M!anyag-feldolgozás
Polimerek esztergálásánál fellép" forgácsoló er" vizsgálata Dr. Keresztes Róbert* egyetemi adjunktus, Fledrich Gellért* tudományos munkatárs, Dr. Kalácska Gábor* egyetemi tanár, intézetigazgató 1. Bevezetés Napjainkban a gépészmérnöki gyakorlatban egyre szélesebb körben alkalmaznak korszer! m!szaki m!anyagból készült alkatrészeket. Ezeket a gépelemeket leggyakrabban fröccsöntéssel vagy valamely forgácsolási eljárással állítják el". A fröccsöntési technológiát általában nagy darabszám és sorozatgyártás esetén alkalmazzák, míg az egyedi és kisebb darabszámú gyártásnál a forgácsoló eljárásokat részesítik el"nyben. A forgácsoló eljárások között gyakran el"fordul az esztergálás. M!szaki m!anyagok esztergálásakor számos probléma merülhet fel. Ezek közül az egyik a folyóforgács kialakulása, mely balesetveszélyes, és a forgácsoló szerszám meghibásodását, esetleg teljes tönkremenetelét, törését okozhatja. Ezért lényeges a megfelel" forgácsolási paraméterek beállítása, mert elemi vagy átmeneti (könnyen tör") forgács kialakulása is lehetséges. Fontos még ismerni a forgácsolás során ébred" f"forgácsoló er" nagyságát is. Ennek ismeretében a forgácsoló szerszám terhelése egyenletesebbé tehet", valamint a helyes beállításoknál a forgácsolt anyagban a visszamaradó feszültség minimálisra csökkenthet".
Az esztergálás során fellép" er"k viszonyait az 1. ábra szemlélteti.
2. Kísérleti módszerek, eszközök A forgácsolás olyan megmunkálási eljárás, melynek során úgy alakítjuk ki a munkadarab kívánt alakját, hogy a felesleges anyagréteget egy arra alkalmas szerszámmal, kisebb-nagyobb részecskék (forgács) alakjában eltávolítjuk. A forgácsleválasztáshoz a szerszám és a munkadarab között relatív elmozdulásra, forgácsoló mozgásokra van szükség.
2. ábra. Az esztergagép és a befogott munkadarab
2.1. A vizsgálatokhoz használt berendezések A vizsgálatokhoz használt CNC esztergagép típusa Emco Compact 5. A berendezés a GÉPIPARI TECHNOLÓGIAI INTÉZET (GÉTI) laborjában található, programozása G kódokkal történik. A befogott munkadarab, valamint a késtartókba fogatott bélyegzett késszár és az esztergakés fényképe a 2. ábrán látható.
Az er"k méréséhez használt késmegfogás felépítését a 3. ábra mutatja. Az ábra els" része a 3D-s modellt szemlélteti.
3. ábra. Er!mér! késszár modell és valós képe
1. ábra. Esztergálás er!összetev!i (ISO 3002/4, DIN 6584) *Szent
106
Minden oldalon 2–2 nyúlásmér" bélyeg van feler"sítve. Teljes hídba kötve a bélyegeket a két irányban fellép" er"k mérésére van lehet"ség. A kés függ"leges síkjában történ" elmozdulásból származó Fv f"forgácsoló (tangenciális), és a vízszintes síkú elmozdulásból szár-
István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gépipari Technológiai Intézet, 2103 Gödöll"
2010. 47. évfolyam, 3. szám
mazó Ff el"tolás-irányú (axiális) er" határozható meg. A mér"száron található 4 menetes furatra van felrögzítve egy második késtartó, melybe már ténylegesen a forgácsoló szerszám került. A tangenciális (alsó-fels") és el"toló (jobb-baloldali) er"ket mér" bélyegek vezetékeken keresztül csatlakoznak a Spider 8 típusú mér"er"sít"höz, mely az analóg jeleket digitálissá alakítja át, majd továbbítja a számítógép felé. Catman 3.1 program segítségével láthatjuk a mért adatokat. A mérés és adatgy!jtés frekvenciája 25 Hz. 2.2. A vizsgálatban szerepl! anyagok A mérnöki gyakorlatban gépelemek gyártására gyakran használt polimer alaptípusokat vizsgáltuk. Az 1. táblázatban a termék megnevezése, teljes megnevezése és a kés"bbi diagramokon szerepl" jelölések szerepelnek. A forgácsoláshoz el"készített próbatesteket a 4. ábra mutatja. A vizsgált polimerek fontosabb tulajdonságait a 2. táblázatban foglaltuk össze.
