Get Adobe Flash player

Segítség, a lapkák összementek!

dr. Sipos Sándor        Ráczi Viktor                     Vojtkó István
c. egyetemi docens    intézeti mérnök                műszaki igazgató
Óbudai Egyetem,       BGK/AGI ÓE, BGK/AGI       TaeguTec Hungary Kft.

A termelékeny és pontos gyártás elengedhetetlen feltétele a legkedvezőbb forgácsolási tulajdonságú szerszámok alkalmazása. A forgácsolóképesség növelésének elismert módszere a folyamatos szerszáminnováció, amelynek legfontosabb területei a konstrukciós fejlesztés és a szerszámok bevonatolása.
Ennek eredményeként hihetetlenül változatos eszközkészlet áll a felhasználók rendelkezésére. Az alábbiakban a TaeguTec cég esztergaszerszámairól közlünk rövid, számos forgácsolási teszt tapasztalata alapján összeállított áttekintést.

Bevezetés

A termelékeny és pontos gyártás alapvető követelménye a megfelelő felszerszámozás. Ez azt jelenti, hogy mindig a legkedvezőbb forgácsolási tulajdonságú szerszámokat kell alkalmazni. A világpiac vezető szerszámgyártói jól tudják: a forgácsolóképesség növelésének egyetlen módja a folyamatos innováció, amelynek sokat ígérő területei a konstrukciós fejlesztés és a szerszámok bevonatolása. Az előbbihez az élgeometria és a forgácsolási feladat összehangolása (szerszámszögek, élpreparáció, forgácstörő-választék stb.) és a lapkarögzítés újszerű megoldásai tartoznak, az utóbbihoz pedig a bevonatrendszer tulajdonságait (a rétegképzés módszere, a rétegek minősége, sorrendje és száma stb.) sorolhatjuk. Ennek eredményeként hihetetlenül változatos eszközkészlet áll a felhasználók rendelkezésére. A gyártó üzemek azonban jókora késlekedéssel alkalmazzák ezeket az innovációs eredményeket. Esetenként az is előfordul, hogy indokolatlanul favorizálják a megszokott márkát, mert nem szívesen váltanak egy szerszámcégről egy (ígéretesebb, de ismeretlen) másikra.

Az alábbiakban a TaguTec cég (az IMC-csoport tagja) esztergaszerszámairól közlünk rövid, számos forgácsolási teszt tapasztalata alapján összeállított áttekintést.

Forgácsolási tesztek tapasztalatai

Az esztergálási teszteket BGK nagyműhelyében telepített CNC-esztergán (gyártó: Dugard Eagle, típus: BNC1840) hajtottuk végre, a munkadarabot tokmányba fogva, csúccsal megtámasztva (1. ábra).

1. ábra. A tesztforgácsolások gépe (balra) és a KISTLER erőmérőrendszer (jobbra)

A forgácsolás közben fellépő erőket Kistler 9021A típusú mérőpaddal regisztráltuk, az Fx, Fy és Fz erőkomponenseket pedig Dynoware szoftverrel értékeltük ki. A vizsgált lapkák éllekerekedését, illetve a próbadarabok különböző beállítással és lapkával esztergált felületeinek vizsgálatát a Mikrotopográfiai Laborban, Mahr-Perthen Perthometer CONCEPT (2D/3D felületvizsgáló) nagyműszerrel hajtottuk végre. A méréshez Mahr-gyártmányú, 90°-os kúpszögű, 2 µm csúcssugarú tapintót használtunk, a regisztrált profiladatokat a MarSurf XCR-20 szoftver segítségével értékeltük ki.

A szisztematikusan összeállított tesztek során a lapkák hatékonyságát egyrészt az anyagleválasztási sebességgel (V’, cm3/min), másrészt a fellépő erőkomponensek mérésével és az esztergált felület érdességi paramétereinek összehasonlításával jellemeztük. Az előző, leginkább elfogadott jellemzőket kiegészítettük az egyes kísérleti beállítások közben leváló forgácsok megfigyelésével, összegyűjtésével és tablóba rendezésével. Ezt követte a forgácsok – jól bevált szempontok szerinti – osztályozása.

Különböző élkialakítású lapkák összehasonlítása

A vizsgálat fő célkitűzése annak kiderítése volt, milyen jellemzőkben és mértékben tér el egymástól a különböző (ISO/wiper) kialakítású változatok forgácsolási hatékonyságsága. A mérési sorozatban a = 1,5 mm (állandó) fogásmélységet,
vc = 80…315 m/min közötti forgácsolósebességet és f = 0,1…0,35 mm előtolástartományt használtunk [1].

