Get Adobe Flash player

A furatmegmunkálások minőségnövekedése elsősorban a szerszáminnovációs tevékenységgel kapcsolatos, ez pedig lehetővé teszi a fúrás befejező műveletként történő alkalmazását. A fejlesztőknek a furatban dolgozó szerszámok esetében komoly szakmai kihívást jelent a tökéletes forgácsképző-képesség megteremtése, amelynek gyakorlati teljesüléséhez sokszor nem elegendő a konstrukció-élgeometria-bevonat helyes kombinálása és a megmunkálási körülmények kedvező feltételeinek megteremtése. A forgácstörésben keletkező zavarjelenségek ugyanis fúrásnál hatványozottan befolyásolják a megmunkált felület minőségének alakulását. A működő felületek kopásállósága, helyes működésbeli viselkedése egyértelmű kapcsolatban van a megmunkáláskor kialakult felületminőségi paraméterekkel. Köztudott, hogy forgácsolással előállított alkatrészek élettartama, működésbeli viselkedése és megbízhatósága az alakhűségen és a méretpontosságon túl nagyban függ a megmunkált felület mikrogeometriai eltéréseitől (hullámosság-W és érdesség-R), tágabb értelemben a felület minőségétől. A felület szabatos kiértékelése érdekében komplex módon kell elemezni a jellemző paramétereket. Nem elegendő kiemelten foglalkozni az érdességi (R) profil alakulásával, hanem egyre nagyobb figyelmet kell fordítani a szűretlen, tehát a teljes (P) profil megismerésére is.

 

Bevezetés

Bármilyen megmunkáló eljárást is alkalmazunk a gyártás során, a megmunkálás jellegétől függően működő felület eltérő mértékben sérül, érdes lesz. Geometriailag ideális felületek előállítása nem lehetséges, közel tökéletes felület viszont csak jelentős költségráfordítással érhető el. Korunk meghatározó és sokszor bizonyított ténye, hogy azon alkatrészek, amelyek megmunkálás utáni geometriája nagymértékben eltér az ideális alaktól, meghatározó módon befolyásolják annak működését. A kialakult felületi érdesség jellege többek között a következő műszaki tulajdonságokra hat közvetlenül: kopási viselkedés, súrlódási- és kenési (kenőanyag megtartó) tulajdonságok, alkatrészek kifáradása, illesztések megfelelősége és korrózióállóság.
Az alábbi tanulmány részletesen foglalkozik az ipari gyakorlat és számos műszaki terület által használt érdesség-átszámítási képlet(ek) esetünkre érvényes alakjának ismertetésével. Rávilágít arra a gyakran feledésbe merülő tényre, hogy az eljárások többségénél a szűrt érdességi profil egészen más képet mutat, mint a szűretlen, azaz a hullámosságot is tartalmazó profilkép. Kitér továbbá a statisztikailag származtatható matematikai paraméterek fontosságára és azok bizonyított műszaki tartalmára is.
A fúrási kísérletek elvégzésének módszere

A szisztematikusan megtervezett fúrási kísérletekhez kiváló teljesítőképességű, tömör keményfém fúrószerszám állt rendelkezésünkre. A kísérletekhez a szokásos emulziós hűtést, árasztásos körülmények között alkalmaztuk. A furatfelületek mikrogeometriai mérése Mahr-Perthen Perthometer PRK Concept-2D, 3D felületvizsgáló berendezésen történt [1]. A mérőrendszer tapintófejébe 4 µm csúcssugarú, FRW-750 típusú tapintót helyezve, a következő beállításokkal történt a mérés: alkalmazott vontatási hossz (Lt) 5,60 mm, a szűrési határhullámhossz (cut-off) Lc= 0,8 mm, a kiértékelési szakasz (Lm) 4,00 mm, a beállított vontatási sebesség pedig 0.50 mm/s. A cikkben mimimum két mérés átlagolt eredményei szerepelnek.

