1. A különleges megmunkálások jellegzetességei és csoportosításuk -Kifejlesztésüket a megmunkálandó anyagok fejlődése indikálta -anyagválasztás anyagkészítés
Különleges megmunkálások
Különleges megmunkálás: • fizikai folyamatuk lényegében, vagy • folyamatjellemzőkben jelentősen különböznek a hagyományos eljárásoktól
(MSc) www.uni-miskolc.hu/~ggytmazs
Különböző energia formák hasznosítása: -Hő -Kémiai -Elektrokémiai -Mechanikai 2/
Különleges megmunkálások csoportosítása
Mikor alkalmaznak különleges megmunkálásokat?
Mechanikai energiát hasznosítók
- Ha a megmunkált anyag keménysége, szilárdsága túlságosan nagy. - Ha a munkadarab túlságosan rugalmas vagy karcsú ahhoz, hogy elviselje a forgácsolás közben fellépő erőket. - Ha összetett bonyolult alakzatot kell megmunkálni (külső, belső). - Ha nem megengedett jelentősebb hő keletkezése, illetve a felületi hőmérséklet növekedése. - Ha nem keletkezhet maradó feszültség - Ha a felületi minőség nem biztosítható. - Ha a pontosság nem kielégítő.
Ultrahangos
Vízsugaras
Kémiai energiát Elektro-kémiai energiát hasznosítók hasznosítók
Abrazív vízsugaras
Kémiai
Elektro-kémiai
Ionsugaras
Plazmasugaras
Hőenergiát hasznosítók
Elektro-eróziós 3
Lézersugaras
Elektronsugaras
a) Termikus anyagleválasztási eljárások
b) Kémiai megmunkálások CHM (Chemical Machining)
Két nagy csoportba oszthatók: Elektromos áram termikus hatását kihasználó eljárások: o szikraforgácsolás (EDM)
A marandó munkadarab és a marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak. Az anyagleválasztás közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség semmilyen áramforrásra.
Sugaras megmunkálások: jól koncentrálható nagy energiasűrűségű sugár végzi a megmunkálást: o lézersugaras (LBM), oelektronsugaras (EBM), oionsugaras (IBM) o Plazmasugaras, plazmaíves(PBM, PAC) megmunkálások
Eljárások: •Maratás •Kémiai polírozás
5
6
d) Mechanikai megmunkálások
c) Elektrokémiai megmunkálások ECM (Electrochemical Machining)
Az eljárások mechanikai folyamatok alkalmazásán alapulnak Az eljárás az elektromos áram vegyi hatásán alapul.
Csoportosításuk: • Sugaras eljárások o vízsugaras vágás (WJM, WJC) o abrazív vízsugaras vágás (AWJM, AWJC) • Ultrahangos megmunkálás (USM) • Nagysebességű forgácsolás (HSC vagy HSM) • Ultraprecíziós megmunkálás (UP) • Keménymegmunkálás (HC) • Minimál kenés, szárazmegmunkálás • Mikroforgácsolás (MC)
Csoportosítása: • Elektrokémiai süllyesztés • Elektrokémiai köszörülés • Elektrokémiai polírozás • Elektrokémiai sorjátlanítás
7
8
2. Elektroeróziós megmunkálások
Elektroeróziós megmunkálások
(Szikraforgácsolás, EDM Electro Discharge Machining)
Hőenergiát hasznosító eljárás
Erózió: Külső hatásra létrejövő jelentős mértékű roncsolódás
(A hőenergiát különféle módokon hozhatjuk létre, e szerint különböztetjük meg az eljárásokat)
Elecktro-erózió:
- szokták ezt az eljárást az ún. villamos megmunkálások közé is sorolni - a villamos energiát nem mechanikaivá alakítja, hanem hőenergiává - az anyagleválasztásra fordított hányad kevés, a hatásfok kicsi - csak villamosan vezető anyagok munkálhatók meg így - szerszáma: elektróda, a mechanikai tulajdonságok nem fontosak - vezetőképesség - hőkapacitás - olvadáshő
Elektromos kisülés hatására jön létre
- szikrakisülés - ívkisülés - (hideg kisülés)
Kisülések szabályozása
Elektroeróziós megmunkálások
hatására megy végbe
Elektroeróziós megmunkálás
2.1 Szikraforgácsoló rendszer felépítése
Történelmi áttekintés az elektromos kisülés eróziós hatását 1770-ben fedezték fel primitív EDM gépek (1920.-40., vibráló elektródok, relaxáló áramkörök, szervo kontroller) a II. világháború idején terjedt el, a fegyvergyártásnál alkalmazták, különleges keménységű anyagok megmunkáló módszere (impulzus generátor, X-Y-Z irányú mozgatás) EDM szabadalom: 1943., Lazarenko-testvérek WEDM szabadalom: 1945., Perfilev és Bauer az első szerszám és gépgyártásban alkalmazható berendezést az Erosimat C gépet Magyarországon fejlesztették ki, ami 1958-ban elnyerte a Brüsszeli Világkiállítás Nagydíját 1960-as évek: független impulzus-generátorok 1970. körül javítják a mechanikát, az öblítést, a vezérlést (CNC), az elektronikát 1975. használható WEDM megmunkálógép
Szikraforgácsolás: - elektródákat (T – W) egyenfeszültségre kapcsol - dielekrikumba (szigetelő folyadékba) merülve - kisüléssorozat létrehozása az elektródák között
1: dielektrikum 2: előtoló mű 3: generátor E: szerszám W: munkadarab
11
Tömbelektródás szikraforgácsolás
2.2 Az anyagleválasztás folyamata szikraforgácsoláskor
- feszültség kapcsolása az elektródákra - potenciálkülönbség létrejötte a dielektrikumban az elektródás között (80-250V) - ionizáció a folyadékban (a) - a szigetelő „átüt”, vezető csatorna jön létre (szikra, ív) (b, c, d) - az ív hőmérséklete nő (10000K), gázbuborék keletkezik (c, d, e) - az anyag megolvad, gőzzé válik, szétfröccsen (e) - az ívfeszültség gyorsan esik, az energia utánpótlás megszűnik, a kisülési csatorna összeomlik, a gázbuborék szétrobban (f) - a megolvadt fém apró cseppekben szilárdul, kényszeröblítés - deionizáció, a teljes ciklusidő ~ 10-50µs 13
2.3. A szikraforgácsoló rendszer elemei
14
Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése
Tömbelektródás szikraforgácsoló gép felépítése
15
16
a) A szikraforgácsoló gép gerjesztése
b) Dielektrikum Szükséges tulajdonságok:
A megmunkálási ciklust ún. impulzusgenerátorokkal vezéreljük - vezérelt impulzusgenerátor a generátor egyenfeszültségét tranzisztor és kapcsoló segítségével visszük az elektródákra - relaxációs generátor (olcsó) kapcsoló és tároló elemként kapacitást és induktivitást alkalmaznak - számítógépes vezérlés
- kis vezetőképesség (kisebb távolságnál jön létre a kisülés, nagyobb energiasűrűség, jobb leképzés) - viszkozitás: nagyoláshoz nagy simításhoz kicsi - ne legyen egészségre ártalmas, - nagy forráspont ill lobbanáspont - anyaguk jellegzetesen: petróleum bázisú paraffinok vagy deionizált víz (kis furatok pl.) - hűteni és szűrni kell - a munkatérben mindig friss kell (áramoltatás)
17
18
Öblítési technikák
c) Szerszám elektróda Szükséges tulajdonságok:
Normál
- magas olvadáspont - jó elektromos vezető - könnyen megmunkálható
Sugár
Leggyakoribb szerszámanyagok: Fordított
Rezgetéses
19
- vörösréz - króm-réz - wolfram-réz - wolfram-ezüst - sárgaréz - wolfram - acél, - grafit
20
A grafit napjainkban kezdi kiszorítani a rezet:
2.4 Technológiai jellemzők
Hőtágulási együtthatója a negyede a rézének, (alak és mérethűség)
- a leválasztott anyagrész annál nagyobb, minél nagyobb a kisülés energiatartalma
Sűrűsége ötöde a rézének, (könnyebb) Leválasztóképessége 1,5-3 –szor nagyobb Az elektróda kopása
Kisebb a kopása Nagyobb méretek alakíthatók ki belőle Nagyobb hősokk-kal szembeni ellenállás Megmunkálhatósága sokkal könnyebb
- mennyiségi - sarok - frontális - oldal
A grafit szublimál 3550 °C-on, fekete füstfellegek kísérik a EDM-et
21
Potenciál-különbség: 40-400 V (pulzáló egyenáram) Áramerősség: 1-300 A Szikraköz: 0,01-0,05 mm Szikrahőmérséklet: 3800 °C
Egyszeri szikrakisülés okozta kráter fémfelületen
22
Az áramerősség hatása a relatív kopásra
Technológiai jellemzők - anyagáram, mm3/min, időegység alatt leválasztott anyag - az elektróda relatív kopása, %, elektróda kopás/mdb fogyás
Az optimumérték 3-4 A áramerősségnél van
általában <2% elérhető
- áramerősség: Iv 1-300 A - ciklusidő: ti (0,004-1 sec) - jellemző energia felhasználás: 1,8 W/mm3/min
23
24/30
A felület minősége
2.5 A felület minősége - irányítottság nélküli kráterek áthatása
d, h (Rmax) méretekkel jellemezhető - a felületi rétegben jelentős változások történnek - a ciklusidő és az áramerősség befolyásolja elsősorban Azonos energia esetén Ie növelésével d csökken, h nő tc növelésével d nő, h csökken
Azonos energia esetén Ie növelésével d csökken, h nő tc növelésével d nő, h csökken 25/30
26/30
A felület minősége
Az áramerősség és a ciklusidő hatása a felület érdességére
Felületi réteg probléma a szikraforgácsolásnál
A szikraforgácsolt felület alatti réteg kilágyul, keménysége csökken.
