Budaesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gyártástudomány és -technológia Tanszék Tézisfüzet Öntött alumínium ötvözetek forgácsolhatóságának elemzése külső hengeres felületek finomesztergálásánál PhD értekezés tézisei Horváth Richárd 015.
A doktori iskola megnevezése: Budaesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Pattantyús-Ábrahám Géza Géészeti Tudományok Doktori Iskola Tudományága: géészeti tudományok Vezetője: Dr. Stéán Gábor, egyetemi tanár az MTA rendes tagja Témavezető: Dr. Mátyási Gyula, c. egyetemi tanár Oonensek: Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Tartalom 1 Bevezetés... 5 Kutatás célkitűzései... 5 3 Anyagok és módszerek... 7 3.1 Kísérletekben felhasznált alaanyagok... 7 3. Kísérletben felhasznált szerszámok... 7 3.3 Kísérletben felhasznált szerszámgéek... 8 3.4 Felhasznált érdességmérő... 8 3.5 Kutatásban alkalmazott kísérletterv... 8 3.6 Egyedi egyenletek éítése... 10 3.7 Összevont egyenletek éítése... 10 3.8 Otimum meghatározása kívánatossági függvényekkel... 11 4 Erőmodell kidolgozása finomesztergálás technológiájához... 1 5 Forgácsolási erőmérő tervezése és adatálása finomesztergálás technológiájához... 14 5.1 Erőmérővel szemben támasztott követelmények... 14 6 Eredmények... 16 6.1 Ra és Rz érdességi araméterek eredményei... 16 6. Otimum ont meghatározása kívánatossági függvényekkel... 18 6.3 A felületi érdesség statisztikai aramétereinek (Rsk, Rku) elemzése... 19 6.4 Erőtani kísérletek eredményei... 1 7 Tézisek... 4 1. Tézis... 4. Tézis... 4 3. Tézis... 4 4. Tézis... 4 3 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
8 Összefoglalás... 5 9 A Disszertációval kacsolatos ublikációk... 7 9.1 Folyóiratok... 7 9. Könyvfejezet... 8 9.3 Konferencia kiadványok... 8 4 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
1 Bevezetés Az alumínium (és alumínium ötvözet) gyártmányoknak az utóbbi évtizedekben egyre növekvő a felhasználási területük és felhasználási arányuk. Mind a járműiar, mind a reülőgéiar és a hadászat fokozottan egyre nagyobb arányban használja az alumínium ötvözeteket, számtalan jó mechanikai és kémiai tulajdonságuk miatt. Az alumínium termékeknek a befejező megmunkálása (vagy egy-egy kijelölt felületüké) gyakran történik forgácsolással. Vizsgálataimat ezért az iarban nagyon gyakran használt Si-vel ötvözött (ún. szilumin) két, nyomásosan öntött tíusán végeztem. Kutatás célkitűzései Célkitűzéseim között szereel, a vizsgálatba vont alaanyagok forgácsolhatóságának és a felhasznált szerszámok forgácsoló kéességének vizsgálata, ami részletesebben az alábbiakat jelenti: - Az iarban gyakran használt Ra és Rz érdességi araméterek vizsgálata, azok becslésére fenomenológiai modellek éítése, mely a (szokásos) forgácsolási aramétereken kívül a szerszám élanyagot és az alaanyagokat is tartalmazza, mint minőségi változó. - Ha van az alaanyagok forgácsolhatósága között különbség (l.: Ra, Rz értékek között) annak felderítése. - Gyártáskor nem elég éldául a felületi érdesség minimalizálására törekedni, célszerű annak szórását is csökkenteni (ún. robosztus tervezés). Ezért vizsgálataimat kiterjesztem a mért érdességi araméterek szórásának vizsgálatára is. - A felületi érdesség statisztikai mérőszámai (Rsk, Rku) nagyban befolyásolják a működő felületek tribológiai tulajdonságait. Ezért vizsgálataimat kiterjesztem a felületi érdesség statisztikai mérőszámainak elemzésére is. Arra keresem a választ, hogy van-e szignifikáns hatása valamely (vizsgált) bemenő araméternek a felületi érdesség statisztikai aramétereire. - A toológiai térkéen a szakirodalom (1. ábra) a különböző gyártási technológiák által gyártott felületeket jól elhatároltan definiálja. Ezek alaján arra is keresem a választ, hogy vajon finomesztergálás körülményei között eltérő élanyagú és élgeometriájú szerszámok használatával, hogyan alakul a toológiai térké elhelyezkedése, viselkedése. 5 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
1. ábra Különböző forgácsolási eljárásokkal készített felületek toológiai térkée - A felületi érdesség statisztikai aramétereinek szórásának elemzése, szintén a vizsgálataimnak egyik célja. - Finomesztergáláskor mikor a fogásban lévő élszakasz a csúcsugárnál kisebb, vagy ahhoz mérhető, a forgácskeresztmetszetet nem lehet a hagyományos h - forgácsvastagság és b forgácsszélesség araméterrel definiálni. Ezért célom annak vizsgálata, hogy hogyan lehet a csúcsugárral összevethető fogásmélységeknél kialakuló forgácskeresztmetszetet ontosabban meghatározni. - Finomesztergálás körülményeire (a vizsgált alaanyagoknál) olyan erőmodell éítése, mely a finomesztergálásra jellemző forgácskeresztmetszet (és azokra jellemző) méretekkel oerál. - Az erőmodell validálására egy seciális alumínium finomesztergálás tartományát átfogó, háromkomonenses erőmérő rendszer tervezése, ellenőrzése, és a technológiához való adatálása. 6 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
