Anyag és gyártásismeret
Forgácsolás
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS • alapfolyamat • fő tevékenység • alkatrészgyártás (alkatrész orientált) • leválasztó eljárás
• A munkadarabról (M) a felesleges anyagot • megfelelő mozgások révén • az alkalmas szerszám (S) • kis darabok (forgács, CH) formájában választja le.
Mozgások Munkadarab
főmozgás - forgácsolósebesség, vc, m/min
• anyagminőség (összetétel, előgyártás, állapot)
• forgács hosszmérete
• szilárdsági jellemzők (Rm , HB , stb.)
• egyenes / forgó / folyamatos / szakaszos
• geometriai méretek • a megmunkált felület: ~ pontossága (IT egységekben) és ~ érdessége (Ra , Rz , stb.)
• S / M végzi
• mellékmozgások: • a forgács keresztmetszete • előtolás - f, mm (több élű S: fz , mm) • fogásvétel - a, mm (jele ap , ae is lehet!)
dr. Sipos Sándor
1
FORGÁCSOLÁS • A munkadarabról (M) a felesleges anyagot befogórész
• megfelelő mozgások révén
szárrész
• az alkalmas szerszám (S)
dolgozórész
• kis darabok (forgács, CH) formájában választja le.
előtolás iránya
homloklap
Szerszám főél
• rendeltetés (esztergakés, fúró, maró stb.)
(fő)hátlap
• élgeometria (szabályos, statisztikai) • élek száma (1, 2, sok, végtelen sok)
mellékél
szerszámcsúcs
• élalak (egyszerű, speciális) • kivitel (tömör / forrasztott / szerelt) • élanyag (acélalapú/ kemény/ szuperkemény)
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS alapfogalmai
Forgácsolási adatok: a =
d max − d min 2
vc =
d max ⋅ π ⋅ n [m min ] 1000
vc
főél
mellékél
a Főél elhelyezési szög
Csúcsszög
Pf munkasík Mellékél elhelyezési szög
[mm ]
v f = n ⋅ f [mm/min ]
Élszögek a Pr alapsíkban: κr - főél elhelyezési szög, ° εr - csúcsszög, °
f
Pr alapsík
κŕ
,
- mellékél elhelyezési szög, ° ,
κr + εr + κr = 180°° dr. Sipos Sándor
2
FORGÁCSOLÁS alapfogalmai
hátlap, Aα
homloklap, Aγ
vc
homlokszög, γo
hátszög, αo Munkadarab
ékszög, βo
Szerszámélszögek a Po metszetben: γo - homlokszög, °
Szerszám f
Po ortogonális sík
βo - ékszög, ° αo - hátszög, °
αo + βo + γo = 90 ° dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
• A munkadarabról (M) a felesleges anyagot • megfelelő mozgások révén • az alkalmas szerszám (S) • kis darabok (forgács, CH) formájában választja le.
FORGÁCS (chip (chip)) • típusa: elemi, lemezes, folyó (acélok) elemi, töredezett (öntöttvas, rideg anyag)
• alakja: a mozgások és a szerszám kialakítása (élszögek, csúcssugár) határozzák meg
• feladatok: forgács manipuláció: ~ terelés,~ osztás, ~ törés dr. Sipos Sándor
3
FORGÁCSOLÁS Előtolás irányú erő
A forgácsképződés feltételei: 1. alkalmas szerszámék
Előtolás
2. mozgások: vc és f • vc - forgácshossz • f - előtolás, mm 3. erőhatások: • vc irányában: Fc - forgácsolóerő
Forgács Szerszám
• f irányú: Ff - előtolás irányú erő Elméleti forgácsvastagság, h, mm
Munkadarab
Forgácsolósebesség
Forgácsolóerő
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
A forgácsképződés fázisai: 1.) a h vastagságú réteg vc sebességgel mozog
Forgácsvastagság, hch, mm
2.) rugalmas alakváltozás 3.) képlékeny alakváltozás 4.) nyírási folyamat: 1 forgácselem 5.) a forgácselemek összehegedése 6.) a forgács vch sebességgel távozik
Nyírási sík Elméleti forgácsvastagság, h, mm
vch
Forgács Szerszám
vc
Munkadarab dr. Sipos Sándor
4
FORGÁCSOLÁS erőigény
Forgácsoló erő: • a legnagyobb összetevő ⇒ teljesítmény (Pc , kW), • szerszámterhelés, ∼ lehajlás. Előtolás irányú erő: • a legkisebb összetevő, mivel az Fc 10 … 30 %-a. Fc - forgácsoló erő Ff - előtolás irányú erő Fa - aktív erő
Aktív erő: • a fentiek miatt: Fa ≈ Fc !