A felületi érdesség a ciklusidő és az íváram növelésével növekszik
A kilágyult réteg vastagsága arányos a vágási energiával (0,05 mm simítófokozatban, 0,2 mm nagyoló fokozatban). 27/30
28
A felület minősége
2.6 A felület alatti rétegek tulajdonságai A hőhatás zónájában megváltozik a szövetszerkezet ill. az anyag tulajdonsága
Felületi réteg kikeményedés, mikrorepedés
pl. edzett acél - Felület nagyon kemény - Maradófeszültség: az ujraszilárdult rétegben húzó, alatta nyomó (kedvezőtlen) - Rossz kifáradási tulajdonságok - Felületi réteg hálós repedésének veszélye
A munkadarab élettartamának növelése érdekében az újrakristályosodott fémet tartalmazó kikeményített réteget eltávolítják, vagy a dielektrikumba adagolt segédanyagporok (Al, Si, C, 1-100 µm) segítségével felületileg ötvözik, tükörszerű EDM felületet hozva létre (kevés mikrorepedés). A kilágyított réteg abrazív megmunkálással távolítható el. 29
30/30
2.1.6 A szikraforgácsolás változatai
2.1.5 A megmunkálás pontossága
Elsősorban az alkképzés pontosságát értjük alatta. Több tényező befolyásolja:
- a gép kinematikai pontossága - beállítás pontossága - szerszám gyártási pontossága - hő okozta deformációk - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás
31/30
Valódi változatok: - tömbelektródás - huzalelektródás
32/30
Tömbelektródás szikraforgácsolás
Tömbelektródás szikraforgácsolás
Elektróda bolygatás
forgó fej és tömbelektróda
33
Huzalos szikraforgácsolás
34
Huzal anyagok • • • •
- huzal: 0,05-0,3 mm átmérőjű vörös- vagy sárgaréz - szigetelő folyadék: deionizált víz - a huzal lassan fogy, pótolják - elektróda rés egyenetlensége - elektródafogyás - egyenlőtlen anyagleválasztás
Sárgaréz 100% Bevonatos sárgaréz 45% Zn / 55% Cu Acélmagos cink bevonat
Anyagleválasztás Az áramerősség és a kisütési frekvencia megduplázása kétszeresére növeli az anyag leválasztás sebességét.
Ma már CNC vezérlésűek Léteznek kombinált berendezések is.
A huzalfeszítés növelése csökkenti a huzal vibrációját, a vágórés szélességét, így növelhető az előtolás sebessége. (határ: a huzal szakítószilárdsága). 35/30
36
Huzalos szikraforgácsolás
Huzalos szikraforgácsolás
37
Mikro szikraforgácsolásos fúrás Megoldandó problémák: • Precíziós elektróda (volfrám, volfrámkarbid) megmunkálás • Elektróda pozicionálás ( 1 m, sztereo mikroszkóp!!), • Nagy nyomású dielektrikumos öblítés • Megfelel villamos jellemzők (I = 0,01*IEDM) • Pontos elektróda vezetés
Hengeres mikro-elektróda D = 30 m és az általa volfrámba fúrt lyuk
EDM-mel fúrt háromszög-lyuk
39
38
3. Lézersugaras megmunkálások Az első lézer: rubin lézer
(LBM, Laser Beam Machining)
Theodore Maiman (1960)
L
A
S
E
R
Ipari megmunkálások: vágás, fúrás, hegesztés, feliratozás, hőkezelés, átolvasztás, felületi mikroötvözés
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation magyarul: fényerősítés indukált emisszióval Lézer: erős, párhuzamos fénysugarat adó fényforrás.
Lézersugár: nagy energiasűrűségű (koncentrált), párhuzamosított fénynyaláb, mintha végtelenben lévő fényforrásból jönne, kis átmérőben szabályozható.
Lézersugárzás: 1917 Einstein elmélete: megelőlegezte, hogy bizonyos feltételek együttállásakor a fény adott közegben nem csak gyengülhet, hanem erősödhet is
1/
2
3
4
3.1 Stimulált emisszió (áttekintés)
A stimulált emisszió útján felszabaduló foton energiája, frekvenciája, fázishelyzete és haladási iránya azonos a stimulálást kiváltó fotonéval, továbbá az így „megszaporodott” fotonok további kölcsönhatások révén még újabb fotonokat szabadíthatnak fel.
Spontán emisszió
Stimulált emisszió
5
6
3.2 Optikai rezonátor
• Azok a fotonok melyek haladási iránya nem merőleges a tükörre, kiszöknek az optikai üregből • a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzás kibocsátással
7
8
Optikai rezonátor
A lézer közeget két tükör közé helyezik. A fénysugár ide-oda verődik, így a fotonok átlagos úthossza megnő, s vele együtt a stimulált emisszió valószínűsége. 9
10
Az erősítő interferencia feltétele
3.3 Lézersugár előállítása
Állóhullám kialakulása:
Lm
hullámhossz, m: nagy egész szám
2
.
A frekvencia: ‐ Energia bevitellel (fény, hő) gerjesztjük az atomok, molekulák, ionok elektronjait, vagy megváltoztatjuk a molekulák rezgési állapotát. ‐ A gerjesztett elektronok magasabb energianívójú elektronpályára kerülnek. ‐ Az alapállapotba történő visszatérés során a két elektronpálya energiakülönbségének megfelelő hullámhosszúságú fényt sugároznak ki. ‐ A kisugárzott fényt rezonanciával erősítjük (a lézerkamra a hullámhossz felének egész számú többszöröse, egyik vége teljesen visszaveri a fényt, a másik részlegesen).
11
c mc
2L
12
Energia szint diagram
3.4 A lézerfény jellemzői
• A fény színe (hullámhossza) az elektronpályák közötti energiaszint különbségtől függ
Párhuzamos fénynyaláb (egy közönséges izzóval ellentétben). Monokromatikus, mivel a gerjesztett atomok meghatározott frekvenciájú sugárzást bocsátanak ki (a közönséges izzó fehér fénye különböző frekvenciájú sugárzások keveréke).
E4 E3
Koherens: azaz a fényhullámok azonos fázisban vannak
E2
Polarizált (egy síkban rezgő) fény. A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban.
E1
A lézerfény teljesítménysűrűsége nagy (a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet). A lézerek hatásfoka nagyon kicsi (0,1‐18%). 13
14
3.5 Lézerek típusai (a lézerközeg alapján)
A lézerfény tulajdonságai
• Nem befolyásolja a mágneses tér. • Nem szükséges, hogy a munkadarab elektromos vezető legyen. • Minden anyaggal kölcsönhatásba lép (fém, műanyag, fa, kerámia).
• Szilárdtest (szennyezettionkristály)‐lézer ‐ Rubin lézer ‐ Nd‐YAG lézer (Neodímium‐Yttrium‐Alumínium‐Gránát) • gázlézer
• Működéséhez nem kell vákuum. • Nem keletkezik röntgen‐sugárzás
• félvezetőlézer • folyékony festéklézer • plazmalézer
15
16
Rubin lézer
Jellegzetes lézer fényforrások - Rubin lézer - Nd-YAG lézer (Neodímium-Yttrium-Alumínium-Gránát) - CO2 lézer - stb Rubin lézer
-csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével. -amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani kezd. -a két tükör miatt a kilépő fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll -a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi.
17
18
19
20
Gázlézerek ‐ CO2 lézer , 10.600 nm ‐ He‐Ne lézer, 632.8 nm elektromos gerjesztés
3.6 Lézerek alkalmazása
He-Ne lézer
Megmunkálások: Vágás Fúrás Hegesztés Jelölés, gravírozás Felület strukturálás Marás, üregképzés Ötvözés, hőkezelés Bevonás
Speciális alkalmazások: Prototípus gyártás (SLA, SLS, LOM..) Speciális bevonatok (LCVD, ..) Képalkotás, optika Spektroszkópia Mérés Lézer sebészet Lézer fogászat
21
3.7 A lézersugaras megmunkálások lényege
22
3.8 A lézeres megmunkálógépek felépítése
- A lézeres megmunkálások során a foton energiáját visszük át a céltárgyra termikus vagy fotokémiai energia formájában - Az energia átvitel eredményeként a céltárgy anyaga megolvad, és az olvadékot gázsugárral eltávolítjuk, vagy közvetlenül elpárologtatjuk - A lézeres megmunkálások lokalizált, kontaktusmentes eljárások, az erőhatások mikro-skálán mozognak (a foton-nyomás hatása elhanyagolható)
- lézer előállítása - sugárvezetés - fókuszálás - relatív mozgás
A relatív mozgás többféleképp megoldható
23
24
Megmunkáló gépek Mozgató rendszerek
A relatív mozgás többféleképp megoldható
25
26
3.9 Lézersugaras vágás • A tükrökkel a sugár irányítható • A lencsékkel fókuszálható • A segédgáz eltávolítja az ömledéket
- Nagy energiasűrűségű, erősen fókuszált (d = 0,1 mm), koherens fény hatására a fém megolvad és részben elpárolog vagy elég - Az energia 10-11 s alatt hővé alakul - Vágási sebesség: 1-10 m/min - energiasűrűség: 104-105 W/mm2 - a munkagáz (pl. argon) a megolvadt anyagot kifújja - vékony vágórés - relatíve keskeny hőhatás zóna
27
28
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
- acél: 15 mm - műanyag. 25 mm
29
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
30
Lézersugárral vágható anyagvastagságok
31
32
3.10 Lézersugaras technológiák
Lézersugaras technológiák
Lézersugaras fúrás
33
Lézersugaras technológiák
34
Lézersugaras technológiák
Lézersugaras hegesztés
Lézersugaras gravírozás
35
36
4. Plazmasugaras megmunkálások
A plazma
(Plasma Beam Machining, PBM) • 4.1 A plazma - nagy energiaállapotú gáz - az anyag „negyedik halmazállapota” - ionok és elektronok halmaza - egyenáramú ív segítségével állítják elő - 107 K hőmérséklet hozható létre
Fogalma – 4. halmazállapot (anyag energia szintje) – Magas hőmérsékletű, elektromosan vezető,ionizált állapotú gáz
• Jellemzői – töltések összekeveredve , egyenletesen helyezkednek – Könnyen elmozdítható töltéshordozók → jó elektromos vezető→ hőmérséklettel növelhető
2
Az anyag halmazállapotai
A plazma kialakulásának tényezői
3
4
Jellegzetes plazmaállapotok
Az anyag plazma állapotban előfordul: • világűrben • igen magas hőmérsékleten • természetes- vagy mesterséges úton létrejött gázkisülésekben Csillagködök: ködszerű, látható plazmaképződmények (Cygnus köd) Villám: Gázkisülés atmoszférikus nyomáson
5
6
Plazmatechnológia – – – –
Felületek tisztítása Plazma képernyők Kémiai alkalmazások Plazma-megmunkálás, felületi rétegek felvitele, plazmaszórás
Fluoreszcens lámpa
Plazma alapú fényforrások
Plazmaszórás
Az univerzum látható anyagának 99,9%-a plazma állapotban van (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag)
Ívlámpa 7
8
4.2 Plazmasugaras megmunkálás Plazma előállítása:
- elektróda (-) általában wolfram - munkadarab (+) - kettő között ív jön létre - a részecskék ütköznek a gázatomokkal, ionok jönnek létre - vágógáz és védőgáz - gáz: ne legyen eróziós hatása ne károsítsa az elektródát és a fúvókát
9
4.3 Plazmasugaras vágás elemei
A plazmasugaras vágás lényege • • • • • •
11
Áramforrás, plazmaégő, munkadarab, vágóasztal, gázellátó-, hűtő rendszer
12
A plazmavágás berendezései
A plazmavágás berendezései
14
4.4 Plazmavágási eljárások
Plazmavágási eljárások
Egygázos eljárás
Vízzel védett plazmavágás
– Kézi eljárásoknál – Levegő vagy nitrogén
– – – –
Segédgáz helyett víz Hűtés Jobb felületminőség Korrózióálló anyagokhoz
Víz-befecskendezéses plazmavágás
Kétgázos eljárás – Munkagáz (plazmagáz) – Segédgáz (védőgáz) – Többféle variáció
– Munkagáz oxigén vagy nitrogén – Víz fecskendezés a sugárba – Kisebb sugár átmérő – Jobb felület 15
16
4.5 Plazma- és segédgázok, technológiai adatok
A plazma sugár hőmérsékleteloszlása (4mm –re a kilépéstől)
Plazmagázok: Technológiai adatok: Levegő Oxigén O2 – Előtoló (vágási) sebesség Nitrogén N2 – Íváram Argon - Hidrogén gázkeverék Ar (65%) H2 (35%) – Gázösszetételek Nitrogén – Hidrogén gázkeverék N2 (95%) – Gáznyomások - H2 (5%) Védőgázok: Levegő Nitrogén N2 Széndioxid CO2 Védőgáz helyett használnak vizet is.
