10. KÖRNYEZETBARÁT TECHNOLÓGIÁK Mivel a gépipar meghatározó szerepet tölt be a gazdaságban, kötelességünk foglalkozni annak környezetkárosító hatásaival, a megelőzések lehetőségeivel. Egy fejlődő gazdaságban a növekvő termelés következménye lehet megfelelő környezetpolitika hiányában az egyre súlyosabb környezetkárosítás. Cél, hogy a nagyobb volumenű termelést környezetbarát termékek, technológiák és megfelelő hulladékkezelés mellett érjük el.
10.1. Általános környezetvédelmi problémák, kiemelt feladatok 10.1.1. Általános problémák A környezetvédelem alapvető célja, hogy a környezet minősége révén biztosítsa az egészséges emberi élet, a biológiai sokféleség és a gazdasági-társadalmi fejlődés feltételeit. Ezen belül alapvető követelmény a gazdasági fejlődés és a környezet harmonikus a természeti erőforrásokkal észszerűen és takarékosan gazdálkodó kapcsolatrendszerének megvalósítása. Ma a legnagyobb problémát a városi közlekedés, az ipari és lakossági energiatermelés által okozott légszennyezés jelenti. A zajterhelés a környezeti hatások legvárosiasabb formája.
Nagyon speciális környezeti probléma elsősorban a nagy népsűrűségű városi térségben a hulladékok képződése, kezelése. A fent leírt környezetkárosító módozatok légszennyezés, zajterhelés, hulladékképződés a gépipar területein is sorra fellelhetők. 10.1.2. A környezetpolitika kiemelt feladatai A rövidtávú prioritások: Az emberi egészséget és a természeti értékeket közvetlenül és súlyosan, nagy kiterjedésben károsító tevékenységeket üzemeket fel kell mérni;
Fontos feladat tevékenységük beszüntetése vagy a termelési profil, illetve technológia korszerűsítése, átalakítása; Ki kell dolgozni a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO) és az Európai Unió ajánlásának, illetve előírásainak megfelelő hazai környezeti minősítő, auditálási rendszereket, és segíteni kell a vállalatok környezeti menedzsment rendszereinek kialakítását; Az ipari és a lakossági szennyezés mérséklése mellett kiemelt hangsúlyt kell fektetni a közlekedés légszennyező hatásainak mérséklésére.
Ezek között különös jelentőségű, megoldandó feladat: A meglévő járműpark károsanyag kibocsátásának csökkentése utólagos műszaki beavatkozásokkal és az üzemeltetési színvonal fokozott ellenőrzésével [2], A korszerű levegőtisztaság-védelmi monitorhálózat kiépítésének folytatása a településeken belül, és háttérszennyezettség mérésére.
A technika aktuális szintjének megfelelő technológiákat kell alkalmazni a levegőszennyezés megelőzésére. A magyar környezetpolitika jövőbeli kiemelt területei közé tartoznak a hulladékgazdálkodási feladatok, melynek során a következő három prioritás együttes érvényesítésére és alkalmazására kell törekedni: a hulladékkeletkezés megelőzésére, a keletkező hulladékok hasznosítására [5], a nem hasznosítható hulladékok ártalmatlanítására.
A hasznosítás terén érvényesíteni kell azt az elvet, hogy a már kisajátított természeti erőforrás, mint alap- vagy nyersanyag, végső esetben, mint energiaforrás, minél tovább a termelés-fogyasztás körforgásban maradjon, azaz minél teljesebben hasznosuljon. Az ártalmatlanítás terén törekedni kell a fizikai-kémiai-biológiai módszerek minél szélesebb körű, kombinált alkalmazására. Környezetbarát technikák bevezetése az összes termelési és fogyasztási folyamatra kiterjedően, amely elsőbbséget ad a passzív eszközökkel szemben a hulladékszegény, környezetkímélő, tiszta technológiák alkalmazásának és a környezetbarát termékek termelésének.
A teljesítőképességgel, megbízhatósággal és gazdaságossággal szemben támasztott tovább emelkedő igények mellett a holnap gyártástechnológiájának ki kell elégítenie az ökológiai követelményeket. Alapvetően igaz az a megállapítás, hogy ma a termelési technika egyre inkább az ökonómia és ökológia közötti feszültségben áll. Már abból a felismerésből is, hogy a környezetünk apránként erősen megterhelt ökorendszert alkot, az adódik, hogy egyre nagyobb az igény a környezethez alkalmazkodó termékek és termeléstechnológiák iránt.
A múltban a forgácsolásban bekövetkező javulásokat, amelyek az éltartam emelkedését vagy az időegység alatt forgácsolt térfogat növekedése révén beállt főidő csökkenését jelentették, gyakran egyenlővé tették a gazdasági nyereséggel. Ma a forgácsolási folyamatot megváltozott környezetben vizsgálják, amelyben a növekedő környezeti tudatosság és a kiéleződött, környezetet védő törvényhozás fontos szerepet játszanak. A megmunkálási folyamatban a hűtőkenőanyagok használatával elért lehetséges teljesítménynövekedéseket egybe kell vetni a keletkező környezetvédelmi költségekkel. Nem lebecsülendő a dolgozók egészségének veszélyeztetése az olajokkal és emulziókkal, melyek az allergiák és bőrbántalmak kiváltói.
Mindenek előtt az autóiparban végzett elemzések azt igazolják, hogy központi hűtő- kenőanyag berendezéseknél transzfersorokon a hűtő-kenőanyagok beszerzési, kezelési és hulladékeltávolítási valamint a megfelelő tisztító berendezések üzemeltetési és amortizációs költségei a szerszám költségek sokszorosát jelenthetik (10.1 ábra) [138].
Példa: A német iparban több mint 750 000 tonna/év a semlegesítendő hűtőanyag. A semlegesítés becsült átlagköltsége 1 500 DM/tonna. (Függ: az adalékanyag fajtájától, szennyeződési foktól.) Így a semlegesítés költségei kb. 1.125 milliárd DM/év. A német fémfeldolgozó ipar évi összköltségeinek 16%-át képezik a hűtőanyag költségek.
