ÓBUDAI EGYETEM BÁNKI DONÁT GÉPÉSZ ÉS BIZTONSÁGTECHNIKAI MÉRNÖKI KAR ANYAGTUDOMÁNYI ÉS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIAI INTÉZET GÉPGYÁRTÁSTECHNOLÓGIAI SZAKCSOPORT
Korszerű keményfémfúrók forgácsolóképességének minősítése (Sirius 200 – TiN) (Kutatási jelentés)
Budapest, 2010.
Bevezetés Főiskolánk Gépgyártástechnológiai Szakcsoportja nagy múltú forgácsoláskutatással és szerszámminősítési tevékenységgel rendelkezik. A Gépgyártástechnológiai Szakcsoport minden félévben különböző TDK és szakdolgozat témákat hirdet meg. 2009-ben Halász Gábor „Korszerű menetfúrók vizsgálata” címmel szakdolgozatot készített el. Ezen kutatási jelentés a szakdolgozat egy részletét tartalmazza.
2
Fúró a magfuratok elkészítéséhez A tökéletes menet előállításához megfelelő minőségű magfurat szükséges, ami csak megfelelő tulajdonságokkal rendelkező csigafúróval érhető el. Az M10 méretű menet elkészítéséhez ∅8,5 mm átmérőjű fúróra van szükség. Ezt a szerszámot a Perfor Kft. bocsátotta rendelkezésünkre. A szerszám kialakítása, jellegzetes méretei az 1. ábrán láthatók.
1. ábra Perfor Sirius 200 keményfém anyagú fúró, TiN bevonattal
A kialakítás DIN 6537 K szerinti, a fúró tulajdonságai: anyaga magas karbidtartalmú, „nano” szemcsemérettel rendelkező keményfém, TiN bevonattal, hűtőfurat nélkül. A szóban forgó szerszám előnyei: a forgácsképzés kedvező, töredezett forgácsot állít elő, ráadásul csökkentett forgácsolóerők fellépése mellett. Felhasználási területe: ötvözött acélok megmunkálása.
3
Felhasznált eszközök Az alkalmazott szerszámgép A menetfúrási kísérleteket a célkitűzésben említett gépen, az alkalmas magfuratok fúrását követően hajtottuk végre (2. ábra). Orsó: függőleges (7/24 kúpos rögzítéssel) Teljesítmény, [kW]: 12 2. ábra Mazak Nexus 410A-II -1
Maximális fordulatszám, min : 12,000 Vezérlés típusa: Mazatrol (EIA/ISO) Munkaterület, [mm]: 900x400 A vezérlés alkalmas programozott főorsó előtolásra, így szinkron menetfúrásra is.
Mérőműszerek Sztereomikroszkóp: HiTec GmbH. WMS 3D Felhasználás: szerszámépség vizsgálata, kísérleteknél esetleges kopás és/vagy élletörés megállapítása (3. ábra). Nagyítás: 7x - 45x Objektív: 0,7 - 4,5x zoom Digitális fényképezőgép: Nikon Coolpix 5400 3. ábra Sztereomikroszkóp
KISTLER 9257A típusú forgó erőmérő és nyomatékmérő berendezés Felhasználás: a forgácsoláskor fellépő nyomaték és erő mérése. Mérési tartománya: Fax=0 - 2000N, Mc=10 - 200 Nm Számítógépre csatlakoztatható, jelen kiépítésben Dynoware (Kistler AG.) adatgyűjtő és kiértékelő szoftver szolgál az adatfeldolgozásra. A 4. ábra a Kistler forgó erő- és nyomatékmérő berendezést mutatja.