– Fúvókamagasság – Fúvóka anyag és kialakítás
18
4.6 A plazmasugaras vágás minősége és hatékonysága – – – –
A plazmavágás hatékonysága
Jellegzetes vágási felület Elhajlási vonalak Salak Viszonylag nagy vágási mélység
19
20
A plazmavágás hatékonysága
A plazmavágás hatékonysága
21
A plazmavágás költéghatékonysága
22
4.7 Plazmával segített forgácsolás
23
5. Elektronsugaras megmunkálás (Electron Beam Machining, EBM)
Megmunkáló gép
Elektron ágyú: - Kibocsátja az elektronokat (katódsugárcső) - katód: volfrám, tantál - Felgyorsítja az elektronsugarat 200 000 km/s - a fénysebesség 66%-a! - Elektromágneses mező: kis- (< 30 kV) és nagyfesz. (> 100 kV) rendszerek - Fókuszálja a munkadarabra (elektromágneses lencse ) - Nagy energiasűrűség 1 MW/mm2 - Röntgen-sugár veszély 26
Elektronsugaras hegesztőgép
A vákuum feladata: - csökkenti a szennyeződéseket (hatása azonos a tiszta argonéval) - megakadályozza a levegőt alkotó gázok molekuláival való ütközéseket - megakadályozza az égést
Elektronsugár vákuumban
27
Elektronsugár levegőben
Precíziós finommegmunkálásokhoz: pl finomfúrás (<10m)
Elektronsugaras megmunkálások alkalmazása - Speciális szűrők készítése (saválló acélból) - Fémek (Ti ötvözetek) és nemfémek, ultrakemény, rideg és törékeny anyagok (kerámiák, zafír, kvarc) precíziós fúrása - lemezvastagság 0,01-5mm
- A mdb a másodperc milliomod része alatt 1000 °C-ra hevül, helyi olvadás és elpárolgás - az üreg belsejében kialakult nagy nyomás ki- és felfelé préseli az olvadékot a lyukból, - rendkívül pontos, kis átmérőjű furatok
- a sugár könnyen eltéríthető - hátrány: vákuum kell
Az elektronsugaras megmunkálás energiasűrűsége
6. Kémiai megmunkálások (Maratás) (Chemical Machining, CHM)
Kémiai megmunkálások Maratás A megmunkálandó munkadarab felületet a megfelelő marószerrel közvetlen kapcsolatba kell hozni.
A kémiai megmunkálások a • marandó munkadarab és a • marószer között lejátszódó vegyi reakciókon alapulnak.
Amelyeket nem akarunk megmunkálni, a marószer elől el kell takarni.
Az anyagleválasztás tehát közvetlenül a marószer és a munkadarab kölcsönhatásában történik, nincs szükség áramforrásra.
Az alkatrészek felülettel párhuzamos rétegeinek meghatározott helyen való eltávolítására ill. vékony lemezek külső kontúrjának, áttöréseinek kialakítása.
A folyamatokat legfeljebb hevítéssel vagy keveréssel
Foto-kémiai eljárások
intenzifikáljuk. Elsősorban agresszív maró anyagok alkalmasak. Alumínium, színesfémek és nemfémek (pl. üveg megmunkálására alkalmasak). Nem nagyméretű alkatrészek gyártásakor. (i) Clean
(ii) Apply resist
(iii) UV exposure
(iv) Development
(v) Etching
(v) Stripping
1
2
Kémiai megmunkálások
A maratás jellegzetességei
Maratás Technológiai paraméterei: ‐ A munkadarab és a vegyszer anyaga ‐‐‐‐‐ elsősorban ez határozza meg ‐ a merítés időtartama ‐ a hőmérséklet
Pontosság: elsősorban a munkadarab pontossága határozza meg Felület minősége: Érdesség: - munka jellegéből adódóan nem lényeges.
‐ közelítőleg eredeti felületnek felel meg
Oldószerként acélnál: sósav, kénsav, foszforsav keveréke üvegnél: hidrogénfluorid (folyékony – üvegszerű, fényes gázállapot – matt )
Felületi réteg állapota : - változásokat (keménység,szövetszerkezet, felkeményedés) a megmunkálás (!) nem okoz. - Kifáradást rontó tényező nincs.
Takaráshoz: acélnál: tisztítás után különböző állapotú gumi, amit rászárítanak üvegnél: viasz, parafin Védő réteggel részben fedett felületeknél a bevonat határánál alámaródás tapasztalható (maratás mélységével egyezik meg).
3
4
A maratás sajátosságai
A maratás sajátosságai
Kémiai polírozás Megfelelően választott erős savba mártott érdes felületről a csúcsok lemaródnak, míg a mélyedésekben az anyag nem oldódik. Ennek oka, - hogy a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a pH értéke is), - a csúcsokon és a mélyedésekben különböző az oldószer koncentrációja (és ennek megfelelően a pH értéke is), - a mélyedésekben passziváló hártya képződik, amely gátolja a fém oldódását. - Túlmaratás lehetséges!
- nincsenek erők, „szerszámok” - a maszk szélén alámetszés képződhet, kb. a rétegvastagság nagyságának felel meg
5
A maratás alkalmazásai
6
Jellegzetes alkalmazások
Leggyakoribb alkalmazása: • finommechanikában, műszertechnikában főként vékony (néhány tized mm vastagságú) lemezekből készült, bonyolult alakú alkatrészeket gyártása • üveg maratása • félvezetőtechnika • nyomatott áramkörök készítése • homogén és heterogén szövetszerkezetek vizsgálata, egyes fázisok megkülönböztetése és a szemcsehatárok láthatóvá tétele
7
8
7. Elektrokémiai megmunkálások (Electron Chemical Machining, ECM)
A maratás sajátosságai
A folyamat lényege az ún. anódikus oldódás
Kémiai polírozás
Anód (+):
Elektrolit: NaCl vizes oldata
- töltéscsere - fémleválás - O2 keletkezik
- Az egyenlőtlen maródás következtében a felület fokozatosan simább lesz, fényesedik. - Polírozáshoz általában foszforsav–salétromsav–ecetsav megfelelő keverékét használják. - Leggyakoribb alkalmazási területe : különböző munkadarabok fényesítése
- csapadék keletkezik (Fe-OH) - FeCl disszociál - hőfejlődés Katód (-): - csak a vizet kell pótolni - töltéscsere - az intenzitás az - fémkiválás áramerősségtől - H2 keletkezik függ
9
Elektrolit: Anód (+): - Fe = Fe2+ + 2e- O2 keletkezik
NaCl →molekulái felbomlanak, nátrium + víz → nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
fémleválás, Fe kationok
anód: vas oldódik, vasklorid 2 Cl + Fe → FeCl2
Katód (-): - H2O + 2e- = H2 + 2OH- az elektronok a vízmolekulákkal reagálnak, H2 képződik OH- anion - fémkiválás - H2 keletkezik
a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2 NaOH + 2 FeCl2 → 2 NaCl + Fe(OH2)
Elektrolit: -Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 az Fe kationok és az OH anionok
reakcióba lépnek vashidroxid kicsapódás
11
12
7.1 Elektrokémiai süllyesztés Jellegzetes eljárások • Szerszám (katód): vörösréz, sárgaréz vagy rozsdaálló acél • A szerszámba furatokat készítenek, ezeken keresztül vezetik be az elektrolitot mintegy 10‐25 bar nyomáson. • Az elektrolit áramlási sebessége a munkahézagban 10÷50 m/s.
- Elektrokémiai süllyesztés - Elektrokémiai polirozás - Elektrokémiai köszörülés (elizálás) Elektrokémiai süllyesztés vázlata
Az elektrokémiai megmunkálások előnyei: •A szerszámkopás elmaradása. •Az alacsony megmunkálási hőmérséklet. •A szövetszerkezeti változások elmaradása.
14
Elektrokémiai süllyesztés
Elektrokémiai süllyesztés Jellemző adatok (techn. adatok):
NaCl →molekulái felbomlanak, nátrium + víz → nátrium hidroxid + hidrogén 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 anód: vas oldódik, vasklorid 2 Cl + Fe → FeCl2 a nátriumhidroxid és a vasklorid reakciója következtében nátriumklorid és vashidroxid 2 NaOH + 2 FeCl2 → 2 NaCl + Fe(OH2)
Elektrolit: Munkafeszültség: Áramsűrűség: Munkarés (s): vf előtolósebesség:
NaNO3, NaCl, KCl, HNO3 vizes oldata 5 ÷ 20 V 0,1 ÷ 4 A/mm2 0,05 ÷ 1 mm 0,2 ÷ 10 mm/min
Jellemzői: • A munkakéregből a vashidroxidot tartalmazó elektrolitot elszívjuk, tisztítás és szűrés (ülepítés) után az elektrolitot ismét visszavezethetjük az elektrolit tartályba. • A katód, az elektrolit nátriumklorid része nem fogy; a víz fogy → utánpótlás + koncentráció biztosítás.
15
16
Elektrokémiai süllyesztés Jellemzői:
Elektrokémiai süllyesztőgép
• A katódon hidrogén válik ki, robbanásveszélyes gázbuborék formájában ... → csökken az anyagleválasztási sebesség. • Öntöttvas, acélok megmunkálásakor az ionsav gyakran mérgező anyagokat tartalmaz → környezetvédelmi utasítások. • Elektrolit elektromos ellenállása miatt hő keletkezik, hűtésről gondoskodni kell. Felületminőség: igen kedvezően alakul példák
• ausztenites, saválló, rozsdamentes acéloknál Rmax < 1 μm
• szénacélok Rmax = 5‐10 μm • szemcseszerkezet nem szenved változásokat • jól tükrösíthető Alkalmazási terület: Nagy keménységű, nehezen megmunkálható anyagok.
