Forgácsolás

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.
Munkadarab
• anyagminőség (összetétel, előgyártás,
állapot)
• szilárdsági jellemzők (R m , HB , stb.)
• geometriai méretek
• a megmunkált felület:
~ pontossága (IT egységekben) és
~ érdessége (R a , R z , stb.)
főmozgás - forgácsolósebesség, vc, m/min
• forgács hosszmérete
• S / M végzi
Mozgások
• egyenes / forgó / folyamatos / szakaszos
• 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
• megfelelő mozgások révén
• az alkalmas szerszám (S)
• kis darabok (forgács, CH) formájában
választja le.
befogórész
szárrész
dolgozórész
homloklap
előtolás iránya
Szerszám
• rendeltetés (esztergakés, fúró, maró stb.)
• élgeometria (szabályos, statisztikai)
• élek száma (1, 2, sok, végtelen sok)
• élalak (egyszerű, speciális)
• kivitel (tömör / forrasztott / szerelt)
• élanyag (acélalapú/ kemény/ szuperkemény)
mellékél
szerszámcsúcs
főél
(fő)hátlap
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS alapfogalmai
Forgácsolási adatok:
vc
főél
mellékél
P f
munkasík
d max
− d
a =
min
2
d max
⋅π
⋅ n
v c
=
1000
v f
= n ⋅ f
[ mm/min]
[ mm ]
[ m min]
a
Főél
elhelyezési
szög
Csúcsszög
Mellékél
elhelyezési
szög
Élszögek a P alapsíkban:
r
κr - főél elhelyezési szög, °
εr - csúcsszög, °
f
P r
alapsík
κŕ, - mellékél elhelyezési szög, °
κr + εr + κr, = 180°
dr. Sipos Sándor
2

FORGÁCSOLÁS alapfogalmai
hátlap, A α
homloklap, A γ
v c
hátszög, α o
homlokszög, γ o
Munkadarab
ékszög, β o
Szerszámélszögek
a P o
metszetben:
Szerszám
f
P o
ortogonális sík
γ o - homlokszög, °
β o - ékszög, °
α o - hátszög, °
α o + β o + γ o = 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
A forgácsképződés feltételei:
Előtolás irányú erő
1. alkalmas szerszámék
2. mozgások: vc és f
• v c - forgácshossz
• f - előtolás, mm
3. erőhatások:
• v c irányában: F c - forgácsolóerő
• f irányú: F f - előtolás irányú erő
Forgács
Előtolás
Szerszám
Elméleti
forgácsvastagság,
h, mm
Munkadarab
Forgácsolósebesség
Forgácsolóerő
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
A forgácsképződés fázisai:
1.) a h vastagságú réteg vc sebességgel mozog
2.) rugalmas alakváltozás
3.) képlékeny alakváltozás
4.) nyírási folyamat: 1 forgácselem
5.) a forgácselemek összehegedése
6.) a forgács vch sebességgel távozik
Nyírási sík
Forgácsvastagság,
h ch , mm
v ch
Forgács
Szerszám
Elméleti
forgácsvastagság,
h, mm
vc
Munkadarab
dr. Sipos Sándor
4

FORGÁCSOLÁS
erőigény
Forgácsoló erő:
• a legnagyobb összetevő ⇒ teljesítmény (P c , kW),
• szerszámterhelés, ∼ lehajlás.
Előtolás irányú erő:
• a legkisebb összetevő, mivel az F c 10 … 30 %-a.
Fc - forgácsoló erő
Ff - előtolás irányú erő
Fa - aktív erő
Aktív erő:
• a fentiek miatt: F a
≈ F c
!
Passzív erő:
• általában kisebb az F c
- 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:
k
h
c1.1
c
= kc
⋅b⋅h⋅∏K
Fcj
= ⋅b⋅h
q
⋅∏K
Fcj
c
F
ahol:
Példa:
k c - fajlagos forgácsolóerő, N/mm 2
b - forgácsszélesség, (a / sin κ r ), mm
h - forgácsvastagság, (f ⋅ sin κ r ), mm
K Fcj - helyesbítő tényezők
k c1.1 - a fajlagos forgácsoló erő ún. főértéke, N/mm 2
q c - kísérleti úton kapott kitevő
[ N]
Munkadarab Anyagcsoport
Szerszám kc1.1 qc
anyagjel
anyaga N/mm 2
C60 szerk. acél keményfém 2130 0,18
Öv250 öntöttvas keményfém 1160 0,26
öAlSi10Mg alu. ötvözet keményfém 400 0,27
TiAl6V4 titánötvözet keményfém 1356 0,22
Teljesítményigény
Főmozgáshoz:
Fc
P =
c
Előtolás irányú mozgáshoz:
F
f
P =
f
Fontos szabályok:
1.) P c
>> P f
[ N] ⋅vc
[ m/s] Fc
[ N] ⋅vc
[ m/min] =
[ kW]
1000
60000
[ N] ⋅ v
f
[ mm/s] F
f
[ N] ⋅ v
f
[ mm/min ]
=
[ kW ]
10
6
6 ⋅10
2.) A fogásvétel irányú elmozdulás sebessége zérus,
teljesítményigénye: P p
≡ 0
7
dr. Sipos Sándor
5