Ezeknek az értékeknek az átvitele közepes és kis vállalkozásokra csak feltételesen lehetséges. Az üzemnagyság, a gyártási szerkezet, a hűtőkenőanyagellátás típusa szerint a költségszituáció teljesen eltérő képet mutathat. Ez érvényes mind a költségek nagyságára és a gyártási költségekben való részesedésükre. 20 dolgozót foglalkoztató maróüzemben végzett vizsgálatok azt mutatják, hogy ebben az üzemben az egyedileg töltött marógépeknél a szerszámköltségek közel felét a hűtő- kenőanyagok (HKA) költségei teszik ki (10.2. ábra).
54,1% amortizáció Maradék költségek 80,0 % Szerszám költségek 4,0 % Hűtés technika 16,0 % 14,3% személyzet 10,7% karbantartás 9,1% egyéb 5,2% segédanyagok 3,7% tisztítás 2,9% áram 10.1. ábra Hűtőanyag használat költségszerkezete (autóipar)
% 100 90 80 amortizáció 70 60 50 40 Szerszámköltségek HKA költségek 48% HKA kezelés termelés kiesés 30 egészség megőrzés 20 10 HKA koncentráció 0 hulladék eltávolítás 10.2. ábra A hűtő-kenésre fordított költségek egy maróüzemben
A HSS-ből, VHM-ből és Cermetből levő marószerszámok viszonylag magas ráfordításaiból valamint a hűtő-kenőanyagok viszonylag alacsony ráfordításaiból jön ki ez az arány. Megemlítendő, hogy ebben az esetben a hűtő-kenőanyag kezelésére és a karbantartására magas a ráfordítás, ami a hulladékeltávolítási költségeket alacsonyan tartja.
10.2. Érvek és ellenérvek a környezetbarát megmunkálásokkal kapcsolatban 10.2.1. Érvek a szárazmegmunkálás mellett A környezeti ártalmak csökkentésének leghatékonyabb módszere lehet a gépipari megmunkálás terén, a szárazmegmunkálás alkalmazása. A száraz megmunkálás vagy a minimális kenőanyag alkalmazás előnyei a következők:
nincs levegőszennyezés, vízszennyezés, nincsenek allergiás megbetegedések és bőrbetegségek a kiszolgáló-személyzetnél, csökkennek a termelési költségek. Kérdés: Miért keresik a gépgyártók az olyan megmunkálásokat, amelyek a lehető legtöbb megmunkálást szárazon valósítják meg?
A hűtőanyag-mentes megmunkálás főbb előnyei: környezetbarát (nincs levegő- és vízszennyeződés), egészségmegőrző (nincs bőrbetegség, légúti megbetegedés, allergia a kiszolgáló személyzetnél), csökken a forgácstisztítás költsége, elmarad a hűtőfolyadék költsége, elmarad a hűtőfolyadék tisztítási költsége ("recycling"), mindezek következtében csökkennek a termelési költségek.
A szárazmegmunkálásnak nyílván vannak hátrányai is, pl. a termelékenységcsökkenés, de ennek anyagi vonzatai messze nem érik el a megtakarításokat. 10.2.2. A száraz, hűtőanyag nélküli megmunkálás ellenérvei A hűtőanyagok alkalmazása: a termelékenységet növeli, a minőséget javítja, a szerszám-éltartamot növeli, a megmunkálási időket csökkenti, a folyamat megbízhatóságát növeli.
A hosszú furatoknál (3 L/d 10) és mély furatoknál (10 L/d) nagyon fontos a hűtő-kenő folyadék használata, mert a forgácsolási zóna vizuálisan nem ellenőrizhető. Ilyen esetekben a belső hűtőcsatornás szerszámok alkalmazása kedvező, mert a hűtőanyag közvetlenül a forgácsolás helyére jut. A hűtő hatás még a hűtő-kenő folyadék nyomásának növelésével is fokozható. A korszerű CNC megmunkáló központok minimum 40 bar nyomással dolgozó szivattyúkat tartalmaznak.
10.3. A szárazmegmunkálás paraméterei Annak a kérdésnek a megválaszolása, hogy a száraz megmunkálás milyen peremfeltételek között lehetséges, szükségessé teszi, hogy a folyamatból kiindulva lehetőleg minden, a megmunkálás eredményét befolyásoló paramétert megvizsgáljunk és a kölcsönhatásokat figyelembe vegyük (10.3. ábra) [137]. A vizsgálódás kereszttüzében most a szerkezeti elem áll. A célkitűzés az, hogy termelési feltételek között gazdaságosan állítsanak elő száraz forgácsolással működőképes szerkezeti elemeket.
Munkadarab * forgácsolhatóság * alakíthatóság * termikus tulajdonságok:, c * öntvény (GG, GGG) * acél (nem ötvözött, ötvözött, erősen ötvözött) * Al,- Mg,- Ti,- ötv. Szerkezeti elem * elő- és utómunkálat * geometria, tömeg * komplexitás - alakpontosság - méretpontosság - felületi minőség - felületi réteg tulajdons. Célkitűzés Megmunkálási műveletek belül / kívül * esztergálás * marás * fúrás * dörzsölés * menetfúrás * köszörülés Szerszámgép * régi / új * forgácselvezetés * forgácselszívás * termikus stabilitások * új gépkoncepciók Működőképes Szerszám * hőelvezetés * forgácselvezetés * geometria * szemcsenagyság * kötés Szárazmegmunkálás szerkezeti elemek Dolgozó rész bevonata * hőfelvevő képesség * kopásállóság - keményfém, cermet - forgácsoló kerámia, CBN, PKD - kemény / puha bevonatok gazdaságos előállítása Forgácsolási feltételek * szerszám éltartam * megmunkálási idő * időegység alatti forgácsolt térfogat * forgácsolási paraméterek: vc, vw, fap. KSS Minimális kenőanyag * külső hozzávezetés * belső hozzávezetés * hordozó közeg - hűtés / kenés - forgácselvezetés 10.3. ábra A száraz megmunkálás paraméterei
A sokféle behatás miatt ez azonban megköveteli, hogy a munkadarabtól, a geometriától, a pontossági követelményektől, a felületi és peremzónák kiképzésétől valamint az elvégzendő megmunkálási műveletektől függően minden munkafeladatnál a szárazmegmunkálás kivitelezhetőségét a rendelkezésre álló szerszámokkal és szerszámgépekkel megvizsgáljuk és adott esetben a szükséges intézkedéseket ennek megvalósítására (forgácsolási jellemző optimálása, kicsi vagy minimális mennyiségű hűtő-kenés) bevezessük.