Néhány nemesfém és nem nemvasfém (karbidok miatt) nem. 17
7.2 Elektrokémiai sorjátlanítás
• A szerszám nem dolgozó részeit szigetelik. • Hatásmechanizmus azonos az elektrokémiai süllyesztéssel, de nincs előtoló mozgás. • Az elektródákat a munkafeszültség bekapcsolása és az elektrolit hozzávezetése előtt megfelelő távolságra (0,5–1 mm) beállítják
19
20
Elektrokémiai sorjátlanítás
7.3 Elektrokémiai polírozás ‐ Munkadarabot elektrolittal megtöltött kádba helyezzük. ‐ Elektródok közötti távolság lényegesen nagyobb mint elektrokémiai süllyesztésnél.
• Az áramerősség a csúcshatás és a kis elektródaköz miatt a kiálló sorjánál (csúcs‐hatás) a legnagyobb. • Faraday –törvény – itt a legnagyobb az anyagleválasztási sebesség is. • Az elektródák megfelelő kialakításával, különösen bonyolult alakoknál, nagysorozat és tömeggyártásban rendkívül gazdaságosan alkalmazható.
Következmény: + áramsűrűség nagyon alacsony + mdb. felületéről nagyon vékony réteg válik le + az áramsűrűség a mdb. érdesség csúcsain nagyobb (mélyebb rétegeket az elektroliton képződő sófilm tölti ki) + a felület egyenetlenségei fokozatosan lemunkálódnak, a felületi érdesség javul 21
22
Elektrokémiai polírozás
Elektrokémiai polírozás
- speciális alkalmazások, finom felületek létrehozása
kiindulási állapot
durva sorjátlanítás csiszolással
10 perc elektro polírozás
Orvosi implantátumok, térdizület
24
7.4 Elektrokémiai köszörülés (elizálás) • •
•
A hagyományos köszörülés és az elektrokémiai anyagleválasztás kombinációja. Az elektrokémiai megmunkálás előnyeit (szerszámkopás elmaradása, az alacsony megmunkálási hőmérséklet, szövetszerkezeti változások elmaradása) a köszörülésre tudjuk átültetni. Szerszám: fémkötésű (elektromosan vezető) köszörűkorong A mdb. felületén keletkező anód‐filmet (amely az elektrokémiai oldást hátráltatja) a mozgó szemcsék eltávolítják.
25
Elektrokémiai köszörülés (elizálás) - szerszám: abrazív szemcsék, pl. bórnitrid (szigetel) fémes kötőanyagban (vezető) - alapvetően anódos megmunkálás - a szemcsék csak a leválasztott anyag eltávolításában segítenek - fontos a megfelelő résméret biztosítása 1: csiszoló szemcsék 2: fémes kötőanyag 3: munkadarab 4: fellazított réteg 5: elektrolit
26
Elektrokémiai köszörülés (elizálás)
Alkalmazás - NC köszörűgépen komplex profilok kialakítására - Kemény anyagok (zsugorított karbidok, alaktartó ötvözetek: Inconel, Nimonic, titánötvözetek, fémkompozitok: Al-Al2O3) megmunkálása - Speciális szerszám-elektródokat használnak polikristályos gyémánt (PCD) csiszolóporral
Speciális alkalmazás: Elektrokémiai korongszabályozás • fordított polaritás • elektrokémiai úton a korong fém kötőanyagát oldja, a szemcsékre nincs hatással • minden szemcse hasznosan, a megmunkálás során kopik el, majd a kopott szemcse kihullása biztosítja az új, éles szemcsék felszínre kerülését • az intenzitást (a kötőanyag oldásának sebességét) az áramsűrűség (A/m2) értéke határozza meg, amit az anód‐katód távolságával (az elektrolit réteg vastagságával) állíthatunk be • folyamatosan, megmunkálás közben is alkalmazható, kiküszöbölve a korong szabályozása által igényelt holtidőket 30
Az áramerősség hatása az elektrokémiai megmunkálások jellemzőire
8. Ultrahangos megmunkálások (Ultrasonic machining, USM)
Ultrahangos megmunkálás Ultrahang: Rugalmas közegben terjed mechanikai hullám
Ultrahang: azok a hangok, amelyek az emberi hallásküszöb, azaz 20 kHz feletti frekvenciatartományba esnek.
- terjedésükhöz közvetítő közeg kell - a közegek határától visszaverődnek - a jellemző ultrahang frekvencia: 16 kHz - 100 MHz - hallható: 20 Hz - 20 kHz. - infrahangok: 20 Hz alatt
Két csoportra osztjuk az ultrahangot, aszerint, hogy a hang intenzitása 1W/m2‐ nél kisebb vagy nagyobb. • aktív ultrahangok, 1 W/m2‐nél nagyobb intenzitás esetén, • passzív ultrahangok, 1 W/m2‐nél kisebb intenzitás esetén.
- energiasűrűség: 10W/cm2 - ágyú elsütésekor az ágyúcső nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm2 hangenergia mérhető, - 10 000 ágyút kell elsütni egyszerre
Gázban, folyadékban: longitudinális hullám, szilárd anyagokban emellett transzverzális és tágulási hullámok is jellemzőek
1
Aktív ultrahangokat a műszaki életben megmunkálásra (forgácsolás, vágás, hegesztés, forrasztás, hőfejlesztés, gáztalanítás, tisztítás, stb.) alkalmazzák. Ilyenkor a mechanikus rezgés munkavégző képességét használják ki.
Aktív ultrahangok alkalmazási területe elsősorban a kemény, rideg anyagok megmunkálása: o üveg o zafír o korund (alumínium oxid) o ferrit o PCD (polikristályos gyémánt) o piezokerámia o kvarc o szilícium karbid bevonat o műszaki kerámia
Passzív ultrahangokat elsősorban a mérés‐ és híradástechnikában, valamint a katonai felderítésben alkalmaznak. Az ultrahangok (általában) longitudinális, azaz hosszirányú hullámok, melyek az átvivő közeg molekuláinak gerjesztésével terjednek, elhanyagolhatóan kicsi csillapítással. A levegőben hangsebességgel terjed (20 °C‐on 343 m/s). A terjedési sebesség a közvetítő közegtől függ: • acél és alumínium: 5100 m/s, • beton: 3800 m/s, • víz: 1460 m/s. 3
4
Ultrahangos anyagleválasztó berendezés elvi felépítése
Ultrahangos anyagleválasztás:
1. Munkadarab 2. Rezgő szerszám 3. Csiszoló-szuszpenzió (bór-karbid vagy szlicíum-karbid)
6
Ultrahangos megmunkálógépek
Koncentrátor kialakítások
Magnetosztriktor és koncentrátor Piezoelektromos generátor
8
Ultrahangos megmunkálások paraméterei
Ultrahangos megmunkálások paraméterei
1. A szerszám oszcilláció amplitúdója (a0) ( 15 ‐50 µm) 2. A szerszám oszcilláció frekvenciája (f) (19 kHz ÷ 25 kHz) 3. A szerszám előtoló ereje (F) 4. Szerszám anyaga (lágyacél, titán ötvözés) 5. Az abrazív anyag típusa (bórkarbid, szilícium karbid, alumínium oxid) 6. Az abrazív anyag mérete (d) (100‐800um) 7. A szerszám érintkező felület nagysága (A) 8. Az abrazív anyag koncentrációja (C) 9. A munkadarab és a szerszámanyag szilárdságának aránya λ=σw/σt
9
11
10
Különleges megmunkálások alkalmazása
Eljárások összehasonlítása
8. Abrazív vízsugaras vágás
8.1. Az abrazív vízsugaras technológiák történeti áttekintése I.e. : természetes folyósodrás ásványok tisztításához (Egyiptom) I.e. : mesterséges vízsugár ásványok tisztításához (Róma) 1850: vízsugár használata az arany bányászatában (USA) 1930: vízsugár alkalmazása a szénbányászatban (Oroszország, 7 bar) 1950: vízsugaras tisztítás 1960: a vízsugaras vágás kutatása 1970: nagynyomású rendszerek kifejlesztés ( 4000 bar) 1972: első ipari alkalmazások (FLOW) 1980: abrazív por adagolása a vízsugárhoz 1983: kereskedelemben beszerezhető abrazív vízsugaras berendezések 2000: 6000 bar
8.2 Az abrazív vízsugaras vágás elve
Vízsugaras vágófej
Vágófej kialakítások
A vágófej működési elve
A vízsugaras rendszerek elemei
1: nagynyomású víz; 2: elsődleges (vizes) fúvóka; 3: keverőkamra; 4: védősapka; 5: fröccsenő víz; 6: munkadarab; 7: a munkadarabot tartó rács; 8: a kádban lévő víz; 9: a munkadarab már vágott része; 10: abrazív fúvóka; 11: abrazív homok
Megmunkáló rendszer
z
A nyomásfokozó
y x
Nyomásnövelő szivattyú
Abrazív adagoló készülék
Abrazív vízsugaras vágófej Rezgős adagoló
Munkadarab
te x t
Vízsugár energiát elnyelő tartály
Nyomás: max. 360 MPa Löketszám: max. 60 1/min Dugattyúarány: 21.5
Nyomásrendszer
8.4 CAD/CAM tervezés lépései MegaCAD Program
Formátum konverzió
Elhelyezési terv, szimuláció
MG Converter Program
Nesting Program
Különböző alakzatok előállítása
Különböző alakzatok előállítása
Üvegek Fa Kerámiák
Fémek Kompozitok Műanyagok
Abrazív vízsugaras vágás
Abrazív vízsugaras vágás
Acél Nagy vastagságban is !! pl. 132 mm
8.5 A vágósugarak fajtái
8.6 A megmunkáló sugár jellegzetességei szuperszonikus sebesség v=500‐1400 m/s
Víz
Víz
Víz
Nyomás létrehozása
Nyomás létrehozása
Nyomás létrehozása
Abrazív anyag tároló Vízfúvóka
Vízsugaras vágás (WJ)
Abrazív anyag nyomástartó
v 2p
Vízfúvóka Szívótér (keverőtér)
Abrazív fúvóka
Injektoros abrazív vízsugaras vágás (AWJ)
Bernoulli törvény:
Abrazív anyag szuszpenzió Szuszpenziós fúvóka
Abrazív szuszpenziós vágás (ASJ)
A sugár belső struktúrája
Sebesség és energia‐ eloszlás a sugárban
v: a sugár sebessége p: víznyomás p=150‐500 MPa ρ: a közeg sűrűsége
A sugár becsapódásának iránya
Becsapódási szög: 0‐90o a) merőleges sugár: ~90o b) ferde sugár: <90o c) érintő sugár: ~0o
Kölcsönhatás a környezettel: ‐ a koherens sugár sérül ‐ a levegő mennyisége növekszik ‐ megkezdődik a divergencia ‐ a terhelés változhat: statikus – dinamikus ‐ a környezet elnyeli az energia egy részét
Közvetlenül a kilépésnél célszerű forgácsolni !