3 Anyagok és módszerek 3.1 Kísérletekben felhasznált alaanyagok Vizsgálataimhoz kétféle, az iarban gyakran használt nyomásosan öntött alumínium ötvözetet választottam. Ezek az ötvözetek igen jól egyesítik a kiváló mechanikai tulajdonságokat a megfelelő technológiai előnyükkel. A vizsgálatba vont AS1-es jelű eutektikus alumínium ötvözet előnye kiváló önthetősége, míg az AS17-es tíusé edig a (dermedéskor kivált rimer Si-nak köszönhetően) nagyobb keménység és koásállóság. Az AS17-es hiereutektikus ötvözet összetétele (tömeg %): Al = 79,44 %; Si = 18,1 %, Cu = 1,09 %; Mg = 0,45%. Keménysége: 114±3 HB,5/6,5/30. Az AS1-es eutektikus ötvözet összetétele (tömeg %): Al = 88,54 %; Si = 11,46 %. Keménysége: 67±HB,5/6,5/30. 3. Kísérletben felhasznált szerszámok Vizsgálataimat a kereskedelmi forgalomban is kaható gyémánt szerszámokkal végeztem el (laka kód: DCGW 11T304). Háromféle élanyagú szerszámot alkalmaztam, úgy mint olikristályos gyémánt (PCD), kémiai rétegfelvitelű gyémánt (CVD-D), és szintetikus egykristály gyémánt (MDC). Ezeket a szerszámokat hagyományos (úgynevezett ISO) és nem hagyományos (úgynevezett Wier) geometriával is vizsgálat alá vontam (. ábra). a) hagyományos (ISO) geometria b) nem hagyományos (Wier) geometria. ábra ISO és Wier élgeometria közötti különbség [S1] Jelölések: f előtolás; a fogásmélység; r e csúcssugár; r e1 és r e Wier görbület sugara; r bo simító rész sugara; Rz egyenetlenség magasság A vizsgálatokhoz felhasznált szerszámokat összesíti az 1. Táblázat. 7 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
1. Táblázat A kísérletben felhasznált szerszámok (x) él anyag PCD CVD-D MDC él geometria ISO x x x Wier x x - 3.3 Kísérletben felhasznált szerszámgéek A felületi édességre vonatkozó kísérleteket EuroTurn 1B CNC esztergagéen, míg a forgácsolóerő méréseket Dugard Eagle BNC 1640-es CNC esztergagéen végeztem. 3.4 Felhasznált érdességmérő Az esztergált felületek érdességét Mitutoyo SJ301 tíusú érdességmérővel mértem (mérési beállítások: λ c = 0,8 mm, N = 5 - mintavételi hossz száma). A felületi érdességet a munkadarabok kerületen 30º-onként 1-szer mértem így a dolgozatban szerelő érdességi értékek ezen 1 mérési ontnak az átlagai. 3.5 Kutatásban alkalmazott kísérletterv Az RSM (válasz felület) módszer alkalmazása során úgynevezett centrál komozit tervet (CCD tervet) alkalmaztam, ahol minden beállított aramétert 5 szinten lehet vizsgálni. A kísérletterv alaja egy 16 kísérletből álló terv, amelyben a három forgácsolási aramétert, faktort (fogácsolási sebesség, v c, m/min; előtolás, f, mm; fogásmélység, a, mm) változtatok szisztematikusan (öt szinten), beleértve egy centrumontbeli mérést és annak ismételt mérését (3. ábra,. táblázat). 3. ábra Kísérleti ontok [S1] 8 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
. Táblázat Kísérleti ontok szintjei Kísérleti ontok, N v c f a 1-1 -1-1 -1-1 1 3-1 1-1 4-1 1 1 5 1-1 -1 6 1-1 1 7 1 1-1 8 1 1 1 9 1,8719 0 0 10 1,8719 0 0 11 0-1,8719 0 1 0 1,8719 0 13 0 0-1,8719 14 0 0 1,8719 15 (C) 0 0 0 16 (C) 0 0 0 Mivel a vizsgálatba vont szerszámok kétféle élgeometriával rendelkeznek (ISO és Wier), figyelembe vettem azt is, hogy a Wier geometriájú szerszámok érdességelőállító kéessége jobb. Ezért a Wier geometriájú szerszámokkal történő kísérletek esetén kétszeres előtolást alkalmaztam, hogy a felületi érdesség adatok összehasonlíthatóak legyenek. A forgácsolási araméterek beállításainak értékei a 3. táblázatban találhatóak. 3. Táblázat A forgácsolási araméterek szintjei -1,8719-1 0 1 1,8719 v c, m/min 500 667 150 1833 000 f ISO, mm 0,05 0,058 0,085 0,11 0,1 f Wier, mm 0,1 0,116 0,17 0,4 0,4 a, mm 0, 0,67 0,5 0,733 0,8 A. és a 3. táblázatból adódik a 16 kísérleti beállítás ISO és Wier szerszámokra (melyek csak az előtolás értékében térnek el) (4. és 5. táblázat). 4. Táblázat ISO élgeometriájú szerszámok kísérletterve Mérési ontok, N v c, m/min f, mm a, mm 1 667 0,058 0,67 667 0,058 0,733 3 667 0,11 0,67 4 667 0,11 0,733 5 1833 0,058 0,67 6 1833 0,058 0,733 7 1833 0,11 0,67 8 1833 0,11 0,733 5. Táblázat Wier élgeometriájú szerszámok kísérletterve Mérési ontok, N v c, m/min f, mm a, mm 1 667 0,116 0,67 667 0,116 0,733 3 667 0,4 0,67 4 667 0,4 0,733 5 1833 0,116 0,67 6 1833 0,116 0,733 7 1833 0,4 0,67 8 1833 0,4 0,733 9 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