Edzett szerszámacélok fúrt
felületeinek mikrogeometriája

A közelmúlt szerszáminnovációs tevékenységének eredményeként forgalomba hozott korszerű, nagy teljesítményű fúrószerszámokkal végzett fúráskor nagy figyelmet kell fordítani a felület mikrogeometriai paramétereinek helyes értelmezésére. Ezekkel a szerszámokkal megmunkált 40 HRC keménységű edzett szerszámacélban (ToolOx 44) ugyanis akár az Ra=0,1…0,3 µm érték is elérhető volt. Annak ellenére, hogy az Ra átlagos felületi érdesség műszaki tartalma nem elegendő és a gyakorlat számára csak általános információt nyújt, mégis a legáltalánosabban használt érték (az Rz érdességmagassággal együtt), amely világszerte elterjedt paraméter a felület jellemzésére.

Az Ra azonban egyáltalán nem ad tájékoztatást a felületet alkotó kiugró érdességcsúcsok nagyságáról, azokat szinte figyelmen kívül hagyja. Az átlagos érdességről azt is fontos megemlíteni, hogy a különböző mérési helyeken – az Rt és Rz értékektől eltérően – közel állandó is maradhat. Tehát könnyen előfordulhat az, hogy míg az Rt (maximális egyenetlenség) és az Rz (egyenetlenség magasság) paraméterek nagyban eltérnek, az átlagos érdesség viszont hasonló értékeket mutat. A fúrókkal kialakított felületek esetében a munkadarab anyagának a szerszámhoz történő tapadása komoly következményekkel jár: a felületi érdességet (közel duplájára) növelik és nagyban megváltoztatják a felület mikrogeometriájának jellegét [2].

Szűrt és szűretlen profil-aránypárok fúrással megmunkált felületek esetén

A fúrásnál a szűrt érdességi profil (R) nagyban eltér a szűretlen, vagyis a teljes (P) profil paramétereitől (1. ábra). Eszerint a valóságos, tehát a hullámossággal együtt kiértékelt mikrogeometriai mérőszámok sokkal több információt tartalmaznak a felület felépítéséről, jellegéről, hiszen a középvonalra fektetés szűréstechnikája elmarad, a letapogatott aperiodikus felület közel ezért azonos a valóságos próbadarab felületével.

1_abra

1. ábra. A szűrt és a szűretlen profil közötti eltérés és jellemző mérőszámai

Az 1. táblázatban az egy vizsgálati ciklusban, D=10 mm szerszámmal, vc  = 40 m/min forgácsolósebességen elkészített furatok felületeinek mért értékei, valamint az ezekből számított paraméterarányok találhatóak különböző furatmélységek és előtolások esetén.

 

tablazat1

1. táblázat. Furatok érdességi eredményei [mm]

 

A táblázat adataiból egyértelműen kiderül, hogy az Rz és Ra jellemzők közötti átszámításra használt

Rz = 4 • Ra      (1)

egyenlet a kiváló érdességelőállító képességgel rendelkező fúrószerszámoknál nem alkalmas a megmunkált furatok mikrogeometriájának leírására. A forgácsolástechnika területén szerzett sok éves tapasztalatok alapján publikált szakirodalmak (például [3]) arra utalnak, hogy ez a szorzótényező – az adott eljárástól függően – négytől eltér és többnyire nagyobb értékű.

Az 1. táblázat tanúsága szerint edzett acélok fúrásakor az Rz és az Ra közötti átszámításra a (2) képlettel kapunk közelítő eredményt:

Rz = 6…8 • Ra      (2)

A táblázat eredményeiből továbbá az is kitűnik, hogy a szűretlen profil Pa mérőszáma 2…4-szer nagyobb a szűrt (azaz az Ra) paraméternél. Az egyenetlenség-magasságot vizsgálva a Pz paraméter 2…2,5-szer haladja meg az Rz értékeit, ha a szűrt és a szűretlen profilon felvett jellemzőket vetjük össze. Ezek alapján könnyen belátható, hogy a fúrással megmunkált felületek esetén jelentős hibát követünk el, ha nem vesszük figyelembe a teljes profilt jellemző mérőszámokat [4].