Passzív erő: • általában kisebb az Fc - nél (annak 30 … 60 %-a), • a szerszám kopásától jelentősen függ, • a munkadarab pontosságát döntően befolyásolja.
Fa - aktív erő Fp - passzív erő F - eredő erő
Összefoglalva: Fc : Fp : Ff = 1000 : 300 … 600 : 100 … 300
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Kienzle és Victor erőképlete:
Fc = kc ⋅b⋅ h⋅∏KFcj =
Teljesítményigény
kc1.1 ⋅b⋅ h⋅∏KFcj [N] hqc
Főmozgáshoz:
ahol: kc - fajlagos forgácsolóerő, N/mm2
Pc =
b - forgácsszélesség, (a / sin κr), mm h - forgácsvastagság, (f ⋅ sin κr), mm
Előtolás irányú mozgáshoz:
KFcj - helyesbítő tényezők kc1.1 - a fajlagos forgácsoló erő ún. főértéke, N/mm2 qc - kísérleti úton kapott kitevő
Pf =
Példa:
Munkadarab anyagjel
Anyagcsoport
C60 szerk. acél Öv250 öntöttvas öAlSi10Mg alu. ötvözet TiAl6V4 titánötvözet
Fc [N]⋅ vc [m/s] Fc [N]⋅ vc [m/min] = [kW] 1000 60000
Szerszám anyaga
kc1.1 N/mm2
qc
keményfém keményfém keményfém keményfém
2130 1160 400 1356
0,18 0,26 0,27 0,22
F f [N ] ⋅ v f [mm/s ] 10 6
=
F f [N ] ⋅ v f [mm/min ] 6 ⋅ 10 7
[kW ]
Fontos szabályok: 1.) Pc >> Pf 2.) A fogásvétel irányú elmozdulás sebessége zérus, teljesítményigénye: Pp≡ 0
dr. Sipos Sándor
5
FORGÁCSOLÁS
Mennyi a forgács mérete, az erő- és a teljesítményszükséglet, az előtolási- és anyagleválasztási sebesség, a gépi főidő? Megoldás: b=3/sin70 = 3,193 mm;
h=0,25.sin70 = 0,235 mm
Fc=2220 . 3,193 . 0,2350,86 = 2040 N Pc=2040 . 200/60000 = 6,8 kW n=1000.200/(100.π)= 636,6 1/min vf=0,25 . 636,6 = 159,1 mm/min V´=0,25 . 3 . 200 = 150 cm3/min tg= i.L/vf=1.300/159,1 = 1,89 min dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS energiamérlege Elszíneződés, balesetveszély
Hőenergia
si sz ö
g
Keménységcsökkenés, gyorsabb kopás, hődilatáció, pontatlanság
Szerszám
Nyírá
Példa
C45 acél Φ100 x 300 mm átmérőjű felületének hosszesztergálását a=3 mm, f=0,25 mm, vc=200 m/min adatokkal végezzük. A szerszám szögei: κr=70 fok, rε=0,8 mm. A kc1.1=2220 N/mm2 , qc=0,14.
Súrlódás a homloklapon
s ozá vált Alak yírás és n Hődilatáció, pontatlanság, rétegtulajdonságok!
