásban távolítjuk el a megmunkált felületről, a e =0.15 mm, Az a p =f, tehát f = v f,a n w = 160 mm/min 500 1/min = 0.32 mm/mdb fordulat Fajlagos anyagleválasztási teljesítmény [6]: Q w1 = a e v w = 0.15 mm 1.107 m s 1000 = 160.5 mm3 /mm s Felületképzési sebesség [2]: A w = f v w = 0.32 mm 1.07 m s 1000 = 342.4 mm2 s Megjegyzés: a p =f. Gépi főidő: t gépi fő = L w V f,a + t ráfut. + t kifut. = 60 65mm 160mm/min + 4 s + 4 s = 32sec 28
1. táblázat Az eljárások alapadatai és a hozzá kiszámolt értékek Megmunkálási Egyenes adatok beszúró Hántoló köszörülés Pontköszörülés Szerszám anyaga Szilíciumkarbid korong CBN tárcsa CBN tárcsa Szerszám átmérő 400 600 (Ø; [mm]) 400 Szerszám kerületi sebessége 35 95 96 (v c ; [m/s]) Munkadarab kerületi sebessége 0.17 1.1 1.07 (v w ; [m/s]) Előtoló sebesség ( v f ; [mm/min]) 0.2 0.15 0.08 100 (1 fogás) 160 (1 fogás) Fogásmélység (a e, [mm]) 0.12 0.02 0.01 0.15 0.15 Köszörülési hossz (L w ; [mm]) 65 65 65 Anyagleválasztási sebesség 132.76 31.35 51.36 (Q w ; [mm 3 /s]) Fajlagos anyagleválasztási sebesség 2.0425 165 160.5 (Q w ; [mm 3 /mm s]) Felületképzési sebesség 24700 209 342.4 (A w, [mm 2 /s]) Gépi főidő (t g, [s]) 57 47 32 Az 1. táblázatba a három eljárás adatait foglaltam össze. Az anyagleválasztási sebesség, amely időegység alatt leválasztott anyagtérfogatot jelent. A táblázatból kitűnik, hogy a legmagasabb érték a hagyományos egyenes beszúró eljárásra vonatkozik, ez azért lehetséges, mivel az eljárás során a korong szélesebb a megmunkálandó felületnél, ezzel ellentétben a másik két eljárásnál pedig a köszörűkorong csupán néhány milliméter. Az új technológiáknál a hosszelőtolásos számítási képleteket alkalmaztam a szakirodalom alapján [6], melyből kitűnik, hogy a pontköszörülés anyagleválasztási sebessége sokkal magasabb a hántoló köszörülésnél. Az anyagleválasztási teljesítmény egy másik fajtája a fajlagos anyagleválasztási teljesítmény, amely az egyes köszörülési folyamatok jellemző értéke. A három eljárás 29
közül a legmagasabb értéket a hántoló eljárás képviseli, de nem sokkal marad el mögötte a pontköszörülés. A felületképzési sebesség azt mutatja meg, hogy az időegység alatt mekkora nagyságú felületet képes készremunkálni az eljárás. Az összehasonlított eljárások közül a hagyományos beszúró eljárásnak van a legnagyobb felületképzési sebesség, a felületképzési sebesség paraméterei a fogászélességtől függnek, emiatt lehet ez az érték ennyire magas, a másik két eljáráshoz viszonyítva. Az másik két eljárást összehasonlítva a pontköszörülésnek van nagyobb felületképzési sebessége, amely a bonyolult korongkialakításnak és a hozzá kapcsolódó megmunkáló gépnek köszönhető. Az utolsó vizsgált paraméter a gépi főidő, amely fontos szerepet tölt be az alkatrész termelékenységére vonatkozólag. A gépi főidő alapján kitűnik, hogy a három eljárás közül a legtermelékenyebb eljárás a pontköszörülés, utána a hántolóeljárás, végül a hagyományos beszúró eljárás. A CBN keskenykorongos eljárás előnyei a hagyományos eljárással szemben [7]: - A kerámiakötésű szerszámmal csökkenthető a gépi főidő, amely a sebességváltófőtengely termelékenysége kapcsán nagy fontossággal bír, mivel az alkatrészt nagysorozatgyártásban szükséges gyártani. - Az új eljárásokhoz használatos CBN szerszámoknak köszönhetően, a szerszámkopása alacsony, ennek következtében hosszú élettartamúak, főtengelyek esetében elég 80 darabonként szabályozni, míg hagyományos eljárás során ez az érték 30 darabra vagy még alacsonyabbra is csökkenhet, mivel a szilíciumkarbid abrazív szemcséjű korong keménysége lényegesen kisebb (fele) a CBN koronghoz képest. A lassú kopási folyamat miatt, CBN szerszámmal történő megmunkálás során a termelékenység magas. - Az előbbi megállapítás alapján a CBN szerszámoknak lényegesen jobb a profiltartó képességük, így a költségek is csökkenek, mint például szerszámozási költségek, és szabályozási költségek. Az összehasonlítás alapján a pontköszörülést találom a legmegfelelőbb eljárásnak a sebesség-váltó főtengely megmunkáláshoz. 30