A tesztsorozatban TWLNR 2525 M06 jelű tartóba fogott WNMG060408 alakjelű lapkákat használtunk. A TT8115 jelű anyag egy „GoldRush” felületkezelésű, növelt kopás- és kipattanásállóságú anyagminőséget jelent, amely fokozott hőmérsékletű (azaz nagy sebességű) esztergálásra alkalmas. Az ISO-lapka forgácstörője FG, a wiper változaté pedig WT jelű volt. A munkadarab anyaga C60 szerkezeti acél (keménysége HB 210±5), Ø120×300 mm méretű volt, tokmányoldalon befogócsappal, a szegnyereg felőli oldalon pedig B6,3 (MSZ3999) központfurattal.

Az 1. táblázat a vc = 250 m/min sebességhez tartozó mért és számított (Re) eredményeket tartalmazza.

1. táblázat. ISO és wiper élkialakítású lapkák összehasonlítása

A 2. ábra az Ff , Fc és az Fp erőkomponensek adatait, valamint az egyes összetevők modellfüggvényeit tünteti fel az előtolás függvényében. A grafikonból megállapítható, hogy szinte valamennyi esetben az ISO-kivitel 10%-kal nagyobb Fc és Ff erőt igényel, mint a wiper kialakítás. A passzív erőhatásról viszont éppen az ellenkezője állítható, ezért a wiper élalakot csak merev munkadarabok hossz- vagy keresztirányú esztergálásakor célszerű alkalmazni. Az
F1 = CFi . fxFi alakú erőmodellek összehasonlításából az is kiderül, hogy az előtolás xFi kitevője rendre az ISO-kiképzésű lapkánál nagyobb, vagyis a wiper lapkákat érdemes növelt előtolásnál üzemeltetni, mert a mérsékelt forgácsolási teljesítmény (Pc, kW) növekedését jól kompenzálja a gépi főidő (és a darabidő) csökkenése.

2. ábra. A vizsgált lapkákkal mért erőadatok és modellek

A 3. ábra az Ra és Rz mért, továbbá az Re elméleti érdességi adatokat foglalja össze. Látható, hogy az ISO-lapkánál mért Rz adatok monoton nőnek az előtolás függvényében, csakúgy, mint a parabolikusan változó elméleti érdesség (Re). Ezzel szemben a wiper kialakítással esztergált felületeken már a közepes (f > 0,15 mm) előtolásoknál is jóval kisebb érdesség mérhető, ráadásul a WNMG060408-WT jelű lapkák a vizsgálati tartományban határozott optimumot mutatnak.

3. ábra. A vizsgált lapkákkal esztergált felületek érdességei és modelljei

Ez jól látszik az egyenetlenség magasságra kapott

           (1)

alakú másodfokú polinommodellből. Ennek alkalmazásával meghatározható az optimális előtolás (fopt), ugyanis az (1) függvény szélsőértéke az

                  (2)

egyenlettel számítható. A wiper lapkánál fopt = 0,5 · 33/68 ≈ 0,24 mm, ami nagyon megközelíti a ténylegesen mért Rz értékét.

A forgácstablót a 4. ábra mutatja. Megállapítható, hogy a vizsgált, viszonylag nagy sebességen mindkét forgácstörő hasonló törési hatékonyságra képes. A leválasztott forgács „osztályzata” 1…5 között lehet, az alábbiak szerint [2]:
gubancolódó, a dolgozóra és/vagy a szerszámra is veszélyes, tekeredő forgács: „1”,
a hengeres spirálforgács: „ 2”,
a rövid kúpos vagy spirálforgács: „3”,
a 3-5 „íz”-ből álló, „C”-alakú tört forgács: „4”,
a kedvezően tört, „C” vagy „G” alakú forgács „5” osztályzatú.

4. ábra. A vizsgált lapkákkal leválasztott forgácsalakok és a törési hatékonyság (%)

A törési hatékonyság százalékos értéke a különböző beállításoknál gyűjtött forgácsok valódi pontszámait (S) hasonlítja össze a maximálissal (6 beállítás × 5 pont = 30 pont). Ebből a szempontból az ISO-kialakítás kitűnik (93,3%), bár a wiper élalak is jól teljesített (80%).

Összességében a wiper kivitel forgácstörésben elmarad az ugyanolyan körülmények között vizsgált ISO-tól, viszont kedvezőbb tulajdonságú mind a fellépő erő, mind pedig az előállított felületi érdesség szempontjából. Az eltérő élkialakítású lapkák hatékonyságának összehasonlítását a cikk következő fejezete mutatja be.