Súrlódás a hátfelületen
Munkadarab dr. Sipos Sándor
6
FORGÁCSOLÁS
Hátkopás képe:
Hátfelületi kopás (VB)
Szerszámkopás
• elsősorban
bevonatos keményfém váltólapka
rideg anyagoknál (pl. öntöttvas)
• főként simításnál • az él mentén változik a mérete • a leggyakoribb kopásforma! Értelmezése, méretei:
Hátlapkopás dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Kráteres kopás (KT, KB)
Bevonatos keményfémlapka kopásképe
Szerszámkopás
• a szerszám (lapka) homloklapján
• elsősorban szívós anyagoknál (főként acél) • főként nagyoláskor alakul ki • edzett acélok (HRC>50) PCBN-nel végzett simító és finomesztergálásakor is gyakori
Kráterkopás
Értelmezése, méretei: KT - kráter mélység (kolk tiefe), mm KB - kráter szélesség (kolk breite), mm
hátkopás
dr. Sipos Sándor
7
FORGÁCSOLÁS
Szerszámkopás,, éltartam Szerszámkopás
A kopás időbeli alakulása
A kopás és az éltartam kapcsolata
• kezdeti kopás: 1 - 2 perc alatt kialakul (a)
• állandósult kopás: egyenletes kopásnövekedés (b) • túlkopás: a szerszám tönkremeneteléig (c)
Növekvő forgácsolósebesség
Kopásgörbe: a kopás időbeli alakulása
VBmeg
c b a
Éltartam: a megengedett kopás (VBmeg) eléréséig forgácsolásban töltött idő.
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Szerszámkopás,, éltartam Szerszámkopás
Éltartam - modell
Modell: bővített Taylor-képlet
m
Esztergálásra:
vc =
Cv m yv m f ⋅ a ⋅T min
vc =
Cv ⋅ d zv m f xv ⋅ T m min
m
xv
Fúrásra:
m
dr. Sipos Sándor
8
FORGÁCSOLÁS
Példa
Tengelyszerű munkadarab φ90x400 mm méretű felületének esztergálását f=0,25 mm előtolással végezzük. 320 m/min forgácsolósebességnél a lapkaéltartam két perc, míg vc=2,5 m/s értéknél egy óra. Mekkora sebesség (vcT=15) mellett kapható 15 perces éltartam? Hány darab (nT) készül el ezalatt? Megoldás: vc1=320 és T1=2 min; vc2=150 m/min és T2=60 min, ezzel a Taylor összefüggés, az éltartamkitevő, a Cv sebességállandó:
vc ⋅ T m = vc1 ⋅ T1 = vc 2 ⋅ T2 = C v = áll. [m/min] m
m
m=
Cv = vc1 ⋅ T1 = 320 ⋅ 2 0, 223 = 373,5 [m/min] m
n=
1000 ⋅ vcT =15 = 722 min -1 d ⋅π
[
]
nT =
T = tg
15 = 6 [db] 400 0,25 ⋅ 722
lg 320 − lg 150 = lg 60 − lg 2
vcT =15 =
320 150 = 0,329 = 0,223 60 1,477 lg 2
lg
373,5 = 204,2 [m/min ] 15 0, 223
dr. Sipos Sándor
A felület minősége
FORGÁCSOLÁS
Definíció: a felületminőség komplex fogalom, fogalom amely a megmunkált (forgácsolt, alakított stb.) felület mikrogeometriai jellemzőit (érdesség, hullámosság), valamint a felület alatti, meghatározott vastagságú réteg - szövetszerkezeti módosulásait (pl. köszörülés) - mikrokeménységének megváltozását (kilágyulás, felkeményedés) - maradófeszültség kialakulását (húzó- vagy nyomó jellegű) - elektromos, - mágneses, illetve - vegyi (korróziós) tulajdonságainak módosulását tartalmazza. dr. Sipos Sándor
9
FORGÁCSOLÁS
A felület érdessége
A forgácsolt felület elméleti (kinematikai) érdessége • a szerszám élének nyoma a darabon • csak az előtolás (f, mm) és a csúcssugár (rε , mm) értékétől függ
• a valós felületi érdességnél általában sokkal kisebb • hasznos összefüggések:
Re = 125 ⋅
f2 [µm] rε
R a ≈ 32 ⋅
f 2 rε
Nagyoló esztergálás:
Re ≈ R z ≈ 4 ⋅ R a Simító esztergálás:
Re
[µ m ] Re
Rz ≈ (5...6) ⋅ Ra
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS gazdaságossága
Cél: minél termelékenyebben ! 1. Minimális gépi főidő Matematikai alakja:
tg =
2. Minimális darabidő Matematikai alakja:
td =
i⋅L ⇒ MIN ! vf
teb t + ∑tmi + tg + tg ⋅ cs ⇒ MIN ! nsor i T
3. Maximális termelékenység Matematikai alakja:
Q=
60 ⇒ MAX ! teb t + ∑ t mi + t g ⋅ 1 + cs nsor T i dr. Sipos Sándor
10
FORGÁCSOLÁS gazdaságossága
Cél: minél olcsóbban !