5. A sebességváltó-főtengely palástköszörülése Az alkatrész megmunkálásához a ZF Hungária Kft. által alkalmazott technológiák közül, én a quickpoint, azaz pontköszörülést választom, a 4.3. fejezet vizsgálata alapján. A technológia megvalósítását a Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű megmunkáló gép biztosítja. A Quickpoint megmunkálógép jellemzője a nagy forgácsoló sebesség, a speciális kinematika és a hozzá kapcsolódó köszörűkorong kialakítás. 5.1. Pontköszörüléssel végzett megmunkálás A 6S 450 sebességváltó típusba beépülő 1361-304-145 rajzszámú főtengely a műveleti sorrendterv 14. művelete a palástköszörülés. Az előzőekben bemutatott eljárások közül a teljes mélységű fogásvétellel történő, hosszelőtolásos palástköszörülés alapelve alapján, de az újabb keskeny korongos eljárással alakítjuk ki a kívánt felületet a rajzon előírt követelmények szerint. A ZF Hungária Kft üzemében nagysorozatgyártásban zajlik. Így az előbb említett eljárás elve alapján már egy sokkal korszerűbb technológiát alkalmazunk, azaz az új, CBNkeskeny korongos szerszámmal történő palástköszörű-eljárást, amely termelékeny tengelymegmunkálást garantál, a hagyományosnál lényegesen alacsonyabb átállási idővel. Ez az eljárást más néven pontköszörülés eljárásnak nevezzük, amely során szuperkemény szemcseanyaggal történik a megmunkálás, magasabb fordulatszámmal, és előtolással rendelkezik, a hagyományos eljárással összehasonlítva. 16. ábra A 14. művelet megmunkálandó felületeinek bemutatása 31
Ebben a műveletben a 16. ábrán jelölt felületeket szükséges megmunkálni, a pirossal jelölt felületeken 0.15 mm-t távolítunk el sugárirányban egy fogásban, az eltérő színű Z16-os felületet pedig 0.09 mm-es köszörülési ráhagyással munkáljuk meg. Ennek oka, az alkatrészrajzon (1. számú melléklet) a Z16-os felületen előírt sodrásmentes felület kialakítás. Mivel az új technológiánál, mint a pontköszörülésnél sodrásos felület kialakításának veszélye sokkal magasabb, ami a korong kialakítás és a megmunkáló gép speciális kinematikájából eredő mozgásviszonyokból adódik. Az eljárás alkalmazása közben a korong a felületből szinte ki tépi a leválasztandó anyagréteget. Ennek hatására a felületen létrejövő topológia csavarvonal szerű olyan, mint egy esztergált felület csak szabad szemmel nem látható. Mivel az alkatrészrajzon a Z16-os felületen nem alakulhat ki ez a jelenség, emiatt szükséges alkalmazni egy másik eljárást, ez a hagyományos egyenes beszúró eljárás lesz. Az ok, amiért elengedhetetlen ez a kiegészítő művelet a Z16-os felület betöltött funkciójával magyarázható. A Z16-os felület a sebességváltóból kilógó rész, amihez egy szimmering kapcsolódik. Ha a Z16 felülete sodrásos, akkor a szimmering nem tudja megfelelően tömíteni a sebességváltó házat, ami súlyos következményeket eredményez. Ezt megakadályozni a felület sodrásmentesítésével lehet. A hagyományos eljárás alkalmazásával a kritikus felületen a sodrás kialakulásának veszélye sokkal alacsonyabb, mint a CBN keskeny korongos eljárás során. Így a két megmunkálás kombinálásával az alkatrész palástfelületén előírt geometriai és méretbeli követelményeket teljesíteni lehet. Az 2. táblázatban összefoglalóan sorolom fel a megmunkálandó felületet és azok méreteit geometriai előírásait. Illetve a 2. számú mellékletben található a táblázathoz tartozó műveleti rajz. 32
Felület Hossz (L, mm) Méret (Ø, mm) 2. táblázat Pontköszörülés megmunkálandó felületeinek jellemzői Tűrés Felületi Alakpontosság min max érdesség // Z1 18.9 Ø29m5 Ø29.008 Ø29.013 Ø29.017 Rz4 Z3 35.6 Ø44h5 Ø44.000 Ø44.995 Ø44.989 Rz3 Rmax4 0.02 Z1-Z14 0.02 Z1-Z14 0.003 A 0.004 B F4 - - - - - Rz4 - - - F6 - - - - - Rz20 - - - Z7 6.2 Ø58.5k5 Ø58.58 Ø58.57 Ø58.56 Rz4 - - - 0.004 0.004 Z8 35.6 Ø58h5 Ø58.000 Ø58.994 Ø58.987 Rz3 Rmax4 Z10 35.1 Ø52k5 Ø52.015 Ø52.009 Ø52.002 Rz4 0.02 Z1-Z14 0.02 Z1-Z14 0.004 C 0.004 - - Z11 4.6 Ø46.5k5 Ø46.513 Ø46.508 Ø46.502 Rz4 - - - Z12 33.2 Ø46k5 Ø46.013 Ø46.008 Ø46.002 Rz4 - - - Z14 25.5 Ø42k5 Ø42.013 Ø42.008 Ø42.002 Rz4 - - - Z16 65 Ø41h8 Ø41.08 Ø41.07 Ø41.06 - - - - A Z jelölésű felületek a palástfelületeket jelentik, az F jelűek pedig a homlokfelületet jelölik. A megmunkálandó felületek tűréseinél a felületek megmunkálása során törekedni kell tűrések minimum és maximum értékeinek közép értékére történő megmunkálásra, amelyet az 2. táblázatban a zölddel kijelölt oszlop jelöl. A szerszámgép változat és típusméreteinek kiválasztása A keménymegmunkálások közül az első művelethez tartozó megmunkáló gép a Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű, mely SIEMENS Sinumerik 840D vezérléssel rendelkezik 17. ábra. 33
