MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR
TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT
Betétedzett fogaskerék furat megmunkálásának vizsgálata megmunkálási idő, költségek és felületi érdesség alapján
Sas Péter IV. éves gépészmérnök (BSc) hallgató
Konzulens: Dr. Szabó Ottó (CSc) egyetemi docens Gépgyártástechnológiai Tanszék
Miskolc, 2012. 05. 03.
1
Tartalomjegyzék 1.
Bevezetés ............................................................................................................................ 3
2.
Korábbi technológiák alkalmazása ..................................................................................... 4
2.1. Keményesztergálás és köszörülési közötti különbségek bemutatása .......................... 4 2.2. Betétedzést követő köszörülés ..................................................................................... 8 2.3. Keményeszterga gépen történő készremunkálás ....................................................... 10 2.4. Keményesztergálás és a furat köszörülése két gépen ................................................ 11 3. Jelenleg alkalmazott technológia: kombinált eljárás EMAG gépen ................................. 13 3.1. EMAG VSC-400DS típusú kombinált gép bemutatása ............................................. 15 3.2. EMAG VSC-400DS megmunkáló gép előnyei ......................................................... 16 3.3. Keményesztergálás az EMAG gépen......................................................................... 17 3.4. Köszörülés az EMAG gépen...................................................................................... 19 3.4.1. Az alkalmazott furatköszörűkorong ................................................................... 20 3.4.2.
Korongszabályozás ............................................................................................. 21
4. Különféle technológiák összehasonlítása a furat-és homlokfelületek megmunkálása alapján....................................................................................................................................... 21 4.1. Alakhibák összehasonlítása ....................................................................................... 22 4.2. Időráfordítások számítása, összehasonlítása .............................................................. 24 4.3. Költségráfordítások összehasonlítása ........................................................................ 29 4.4. Felületi érdesség összehasonlítása ............................................................................. 30 5. Kísérletek a furat és homlokfelület érdességének meghatározására ................................ 33 5.1. Forgácsolt felület érdessége ....................................................................................... 34 5.2. Furat érdességének vizsgálata .................................................................................... 34 5.3. Homlok érdességének vizsgálata ............................................................................... 36 5.4. Egy furat és egy homlokfelület mérési eredményének bemutatása ........................... 37 5.5. Következtetés levonása a kapott kísérleti eredményekből......................................... 42 6. Összefoglalás .................................................................................................................... 43 7.
Köszönetnyilvánítás ......................................................................................................... 44
8.
Irodalomjegyzék ............................................................................................................... 45
Mellékletek ............................................................................................................................... 46 M01 – Fogaskerék műhelyrajza (részlet) M02 – Forgácsolt felület érdességének jellemzői
2
1. Bevezetés Nagy teljesítményű sebességváltókat a ZF Hungária Kft. egri gyára állít elő Magyarországon. A sebességváltók gyártástechnológiájának fejlesztésében a 2011. nyári üzemi gyakorlaton vettem részt. Megismertem a ZFH-ban folyó korszerű sebességváltó gyártást, és magam is bekapcsolódtam a gyártási folyamat elemzésébe mérésekkel (pl.: érdességmérés). Szakirodalmi ismeretek felhasználásával a munkám újdonság jellegű részét foglaltam össze ebben a Tudományos Diákköri munkámban. Az elvégzett mérések során a ZF Hungária Kft. és az Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék műszereit és mérési eredményeit használtam fel. TDK dolgozatom alapját képzi a 2011GTT-19/01 rajzszámú műhelyrajz részlete (l. M01 melléklet) és az alábbi 1.1. ábra. A fogaskerék 20MnCr5 (DIN 14685) anyagminőségű, betétedzett és keménysége 59-63 HRC. A technológiai adatokat a ZFH dokumentációból vettem [1].
1.1. ábra. A fogaskerék 3D-s modellje (NX 7.5 szoftver segítségével készítettem el)
3
2. Korábbi technológiák alkalmazása Jelenleg a ZF Hungária Kft-ben a 2011-GTT-19/01 rajzszámú fogaskerék 70G6-os furatát, illetve a kapcsolódó homlokfelületeit EMAG gépen történő kombinált (furat keményesztergálás és köszörülés) eljárással munkálják készre. Viszont mikor még nem volt adott ez a technológia a megmunkálást más, esetenként több gépen végzett műveletekkel hajtották végre. A dolgozatom következő fejezeteiben ezeket a technológiákat fogom bemutatni, és részletesen jellemzem a jelenleg alkalmazott EMAG VSC-400DS típusú megmunkáló gépen megvalósult kombinált eljárást. A vizsgálataim célja a kedvező (pl.: minőségi, termelékenység, stb.) technológiai eljárás behatárolása, kiválasztása. A fogáskerék furat és homlokfelületi megmunkálásának lehetséges technológiai változatai:
Betétedzést követő köszörülés (l. 2.2. fejezet)
Keményeszterga gépen történő készremunkálás (l. 2.3. fejezet)
Keményesztergálás és a furat köszörülése két gépen (l. 2.4. fejezet)
Kombinált eljárás EMAG gépen (l. 3. fejezet)
Mielőtt megismerhetnénk és összehasonlíthatnánk a különböző technológiákat, célszerű megismerni a keményesztergálás és a köszörülés közötti különbségeket. A két eljárás közötti felületminőségi és alaki jellemzők, valamint költség és idő ráfordítási különbségek ismerete teszi lehetővé a kedvező technológia megválasztását különböző típusú és rendeltetésű munkadarabok megmunkálása esetén. 2.1.Keményesztergálás és köszörülési közötti különbségek bemutatása A keménymegmunkálásban a keményesztergálás újszerű technológiának számít, azonban Dr. Kundrák János professzornak és munkatársainak kutatásai bizonyítják, hogy napjainkban egyre elterjedtebb és hatékonyabb megmunkálási eljárássá vált [7, 8, 9, 11]. Keményesztergálásról beszélünk akkor, amikor a forgácsolást 55 HRC-nél keményebb acélon, 100-200 m/min sebességű – hűtő-kenőfolyadék nélküli – ún. „száraz” anyagleválasztás történik, és a folyamat során néhány ezred vagy század mm2 keresztmetszetű
forgács
keletkezik.
E
minőségben 4
a
gépalkatrészek
egy
jól
körülhatárolható nagy csoportjának készremunkálásánál a köszörülés alternatívája lett a keményesztergálás. A példátlanul gyors ipari elterjedése azzal magyarázható, hogy termelékenysége a köszörüléshez képest többszörös, műveleti önköltsége pedig fele akkora. Mindezek mellett környezetbarát, tiszta, ún. száraz technológia, mert nem igényel hűtő-kenő folyadékot. A száraz eljárások környezetkímélő hatását, a nedves eljárásokkal való összehasonlítás alapján lehet jól megítélni. Nem csak azt a szempontot kell mérlegelni, hogy mennyire károsítja a környezetet a nagy mennyiségű elhasznált hűtőkenő folyadék megsemmisítése vagy reaktiválása, hanem azt is, hogy a folyadék-köd mennyire károsítják a dolgozók egészségét [11].
Felületi érdesség (μm) 3 2,5 2 Köszörült
1,5
Keményesztergált 1 0,5 0 Ra
Rp
Rv
Rt
Rz
R3z
2.1. ábra. A köszörült és keményesztergált felület érdességének összehasonlítása (kísérleti fogaskerék adatai: 16MnCr5 anyagminőségű, betétedzett, 61-63 HRC keménységű, furat átmérő Ø68mm, hossza 24,2mm) [6]
Az alkalmazott abrazív megmunkálások (köszörülés) akkor helyettesíthetők keményesztergálással,
ha
az
alkatrészre
előírt
felületminőségi
és
pontossági
követelmények biztosíthatók, továbbá ha a folyamat ezáltal gazdaságosabbá is válik. A köszörült és keményesztergált felület közötti különbségeket a 2.1. ábra szemlélteti. A felületérdességi mérőszámok értelmezése az M02 mellékletben találhatók. Alapvetően megállapítható, hogy a leválasztható forgácskeresztmetszet, az alkalmazható forgácsolási sebesség, illetve az elérhető anyagleválasztási teljesítmény alapján a keményesztergálás termelékenyebbnek tekinthető a köszörüléshez képest. Az előírt minőségi követelmények 5
pedig a CBN szuperkemény szerszámokkal végzett forgácsolással biztosíthatók, mivel a szuperkemény szerszámok fizikai és mechanikai tulajdonságai (pl.: nagy keménység, jó hővezető-képesség, nagy kopás- és hőállóság, stb.), valamint polikristályos jellege meghatározott sajátosságokat kölcsönöznek a velük való megmunkálási folyamatnak [8]. A kiváló felületminőség mellett biztosítható az alkatrész előírt pontossága is, a nagy anyagleválasztási teljesítmény (időegység alatt leválasztható anyagmennyiség) pedig gazdaságosabbá teheti a CBN szerszámok alkalmazását. Különösen nagy ez az előny furatmegmunkálásnál,
hiszen
a
furat
átmérője
meghatározza
az
alkalmazható
korongátmérőt [7]. Az előnyök és hátrányok áttekintését a 2.2. ábra tartalmazza.