Különböző élhosszúságú lapkák összehasonlítása

A szakcikk címének az az alapja, hogy a billenőcsappal leszorított lapkák élhosszúságát nagyoló esztergálásnál – részben az előgyártmány ráhagyási adatai miatt (Near Net Shape technika), másrészt a „P” típusú rögzítési mód viszonylagos bizonytalansága miatt – nem szokták teljes egészében kihasználni. Az élhossz csökkentése és a lapkavastagság változatlanul tartásának eredménye egy zömökebb, robosztusabb („rinocérosz-szerű”) szerszámalak, ugyanakkor az alkatrészre vetített lapkaköltség sokkal kedvezőbben alakul.

Vizsgálatunk elsődleges célja a hagyományos (l = 12,8 mm) és egy csökkentett (l ≈ 9,53 mm, ún. Rhino-Rush, röviden: RR) élhosszúságú, egységes vastagságú (s = 4,76 mm) lapkák teljesítőképességének összehasonlítása volt. A széles körű tesztsorozat több lapkaanyagra és forgácstörőre is kiterjedt, itt azonban – terjedelmi okokból – csak a legjobban bevált megoldást részletezzük. Mindkét élhosszúságú lapka a kiemelkedő hatékonyságú, PC jelű forgácstörővel készült [3] és anyaguk is azonos volt (TT9080 – P, K, M és S anyagcsoportban alkalmazható PVD bevonatos minőség, TiAlN/TiN rétegekkel). A mérési sorozatban 1.4541 jelzésű (Ko36Ti) ausztenites korrózióálló acél munkadarabokat (mérete: Ø96…105 x 380 mm, keménysége: 170±5 HB) esztergáltunk. Az anyaggal való takarékoskodás miatt viszonylag kis és állandó fogásmélységet (a = 1,5 mm), valamint f= 0,1…0,25 mm értékű előtolásokat állítottunk be, míg a forgácsolósebességet a vc = 100…160 m/min tartományban változtattuk [4].

Az ISO és az RR szerszámok konstrukciós sajátosságait az 5. ábra szemlélteti. Látható, hogy az élhossz csökkenése (5/a. ábra) csak az egyik lényeges különbség a lapkák között, a másik a furaton történő leszorítás módszerében van. Az RR-nél alkalmazott horgos billenőcsap nem csak a fészekben tartja a lapkát, hanem egyértelmű axiális szorítóhatást is kifejt (5/b. ábra), tehát az ilyen módon rögzített lapka kevésbé hajlamos berezgésre, a terhelés pedig jobban eloszlik a szerszámban (5/c. ábra).

5. ábra. A kétféle konstrukció összehasonlítása

A 6. ábra a tesztek eredményeit mutatja be. Ebből az állapítható meg, hogy az erőhatások tekintetében elenyésző különbség van a kétféle élhossz között (6/a. ábra). A fajlagos forgácsolóerő (kc) a 2200…2800 N/mm2 tartományban van, az Ff előtolás irányú erő pedig a forgácsolóerő (Fc) 45…70%-a. Megjegyezzük, hogy egyrészt a nagyobb értékek a kisebb előtolásokhoz tartoznak, másrészt pedig a mindkét számszerű adat egybeesik a szakirodalomban közölt értékekkel [5].

6. ábra. Különböző élhosszúságú lapkákkal elért eredmények

Az érdességi vizsgálatok (lásd 6/b. ábra) meglepő eredményt hoztak: a RhinoRush lapkákkal esztergált felületeken minden beállítás esetén kisebb érdességet mértünk. Ez arra vezethető vissza, hogy mind a forgácstörés, mind pedig az élrátét kedvezőbben alakult a kisebb élhossznál. Az Re elméleti érdesség csak a megnövelt előtolások (f > 0,2 mm) tartományában adott a mérési adatokkal összevethető értékeket. Figyelemre méltó az is, hogy az Rz adatok átlagosan 6-szor nagyobbak az Ra értékeknél, ami a viszonylag kis (fmax = 0,25 mm) előtolásoknak tudható be [6].

A 7. ábra egymás mellett mutatja be a különböző élhosszúságú lapkák alkalmazásakor készített forgácstablókat. Az azonos törőkialakítású lapkák láthatóan másként működtek, mert az RR típusú jobban összehajlította és feldarabolta a forgácsot, mint ahogy azt a hagyományos változat tette. Ezzel a törési hatékonyság számottevően megnövekedett.