4
4. ábra Kistler forgó erő- és nyomatékmérő berendezés
Mitutoyo PJ-H3000F típusú projektor
Alkalmazás: szerszámok geometriai vizsgálata. Pontosság: 0,001 mm Asztal méret: 300 x 240 mm (5. ábra) 5. ábra Mitutoyo PJ-H3000F projektor
Egyéb eszközök Hasított hüvelyes furatmérő Felhasználás: A magfuratok megfelelőségének ellenőrzésére. Alkalmazási tartomány: 0 - 10 mm
6. ábra Furatmérő
5
Forgácsolt anyag A forgácsolt anyag króm-molibdén ötvözésű szerkezeti acél, gyakran alkalmazzák nagy szívósságú járműipari alkatrészek anyagaként, sőt, szerszámminősítési feladatokra is (7.ábra). Anyag: 42CrMo4 (W. Nr.: 1.7225, DIN) Keménység: nemesítve 300 ± 5HB 7. ábra Előmunkált munkadarabok
Méret: 248 x 252 x 25 (előmunkált)
Kémiai összetétele: (anyaganalízis: Dunaújváros, AA189/2008. sz. bizonylat)
42CrMo4 (anyagszám: 1.7225) kémiai összetétel, % C Mn Cr Mo Si 0,42 P 0,01
0,59 Cu 0,24
0,95 Ni 0,1
6
0,17 Al 0,013
0,2 S 0,02
Forgácsolási adatok A forgácsolási adatok meghatározása a gyártók által javasolt értékek figyelembevételével történt. Fúrásnál: Ø forgácsolósebesség: vc = 60; 70; 80 m/min (3 szinten) Ø előtolás:
f = 0,12; 0,15; 0,17; 0,18; 0,19; 0,21 mm (6 szinten).
A forgácsolási adatok variálásával lehetőség nyílt egyrészt az előtolás és a forgácsolósebesség nyomatékra és előtolási erőre gyakorolt hatásának megismerésére, másrészt pedig forgácstabló felvételére.
A Sirius 200 jelű keményfém fúró vizsgálata A Perfor Kft. által rendelkezésünkre bocsátott keményfém szerszám feladata a magfurat elkészítése volt, erre a cég a következő forgácsolási körülményeket ajánlotta: •
forgácsolósebesség, vc = 70 m/min,
•
előtolás, f = 0,21 mm,
•
alkalmazása: bő hűtéssel.
Az első kísérleti fázisban a sebességet a meghatározott értéken tartottam, az előtolás értékét viszont 0,12; 0,15; 0,17; 0,18; 0,19; 0,21 mm értékre változtattam. Minden egyes beállított értékkel 3-3 darab furatot készítettem el, és mértem az előtolás irányú erőt és a nyomatékot. A megmunkálás közben forgácsot is gyűjtöttem, forgácstabló felvételének céljából.
Az első diagramon az előtolás irányú erő átlagértékeinek változása látható az előtolás függvényében.
7
1. diagram Az átlagos előtolás irányú erő változása az előtolás függvényében
A diagramból jól kivehető, hogy az előtolás növelésével az Ffa erő értéke folyamatosan nő és az 500 … 800 N értéktartományban mozog. Az előtolás irányú erő ismerete azért fontos, mert egyrészt nagy hatással van a megmunkálás pontosságára, ugyanakkor pedig a szerszám terhelésén keresztül az alkalmazott szerszámgép előtoló mechanizmusát is terheli. A mért értékekre illesztett hatványfüggvény Ffa = 2578 x f 0,7531 alakú, amelynek kiemelkedő szorossága (R2 = 0,9958) bennünket is meglepett.
A 2. diagramon az átlagos nyomaték változása figyelhető meg az előtolás függvényében.
8
2. diagram Az átlagos nyomaték változása az előtolás függvényében
A diagramból jól kivehető, hogy az előtolás mértékének növelésével a forgácsoláshoz szükséges nyomaték értéke is növekszik. A legkisebb előtolásnál kb. 2,6 Nm nyomaték mérhető, a legnagyobbnál pedig 4,2 Nm. A mért értékekre illesztett hatványfüggvény a következő alakú: Mca = 18,096 x f
0,9198
,
amelynek szintén igen nagy a szorossága (R2 = 0,9953). A nyomaték ismerete azért fontos, mert nagymértékben befolyásolja a forgácsolás teljesítményigényét, amiről a következő képlet is bizonyságot ad:
ahol
Pc – a forgácsolás teljesítményigénye [kW]; Mc – a forgácsolási nyomaték [Nm]; n – a beállított fordulatszám [min-1].