Költségmodell:
Változó költségelemek: • • •
Állandó költségelemek: • •
előkészületi költség mellékidők költségei
t Kműváll = kG ⋅ eb + ∑tm [Ft] nsor
gépüzemköltség (kG, Ft/min) szerszámcsere költsége szerszámköltség (KS, Ft)
t K Kművvált= tg ⋅ kG ⋅ 1+ cs + S [Ft] T T Minimum!
Kedvező műveleti költség ≠ alacsony szerszám-(él)költség ! dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Hosszesztergálás
Esztergálás
• az eddigi elméleti alapok többsége erről szólt • szerszám: különböző főélelhelyezési szögű szerszámok Forgácsolóerő, N
Fc = kc1.1 ⋅ b ⋅ h1− q c ⋅ ΠK Fi [N ] Nyomatékigény, Nm
Mc = HosszHosszesztergálás
Fc ⋅ d 2000
[Nm]
Teljesítményigény, kW
Pc =
Fc ⋅ vc M c ⋅ n = [kW] 60000 9550 dr. Sipos Sándor
11
Esztergálási változatok
FORGÁCSOLÁS
KeresztKeresztesztergálás
Furatesztergálás
BeszúróBeszúróesztergálás
MenetMenetesztergálás dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Üregelés
Sajátosságai: • • • • • • • •
főmozgás: egyenes vonalú, folyamatos, a szerszám végzi mellékmozgás: állandó, a S méretei adják! gépelrendezés: vízszintes / függőleges az üregeléssel megmunkálható felületek: külső (sík/alakos) belső [hengeres/alakos (bordás, ékes stb.)] alaki korlátozások (belső felület: csak átmenő jellegű) a ráhagyás nagyságától függően az eljárás lehet: nyomó (kis ráhagyás, rövid S) húzó (nagy ráhagyás, hosszú S) nagy ráhagyás / pontos felület (IT7) esetén több lépésben: nagyoló + simító fokozat a szerszám: bonyolult, drága (anyag- és gyártási költség)
• alkalmazása: sorozat / nagysorozat / tömeggyártásban dr. Sipos Sándor
12
FORGÁCSOLÁS Szerszámai:
Üregelés
Munkadarab
Szerszám
dr. Sipos Sándor
Furatmegmunkálások
FORGÁCSOLÁS
Főmozgás: forgó, a S végzi (mélyfúrásnál: M) Mellékmozgás: egyenes, a S végzi (mélyfúrásnál: M) Forgácsolóél: elhelyezkedése kúpfelület mentén, ezért az él mentén a forgácsolósebesség változik (0 ⇒ vc)
Változatai: hengeres furatok
Telibe fúrás
Felfúrás
Dörzsárazás
alakos furatok
menet
síkfelület
KözpontKözpont-
Alakos
Alakos
MenetMenet-
Sík
fúrás
süllyesztés
dörzsárazás
fúrás
süllyesztés
Csapos süllyesztés
dr. Sipos Sándor
13
FORGÁCSOLÁS
- a leggyakrabban alkalmazott furatmegmunkáló eljárás - kis pontosságú furatok (IT ≥ 10) befejező megmunkálására - pontos, vagy nagy átmérőjű furatok előmunkálására
Fúrás
f n φd
Mc
σ=2.κ
d - fúró átmérő, mm f – előtolás, mm n - fordulatszám, min-1 vc – forgácsolósebesség:
Forgácsolóerő:
vc =
d ⋅π ⋅ n 1000
Fc = 2 ⋅ Fc1 = k ⋅
Fúrási nyomaték:
Mc =
Teljesítményigény: Pc =
[m min ]
f ⋅ d k c1.1 f ⋅ d = qc ⋅ 2 h 2
k c1.1 f 1− qc ⋅ d 2 ⋅ qc 8000 (0,5 ⋅ sin σ 2)
[
M c [Nm]⋅ n min -1 9550
[N] [Nm]
] [kW ]
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Sajátosságai:
Marás
• főmozgás: állandó sebességű forgó mozgás, szerszám végzi • forgácsleválasztás: szakaszos (egy fog be- és kilép) változó keresztmetszetű a forgács, ezért „duplán” dinamikus jellegű • szerszáma: maró
átmérője: φ d, mm;
fogszáma: z