7. ábra. Különböző élhosszúságú lapkák forgácstablói

Összesítve a fentieket, a RhinoRush kivitel minden szempontból kedvezőbb az ugyanolyan körülmények között tesztelt hagyományos (l = 12,7 mm) változatnál. Még az EM és MT jelű törőgeometriáknál is az igazolódott be, hogy a forgácstörés és az előállított felületi érdesség szempontjából jóval kedvezőbb az RR típusú lapka. Az eltérő élkialakítású lapkák hatékonyságának összehasonlítását a cikk következő fejezete ismerteti.
Lapkahatékonysági vizsgálat

A lapkák teljesítőképességének objektív minősítésére kidolgozott eljárást a [2] szakirodalom ismerteti. E módszer lényege, hogy egy lapka forgácsolóképességét négy, könnyen számítható vagy megfigyelhető, másrészt viszonylag egyszerűen mérhető tényező jellemzi. Az eljárás előnye az is, hogy anyag-, eszköz- és költségkímélő, mert a szerszám tesztelése rövid időigényű használat közben történik. A hatékonyság (H) egy ebből képzett számadat és a

      (3)

formulával írható le, amelyben az anyagleválasztási sebesség (V´, mm3/min), a forgács alakjára utaló „osztályzat” (g), a forgácsolás aktív ereje (Fa, N) és az elért érdesség (Rz, µm) szerepel.

A (3) képlet azt sugallja, hogy minél nagyobb az anyagleválasztási sebesség (azaz a fogásmélység, az előtolás és a forgácsolósebesség) és kedvezőbb a forgácsalak, annál jobb a hatékonyság. Másrészről, minél kisebb a forgácsleválasztás és –törés erőigénye és minél kisebb érdességű az esztergált felület, annál kedvezőbben alkalmazható a lapka.

A 2. táblázat a hagyományos élhosszúságú CNMG jelű lapka mért és számított adatait foglalja össze. A kilenc beállításból már könnyen kiválasztható a kedvező alkalmazási hatékonyság, sőt, a legjobb eredményt adó (és színessel kiemelt) beállítások is.

Bármely lapka komplex hatékonysága (HK) az egyedi beállításokra meghatározott H1…Hn értékekre épül, és százalékosan fejezi ki az adott lapkageometria és/vagy élkialakítás hatékonyságát a vizsgált négyféle jellemzőre vonatkozóan (lásd 2. táblázat). Értéke a lapka átlagos teljesítőképességét tükrözi az összes beállításra nézve, azaz egy komplex, százalékos mutató. A lapkák értékelésénél a főbb statisztikai jellemzőket (átlag, szórás, varianciahányados) használjuk fel, a kalkulációhoz azonban az egyes mért/számított adatok átlagolt adatait vesszük figyelembe. A HK számítási képlete a fentiek alapján.

amelynek a (3) képlethez hasonló az alakja. Az átlagos forgácsleválasztási sebesség és a törési hatékonyság (lásd 4. ábra) mellett a formula egyrészt az Fa aktíverőt adja meg az Fc forgácsolóerőhöz viszonyítva (ezért ezen érték mindig 100%-nál nagyobb), másrészt az elméleti érdesség közepes előtolásra meghatározott Reátlag ≈ 125 . f2átlag/RE [μm] értékét veti össze az Rz mérési adatainak átlagával. Megjegyezzük, hogy RE a csúcssugár értéke mm-ben értendő, a jelölés pedig ISO13399 szerinti. A leírt módszerrel megoldható a lapkák akár eltérő adatokkal végzett minősítése is, ehhez azonban a V’% értékét megfelelően módosítani kell.

2. táblázat. Hagyományos élhosszúságú lapka hatékonysága

A 8. ábra a (4) összefüggéssel meghatározott komplex hatékonysági értéket szemlélteti az előző fejezetekben bemutatott lapkatípusokra. A diagramból az alábbi következtetések szűrhetők le:

1. A forgácsolósebesség növelésével a lapkák teljesítőképessége nagymértékben növekszik (8/a. ábra). Szerkezeti acél esztergálásakor (azonos körülmények mellett) a wiper kialakítás akár 25…100%-kal fokozza a hatékonyságot: a forgácstörési képesség ugyan kismértékben rosszabb lesz, de a forgácsolóerők mérséklődése, főleg a felületi érdesség javulása ezt kompenzálni tudja.

2. Ausztenites korrózióálló acél esztergálásakor a hagyományos élhosszúságú lapkák komplex hatékonysága elmarad az RR típusúakétól (8/b. ábra). Ez a tény a tapasztalt intenzívebb forgácstöréssel és a megmunkált felület kisebb érdességével függ össze.