den egyes beírt forgácsolási sebesség érték egy-egy anyagonkénti vizsgálatot jelent, melyhez egy el"tolás és egy fogásmélység tartozik. Ez anyagonként 60 mérést jelent. 2.4. Forgácsolószerszám kialakítása A gyorsacél (HSSCo5) forgácsoló esztergakés élszögeit a m!szaki táblázatok alapján határoztuk meg. A hátszög #0 = 10°, a homlokszög $0 = 5°. Az esztergakést profilköször! gépen, gyémánt köször!tárcsával köszörültük, az elkészült kés az 5. ábrán látható.
5. ábra. A használt esztergakés betét (HSS)
4. ábra. A forgácsoláshoz el!készített próbatestek
2.3. Forgácsolási paraméterek Fordulatonkénti el"tolás: f = 0,025; 0,05; 0,1; 0,2 mm/fordulat Fogásmélység: a = 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2 mm Forgácsolási sebesség: v = 50; 100; 200 m/min A 3. táblázatban a vizsgálatoknál alkalmazott paramétereket foglaltuk össze. Min-
3. Vizsgálatok eredményei és értékelésük 3.1. Forgácsoló er!k A vizsgálat során kétirányú er"ket mértünk. A tangenciális irányú f"forgácsoló er"t és az axiális, el"tolás-irányú er"t. 1. táblázat. M"anyagok megnevezése és jelölése
Sorszám 1. 2. 3. 4.
Termék megnevezése DOCAMID 6G H DOCAMID 6G DOCACETAL C DOCALENE
Teljes megnevezés Öntött poliamid 6, Magnézium Öntött poliamid 6, Nátrium Polioximetilén / Poliacetát UHMW – Polietilén
Saját jelölés PA 6G Mg PA 6G Na POM C HD 1000
2. táblázat. M"anyagok fontosabb tulajdonságai Szilárdság MPa 77–110 77–110 70–800 20–240
M"anyag PA 6G Na PA 6G Mg POM C HD PE 1000
Szívósság (Charpy) kJ/m2 112 112 8 nem törik
Csúszási tulajdonság µ 0,15–0,50 0,15–0,50 0,25–0,45 0,2–0,3
H!t"rés °C –40–140 –40–140 005–120 –80–110
Keménység Rockwell 85–98 HRC Rockwell 85–98 HRC Rockwell 86–90 HRC Shore 60–65 D
S"r"ség kg/dm3 1,15–1,6 1,15–1,6 1,4 0,96
3. táblázat. A forgácsolási sebességek az el!tolás (f) és a fogásmélység (a) függvényében, m/min a
f 0,10 mm 0,25 mm 0,50 mm 1,00 mm 2,00 mm
0,025 mm/fordulat 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200
2010. 47. évfolyam, 3. szám
0,05 mm/fordulat 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200 50 100 200
50 50 50 50 50
0,1 mm/fordulat 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200
50 50 50 50 50
0,2 mm/fordulat 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200
107
6. ábra. F!forgácsoló er! értéke különböz! m"anyagoknál adott forgácsolási paramétereknél
7. ábra. El!tolás-irányú forgácsoló er! különböz! m"anyagoknál adott forgácsolási paramétereknél
Az anyagokat fogásmélységenként, el"tolásonként, ezen belül pedig forgácsolási sebességenként csoportosítottuk. Ezeket egy fájlban egyesítve négy sorozatnyi f"forgácsoló és ugyanennyi el"tolás-irányú forgácsoló er" diagramot kaptunk. Ezekb"l paraméterenként egy-egy ábrát készítettünk. A 6. és 7. ábra egy-egy mintadiagramots zemléltet. A diagram címében szerepel az adott forgácsoló er" (f" vagy el"tolás-irányú), valamint az adott el"tolás (f, mm/ford), fogásmélység (a, mm) és forgácsolási sebesség (v, m/min). A függ"leges tengelyen szerepelnek az