Az Ra-Rt magasságirányú paraméterek kapcsolata

A műszaki gyakorlatban viszonylag kevés szó esik a vizsgált felületek kiugró mikrogeometriai értékeinek nagyságáról, szinte mindig figyelmen kívül hagyjuk az ilyen jellegű eltéréséket. A felületi profil formai leírására alkalmas információkat azért kell bővíteni, mert az átlagos érdességi mérőszám önmagában nem sokat árul el a felületi profil tényleges alakjáról.

Ezeknek a jellemző paramétereknek különösen nagy szerepe van a fúrás műveleténél, hiszen a megmunkált felületet – többek között – a távozó forgács alakítja, az esetek többségében kisebb/nagyobb nyomot („barázdát”) hátrahagyva.  A 2. ábra három érdességi jellemzőt közöl és egy elektronmikroszkópos nagyítást (750x) mutat a furat felületéről. A közölt adatokból az alábbi következtetéseket lehet levonni:
–    a maximális egyenetlenség (Rt) paraméter 10-szer nagyobb, mint az átlagos érdesség, ami a megmunkált furatfelület mély barázdáltságára utal;
–    a szűrt Rt mérőszám fele akkora, mint a szűretlen, Pt paraméter, ami nem csak a felület kiugró érdességcsúcsaira utal, hanem arra is, hogy
–    a felületen jelentős hullámosság alakul ki. Erről az egyéb jellemzők adnak felvilágosítást (Psm/Rsm arányszám), amelyeknek értéke ez esetben 4-5.

2_abra

2. ábra. Furathossz 30 mm, előtolás 0,08 mm

 

Az ilyen és ehhez hasonló eltérések a felületi mikrogeometria jellegét nagymértékben befolyásolják, ez pedig nagyon károsan hat a működési tulajdonságokra. Ezeket a jelzésértékű mérőszámokat figyelmen kívül hagyva komoly problémák adódhatnak az adott alkatrész működése közben, ráadásul annak élettartama is jelentősen csökkenhet.

A profil maximális csúcsmagasságát leíró
paraméter jelentősége

A profil maximális csúcsmagassága (Rp) a kiértékelési szakaszon (jelen esetben 5×0,8 mm alaphosszon) belül értelmezett, és a mért profilcsúcsok átlagértékét adja. Az Rp paraméter információtartalma néhány esetben megkérdőjelezhető, hiszen egy-egy kiemelkedő, lokális profileltérés könnyen befolyásolhatja a mérés eredményét. A korszerű fúrószerszámokkal elvégzett felületvizsgálataink erre a magasságirányú paraméterre is kiterjedtek. A mérések azt bizonyítják, hogy a fúrt felületeknél a kiértékelést nem befolyásolja az, hogy nem az Rpm (átlagolt maximális csúcsmagasság) paramétert használjuk a felületek jellemzésére, tekintettel arra, az érdességi profil esetében egy matematikailag szűrt profilról van szó.

A 3. ábra szerint a kisebb csúcsmagasság értékek esetén erős, robosztus és csak keskeny völgyekkel tagolt felületről (3. ábra/a) van szó, míg a nagyobb Rp értékek „anyaghiányos” felületről árulkodnak, tehát sokkal intenzívebben kopó, hegyes csúcsokkal és széles völgyekkel tagolt érdességprofil (3. ábra/b) alakul ki. Amennyiben az Rp/Rz arány nagyobb, mint 0,5 (az ábrán keretezve!), akkor a felületi profilt alkotó csúcszóna „tűszerű”, ha azonban kisebb 0,5-nél, akkor pedig jóval kedvezőbb, lekerekített érdességprofilról van szó. Bármely megmunkálásról is legyen szó, törekedni kell az a) típusú felület létrehozására, ugyanis a tűszerű profil bekopási tulajdonságai nagyon kedvezőtlenek, ráadásul a kopás során rövid idő alatt sok anyagrészecske válhat le, ami komoly problémát okozhat a felület működésében [6].