‐ Kis vízáram 0.5‐5 l/min ‐ Kis forgácsoló erők, max. 100 N ‐ Alacsony hőmérséklet 60‐90 °C ‐ Nincs károsodás az anyagban
Injektoros sugár alkotóelemei
8.7 Az anyagleválasztás lényege abrazív vízsugaras vágáskor Erózió: szilárd részecskékkel való ütközés hatására bekövetkezett jelentős anyagveszteség
víz, abrazív szemcsék, levegő
Nagy energiasűrűség
Tömegarány
• képlékeny alakváltozás nyírással • kopás • repedések összenövése • rideg törés • helyi megolvadás (szikrázás)
Térfogatarány
Rideg és szívós erózió vízsugaras vágáskor
Szívós erózió
Rideg erózió
Jellegzetes vízsugárral vágott felület
HV
Megmunkálás
8.8 A vízsugaras vágás paraméterei
AWJ
Szívós anyagokra tipikus anyagjellemző:
Felgyorsult erózió
‐ forgácsolási zóna ‐ átmeneti zóna ‐ elhajlási zóna
Rideg anyagokra tipikus anyagjellemző: KIc
Berendezés
Anyag
vágási sebesség abrazív anyag keménység fúvóka magasság repedési abrazív mérete tulajdonság abrazív tömegáram fúvóka hossz és keménység átmérő szilárdság nyomás lemez vastagság
Eredmény anyagleválasztási sebesség t űrés felületi érdesség vágórés szélesség és forma
A pontosság növelése a vágófej döntésével
8.9 Pontossági kérdések
Változó vágási front
v
v
Vágófej döntése az előtolás síkjában
2
1
v
v
Az irányváltás okozta pontatlanságok
A vágórés lehetséges alakjai (anyag: laminált papír)
Vágófej döntése az előtolás síkjára merőlegesen
v
v
Megmunkálási hiba > 0.1 mm
8.11 A technológiai paraméterek hatása a vágórésre és pontosságra 1 mm
8.10 A bevágási mélység értelmezése Wtop Wi Wj We
1 mm
30 mm
Átvágott felület
Wb,min
A vágórés alakja az egyik legnehezebben kézben tartható minőségi jellemző
Wb,max
Bevágott alumínium ill. üveg Az anyagleválasztás a bevágási mélységgel jellemezhető
Alapvetően az időegység alatt bevitt energiával szabályozható
Bevágási mélység: kmax
A technológiai paraméterek hatása
Bevágási mélység
Bevágási mélység
A technológiai paraméterek hatása
Nyomás
Bevágási mélység
Bevágási mélység
Előtolás
Fúvóka magasság
Abrazív áram
ma=5 g/s
ma=4 g/s
depth of kerf k, mm
ma=6 g/s 20,00 18,00 16,00
X12Cr13 stainless steel
14,00
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
m=400 m=200 m=100
0
100
200
300
400
500
600
12,00 10,00
p=3000 bar
8,00 6,00 50
60
70
80
90
100
110
120
traverse rate f ,mm/min
130
140
150
700
800
900
p=300 MPa
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
m=400 m=200 m=100
0
traverse rate f, m m /m in
depth ofkerf k, mm
depth of kerf k, mm
Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre depth of kerf k, mm
Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre
100
200
300
400
500
600
700
800
900
p=250 MPa
traverse rate f, m m /m in
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
m=400 m=200 m=100
80
280
480
680
traverse rate f, m m /m in
880
p=200 MPa
AlMgSi0,5
f=300 f=500 f=700 f=800
m=400g/min 300
350
f=300 f=500 f=700 f=800
m=200g/min 200
pressure p, MPa
250
300
350
pressur p, MPa
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
f=100 f=300 f=500 f=700
marble, p=2000 bar
Steel X12Cr13, p=2000 bar
Kétféle lehetséges erózió
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Rideg (pl. márvány) Szívós (pl. alumínium)
0
AlMgSi0,5
250
500
750
1000
1250
Acél:
1500
traverse rate f, m/min
f=800
nehézkes szívós erózió, jelentéktelen rideg erózió
m=100g/min 200
250
300
350
AlMgSi0,5
pressure p, MPa
A megmunkált felület átlagos érdessége
8.12 A megmunkált felület érdessége
(200 mm/min)
acél
márvány
Irodalmi adatok [B. Havlik, Z. Krajny]
(250 mm/min) 77 6,5 6,5
aluminium aluminium f=127 f=127mm/min mm/min garnet garnet80 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s dn=0,25 dn=0,25mm mm dm= dm=0,76 0,76mm mm
66 5,5 5,5 55 4,5 4,5 44 3,5 3,5 33
p=207 p=207Mpa Mpa p=345 p=345Mpa Mpa 00
55
10 15 10 15 de depth pthof ofke kerf, rf,mm mm
20 20
99 surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface
250
AlMgSi0.5, p=2000 bar
f=100
surfaceroughness roughnessRa, Ra,um um surface
200
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
Különböző anyagminőségek bevágási mélységei
depth of kerf k, mm
f=100 depth ofkerf k, mm
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
depth of kerf k, mm
depth of kerf k, mm
Az előtolás és az abrazív áram hatása a bevágási mélységre
aluminium aluminium p=345 p=345Mpa Mpa dn=0,25 dn=0,25mm mm dm=0,76 dm=0,76mm mm garnet 80 garnet 80 ma=3,8 ma=3,8g/s g/s
88 77 66 55
f=64 f=64mm/min mm/min f=191 f=191mm/min mm/min
44 33
f=254 f=254mm/min mm/min 00
55
10 15 10 15 de depth pthof ofkerf, ke rf,mm mm
20 20
25 25
A megmunkált felület átlagos érdessége
A megmunkált felület érdessége
Saját mérések 12
p=200, 250, 300 Mpa, ma= 200, 400 g/min
10
p=250 MPa,ma=400 g/min ,f=100 mm/min
p=200 MPa,ma=400 g/min ,f=300 mm/min
Ra, um
8
f=100 mm/min Ra ~ 5÷8 m
6
f=300 mm/min Ra ~ 5÷10 m
4
Ra= 6.03 m Rz=69.41 m
Ra= 6.74 m Rz=68.25 m
2
0 0
100
200
300
400
500
600
f=500 mm/min Ra ~ 4÷10 m
feed rate, mm/min
Ra= 6.21 m Rz=57.51 m
p=200 MPa, ma=200 g/min , f=300 mm/min
A megmunkált felület topográfiája Scanning elektron mikroszkóppal vizsgálva
A megmunkált felület érdessége 35x
f=100
17x
Wt=10.70 m Pt= 61.52 m
Wt= 54.37 m Pt= 101.6 m
Wt=57.60 m Pt= 94.36 m
170x
AlMgSi p=320 MPa dn=0,25 mm dm=0,8 mm garnet 80 ma=6 g/s s=3 mm f=300 mm/min
8.13 Abrazív anyagok Használatos abrazív porok: természetes vagy mesterséges •Gránát homok •Olivin •Cu salak •C salak •Kvarc homok •Korund Al2O3 •SiC •Porcelán
Gránát homok A gránát azon szilikátok (SiO4)összefoglaló neve, melyek tetraéderesen kristályosodnak pl. Mg, Ca, Fe, Mn vegyületei. Pl.: almadin pyrope Mg3Al2[SiO4]3 andradit uvarovit Ca3Cr2[SiO4]3
Szempontok:
•fizikai tulajdonságok •környezeti hatások •költséghatékonyság •technológiai hatások •ár
Új állapotú gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe
andradit
kvarc
almadin
olivin
Használt gránát 80 abrazív por elektronmikroszkópos képe
25x
100x
38x
150x
250x
200x
77x
200x
8.14 A vízsugaras vágás költséghatékonysága
8.15 A vízsugaras vágás előnyei és hátrányai
Előny
Hátrány
széles tartományú anyag megmunkálható relatív nagy vastagságú lemez vágható folyamat alatt nincs hőfejlődés minimális alátámasztó erő kevés hulladék anyagra nézve nincs káros kihatás (repedés, edződés) nincs megolvadás és füst termelődés
8.16 Alkalmazási lehetőségek Laminált szerkezetek és térbeli alakzatok vágása
magas zajszint higroszkópos anyag nem megmunkálható por és gőz termelődés rövid a fúvóka élettartama pontossági problémák (vágási hézag formája, felületi érdesség, stb.) költésges
Térbeli alakzatok vágása
hw t2
hp
t1
•Többtengelyes robotok alkalmazása •Biztonságtechnikai feltételek megoldása
tw
A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei
A vízsugaras megmunkálás alkalmazási lehetőségei
Kb. 420MPa
8.17 További lehetséges megmunkálások
Esztergálás
Lehetséges műveletek •vágás •fúrás •esztergálás •marás A befejező megmunkáláshoz: •finomabb abrazív anyag •Fogásvétel nélküli megmunkálás „Műveleti sorrend” – sakkfigura készítés
Kb. 600MPa
Esztergálás
Fúrás •körpályán mozgó sugárral (vágás) •álló sugárral – a megmunkált átmérő a sugárátmérővel azonos
Esztergálás
Korrekt geometria biztosítása nehéz
Marás
Marás
Probléma: A bevágási mélység kézbentartása
3D-s megmunkálási kísérletek
Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek
8.18 További nagynyomású vízsugaras technológiák alkalmazási területei
Marás
Üzemi nyomás [MPa]
Vízsugaras anyagleválasztási kísérletek 400
1. Vízsugaras vágás 2. Falazatok bontása 3. Burkolatok, bevonatok eltávolítása 4. Nagy sík beton felületek gépi eltávolítása 5. Aszfalt érdesítése, eltávolítása 6. Felülettisztítás 7. Bányászat 8. Csatornatisztítás
350 300
1
250
2
200 150
4
3
100 50
6
7
5 8
0 0
50
100
150
200
250
Szállított vízmennyiség [l/min]
8.19 Munkavédelmi kérdések
Azonnali orvosi intézkedés szükséges !!