3. A komplex hatékonyság jól jellemzi az esztergált anyagok forgácsolhatóságát is (lásd 8. ábra). Például korrózióálló anyagnál, azonos forgácsolósebességen (vc = 160 m/min) a hagyományos (ISO élkialakítású, CNMG120408) lapkák csak kb. negyedannyi teljesítőképességet érnek el, mint a jobb megmunkálhatóságú, C60 jelű szerkezeti acél esetében. Ennek az a magyarázata, hogy a Ko36Ti jelzésű ausztenites korrózióálló acél esztergálásakor folyamatos az élrátét jelenléte, ráadásul az oldalsorja-képződés és a fokozott felkeményedési hajlam is rontja az alkalmazott lapka teljesítőképességét.

Megjegyezzük, hogy a (4) képlet szerint számított hatékonyságot nem lehet a lapka hosszú távú teljesítőképességének mérésére felhasználni, mert a szerszám kopása meghatározó mértékben befolyásolja a fellépő erőket, a leválasztott forgácsot és a megmunkált felület érdességét is [2].

8. ábra. A vizsgált lapkák komplex hatékonysági adatai

Összefoglalás

Az előzőekben négyféle lapkatípusról közöltünk ‒ szisztematikus forgácsolási tesztek eredményeivel alátámasztott ‒ összefoglalót. A fentiek alapján az alábbi megállapítások tehetők:

A WNMG alakú lapkák tesztelését eltérő körülmények között, azaz igen nagy forgácsolósebesség tartományban (vc = 80 … 315 m/min) végeztük annak érdekében, hogy megismerhessük a lapkák viselkedését és teljesítőképességét. A közölt eredményekből egyértelmű és a HK komplex mutatószámot alkalmazva pedig számszerűsítve is kimutatható az, hogy minden szempontból előnyös a forgácsolósebesség növelése. Vizsgálatokból az is kiderült, hogy az ISO geometriájúhoz képest a wiper élkialakítás legalább megduplázza a lapka hatékonyságát. Wiper éllel esztergálva a forgácsolósebesség négyszeresére történő emelése akár 10-szeresére is növelheti a komplex hatékonyság százalékos értékét.

A RhinoRush (csökkentett élhosszúságú) lapkaváltozat még nehezen forgácsolható acélminőségeknél is felülmúlja a normál élhosszúságú típust. A billenőcsapos késtartókat nem szokás nagy fogásmélységgel (a ≤ 3 mm) használni, ilyen alkalmazáskor ezért indokolatlan a 12 mm-es élhossz. Bár az RR típushoz megfelelő tartó szükséges (azaz nem ISO csereszabatos), azonban felhasználása mégis gazdaságos, hiszen kb. 30%-kal olcsóbb a lapka, mint a normál élhosszúságú változat.

Végezetül fontos azt megemlíteni, hogy az általunk definiált és a fenti tesztvizsgálatban alkalmazott komplex hatékonyság csak a lapkák rövid időtartamú forgácsolóképességének jellemzésére szolgál és az üzemeltetés fontos jellemzőire (anyagleválasztás, forgácstörés, erőhatások, érdesség) koncentrál.

Irodalomjegyzék

[1] TaeguTec gyártmányú, ISO és wiper lapkák hatékonyságának komplex vizsgálata
Kutatási jelentés, BGK, Budapest, 2017. pp. 53.
[2] dr. Sipos, S.: Forgácsolólapkák hatékonysági vizsgálatának új módszere
Int. Eng. Symposium at Banki 2017, Budapest, 2017. nov. 27.
[3] Sz. Biró, A. Nagy és S. dr. Sipos (2011): Up to date cutting inserts with modern geometry for machining applications XXV. microCAD Int. Scie. Conference, 31 March – 1 April 2011.
Section L: Production Engineering and Manufacturing Systems, p. 17-22
[4] TT lapkák forgácsolóképességének műszeres vizsgálata
Kutatási jelentés, BGK, Budapest, 2016. pp. 41.
[5] Sipos, S., Palásti, K.B. és Horváth, R. (2015): Forgácsoló technológiák és szerszámai (Elektronikus jegyzet, ÓE 3057)
[6] B. Dr. Palásti-Kovács, S. dr. Sipos és Sz. Biró (2014): The Mysteries of the Surface First Part: The Characteristic Features of the Microgeometry of the Machined Surface     Acta Polytechnica Hungarica, 11. 5-24.   DOI: 10.127000/APH 11.05.2014.05.1