3_abra

3. ábra. Az Rp paraméter műszaki tartalma (képforrás: [5])

 

Intézetünk az utóbbi időben számos alkalommal foglalkozott a korszerű fúrószerszámok komplex minősítésével, ennek keretében pedig a megmunkált felületek mikrogeometriáját is a legnagyobb részletességgel dokumentáltuk. Vizsgálataink az ipari gyakorlatban széleskörben alkalmazott anyagminőségekre, többek között az extrém tulajdonságú (korrózióálló, edzett acél, HRSA anyagok stb.) ötvözetek vizsgálatára is kiterjedt. Ezen teszteredmények alapján és a jelen cikkhez készített eredményhalmaz birtokában a következő megállapítások tehetők:
–    fúrással megmunkált felületek Rp/Rz aránya 0,3-0,5 között változik, szinte soha nem haladja meg a 0,5 értéket. Ennek az a magyarázata, hogy a megmunkálás közben a szerszám jelentős mértékben súrlódik a furatfallal, így a szerszám csúcsa által kialakított felületi profil folyamatosan ledörzsölődik. Ez pedig a 3. ábra/a típusú profil kialakulásához vezet.
–    a 2. táblázatban eredményei azt mutatják, hogy kisebb (L=20 mm) furatmélységeknél a fentebb közölt arány az átlagosat alig meghaladó, viszont a nagyobb mélységű furatoknál sokkal kedvezőbb értéket mérhetünk, és ezek az arányok kiváló hordozófelületet jelentenek.

tablazat2

2. táblázat. Rp/Rz arányok

 
Furatfelület jellemzése a magasságeloszlás görbe paramétereivel

A hordfelület és a magasságeloszlás egyre fontosabb profiljellemzők, amelyek a mérés során regisztrált statisztikai adatok alapján egyértelmű képet adnak mind a megmunkált felület alakjáról, mind pedig annak terhelhetőségéről vagy éppen kenőanyag-megtartó képességéről.

A fúrással kialakított felületek jellegét – többek között – a magasságeloszlás görbe két fő paramétere jellemzi. Az egyik a ferdeségi mérőszám, Rsk (skewness), ez a paraméter a felületi mikrogeometria magasságeloszlás-függvényének alakját (a középvonalhoz viszonyított aszimmetriáját) jelzi. Az ún. gaussi-felületeknél – ahol az egyes profilpontok magasságeloszlásának függvénygörbéje szimmetrikus – az Rsk értéke nulla. Ha a mért felület profil csúcsai nagyobbak, mint a völgyek mélységei, akkor a felület pozitív ferdeségű, ha a völgyek mélyebbek a csúcsok nagyságnál, akkor a ferdeség negatív. A másik kiválasztott paraméter az Rku lapultsági mérőszám (kurtosis), amely a magasságeloszlás csúcsosságát, hegyességét, tehát szórását (szórásterjedelmét) jellemzi. A már említett gaussi-felületeknél Rku = 3 értékű. Ennél nagyobb Rku érték többnyire kiugró csúcsokra vagy völgyekre (esetleg mindkettőre) utal [6].

A korszerű szerszámokkal megmunkált fúrt felületek topológia térképéről (4. ábra) egyszerűen leolvashatók a profilt jellemző értékek. Látszik, hogy az Rsk negatív értékű, azaz a magasságirányú-eloszlás hosszabb része jelenik meg a középvonal felett, ami jó hordozótulajdonságú felületet jelent (kis, L = 10 mm furatmélységen elvétve pozitív Rsk értékek is voltak mérhetők). A platószerű csúcszóna nagy valós érintkezési tartomány kialakulására utal, tehát az érdességprofil csúcsain viszonylag kis helyi terhelések alakulnak ki.