Alapvetően a szárazmegmunkálás akkor jöhet szóba, ha a szerkezeti elemek pontosságával szemben nincsenek túl magas követelmények. Ez különösen az olyan munkadarabok előzetes megmunkálására érvényes, amelyeknél a végső alak és pontosság elérésére még további munkafolyamatra van szükség.
Az alapanyag megmunkálási eljárástól függő termomechanikus tulajdonságai és forgácsolhatósága (éltartam, forgácsoló erők, forgácsképződés, felszíni minőség) révén nagy mértékben befolyásolják a száraz forgácsolás elvégezhetőségét és gazdaságosságát (10.3. ábra). Előnyös az alacsony hővezető képesség, a nagy hőkapacitás, valamint a forgácsolandó anyag nagy sűrűsége, mivel ilyen tulajdonságok esetén a szerkezeti elem kevésbé melegedik fel, ezzel szemben nagyobb forgácsoló erők a munka növekedése miatt ellentétes hatást váltanak ki.
10.3.1. A szárazmegmunkáláshoz alkalmazott szerszámok néhány jellemzője A gazdaságos szárazmegmunkálás vonatkozásában a dolgozórészeknek, a szerszámoknak valamint az alkalmazható forgácsolási feltételeknek központi a jelentősége. A száraz megmunkáláshoz kiváló feltételeket kínálnak a keményfémek, cermetek, forgácsoló kerámiák és a sokkristályos bórnitrid, amelyek magas melegkeménységük és kopásállóságuk alapján hűtőkenőanyagok nélkül is alkalmazhatók (10.4. ábra). A szerszámgyártók a termékspektrumukban olyan szerszámokat kínálnak, amelyek speciálisan alkalmasak a száraz forgácsoláshoz.
Egyöntetűen megnyilvánul az, hogy a szárazmegmunkáláshoz szükséges szerszámok kifejlesztésénél a geometria megfelelő változtatása mellett mindenek előtt a szerszám bevonatának jut központi szerep. A bevonat két lényeges funkciót tölt be. Egyrészt termikus korlátot képez a dolgozórész és az anyag között, ami által a szubsztrátum termikus terhelése csökken, egyidejűleg azonban kvázi szilárd kenőanyagként is hat, amely a súrlódási és az adhéziós folyamatokat redukálja.
Alkalmas bevonó rendszerekkel a hűtő-kenőanyag szerszámokat is lehet gazdaságosan a száraz forgácsolásban használni. Általában ilyenkor olyan forgácsolási feladatokról van szó, amelyeket hasonlóan alacsony forgácsoló sebességgel végeznek el, de amelyek mégis magas követelményeket támasztanak a szubsztrátum szívósságával szemben, mint ahogyan ez pl. a menetfúrásnál is van.
A keményfém bevonatok különböző fizikai tulajdonságai ezen kívül kínálják annak a lehetőségét, hogy a száraz megmunkálás követelményeihez szabott tulajdonságú védőbevonatot fejlesszenek ki.
Száraz megmunkálás hűtő-kenőanyag - a hűtés és kenés funkciói megszűnnek Kihatások a dolgozórészre - termikus terhelés - súrlódás és adhézió - termosokk Követelmények a dolgozórésszel szemben Vickers keménység HV10 Nagy hőállóságú dolgozórészek 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 - nagy melegkeménység - nagy meleg kopásállóság - nagy ellenállás adhézióval szemben Alkalmas dolgozórészek CBN vegyes kerámia keményfém cermet HKA 250 500 1000 Hőmérséklet T [ C] Bevonatos dolgozórészek A bevonatok úgy hatnak, mint: * termikus korlátok: - hővezetés a szerszám által - a szubsztrátum hőmérséklete - hővezetés a forgács révén * szilárd kenőanyag - súrlódás - adhézió - forgácselvezetés 10.4. ábra Szerszám dolgozórész száraz megmunkáláshoz
Példák erre a molibdéndiszulfidból álló puha védőbevonatok, amelyeket a fúróknál és a menetfúróknál a súrlódás és adhézió csökkentésére használnak. A szubsztrátum kemény anyaggal történő termikus elszigetelése mindazonáltal a hőáramlás megváltozásához vezet a szerszám és forgács között. Mivel a szubsztrátum kevesebb hőt vesz fel, hasonló energiaátalakításnál több hőt kell a forgácson keresztül elvezetni. Ez ugyanakkor megköveteli, hogy a szerszámgeometria megfelelő koncepciójával a forgácsot lehetőleg gyorsan elvezessék a megmunkálás helyéről, pl. a menetből. (pl.: 10.16. ábra) Ugyanez érvényes a forró forgácsok elvezetésére a szerszámgép munkateréből.
10.3.2. Néhány jellegzetes anyagminőség forgácsolási tapasztalatai E pontban alapvetően a műszaki lehetőségeket mutatjuk be [2, 3]. A szürkeöntvény szárazfúrása. TiAIN bevonatú keményfém szerszámokkal hatékonyan végezhető. Ez a bevonat rossz hővezető, ezért a hő nagy része a forgáccsal távozik el.
Kerámia vágószerszámok sikeresen alkalmazhatók nagy forgácsoló-sebességek esetén. Következtetés: a szerszámgépek továbbfejlesztését igényli.
Szürkeöntvény szárazmarása. A nagysebességű marás fő célja: az érintkezési idő csökkentése, hogy a forgács hője ne a szerszámba távozzon, a megmunkált felület minőségének javítása, Alkalmazási terület: szerszám és süllyeszték marása. Gömbgrafitos öntvény szárazfúrása. Fehér temperöntvény komplett szárazmegmunkálása. Fúrás, menetvágás jól megvalósítható, azonban a száraz dörzsárazáskor a szerszám viszonylag gyorsan kopik.
Nemesíthető acél szárazmegmunkálása. A szárazfúráskor a furat felülete beedződhet, ami a következő munkafolyamatot, mint például menetvágás, megnehezítheti. Kovácsolt acél szárazmegmunkálása. Döntő jelentőségű az acél szilárdsága. AlSi ötvözetek szárazfúrása. Mikrosugár kenés ajánlott. Hőelvitel minimális, azonban a forgács és a szerszám összeragadását nagymértékben lecsökkenti.