adott er" értékei [N], a vízszintes tengelyen pedig a forgácsolási id" [s]. Egy diagramban ábrázoltuk mind a négy anyagot, így jól összehasonlítható, hogy azonos forgácsolási paraméterek mellett mekkora er"hatás éri a forgácsoló kést a különböz" anyagoknál. Minden szín egy anyagot jelöl a diagram alatti jelmagyarázatnak megfelel"en. A mérési eredményeket folytonos vonal jelöli. A szaggatott vonal az adott mérési id"tartam alatti átlagot mutatja. Ennek értéke a vonal mellett látható. Mivel minden egyes vizsgált munkadarab azonos méret!, a különböz" el"tolási- és forgácsolási sebesség
8. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PA 6G Mg esetén
9. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PA 6G Na esetén
108
2010. 47. évfolyam, 3. szám
10. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, POM C esetén
11. ábra. A f!forgácsoló er! értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, PE-HD 1000 esetén
értékek miatt a mérési id"tartam folyamatosan változó. Ezért a legtöbb mérésnél 7 másodpercet vettünk figyelembe. Bizonyos forgácsolási paraméterek esetén ezt az értéket nem érjük el, ezért ezeknél 4, illetve egy esetben 2 másodpercre csökkent a forgácsolási id". Minden egyes mérés diagramban való rögzítése után az adott paraméterekhez tartozó átlagértékekb"l a fogásmélység és az el"tolás függvényében ábrázoltuk a f"- és
el"tolás-irányú forgácsoló er"t az alábbi minták alapján (8.–11. ábra).
12. ábra. A fajlagos forgácsolási ellenállás értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, HD PE 1000
13. ábra. A fajlagos forgácsolási ellenállás értéke a fogásmélység és az el!tolás függvényében, Pa 6G Na
2010. 47. évfolyam, 3. szám
3.2. Fajlagos forgácsolási ellenállás Anyagok forgácsolásánál fontos tényez" a fajlagos forgácsolási ellenállás (ks). Az alábbi minta ennek változását mutatja a fogásmélység és az el"tolás függvényében (12.–13. ábra).
109
A irodalomban fellelhet" összefüggés szerint a f"forgácsoló er" a fajlagos forgácsolási er" (vagy ellenállás) és a forgácskeresztmetszet függvénye. Mivel a vizsgálatok során a f"forgácsoló er"t (Fv) mértük, a forgácskeresztmetszet (A) pedig a beállított paraméterek miatt adott, így az eredeti összefüggés átrendezésével megkapjuk a fajlagos forgácsoló er" értékét. Fv = ks·A = ks·a·s
!
ks = Fv/(a·s) [N/mm2]
(1)
A mintadiagram címében szerepel a vizsgált anyag és az alkalmazott forgácsolási sebesség. A koordinátatengelyeken a fogásmélység, és el"tolás mellett a fajlagos forgácsolási ellenállás szerepel (y-tengely), N/mm2 mértékegységben. A 12. és a 13. ábra diagramjain jól látható, hogy kis fogásmélység (<0.25 mm) és kis el"tolás (<0.1 mm/ford) esetén a fajlagos forgácsolási ellenállás értéke nagymértékben növekszik. Ez a növekedés a vizsgálatban szerepl" anyagokra megfigyelhet". Ebben a tartományban az egységnyi felület megmunkálásához szükséges energia jelent"s. 3.3. Forgácsképek A megmunkálás során levált forgács összegy!jtésre került és fényképek készültek ezekr"l, amik alapján megvizsgálható a keletkezett forgács jellege (folyó, lemezes, elemi). A 13. ábra a forgácsképet mutatja az el"tolás és a fogásmélység függvényében 50 m/min vágósebesség mellett POM C esetén. Anyagonként megállapíthatók azok a paraméterek, amelyeknél a forgács jellege a gyakorlati követelményeket jól kielégíti.