FORGÁCSOLÁS
Példa
C45 acél Φ100 x 300 mm átmérőjű felületének
hosszesztergálását a=3 mm, f=0,25 mm, v c
=200 m/min
adatokkal végezzük. A szerszám szögei: κ r
=70 fok, r ε
=0,8 mm.
A k c1.1
=2220 N/mm 2 , q c
=0,14.
Mennyi a forgács mérete, az erő- és a teljesítményszükséglet,
az előtolási- és anyagleválasztási sebesség, a gépi főidő?
Megoldás:
b=3/sin70 = 3,193 mm;
F c
=2220 . 3,193 . 0,235 0,86 = 2040 N
P c
=2040 . 200/60000 = 6,8 kW
n=1000 . 200/(100 . π)= 636,6 1/min
v f
=0,25 . 636,6 = 159,1 mm/min
V´=0,25 . 3 . 200 = 150 cm 3 /min
t g
= i . L/v f
=1 . 300/159,1 = 1,89 min
h=0,25 . sin70 = 0,235 mm
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS energiamérlege
Nyírási szög
Hőenergia
Szerszám
Elszíneződés,
balesetveszély
Keménységcsökkenés,
gyorsabb kopás,
hődilatáció, pontatlanság
Súrlódás a homloklapon
Alakváltozás
és nyírás
Súrlódás a hátfelületen
Hődilatáció, pontatlanság,
rétegtulajdonságok!
Munkadarab
dr. Sipos Sándor
6

FORGÁCSOLÁS
Szerszámkopás
Hátfelületi kopás (VB)
• elsősorban rideg anyagoknál (pl. öntöttvas)
• főként simításnál
• az él mentén változik a mérete
• a leggyakoribb kopásforma!
Értelmezése, méretei:
Hátkopás képe:
bevonatos keményfém váltólapka
Hátlapkopás
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Szerszámkopás
Kráteres kopás (KT, KB)
• 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
Értelmezése, méretei:
KT - kráter mélység (kolk tiefe), mm
KB - kráter szélesség (kolk breite), mm
Bevonatos keményfémlapka kopásképe
Kráterkopás
hátkopás
dr. Sipos Sándor
7

FORGÁCSOLÁS
A kopás időbeli alakulása
A kopás és az éltartam kapcsolata
Szerszámkopás, , éltartam
• kezdeti kopás: 1 - 2 perc alatt kialakul (a)
• állandósult kopás: egyenletes kopásnövekedés (b)
• túlkopás: a szerszám tönkremeneteléig (c)
Kopásgörbe: a kopás időbeli alakulása
a
b
c
VB meg
Növekvő forgácsolósebesség
Éltartam: a megengedett kopás (VB meg )
eléréséig forgácsolásban töltött idő.
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Éltartam - modell
Modell: bővített Taylor-képlet
Szerszámkopás, , éltartam
m
m
m
Esztergálásra:
Fúrásra:
vc
=
f
xv
C
vc
=
f
Cv
yv
⋅a
v
xv
z
⋅d
⋅T
⋅T
v
m
m
⎡ m ⎤
⎢ ⎥
⎣min⎦
⎡ m ⎤
⎢ ⎥
⎣min⎦
dr. Sipos Sándor
8

