Felület érdességi modell nagypontosságú keményesztergáláskor
Az elmúlt 50 évben számos kutató foglalkozott már a felületi érdesség meghatározásával, ám az eddigi modellek nem adnak a technológusok számára kellően megbízható eredményt.
Így van ez a nagypontosságú keményesztergálásnál is, ahol az eltérés még nagyobb az elméletben számolt felületi érdesség és a gyakorlatban létrejött felület érdessége között. A jelentős eltérés okát úgy a szerszám oldaláról, mint a munkadarab oldaláról vizsgáljuk. Célunk egy olyan módszer kidolgozása, amely a szerszám él valódi kopottsági állapotából indul ki, és ebből határozza meg, a kopás mértékének megfelelően, a forgácsolási paramétereket, hogy a kívánt felületi minőséget tartani tudjuk.
Számos előnyét említettük már a nagypontosságú keményesztergálásnak a köszörüléssel szemben. Egyik legfontosabb előnye ennek a technológiának, az hogy az elérhető felületi érdesség több mint egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a köszörült felületé. Kereskedelmi forgalomban kapható szerszámmal, M1-es 62HRC keménységű acél esztergálásakor elértünk már Ra=0.04µm-es felületi érdességet, sorozatgyártáskor is. Ahhoz, hogy ezt a felületi minőséget elérjük rendkívül merev, rezgéscsillapított, termostabil, hidrosztatikus csapágyazású ultraprecíziós esztergagépre van szükség. Köztudott, hogy a szerszámkopás előrehaladtával ugyanazon forgácsolási paraméterek mellett romlik a munkadarab felületi érdessége. A szerszám kopása során változik a szerszám él mikro és makro geometriája, az előtolás irányának megfelelően egy többé-kevésbé egyenes szakasz keletkezik s az él érdessége is változik.
1. Felület érdességi modellek
Az előtolás csökkentésekor, a mért, valóságos felületi érdesség nem csak jelentősen eltér az elméletileg számítottól, hanem ahogy azt K.F.Koch [1] vizsgálatai kimutatták, kis előtolásoknál az eltérések szórása is jelentős. Ezt az állítást, a mi vizsgálataik is igazolták (lásd 1. ábra).
a szerszám oldaláról: a szerszámkopás, s az ezzel járó él érdesség megnövekedése,
munkadarab oldaláról: munkadarab anyagának folyása a mellékél irányába, a munkadarab szövetszerkezete,
szerszámgép oldaláról: futáspontosság, kinematikus hibák, valamint a megmunkáló rendszer merevsége, megmunkálás során keletkező rezgések
A valóságos felületi érdesség és szórása K.F.Koch [1]szerint
Az eltérésnek keményesztergáláskor is számos oka lehet:
Gyakorlati tapasztalat, hogy kemény anyagok esztergálásakor is gyakran keletkezik a munkadarabon jelentős nagyságú sorja, még a szerszám belépési oldalán is. Rideg anyagszerkezeti állapot esetén a sorja képződés helyett a munkadarabon az él kitöredezése figyelhető meg. Mindkét esetben arról van szó, hogy a szerszám éle alatt a feszültség eléri a folyási, törési határt. Több szerző feltételezi, hogy létezik egy minimális forgácsvastagság, amelyet a szerszám még képes leválasztani.
Brammertz [2] szerint az elérhető minimális elméleti érdesség ezzel a minimális forgácsvastagsággal egyenlő és értékét lágy anyagok megmunkálásakor 2-4µm-ben jelölte meg, figyelmen kívül hagyva az él-lekerekedési sugarát (rβ). L’VOV [3] a minimális leválasztható rétegvastagság meghatározásakor már figyelembe veszi az él lekerekedési sugarát, de az anyag képlékeny és rugalmassági tulajdonságait figyelmen kívül hagyja. Ismét a gyakorlati tapasztalatra hivatkozva, sem Brammertz sem L’VOV elméletével nem lehet megmagyarázni azt a gyakorlatban gyakran előforduló esetet, hogy egy új éllel forgácsolva (rβ=5-10µm) képesek vagyunk Rz=0.5 µm átlagos egyenetlenségű felületet előállítani, míg mind a homlok, mind a hátfelületén megkopott szerszámmal (rβ=1-3µm) csak Rz=1-3 µm átlagos egyenetlenségűt. Az elméleti és valóságos felületi érdesség közötti eltérés igazi okát tehát máshol kell keresni. [4,5]
2. Nagypontosságú keményesztergáláshoz használt szerszámélek vizsgálata
Új szerszámmal konstans körülmények között forgácsolva azt tapasztaltuk, hogy a felületi érdesség, a forgácsolási út növekedésével, kis ingadozásokkal ugyan, de fokozatosan romlik. A forgácsolási út növekedésével nő a hátkopás és a homlokkopás is. Nagypontosságú keményesztergáláskor, a kis fogásmélység miatt, csak az él csúcssugarával forgácsolunk. Az él, a kontakt ívhossz mentén nem kopik egyenletesen. Egyrészről a szerszám csúcsa körül gyorsabban kopik, míg a főél azon szakaszán, ahol az él forgácsolni kezd, egy kis bekopás figyelhető meg, míg a mellékél felé eső élszakaszok kevésbé koptak. Másrészről, az él érdessége, a kopás előrehaladtával növekedett. Egy kopott él-szakasz érdességét 7 kilométeres forgácsolási út megtétele után az 2. ábra mutatja.