Jellemzők
Előnyök
Keményesztergálás
Hátrányok
Köszörülés
nagy rugalmasság nagy forgácsleválasztó képesség hűtő-és kenőanyag nem szükséges folyamat biztonsága kisebb (él letörés) minimális fogásmélység szükséges nagy passzív erő ébredése fehér réteg képződése
folyamat biztonsága felületminőség
alacsony anyagleválasztási teljesítmény sok hűtő- és kenőanyag alkalmazása bonyolult felületek megmunkálása nehézkes
2.2. ábra. Keményesztergálás és köszörülés előnyei és hátrányai [10]
Bár a kemény esztergálással nagyon látványos, meggyőző eredményeket érhetünk el, mégsem lehet minden alkatrész esetében a köszörülés alternatívája. Tükrös, polírozott felületet, Rz=0.3-0.5µm érdességet csak keményesztergálással soha nem érhetünk el. A köszörülés másik, nagyon jelentős előnye, hogy szigorúbb körkörösségi tűréseket tudunk tartani, mint a kemény esztergálási eljárással (2.3. ábra) [9]. A keményesztergálás hátránynak tekinthetjük, hogy a folyamat biztonsága kisebb, mint a köszörülésnek. Élcsorbulás bekövetkeztével romolhat a felületminőség, rosszabb esetben akár selejtet is gyárthatunk, de ez folyamatos méréssel, és megfelelő szerszámanyag kiválasztásával kiküszöbölhető. Fontos, hogy minimális fogásmélység minden esetben biztosított legyen, továbbá figyelni kell a fellépő nagyobb passzív erőkre, és a száraz megmunkálásból adódó nagyobb hőfejlődésre, ami káros fehér réteg képződéséhez vezethet. Emellett a szabályos topográfia gondot okozhat tengely alakú 6
alkatrészek esetében axiális irányú erők fellépése esetén, kúpos felületeknél, illetve tömítési helyeken [5].
2.3. ábra. Keményesztergálás és köszörülés összehasonlítása geometriai pontosság szerint (kísérleti fogaskerék adatai: 16MnCr5 anyagminőségű, betétedzett, 61-63 HRC keménységű, furat átmérő Ø68mm, hossza 24,2mm) [6]
Bár a keményesztergálásnak vannak hátrányai, és nem válthatja ki minden esetben a köszörülést, de költséghatékonysága, időmegtakarítása, a gyorsabb ciklusok, az alacsonyabb járulékos költségek túl jelentősek ahhoz, hogy a technológiát figyelmen kívül hagyjuk. Számos esztergálási ismeretre alapozva, a speciális keményesztergálási ismeretek a legtöbb esztergálással foglalkozó cég, vállalkozás számára könnyen megtanulhatók, azaz a technológia könnyen alkalmazható. Ennek révén újabb lehetőségek nyílhatnak a gyártók számára. Egy kis odafigyeléssel a megfelelő gép, szerszám, technológia kiválasztására, a kemény esztergálás újabb lehetőséget teremthet a gazdaságos, sőt profithatékony gyártás számára [9].
7
2.2.Betétedzést követő köszörülés A fogaskerék gyártásánál a legrégebb óta eredményesen alkalmazott technológia a betétedzés utáni furat és homlokfelületek köszörülése. Ekkor a hőkezelést szigorúbb feltételek között, kis köszörülési ráhagyás mellett kell végrehajtani. Erre azért van szükség, hogy a köszörülés során a lehető legkevesebb anyagrészt kelljen eltávolítani a munkadarabról. Ha nagyobb a leválasztandó anyagmennyiség akkor nő a megmunkálási idő, ezáltal maga a megmunkálás költsége is növekszik. Viszont a szigorú tűrések betartása, és a lehető legkisebb alakdeformáció elérése szintén plusz költséget eredményez. A munkadarab megmunkálása két gépen oldható meg, ezáltal nő az időveszteség, és felfogási hibák jelentkezhetnek. A megmunkálás során először egy furatköszörű gépen történik a furat és az hátsó homlokfelület (F4) nagyoló és simító köszörülése, majd ezt követően a munkadarab átkerül egy síkköszörű gépbe, ahol pedig készre munkálják a elülső (F1) homlokfelületét. A fogaskerék rajzát a méretekkel, tűrésekkel és felületminőségi jelekkel feltüntetve a 2.4. ábra szemlélteti. (Az eljárás technológiai adatait a 2.1. és 2.2. táblázat tartalmazza.). Az ábrán és a dolgozatom további részében feltüntetett Rz4 érdesség Rz≤4μm kritériumnak felel meg.
2.4. ábra. A fogaskerék fő méretei
8
Technológiai adatok: Gép: Woumard IPASA 200 típusú furatköszörű [1] 2.1. táblázat: Furatköszörülés technológiai adatai
Megnevezés Vágósebesség Munkadarab fordulatszáma 1. Fogásmélység 2. Fogásmélység 1. Előtolás 2. Előtolás Ráhagyás Alkalmazott köszörűkorong
F4 oldal F4 oldal Z1 Furat Jelölés Mértékegység nagyolása simítása nagyolása Beállítási értékek 65 70
Z1 furat simítása
vc
m/s
60
n
1/min
220
ap ap f f -
mm mm mm/min mm/min mm
-
-
Kiszikráztatási idő
t
s
Korongszabályzás
-
-
Szabályzó szerszám
-
-
Korongszabályzás vágósebessége
vc
m/s
60
-
60
-
n
1/min
900
-
900
-
tn te
min min
Szabályzáskor a korong fordulatszáma Norma idő Előkészületi idő
220
250
75 250
0,08 0,01 0,07 0,01 0,03 0,06 0,18 0,1 0,24 0,14 0,15 0,18 0,11 0,01 0,11 0,01 Tyrolit furatkorong Ø55x40xØ25 9A80J8V22 5
8
4
8
minden minden db után db után PK 10/3.4 gyémánt szemcsés koronglehúzószerszám
2,95 60
9
Gép: Reform RFS-900 típusú síkköszörű [1] 2.2. táblázat: Síkköszörülés technológiai adatai
Megnevezés Vágósebesség 1. Fogásmélység 2. Fogásmélység 1. Előtolás 2. Előtolás Ráhagyás Alkalmazott köszörűkorong
Jelölés Mértékegység vc ap ap f f -
m/s mm mm mm/min mm/min mm
-
-
t
s
-
-
-
-
tn te
min min
Kiszikráztatási idő Korongszabályzás Szabályzó szerszám Norma idő Előkészületi idő
F1 oldal nagyolása F1 oldal simítása Beállítási értékek 28 28 0,08 0,01 0,03 0,18 0,1 0,15 0,11 0,01 Tyrolit egyenes korong Ø350x50x127 F13A46HH11V 5
8
minden db után PK 50/5.0 gyémánt szemcsés koronglehúzószerszám 0,7 10
2.3.Keményeszterga gépen történő készremunkálás A keményesztergálás elterjedése után a ZF Hungária Kft-ben is tettek kísérleteket arra,
hogy
leváltsák
a
köszörülés
technológiáját
az
újfajta
technológiára.
Keményesztergálással képesek voltak elérni ugyan azt a felületi érdességet (pl.: Rz érték), mint köszörüléssel, ráadásul megmunkálási idők csökkenésével nőtt a termelékenység, és a megmunkálási költségek is csökkentek. Később megfigyelték, hogy axiális irányú erők ébredése esetén a fogaskerekek rászorultak más szinkronalkatrészekre. Ez a jelenség a keményesztergálással megmunkált felület szabályos topográfiájának – az esztergakés által vágott nagyon finom menetnek – köszönhető. Ezért csapágyazásnál, kúpos felületeknél és tömítésnél kizárandó ok a köszörülés elhagyása. Ilyen okok miatt a 2011-GTT-19/01 rajzszámú fogaskereket ma már csak EMAG gépen kombinált eljárással munkálják készre, viszont az olyan alkatrészeknél, ahol a furat szabályos topográfiája nem okoz gondot funkcionális szempontból, ott még mindig keményesztergálással munkálják készre az alkatrészeket.