mértékben csökken. A keletkezett forgácsfajtát is figyelembe véve a PA 6G (Mg) nehezen forgácsolható anyagnak számít. Ajánlott a kisebb el"tolási sebesség alkalmazása (0,025 mm/ford). A PA 6G (Na) valamivel kisebb szívósságú a forgácsolási er" tekintetében, viszont a fajlagos forgácsoló er" esetén már jelent"sebb változás mutatkozik, megközelít"leg harmadára csökken. Az el"tolás és fogásmélység növekedésével ez az érték nem csökken olyan mértékben, mint a PA 6G (Mg) anyagnál. Forgácsolásakor ajánlott a kis el"tolás (0,025 mm/ford) és nagyobb fogásmélység (1–2 mm) használata. POM C esetén a forgácsoló és a fajlagos er" további csökkenését figyeltük meg. Mindkett" megközelít"leg a felére csökkent, de utóbbi esetében a PA 6G (Na)-nál tapasztalthoz hasonlóan itt sem csökkent az el"tolás és a fogásmélység növelésével olyan mértékben, mint az Mg anyagnál. Esztergálás szempontjából a vizsgálatban szerepl" m!szaki m!anyagok közül a POM C rendelkezett a legkedvez"bb forgácsképpel. A PA 6G típusokhoz képest itt a nagyobb el"tolások – az ajánlott fogásmélység növelésével – szintén el"nyösebb forgácsfajta kialakulásához vezettek. A legkisebb forgácsoló er"k a PE HD 1000 esetén mérhet"k. A fajlagos forgácsolási ellenállás értékén is jól megfigyelhet", hogy ez az anyag rendelkezik a legkisebb szívóssággal. Esztergálás szempontjából viszont nem kedvez" az anyag, mivel a vizsgált esetek nagy részében a keletkezett forgács folyóforgács. Az elemzések az esztergálási gyakorlatban jól hasznosíthatók. A vizsgált anyagok forgácsolásához és a kedvez" forgácskép kialakulásához beállíthatók a megfelel" el"tolás, fogásmélység és forgácsolási sebesség értékek a vizsgálati tartományokon belül. Gazdaságosság és termelékenység szempontjából a szerszám megfelel" terhelése megállapítható. Irodalomjegyzék
14. ábra. A forgácskép alakulása a fogásmélység és az el!tolás függvényében, POM C
4. Összefoglalás A vizsgálati eredményekb"l megállapítható, hogy mind a forgácsoló er", mind a fajlagos forgácsolási ellenállás szempontjából a PA 6G (Mg) bizonyult a legszívósabbnak. A fajlagos forgácsolási er" a forgácsolási paraméterek (el"tolás, fogásmélység) növelésével jelent"s
110
[1] Fledrich, A.; Kalácska, G.; Kozma, M.: M!szaki m!anyagok gépészeti alapjai, Minerva-Sop Bt., Sopron, 1997. [2] Angyal, B.; Dobor, Lné.; Palásti, K. B.; Sipos, S.: A forgácsolás és szerszámai, M!szaki Könyvkiadó, Budapest, 1988. [3] Frischerz, Gundelfinger; Häffher, Itschner; Kotsch; Staniczek: Fémtechnológiai táblázatok, B+V Lap- és Könyvkiadó Kft., 1997. [4] Kalácska, G.: M!szaki M!anyag Féltermékek Forgácsolása – Quattroplast Kft., Gödöll", 2005. [5] Nagy, P. S.: Szerszámgépek, gyártórendszerek, BDMF jegyzet, Budapest, 1997. [6] www.quattroplast.hu
2010. 47. évfolyam, 3. szám