Munkavédelmi kérdések
9. Gyors prototípus készítés
9.2 Elnevezések
9.1 Történeti áttekintés •
1983: kísérletek 3D „nyomtatás” előállítására, kalifornia, Nagoya, Minneapolis
•
1986: C. Hull megalapítja a 3D System nevű céget
•
eljárása a fotopolimerizáción alapul (sztereolitográfia)
•
1987: 3 amerikai, 3 japán, 1 német cég kezd el működni ezen a területen
•
Rapid Prototyping
•
Desktop Manufacturing
•
3D Hardcopy
•
Solid Free Form Fabrication
•
Tool Less Manufacturing
•
Automated Fabrication
•
Layered Fabrication
9.4 Az eljárások csoportosítása
9.3 A gyors prototípus készítés sajátosságai
A termék funkciója alapján: •
„gombnyomásra történő” gyártás
•
rétegenkénti testfelépítés
•
elsődleges alaklétrehozás
•
nincs szerszám
•
minden darab önálló termék
•
gyors (átfutási idő, változatok)
•
pontról-pontra
•
automatizált
•
vektor mentén
•
felületről felületre
•
Szemléltető modell
•
Gyártást támogató modell
•
Funkcionális modell
A rétegelőállítás stratégiája alapján:
Eljárások csoportosítása Az eljárás fizikai tartalma alapján: •
SLA: Stereolitography (foto-polimerizáció) 3D System, Cubital
•
SLS: Selective Laser Sintering (lézer szinterelés) EOS, DTM
•
FDM: Fused Deposition Modelling (3D plotting) (huzalfelkrakás) Stratasys
•
LOM: Laminated Object Manufacturing (lemezelt technikák) Helisys
•
DSP Direct Shell Production (Droplet Deposition, 3D Printing): (keramikus vagy műanyag por ragasztása) Solingen
•
Egyéb technikák : felrakó hegesztés, lemezkivágás, vízsugaras vágás,
9.5 A gyors prototípus készítés lépései •
CAD rajz elkészítése: kimenet .STL formátumban
•
Szeletelés és letapogatási stratégia elkészítése
•
„Nyers” darab előállítása (Green part)
•
Utólagos kezelés Töltőanyag ill. támaszok eltávolítása, tisztítás, hőkezelés, anyagkezelés-keményítés, felületkikészítés
9.6 SLA, Sztereolitográfia Anyag: folyékony gyanta, viasz Rétegvastagság: 0,1-0,2 mm
SLA, Sztereolitográfia Utólagos hőkezelés (kikeményítés) mindig szükséges. Polírozás, festés lehetséges Sztereolitográfiáhosz használt epoxigyanta tulajdonságai Epoxi2 Epoxi1
Mivel folyadékban van támaszról kell gondoskodni
Szakítószilárdság (Mpa)
46-47
59-60
Szakadási nyúlás (%)
11-2
7-19
33
27-30
1628
2920
Ütőmunka (kJ/m2) Rugalmassági modulus (Mpa)
9.7 STL, Szelektív lézer szinterelés
Szelektív lézer szinterelés
Anyag: gyanta, műanyag fémpor keverék (Rm=400MPa) DTM Laser Sinterstation 2500 berendezés
Funkcionális alkatrészek
Három különböző eset: •A szemcsék a határfelületen egymásba folynak (műanyag porok) •Keverék fémpor alacsony olv. pontú részei megolvadnak •Műanyaggal bevont fém v. kerámia por összeolvasztása, majd beitatása pl bronzzal
Szelektív lézer szinterelés
Technológiai jellemzők Por összetétele
Szemcsenagys ág Um
Rétegvastagsá g mm
Bronz-Nikkel
10-150
0,1-0,3
10-200
20-200
Bronz-Vas
30-90
0,1-0,3
150-200
150-200
Alumíniumoxid
20
0,1-0,3
-
-
Réz-poliamid
-
0,1
15
50/0
RapidSteel2.0
-
0,075
17
1250
Duraform
25-90
0,1
4
1675
9.8 FDM, Huzalfelrakás
Anyag: hevített (200 oC) gyanta, műanyag
Lézer teljesít ménye, W
Pásztázási sebesség
FDM, Huzalfelrakás
9.9 LOM, lemezelt technikák
• Olcsó • Gyors • Komplex geometria Anyag: papír, polyester film, szövet, kompozit
LOM, lemezelt technikák
9.10 3D nyomtatás, por ragasztása
3D nyomtatás, por ragasztása
Anyag: keramikus vagy műanyag por + ragasztó • rideg • utókezelés mindig • gyantával beitatás
22
3D nyomtatás, por ragasztása
3D nyomtatás, por ragasztása
A munkatér kibontás Munkatér
A gép látképe Kész darabok
3D nyomtatás PolyJet – Objet technológia
Rétegvastagság: 16 -30 μm függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, Pontosság: ± 0,05 mm.
3D nyomtatás PolyJet – Objet technológia
25
26
9.11 Egyéb technikák
• • • •
vízsugaras vágás felrakó hegesztés fémlemezek összeszerelése stb
9.12 Előnyök és hátrányok Előnyök •
Hátrányok
„gombnyomásra” történő gyártás
•
pontosság •
vetemedés
•
automatizált
•
zsugorodás
•
gyors (átfutási idő, változatok)
•
porozitás
•
nincs szerszám
•
felületminőség
•
komplex alkatrész(ek)
•
mechanikai tulajdonságok
•
szerelt alkatrészek (ún. „benszülöttek” is készíthetők)
•
„lassú”
9.13 A gyors prototípus készítés alkalmazási területei
Öntőminta; 6,3 Gyors szerszámozás; 13,4
Szerszámozás (közvetlen); 3,7
Mérnöki modell; 16,9 Szerszámgyártói modell; 5,4
Javaslatok; 3,6 Árajánlatok; 1,4 Szerelés Ergónómiai; 4,6 ellenőrzés; 18,2
A termék funkciója alapján:
A gyors prototípus készítés alkalmazási területei
Egyéb; 3,8
• • •
Funkcionális modell; 22,7
Szemléltető modell Gyártást támogató modell Funkcionális modell
9.14 A gyors prototípus készítés térhódítása A világban évente installált RP rendszerek száma
Hadiipar 9%
Egyéb 8%
Akadémiai szekt. 7%
Autóipóip. 23%
Repülőgépip. 8%
Orvosi szekt. 10% Keresk.term. 26%
Gépipar 9%
A világban évente elkészített RP modellek száma
RP módszerek alkalmazási területei (2002 Wohlers Associates)
A gyors prototípus készítés térhódítása
Piaci részesedések
% Kína 5%
A gyors prototípus készítés térhódítása
Egyéb 10%
Korea 2%
USA 42%
A világban 1998-ban installált RP rendszerek százalékos megoszlása (Wohlers Associates)
Japán 19% Olaszo. 4% UK 4%
Svédo. 1% Franciao. 3%
Németo. Kanada 1% 9%
Kb 7000 rendszer Magyarországon: < 50 db
9.15 Esettanulmányok
Gyors prototípus készítés alkalmazása közvetlen szerszámozáshoz •Lézer szinterelt bélyeg és matrica, mélyhúzó szerszámhoz •Kissorozatgyártásban •Vékony alumíniumlemezek húzásához
Mélyhúzandó alkatrész 3D geometriai modellje
Mélyhúzó szerszám konstrukciós felépítése
3D testmodellek elkészítése
Bélyeg
Matrica Kimenet: STL formátumban
A teljes tervezés folyamata
Szelektív lézer szinterelés Anyag: nikkel-bronzrézfoszfid
•
Alak felismerés
Geometria
Rm=200 Mpa, 70HB CAD
Lézer szinterelt bélyeg és matrica Geometriai ellenőrzés
Technológia
•
Adatbázisra épülő elemkiválasztás
CAM
Dat Result a
Mérés Computer Aided Decision Support
Alkatrészek mélyhúzása
Különböző alkalmazások
- 19 alkatrész 30perc alatt - 15 perc várakozás (hűtés) - 10 sorozat legyártása, 190 db - lemezvastagság: 0,7 mm - húzási mélység 16 mm
Kopási nyomok a szerszámon nem érzékelhetők
Orvosi alkalmazások
1.
Szivattyúalkatrész
Művészetek
2.
3.
Térdprotézis
4.
9.16 Kitekintés
Kultúrtörténet
A jövőbeni lehetőségek szinte korlátlanok ?? Múmia rekonstruálása roncsolásmentesen
•új anyagok és •új technológiák
Kereskedelemben beszerezhető háztartási RP rendszerek ??
10. Élettartam növelő megmunkálások (tartósság növelő)
Tartósságnövelő megmunkálások célja:
A felületi réteg tulajdonságainak megváltoztatása
Gépek működésekor igénybevétel • • •
felületi felületi réteg belső keresztmetszet
elsősorban képlékeny alakítással Eredményeként megváltoznak a felületi réteg tulajdonságai:
Felületi mikrogeometria (érdesség) hatással van a: • •
Felületminőség
kopásállóságra fáradási tulajdonságokra feszültséggyűjtés kifáradás működési tulajdonságokra
•
A megmunkált felületet érő hatás szerint a tartósságnövelő megmunkálások lehetnek:
• • •
• • • •
érdesség (felületi mikrogeometria) keménység maradó feszültségek szövetszerkezet
10.1 Külső hengeres felület felületvasalása Csúszási súrlódás közbeni jelenségek játszódnak le a vasaláskor, melynek eredményeként:
felületvasalás felülethengerlés ütőtestes szilárdítás
• • •
a felületi érdesség csökken (Ra) keménység nő felületi szilárdság nő
• • •
nő a keménység csökken az érdesség nő a hordfelület
A forgácsoló technológiák: pl.• • • • •
köszörülés szuperfiniselés, hónolás tükrösítés
a felületi érdességet javítják a felületi réteg szilárdságtani tulajdonságait rontják
• •
4
egyetemes eszterga célgép 1: feszítő csavar 2: mérőóra (erő) 3: szerszám 4: munkadarab
3 2 1
3
2
R1,2
;3,4
R3,35
a)
Lehet • rugalmas szerszámkonstrukció • merev szerszámkonstrukció
2
1
b)
• 1: vasaló gyémánt • 2: foglaló fém • 3: foglalat
Felületi érdesség
Keménység
v: 25-200 m/min f: 0,02-0,2 mm/min F: 100-600 N
0.6
5200 HVM ,MN/m 2
R a m
Technológiai adatok
0.5 0.4
Felületi érdesség
0.3
4600
4000
0.2
• •
elméleti maximális érdesség: f2/8r tényleges elérhető érdesség: 0,04-0,16 m Kemény anyagokhoz is alkalmazható: pl. edzett acélok (golyóscsapágy acél, 63-65 HRc)
3400 0.1
0
0
200
400
0.12 0.08 f, mm/ford
0.04
0.08 0.12 f, mm/ford
300 v, m/min
100
200 300 v, m/min
200
400 F, N
0.04 100
200
120°
1 150°
3
Gyémánt • kemény • μ kicsi • jó hővezető • kicsi a hőtágulása • nagyon kis érdességűre munkálható
gömbalakú
120°
Szerszám: mesterséges vagy természetes gyémánt Gép:
hengeres
Vasalószerszám
150°
Felületvasalás
600
600 F, N
10.2 Külső hengeres felület felülethengerlése
m ,MN/m 2
Maradó feszültségek
• • •
300
vc= 93 m/min f = 0,08mm/min F= 196 N
köszörülés 0
-300
szerszám: kemény (acél), szférikus vagy gyűrű alakú gördülő súrlódás történik kopásállóság és kifáradási határ javul
Jellegzetes gőrgő alakok:
esztergálás
Dg= 20-200 mm R = 0,5-200 mm
-600 esztergálás+vasalás -900 köszörülés+vasalás 100
200
300
400 l, m
Jellegzetes eljárások
Technológiai adatok 1: egygörgős 2: egygolyós 3: kétgolyós 4: kétgörgős 5: kétgörgős ferde 6: kétgörgős simító 7: kétgörgős kúpos 8: golyós + eszt. 9: görgős + eszt.
vc: 30-90 m/min F: 200-200000 N
f
r
• • •
f e
0
e
-1200
pneumatikus hidraulikus rugós
Felületi érdesség: Ra= 0,01-1 m kb. tizedére csökken
r
Megelőző érdesség
Görgő sugara
Erő, előtolás
Fogások száma 12 Rz, µm
R z , m
1.2 1.0
10 8
0.8
6
2
0.6
4 2
0.4
z 1: eredeti érdesség: Rz= 80 m 2: eredeti érdesség: Rz= 40 m .