4_abra

4. ábra. Az edzett acél fúrásának topológiai térképe

A negatív Rsk nem csupán fokozott kopásellenállást és kedvező teherviselési tulajdonságokat jelent, hanem – nagy Rku értékkel együtt – a kenőanyag megtartására hajlamos mély völgyeket is tartalmaz az érdességprofil [6].

Összefoglalás, további feladatok

A megmunkálási folyamat során elkészített furatok felületének mikrogeometriáját elemezve arra kerestünk választ, hogy az egyes felületjellemző mérőszámok milyen fúrási felületet feltételeznek. Jelen cikk arra mutat rá, hogy a szokásos érdességi paramétereken túlmutatóan is szükséges elemezni a megmunkált felületet. Hiba lenne elhamarkodottan és az estek többségében pozitívan megítélni a felületek érdességi profilját a legegyszerűbb, leginkább elterjedt mérőszámok alapján. A mérési eredmények azt bizonyítják, hogy az Ra paraméter – mivel matematikai szűrés és átlagolás eredményeként megkapott érték – egyszerű, de nem kielégítő jellemző. A tanulmány cáfolja a több évtizede használt érdességmagasság (Rz) átszámítására használt képletet. Megállapítja, hogy fúrással megmunkált felületek esetében az Rz paraméter hatszor – nyolcszor is nagyobb, mint az átlagos érdesség (Ra). A mérésekből kiderül továbbá, hogy a vizsgált szerszámmal készített furatfelületek jó mikrogeometriájúak és érdességűek.

A cikk rövid fúrási hosszakon készült felületek érdességéről számol be, arról nem ad tájékoztatást, hogy milyen felületi érdesség várható a szerszám huzamos működése esetén (pl. néhány száz furat elkészítésekor). A közeljövőben ezeket a vizsgálatokat, illetve a fúrással kialakított felületek 3D-s topográfiai méréseit is tervezzük elvégezni.

Szalóki István
ÓBUDAI EGYETEM Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar

Köszönetnyilvánítás
„A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. (TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 Kritikus infrastruktúra védelmi kutatások)”

Irodalom
[1]    Szalóki, I.: Nehezen forgácsolható acélok fúrása. Szakdolgozat, Óbudai Egyetem, Budapest, 2012. pp. 70.
[2]    Béla Palásti-Kovács; Sándor Sipos; István Szalóki: Experimental research of cutting performance and quality abilities of modern drilling tools; Key EngineeringMaterialsVol. 581 (2014) pp 32-37 ISSN 1013-9826 (http://www.scientific.net/KEM.581.32)
[3]    Palásti-K, B. – Sipos, S. – Czifra, Á.: “Rz=4*Ra” és egyéb érdességi értelmezések a forgácsolt felületek értékelésében Gyártóeszközök, szerszámok, szerszámgépek (XVII. évf.), Műszaki Kiadványok, 2012. p. 20-24. ISSN 1587 – 9267
[4]    G. N. Tóth, Á. Drégelyi-Kiss and B. Palásti-Kovács: Analysis of microgeometrical parameters of cutting surfaces, 8th International PhD & DLA Symposium, 29-30 October 2012. University of Pécs, Pollack Mihály Faculty of Engineering and Information Technology in Hungary, Session 2.3, pp. 12. ISBN 978-963-7298-48-6
[5]    M., Sander: Oberflächenmeßtechnik für den Praktiker. 1989 by Feinprüf GmbH, Göttingen, Best. Nr. 3752372
[6]    Czifra, Á.: Útmutató a mikrotopográfiai vizsgálatok laborgyakorlatához. Óbudai Egyetem, Budapest, 2011, pp. 14.