• mellékmozgások: előtolás irányú: a szerszám és/vagy a munkadarab végzi a főmozgástól független (főorsótól nem függ) vf = f . n = z . fz . n (mm/min), ahol: fz - fogankénti előtolás, mm z - a maró fogszáma n - a maró fordulatszáma, min-1 fogásvételi mozgások: a szerszám és/vagy a munkadarab végzi ae - sugárirányú fogásvétel, mm ap - passzív (tengelyirányú) fogás, mm dr. Sipos Sándor
14
FORGÁCSOLÁS
Palástmarás
Marás
elérhető pontosság: IT9IT9-11 ; Ra= 1,61,6-25 µm a szerszám: a palástfelületén elhelyezett fogakkal forgácsol, tengelye a felülettel párhuzamos, foghossza nagyobb a munkadarab szélességénél (ap=bw, mm)
Ellenirányú marás • forgácsvastagság növekszik, ezért • egyre nagyobb a forgácsolóerő • az eredő erők emelő hatásúak főorsó fordulat
• rosszabb felületi érdesség • nagyobb szerszámkopás • kedvezőtlenebb éltartam • régi gépen is alkalmazható
Asztal előtolás
• kopott gépen is alkalmazható
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS Homlokmarás elérhető pontosság: IT9IT9-11 ; Ra=1,6Ra=1,6-25 µm
Marás
a szerszám: a palástfelületén elhelyezett fogakkal forgácsol, tengelye a felületre merőleges, átmérője nagyobb a munkadarab szélességénél (ae= bw , mm) Munkadarab
• forgácsvastagság változó, ezért • a forgácsolóerő növekszik, majd csökken • korszerű szerszámanyagok: bevonatos keményfém, kerámia, köbös bórnitrid, gyémánt
vc
• a felület érdessége változó vf
• a legtermelékenyebb marási változat • nagyteljesítményű gépeken előnyös • finommarás: IT7, IT8 ; Ra = 0,8-1,6 µm
z A marási átlagos Fc = k ⋅ a e ⋅ a p ⋅ f z ⋅ erőigénye: d ⋅π
[N ] dr. Sipos Sándor
15
Köszörülés
FORGÁCSOLÁS
• • •
abrazív (koptató) eljárás nagyon sok, kis méretű, kötött abrazív részecske (szemcse) dolgozik a „forgácsolóélek” statisztikus elrendezésűek és élszögűek
• • •
a forgó főmozgást mindig a szerszám végzi nagy forgácsolósebesség: vc~ 20 … 50 (150) m/s szakaszos forgácsleválasztás, változó forgácskeresztmetszet, magas forgácsolási hőmérséklet, izzó forgács („szikra”) csekély ráhagyás leválasztása kis fogásmélységgel
• •
a szerszám: többalkotós és porózus szerkezetű korlátozott önéleződés (forgácsolóképesség megújulás) szabályozással a forgácsolóképesség megújítható kölcsönös megmunkálás történik: a leválasztott anyag és a szerszámkopás összemérhető térfogatú
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Köszörülési változatok
Külső palástköszörülés - hosszelőtolásos - beszúró
Síkköszörülés - alternáló - forgóasztalos - mélyköszörülés
dr. Sipos Sándor
16
FORGÁCSOLÁS
Köszörülési változatok
Hosszelőtolásos furatköszörülés
Beszúró furatköszörülés
ae
vw
vw vfr
vs
vf vs
specifikáció Sima köszörűkorong 1A 400 × 50 × 127 89A 80 J 5 V127 A szerszám megnevezése:
jelölés
+
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Köszörülési változatok
Csúcsnélküli köszörülés áteresztő
Alakköszörülés (ábra: fogazat)
- lefejtő - profilozó Továbbá:
beszúró
• menet-, • profil-, • egyéb változatok
dr. Sipos Sándor
17