9 500 0,085 0,5 10 000 0,085 0,5 11 150 0,05 0,5 1 150 0,1 0,5 13 150 0,085 0, 14 150 0,085 0,8 15 150 0,085 0,5 16 150 0,085 0,5 9 500 0,17 0,5 10 000 0,17 0,5 11 150 0,1 0,5 1 150 0,4 0,5 13 150 0,17 0, 14 150 0,17 0,8 15 150 0,17 0,5 16 150 0,17 0,5 3.6 Egyedi egyenletek éítése A mérési eredményekre az alábbi függvény szerinti összefüggéseket kerestem: Y = α(v c, f, a ) (1) ahol α az úgynevezett válaszfüggvény, Y a kimenő araméter (Ra, Rz), v c, f és a a bemenő araméterek. Minden szerszámra és alaanyagra meghatároztam a válaszfüggvényt az alábbi fenomenológiai modellek feléítésével: Ra b0 b1 vc b f b3 a b11 vc b f () b a b v f b v a b f a 33 c a 1 c c v f c 13 c v 10 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015. a c 3 Rz c0 c1 vc c f c3 a c11 vc c f (3) 33 1 c 13 c 3 f a ahol, b 0, b i, b ij, c 0, c i, c ij a számított koefficiensek és ε a hiba. Ez gyakorlatilag 0 egyedi (szerszámokra, alaanyagokra) egyenlet éítését jelenti. 3.7 Összevont egyenletek éítése A technológiai tervezés megkönnyítésére, és a 0 egyedi egyenlet helyettesítésére célszerű olyan összevont egyenletet éíteni, mely magában foglalja a vizsgált munkadarab anyagokat és szerszám élanyagokat is mint bemenő aramétert. Két összevont egyenletet dolgoztam ki a kétféle szerszámgeometriára: Y = Ω(v c, f, a, TM, WM) (4) ahol, TM a szerszámanyag tíusa, WM az alaanyag tíusa minőségi változóként értelmezve (6. táblázat), Ω a válaszfüggvény. 6. Táblázat Felhasznált alaanyagok változói AS1 AS17 WM alaanyag tíusa 0 1 PCD CVD MDC TM szerszámanyag tíusa 0 1
Így a minőségi változókkal bővített összevont fenomenológiai modellek: Ra d 0 d1 WM d TM d 3 vc d 4 f d 5 a d TM d 33 vc d 44 f (5) d a d WM TM d WM v d WM f d WM a d TM v d 55 4 1 TM f d 5 TM a 13 d 34 v f d c c 14 35 v a c d 15 45 f a 3 c Rz e e e 55 4 0 a e WM e 1 e 1 TM f e TM e v WM TM e 5 TM a 13 3 e c WM v 34 v e c c 4 f e a e 14 f e 35 5 WM f e v a c e e TM 15 45 WM a f a e 33 v c e e 3 44 f TM v c (6) ahol d 0, d i, d ij, e 0, e i, e ij a számított koefficiensek és ε a hiba. d és e értékei zérus a Wier vizsgálatok esetén, mivel a szerszámanyag csak kétféle lehet. 3.8 Otimum meghatározása kívánatossági függvényekkel A termelékenység meghatározható a forgácsolási sebesség és az előtolás szorzataként. E három célfüggvény: Ra Min (7) Rz Min (8) Pf vc f Max (9) együttes otimumának meghatározására alkalmasak az úgynevezett kívánatossági függvények. A kívánatossági függvények 0 és 1 közötti értéket vehetnek fel. Minél nagyobb a kívánatossági érték, annál jobban megközelítjük az elvárt értéket. Vizsgálatomban a kiválasztott kívánatos függvények a d Ra, d Rz és d Pf (3. ábra). Ra kívánatossági függvénye Rz kívánatossági függvénye 11 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Pf kívánatossági függvénye 3. ábra Kívánatossági függvények A komozit kívánatossági függvény (D) az, amellyel lehet keresni az egymásnak ellentmondó kritériumok otimumát úgy, hogy vesszük a geometriai átlagát a három egyedi kívánatossági függvénynek: D 3 d Ra drz d (10) Pf Ahol ez a D érték maximum lesz, ott található a három célfüggvény együttes otimuma. 4 Erőmodell kidolgozása finomesztergálás technológiájához A finomesztergálás körülményei között a fogásban lévő élszakasznak kisebb részét kéezi a főél (vagy részt sem vesz a forgácsolásban), a szerszám csúcssugara viszont teljes egészében részt vesz a forgácsleválasztásban. Ezért a Kienzle által használt h és b forgácsgeometriai adatok értelmüket vesztik. Ennek az is a következménye, hogy a k 1.1 jellemző sem alkalmazható finomesztergáláskor. Ezért két olyan forgácsjellemzőt vezettem be (h eq ekvivalens forgácsvastagság; l eff élvonalhossz) (4. ábra), amelyekkel a finomesztergáláskor adódó forgácsgeometriai jellemzők egzakt módon tárgyalhatóak. 4. ábra Jellemző forgácskeresztmetszet finomesztergálásnál [S5] 1 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Finomesztergáláskor a működő élvonalhossz az alábbi kélet segítségével számítható: l eff a r 1 cos sin r r r f arcsin 360 r r Az esztergáláskor beállított adatokból és az effektív élvonalhosszból az ekvivalens forgácsvastagság tehát a következő formulával számolható: h eq a l Finomesztergáláskor minden esetben teljesül a h eq <<1 mm reláció, ezért k 1.1 nem használható. Ezért bevezettem a forgácsgeometriát jobban leíró számítási módszert. Ez edig a finomesztergálás technológiájára jellemző fajlagos forgácsoló erő főértéke, amely l eff = 1 mm és h eq = 0,1 mm vonatkozik, jele edig k 1,0.1. A bevezetett forgácsolóerő modell az erőméréssel megállaított fajlagos forgácsolóerő számítását igényli, amely a következő alakban írható fel: f eff (11) (1) F F k (11) A h eq l eff A kaott k értékek azonban függenek a h eq és a l eff értékeitől, ezért ezeket kétfaktoros, hatványfüggvény regresszióval érdemes modellezni az alábbiak szerint: k q y C h eq l (1) eff A regressziószámítás eredményeként kaott q kitevő természetesen éúgy negatív, mint a nagy keresztmetszetű forgácsok esetén. Ha alkalmazzuk a h eq =0,1 mm behelyettesítést, akkor a megállaítandó k 1,0.1 értéke a következő: k 1 Ebből edig a keresett forgácsolóerő modell [S5]: q 1,0.1 C 0, (13) F k h eq l eff k q 1 q y h 1 1,0.1 10 eq l eff (14) Az általam meghatározott elvégzendő kísérletsorozatot (7. táblázat) úgy alakítottam ki, hogy a 1. mérési ont a k 1,0.1 érték meghatározására (ellenőrzésére) szolgál. 7. Táblázat Erőtani vizsgálatok kísérleti ontjai Mérési ont a, mm f, mm l eff, mm h eq, mm A, mm 1. 0,5 0,03 0,493 0,015 0,0075. 0,5 0,05 0,503 0,05 0,015 13 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Mérési ont a, mm f, mm l eff, mm h eq, mm A, mm 3. 0,5 0,07 0,513 0,034 0,0175 4. 0,5 0,09 0,53 0,043 0,05 5. 