9
A 8. ábrán a jellemző forgácsalakok alakulása látható az előtolás függvényében.
8. ábra A forgácsalakok változása 70m/min-es sebességen
A forgácstabló segítségével meghatározhatóak azok a forgácsolási körülmények és beállítandó adatok, ahol dolgozva a forgácsképződés kedvezően alakul. Látható, hogy 70 m/min forgácsolósebességnél, az alacsony előtolások tartományában (f = 0,12 – 0,17 mm) a forgács hosszúkás, elnyúlt alakú. Ez a forgácsalak kedvezőtlen, hiszen nehezen távozik a forgácsolási zónából, beszorulhat a szerszám és a munkadarab közé, akár szerszámtörést is okozhat. Kedvezőnek az olyan töredezett forgács nevezhető, ami nem okoz ilyen problémákat, és a forgács helykitöltése is megfelelőbb. Kisméretű forgácsok tehát a nagyobb előtolási tartományban keletkeztek (0,18 – 0,21 mm).
A kísérletet második szakasza a forgácsolósebesség változtatásával folytatódott, így figyelemmel kísérhető a termelékenységet jelentősen befolyásoló adat (vc) az előtolás irányú erőre és a nyomatékra gyakorolt hatása.
A 3. diagramon a sebesség változtatás és az előtolás irányú erő kapcsolata látható.
10
3. diagram Az előtolás irányú erő változása a sebesség változtatásának hatására
Jól látható, hogy a sebesség csökkentése 60 m/min értékre szinte semmilyen változást nem okozott, hiszen a mért értékek közel azonosak voltak. A forgácsolósebesség 80 m/min értékűre történő növelése viszont – a forgácstorlódás és az ezzel összefüggő fokozott súrlódás fellépése miatt - nagymértékű erőnövekedést eredményezett. A szerszámnak, illetve a gép előtoló berendezésének nagyobb terhelést kell elviselnie. A 4. diagramon a sebesség változtatás és a nyomaték kapcsolata látható.
4. diagram A nyomaték és a sebességváltoztatás kapcsolata
11
A mérési eredmények diagramjából az állapítható meg, hogy a forgácsolósebesség bármilyen irányú változtatása a nyomaték növekedését okozza. 60 m/min sebességen hosszúkás alakú forgácsok keletkeznek szinte az előtolási tartomány teljes egészében, kivéve a legnagyobb, 0,19 és 0,21 mm értékeket. Az ilyen körülmények között képződött forgács nem tud gyorsan távozni a forgácsolási zónából, súrlódik a furat falával, illetve a szerszámmal, és ez okozza a megnövekedett nyomatékot. A 70 m/min sebességen szinte a teljes előtolási tartományban megfelelő a forgácsalak, egyedül a legkisebb előtolás beállításakor keletkezik hosszúkás forgács.
A
legnagyobb
alkalmazott
sebességen
(vc
=
80
m/min)
regisztrált
nyomatéknövekedést itt az előtolási sebesség növekedése okozza. A forgácsképződés olyannyira felgyorsul, hogy a furat alja szinte „lerobban”.
9. ábra Forgácstabló
A 9. ábrán a jellemző forgácsalakok tablója látható, amelynek segítségével kijelölhető a kedvező forgácsolási adatok tartománya. Az ilyen vizsgálatok elvégzése minden olyan szerszámnál kívánatos, amelyet sorozatgyártás körülményei között szeretnénk alkalmazni.
A fúrási kísérletek bebizonyították, hogy a gyártó által meghatározott forgácsolási körülmények között kedvezően, a szerszám és a megmunkálóközpont legkisebb terhelése mellett dolgozhatunk.
Budapest, 2010.02.23.