17. ábra Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű megmunkáló gép [1] A megmunkáló gép a következő technikai paraméterekkel bír, melyet az 3. táblázatban foglalok össze. 3. táblázat Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű adatai [1] Gépadatok Munkadarab átmérő adagolóval max. 190 mm Munkadarab átmérő max. 280 mm Befogható munkadarab-hossz max. 1000 mm Munkadarab-főorsó fordulatszám 10.000 1/min Munkadaraborsó befoglaló méretek 100x333x124 mm Munkadaraborsó hajtás Szervomotoros Munkadaraborsó befogás MK4, Ø75 Junker Szegnyereg csúcs MK4, Ø75 Junker Szegnyereg befoglaló méretek 100x430 mm Szegnyereg hossz-állítás Lánckerekes, kézi Köszörűorsó hajtás 24 kw Köszörűorsó befoglaló méretek 180 x 400 mm Köszörűorsó fordulatszám max. 6000 1/min Köszörűorsó kiegyensúlyozás Elektronikus Köszörű-főorsó elfordulás -0,5, 0 és +0,5 Köszörű-főorsó mozgatás (CNC vezérelt) X, B, A 34
A megmunkáló géphez hozzá van építve egy munkadarab adagoló berendezés, a hozzá tartozó ovális kialakítású 20 darabos tárhellyel rendelkező pályával. Az ovális alakú pályán a megmunkálásra váró munkadarabokat palettákra helyezik a megmunkálás során alkalmazott irány szerint. A megmunkálás folyamatosságát segíti elő a hidraulikus megfogó szerkezet, amely két pár megfogó karral rendelkezik. A munkatérhez közelebbi kizárólag csak a megmunkálásra váró munkadarabokat fogja meg és helyezi el a megmunkáló térben, illetve a megmunkált darabokat a munkatértől távolabbi, a balra lévő megfogó pár puha pofával fogja meg és viszi ki a megmunkáló térből és helyezi az üres palettára. A megmunkálás teljesen automatizált, a CNC program segítségével a megmunkáló géphez épített adagoló berendezést is ezzel vezérlik, nem kell hozzá külön vezérlő program. A 18. ábrán a palástköszörű szerszámgép mozgásviszonyait mutatom be, a betűk értelmezését pedig a 4. táblázatban fejtem ki. 18. ábra A Junker Quickpoint 5000/750 palástköszörű tengelyeinek mozgásirányai [1] 35
4.táblázat A szerszámgép mozgásirányai [1] Tengelyek X Z C B A W Tengelyek ismertetése Köszörű-főorsó hozzáállítási iránya Köszörű-főorsó előtoló iránya Munkadarabhajtás (nem tengely => orsó) Köszörű-főorsó fordítási iránya Köszörűtárcsa fordulási iránya Munkadarab-adagoló iránya A munkadarab befogása, szükséges készülékek pontos specifikálása A munkadarab munkatérbe történő helyezés során a karos megfogó szerkezet a két nyitott fél kör alakú támasztékra fekteti fel az alkatrészt. A befogást a 19. ábrán egy vázlat segítségével mutatom be, feltüntetve a szerszám illetve a munkadarab forgásirányát. A munkadarabot a támaszokra helyezve a 7-es jelzésű vezérelhető állócsúcs, a központfurat segítségével, a 3-as jelzésű vezérelhető forgócsúcshoz nyomja a munkadarabot, amely becsatlakozik a menetes központfurat furatába. Így az orsó már meg tudja hajtani a munkadarabot. Az ábra megtévesztő, de csak egy szerszám, azaz az 1-es jelzésű szerszám dolgozik a palástköszörűn, amely 15 fokban be van döntve, és az ábrán is látható módon az egyik oldal elkészültével 180 fokban átbillen a jobb oldalról a bal oldalra, és elkészíti a másik oldalon lévő meghatározott palást felületeket is, a 4-es jelzésű felületet pedig a meghatározott ráhagyással. 36
19. ábra A munkatérben lévő munkadarab befogásának vázlata felülnézetből 1. CBN köszörűkorong 2. Szabályzó tárcsa 3.Forgócsúcs (hajtás) 4. Munkadarab 5. Hosszpozícionáló (13) 6. Forgócsúcs 7. Mérőfej (11) 8. Álló báb 9. Mérőfej (12) A munkadarabhoz két mérőfej tartozik a 7-as és a 9-es jelzésű, illetve a szerszámhoz is egy, amely az 5-os jelzést kapta. A 8-es jelzésű állóbábot nem használjuk a megmunkálás során, nyitott állapotban van. Az alkalmazott szerszám és szabályozása A megmunkáló szerszám helyzetét és a szerszámhoz kapcsolódó meghajtást, a főorsót a 20. ábrán mutatom be. 37