10
Technológiai adatok: Gép: Pittler PVSL-2/1 L típusú keményeszterga [1] 2.3. táblázat: Keményesztergálás technológiai adatai
Z1 furat esztergálása F1 oldal F4 oldal Megnevezés Jelölés Mértékegység esztergálása esztergálása Nagyolás Simítás Beállítási értékek Vágósebesség Fogásmélység Előtolás Megmunkálási hossz
vc
m/min
160
160
170
160
ap
mm
0,1
0,1
0,2
0,05
f
mm/ford
0,12
0,12
0,24
0,12
L
mm
4,6
4,2
34,1
34,1
Mitsubishi CNGA 120408 TA4 MB8025
Mitsubishi Mitsubishi Mitsubishi CNGA CNGA CNGA 120408 120408 120408 TA4 TA4 GSW2 MB8025 MB8025 MBC010
Alkalmazott lapka
-
-
Norma idő
tn
min
1,76
Előkészületi idő
te
min
12
2.4.Keményesztergálás és a furat köszörülése két gépen Ennek a technológiának a lényege, hogy a betétedzést követően keményesztergálással elvégzik a nagyolást a furaton, és készre munkálják a homlokfelületeket. A keményeszterga-gépen végzett művelet gyors anyagleválasztást biztosít, emellett a furat és homlokfelület megmunkálása elvégezhető egy felfogásból, így időtakarékossá válik az eljárás. A 2.3. pontban említett keményesztergált felület topográfiája, és annak hatásai miatt, a furat befejező megmunkálását köszörüléssel kell zárni. A köszörülési műveletet másik megmunkáló gépen, furatköszörűn kell elvégezni. Mivel a folyamat során kétszer történik befogás, excentricitási hibák léphetnek fel, továbbá a kétszeres előkészületi idő és mellékidők (be-és kifogási idők) miatt az eljárás – az egy gépen történő (pl.: EMAG) kombinált eljáráshoz képest – kevésbé termelékeny és gazdaságos.
11
A fent bemutatott eljárás fiktív, mivel a ZF Hungária Kft-ben gazdasági és technológiai okok miatt ily módon nem munkálnak meg fogaskerekeket. Azt azonban meg kell jegyezni, hogy az eljárás technológiailag helyes, és a furat mikrogeometriája miatt indokolt is lenne. A ZFH ezt a technológiát a kombinált eljárással, EMAG gép segítségével kiváltotta. Technológiai adatok: Gép: Pittler PVSL-2/1 L típusú keményeszterga [1] 2.4. táblázat: A keményesztergálás technológiai adatai
Megnevezés Jelölés Mértékegység Vágósebesség Fogásmélység Előtolás Megmunkálási hossz
F1 oldal esztergálása
F4 oldal Z1 furat esztergálása esztergálása Beállítási értékek 150 180 0,1 0,2 0,1 0,2
vc ap f
m/min mm mm/ford
150 0,1 0,1
L
mm
4,6
4,2
34,1
Mitsubishi 4NC-CNGA 1201412 BNC-300
Mitsubishi 2NC-DNGA 120408 BNC200
Mitsubishi 4NC-CNGA 1201412 BNC-300
Alkalmazott lapka
-
-
Norma idő
tn
min
0,97
Előkészületi idő
te
min
12
Gép: Woumard IPASA 200 típusú furatköszörű [1] 2.5. táblázat: A furatköszörülés technológiai adatai
Megnevezés Vágósebesség Munkadarab fordulatszáma 1. Fogásmélység 2. Fogásmélység 1. Előtolás
vc
m/s
Z1 furat köszörülése Beállítási értékek 75
n
1/min
250
ap ap f
mm mm mm/min
0,022 0,008 0,25
Jelölés Mértékegység
12
2. Előtolás Alkalmazott köszörűkorong Kiszikráztatási idő Korongszabályzás Szabályzó szerszám Korongszabályzás vágósebessége Szabályzó fordulatszáma Norma idő Előkészületi idő
f
mm/min
0,1 Tyrolit furatkorong Ø55x35xØ25 9A80J7V20
-
-
t
s
6
-
-
-
-
minden db után PK 10/3.4 gyémánt szemcsés koronglehúzó-szerszám
vc
m/s
50
n
1/min
900
tn
min
1,24
te
min
50
3. Jelenleg alkalmazott technológia: kombinált eljárás EMAG gépen A ZF Hungária Kft-ben a fogaskerék keménymegmunkálása kombinált eljárással történik EMAG VSC-400DC típusú CNC gépen. A kombinált eljárás újfajta technológia a gépgyártásban, lényege, hogy egyesíti a keményesztergálás és a köszörülés előnyeit. Egyes felületeken köszörülés helyett célszerűbb keményesztergálást alkalmazni, mivel közel ugyan olyan minőség mellett gyorsabb a megmunkálás, csupán a topográfiában van eltérés. A keményesztergálás és a köszörülés között számottevő különbség, hogy míg előbbinél nem használnak hűtő-kenő folyadékot, addig utóbbinál igen. A keményesztergálás során mindössze forgács keletkezik, ezzel szemben köszörüléskor abrazív és kötőanyag részecskék válnak le a megmunkálási és a szabályozási műveletek során. A leváló kis részecskék keverednek a hűtő-kenő folyadékkal, a forgáccsal és az egyéb szűrt részecskékkel, melynek terméke az ún. köszörülési iszap. Ezt szétválasztani lehetetlen, ezenkívül az egészségre és környezetre ártalmas anyagokat tartalmaz, ezért kezelése kiemelkedő fontosságú. A keményesztergálás viszont szárazmegmunkálásnak minősül, amely nem szennyezi a környezetet. Ugyanakkor olyan alkatrészeknél, melyeknél a felhasználási feltételek nem engedik meg a szabályos topográfiát – az előző hátrányok mellett –, ott alkalmazható a köszörülés.
13
A kombinált eljárás az EMAG gépen a következőképpen folyik (3.1. ábra): A munkadarabok adagolása automatikusan történik szállítósín segítségével. A sín beviszi az alkatrészeket a munkatérbe, ahol hárompofás membrán tokmány fogja meg azokat külső átmérőn, majd F3 felületen ütközteti a munkadarabot. A megmunkálást egy felfogásban
végzik.
Először
az
F1
homlokfelület
oldalazása,
majd
a
furat
keményesztergálása történik. Ezután egy ún. hátraesztergáló furatkéssel megmunkálják a hátsó (F4) homlokfelületet, végül a furat köszörülése történik elektrokorund szemcsézetű köszörűkoronggal. A megmunkálógép össze van kötve egy postprocess méreőállomással (3.1. ábra). Kétféle mérést végeznek el a fogaskeréken. Az egyik egy tapintásos vizsgálat, ami a fogaskerék szélességét méri meg, a másik pneumatikus elven működő ellenőrzés a belső furaton.
3.1. ábra. EMAG VSC-400DC típusú CNC gép és környezete
14
3.1.EMAG VSC-400DS típusú kombinált gép bemutatása Az EMAG VSC 400 DS kombinált eszterga- és köszörűközpont, amely egyesíti a függőleges keményesztergálás előnyeit a köszörülés előnyeivel egy gépben, egy felfogásban.
3.2. ábra.
3.3. ábra.
EMAG VSC-400DS munkatere a köszörűkorong és az esztergakés orsóval
A munkadarab befogása EMAG gépen
Az EMAG VSC 400 DS gépállványa rendkívül stabil, MINERALIT polimer beton, amelynek egyik legfontosabb jellemzője a kiváló rezgéscsillapítás. Ez biztosítja a hosszú szerszám élettartamot és a magas felületi minőséget. Munkatere függőleges falakkal határolt, mely a forgácskiszóródástól jól védett. Keresztszánja görgős csapágyazású valamint játékmentes, lineáris mozgású. A gépállványon található az X-tengely irányú mozgás megvezetése, ez az esztergálás maximális pontosságáról gondoskodik. A gép szánhajtásai a munkatér tetején kaptak helyet. A munkatér gondos tervezése biztosítja a megfelelő forgácskihordást, valamint a munkadarab befogó elemekhez és a szerszámhoz való jó hozzáférhetőséget. A gép védve van a munkatér burkolása révén, a tolóajtó biztonsági ablakkal és elektro-mechanikus biztonsági zárral van ellátva. Automatikus központi olajkenés van a szánokhoz, kis mennyiségű olajködkenés a forgó orsó csapágyai számára. Az orsómotor, a főorsó az orsóhüvellyel, a szerszámrevolverfej (3.2. ábra), az elektromos szekrény és a gépágy folyadékkal hűtött. A gép hőmérsékletét kétkörös hűtőberendezés igazítja a környezeti hőmérséklethez [1].