…………………………………. aláírás
12
Melléklet Regisztrátumok: aktív erő, a nyomaték és az axiális erőhatások
13
14
Szerszámgép Típus: Mazak NEXUS 410A-II
Megnevezés: Függőleges megmunkáló központ
Anyagjel: 42CrMo4
Állapot:
Megnevezés: Hengeresszárú csigafúró
Méret: ∅8,5 x 89
Forg. seb vc [m/min] ~60 Mérőeszköz:
Fordulatszám [1/min] 2248
Adatok Sorszám 1/a 1/b 1/c 2/a 2/b 2/c 3/a 3/b 3/c 4/a 4/b 4/c 5/a 5/b 5/c 6/a 6/b 6/c 7/a 7/b 7/c 8/a 8/b 8/c
f [mm/ford]
vf [mm/min]
0,12
270
0,15
337
0,18
405
0,21
472
0,15
337
0,17
382
0,19
427
0,21
472
Fzmin [N]
Fzmax [N]
Fz [N]
489,89 493,78 495,01 548,2 551,97 550,8 623,2 620,11 611,28 698,63 690,41 710,12 544,37 543,32 516,33 616,47 603,37 604,36 638,58 652,11 666,26 713,21 710,06 725,19
583,11 580,14 601,09 670,65 682,32 677,26 758,18 753,86 753,43 850,72 850,91 847,51 663,29 667 663,17 733,22 738,6 730,2 785,86 805,57 797,6 851,77 855,05 867,34
538,34 536,74 544,89 607,63 615,42 612,36 702,11 697,36 695,23 785,33 781,85 784,95 609,59 615,14 609,53 679,21 668,13 674,52 729,01 743,55 736,77 795,96 790,18 801,8
Vezérlés: Pmotor [kW] Mazatrol Matrix 18,5 Munkadarab Jellemzők: Méretek: HB300 - 330 248 x 252 x 25 Szerszám Szabvány: Élszögek: DiN 6537 K δ=145˚ Vizsgálati körülmények Furathossz [mm] Átmenő KISTLER 9257A típusú forgó erőmérő + DynoWare™ szoftver Mérési eredmények Nyomaték Mz [Nm], előtoló erő Fz [N] és Fa [N] Fzátl[N] 539,99
611,8033
698,2333
784,0433
611,42
673,9533
736,4433
795,98
Famin [N]
Famax[N]
Fa [N]
0,33 0,4 0,46 0,59 0,45 0,44 0,55 0,51 0,35 2,37 0,87 0,15 8,21 7,49 0,39 0,43 5,11 2,78 0,66 6,27 0,2 0,38 13,77 16,41
53,22 36,62 54,2 94,97 73,95 114,44 116,75 121,06 126,97 140 107,03 57,73 115,61 139,21 105,7 56,71 120,7 121,11 112,46 145,5 92,04 41,02 140,05 147,46
19,6 14,02 15,8 37,95 25,08 36,48 41,37 44,86 49,37 53 45,17 17,63 57,63 63,43 46,49 19,96 60,67 57,96 48,23 65,88 30,78 13,57 64,27 70,57
15
Faátl[N] 16,47333
33,17
45,2
38,6
55,85
46,19667
48,29667
49,47
Egyéb:
Egyéb: Előmunkált Egyéb: Keményfém+TiN bevonat Hűtés: Emulzió
Mzmin[Nm]
Mzmax[Nm]
Mz[Nm]
2,36 2,39 2,44 2,93 2,9 2,88 3,47 3,55 3,55 4,04 3,98 3,84 3,08 3,05 3,03 3,38 3,62 3,47 3,82 3,86 3,73 4,05 4,18 4,31
3,04 3,05 3,09 4,19 3,75 3,96 4,47 4,46 4,72 5,23 5,49 4,89 4,1 4,2 4,16 4,21 4,58 4,6 5,32 5,18 5 4,93 5,76 5,77
2,69 2,72 2,27 3,44 3,26 3,45 3,93 3,95 4,01 4,54 4,61 4,3 3,58 3,59 3,57 3,73 4,03 4,01 4,4 4,45 4,22 4,43 4,82 4,83
Mzátl[Nm] 2,56