0,5 0,11 0,533 0,05 0,075 6. 0,5 0,13 0,543 0,060 0,035 7. 0,5 0,15 0,554 0,068 0,0375 8. 0,5 0,03 0,743 0,00 0,015 9. 0,5 0,05 0,753 0,033 0,05 10. 0,5 0,07 0,763 0,046 0,035 11. 0,5 0,09 0,774 0,058 0,045 1. 0,5 0,11 0,784 0,070 0,055 13. 0,5 0,13 0,794 0,08 0,065 14. 0,5 0,15 0,804 0,093 0,075 15. 0,7 0,03 0,944 0,0 0,01 16. 0,7 0,05 0,954 0,037 0,035 17. 0,7 0,07 0,964 0,051 0,049 18. 0,7 0,09 0,974 0,065 0,063 19. 0,7 0,11 0,984 0,078 0,077 0. 0,7 0,13 0,994 0,09 0,091 (k 1,0.1) 1. 0,7 0,143 1,001 0,100 0,1001. 0,7 0,15 1,004 0,105 0,105 5 Forgácsolási erőmérő tervezése és adatálása finomesztergálás technológiájához 5.1 Erőmérővel szemben támasztott követelmények A tervezett és finomesztergálás technológiájához adatált erőmérővel szemben támasztott követelményeket a következőekben fogalmaztam meg: - kées legyen finom esztergálás közbeni kis erők korrekt mérésére (0 100 N) tized N-os ontossággal. - mindhárom erőkomonens mérésére legyen kées valós időben (F c - főforgácsoló erő, F f - előtoló erő, F - asszív erő). - könnyen, gyorsan legyen elkészíthető. - a szerszámbefogóban való rögzítése ne legyen bonyolultabb, mint egy késszáré. - a konstrukció előzze meg a drága mérőcella esetleges sérülésekből adódó meghibásodását. Az erőmérő szétvetett modelljét mutatja az 5. ábra. 14 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
5. ábra Átalakított késszár ún. robbantott modellje Az erőkomonensek méréséhez tartozó (és beállítandó) érzékenységeket meghatároztam melyek a következőek: - F c érzékenysége: -3.463 C/N - F f érzékenysége: -7,47 C/N - F érzékenysége: -7,05 C/N Az erőmérő tervezett mérési tartományában (0 100N) felvettem annak hibagörbéit mindhárom erőkomonensére (6. ábra). 6. ábra F c, F f és F erőkomonensek hibagörbéje a tervezett méréstartományban [S10] A hibagörbéket (6. ábra) harmadfokú olinomokkal megfelelő korrelációval le lehet írni, így ezzel komenzálni (és még ontosabbá tenni) a mért értéket. Ebből adódóan a valós erő komonensek a következő módon számíthatók: F c = F c_mért - HF c (15) F f = F f_mért - HF f (16) 15 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
F = F _mért - HF (17) ahol, HF c, HF f és HF a három erőkomonens hibagörbéjét leíró (mint korrekciós tag) egyenlet [S10]: 6 3 HF c 7 10 x 0,0006x 0,00x 0,0834 (18) (R =0,9413) 5 3 HF f 110 x 0,0013x 0,0653x 0,60 (19) (R =0,9973) 6 3 HF 410 x 0,0003x 0,076x 0,438 (0) (R =0,9931) A méréstartományon belül a mért érték és a valódi érték közötti eltérés F c erőkomonens esetén: a legkisebb eltérés -0,097% a legnagyobb eltérés -1,415%, míg az F f irányú erőkomonens estén a legkisebb eltérés -0,079% a legnagyobb eltérés edig 0,667%. F irányú erőkomonensnél edig a legkisebb eltérés 0,19% a legnagyobb eltérés 1,13%. 6 Eredmények 6.1 Ra és Rz érdességi araméterek eredményei A mérési eredményekre a () (3) egyenletnek megfelelő matematikai modellt illesztettem. Az egyes együtthatókra megvizsgáltam, hogy értékük szignifikánsan eltér-e nullától, vagyis van-e az adott faktornak szignifikáns hatása az eredményekre. Az egyedi egyenletek szignifikancia vizsgálatából jól látszik, hogy a felületi érdességre leginkább az előtolás és a forgácsolósebesség van hatással, valamint ezen faktorok keresztszorzatai is jelentősen befolyásolják a mérések eredményeit. Redukált modelleket alkottam () (3) alaján, Ra és Rz érdességi araméter becslésére az eltérő élanyag és munkadarab alaanyagnál ahol a főhatások araméterein kívül (b 1, b, b 3 ; ill. c 1, c, c 3 ) csak azon együtthatókat vettem figyelembe, amelyek szignifikánsan eltérnek zérustól. A (5) (6) egyenletnek megfelelően a különféle vizsgálatba vont szerszámokra és alaanyagokra összevont modellt éítettem. A modellek (5) (6) együtthatóira szignifikancia vizsgálatot végeztem. 16 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Az összevont redukált egyenletek a következőkéen alakulnak [S1]: Ra ISO 3,75310 5,19110 1,15110 5.,76 10 5 3 1 a 1,019 10 WM vc,306 WM f 8,865 10 vc f,510 10 1 1 TM WM 3,687 10 1,430 10 7 TM 3,694 10 vc 184,3 f 5 4 TM vc 4,70 10 vc 14,806 f 4,679 10 1 WM TM TM f (1) (R =0,861) Rz ISO 1,,717 10 1,013 a 4,937 10 1,354 10,90310 1 4 1 1,41WM,333 10 1 TM WM TM 1,735 10 6,934 10 4 7 1 TM vc 8,49 TM f,437 10 TM,475 10 vc 53, f WM vc 14,10 WM f 1 3 TM a 1,165310 vc 11,36 f vc f 1.69 f a () (R =0,8384) Ra Wier 7,799 f 1,03a 9,71710 7,6010 8,1510 1,150 1,44510 1 4 a 1 1,63WM f 4,71810 vc f,463 f a WM 1,56910 8 1 vc 31,06 f 5 TM 3,9110 4 TM vc7,10310 vc 1 TM f (3) (R =0,7857) Rz Wier,103 f 1,064a 3,13110,13310 3,041,99110 4 1 WM,0410 7 vc 5,65 f WM vc3,98wm f 5,70110 TM 9,09310 1,010a 1 4 vc WM a,951tm f (4) (R =0,774) Az összevont redukált egyenletek (1) () (3) (4) jól leírják az egyes felületi érdesség aramétereket (Ra, Rz) az ISO, valamint a Wier szerszámok esetén. Alavetően a forgácsoláskor beállítható aramétereket (v c, f, a ) szokás a fenomenológiai modellekbe éíteni. Tehát ezen egyenletek használata esetén a forgácsolási araméterek mellett az alaanyag tíusa és a szerszám élanyaga ismeretében meghatározható a finomesztergálással kaható felületi érdesség értéke. Annak illusztrálására, hogy a forgácsolósebesség és az előtolás változására hogyan viselkednek az összevont redukált (1) () (3) (4) matematikai modellek mutat éldát a 7. ábra. 17 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