(a)a szerszám éle 7 km forgácsolási út után
(b) érdességi profil a szerszám éle mentén
A szerszámélről készült él-érdesség méréseket a Direct-Line Kft mérőlaboratóriumában végeztük konfokális lézerpásztázó 3Dimenziós mikroszkóppal.
3. A felületi érdesség kialakulásának elméleti modellje
Az elmondottak alapján új felületi érdesség meghatározó modellt hoztunk létre, amit Microsoft Visual Studio 2008-ban programoztunk. A modell felállításakor feltételeztük, hogy a nagypontosságú keményesztergált felület érdességét elsődlegesen a szerszám él érdessége és a kinematikai viszonyok határozzák meg.
A szerszám éle, ahogy az, a 3. ábrán is látszik, egy mikro-geometriai egyenetlenségekkel rendelkező szabálytalan síkgörbe.
Néhány fordulat alatt a szerszám kopása elhanyagolható.
A MKGS rendszer abszolút merev.
A munkadarab anyagának rugalmas és képlékeny alakváltozása elhanyagolható.
További feltételezések:
A szerszám él által generált pálya:
A feltételeknek megfelelően az elméleti felületi érdességet a szerszám kontaktél-szakaszának érdessége és az előtolás határozzák meg, azaz az él érdessége a kinematikai viszonyoknak megfelelően, átmásolódik a munkadarab felületére. Hosszesztergáláskor a munkadarab forgó és a szerszám haladó mozgásának a következtében a szerszám éle a munkadarab koordináta rendszerében csavarfelületet ír le, melynek emelkedése a fordulatonkénti előtolás (f). Ennek értelmében, a szerszám él, 3. ábrán látható érdességi profilját, a forgástengellyel párhuzamosan mozgatva, úgy, hogy azt ismételten előtolásnyi távolsággal toljuk el, a keletkező burkoló görbe, a munkadarab elméleti érdességi profilgörbéje (lásd 4. ábra).
A felületi érdesség kialakulása az elméleti modell alapján.
A program segítségével lehetőségünk nyílik érdesség prognosztizálásra, azaz meghatározhatjuk a kívánt felületi érdességhez tartozó előtolást, vagy egy adott előtoláshoz tartozó felületi érdességet. A 5. ábrán megfigyelhetjük azt a gyakorlatban oly sokszor előforduló jelenséget, miszerint az előtolás csökkentése nem mindig jár együtt a felületi minőség javulásával, sőt gyakran előfordul, hogy romlik a felület.
Felületi érdesség prognostizálás előtolás függvényében
Irodalom:
[1] Koch K F, Technologie des Hochprezisions-Hartdrehens, D82, Diss. RWTH Aachen.
[2] P. H. Brammertz Die Entstehung der Oberflächenrauheit beim Feindrehen Industrie-Anzeiger, Nr.2, 6.Jan. 1961, p.25-32 ,
[3] N. P. L’VOV Determining the Minimum Possible Chip-Thickness Machines & Tooling, Vol. XL. No.4, p.45-46
[4] Mamalis, A.G. Mészáros, I.. Paulmier. D. The Effect of the Cutting Edge Roughness on the Surface Roughness during Ultraprecision Machining of Hardened Steels, Proceedings IMEKO 2000 International Measurement Confederation, XVI IMEKO World Congress
[5] Markus M.W. Knüfermman – Machining surfaces of optical quality by hard turning, Cranfielf University 2003
[2] P. H. Brammertz Die Entstehung der Oberflächenrauheit beim Feindrehen Industrie-Anzeiger, Nr.2, 6.Jan. 1961, p.25-32 ,
[3] N. P. L’VOV Determining the Minimum Possible Chip-Thickness Machines & Tooling, Vol. XL. No.4, p.45-46
[4] Mamalis, A.G. Mészáros, I.. Paulmier. D. The Effect of the Cutting Edge Roughness on the Surface Roughness during Ultraprecision Machining of Hardened Steels, Proceedings IMEKO 2000 International Measurement Confederation, XVI IMEKO World Congress
[5] Markus M.W. Knüfermman – Machining surfaces of optical quality by hard turning, Cranfielf University 2003
© Készítette - Direct Line - Bemind Kft.
Írjon nekünk
Ön mit gondol?