15
A megmunkálási folyamatba integrálható a munkatéren kívül elhelyezett mérőtapintó, amely biztosítja a munkadarabok előírt pontosságának ellenőrzését és betartását. A főorsótokmányban befogott (3.3. ábra) munkadarabokon történő mérések alapján kapja meg a CNC vezérlés a korrekciós adatokat. Ezáltal gépkezelői felügyelet nélküli működés során is biztosított a gyártott munkadarabok egyenletes pontossága és minősége [4].
Tehát az EMAG VSC 400DS egy kombinált gép, ami magában foglalja:
Komplett megmunkálást egy felfogásban o Magasabb munkadarab-minőség és nagyobb termelékenység
A megmunkálások szerszámainak éltartama nagyobb o Szerszámköltségek minimalizálása
Kis mennyiségű köszörűiszap o A keletkező hulladék kezelési költségeinek minimalizálása
Jelentős csökkentése a köszörülési ráhagyásnak o Lehetőség a szárazmegmunkálás.
3.2.EMAG VSC-400DS megmunkáló gép előnyei A kombinált eszterga- és köszörűközpont egyesíti a függőleges keményesztergálás előnyeit a köszörülés előnyeivel. Az előzőekben említett előnyöket kiegészíteném a következő felsorolással [13]:
A munkadarab felületei esztergálással készülnek és amennyiben a minőség illetve előírás megköveteli, úgy a keményesztergálás után köszörülést is alkalmazhatunk mint befejező eljárást.
Magasabb a termékminőség, mert a munkadarab egy felfogásban készül el. A köszörülési ráhagyás megközelítőleg 0,02mm-től az átmérő függvényében változik.
A simítóeljárások szerszám- és időtakarékosak, mivel a köszörűkorong kis anyagleválasztás során sokkal kevésbé kopik.
Az EMAG kombinált megmunkáló gép a hagyományos köszörüléssel szemben kis anyag leválasztását tesz lehetővé. Szárazon vagy csak minimális mennyiségű hűtő16
kenőfolyadékkal is lehet köszörülni, ezáltal a köszörűiszap eltávolításának költsége lecsökken, vagy meg is szűnik.
Az eljárás megbízhatóságát növelhetjük, és egyidejűleg jobb felületminőséget érhetünk el köszörüléssel, mint csak keményesztergálással.
Az
egyszerű
keményesztergálással
szemben
csavarmentes
felületeket
munkálhatunk meg köszörüléssel egy gépen belül.
A hátoldali felületek (pl.: vállak) keményesztergálása is könnyen megoldható, nem szükséges a munkadarabok kifogása és fordítása, majd újbóli befogása.
Gyorsan
és
egyszerűen
lehet
CNC
esztergálással
alakos
kontúrvonalak
megmunkálni, amelyek lekövetése köszörűkoronggal bonyolult vagy lehetetlen.
Kis elmozdulások eredményezik a minimális mellékidőt és az alacsony darabköltséget.
Az eljárás magas megbízhatósága mellett nagyobb pontosságot és felületminőséget érhetünk el.
A kapcsolódás egyszerűbb más VSC-s munkadarab-tároló rendszerekkel.
3.3.Keményesztergálás az EMAG gépen Az F1 és F4-es homlokfelületeket keményesztergálással munkálják készre, illetve a Z1-es furat nagyolása is ezzel a módszerrel történik (3.4. ábra). A homlokfelületeket a szinkrondarabok kapcsolódása miatt kell finomra munkálni. Az F1-es homlokfelület és a furat nagyolása egy szerszámmal történik, míg a hátsó, F4-es homlokfelületet úgynevezett hátraesztergáló furatkéssel munkálják meg (3.5. ábra). Erre a szerszámra azért van szükség, hogy a megmunkálást egy felfogásból el tudjuk végezni, ne kelljen megfordítani a fogaskereket. Ezáltal biztosítani tudjuk az egytengelyűséget, és elkerüljük az esetleges excentricitási hibákat, ami a kombinált eljárás egyik nagy előnye. Az alkalmazott esztergakések CBN bevonatos SUMITOMO lapkákkal vannak ellátva. A lapkákat a késtartóval együtt a 3.5. ábra szemlélteti.
17
Technológiai adatok: 3.1. táblázat: Keményesztergálás technológiai adatai EMAG gépen
Megnevezés
Jelölés
Mértékegység
F1 oldal esztergálása
F4 oldal Z1 Furat esztergálása esztergálása Beállítási értékek
Vágósebesség Fogásmélység Előtolás Megmunkálási hossz Alkalmazott lapka
vc ap f
m/min mm mm/ford
170 0,1 0,12
170 0,1 0,1
170 0,2 0,22
L
mm
4,6
4,2
34,1
-
Sumitomo 4NC-CNGA 1201412 BNC-300
Sumitomo 2NC-DNGA 120408 BNC200
Sumitomo 4NC-CNGA 1201412 BNC-300
-
F4
Z1
F1 3.4. ábra. Keményesztergálás szemléltetése az általam AutoCAD 2010 rendszerben tervezett rajzon.
18
3.5. ábra. Az alkalmazott késtartók, felső képen az F1 felületet megmunkáló szerszám, míg az alsón az F4 felületet készre munkáló ún. hátraesztergáló kés látható
3.4.Köszörülés az EMAG gépen A furat köszörülésére azért van szükség, mert a keményesztergálást követően a kapott felület topográfiája szabályos, az esztergakés nagyon finom menetet (mikromenetet) vág az anyagba. Ennek köszönhetően megfigyelték, hogy axiális irányú erő hatására a fogaskerék axiális a menet irányába elmozdul, és nekiszorul más szinkronalkatrésznek. E hiba kiküszöbölésére szolgál a köszörülés, mivel a határozatlan élgeometriának köszönhetően a kapott felület topográfiája is szabálytalan lesz, ezáltal elkerülhető a fogaskerék nem kívánatos elmozdulása. A művelet során Tyrolit furatkorongot alkalmaznak (3.6. ábra), 4%-os Rhemus TS25 ásványi olaj emulzió hűtés mellett.
19
3.4.1. Az alkalmazott furatköszörűkorong Köszörűkorong: Tyrolit furatkorong Ø55x43xØ20 A60K8V
3.6. ábra. Az alkalmazott köszörűkorong
Technológiai adatok:
3.2. táblázat: Köszörülés technológiai adatai EMAG gépen
Megnevezés Vágósebesség Munkadarab fordulatszáma 1. Fogásmélység 2. Fogásmélység 3. Fogásmélység 1. Előtolás 2. Előtolás 3. Előtolás Ráhagyás Alkalmazott köszörűkorong Kiszikráztatási idő Korongszabályzás Korongszabályzás vágósebessége
vc
m/s
Furat köszörülése Beállítási értékek 50
n
1/min
550
ap ap ap f f f -
μm μm μm mm/min mm/min mm/min mm
15 10 5 0,25 0,15 0,08 0,03
-
-
Tyrolit furatkorong Ø55x43xØ20 A60K8V
t
sec
10
-
-
3db után
vc
m/s
50
Jelölés Mértékegység
20
Szabályzó fordulatszáma Szabályzó előtolása Szabályzó átmérője
n
1/min
825
f
mm/min
400
d
mm
374,83
3.4.2. Korongszabályozás A köszörűkorongok fontos és jellemző tulajdonsága az önélező képesség. Ennek ellenére a korongokat időnként szabályozni kell. A szabályozási korongkopás kompenzálása x irányú nullponteltolással történik. Minden 3. darab után korongszabályozást kell végrehajtani. A szabályozás egy irányban történik, egy fogással. A korongszabályozás technológiai adatait a 3.2. táblázat tartalmazza. A szabályzószerszám specifikusan az EMAG cég számára gyártott, gyémánt szegmensekkel ellátott szerszám.
4. Különféle technológiák összehasonlítása a furat-és homlokfelületek megmunkálása alapján Az összehasonlítás célja, hogy segítséget nyújtson a megfelelő eljárás kiválasztáshoz a 2011-GTT-19/01 rajzszámúhoz hasonló fogaskerekek megmunkálására gazdasági és technológiai helyességet figyelembe véve. Az összehasonlításokat a keményesztergálással készre munkált és az EMAG gépen kombinált eljárással végzett technológiák között végeztem, hiszen itt a legnagyobb az eltérés a kapott felületek között alaki és érdességi jellemzők szempontjából. A
vizsgálatokat
a
felület
pontossága,
érdessége,
az
időráfordítások
és
költségráfordítások összehasonlításával végeztem. Az összehasonlításoknál segítségemre volt, hogy az általam vizsgált fogaskerék 59-63 HRC keménysége hasonló tulajdonságokat mutatott, mint a [10] irodalomban vizsgált 6163 HRC keménységű fogaskerék. A lehetséges alternatív műveleteket a 4.1. táblázatban foglaltam össze.