20. ábra Köszörűtárcsa és a hozzá kapcsolódó hajtás [1] 1. CBN köszörűtárcsa 2. Tartókarima 3. Hajtás 4. Beépített kiegyensúlyozó Az főtengely megmunkálása során alkalmazott CBN köszörű korongot a 21. ábrán szemléltetem, a szerszámhoz tartozó alkatrészrajz a 3 számú melléklet tartalmazza. A köszörűszerszám abrazív rétege, ahogy a jobb oldali ábrán is látható szegmensekből épül fel. A szegmenseken belül három összetevő alkotja, amely CBN, azaz köbös bórnitrid abrazív szemcséből, kerámia kötőanyagból, illetve a pórusokból tevődik össze. A CBN szemcseanyag mellett, hagyományos korund illetve, szilíciumkarbid szemcséket is kevernek támasztó és erősítő anyagként [7]. A három összetevő arányát a szerszámgyártók állítják be a ZF Hungária Kft által előírt kívánalmaknak megfelelően. 21. ábra A CBN köszörűtárcsa felépítése [1] 38
A megfelelő darabszám legyártása után nem nélkülözhető a korong szabályozása, amely a sebességváltó főtengelye esetén 80 darab után szükségessé válik. Bár a korong élettartama igen nagy, lassan kopik, de egy idő után a kimenő paraméterek romlanak, és a köszörűgép méretszabályzó rendszerében zavarok is felléphetnek a korong kopása miatt. A kerámia kötésű CBN korongokat, a köszörűgépen, ahogyan a 19. ábrán a 2-es jelzéssel található egy galvanikus kötésű CBN szabályzószerszám, amelyet megfelelő fordulatszámon a munkadarabot forgató orsó hajt meg. A hengeres rész szabályozási vesztesége sugár irányban 5 6 μm [6]. A beszabályozás után fontos a hűtő-kenő folyadék csövének után állítása is, mivel ha az élre nem jut elég hűtő-kenő folyadék beégés történik, amely során már nem lesz megfelelő minőségű a kialakult felület. A CBN szerszámmal történő megmunkálást a következő 22. illetve 23. ábrán mutatom be. A főmozgást a szerszám végzi, ami egy párhuzamosan zajló, folyamatos forgó, illetve előtoló mozgásból tevődik össze. A munkadarab csak forgó mozgást valósít meg. 22. ábra A szerszám és a munkadarab mozgásviszonyai [1] 1. CBN köszörűkorong 2. A munkadarab 3. Hűtő-kenő folyadék 39
A CBN szerszámmal megtett út szemléltetése a 18. ábrán látható vázlat segítségével mutatom be. A köszörűgép CNC vezérlése segítségével, a korong programozott pontját az alkalmazott hosszirányú és keresztirányú előtolások megfelelő összehangolásával vezeti a munkadarab alkotója mentén és állítja elő az alkatrészrajz által előírt felületi geometriákat egy fogással. 23. ábra A szerszám megtett útja a munkálandó felületen vázlat [1] 5.2. Hagyományos beszúró palástköszörüléssel végzett megmunkálás A kritikus Z16-os felületet, 24. ábra, a hagyományos beszúró palástköszörüléssel készítjük el az alkatrészrajzon előírt méret, és geometria alapján. Az 5. táblázat foglalja össze a felület méreteit előírásait. 24. ábra A 15. művelet során megmunkálni kívánt felület vázlata 40
Felület Hossz (L, mm) 5. táblázat: Egyenes beszúró eljárás megmunkálandó felületeinek jellemzői Méret (Ø, mm) Z16 65 Ø41h8 Ø41.00 Ø40.981 Ø40.961 Tűrés Felületi Alakpontosság min max érdesség // Rz3 Rz1 0.02-0.02 Rmax4 Z1-Z14 A szerszámgép változat és típusméreteinek kiválasztása A művelet során alkalmazott szerszámgép SCHAUDT A512-N750 nem automatizált, hanem egyetemes palástköszörű 25. ábra. 25. ábra SCHAUDT A512-N750 egyetemes palástköszörű megmunkáló gép [1] A megmunkáló géphez nem csatlakozik adagoló berendezés, a megmunkálni kívánt alkatrészek szállító kocsikon érkeznek, egy kocsin harminc darab alkatrészt tudnak szállítani egyszerre. A szakmunkás feladata a munkatérbe megfelelő felfekvéssel elhelyezni a Z16-os felület megmunkálására váró főtengelyeket egyesével, majd a kész alkatrész levétele és a szállítókocsira tétele után, a következő alkatrész munkatérbe történő helyezése. 41