(1)-os egyenlet diagrammja, anyag: AS17; szerszám: PCD-ISO ()-es egyenlet diagrammja, anyag: AS17; szerszám: PCD-ISO (3)-as egyenlet diagrammja, anyag: AS17; (4)-es egyenlet diagrammja, anyag: AS17; szerszám: CVD-D-Wier szerszám: CVD-D-Wier 7. ábra Az összevont redukált egyenletek grafikus ábrázolása [S1] 6. Otimum ont meghatározása kívánatossági függvényekkel A felületi érdesség kritériumokat úgy állítottam be, hogy a kedvező érték összevethető legyen a köszörülés technológiájánál kaott érdességgel, a nem megfelelő érték edig a simító esztergálás felső határa. A termelékenységi faktor határértékei ISO szerszámok esetében és 0,160 m /min és 0,05 m /min, illetve Wier szerszámoknál 0,160 m /min és 0,48 m /min (8. ábra). a) Ra kívánatossági függvénye b) Rz kívánatossági függvénye 18 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
b) Pf kívánatossági függvénye 8. ábra Kívánatossági függvények [S1] Az otimalizálását elvégezve azt katam, hogy ISO szerszámok esetén [S1]: WM = 1 (AS17), és TM = 0 (PCD), a beállítandó forgácsolási araméterek: v c = 000 m/min, f = 0,089 mm, a = 0, mm. Az elérhető érdességi araméterek és termelékenység: Ra = 0.579 µm, Rz = 3,301 µm, Pf = 178 m /min. Ebben az esetben a kívánatossági függvények: d Ra = 0.55, d Rz = 0,799, d Pf = 0,46, a komozit kívánatossági függvény: D = 0,573. Wier szerszámok esetén: WM = 1 (AS17), és TM = 1 (CVD-D), a beállítandó forgácsolási araméterek: v c = 000 m/min, f = 0,158 mm, a = 0,4 mm. Az elérhető érdességi araméterek és termelékenység: Ra = 0,444 µm, Rz =,587 µm, Pf = 315,9 m /min. Ebben az esetben a kívánatossági függvények: d Ra = 0,889, d Rz = 1, d Pf = 0,516, a komozit kívánatossági függvény: D = 0,771. Az otimum keresés utolsó lééseként az otimum ontban ellenőrzést végeztem, mind ISO és mind Wier szerszámok esetében. Az ellenőrzős során az érdességi értékeket szintén 1-szer mértem. A mért és becsült értékek közötti különbségek Ra és Rz érdességi araméter esetében meglehetősen kicsik, a különbség nagysága a technológiai előtervezésben nem számottevő (elhanyagolható). 6.3 A felületi érdesség statisztikai aramétereinek (Rsk, Rku) elemzése A felületi érdesség statisztikai araméterei (Rsk, Rku) szintén 1 mérés kiértékeléséből adódnak. A toológiai térké minden ontja (9. ábra) ennek a 1 mérési ontnak az átlaga, élgeometria szerint csoortosítva. 19 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
9. ábra Eltérő szerszámgeometriával (élkialakítás) gyártott felületek toológiai térkéei [S] 8. Táblázat Rsk értékek tartománya az élgeometriák függvényében [S] Wier geometria Wier & ISO geometria ISO geometria -1-0, -0, 0,55 0,55 1,0 A toológiai térkéen (9. ábra) három elkülönülő Rsk tartomány figyelhető meg egyértelműen (8. Táblázat). Az Rku értékek nem érzékenyek a szerszám geometriára. A gyártott felületek Rku tartománya 1,5 4 között van. Ez összhangban van a szakirodalommal. Két szélsőséges rofilt kiemelve, amelyek csak az előtolásban (összehasonlíthatóság miatt) és a szerszámél geometriájában különböznek (9. ábra, irossal jelölve), az érdességi rofilok adnak magyarázatot a jelenségre. Az ISO szerszámmal esztergált felület tiikus esztergált rofilt mutat, magas éles csúcsok, előtolásnyomok. Ezzel szemben a Wier szerszám által gyártott érdesség latószerú rofillal rendelkezik. Ennek magyarázata, hogy a Wier geometria (. ábra) r e1 és r e sugarát összekötő r b0 sugár miatt, a fogásban lévő élszakasz mellékél elhelyezési szöge kisebb, mint az ISO geometriánál. Ezáltal a gyártott felület egyenetlenség magassága (Rz) is kisebb. Ennek eredményeként a magas csúcsok eltűnnek és a felület finomabbá válik, ennek köszönhető, hogy a Wier szerszámok termelékenysége nagyobb. Van azonban ennek a jelenségnek egy másik hatása, a vasaló hatás következtében létrejövő latós felület azt jelenti, hogy a valódi érintkező felületnek jobb lesz a tribológiai viselkedése, mint a magas csúcsokkal jellemzett felületé (10. ábra). 0 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
ISO geometriájú szerszámmal esztergált felület (érdességi araméterek: Ra = 0,806 µm; Rz = 4,056 µm; Rsk = 0,917; Rku =,915 forgácsolási araméterek: v c = 500 m/min; f = 0,085 mm; a = 0,5 mm) Wier geometriájú szerszámmal esztergált felület (érdességi araméterek: Ra = 0,493 µm; Rz =,783 µm; Rsk = -0,803; Rku =,995 forgácsolási araméterek: v c = 500 m/min; f = 0,17 mm; a = 0,5 mm) 10. ábra Eltérő Rsk érdességi araméterrel rendelkező felületek [S] 6.4 Erőtani kísérletek eredményei Az erőtani kísérleteket a 3. fejezet szerint végeztem. Az erőtani vizsgálatokat az otimum vizsgálatoknál kaott szerszámmal végeztem (élanyag: PCD, élgeometria: ISO). A méréseket úgy végeztem, hogy azonos fogásvétel mellett szakaszonként növeltem az előtolás értékét és így vettem fel majd értékeltem ki az erőregisztrátumokat. A (1) egyenletnek megfelelően az ekvivalens forgácsvastagságtól és a fogásban lévő élhossztól függő fajlagos forgácsoló, előtoló és asszív erő egyenlete a két alaanyagra a következő [S5]: c _ AS1 438, 9 0,198 eq 0,039 eff k h l (5) c _ AS17 407, 57 0,7 eq 0,088 eff k h l (6) f _ AS1 7, 74 0,607 eq 0,85 eff k h l (7) 1 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