FORGÁCSOLÁS
Tengelyszerű munkadarab φ90x400 mm méretű felületének esztergálását
f=0,25 mm előtolással végezzük. 320 m/min forgácsolósebességnél a
lapkaéltartam két perc, míg v c =2,5 m/s értéknél egy óra. Mekkora
sebesség (v cT=15
) mellett kapható 15 perces éltartam? Hány darab (n T
)
készül el ezalatt?
Példa
Megoldás:
v c1
=320 és T 1
=2 min; v c2
=150 m/min és T 2
=60 min, ezzel a Taylor
összefüggés, az éltartamkitevő, a C v
sebességállandó:
m
vc ⋅T
= vc
1
⋅T1
= vc2
⋅T2
= Cv
= áll.
v
c
m
m
0,223
C = v
1
⋅T1
= 320⋅
2 = 373,5
1000⋅
v
n =
d ⋅π
m
T
t
[ m/min]
[ m/min]
15
400
0,25 ⋅ 722
cT = 15
-1
= 722 [ min ]
nT
= = = 6 [ db]
g
320
lg
lg 320 − lg150 150 0,329
m =
= = = 0,223
lg 60 − lg 2 60 1,477
lg
2
373,5
=
0,223
15
v cT = 15
=
204,2
[ m/min ]
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
A felület minősége
Definíció: a felületminőség komplex 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 forgácsolt felület elméleti (kinematikai) érdessége
A felület érdessége
• a szerszám élének nyoma a darabon
• csak az előtolás (f, mm) és a csúcssugár
(r ε , mm) értékétől függ
• a valós felületi érdességnél
általában sokkal kisebb
• hasznos összefüggések:
Nagyoló esztergálás:
R
e
≈ R ≈ 4 ⋅ R
z
Simító esztergálás:
a
R
R e
R a
f
= 125⋅
r ε
f
≈ 32 ⋅
r ε
2
2
≈ (5...6)
⋅
[ µ m]
z
R a
[ µ m ]
R e
R e
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
gazdaságossága
Cél: minél termelékenyebben !
1. Minimális gépi főidő
Matematikai alakja:
t
g
=
i ⋅ L
v
f
⇒
MIN !
2. Minimális darabidő
Matematikai alakja:
t
d
teb
tcs
= + ∑tmi
+ tg
+ tg
⋅
n
T
sor
i
⇒
MIN !
3. Maximális termelékenység
Matematikai alakja:
Q =
t
n
eb
sor
+
∑
i
t
mi
60
+ t
g
⎛ t ⎞ ⋅ ⎜1
+
cs
⎟
⎝ T ⎠
⇒
MAX !
dr. Sipos Sándor
10

FORGÁCSOLÁS
gazdaságossága
Cél: minél olcsóbban !
Költségmodell:
Állandó költségelemek:
• előkészületi költség
• mellékidők költségei
K
műváll
⎛ t ⎞
eb
= k ⋅
⎜ +∑
⎟
G
tm
⎝ nsor
⎠
[ Ft]
Változó költségelemek:
• gépüzemköltség (k G
, Ft/min)
• szerszámcsere költsége
• szerszámköltség (K S
, Ft)
⎡ ⎛ t ⎞ ⎤
= ⋅ ⎢ ⋅ ⎜1 +
cs
KS
tg
kG
⎟+ ⎥
⎣ ⎝ T ⎠ T ⎦
Kedvező műveleti költség ≠ alacsony szerszám-(él)költség !
K
művvált
Minimum!
[ Ft]
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Hosszesztergálás
• az eddigi elméleti alapok többsége erről szólt
• szerszám: különböző főélelhelyezési szögű szerszámok
Esztergálás
Forgácsolóerő, N
c
F = k ⋅b
⋅ h ⋅ ΠK
c
1−q
c1.1
Fi
Nyomatékigény, Nm
M
c
Fc
⋅ d
=
2000
[ Nm]
[ N]
Hossz-
esztergálás
Teljesítményigény, kW
Fc
⋅vc
Mc
⋅ n
Pc
= =
60000 9550
[ kW]
dr. Sipos Sándor
11

FORGÁCSOLÁS
Esztergálási változatok
Furatesztergálás
Kereszt-
esztergálás
Beszúró-
esztergálás
Menet-
esztergálás
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Sajátosságai:
Üregelés
• 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:
Munkadarab
Üregelés
Szerszám
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Furatmegmunkálások
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 ⇒ v c )
Változatai:
hengeres furatok alakos furatok menet síkfelület
Telibe Felfúrás Dörzsárazás Központ- Alakos
Alakos
Menet- Sík
Csapos
fúrás fúrás süllyesztés dörzsárazás fúrás
süllyesztés süllyesztés
dr. Sipos Sándor
13