A munkadarab befogása, szükséges készülékek pontos specifikálása A munkadarab befogása hasonló módon történik, mint az előző műveletben. A befogás két csúcs között valósul meg, ahogy azt a 26. ábrán szemléltetem. Az alkalmazott eljárás a már említett beszúró palástköszörülés. Fontos, hogy ennél az eljárásnál a korong mindig szélesebb a megmunkálandó felület szélességétől. A szerszám végzi a forgácsoló főmozgást, ami tartalmaz egy folyamatosan forgó és egy sugárirányú előtoló mozgást így alakítva ki a rajzi előírásnak megfelelő geometriát és méretet. A munkadarab végzi a mellékmozgást, amely egy folyamatosan forgó a szerszáméval megegyező forgásirányú, különböző sebesség viszonyok mellett. A kész felület 3 fogás során alakul ki, amely két nagyoló és egy simító fogásból tevődik össze. 26. ábra A befogás vázlata és a mozgásviszonyok 1. Munkadarab 2. Szerszám 3. A Z16-os felület 42
A szerszám és a szabályozása A megmunkáláshoz alkalmazott szerszám hagyományos szilíciumkarbid szemcseanyagot tartalmazó, kerámia kötésű köszörűkorong. Mivel a megmunkálandó felület hőkezelés után nagy keménységűvé válik, és ahhoz hogy meg tudjuk munkálni ezt a nagy keménységű felületet a forgácsoló szerszámanyagnak háromszor nagyobb keménységűnek kell lennie a megmunkálni kívánt felületnél. A CBN technológiánál ez egyszerűen megoldható mivel a gyémánt után a második legkeményebb abrazív szemcseanyaggal munkáltuk meg a felületeket. A CBN abrazív szemcseanyag kétszer akkora keménységű, mint a hagyományos szilíciumkarbid abrazív szemcseanyag. Ennek ellenére a megmunkálás megvalósítható, mivel a betétedzés során martenzites réteg elérése a cél. Így ezt a martenzites szövetszerkezetű anyagot ki tudjuk koptatni a karbidok közül, következményként a nagy keménységű karbidszemcsék kiesnek, kitörnek és kiszakadnak a köszörülési nyomás hatására a munkadarab felületi rétegéből. A hagyományos szemcséjű köszörűszerszám tehát gyakorlatilag csak a martenzites szövetszerkezetű anyagot képes forgácsolni, míg a fémkarbidokat forgácsolás hiányában csak kitörni és kiszakítani tudja. Ez együtt jár a köszörűszerszám erős kopásával és az alacsony fajlagos forgácsleválasztási teljesítménnyel [7]. A szilíciumkarbidos abrazív szemcsét tartalmazó köszörűkorong szabályozását kis fogásmélységű többszemcsés gyémántot tartalmazó álló szabályzó szerszámmal végezzük erre alkalmas célgépen. A szabályozásnak fontos szerepe van, a sodrásmentes felület kialakításában, hiszen míg a CBN koronggal történő megmunkálás során az eljárás mozgásviszonyaiból adódóan lényegesen könnyebben alakulhat ki a sodrásos átmérő, amelybe a CBN korong szabályozásának nincs jelentős befolyása, addig a hagyományos eljárásnál, befolyásoló tényező. Mivel ha nagy előtolás és kis fordulatszám hatására a szabályozni kívánt korong felülete nagy érdességű lesz, magas érdesség csúcsú és mély érdesség völgyet fog hordozni. Ennek hatására a felület kialakítása után egy szemmel nem látható menetes szerű 43
felületet alakít ki. Ha viszont kis fogásmélységgel és nagy fordulatszámmal szabályozzuk a korongot. Az érdesség csúcsok kisebbek, és az érdesség völgyek sem lesznek túlságosan mélyek. Így a kis fogásmélységű és a nagy fordulatszámú szerszámmal történő szabályozás után megmunkált felületen nem alakul ki csavarvonal szerű felület. 6. A két eljárás által készített felületi topológiák összehasonlítása A szuperkemény szerszámokkal történő megmunkálás során a megmunkált felületek egyenetlenségeit három vizsgálati tartományban elemezhetjük. Ezeket a következő felsorolásban foglalom össze [7]: 1. Makrogeometriai, mint alakhiba 2. Mikrogeometriai, mint felületi érdesség 3. Szubmikro-geometriai, mint határrétegi jelenségek [7] Az alakhiba, mint 1. és 2. rendű egyenetlenség elsősorban az alkatrészek síktól való eltérését, az ovalitást, a kúposságot, a hullámosságot jelentik, amelyeket az MKGSrendszer terhelés hatására bekövetkező alakváltozásaiból, elmozdulásaiból, a fellépő esetleges rezgésekből, a munkadarab excentrikus befogásából származik [7]. A precíziós megmunkálás során alkalmazott nagy sebességű forgácsolás merev MKGS rendszert feltételez, ugyanakkor a leválasztott kis forgácskeresztmetszet miatt fellépő forgácsoló erők viszonylag kicsik, ezért ezek hatása a gyakorlatban elhanyagolhatók 1. és 2. rendű egyenetlenség formájában igen ritkán fordul elő, így figyelmen kívül hagyható [7]. A felületi érdesség, mint 3., 4., 5. rendű egyenetlenség alapvetően, mint barázdák felületein lévő repedések és kristályszerkezeti hibák egyértelműen a megmunkált anyag inhomogenitásából adódnak. Ez utóbbiakra a megmunkálás során nincs módunk hatást gyakorolni, mint előre nem ismert adottságot kell kezelni [7]. 44