f _ AS17 9, 7 0,66 eq 0,78 eff k h l (8) k k 0,66 0,43 _ AS1 44, 06 heq leff 0,75 0,44 _ AS17 40 heq leff (9) (30) A (13) és a (5) (6) (7) (8) (9) (30) egyenletekből adódik a seciálisan finomesztergálás esetére használandó fajlagos erők főértéke, amelyek: - k c1,0.1_as1 =69 N/mm illetve k c1,0.1_as17 =763 N/mm ; - k f1,0.1_as1 =11 N/mm illetve k f1,0.1_as17 =135 N/mm ; - k 1,0.1_AS1 =0 N/mm illetve k 1,0.1_AS17 =6 N/mm ; A (4. fejezetben) bemutatott (14) erőmodell alaján a három erőkomonensek becslésére (anyagok szerint) az alábbi egyenleteket éítettem [S5]: F F F F 0,198 0,8 0,96 c _ AS1 69 10 heq leff (31) 0,7 0,78 1,089 c _ AS17 76310 heq leff F F (3) 0,607 0,393 0,153 f _ AS1 11 10 heq leff (33) 0,657 0,343 0,1 f _ AS17 13510 heq leff (34) 0,66 0,34 1,43 _ AS1 0 10 heq leff (35) 0,75 0,48 1,44 _ AS17 610 heq leff (36) A legjobb ontosságot, (legkisebb eltérést) az F c komonensre kidolgozott modell mutatta mindkét anyag esetében, de néhány kiugró hiba értéktől eltekintve a technológiai tervezésben megfelelő ontossággal írják le az F f és F erőkomonenseket is az éített erő modellek. A bevezetet és finomesztergálás technológiájára kidolgozott erőmodellről a következőek mondhatók el: - Az erőmodell a finomesztergálásra jellemző forgácsméretekkel oerál (bevezettem a h eq közees forgácsvastagság és l eff fogásban lévő élhossz, araméterek használatát). - Az általam bevezetett fajlagos forgácsolóerő (1) formulával jellemzett modellje igen ontosan számítja a fajlagos erő értékeket mindhárom komonens esetében. Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
- A fajlagos erők főértékei finomesztergálás technológiájára a (13) összefüggéssel egyszerűen számíthatóak. - A vizsgálatok szerint a forgácsolóerő komonenseinek (14 alaján) egyenletei nagy ontossággal leírják és modellezik a méréssel meghatározott erőértékeket. 3 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
7 Tézisek 1. Tézis Finomsztergálás technológiájára kidolgoztam négy olyan összevont redukált fenomenológiai modellt az Ra és Rz érdességi araméterek becslésére a vizsgált forgácsolási aramétertartományon belül, amelyben a forgácsolási aramétereken kívül a vizsgált alaanyagok és a vizsgálatba vont szerszámok élanyaga is szereel, mint minőségi, diszkrét változó. Ezekkel a fenomenológiai modellekkel technológiai előtervezésben becsülhető az Ra és Rz felületi érdességi araméterek várható értéke. A vizsgált alaanyag: AS1 és AS17 alumínium ötvözet. A forgácsoló szerszámok élének anyagai: PCD, CVD-D, és MCD. A vizsgált forgácsolási araméter tartomány: v c =500-000 m/min; f ISO =0,05-0,1 mm; f Wier =0,1-0,4 mm; a =0,-0,8 mm. Az I. tézis az alábbi ublikációkra éül: [S1][S3][S4][S7][S11][S1][S16][S17]. Tézis Finomesztergálásnál a tervezési célként elérendő felületi érdességre (Ra és Rz), illetve a termelékenységre kívánatossági függvényeket definiáltam, melyek felhasználásával otimumot állaítottam meg a két vizsgált élgeomtriánál. Az otimalizálás a forgácsolósebességre, a fogásmélységre, az előtolásra, a szerszám élanyagára, és az alaanyagra terjed ki. A vizsgált forgácsolási araméter tartomány és feltételek az 1-es tézisben leírtakkal megegyezőek. Az II. tézis az alábbi ublikációkra éül: [S1][S3][S4][S13][S17] 3. Tézis Kísérletekkel bizonyítottam, hogy a felületi érdesség statisztikai araméterei (Rsk, Rku), amelyek jelentős hatással vannak a működő felületek jellemzőire, a vizsgált technológiai tartományban csak az élgeomtriától függenek. A finomesztergálás általam vizsgált toológiai térkée három tartományra bontható (az Rsk statisztikai araméter függvényében), amelyek a vizsgált élgeometriától függenek (Wier geometria = -1-0,; Wier & ISO geometria = -0, 0,55; ISO geometria = 0,55 1). Kimutattam, hogy finomesztergáláskor a toológiai térké eddig nem ismert (szakirodalomban ismertetettől eltérő) tartománya is gyártható, így a működő felületek várható jellemzői is tervezhetővé válnak a finomesztergálás technológiai tervezésénél. A vizsgált forgácsolási araméter tartomány és feltételek az 1-es tézisben leírtakkal megegyezőek. Az III. tézis az alábbi ublikációkra éül: [S][S8][S15][S16] 4. Tézis A finomesztergálás technológiájára kidolgoztam egy olyan erőmodellt, amelyben bevezettem az l eff - fogásban lévő élhosszt, az ezzel és a leválasztott forgácskeresztmetszetből kéezhető h eq - közees forgácsvastagságot, valamint a k 1.0,1 4 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