21
4.1. táblázat: Technológiai változatok
Technológia
Köszörülés
Műveletek
köszörülés: furat homlokfelületek
Keményesztergálás keményesztergálás: furat homlokfelületek
Keményesztergálás és köszörülés keményesztergálás: furat (N) homlokfelületek
Alkalmazott 2 köszörű gép 1 keményeszterga szerszámgépek száma Alkalmazott Woumard Pittler PVSLszerszámIPASA 2/1 gépek 200 Reform RFS-900
Kombinált eljárás keményesztergálás: furat (N) homlokfelületek
köszörülés: furat (S)
köszörülés: furat (S)
1 keményeszterga 1 köszörű gép
1 kombinált gép
Pittler PVSL- 2/1 Woumard IPASA 200
EMAG VSC-400 DS
Megjegyzés: N - nagyolás; S - simítás
4.1.Alakhibák összehasonlítása Számos különbség mutatkozik a keményesztergálás és köszörülés között a gyártmány geometriájának és alaki jellemzőinek vizsgálatai során. Ezen jellemzők ismerete fontos lehet a gyártmány funkcionalitása szempontjából, és segíti a megfelelő eljárás kiválasztását. Az összehasonlítást Prof. Dr. Kudrák János szakcikke alapján készítettem el [11] és a 4.1. ábrán szemléltetem. A köralakúság. hengeresség és párhuzamosság az előírtnak megfelel. A dolgozatomban a furat alakellenőrzésével nem foglalkoztam.
22
Eljárások
Eljárás vázlata
Köralakúság
Hengeresség
Párhuzamosság
f (mm/ford) a p (mm)
vf
Esztergálás vc
f (mm/md. ford)
vf
Köszörülés vc vw
4.1. ábra. Keményesztergálás és köszörülés összehasonlítása alakhibák alapján (kísérleti fogaskerék adatai: 16MnCr5 anyagminőségű, betétedzett, 61-63 HRC keménységű, furat átmérő Ø68mm, hossza 24,2mm) [6]
23
4.2.Időráfordítások számítása, összehasonlítása
A gépi főidő és alapidő meghatározása furatmegmunkálásra Az időértékek megállapítása számítással akkor lehetséges, ha az idő értéke és az azt meghatározó változók közötti összefüggés ismert, és matematikailag kifejezhető. Ez így van a gépi időnél, melyeket ismert képlet (4.1.) segítségével számítunk ki: forgácsoláskor a szerszám által megtett útnak és az előrehaladás sebességének ismeretében kiszámítható a fogás gépi ideje. t fg i
Ly n f
(4.1.)
ahol: tfg - a gépi főidő [min], i
- a fogások száma,
L
- a megmunkált felület hossza [mm],
y
- a rá- és kifutások hossza [mm],
n
- a gép főorsójának percenkénti fordulatszáma,
f
- a szerszám (vagy munkadarab) fordulatonkénti előtolása [mm],
A gépi főidőket az ismert képlet segítségével, egy nagyolási és egy simítási fogással számolva határozom meg. Az alapidőket pedig a következő képlettel számolva: Talap=Tgépi+Tcsere+Tpótlék Tpótlék=0
(nem számoltam vele)
(4.2) (4.3)
Négy féle technológiai változat – a köszörülés, a keményesztergálás, a két gépen végzett keményesztergálás és köszörülés, és a kombinált eljárás – segítségével végzem el az összehasonlítást. Minden technológia esetén meghatározom a furat megmunkálásának gépi fő-, és alapidejét.
24
Köszörülés:
Tfg,N=Tfg,N1+Tfg,N2 =0,602+0,802=1,404
4.2. táblázat: Köszörülési idő értékek
Idők
Értékek
Nagyolási gépi főidő
Simítási gépi főidő
Teljes gépi főidő
Tgépi,N [min]
Tgépi,S [min]
Tgépi [min]
1,404
1,03
2,434
Csereidő
Alapidő
Tcsere [min]
Talap [min]
0,3
2,734
Keményesztergálás:
4.3. táblázat: Keményesztergálási idők
Idők
Értékek
Nagyolási gépi főidő
Simítási gépi főidő
Teljes gépi főidő
Tgépi,N [min]
Tgépi,S [min]
Tgépi [min]
0,195
0,413
0,608
25
Csereidő
Alapidő
Tcsere [min]
Talap [min]
0,2
0,808
Keményesztergálás és köszörül két gépen:
A simítást köszörüléssel végezzük. A köszörülés 2 fogással, 2 különböző előtolással történik, ezért a következő 2 érték összege adja a simítási gépi főidőt:
Tfg,S=Tfg,S1+Tfg,S2=0,578+1,2=1,778
4.4. táblázat: Keményesztegálás+köszörülés két gépen idő értékei
Idők
Nagyolási gépi főidő
Simítási gépi főidő
Teljes gépi főidő
Tgépi,N [min]
Tgépi,S [min]
Tgépi [min]
0,195
1,778
1,973
Értékek
Csereidő
Alapidő
Tcsere [min]
Talap [min]
0,5
2,473
Kombinált eljárás:
A simítást köszörüléssel végezzük. A köszörülés 3 fogással, 3 különböző előtolással történik, ezért a következő 3 érték összege adja a simítási gépi főidőt:
26
Tfg,S=Tfg,S1+Tfg,S2+Tfg,S3=0,048+0,08+0,15=0,278 4.5. táblázat: Kombinált eljárás idő értékei
Idők
Nagyolási gépi főidő
Simítási gépi főidő
Teljes gépi főidő
Tgépi,N [min]
Tgépi,S [min]
Tgépi [min]
0,212
0,278
0,49
Értékek
Csereidő
Alapidő
Tcsere [min]
Talap [min]
0,16
0,65
A keményesztergálás 4.2, a köszörülés 4.3. és a kombinált eljárás 4.4. időérték táblázatait összevetve, diagramban mutatom be a jobb összehasonlíthatóság miatt. Az eredményekből egyértelműen látszik, hogy a köszörülés a legidőigényesebb eljárás, míg a kombinált eljárás a leggyorsabb, bár az értékek nagyon közeliek a keményesztergáláshoz. Különböző eljárások gépi- és alapideje 3
2,734
Idő, t [min]
1,973
2 1,5
2,473
2,434
2,5 1,778 1,404 1,03
0,808
1 0,608 0,5
0,195 0,212 0,195
0,413
0,49
0,278
0,5 0,3
0,2
0,65
0,16
0 Nagyolási gépi főidő Köszörülés
Simítási gépi főidő
Keményesztergálás
Teljes gépi főidő
Csereidő
Keményesztergálás+köszörülés 4.2. ábra.
Különböző eljárások gépi- és alapideje
27
Alapidő Kombinált eljárás
A számítások eredményeiből látszik, hogy a keményesztergálással és a kombinált eljárással megmunkált furat gépi főideje között épp úgy nincs lényeges különbség, mint a megmunkáló gépek előkészületi ideje között. Ez utóbbit támasztja alá, hogy a Pittler PVSL 2/1 típusú keményeszterga előkészületi ideje 12 perc, az EMAG VSC-400 típusú gépé pedig 16 perc. Ezzel ellentétben a Woumard IPASA 200 típusú furatköszörű-gép előkészületi ideje akár 40 perc is lehet. Releváns különbséget akkor észlelünk, ha elvégezzük a megmunkálást normál, illetve wiper lapkákkal is. Ekkora a keményesztergálással készre munkált darab megmunkálási ideje kisebb, ezáltal költséghatékonyabb megoldás, viszont a furat topográfiája miatt a 2011-GTT19/01 rajzszámú fogaskerék furatát célszerűbb kombinált eljárással megmunkálni. A gépi főidők és darab idők eltérése jobban érzékelhető, ha a keményesztergálást és a kombinált eljárást a köszörüléssel, illetve a keményesztergálást követő, másik gépen végzett furatköszörülés technológiájával hasonlítjuk össze. A különbségeket a 4.3. ábrába rendeztem össze, a [10] irodalom segítségével felhasznált adatok alapján: 5 4,55
Köszörülés
4,5 4
Keményesztergálás normál lapkával
Idő, t [min]
3,5 3
2,97
2,77
Keményesztergálás wiper lapkával
2,38
2,5
Keményesztergálás+ köszörülés
2
1,5 1 0,5
1,14 0,67
0,66 0,58
1
0,84
Kombinált eljárás normál lapkával
0,6 Kombinált eljárás wiper lapkával
0,22
0 Gépi főidő
Darab idő 4.3. ábra.