A szerszámgyártóknak feladatot jelent ilyen szerszámok (szabványos szerszámok általános célra és speciális szerszámok egyedi célokra) fejlesztése, gyártása. Hőkezelésnél alkalmazott ciánsók kezelése, tárolása szintén fontos feladat.
10.4. A keményesztergálás Az edzett szerkezeti elemek megmunkálása máig köszörüléssel folyik, ami tudvalevőleg emulzióval történik. Új élanyagok fejlesztése ill. a meglévőknek, mint pl. a kerámiának, CBN-nek és a legfinomabb szemcsés keményfémeknek a jobb minőségűvé válása, egyre inkább lehetővé teszi a köszörülési folyamatok helyettesítését geometriailag határozott élű keménymegmunkálással, mely lényegében száraz forgácsolás. Ehhez az esztergáláshoz mindenek előtt kerámiát és CBN-t használnak, a legfinomabb szemcsés keményfémeket és keményfém szerszámokat pedig fúráshoz és maráshoz használják.
10.4.1. Miért célszerű az esztergálás a köszörülés helyett Az előny nemcsak az adott felület megmunkálásánál jelentkezik, hanem a teljes technológiai folyamatban. A köszörülés ugyanis mindenképpen külön művelet, míg esztergálással történő előállítás esetén esztergagépen ugyanazon műveletben (befogásban) a felület megmunkálható, tehát a gyártási folyamat kevesebb műveletben megvalósítható, ami időmegtakarítást eredményez. [37]
Jóllehet a modern köszörülő eljárások nagyon hatékonyak, a geometriailag határozott éllel történő forgácsolás még mindig háromszor gyorsabb (10.5. ábra). Egy pillantás a költséghelyzetre az újberuházásoknál azt mutatja, hogy egy köszörűgép beszerzése háromszor többe kerül, mint egy esztergáé. A kereskedelemben szokványos CNC-esztergák alkalmasak a keményesztergálásra. A gyakorlat sok esetben alig mutat veszteségeket a méret- és alakpontosságot tekintve a köszörülésről keményesztergálásra való átállásnál. Épp ellenkezőleg; a futáspontosság, valamint a kapcsolóképnek a javulása állapítható meg. A méretpontosságot több köszörülési fogás helyett keményesztergálási műveletelemmel érik el.
Sok esetben lehetséges a köszörülést a keményesztergálással kombinálni. A nagy ráhagyásokat vagy ráhagyás ingadozásokat a keményesztergálás minimálja, így az utána következő köszörülési idő lerövidül. Az esztergált forgács és emulzió újrahasznosítása lényegesen egyszerűbb és a költségeket tekintve kedvezőbb, mint a köszörülési iszap eltávolítása. Egy tonna köszörülési iszap hulladékeltávolítási költségei elérhetik a több 1000 eurót.
Megmunkálási idő Gépi beruházások költséghelyzet Méret- és formapontosság valamint felületi minőség Az eljárások kombinációjával elért megtakarítás a megmunkálási idők összehasonlítása Ökológia hulladék eltávolítás 1 keményesztergálás köszörülés 1 keményesztergálás köszörülés 1 keményesztergálás köszörülés 15 % 50 % előesztergálás előesztergálás készre köszörülés készre köszörülés forgácsok keményesztergálás száraz köszörülés 3 3 3 50 % 50 % köszörülési iszap 10.5. ábra Keményesztergálás köszörülés helyett
10.4.2. A szerszám igénybevétele keményesztergálásnál Ahhoz, hogy eredményes legyen a keményesztergálás, az egész gépből, szerszámfelfogóból és szerszámtartóból álló rendszernek lehetőleg stabilnak kell lennie. A folyamatot csekély forgácsolási mélységek és előtolások jellemzik, valamint nagy specifikus forgácsoló erők. A működés elve az él és a munkadarab közötti érintkezési zónában levő magas hőmérséklet (500...1500 C) kihasználásán alapszik. Ezek a hőmérsékletek a munkadarab anyagának plasztikussá válását eredményezik az él érintkezésénél. A nyíró zónában a hőmérsékletet különböző tényezők befolyásolhatják.
Meg kell említeni a forgácsolási sebességet és a geometriát (vezető szalagot). Döntő jelentőségű mégis a dolgozó rész hővezető képessége. A kemény finommegmunkálásnál csekély hővezető képességű dolgozórész a legjobb választás. Ezáltal a forgácsolás nem kerül ki a nyírási zónából és hozzájárul az anyag megpuhulásához.
Edzett szürkeöntvény megmunkálásánál a kopásállóság áll előtérben. A kemény karbidok abrazívan hatnak a dolgozórészre. A forgácsolási folyamatban keletkező hőmérséklet és így a dolgozórész kémiai stabilitása alárendelt szerepet játszanak.
Az edzett acél forgácsolása megköveteli mind a kopásállóságot, mind a kémiai stabilitást. Egyrészt a szerkezeti elem kemény felszíne abrazívan hat a dolgozórészre, másrészt a magas forgácsolási hőmérsékletek igénybe veszik a dolgozó részt a diffúzió szempontjából. A megszakított forgácsolásban ezen kívül döntő a szívósság és a peremstabilitás.
10.4.3. Dolgozórészek keményesztergáláshoz A keményesztergálásnál az érintkezési zónában fellépő magas hőmérsékletek és specifikus erők jelentősen megterhelik a szerszámot. A vegyes kerámiák és CBN dolgozórészek melegkeménységük és kopásállóságuk folytán ezért jól alkalmazhatók a keményesztergálásra.
A forgácsoló kerámiák összetételüknek megfelelően az oxidkerámia, vegyes kerámia és nem oxid kerámia csoportokba oszthatók fel (10.6. ábra). A magas Al2O3 hányadot tartalmazó oxidkerámiáknak jó a melegkeménységük. A fehér kerámiát (AC5) az acél és szürkeöntvény puha megmunkálására használják magas forgácsolási sebességekkel. [138] A nem-oxid kerámiákat elsősorban öntöttvas megmunkálásánál használják. Ezekkel a dolgozó részekkel, mint pl. a Si3N4 alapú KYON 3500, megszakított forgácsolásban is kiemelkedő teljesítményeket lehet elérni.