• • •
l l 21 arctg 1 2 a a l 1 a 3
l: a képlékenyen alakított réteg vastagsága F: görgőerő a: az érintkezési ellipszist helyettesítő kör sugara : poisson szám ReH: folyáshatár
1000
2
4
6
2000 F ,N
8 10 12 14 16 fogások száma
a
Ha =0,3 és
geometriai viszonyoktól technológiai adatoktól anyagminőségtől
F 4 2 a ReH 3
0
1
Ábrázolva az összefüggést
A keményedett réteg vastagsága: 0,2-20 mm Függ:
0.2
akkor
a3
1
ahol
3 1 F R E
1 2 2 1 R d w Dg r
„a” ismeretében F/a2ReH leolvasható Pontszerű érintkezést feltételezve: l
f e
F 2 ReH
10.3 Külső hengeres felületek ütőtestes szilárdítása • •
szabad vagy korlátozott mozgású testek ütődnek a felülethez a réteg tulajdonságai dinamikus kölcsönhatás miatt változnak meg
Elterjedt eljárások:
Sörétezés • • •
Sűrített levegő nyomása Forgó lapátkerék röptető ereje Gravitáció (saját tömeg)
Ezek eredménye: mozgási energiával szilárdítanak Sörét: legtöbbször öntöttvas 0,5-5 mm
• •
szabad ütőtestes: sörétezés Kötött elhelyezésű: - szilárdítás forgó ütőtestekkel - szilárdítás vibrációs ütőtestekkel
Technológiai adatok:
v: 70-150 m/s Ra: 6,3-25 m l: 0,2-0,5 mm
Forgó ütőtestes felületszilárdítás
Gravitációs sörétezés
• •
Pneumatikus sörétező
munkadarab alaptárcsa
alakos gyűrű ütőtest
felfogócsap
Szerszám: tárcsa szerű, a kerületén elhelyezett gyűrű vagy golyó alakú ütőtestekkel Gép: pl. eszterga, az ütőtestes berendezés a késtartó helyére fogható
1: alaptárcsa 2: oldaltárcsa 3: golyókosár 4: acélgolyó 5: szorítócsavar 6: munkadarab
Az eljárást befolyásoló tényezők: • • • • • • • •
Az alakváltozás mértékére hat még:
ütőtestek alakja és mérete az átfedés nagysága „h” v: kerületi sebesség ütőtestek száma anyaga (acélgolyó) f, vw Fogásszám munkadarab anyaga
• •
A mikrogeometriát a fajlagos ütésszám határozza meg:
Nü
k ns i d w f nw
k: a golyók száma Elérhető érdesség, Ra= 0,02-0,05 m
az ütőerő nagysága az ütési impulzus
A felületi réteg tulajdonságait befolyásolja: • a munkadarab anyaga • ütések száma • ütési impulzus • szilárdítási technológia Technológiai adatok:
h
Nü: 30-70 ütés/mm2 h: 0,05-0,8 mm F: 5-120 N
10.4 Belső hengeres felületek hideg képlékeny megmunkálása A keménység nagymértékben növekszik
Cél: • • •
1: vsz: 41 m/s; h=0,15 mm 2: vsz: 41 m/s; h=0,05 mm 3: vsz: 15 m/s; h=0,15 mm 4: vsz: 15 m/s; h=0,05 mm
mikrogeometria pontosság felületi réteg tulajdonságai (keménység, hordozó felület, maradó feszültségek) Vasalás
• •
Golyóval vagy kúpos alakító elemmel
Kettős kúpos alakító elem:
Golyós:
F
Hengerlés D
F
hátsó kúp
3 kosár
kalibráló kúp d
alakító kúp
1 alakító elem (görgő)
alakító elem (golyó)
f 0
2 támasztó kúp merev (tömör)
merev (szerelt)
Vasalás történhet rugalmas elemmel is (ld. Külső felület vasalása)
• •
F F
F
f
fv
f
Furathengerlő szerszám konstrukciója 7
8 l
5
6
4
3
2
Golyóval vagy kúpos alakító elemmel
Ütőtestes 1 szerszám befogó fúrórúd
Ritkán, inkább csak nagy átmérők esetén
/2
Morse olaj kenés
n f
f n
f n
n
11. Nagysebességű forgácsolás (HSC, HSM) ‐ ‐ ‐
A klasszikus forgácsoláselmélet szerint
High Speed Cutting High Speed Machining High Speed Milling
Cv = Tm vc
A termekékenység növelésének lehetőségei: ‐ ‐ ‐
Fogásmélység (ap, ae) növelése Előtolás (f) növelése Forgácsoló sebesség (vc) növelése Melyik mit okoz?
‐ (ap, ae) növelése ‐ (f) növelése ‐ (vc) növelése
‐
A Taylor összefüggés egy adott tartományban érvényes ‐ A sebesség növelésével a hőmérséklet nő ‐ Növekszik a kopás ‐ Rendkívül lecsökken az éltartam
„halál völgye”.
növekszik a forgácsoló erő növekszik a forgácsoló erő növekszik a forgácsolási hőmérséklet 1
Bizonyos értékek fölött a forgácsoló sebesség növelése csökkenti a forgácsolási hőmérsékletet:
Carl Salamon kísérletei az 1920‐as években ‐ ‐ ‐
2
Réz, vc=2850 m/min alumínium, vc=16500 m/min acél, vc=440 m/min A forgácsolási hőmérséklet csökkenését tapasztalta!
Ellenőrző ballisztikus kísérletek (1950‐es évek) Alumínium ötvözésű anyagból készített lövedékeket lőttek ki keményfém és gyorsacél szerszámélek mentén v=4500 m/min és v=73200 m/min közötti forgácsolósebességgel. ‐ ‐ ‐
Nagysebességű film Forgácsolás valósult meg Kopás nem volt érzékelhető 3
4
‐ ‐ ‐
További eredmények a gyorsforgácsolás területén
Kevesebb hő keletkezik A keletkező hőt a forgács viszi magával vc > hővezetés sebessége
‐ 1970‐es évek : Lockhead vállalat , marási kísérletek n=18000 min‐1 ; n=30000 min‐1 és n=100000 min‐1 főorsó fordulatszámmal ‐ A forgácsolási sebesség 500%‐os növelésekor az időegység alatt leválasztott forgácsmennyiség 300%‐al megnőtt, a fellépő forgácsoló erők pedig mintegy 70 %‐kal csökkentek. ‐ A megmunkált felület felületi minősége igen kedvezően alakult, a munkadarab és a szerszám hőmérséklete alig változott, a forgácsolási folyamat során keletkezett hő túlnyomó részét a forgács vezette el. Az 1980. évi chicagói nemzetközi szerszámgép kiállításon az Ex‐Cell‐O olyan megmunkáló központot állított ki, amelynek főorsója n=40000 min‐1 fordulatszámmal forgácsolt. 5
6
7
8
11.1 A gyorsforgácsolás sebességtartománya Mi a gyorsforgácsolás (nagysebességű megmunkálás) ? ‐ Nagy forgácsoló sebesség (vc) ? ‐ Nagy fordulatszám (n) ? ‐ Nagy előtoló sebesség (vf) vc> 500 m/min (anyag és eljárásfüggő) Schiffer szerint ‐ a vc < 500 m/min sebességű forgácsolás a szokásos sebességű - a v = 500 ÷ 10 000 m/min sebességű forgácsolás a nagy sebességű ‐ a v > 10 000 m/min sebességű forgácsolás az extrém nagy sebességű
Nagysebességű marás
9
10
11.2 A nagysebességű anyagleválasztás jellemzői ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
a forgácsoló él előtt az anyag rideggé válik a forgács a forgácstőnél képlékeny alakváltozás nélkül letörik csökken a forgács leválasztáshoz szükséges energia és csökken a keletkező hő a forgács elviszi magával a keletkező hőt A nagysebességű anyagleválasztás jellemzői: ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
11
kis fogásvétel (kis forgácskeresztmetszet) jó felületi érdesség (»Ra=0,2 mm), kedvező szerszám éltartam, nem keletkezik élrátét egyenirányú marás alkalmazása hűtés nagy nyomású levegővel, illetve szerszámon keresztül
12
Az egyenirányú marás (nagysebességű marásnál) előnyei: ‐ a forgácsoló élre csak nyomófeszültség hat, ‐ ebből következően kisebb az él letöredezésének veszélye, ‐ kisebb hő fejlődik, ezért megnő a szerszám éltartama, ‐ a munkadarab deformációja igen csekély, ‐ kisebb radiális erő ébred, ‐ csökken a szerszámgép igénybevétele.
13
14
11.3 A nagysebességű forgácsolás alkalmazásának feltételei Fokozott követelmények az MSKG rendszerrel szemben
15
16
Tömör keményfém szerszámok
A szerszámmal szemben támasztott követelmények
(moduláris kivitel) • dinamikus kiegyensúlyozottság, • szimmetrikus kialakítás, • rövid kinyúlás, • merev felépítés (erősített szerszámszár), • keményfém szerszámanyag (illetve ‐lapka) TiAlN bevonattal, • mérethatár; átmérő 20 mm, • szerszámon keresztül történő hűtés lehetősége, • minél magasabb megengedhető fordulatszám.
Bevonatok: TiN, TiCN és TiAlCN AlN, TiAlN további adalékok: pl. ittrium, vanádium vagy tantál – nanoréteg‐struktúrák: pl. CBN vagy PKD
17
18
19
20
A szerszám munkadarab‐ felülettel bezárt szöge az előtolás irányában
hosszanti húzóforgácsolás (minden esetben elkerüljük a levegőben vágást, az effektív szerszámátmérő és a forgácsolási sebesség nagyobb), hosszanti tolóforgácsolás (levegőben vágás veszélye fennáll, az effektív szerszámátmérő és a forgácsolási sebesség kisebb).