Különböző megmunkálási eljárások összehasonlítása idő alapján (kísérleti fogaskerék adatai: 16MnCr5 anyagminőségű, betétedzett, 61-63 HRC keménységű, furat átmérő Ø66mm, hossza 28,35mm) [10]
28
4.3.Költségráfordítások összehasonlítása Az alábbi táblázatban (4.5. táblázat) költséghatékonysága szempontjából hasonlítom össze a keményesztergálás, a köszörülés és a kombinált eljárás technológiáját. A számítások során a kombinált eljárás költségét hasonlítom először a keményesztergáláshoz, aztán pedig két gépen történő keményesztergálás utáni köszörüléshez, mivel itt mutatkoznak legjobban az eljárások közötti különbségek műveleti költségek szempontjából. 4.6. táblázat: Költségek összehasonlítása
Művelet Megmunkáló gép
Keményesztergálás Pittler PVSL 2/1
Gépköltség [€/h] Gyártóeszköz költség [€/h] Órabér [€/h] Műveleti idő [min] Személyi idő [min] Bérköltség [€/db] Darabonkénti gépköltség [€/db] Gyártás irányítás költség [€/db] Külső gyártóeszköz költség [€/db] Műveleti költség [€/db] ű
ö
é
á
ű
ö
é
á
Kombinált eljárás EMAG VSC-400 DS
20,21 4,2
Köszörülés Woumard IPASA 200 24,92 4,2
20 1,76 0,61 0,203 0,593
20 0,98 0,34 0,113 0,407
20 1,789 0,62 0,207 0,831
0,208
0,136
0,272
0,123
0,069
0,125
1,127
0,725
1,435
ö
ű
ö
ö ü
ű
é
á
ö
Számítási magyarázat: 60 db-os sorozatra számoltam;
29
é
á
27,88 4,2
az egyes szorzó számok a ZFH által megállapított tényező. A számításból kiderül, hogy keményesztergálással végzett eljárás költséghatékonyabb darabonként, mint a kombinált eljárás, azonban az EMAG gépen történő megmunkálás működés szempontjából kedvezőbb felületi minőséget eredményez a mikrogeometriában. Szerelhetőség szempontjából, illetve a technológia fejletsége miatt ezt az eljárást részesítik előnyben befejező megmunkálásként. Ha a keményesztergálás után másik megmunkáló gépen köszörülést is végzünk a megfelelő topográfia elérése érdekében, akkor egyértelműen kiderül, hogy a kombinált eljárás a legköltséghatékonyabb az eddig alkalmazott technológiák közül. Feltételezve, hogy 1 munkás 1 gépet kezel, a kombinált eljárás bérköltség szempontjából is megtakarítást jelent, hiszen az EMAG géppel létrehozható felület mikrogeometriájának eléréshez más technológiáknak két gépre van szükségük. Ezáltal a munkaidő is csökken, nem beszélve a mellékidőkről, amik a ráállási idők miatt akár kétszer akkorák lehetnek, mint az EMAG gép esetén. Mindezeket figyelembe véve kijelenthető, hogy költségráfordítás szempontjából is érdemesebb a kombinált eljárást alkalmazni olyan munkadarabok esetén, ahol a furat kúpos felületen illeszkedik, vagy esetleg csapágyazott, vagy tömítés és kenés szükséges a megfelelő működéséhez. 4.4.Felületi érdesség összehasonlítása A köszörült, illetve keményesztergált felület érdességének összehasonlítását már a 3.1. ábrán, Prof. Dr. Kudrák János kutatása alapján bemutattam [6]. Az ábrából kilvasható, hogy nincs jelentős különbség az érdességek között: az Ra értékek szinte megegyeznek, míg az Rz, az Rz3 és az Rp érdességi jellemzőknél a keményesztergált felület érdessége valamivel jobb, míg az Rv és az Rt értékeinél szembetűnőbb a különbség. Mivel a felület érdességét legjobban az Rz és az Ra értékeivel lehet szemléltetni, ezért a későbbiekben bemutatandó kísérleti vizsgálataim eredményei alapján szemléltetem ezen értékek eltérését a 4.4. és 4.5. ábrák segítségével. A méréseket a Miskolci Egyetem 30
Gépgyártástechnológiai Tanszék Mitutoyo Surftest SJ-301 típusú érdesség vizsgálóval, minden ötödik munkadarabon végeztem. Igaz, hogy keményesztergálással elérhetők a köszörülésnél előírt érdességi értékek – sőt akár jobbak is –, de tömítéseknél vagy kúpos felületeknél kizárandó a köszörülés kihagyása. Ez alapján megállapítható, hogy keményesztergálás alkalmazása csak akkor lehetséges, ha a működési körülmények nem teszik szükségessé a szabálytalan mikrogeometriát a kapcsolódó felületeknél. 4 3,5
Előírt Rz érdesség
Érdesség, Rz [µm]
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Munkadarab sorszáma Köszörült furat
Keményesztergált homlokfelület
4.4. ábra. Köszörült és keményesztergált felület Rz érdessége 0,4
Érdesség, Ra [µm]
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 1
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Munkadarab sorszáma Köszörült furat
Keményesztergált homlokfelület 4.5. ábra.
Köszörült és keményesztergált felület Ra érdessége
31
Az általam vázolt eredményeket összevetettem Prof. Dr. Kundrák János kutatásainak eredményeivel. Az összehasonlítást segíti, hogy az általam és a Professzor Úr által mért munkadarab furata között mindössze 2mm az eltérés átmérőn. A saját méréseimet átlagoltam és kiszámítottam az eredmények szórását, ezeket a 4.6. ábra mutatja be. Ø70
Érdesség (μm) 1,929
2 1,8
1,534
1,6 1,4 1,2
Köszörült furat
1
Keményesztergált homlok
0,8 0,6 0,4
0,348
0,306 0,225
0,2
0,159 0,035 0,029
0 Ra átlaga
Ra szórása
Rz átlaga
Rz szórása
4.6. ábra. A mért érdességi jellemzők statisztikai adatai
Az Ra értékek esetén látszik, hogy minimális (0,1 μm belüli) az eltérés a köszörült és a keményesztergált felület között. Észrevehető, hogy a saját méréseim és Prof. Dr. Kundrák János eredményei is nagyon közel vannak egymáshoz. Az Rz érdességi jellemzők esetén megfigyelhető, hogy mindkét kutatás eredményeként a keményesztergált felület bizonyult jobbnak, a különbség 0,5 μm körüli. Viszont a saját méréseim Rz átlagértékei nem mentek 2 μm fölé, ez azzal magyarázható, hogy a 2011-GTT19/01 rajzszámú fogaskerék megmunkálását ideálisabb technológiai adatok mellett végezték. Az Rz értékek mérését és vizsgálati eredményeit a 5. fejezetben mutatom be részletesen.
32
5. Kísérletek a furat és homlokfelület érdességének meghatározására Kísérleteim célja, hogy érdesség szempontjából megvizsgáljam és összevessem a keményesztergálással készre munkált homlokfelületet a keményesztergálással nagyolt, majd köszörüléssel simított furattal. Célom tovább, hogy a kapott eredmények függvényében következtetéseket vonjak le. A vizsgálatokat Mitutoyo Surftest SJ-301 típusú 2D-s érdességvizsgálóval végeztem a ZF Hungária Kft. megmunkáló csarnokában. Az érdességvizsgáló műszer a Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszék tulajdona, amit a mérések idejére a ZFH-ba telepítettünk. A méréseket rövid betanítás után személyesen végeztem el a széria első 100 darabjának minden 5. alkatrészén. Minden fogaskeréken megmértem a Z1 furat, illetve az F1-es homlokfelület érdességét (2.4. ábra). A mérési eredményeket az érdesség vizsgálóval összekötött számítógép rögzítette és tárolta. Ezeket az adatokat felhasználva Excel táblázatban összesítettem, és diagram formájában szemléltetem a mérési eredményeket (5.1. ábra).
4 3,5
Előírt Rz érdesség
Érdesség, Rz [µm]
3 2,5 2 1,5 1
Köszörült furat
0,5
Keményesztergált homlokfelület
0 1
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Munkadarab sorszáma
5.1. ábra. Érdesség mérés eredménye
33
5.1.Forgácsolt felület érdessége Az érdességi jellemzők bemutatását és kiszámításukra vonatkozó összefüggéseket a M02 melléklet tartalmazza a [2] irodalom alapján. Kísérletek során a méréseim által kapott adatok közül az Ra és Rz érdességi jellemzőket vettem figyelembe, hiszen ezek tükrözték a legjobban a felület állapotát a szerszámkopás függvényében. A ZF Hungária Kft. az Rz értékeket írja elő a műhelyrajzokon, és általában e szerint végzi az érdesség ellenőrzését.