FORGÁCSOLÁS
f
- a leggyakrabban alkalmazott furatmegmunkáló eljárás
- kis pontosságú furatok (IT ≥ 10) befejező megmunkálására
- pontos, vagy nagy átmérőjű furatok előmunkálására
Fúrás
φ d
n
d - fúró átmérő, mm
f – előtolás, mm
n - fordulatszám, min -1
d ⋅π
⋅ n
1000
v c
– forgácsolósebesség: = [ m min]
v c
M c
f ⋅ d
2
f ⋅d
2
c 1
Forgácsolóerő: F = 2⋅
F = k ⋅ =
1. ⋅ [ N]
c
c1
k
h
q c
σ=2 . κ
Fúrási nyomaték:
M
c
=
k
( 0,5⋅sinσ
2)
1−qc
f ⋅
⋅
8000
2
c1.1
d
qc
[ Nm]
Teljesítményigény:
M
P =
c
c
-1
[ Nm] ⋅ n [ min ] [ kW]
9550
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Marás
Sajátosságai:
• 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)
v f
= f . n = z . f
.
z
n (mm/min),
ahol: f z
- fogankénti előtolás, mm
z - a maró fogszáma
n - a maró fordulatszáma, min -1
fogásvételi mozgások: a szerszám és/vagy a munkadarab végzi
a e
- sugárirányú fogásvétel, mm
a p
- passzív (tengelyirányú) fogás, mm
dr. Sipos Sándor
14

FORGÁCSOLÁS
Marás
Palástmarás
elérhető pontosság: IT9-11 ; Ra= 1,6-25
µm
a szerszám: a palástfelületén elhelyezett fogakkal forgácsol,
tengelye a felülettel párhuzamos,
foghossza nagyobb a munkadarab szélességénél (a p =b w , mm)
Ellenirányú marás
főorsó
fordulat
Asztal előtolás
• forgácsvastagság növekszik, ezért
• egyre nagyobb a forgácsolóerő
• az eredő erők emelő hatásúak
• rosszabb felületi érdesség
• nagyobb szerszámkopás
• kedvezőtlenebb éltartam
• régi gépen is alkalmazható
• kopott gépen is alkalmazható
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Marás
Homlokmarás
elérhető pontosság: IT9-11 ; Ra=1,6-25
µm
a szerszám: a palástfelületén elhelyezett fogakkal forgácsol,
tengelye a felületre merőleges,
átmérője nagyobb a munkadarab szélességénél (a e = b w , mm)
Munkadarab
• forgácsvastagság változó, ezért
• a forgácsolóerő növekszik, majd csökken
• korszerű szerszámanyagok: bevonatos
keményfém, kerámia, köbös
v c bórnitrid, gyémánt
v f
• a felület érdessége változó
• a legtermelékenyebb marási változat
• nagyteljesítményű gépeken előnyös
• finommarás: IT7, IT8 ; Ra = 0,8-1,6 µm
z
d ⋅π
A marási átlagos
F = k ⋅ a ⋅ a ⋅ f ⋅ [ N]
erőigénye:
c e p z
dr. Sipos Sándor
15

FORGÁCSOLÁS
Köszörülés
• 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: v c
~ 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
Külső palástköszörülés
Síkköszörülés
Köszörülési változatok
- hosszelőtolásos
- beszúró
- alternáló
- forgóasztalos
- mélyköszörülés
dr. Sipos Sándor
16

FORGÁCSOLÁS
Hosszelőtolásos furatköszörülés
Beszúró furatköszörülés
Köszörülési változatok
v s
v w
a e
v f
v w
v s
v fr
A szerszám megnevezése:
jelölés
+ specifikáció
Sima köszörűkorong 1A 400 × 50 × 127 89A 80 J 5 V127
dr. Sipos Sándor
FORGÁCSOLÁS
Csúcsnélküli köszörülés
Köszörülési változatok
áteresztő
beszúró
Alakköszörülés (ábra: fogazat)
- lefejtő
- profilozó
Továbbá:
• menet-,
• profil-,
• egyéb
változatok
dr. Sipos Sándor
17