Tehát a felületi érdesség oldaláról a végzett megmunkálás során alapvetően a forgácsolt felület barázdáira, azok nagyságára: szélességére és mélységére tudunk befolyással lenni. Elsősorban az alkalmazott szerszámgeometriával, az éllekerekedés rádiuszával, és a technológiai paraméterekkel, közvetlen módon az előtolással, az a/f viszony nagyságával, fő- és mellékél elhelyezési szögének nagyságával [7]. A felületminőség érdességi, szabványban rögzített legfontosabb jellemzőit a 27. ábrán mutatom be. 27. ábra A felületi minőség érdességi jellemzői [7] Az 27. ábra jól mutatja, hogy a forgácsolt felületen lévő barázdák különböző geometriájúak, eltérő mélységűek, az érdességcsúcsok lekerekedései is igen változóak. Összességében meghatározzák a forgácsolt felületek úgynevezett aktív hordozóhosszát, amelyeknek kell a fellépő igénybevételeket elviselni, így fontos az alkatrészek üzemeltetése és kifáradási szilárdsága szempontjából, de meghatározó a korróziós folyamatok beindulása vonatkozásában is. Ezek utóbbi hirtelen, szabálytalan bemetszések miatt, mint feszültség gyűjtőhelyek szerepelnek terhelés közben, következményként magasabb energiaszintjüknél fogva a korróziós folyamatok ezekről a pontokról indulnak ki [7]. Ezek együttesként határozzák meg a megmunkált alkatrész élettartamát. Az értékelés alapja [8]: A munkadarab felületi minősége a következő három, alapvető paraméterrel írható le (28. ábra): P-profil: Elsődleges profil, általános profil. 45
W-profil: Hullámosság profil R-profil: Felületi érdesség profil, melynek kiszámítása úgy történik, hogy szűrő segítségével eltávolítják a P-profil nagy hullámhosszú elemeit. Az R-profil ezért a P-profil egy módosított változata [8]. 28. ábra A hullámosság és az érdesség szétválasztása 2D-ben [8] Felületek mérésekor az értékelés mindig egy adott, úgynevezett referenciahosszon történik. Ha az alkatrész tervrajzán nincs megadva a referenciahossz, akkor a felületet mérő személynek kell azt meghatározni (29. ábra) [8]. Mért hosszak [8]: l t = teljes hossz (magában foglalja a kezdő, értékelendő és befejező hosszt). l n = értékelendő hossz (öt referenciahosszt foglal magába). l r = referencia hossz. 29. ábra Mért hosszak [8] 46
Az R-profil fő paraméterei: [8] [9] A profil átlag érdessége: R a Az érdességi profil pontjainak középvonaltól mért átlagos távolsága az alaphossz tartományban. A profil közepes eltérése: R q Az átlagos érdesség a tényleges profil és a középvonal közti Zi távolságok abszolút értékének számtani átlaga. R q = 1 L 0 z 2 L x dx Maximális profilmagasság (átlagos): R z A valóságos profil legmagasabb és legmélyebb pontja közötti távolság az alaphosszon belül. Rz = Rp + Rv [μm] Maximális egyenetlenség magasság: R max Rmax = Rt max + Rv max [μm] Maximális egyenetlenség (kiértékelési hosszon értelmezve): R t A valóságos profil legmagasabb és legmélyebb pontjai közötti távolság a kiértékelési hosszon belül. Rt = Rp max + Rv max [μm] A profil maximális csúcsmagasság (átlagos): R p A valóságos profil legmagasabb pontja és a középvonal közötti távolság az alaphosszon belül. Rp = 5 i =1 Zp i [μm] A profil maximális völgymélysége: R v A valóságos profil legmélyebb pontja és a középvonal közötti távolság az alaphosszon belül. Rv = 5 i=1 Zv i [μm] 47