5.2.Furat érdességének vizsgálata A köszörült furat érdesség mérésének eredményéből kapott Rz értékeket diagramba rendeztem (5.2. ábra). A diagram képéből a várt eredmény olvasható le. Az érdesség Rz=2μm érték körül ingadozik, ez tökéletesen megfelel az előírt Rz=4μm kritériumnak. Az is jól látható, hogy az érdesség egyszer csökken, majd pár darabot követően nő, és aztán ismét csökken. Az érdesség szóródása nyilván a korong kopási állapotának és az újraélezésének is a függvénye. Ez a tendencia követhető végig a kísérlet során, amely változás a köszörűkorong önélező képességének és a 3 darabonkénti köszörűkorong lehúzásnak(élezésnek) köszönhető.
„Tartalék” Előírt Rz érdesség
Rz átlag érték
5.2. ábra. Rz eredmények részletes ismertetése a furaton
34
5.3. ábra: Megmunkált furat 2D-s mérési profilja
5.4. ábra: Köszörült felület topográfiája [8]
A 5.2. ábra alapján megállapítható, hogy nagy érdességi (technológiai) tartalékkal rendelkezik a megmunkálás. A műhelyrajzon előírt Rz4 értéket meg sem közelítik a mérési eredmények, ez azt jelenti, hogy az Rz-re vonatkozó átlagértékek nagy biztonságot adnak a minőségi gyártáshoz. Megítélésem szerint ez a tartalék túl nagy, az esetleges technológiai adatok változtatásával (pl.: az előtolás növelésével) megnövelhető a termelékenység. A változtatás következtében az Rz értékek növekednének, viszont még mindig a kritérium alatt maradnának. A 5.4. ábra a köszörülési eljárással megmunkált felület topográfiáját szemlélteti [8]. A ZFH a megmunkált fogaskerekeken nem végez 3D-s érdesség mérést, csak 2D-s vizsgálatokat (5.3. ábra). Azonban a szemléletesség és összehasonlíthatóság érdekében mellékeltem a 3D-s ábrát. Az ábra jellegzetes köszörült felületet, köszörülés utáni szabálytalanságokat mutat.
35
5.3.Homlok érdességének vizsgálata A homlokfelület megmunkálásánál, néhány 10 darab esztergálása után sem észleltünk kimutatható szerszámkopást, illetve ennek következtében érdesség romlást. Ez annak tudható be, hogy az F1-es homlokfelület csupán 5mm széles, tehát nem nagymértékű a forgácsleválasztás. A használt lapka élettartalma viszont nagy, a rövid megmunkálás miatt kopása kismértékű, akár 4-5 százas sorozatot is kibír lapkacsere nélkül. Ezzel magyarázható, hogy nem mutatkozott ennyi darabon belül a várt (csökkenő) tendencia.
„Tartalék”
Rz átlag érték
5.5. ábra. Rz eredmények részletes ismertetése a homlokfelületen
36
Előírt Rz érdesség
5.6. ábra. Megmunkált homlokfelület 2D-s mérési profilja
5.7. ábra: Keményesztergált felület topográfiája [8]
A homlokfelületek érdességvizsgálatánál még nagyobb „tartalék” figyelhető meg. Itt az előírt érdesség Rz=7μm, a kapott átlag érdesség pedig mindössze Rz=1,5μm. Itt is lehetne változtatott technológiai adatokkal (pl.: nagyobb előtolással) dolgozni. Az 5.7. ábra a keményesztergált felület 3D-s topográfiáját szemlélteti. Észrevehető a különbség az 5.4. ábrára visszatekintve mikrogeometria szabályosságát tekintve, látszódik a lapka által létrehozott mikromenet. 5.4.Egy furat és egy homlokfelület mérési eredményének bemutatása Az érdességméréseim során a kapott eredményt az érdesség vizsgálóval összekötött számítógép Excel táblába összesítette, illetve a Mitutoyo Surftest SJ-301 típusú érdességvizsgálóval (5.8. ábra) is kinyomtattam az ide vonatkozó eredményeket. A vizsgálati eredményeket a 65. fogaskerék furatán és homlokfelületén mutatom be (5.9 és 5.10. ábra).
37
5.8. ábra. Mitutoyo Surftest SJ-301 típusú érdességvizsgáló
Furat: A számítógép először a mért és az R profilt (l. M02 melléklet) rajzolja meg és a tapintó tű elmozdulásának függvényében (5.9. ábra felső és alsó diagram). A profilok jellegéből jól kivehető, hogy a furat köszörüléssel lett megmunkálva, ezt mutatja a szabálytalanul változó profil.
5.9. ábra. A furat érdességi diagramja
A profilok megrajzolása után a program táblázatba rendezve kiírja a kapott érdességi értékeket, ezen kívül feltünteti az érdesség vizsgáló gép típusát és a hozzá tartozó program verziószámát (5.1. táblázat). 38
Kapott értékek táblázatba rendezve: Érdességi jellemző Ra Rz Rq Rt Rp Rv Rmr(c) R3z Rmr Rsk Rku
5.1. táblázat: Furat érdességi jellemzői
Mért érték 0.21 μm 1.69 μm 0.27 μm 1.87 μm 0.64 μm 1.05 μm 1.1% 1.41 μm 100% -0.57 3.38
Átlag érték 0,23 μm 2,01 μm 0,3 μm 2,4 μm 0,79 μm 1,21 μm 0,725% 1,455 μm 100% -0,678 5,14
Homlokfelület: A homlokfelület mérésénél hasonló a kapott eredmény. Eltérés leginkább a kirajzolt profilban figyelhető meg, hiszen itt a köszörült profillal ellentétben szabályosságot fedezhetünk fel, ami a szabályos élgeometriájú esztergakés és az előtolás által alakított profil képét mutatja (5.10. ábra).
5.10. ábra. A program eredménye a homlok felület érdességénél
39
A kapott érdességi értékek közel megegyeznek a furaton mért értékekkel, ez annak tudható be, hogy a keményesztergálással történő megmunkálás biztosítani tudja a köszörüléssel elérhető egyes felületi érdességi értékeket (pl.: Rz), de tp hordozóhosszak eltérőek. Kapott értékek táblázatba rendezve: Érdességi jellemző Ra Rz Rq Rt Rp Rv Rmr(c) R3z Rmr Rsk Rku
5.2. táblázat: Homlokfelületek érdességi jellemzői
Mért érték 0.37 μm 1.42 μm 0.40 μm 1.42 μm 0.76 μm 0.66 μm 3.5% 1.28 μm 100% -0.33 1.57
Átlag értékek 0,32 μm 1,51 μm 0,381 μm 1,345 μm 0,794 μm 0,71 μm 2,7% 1,24 μm 100% -0,51 1,94
A tanszéki Mitutoyo Surftest SJ-301 érdességvizsgálóval nyomtatott eredmények: A Mitutoyo Surftest SJ-301 érdességvizsgáló által közölt információk bővebbek, mint a vele összekötött számítógéptől kaptam. Itt az érdesség vizsgálat adatait is le lehet olvasni, köztük a tapintótű előtolásának mértékét, a mérés sebességét és a mérési hosszt. Az érdességi jellemzők felsorolása ugyanaz, mint a számítógépes változatban, viszont a megrajzolt R-profil eltérő, mivel itt a hordozóhosszt ábrázolja százalékos értékben. Eltérés, hogy a köszörült profil Gauss-görbe alakú, míg a keményesztergált felület profilja egyenetlenül növekvő függvény. Az 5.11. ábrán szemléltetem a kinyomtatott mérési eredményeket. Ezek 4db fogaskerékről készültek (10, 25, 35 és 75. darab), amelyeknél a keményesztergált homlok és a köszörült furat Rz érdesség értékei közel egyformák voltak, mivel így a legcélszerűbb a kapott hordozóhossz eredményeket összehasonlítani.