Élkerámia Oxidkerámia Vegyes kerámia Nem oxidkerámia Al 2 O 3 + ZrO 2 Al 2 O 3 + ZrO 2 + TIC Al 2 O 3 + ZrO 2 + SiC-whisker Si 3 N 4 + Y 2 O 3 AC5/K060 MC2/K090 KY4300 KY3500 10.6. ábra Dolgozórészek a keményesztergáláshoz (élkerámiák esetén)
A vegyes kerámiák Al2O3 mellett további kemény anyagokat, mint titánkarbidot (TiC) és titánnitridet (TiN) tartalmaznak. Az oxidkerámiákhoz képest ezzel tovább emelkedik a keménység, melegkeménység és kopásállóság. Ezenkívül a termo-sokk állóság és a perem szilárdság az oxidkerámiához képest emelkedik. Ezeknek a dolgozórészeknek (MC2 / KO90) a fő alkalmazási területe a keményöntvény hengerek forgácsolása és a betétedzésű és nemesíthető acélok kemény megmunkálása.
További dolgozórész ebben a csoportban a whisker erősítésű kerámia, mint a KYON43100. A fő alkalmazási terület a nikkelbázisú ötvözetek forgácsolása. Felhasználási területek még a keményöntvény hengerek esztergálásánál is lehetnek. A polikristályos köbös bórnitrid (CBN) a gyémánt után a második legkeményebb dolgozórész. Az alábbi tényezők határozzák meg egy CBN dolgozórész alkalmazási területét: A CBN-hányad, a szemcsenagyság és mikro szerkezet, valamint a kötés típusa (10.7. ábra):
1. Magas CBN-hányad (75-95 %) Ez a csoport nagy szívósságával és hővezető képességével válik ki. Ebből fakad a felhasználási javaslat: edzett acélok és keményöntvény nagyolása és simítása. 2. Alacsony CBN-hányad (75 %-nál kevesebb) Az alacsony hővezető képesség és a nagy nyomásállóság jellemzik a CBN-ek második csoportját. Ezek a fajták a kemény finom forgácsolásnál jól használhatók.
CBN Magas CBN hányad 75-95% Alacsony CBN hányad 75% alatt KD120 KD230 Nagy szívósság, magas hővezető képesség Edzett acélok, keményöntvények és perlites szürkeöntvények nagyolása és simítása KD050 KD081 Nagy nyomásállóság, alacsony hővez. képesség Edzett acélok és keménybevonatok simítása 10.7. ábra Dolgozórészek keményesztergáláshoz (CBN esetén)
10.4.4. Alkalmazási javaslatok Azoknak a lehetőségeknek a következetes kihasználásához, amelyeket a dolgozó részek a keményesztergáláshoz kínálnak, fontos a munkadarab, a dolgozórész, a geometria és a forgácsolási paraméterek kölcsönhatásainak megalapozott ismerete. Segítséget jelent a Rertel által kifejlesztett KENNA- PERFECT kiválasztó rendszer. Ezzel az alkalmazásra orientált kiválasztó rendszerrel sikerül rövid idő alatt biztosan meghatározni a helyes forgácsoló lapkát és a felhasználási adatokat. Az eljárás vélhetően egyszerű, ennek a módja:
1. Először a megmunkálandó anyagnak megfelelő anyagcsoportot kell meghatározni. Az R anyagcsoport mellett, a KENNA-PERFECT helyes irányértékeket ad meg a többi A, R, F, N és S anyagcsoportokra (VDI irányelv 3323). 2. A második lépésben (10.8. ábra) történik meg a forgácsolási tartomány és a geometria (vezető szalag) kiválasztása. Az A, B, C, D és E forgácsolási tartományokban felsorolt alfanumerikus kódok adnak útmutatást a forgácsoló él elkészítésére.
Ezt az alfanumerikus kódot (ISO szerint) hozzáfűzik a mindenkori forgácsoló lap megjelöléséhez. Így pl a TO02020 egy 0,20 mm -es vezetőszalagot jelent. 3. A forgácsolási feltételek és a geometriadiagramban kiválasztott forgácsolási keresztmetszetek figyelembe vételével megállapítható a legalkalmasabb forgácsoló dolgozórész (10.9. ábra).
16 fogás mélység, a p [mm] 10 6,3 4,0 2,5 1,6 1,0 0,63 0,4 0,25 0,16 0,1 T02020 T01020 S01020-M T02020 S01020-M T20015 S01020 T20015 T02020 T02020 A B C D 0,04 0,1 0,25 0,63 1,6 0,025 0,063 0,16 0,4 1,0 2,5 E 10.8. ábra A forgácsolási tartomány és Geometria kiválasztása előtolás, f [mm]
Forgácsolási tartomány A B C D E KD050 KD081 KD081 KD230 KD230 KD050 KD050 KD081 KD230 KD230 KD050 MC2 KD050 MC2 KD050 MC2 KD230 KD230 KD050 MC2 KD050 MC2 KD050 MC2 KD230 MC2 KD230 MC2 10.9. ábra A dolgozórész ( szerszám forgácsoló él anyaga) kiválasztása
10.5. Környezetbarát fúrási technológiák A Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszéke kutatásokat végzett az Európai Közösség által finanszírozott az Umweltgerechte Zerspannungstechnik- Reduzierung und Ersatz von Fertigungshilfsstoffen beim Bohren című témában; (Programm STD-2 EC, ERB CIPACT 930167). [35] [51]
A projekt célja a hűtő-kenő anyag nélküli, illetve minimális hűtő-kenő anyag felhasználásával végzett forgácsolási (fúrási) kísérletek vizsgálata. A fúrási kísérletek végzése különböző munkadarab anyagminőségek esetén külső, illetve belső hűtő-kenő anyag hozzávezetéssel, vagy minimális kenőanyag mellett, illetve anélkül történik. Geometriai ellenőrző méréseket végeztünk, s az alapján választottuk ki a fúrókat.
A kiválasztás szempontjai: a fúró félcsúcsszögeinek értékei (szimmetriája), élmagasság eltérés, keresztél középpont és a fúró szimmetriatengelyének eltérése, össz főélhossz különbségek, keresztélek hosszai, mellékélek szélesség-különbségei.