3,383333
3,963333
4,483333
3,58
3,923333
4,356667
4,693333
Szerszámgép Típus: Mazak NEXUS 410A-II
Megnevezés: Függőleges megmunkáló központ
Anyagjel: 42CrMo4
Állapot:
Megnevezés: Hengeresszárú csigafúró
Méret: ∅8,5 x 89
Forg. seb vc [m/min] ~70 Mérőeszköz:
Fordulatszám [1/min] 2622
Adatok Sorszám 1/a 1/b 1/c 2/a 2/b 2/c 3/a 3/b 3/c 4/a 4/b 4/c 5/a 5/b 5/c 6/a 6/b 6/c 7/a 7/b 7/c 8/a 8/b 8/c
f [mm/ford]
vf [mm/min]
0,12
314
0,15
394
0,18
472
0,21
551
0,15
394
0,17
446
0,19
499
0,21
551
Fzmin [N]
Fzmax [N]
Fz [N]
436,39 488,59 487,48 576,25 559,32 551,54 629,19 637,22 644,45 713,52 708,95 722,35 562,78 565,93 563,65 607,7 621,66 621,53 678,8 664,65 676,08 719,39 742,37
539,37 580,95 583,85 682,57 659,65 681,33 751,57 757,69 768,5 836,7 839,48 848,5 675,53 668,11 689,98 728,04 733,9 731,8 800,5 802,35 809,46 879,51 851,65
483,38 534,52 536,5 624,81 614,6 619,59 700,63 707,28 704,48 782,91 783,15 783,25 626,39 617,12 627,63 677,94 679,85 679,86 743,81 741,71 749,86 806,7 798,47
746,69
857,89
800,85
Vezérlés: Mazatrol Matrix Munkadarab Jellemzők: HB300 - 330 Szerszám Szabvány: DiN 6537 K Vizsgálati körülmények
Pmotor [kW] 18,5
Egyéb:
Méretek: 248 x 252 x 25
Egyéb: Előmunkált
Élszögek: δ=145˚
Egyéb: Keményfém+TiN bevonat
Furathossz [mm] Átmenő KISTLER 9257A típusú forgó erőmérő + DynoWare™ szoftver Mérési eredmények Nyomaték Mz [Nm], előtoló erő Fz [N] és Fa [N] Fzátl[N] 518,1333
619,6667
704,13
783,1033
623,7133
679,2167
745,1267
802,0067
16
Famin [N]
Famax[N]
Fa [N]
5,13 10,03 9,22 6,2 9,13 5,74 13,1 10,06 6,24 3,7 12,28 3,47 0,3 0,37 0,14 0,45 0,41 0,34 0,64 0,2 0,45 0,34 0,37
52,81 59,29 57,35 59,18 78,01 79,1 83,6 93,89 111,57 84,93 82,22 83,54 44,35 79,83 42,6 53,42 64,43 72,85 47,95 91,36 75,73 89,54 106,09
29,73 33,58 33,62 33,34 42,04 36,9 41,13 49,14 54,85 34,96 40,51 41,44 15,74 27,07 10,61 16 21,62 26,3 16,86 27,6 26,26 30,08 45,08
0,62
77,75
23,44
Faátl[N] 32,31
37,42667
48,37333
38,97
17,80667
21,30667
23,57333
32,86667
Hűtés: Emulzió
Mzmin[Nm]
Mzmax[Nm]
Mz[Nm]
2,22 2,3 2,3 2,8 2,77 2,78 3,34 3,34 3,34 3,77 3,81 3,77 2,82 2,79 2,83 3,12 3,19 3,17 3,49 3,55 3,5 3,94 3,95
2,94 2,95 2,86 3,57 3,55 3,59 4,23 4,28 4,37 4,74 4,93 4,76 3,54 3,66 3,59 3,9 4,24 4,15 4,38 4,73 4,72 5,2 4,98
2,55 2,59 2,59 3,16 3,16 3,17 3,68 3,73 3,75 4,18 4,24 4,22 3,15 3,18 3,15 3,5 3,53 3,56 3,89 4,01 3,99 4,43 4,46
3,79
5,17
4,3
Mzátl[Nm] 2,576667
3,163333
3,72
4,213333
3,16
3,53