fajlagos forgácsoló erő főértékét. Az általam bevezetett erőmodellel technológiai tervezésnél a forgácsleválasztás valós geometriai körülményeinek megfelelően becsülhető mindhárom (F c, F f, F ) forgácsolási erőkomonens. Finomesztergálási technológiai vizsgálatokhoz terveztem, kiviteleztem, 0 100 N tartományra hitelesítettem és a kísérleteimnél alkalmaztam egy seciális erőmérőt. Az IV. tézis az alábbi ublikációkra éül: [S5][S10][S14] 8 Összefoglalás Munkám során kétféle iarban gyakran használt nyomásosan öntött alumínium ötvözet (eutektikus és hiereutektikus) forgácsolhatóságát vizsgáltam finomesztergálás körülményei között. A vizsgálatba három féle élanyagú és kétféle élkialakítású gyémánt szerszámokat vontam be. Kísérletterv segítségével végeztem el a forgácsolási kísérleteket, melyek után mértem a felületi érdesség (iarban is gyakran használt) magasságirányú Ra és Rz aramétereit. A méréseket a munkadarab felületén 30 -os osztásokkal 1-szer végeztem el. Felületi érdesség becslésére létrehoztam minden szerszámra és alaanyagra egy forgácsolási araméterektől függő redukált (csak szignifikáns hatásokat tartalmazó) fenomenológiai modellt (összesen 0 db egyenlet). Ezek után olyan összevont redukált fenomenológiai modelleket alkottam, amelyben az alaanyagok és szerszám élanyagok mint minőségi változók szereelnek. Két féle módszerrel, célfüggvények szerint forgácsolási otimumot kerestem (finomesztergálásra jellemző érdesség minimalizálása), a vizsgált forgácsolási araméter tartományon, a vizsgálatba vont élanyagokkal és alaanyagokkal. Majd az otimumot validáló, ellenőrző méréseket végeztem. A forgácsolt felületekről készült csiszolatokkal (forgácsolt felület közelében lévő rimér szilíciumok) megvizsgáltam a különböző élkialakítású szerszámok forgácsoló hatásmechanizmusát, érdesség kialakító kéességüket. Nem elég a felületi érdességet minimilizálni, hanem annak szórását is csökkenteni kell, ezért az érdességi araméterek szórásának vizsgálatát is elvégeztem és arra jutottam, hogy a szórásokat egyértelműen az alaanyag határozza meg. Ezekután a felületi érdesség statisztikai aramétereit (Rsk, Rku) vizsgáltam, melyek az esetleg leendő működő felületek tribológiai viselkedéséről adnak előzetes jellemzést. Az Rsk-Rku ontárokat a szakirodalom toológiai térkéeknek nevezi. A toológiai térkéen egymástól elkülönülő csoortok jelzik az egyes forgácsolási technológiákat. Viszgálataimból kiderült, hogy az Rsk érdességi araméter a szerszámgeometriától függ. 5 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
Három jól elkülönülő csoortra lehet osztani az általam vizsgált finomesztergálás toológiai térkéét az élkialakítás függvényében. Ráadásul seciális élgeometriával a szakirodalomtól eltérő esztergálásra nem jellemző toológiai térké is gyártható. Tehát olyan felületek melyek működés közbeni várható tribológiai viselkedése jobb lehet (l.: kisebb súrlódás, kisebb koás). A statisztikai araméterek szórásának elemzését is elvégeztem, és hasonlóan az (Ra és Rz araméterekhez) arra jutottam, hogy a statisztikai araméterek szórása egyértelműen az alaanyagoktól függött. A felületi érdességek vizsgálata után a vizsgálatba vont alaanyagok forgácsolás erőtani viszonyait elemeztem. Finomesztergáláskor, mikor a szerszám főéle alig vagy egyáltalán nem vesz részt a forgácsleválasztásban (csúcssugár dolgozik ) a kialakuló forgácskeresztmetszet méreteit nem lehet a hagyományos (h - forgácsvastagság, b - forgácsszélesség) módon definiálni. Ezért a finomesztergálásra jellemző forgácskeresztmetszetek geometriai jellemzésére bevezettem a h eq közees forgácsvastagság és l eff - fogásban lévő élhosszúság aramétereket. A finomesztergálás forgácskeresztmetszeti jellemzői (nagysága miatt) bevezettem egy erre a technológiára használható úgynevezett k 1.0,1 jellemzőt (fajlagos forgácsolóerő főértéke, ahol h eq = 0,1 mm és l eff = 1 mm). Majd a bevezetett finomesztergálás technológiáját jellemző araméterrel kidolgoztam egy új erőmodellt. A finomesztergálás erőtani viszonyai vizsgálatára, terveztem, és adatáltam egy seciális erőmérőt. Egy eszterga készszárat alakítottam át úgy, hogy a háromkomonenses erőmérő cella a laka alatt helyezkedjen el. Eztuán mindhárom irányban meghatároztam az erőmérő érzékenységét (C/N). Természetesen a forgácsolás az erőmérő cellára egy külontos terhelést jelent. Ezért a tervezett méréstartományban (0 100 N) elvégeztem az erőmérő rendszer statikus ellenőrzését, felvettem annak hibagörbéit, mellyel komenzálni kell a mérés utáni értékeket. Kidolgoztam egy mérési sorozatot, és forgácsolási erőméréseket végeztem mindkét vizsgálatba vont alaanyag tíusnál. Az erőtani vizsgálatokat kétszer végeztem el, majd azok átlagát használtam fel a további kiértékeléshez. Az erőtani vizsgálatok alaján megállaítottam mindkét vizsgált alaanyag, általam bevezetett k 1.0,1 fajlagos forgácsolóerő főértékeit. Majd felállítottam mindhárom forgácsolási erő komonensre jól illeszkedő erőmodellt. 6 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