6.1. Kísérleti körülmények A megmunkálás ZF Hungária Kft. üzemében zajlott le, illetve a munkadarabok mérése pedig az üzem minőségellenőrző osztályán történt, az üzem által biztosított mérőberendezésen. A sebességváltó főtengely anyaga 20MnCr5. A CBN keskeny korongos eljárás során alkalmazott szerszámgép: Junker Quickpoint 5000/40 automatizált palástköszörű megmunkáló gép A hagyományos beszúró eljárás során alkalmazott szerszámgép: SCHAUDT A512-N750 palástköszörű megmunkáló gép Mérő berendezés: MAHR Helios Pesthometer PGK 120 felületi érdesség mérő berendezés 6. táblázat Megmunkáláshoz kapcsolódó információk Megmunkálási adatok Szerszám anyaga Szerszám átmérő (Ø; [mm]) Szerszám kerületi sebessége (V c ; [m/s]) Munkadarab kerületi sebessége (V w ; [m/s]) Előtoló sebesség ( v f ; [mm/min]) Fogásmélység (a e, [mm]) Köszörülési hossz [I w ; (mm)] Pontköszörülés CBN tárcsa Egyenes beszúró eljárás Szilíciumkarbid korong 400 600 96 35 1.07 0.44 160 (1 fogás) 0.2 0.15 0.08 0.06 0.06 0.02 0.01 65 65 A rendelkezésre álló darabok egy kocsin voltak. Egy kocsi 30 darab tengelyt tartalmaz. A pontköszörülésnél, a JUNKER gépen 80 darabonként történik a szabályozás, míg a SCHAUDT gépen, az egyenes beszúró eljárásnál, 30darabonként. 48
A mérő berendezést a következő fényképen szemléltetem (30. ábra). MAHR Helios Pesthometer PGK 120 felületi érdesség mérő berendezés 30. ábra MAHR Helios Pesthometer PGK 120 felületi érdesség mérő berendezés [1] 7. táblázat: A méréshez kapcsolódó információk Méréshez kapcsolódó adatok Pontköszörülés Egyenes beszúró eljárás Mért munkadarab száma 6* Mérőfej MFW-250 6851801 Mért teljes hossz (Lt [μm]) 5.6 Mért értékelendő hossz (Ln [μm]) 4.0 Mért referenciahossz (Lt [μm]) 0.8 Mérés sebessége (Vt; [mm/s] 0.10 Mérési tartomány (Ls; [μm]) ±2.5 *Egy darabon 3x120 fokban mértem. 49
6.2. Eredmények, kiértékelések 8. táblázat: Pontköszörüléssel előállított darabok felületi paraméterei Mdb Ra Rq Rz Rmax Rt Rp Rv sorszám [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] 1. 0,222 0,289 1,735 2,07 2,14 0,8 0,94 6. 0,211 0,269 1,633 2,1 2,13 0,78 0,85 12. 0,199 0,251 1,432 1,85 1,88 0,67 0,76 18. 0,203 0,259 1,507 1,79 1,84 0,75 0,76 24. 0,212 0,27 1,596 1,91 2,03 0,74 0,86 30. 0,209 0,264 1,476 1,67 1,72 0,73 0,75 Max 0,222 0,289 1,735 2,1 2,14 0,8 0,94 Min 0,199 0,251 1,432 1,67 1,72 0,67 0,75 R 0,023 0,038 0,303 0,43 0,42 0,13 0,19 S 0,008 0,013 0,113 0,165 0,170 0,045 0,076 CNC átlag 0,209 0,267 1,563 1,898 1,957 0,745 0,820 9. táblázat: Hagyományos eljárással előállított darabok felületi paraméterei Mdb Ra Rq Rz Rmax Rt Rp Rv sorszám [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] [μm] 1. 0,361 0,434 2,114 2,51 2,75 0,95 1,16 6. 0,355 0,429 2,155 2,48 2,66 0,97 1,18 12. 0,376 0,454 2,19 2,51 2,54 0,98 1,21 18. 0,443 0,523 2,34 2,52 2,63 1,1 1,24 24. 0,476 0,564 2,661 3,2 3,24 1,11 1,55 30. 0,657 0,756 3,193 3,52 3,58 1,44 1,75 Max 0,657 0,756 3,193 3,52 3,58 1,44 1,75 Min 0,355 0,429 2,114 2,48 2,54 0,95 1,16 R 0,302 0,327 1,079 1,04 1,04 0,49 0,59 S 0,115 0,124 0,419 0,453 0,415 0,184 0,244 NC átlag 0,445 0,527 2,442 2,790 2,900 1,092 1,348 50
A felületi paraméterek értékei [μm] A felületi paraméterek [μm] Rv Rp Rt Rmax Rz Rq JUNKER SCHAUDT Ra 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 A felületi paraméterek értékei [μm] 31. ábra A két eljárás által megmunkált felület felületi paramétereinek átlaga Ra [μm] Rq [μm] Rz [μm] Rmax [μm] Rt [μm] Rp [μm] Rv [μm] JUNKER 0,209 0,267 1,563 1,898 1,957 0,745 0,820 SCHAUDT 0,445 0,527 2,442 2,790 2,900 1,092 1,348 A 31. ábrán a két eljárás által megmunkált felületek érdességi jellemzőit szemléltetem. Az érdességi jellemzők átlagértékeit összehasonlítva egyértelműen megállapítható, hogy a két eljárás közül pontköszörülésnek lényegesen kisebbek a felületi paraméterei, tehát a felületi minősége sokkal jobb, mint a hagyományos eljárással készített felület. Az érdességi előírás Rz1Rz3Rmax4, melyet mind a két eljárás teljesít. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Min (JUNKER) Max (JUNKER) Min (SCHAUDT) Max (SCHAUDT) A felületi paraméterek [μm] 32. ábra A két eljárás által megmunkált felület minimum és maximum értékei 51