A kísérletek első fázisában fúrási erő- és nyomatékméréseket, valamint fúrószerszám kopásértékeket mértünk meghatározott mennyiségű hűtőkenő anyag felhasználása esetén [6]. Ezen mérések referenciaként szolgáltak. A csökkentett mennyiségű hűtő-kenő anyag felhasználásakor kapott forgácsoló erő-, nyomaték- és kopásértékek megváltozott értékei összehasonlíthatók a referencia értékekkel. Az egyes forgácsolási útszakaszok után az adott szerszámmal megmunkált furatok makro- és mikrogeometriai jellemzőit, így: furatok átmérőit, illetve köralak hűségét, furatfelület érdességi jellemzőit is vizsgáltuk.
Kísérleteinket a Faktoriális Kísérlettervezés módszerével meghatározva végeztük, mely segítségével új empirikus összefüggések kerültek meghatározásra. A kísérleti beállításokat a 10.1. táblázat tartalmazza.
Paraméterek Hűtés 42Cr Mo4 Munkadarab anyaga GG-200 10.1. táblázat Szerszám v m/min f mm/ford Hozzáve -zetés Közeg Menny. HSS HM VHM Bevonat - TiN TiAlN TiN TiAlN MOS 2 35 0,05 külső Emulzió 5% 15 1/min A1 0,2 Levegő Emulzió 5% Sűr.lev. nyomás 0,2MPa GG1 G10 G2 K5 1,6 1/min GG2 G12 G4 K7 0,32 1/min G11 G5 K6 1,6 1/min 80 0,315 Sűr.lev. nyomás 0,2MPa L9 I6 0,2 0,315 OMV olaj X-ULTRA- CF 10 cm 3 /h K9 K1 K11 K3 10 cm 3 /h L4 K2 K4 0,2 28 cm 3 /h OMV olaj TB-CF 10 cm 3 /h K10 K8 0,2 Levegő 1,6 1/min Sűr.lev. nyomás 0,2MPa L7 I3 0,32 1/min 1,6 1/min 120 0,315 Sűr.lev. nyomás 0,2MPa L8 I7 0,2 OMV olaj X-ULTRA- 10 cm 3 /h L5 I4 Miskolci Egyetem, Gyártástudományi CF Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés 0,315 10 cm 3 /h L2 I8 Fúrási kísérleteink
A kísérletek végzéséhez egy új sajátfejlesztésű fúróbefogó egységet terveztünk és gyártottunk. 10.10. ábra A Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszékén kifejlesztett [50] fúróbefogó (alsó befogó) és a SANDVIK cég által gyártott fúróbefogó (felső befogó) [51]
Feladatunk volt a Faktoriális Kísérlettervezés felhasználásával annak bemutatása, hogy számos olyan jellemző, mint például a forgácsolási sebesség, előtolás, hűtő - kenő anyag térfogatárama és a fúró bevonata hogyan befolyásolja a fúráskor fellépő axiális forgácsolóerő, nyomaték, fúró hátkopás, sarokkopás, R a, R z, értékek, stb. nagyságát. Mindezekre empirikus összefüggéseket határoztunk meg. Ezek közül néhány az [26], [27], [51] és [172] irodalomban található meg.
10.6. A kísérlettervezési módszerek alkalmazása Mind a termék tervezésekor, mind a technológiai folyamatok, gyártási eljárások optimálásakor, a költségmegtakarítás érdekében, a következő módszerek alkalmazhatók: teljes faktoriális kísérletterv, részleges faktoriális kísérletterv, genetikus algoritmus.
Mindegyik módszernek van előnye, és hátránya. Egy módszer kiválasztása után a problémaanalízisre irányítjuk figyelmünket, meghatározva az összes paramétert, mely a problémamegoldás szempontjából jelentős. Általában a problémaanalízis az ok - hatás diagram vagy a hibafa elemzés alapján végezhető el.
A kísérlettervezés [65] első célja szétválasztani a jelentősen befolyásoló tényezőket a kevésbé fontosaktól, a további célja pedig a jelentőséggel bíró paraméterek optimális beállítási értékének meghatározása. A különböző kísérlettervek, ezen belül a teljes és a részleges faktoriális kísérlettervek kiválóan felhasználhatók az empírikus függvények meghatározására illetve az optimum keresésére.
A kísérleti eredmények grafikusan vagy numerikusan kiértékelhetők. Napjainkban rendelkezésre állnak olyan számítógépi programok, melyek a teljes kiértékelést és az eredmények különböző módon való bemutatását lehetővé teszik. A jelenség végeredményét befolyásoló fontos paraméterek optimális szintjeit a kísérletek kiértékelésekor határozzuk meg. Végül a végeredményt statisztikai mutatók segítségével ellenőrizzük.
10.7. Technológiai kísérletek A faktoriális kísérlettervezés az aktív (gazdaságos) kísérletek megtervezését teszi lehetővé. Alkalmazásával több száz nagyon költséges forgácsolási kísérlet megtakarítható, ellentétben a hagyományos, passzív kísérlettervezéssel, s a kiértékelése is hatékonyabb. A módszer alkalmazásának lépései, pontos közlése nélkül bemutatok néhány képletet, a kísérleti beállítások és kísérleti eredmények felhasználásával. Most az axiális forgácsolóerő értékére részletezzük a képleteket, de természetesen alkothatók ilyen formulák, többi vizsgált paraméterértékre is. Az axiális fúróerő és nyomaték mért diagramját 10.11. ábra mutatja.
10.11. ábra Az axiális fúróerő (Ff) [felső görbe] és a nyomaték (Mc) [alsó görbe] a fúrási idő függvényében {Fúrt furathossz: Lf=4 m }; (1V 833,33 N, 1 V 5 Nm) [27]
10.7.1. Az axiális fúróerő összefüggéseinek meghatározása [35] Feltételezzük, hogy a fúróerő axiális komponense a következő paraméterektől/faktoroktól függ: forgácsolási sebesség v c, m/min előtolás f, mm/ford hűtő-kenő anyag mennyiség V & olaj,cm 3 /h fúró bevonat TiAlN MoS 2
Az első három paraméter (faktor) felhasználásával különböző formulák eredményeződnek a különböző bevonatokra, melynek feltételezett általános képlete: α β γ f F c öl F F f f F = C v f V f F f, kn Cél a C Ff konstans és a kitevők meghatározása a kísérletterv alapján végzett kísérletek segítségével. A 10.2. táblázat a különböző faktorok/paraméterek (mint például forgácsolási sebesség, előtolás, stb.) beállítási értékeit tartalmazza. Az 10.1. táblázatban található értékek beállításai után a kísérleteket elvégeztük.