40
Köszörült
Köszörült
Keményesztergál t
Köszörült
Keményesztergál t
Köszörült
Keményesztergál t
Keményesztergál t
5.11. ábra. A Mitutoyo Surftest SJ-301 érdesség vizsgálóval készített mérési eredmények
41
5.5.Következtetés levonása a kapott kísérleti eredményekből A kísérletek során kiderült, hogy EMAG gépen végzett kombinált eljárás tökéletesen biztosítja a műhelyrajzon előírt Rz4-es (Rz≤4μm) érdességet. Mind a köszörült furat, mind a keményesztergálással készremunkált homlok felületek esetén az érdességi értékek jóval a megengedett alatt helyezkednek el, ennek következtében jelentős „tartalékkal” rendelkezik a technológia. Ez a „tartalék” biztonságossá teszi a minőségi gyártást, viszont lehetőséget ad bizonyos gyártási adatok megváltoztatására, növelésére. Ajánlott például nagyobb előtolással dolgozni, ezáltal bizonyos fokig növelhetjük a termelékenységet és ebből következően idő valamint költséghatékonyabbá tehetjük a gyártást. A köszörült furatnál látszik, hogy az Rz átlagértékek közel 0,5 μm-rel rosszabbak, mint a keményesztergálással megmunkált homlokfelületen. Ez köszönhető a köszörűkorong által létrehozott szabálytalan topográfiának, viszont ez a mikrogeometria elengedhetetlen a 2011-GTT-19/01 rajzszámú fogaskerék megfelelő működéshez. Azonos Rz értékek mellett a hordozóhossz értéknek különbsége is jelentős a furatot és a homlokfelületet összevetve. A Mitutoyo Surftest SJ-301 érdesség vizsgálóval nyomtatott eredményekből kiolvasható, hogy a köszörült furat esetén a hordozóhossz értéke a mélység növekedésével exponenciálisan növekszik. Ebből kiderül, hogy a felület egyenletesebb, mint a keményesztergálással létrehozott mikromenet esetén, így a furatba illesztett alkatrész felfekvése is kedvezőbb lesz, ezáltal megnövelve az alkatrész szabályos működésének élettartamát.
42
6. Összefoglalás Feladatom volt egy nagy teljesítményű sebesség váltó betétedzett fogaskerék furat megmunkálásnak vizsgálata. A kutatást abból a célból végeztem el, hogy négyféle technológiai variánst figyelembe véve a legkedvezőbbet ki tudjam választani. A vizsgált négy féle technológia variáns a következő: köszörülés, keményesztergálás, köszörülés és keményesztergálás két gépen és kombinált eljárás EMAG géppel egy felfogásban. A vizsgálatokat elvégeztem idő, költség, felületminőségi (pl.: érdesség) és alaki jellemzők figyelembe vételével. Előzetes vizsgálatok és az általam végzett érdességmérések alapján a következőket állapítottam meg: A ZF Hungária Kft. által előírt érdességet nagy biztonsággal elő lehet állítani köszörüléssel és keményesztergálással is. Jelentős különbséget a létrehozott felület mikrogeometriájában kapunk, míg köszörülés során szabálytalan a kapott topográfia, addig keményesztergálásnál szabályos. Az esztergakés által kialakított mikromenet gondot okozhat a 2011-GTT-19/01 rajzszámú és hozzá hasonló munkadarabok esetén. Ezért csapágyazásnál, kúpos felületeknél és tömítésnél kizárandó ok a köszörülés elhagyása. Összevetve a négy technológiai változatot megállapítottam, hogy az EMAG gépen végzett kombinált eljárás a legkedvezőbb a furat megmunkálására. A kapott vizsgálati eredmények alátámasztják, hogy a termelékenység és a költségráfordítás szempontjából is leghatékonyabb a kombinált eljárás. Az egy gépen, egy felfogásban végzett megmunkálás a gazdaságosság és kiváló minőség mellett nagy biztonságot nyújt a korszerű fogaskerék gyártásának, ezért a ZF Hungária Kft-ben a legtöbb fogaskerék megmunkálása is EMAG gépen történik kombinált eljárással.
43
7. Köszönetnyilvánítás
A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelegű projekt részeként az Európa Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Emellett külön köszönet jár Dr. Szabó Ottó egyetemi docensnek, konzulensemnek a tanulmány elkészítése során nyújtott támogatásért.
Miskolc, 2012. május 03.
Sas Péter IV. éves gépészmérnök BSc hallgató
44
8. Irodalomjegyzék [1] ZF Hungária Kft, Belső üzemi dokumentáció, Eger, 2011. [2] Mitutoyo Surftest SJ-301 Surface Roughness Tester User’s Manual, Mitutoyo No. 99MBB091A, Series No. 178 [3] http://www.emag.com/machines/turning-machines/production-vsc/vsc-400.html, 2011. 08. 03. [4] http://www.muszaki-magazin.hu/hirek/VSC_400_MODULAR, 2011. 08. 03. [5] Gégény János: Precíziós megmunkálások gyémánt és köbös bórnitrid szerszámokkal, Biomed Center Bt., Nyírtelek, 2006, [6] Dr. Kudrák János: Gépalkatrészek működő felületeinek élettartam növelő megmunkálása, II. Magyar Karbantartási Konferencia, Dunaújváros, 2010. augusztus 30-31., http://91.146.176.220/mkk2010/DrKundrakJanosProf.pdf, 2012. 05. 03. [7] Dr. Kundrák János, Vajda Gyula: Keményesztergálás összehasonlító vizsgálata éltartamkísérletek alapján, Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár, 2000. március 24-25, pp 184-187. [8] Dr. Kundrák János: Környezetbarát precíziós forgácsolás, IX. Országos Gépész Találkozó, Kolozsvár, 2001. április 26-29, pp 159-161. [9] http://industria-dohmen.hu/szakcikkek_reszletei.php?cmnewscmd=view&cmnewsid= IDMN400e43feb7a0f41a3c4bfb0ac76bdab8, 2011. 08. 03. [10] Prof. Dr. Kundrák János, Dr. Deszpoth István, Szabó Gergely: Joint application and combination of hard turning and grinding in precision machining, XXV. microCAD International Scientific Conference, 2011, Miskolc, pp 111-117. [11] Dr. Kundrák János, Bana Viktória, Gyáni Károly, Szabó Sándor, Tolvaj Béla: Investigation of process characteristics of dry machining and quality of the machined surface in hard turning, OTKA, Miskolc, 2007., http://real.mtak.hu/860/1/42962_ZJ1.pdf, 2012. 05. 03. [12] http://www.rozmaring.hu/termekek/tyrolit/termek_ismerteto_es_ajanlas.pdf, 2012. 04. 25. [13] http://www.emag.com/de/maschinen/drehmaschinen/produktion-vsc/vsc-400.html, 2011. 08. 03. 45
M01 – Fogaskerék műhelyrajza (részlet)
2011-GTT-19/01
46
M02 – Forgácsolt felület érdességi jellemzői
A forgácsoló megmunkálásoknál létrehozott felület érdességét nagyszámú tényező befolyásolja: a képződő forgács típusa, a szerszám élgeometriája, a munkadarab anyaga, az alkalmazott forgácsolási paraméterek, hűtő-kenő anyagok alkalmazása, stb. A felületi érdesség vizsgálatánál célszerű egyszerűsített modellt alkalmazni, melynek segítségével a felületi érdesség elméleti értéke számítható, majd mérések segítségével meghatározható a felületi érdesség tényleges értéke. A megmunkált felület érdességét jellemző legfontosabb paramétereket mutatja [2]: Általános érdesség (Ra): az észlelt profil pontjainak a középvonaltól mért átlagos távolsága az alaphossz tartományban.
(1)
47
Maximális egyenletlenség (Rm): A tető és fenékvonal közötti távolság. (2)
Simasági mérőszám (Rq): A profileltérések négyzetes középértéke. A középvonal feletti és alatti területek azonosak.
(3)
Egyenletlenség magasság (Rz): Az öt a legmagasabb és az öt legalacsonyabb profilpontok távolsága egy tetszőleges alapvonaltól.
(4)
48
Maximum profil magasság (Rp): a profil maximális csúcsértéke fölötti számított hossz
(5) A profil legnagyobb völgymélysége (Rv): a maximális profil völgymélysége fölötti számított hossz
(6) Profil totális magassága (Rt): a profil maximális csúcsérték és völgymélység összegének számított értéke
Profil ferdeségi tényező (Rsk): Rsk képviseli a torzítás mértékét az érdességi amplitúdó görbén
(7)
Profil ferdeségi tényező (Rku): Rku képviseli a koncentráció mértékét az átlag és az amplitúdó között.
(8)
Hordfelületi görbék: Rmr Átlagos csúcs és völgy közötti pont: R3z
Anyag és a profil közötti ráció (Rmr(c)):
(9)
49
Hordozóhossz (lp): A bi tetővonaltól p távolságra lévő metszet
(10)
Viszonylagos hordozóhossz (tp): (11)
R profil: a kapott profil szűrése a hullámhosszak függvényében [2]
50