9 A Disszertációval kacsolatos ublikációk 9.1 Folyóiratok [S1] Horváth, R., Drégelyi-Kiss, Á.: Analysis of surface roughness of aluminum alloys fine turned: United henomenological models and multi-erformance otimization, Measurement 65 (015) 181 19. Lektorált külföldi folyóirat IF: 1,56. [S] Horváth, R., Czifra, Á., Drégelyi-Kiss, Á.: Effect of conventional and nonconventional tool geometries to skewness and kurtosis of surface roughness in case of fine turning of aluminium alloys with diamond tools, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (014) 1-8 Lektorált külföldi folyóirat IF: 1,779. [S3] Horváth, R., Mátyási, Gy., Drégelyi-Kiss, Á.: Otimization of machining arameters for fine turning oerations based on the resonse surface method ANZIAM Journal 55 (014) C50-C65. Lektorált külföldi folyóirat [S4] Horváth, R., Drégelyi-Kiss, Á., Mátyási, Gy.: Alication of RSM method for the examination of diamond tools, Acta Polytechnica Hungarica 11:() (014) 137-147. Lektorált magyar folyóirat IF:0,471 [S5] Horváth, R.: A new model for fine turning forces, Acta Polytechnica Hungarica (elfogadva) Lektorált magyar folyóirat IF:0,471. [S6] Horváth, R., Mátyási, Gy., Drégelyi-Kiss, Á.: The examination of homogeneity in the fine turning of aluminium alloy, Journal of Production Engineering 17:() (014) 35-39. Lektorált külföldi folyóirat. [S7] Horváth, R., Mátyási, Gy., Drégelyi-Kiss, Á.: Examination of the machinability of eutectic aluminium alloys, Manufacturing Technology (bírálat után javítva, visszaküldve, elfogadásra várva) Lektorált külföldi folyóirat 7 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
[S8] Horváth, R., Drégelyi-Kiss, Á., Mátyási, Gy.: The Examination of surface roughness arameters in the fine turning of hyereutectic aluminium alloys, University POLITEHNICA of Bucharest Series D Mechanical Engineering, (elfogadva) Lektorált külföldi folyóirat [S9] Horváth, R., Mátyási, Gy., Drégelyi-Kiss, Á.: The Examination of the Cutting Caacity of Different Aluminium Alloys with Statistical Methods, Using Different Edge Material Non-Conventional (Wier) Edge Geometry Diamond Tools, Materials Science Forum 81 (015) 71-76. Lektorált külföldi folyóirat [S10] Horváth, R., Pálinkás, T., Mátyási, Gy.: Erőmérő rendszer tervezése, kivitelezése és adatációja finom esztergáláskor felléő kis erők méréséhez, GÉP 6 (013) 48-53. Lektorált magyar folyóirat. (Géiari Tudományos Egyesület Műszaki Irodalmi díj 013.) 9. Könyvfejezet [S11] Drégelyi-Kiss, Á., Horváth, R., Mikó, B.: Design of exeriments (DOE) in investigation of cutting technologies In: Zebala W, Mankova I (szerk.) Develoment in Machining Technology Vol.3. Cracow: Cracow University of Technology Tadeusz Kosciuszko, (013) 0-34. 9.3 Konferencia kiadványok [S1] Horváth, R., Drégelyi-Kiss, Á.: Analysis of surface roughness arameters in aluminium fine turning with diamond tool In: Ján Manka, Milan Tysler, Viktor Witkovsky, Ivan Frollo (szerk.) Measurement 013 9 th International Conference on Measurement. Konferencia helye, ideje: Smolenice, Szlovákia, 013.05.7-013.05.30. Bratislava: Vydavatelstvo Slovenskej Akadémie Vied (VEDA), (013) 75-78. [S13] Horváth, R., Tóth-Laufer, E.: Fuzzy Model-Based Cutting Parameter Combination Otimization In: Szakál A (szerk.) 18 th International Conference on Intelligent Engineering Systems - INES 014. Konferencia helye, ideje: Tihany, Magyarország, 014.07.03-014.07.05. Tihany: IEEE Hungary Section, (014) 151-155. 8 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.
[S14] Horváth, R., Lukács, J.: Erőtani Vizsgálatok Acél Simító Esztergálásánál, In: Bitay Enikő (szerk.) Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka XX: Nemzetközi Tudományos Konferencia, Konferencia helye, ideje: Kolozsvár, Románia, 015.03.19-015.03.0. Kolozsvár: Erdélyi Múzeum-Egyesület, (015) [S15] Horváth, R.: Felületi érdesség statisztikai aramétereinek vizsgálata alumínium finomesztergálásakor, In: Bitay Enikő (szerk.) Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka XIX: Nemzetközi Tudományos Konferencia, Konferencia helye, ideje: Kolozsvár, Románia, 014.03.0-014.03.1. Kolozsvár: Erdélyi Múzeum- Egyesület, (014) 05-07. [S16] Horváth, R., Fazekas, A., Mátyási, Gy.: Nyomásosan öntött alumínium ötvözetek forgácsolhatóságának vizsgálata, In: Bitay Enikő (szerk.) Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka XIX: Nemzetközi Tudományos Konferencia. 480. Konferencia helye, ideje: Kolozsvár, Románia, 014.03.0-014.03.1. Kolozsvár: Erdélyi Múzeum-Egyesület, (014) 01-04. [S17] Horváth, R., Mátyási, Gy.: Alumínium alkatrészek forgácsolhatóságának vizsgálata kísérletterv segítségével, In: Bitay Enikő (szerk.) Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka XVIII: Nemzetközi Tudományos Konferencia, Kolozsvár, 013. március 1-. Konferencia helye, ideje: Kolozsvár, Románia, 013.03.1-013.03.. Kolozsvár: Az Erdélyi Múzeum-Egyesület, (013) 159-163. 9 Horváth Richárd Tézisfüzet, 015.