A Faktoriális Kísérlet Tervezés és a matematikai statisztika felhasználásával a különböző képletek meghatározásra kerültek. A különböző bevonatok esetén különböző képletek adódnak. Mindkét bevonat esetén két képletet határoztunk meg. Az egyik az új fúróra érvényes (a megmunkálás kezdetén), míg a másik 15 m fúrási hossz megtétele után.
10.2. táblázat Kísérleti beállítások száma Faktorok (paraméterek) Bevonat Forgácsoló- Előtolás Hűtő - kenő TiAlN MoS 2 sebesség v c, m/min Különböző faktorok/paraméterek beállítási értékei f, mm/ford. anyag mennyiség V Olaj, cm 3 /h T1 M1 80 0.2 0.0001 T2 M2 120 0.2 0.0001 T3 M3 80 0.315 0.0001 T4 M4 120 0.315 0.0001 T5 M5 80 0.2 10 T6 M6 120 0.2 10 T7 M7 80 0.315 10 T8 M8 120 0.315 10
A MoS 2 bevonatú fúrókra az axiális fúróerő komponens képlete a következő, kn - ban: - a fúrás kezdetekor: F f 15,574 f = (0,779+0,0453 ln V& Olaj v 0,1455 c - 15 m fúrási hossz után: V& 0,062 Olaj, (10.1) F f = v 8,6219 f 0,0617 c V& 0,4716 0,0123 Olaj, (10.2)
A TiAlN bevonatú fúrók alkalmazásakor az axiális fúróerő komponens képletei, kn - ban: - a fúrás kezdetekor: F f = 6,1682 v V& Olaj 0,066 c f 0,8199 ( 0,2453+ 0,0537 ln ) v c, (10.3) - 15 m fúrási hossz után: F f = 10, 0031 v V& Olaj 0, 0864 1, 1052 c f ( 0, 2829+ 0, 062 ln ) v c (10.4)
Az (10.1) (10.2) (10.3) és (10.4) képletek a 10.2. táblázatban megadott értéktartományokra érvényesek. A képletekkel számolt axiális forgácsoló erő értékek viszonylagos egyszerű szemléltetése a 10.12. ábrán látszik.
Ff, kn Előtolás irányú forgácsoló erő 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 TiAlN bevonat 0,1 előtolás 0,2 0,3 0,4 f, mm/ford. száraz; l = 15m 3 Volaj = 10 cm /h; l = 15m száraz,. kezdetben (l = 0,03 m) 3 Volaj = 10 cm /h, kezdetben (l = 0,03 m) 80 90 100 110 forgácsoló sebesség 120 vc, m/min 10.12. ábra Az axiális fúróerő értékei az empirikus képletek alapján
A Faktoriális Kísérlettervezés a bonyolult technológiai folyamatok vizsgálatának aktív, hatékony, gazdaságos módszere. Alkalmazásával különböző jellemzők empirikus képletei meghatározhatók. A matematikai statisztikát is felhasználó kiértékelés eredményeinek korszerű ábrázolásából megfontolt következtetések vonhatók le a folyamat optimálására. A módszer széles körben alkalmazható más jellegű kísérleteknél is.
10.7.2. Szerszámkopások mérése Fúráskor a különböző tribológiai viszonyoknak megfelelően a különböző anyagminőségek és különböző hűtési viszonyok esetén eltérő fúrószerszám kopásgörbéket kapunk. Ezt szemlélteti a konkrét méréseinken alapuló 10.13. ábra.
10.13. ábra Fúró sarokkopás értékek (Alkalmazott fúróátmérő: 10 mm) [51]
VCR Kép készítése a kopásmérésről TTL-jel A megvilágítás szabályozása * Számítógépes képfeldolgozó egység Megmunkáló központ Nyomtató Infravörös körgyűrű megvilágítású kamera Floppy A megmunkáló központ felügyeleti rendszere 10.14. ábra A CCD kamerát felhasználó fúrókopás mérésének elvi vázlata [27] [29]
Egy kopott fúró képe a 10.15. ábrán látható. [60] 10.15. ábra Hátkopás szemléltetése kopott csigafúrón. A kép CCD kamera alkalmazásával készült
10.8. A szerszámgép konstrukciós átalakítása a forgácskezelés szempontjából A munkadarab forgácstól való megtisztítása a fúrási művelet után különösen problémás abban az esetben, amikor minimális kezeléssel vagy szárazon történik a megmunkálás és a forgács nagyon apró, töredezett (pl. öntöttvas, alumínium öntvény).
Ezt a problémát még csak fokozza, ha zsákfurat megmunkálásáról van szó, amikor a forgács nem tud a furatból kiperegni, a HKA hiánya vagy kis mennyisége pedig nem tudja kimosni a forgácsot a furatból. Ennek a problémának a megoldására legcélszerűbb a gravitációt igénybe venni. Ennek kivitelezéséhez az szükséges, hogy a furat nyílásával lefelé álljon, így a forgács ki tud hullani a készülő furatból. Ez úgy oldható meg, ha a hagyományos fúrástól eltérően (felülről vagy oldalról való fúrás) a munkadarabot alulról fúrjuk.
Ennek az eljárásnak az előnyei: A forgács folyamatosan kipereg a készülő furatból, így a szerszám szabadabban dolgozik és a furat felületminősége is jobb, A munkadarab felületén sem marad forgács, így utólagos forgácseltávolítás illetve munkadarab tisztítás nem szükséges. Hátrányai: Gondosabb munkadarab rögzítést igényel, A lehulló forgács a fúróorsóra pereghet.
A munkadarab rögzítése csak nagy súlyú darabok esetében okoz gondot. A forgács fúróorsóra történő esését el lehet kerülni, ha az alulról való fúrás nem függőleges irányú, hanem ferde. Így még a legnehezebben kezelhető iszapos forgács (minimális kenés, porszerű forgács) is zsákfurat megmunkálása esetén a furatból nem a munkadarab felületére rakódik. (10.10. ábra)
A megmunkáló gép konstrukciójában ez a következő változtatásokat igényli: A munkadarab felfogására szolgáló asztalnak dönthetőnek kell lennie, mivel a munkadarab beállítása és rögzítése során vízszintes helyzetben kell állnia, megmunkálás során pedig olyan ferde helyzetben, hogy a megmunkálandó furat iránya lefelé nézzen. A szerszámgép főorsójának ferdén felfelé kell állnia úgy, hogy alatta legyen a munkadarab magasságának. A tárgyasztal és a főorsó ferdeségi szögének pontosan merőlegesnek kell lennie egymásra.