3,963333
4,396667
Szerszámgép Típus: Mazak NEXUS 410A-II
Megnevezés: Függőleges megmunkáló központ
Anyagjel: 42CrMo4
Állapot:
Megnevezés: Hengeresszárú csigafúró
Méret: ∅8,5 x 89
Forg. seb vc [m/min] ~80 Mérőeszköz:
Fordulatszám [1/min] 2996
Adatok Sorszám 1/a 1/b 1/c 2/a 2/b 2/c 3/a 3/b 3/c 4/a 4/b 4/c 5/a 5/b 5/c 6/a 6/b 6/c 7/a 7/b 7/c 8/a 8/b 8/c
f [mm/ford]
vf [mm/min]
0,12
360
0,15
449
0,18
539
0,21
629
0,15
449
0,17
509
0,19
569
0,21
629
Fzmin [N]
Fzmax [N]
Fz [N]
656,25 641,3 638,95 737,61 725,13 726,24 790,12 829,35 776,78 915,28 870,55 907,37 739,16 747,43 759,79 792,41 826,32 811,74 864,69 849,55 861,72 903,42 878,59 908,98
827,43 757,75 756,21 861,72 865,43 866,29 965,2 969,21 990,15 1077,69 1056,01 1077,88 875,99 867,96 877,53 943,14 939,56 941,41 999,61 1013,5 1009,86 1086,71 1068,92 1096,72
741,47 708,67 712,4 810,94 803,47 802,75 899,45 910,05 906,31 1001,79 994,9 1008,91 807,61 815,53 821,11 887,74 894,96 882,64 951,01 949,94 949,4 1009,14 999,39 1013,25
Vezérlés: Mazatrol Matrix Munkadarab Jellemzők: HB300 - 330 Szerszám Szabvány: DiN 6537 K Vizsgálati körülmények
Pmotor [kW] 18,5
Egyéb:
Méretek: 248 x 252 x 25
Egyéb: Előmunkált
Élszögek: δ=145˚
Egyéb: Keményfém+TiN bevonat
Furathossz [mm] Átmenő KISTLER 9257A típusú forgó erőmérő + DynoWare™ szoftver Mérési eredmények Nyomaték Mz [Nm], előtoló erő Fz [N] és Fa [N] Fzátl[N] 720,8467
805,72
905,27
1001,867
814,75
888,4467
950,1167
1007,26
17
Famin [N]
Famax[N]
Fa [N]
3,97 0,78 0,56 0,98 3,71 4,7 1,39 1,19 0,4 0,81 2,71 3,65 2,11 1,7 1 2,01 2,04 2,58 0,25 2,62 2,42 0,82 5,33 1,96
165,6 116,67 83,76 113,17 165,83 147,7 118,02 97,6 160,02 141,11 164,59 155,3 173,88 136,63 123,21 102,48 84,19 184,2 88,57 151,87 142,79 159,59 145,54 168,29
94,15 60,37 30,05 37,6 87,14 81,86 46,62 37,14 76,91 55,29 80,41 64,37 82,65 52,25 49,85 43,11 31,15 82,09 33,36 65,33 68,95 90,58 78,18 90,76
Faátl[N] 61,52333
68,86667
53,55667
66,69
61,58333
52,11667
55,88
86,50667
Hűtés: Emulzió
Mzmin[Nm]
Mzmax[Nm]
Mz[Nm]
3,5 3,2 3,03 3,61 3,82 3,81 4,04 4,03 4,28 4,6 4,8 4,83 3,92 3,69 3,8 4,09 4,07 4,32 4,29 4,28 4,49 4,85 4,8 4,69
4,98 3,96 3,65 4,45 5,36 5,31 5,17 5,07 5,66 5,61 6,13 5,88 5,58 4,8 4,61 4,99 5,01 5,84 5,39 5,54 5,78 6,74 6,04 6,67
3,98 3,55 3,35 3,97 4,3 4,25 4,5 4,57 4,77 5,06 5,29 5,28 4,38 4,17 4,17 4,51 4,48 4,83 4,76 4,89 4,92 5,4 5,22 5,46
Mzátl[Nm] 3,626667
4,173333
4,613333
5,21
4,24
4,606667
4,856667
5,36