21
22
23
24
A szerszámgéppel szemben támasztott követelmények • főorsó fordulatszám: (30 000 – 45 000 min‐1), • programozott előtolás: (40 – 60 m/min), • gyorsjárati előtolás: (60 – 90 m/min), • speciális nagysebességű szervóhajtások, • CNC program végrehajtási sebesség (1‐20 ms/mondat), • adatátviteli sebesség (50 000‐250 000 bit/s), • merev felépítés, hő stabilitás, rezgésérzéketlenség, • hibakompenzálási lehetőségek (hőmérséklet, golyósorsó, pályakövetés), • program előreolvasás.
A szerszámtartóval szemben támasztott követelmények
CAM rendszerrel szemben támasztott követelmények A nagysebességű forgácsolás követelményeinek minél teljesebb kielégítése érdekében a CAM (Computer Aided Manufacturing – számítógéppel segített gyártás) szoftverrel szemben speciális követelményeket támasztanak.
• dinamikus kiegyensúlyozottság, • szimmetrikus kialakítás, • merev befogás (például hidro‐mechanikus), • kis méret és tömeg.
Közel állandó szerszámterhelés forgácsolás közben Az egyenletes szerszámterhelés érdekében biztosítani kell: • a hirtelen irányváltások minimalizálását, • a fokozatos anyagleválasztást, • a spline interpoláció lehetőségét.
25
26
• a hirtelen irányváltások minimalizálása: oa megmunkálandó anyagba folyamatos behatolást és kilépést biztosít (pl. spline, csavarvonal, körív, stb.), o„lágy” átmeneteket biztosít (éles irányváltások „lekerekítésével”) a gyorsmeneti mozgásoknál is, ominimális pozicionáló mozgással oldja meg a helyzetre állítást. • a fokozatos anyagleválasztás biztosítása: o nagyolásnál az anyagleválasztást állandó radiális és axiális fogásvétellel tervezi meg és hajtja végre, o elősimításnál a megmunkálásra több lépcsőben, egyre kisebb szerszámokkal és állandó terhelés mellett kerül sor, o elősimításnál a szerszám a lehető legharmonikusabb pályán (pl. csavarvonal mentén) halad, majd sor kerül a „maradék anyag eltávolítására.” 27
28
A nagysebességű forgácsolás alkalmazásának feltételei
11.5 A nagysebességű forgácsolás alkalmazási területei • szerszámgyártás (edzett szerszámacélok, réz, öntöttvas, alumínium, grafit…), • kisméretű alkatrészek gyártása, • repülőgép alkatrészek gyártása (alumínium, rozsdamentes acél…), • járműipari alkatrészek gyártása (alumínium, öntöttvas, acél), • elektronikai ipar alkatrészeinek gyártása (alumínium, réz…), • orvosi műszergyártás (rozsdamentes acélok, titán), • edzett, kemény anyagok (akár 62 HRC keménységű anyagok) megmunkálása, • prototípus gyártás (alumínium, műanyagok…)
29
Forgácsolási teljesítmények összehasonlítása
Fejlődési tendenciák a szerszámgyártásban( süllyesztékek gyártása) használt technológiai eljárásoknál
Gyártási technológiák
HSC‐marás Helyzetköszörülés Elektro eróziós gépek (tömbös és huzalos szikraforgácsolás)
Technológiák arányai (%‐ban) 1985 1995 4 10 16 15 80 75
30
Marás: keményfém szerszám, szerszám átmérõ: 20 mm, fogásmélység 10 mm, megmunkálandó anyag: Alumínium
2005 46 12 42
31
32
12. Ultraprecíziós forgácsolás (UP) ‐ teljesítménylézerek, infravörös optika
fémtükrök parabola tükrök hiperbolikus tükrök
‐ ‐
Tükrök anyaga: réz, alumínium, nikkel, arany ezüst, platina Infravörös áteresztő lencsék: germánium, szilícium, galliumarzenid, stb
‐
Optikai felületek megmunkálási igénye: Pontosság: < 1um Érdesség: 10‐80 nm (Ra)
‐ ‐
Mikrométer nagyságrendű forgácsméretek (a, f) Határozott élgeometriájú (többnyire egyélű) forgácsoló szerszám
Alkalmazási terület Fényvisszaverő optikai elemek (tükrök)
Scanner a megmunkáló lézerekhez. Sík‐és parabolatükrök a megmunkáló lézerekhez. Fénymásoló és lézernyomtató dobok.
Áteresztő optikai elemek (lencsék)
Fresnel lencse. Germánium lencse. Napelemek lencséi.
Mechanikai elemek, alkatrészek
A lézersugarak fókuszáló és kiléptető lencséi. Mágn. merev adattárolók (hard diszk). Video rekorderekhez szalagvezető görgők. Légcsapágyazás alkatrészei. Vákuumtömítések. Részecskegyorsítók elektródái.
Elnevezések: ultraprecíziós megmunkálások szubmikronos megmunkálások nanotechnológiának mikroforgácsolásnak stb.
Anyag alumínium, réz, arany, nikkel, ezüst, platina, molibdén Optikai műanyagok, Germánium, Szilícium, GaAs, ZnSe, ZnS
alumínium, nikkel, réz, sárgaréz
Ultraprecíziós esztergálás
Cink‐selenid aszférikus lencse
1
2
3
4
Követelmény Reflexió: 98% Alakpontosság: 0,2...0,01 μm Érdesség: Ra≈0,005 μm Alakpontosság: 0,2...0,01 μm Érdesség: Ra≈0,002 μm
Alakpontosság: 0,5...0,1 μm Érdesség: Ra≈0,01 μm
12.1 Ultraprecíziós forgácsolás sajátosságai, követelményei • Technológiai adatok: o Méretpontosság: IT5 o Forgácsolási sebesség: v= 600...2000 m/min o Forgács keresztmetszet: Ac= 0,5...500 μm2 o Éllekerekedés a szerszámon: Rβ= 0,01... 1 μm o Forgácsolóerő: Fc= 0,1 N... 10 N
5
Gyémánt élanyag !! Lehetőleg természetes!
6
hmin=0,1rn;
hmin=0,293rn;
hmin=84vc-0,7rn0,25
Kivéve Fe alapú anyagok 600 fok felett (CBN precíziós keményeszt.) 7
8
A gyémánt technológiai tulajdonságai -
Legkeményebb élanyag Legélesebb és Kis súrlódási tényező Jó hővezető Kis hőtágulás
9
10
11
12
A gyémánt technológiai tulajdonságai
Erős C-Fe affinitás
Kis szívósság, ridegség
Intenzív diffúziós kopás
Gyenge dinamikai teherbírás
Megfelelő szerszám-mdb keménységi arány
Vas alapú anyagokhoz nem használható
Csak finommegm unkálásokr a használható
Kemény anyagok is forgácsolhatók
Nagy keménység
Kis hőtágulás
Kiváló élminőség, éles él
Tükrös felületek megmunkálása
Nagy rug. modulus
Kis éldeformáció
Nagy pontosságú ultraprecíziós megmunkálás
Kis surlódás
A technológiai adatok és az érdesség kapcsolata
Jó hővezető képesség
f2/8re=25/760=0,03 um
Alacsony forgácsolási hőmérséklet; nincs másodlagos forgács alakváltozás: a kopás nem függ a forgácsolósebességtől
Hosszú éltartam
Nagy termelékenység
fizikai-mechanikai tulajdonság forgácsolás technológiai jellemző alkalmazhatósági jellemző
13
14
15
16
12.2 Szerszámgépek Főorsó követelmények: o o o o
aerosztatikus; n = 6000...12000 f/min tehermentesített, rezgéscsillapított szíjhajtás futáspontossága: 0,05 μm merevsége: 500 N/μm (orsóközépen)
13. Keménymegmunkálás (HM)
12.3 Ultraprecíziós forgácsolás további követelményei o vezetékek: aerosztatikus (CBN: hidrosztatikus), o környezet: klimatizált, 20±0,5 °C, relatív nedvesség tartalom: 50%, hőegyensúly, emberi jelenlét nem kívánatos, o rezgésszigetelt alap, o gépágy: gránit, gömbgrafitos. öv., kerámia, o munkadarab befogás: vákuum tokmány, műanyag, üveg ragasztással, o rezgés és rezonancia mentesség, o hűtés‐kenés pontos, stabil beállítása (kis előtolás több órás megmunkálás)
‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Szerszámanyagok fejlődése – edzett, kemény állapotú anyagokat is meg tudunk munkálni szabályos élű szerszámmal. Képlékeny alakítási technológiák fejlődése – a ráhagyási alakzat egyre kisebb, az előgyártmány egyre kevésbé tér el a kész terméktől. Termelékenység növelésének szükségessége Növekvő pontosság, jobb felületminőség Anyag‐, energiatakarékosság Környezetvédelem
17
18
Keménymegmunkálás (HC)
Keménymegmunkálás (HC)
Megmunkált anyagok: Az acél keménysége általában kétféle keménységet takar: a/ martenzites keménység b/ karbidkiválásos keménység
Megmunkált anyagok: Keménymegmunkálás során jellemzően 42 HRc ~ 65 HRc keménységű anyagokat munkálnak meg. Szemben például az általános szerkezeti acélok és rozsdamentes acélok 15 HRc ~ 35 HRc keménységével.
a/ A martenzites fázis elvileg nem deformálódik, ridegen reped, törik. A hőmérséklet növelésével kilágyul. (ausztenit: felület‐középpontos köbös, martenzit: térközepes köbös, diffúzió kizárt) b/ A karbidkiválásos kemény fázisban az anyag keménységét a kemény fázisok adják, amelyek kilágyulási hőmérséklete jóval magasabb, mint a martenzité.
19
20
Keménymegmunkálás (HC)
Technológiai jellegzetességek
Keménymegmunkálást befolyásoló tényezők : ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
Kemény edzett anyag Nagy negatív homlokszög (akár 20 fok) A passzív erő (Fp) nagyobb a főforgácsoló erőnél (Fc) Rendkívül fontos a rendszer merevsége Kis forgácskeresztmetszet Nagy forgácsoló sebesség PCBN szerszámanyag Száraz forgácsolás (környezetbarát) Izzó forgács
21
22
23
24
Hőmérséklet eloszlás
25
Keményesztergálás vs köszörülés -
Ugyanolyan vagy jobb érdesség Nagyobb termelékenység Kisebb gépi idők Nincs szükség hűtésre Környezetbarát Kisebb költségek Rugalmas alkalmazhatóság
Szabályos felület Mikromenet Nagyobb passzív erők Merevségi igények
Általában kombinált eljárást alkalmaznak
27
26