A munkadarab és a szerszám pozicionálását ebben az új ferdén döntött koordinátarendszerben kell megoldani. A szerszámgép munkateréből történő forgácseltávolítás ferde ágykialakítással, sűrített levegős fúrókkal és kaparóilletve szállítószalaggal történik.
Az új konstrukció sematikus vázlatát a 10.16. ábra szemlélteti. 10.16. ábra Ferdefúrás elméleti vázlata [51]
Összefoglalva: minimális kenéssel megvalósított fúrás esetén a furatból illetve a munkadarabról a forgács eltávolítása különösen zsákfurat esetében nehéz. A forgácseltávolításhoz a gravitáció jobb kihasználása vezethet eredményre. Ehhez az alulról történő fúrás megvalósítására van szükség. A forgácsnak a fúrófejre hullása (szennyezés, forró forgács, stb.) nem kívánatos, így az alulról ferdén történő fúrás jelenthet megoldást.
Maga ez az elrendezés is jó forgácseltávolítást biztosít, de ezt kiegészítve a fúrófej köré szerelt elszívóval igen hatékony forgácseltávolítást eredményez. A szerszámgép kialakításánál ezt a ferde alsófúrási elrendezést figyelembe kell venni.
A fúróorsónak ferdén alulról felfelé kell irányulnia, míg a tárgyasztalt úgy kell kialakítani, hogy szánvezetéke a tárgyasztal felett legyen. Így a szánvezeték szennyeződése is elkerülhető. A tárgyasztalnak a mdb felszerelhetősége és rögzítése céljából dönthetőnek kell lennie, hogy a munkadarabot a tárgyasztal vízszintes helyzetében lehessen felszerelni. A fúrás a munkahelyzetbe való döntés után kezdhető el. A tárgyasztal és a fúróorsó közötti relatív mozgások megmaradnak, csupán ferde síkokban történnek.
10.9. Következtetések Kísérleteinket minimális kenéssel ill. csak sűrített levegővel történő hűtéssel is elvégeztük. A minimális kenéshez alkalmazott olaj klórmentes, tehát környezetet kevésbé szennyező volt. A különböző bevonatú, különböző hűtési módokra vonatkozó megállapításunkból közlünk néhányat [6]: A MoS 2 bevonatú fúrók esetén a sűrített levegővel porlasztott klórmentes olaj mennyiségének növelése nem csökkenti jelentősen a kopást, a forgácsoló erőt, de a nyomatékot sem.
A TiAlN bevonat esetén az olajmennyiség növelésével a kopás egy bizonyos értékig (~16 cm 3 /h) csökken,míg a forgácsolóerő és a nyomaték kis mértékben növekszik. A TiAlN fúrók megmunkálásakor mind forgácsolóerő, csavaró nyomaték, mind kopás szempontjából az emulzió növelése előnyös (de az nem környezetbarát).
Száraz megmunkáláskor (csak sűrített levegős hűtés) erő és nyomaték szempontjából a MoS2 bevonatú fúrók szolgáltatják a legelőnyösebb eredményeket, míg a TiN bevonat erő esetén ~50%-kal, nyomaték esetén ~14%-kal nagyobbat mértünk.
Gazdasági számításokkal is alátámasztottuk, hogy a környezetbarát forgácsolástechnika (minimális kenőanyag alkalmazásával) igen gyakran még olcsóbb is a hagyományosnál. A szerszámköltség ugyan növekszik, de a költséges hűtő-kenő berendezés, továbbá a folyadék recycling költségeinek megtakarításával jelentős előnyökhöz juthatunk [189].
10.10. Fémforgácsolás végeselemes vizsgálata A véges elemes módszer jól használható a fémforgácsolási folyamatok szimulálására, modellezésére is. A fémforgácsolás analitikus vizsgálatára hatékonyan alkalmazhatók a nyírási sík és a slip-line field módszerek [185]. Usni és kollégái [186] az Euler formalizmusra alapozott véges elemes módszert alkalmazták a fémforgácsolás szimulálására. Stenkowski és Caroll [187] egy olyan forgácsképződés szimulációjára alkalmas véges elemes programot mutattak be, melyet a továbbfejlesztett Lagrange módszerre alapoztak.
A geometriai és anyagi nem-linearitások továbbá a forgácsoló szerszám és a munkadarab érintkezési viszonyainak is figyelembe vételére véges elemes szimulációt érdemes használni [188]. A módszer alkalmazásakor elemi munkadarab mozgásokat vesznek figyelembe. Ennek számítási lépései láthatók a 10.17. ábrán.
Start Vége A forgácsoló szerszám elemi elmozdulása Rugalmas-Képlékeny Véges Elemes Elemzés (iterációk az egyensúly kielégítésére minden egyes elemi lépésben) Kiszámítandó jellemzők: -Feszültségek -Képlékeny alakváltozások -Csomóponti koordináták -Érintkezési határfelületek -A képlékeny alakváltozás miatti hőképződés -A súrlódás miatti hőképződés Hőtani Véges Elemes Elemzés (minden egyes elemi lépés végén) Meghatározandó jellemzők: -Hőmérséklet -Hőfeszültségek -Anyagi tulajdonságok Ellenőrizendő: Elvált a két korábban érintkező felület 10.17. ábra A fémforgácsolás egyszerűsített Véges-elemes szimulációja (minden elemi lépésre)
Az ortogonál fémforgácsolás modelljének egy végeselemes hálóját a 10.18. ábra mutatja [189]. 10.18. ábra Véges-elemes háló ortogonális fémforgácsolás modellezésekor [6]
A szimuláció a Third Wave AdvantEdge program felhasználásával készült. Irodalomkutatás alapján megállapítható, hogy a kísérleti forgácsolással keletkezett forgács alakja és a véges elemes szimulációval keletkezett forgács alakja megfelelően hasonló. Megjegyzendő, hogy a fent említett véges elemes programcsomag gyorsforgácsolás szimulációjára is kiválóan alkalmas. A fémforgácsolás véges-elemes módszerrel (VEM) történő szimulációjával a [190] foglalkozik.