Felüleeti paraméterek értékei (μm) Felüleeti paraméterek értékei (μm) A 32. ábrán a két eljárás felületi paramétereinek minimum és maximum értékeit ábrázolom. Melyekből kitűnik, hogy a SCHAUDT gépen, azaz a hagyományos eljárással megmunkált felület minimum és maximum értékei közötti távolság sokkal nagyobb, mint az JUNKER gépen, azaz a pontköszörüléssel megmunkált felületen, különösen az Rt, Rmax és Rz értékek, amelyek a felület egyenetlenségére vonatkoznak. Így ezeket a paramétereket és a hozzá kapcsolódó összetevőket vizsgálom tovább. 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Rz (JUNKER) Rz (SCHAUDT) 0,5 0 1 6 12 18 24 30 A munkadarab sorszáma (db) 33. ábra Az egyenetlenség magasság (Rz) értékei a két eljárásnál 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Rz (SCHAUDT) Rt (SCHAUDT) Rz (JUNKER) Rt (JUNKER) 0 1 6 12 18 24 30 A munkadarab sorszáma (db) 34. ábra Az Rz és az Rt értékeinek összehasonlítása a két eljárásnál 52
Felüleeti paraméterek értékei (μm) A 33. ábrán az egyenetlenség magasság (Rz) értékeit hasonlítom össze a két eljárásnál. A diagramon látható, hogy míg a Junker gépen előállított darabok felületének egyenetlensége az egyes daraboknál ingadozik, addig a SCHAUDT, azaz a hagyományos eljárással megmunkált munkadarabokon a felület sokkal egyenletesebbé válik. Ezt támasztja alá a 34. ábra is, amely az Rz értékek mellett az Rt, maximális egyenetlenség magasságot mutatja. 2 1,5 1 0,5 0 1 6 12 18 24 30 A munkadarab sorszáma (db) Rp (JUNKER) Rv (JUNKER) Rp (SCHAUDT) Rv (SCHAUDT) 35. ábra Az Rz, egyenetlenségmagasság és az érték összetevői: Rp, a profil maximális csúcsmagassága illetve Rv, a profil maximális völgymélysége az alaphosszon belül A 35. ábrán az Rz képlete alapján, amely Rz=Rp+Rv, ábrázoltam a minősítő paramétereket. A diagram szerint a pontköszörülésnél (JUNKER), a profil maximális csúcsmagassága és a profil maximális völgymélysége, némely pontban közel azonos érték. Emiatt, ha 36. ábrát nézzük, ami ugyan az, mint a 35. ábra csak oszlopos elrendezésben, a két eljárás maximális csúcsmagasságának és a maximális völgymélységének arányait figyeljük, jelentős eltérés fedezhető fel. Ezek alapján a pontköszörüléssel megmunkált darabok felületén a hordozó felület sokkal kisebb, mint a hagyományos eljárással megmunkált felületen. Az érdességi csúcsok túl élesek, és a völgyek pedig túl mélyek, amelyek miatt sodrásos felület alakulhat ki. 53
Felüleeti paraméterek értékei (μm) 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Junker Rp [μm] Junker Rv [μm] Schaudt Rp [μm] Schaudt Rv [μm] 1 6 12 18 Munkadarab sorszáma (db) 24 30 36. ábra Az Rz, egyenetlenségmagasság: A valóságos profil legmagasabb és legmélyebb pontja közötti távolság az alaphosszon belül (Rz) A két eljárás által megmunkált felülethez tartozó R profilokat a következők: 37. ábra A pontköszörüléssel megmunkált felület R profilja [1] 54
38. ábra A hagyományos beszúró eljárással megmunkált felület R profilja [1] Ahogyan a 37. és a 38. ábrákon megfigyelhető megmunkált felületet, kerámikus kötésű CBN koronggal és kerámikus kötésű hagyományos szilíciumkarbid köszörű koronggal alakítottuk ki. A két kép különbségeit a két különböző eljárás technológiai paraméterei és különböző mozgásviszonyai adják. A CBN technológiánál a megmunkálás során az anyagleválasztás egy fogásban történik, kis előtoló sebességgel és nagy forgácsoló sebességgel (Vc=96 m/s). A szerszám, azaz a köszörűtárcsa a felület szélességéhez viszonyítva a köszörült felületnek csak bizonyos hányadát teszi ki. A szerszám nem csupán nagy forgácsoló sebessége, és a kis előtoló sebesség, hanem a korong különleges kialakítása és a megmunkáló gép speciális kinematikai viszonyai miatt és a kiszikráztatási idő elmaradása miatt is alakulhat ki. Az eljárás során a leválasztandó anyagréteget a megmunkálandó felületből a CBN szemcsék szinte kitépik, így idézve elő a 37. ábrán vázolt éles érdességi csúcsokkal teli felületet. Ezzel ellentétben a hagyományos eljárással készült felület során a szerszám szélesebb a megmunkálandó felülettől. A szerszám sugár irányú előtolása révén a szilíciumkarbid szemcsék a megmunkálandó felületből a leválasztandó réteget vasaló jelleggel [7] távolítják el, így az éles rendezetlenebb csúcsok helyett sokkal tompább rendezettebb felületet kapunk. 55