Vállak közötti megmunkálás – fókuszban a beszúrás

Vállak közötti megmunkálás – fókuszban a beszúrás

A beszúrás, a leszúrás és a profilbeszúrás az esztergálás legnagyobb kihívást jelentő folyamatai közé tartozik. A hagyományos hosszesztergálással vagy oldalazással ellentétben beszúráskor és leszúráskor a forgácsolóél két váll (lépcső) között munkálja meg a munkadarabot. Pontosan ezek a peremfeltételek határozzák meg alapjaiban a folyamatot. Míg hosszesztergáláskor a forgács viszonylag szabadon távozhat, addig beszúráskor a munkadarab vállai balról és jobbról is korlátozzák a forgácsolóélet. A Paul Horn GmbH már több mint 50 éve fejleszt megoldásokat pontosan az ilyen megmunkálási műveletekre, és világszerte e terület szakértőjeként tartják számon.

Beszúráskor a forgács lényegében felfelé és az előtolás irányával ellentétesen hagyja el a megmunkálási zónát. Ez komolyabb követelményeket támaszt a szerszámgeometriával, a forgácsalkotással, a hűtéssel és a folyamatstabilitással szemben. Még a kisebb eltérések is forgácstömörödést, fokozott kopást, rossz felületi minőséget vagy akár szerszámtörést okozhatnak. A beszúrás tehát távolról sem egyszerű folyamat. Csak a szerszámtechnológia, a bevonat, a gépstabilitás, a befogástechnika és a folyamatvezérlés összehangolt kölcsönhatása biztosít egyenletes eredményeket. A cél minden esetben a forgács ellenőrzött formázása, a horonyból való biztonságos eltávolítása, valamint a hosszú szerszámélettartam és a reprodukálható megmunkálási eredmények elérése.

A forgácsolóél-geometria jelentősége

A forgácsolóél geometriája jelentős hatással van a beszúrásra és a leszúrásra. Fő feladata a forgács ellenőrzött vezetése és pontos formázása.
A forgácskezelés során a geometria rövid, jól kezelhető forgácsformákat hoz létre, mint például csavart forgács, spirálforgács, vessző alakú forgács, szegmentált forgács vagy töredezett forgács. Ez megakadályozza a forgács feltekeredését és csökkenti a folyamatleállásokat. A hosszú szalagos forgács ezzel szemben rátekeredik a munkadarabra vagy a szerszámra, akadályozza a forgácsáramlást és rontja a felületi minőséget. Ezzel egy időben a geometria célzottan deformálja és keskenyíti a forgácsot. Ez a keskenyítés lehetővé teszi a forgács biztonságos eltávolítását a horonyból, még szűkös megmunkálási helyzetekben is. Célzott forgácstörés nélkül széles forgács keletkezik, amely súrlódik a horony oldalaival, és károsítja a munkadarab felületét.

A geometria hatása különösen a különböző forgácstörő profilok összehasonlításakor szembetűnő. A köszörült, rádiuszos forgácstörő profilok gyakran csak minimális hatást gyakorolnak a forgácsra, amely nagyrészt ellenőrizetlenül áramlik és hosszú szalagokat képez. A kifejezett forgácstörő profillal rendelkező geometriák viszont rövid, ellenőrzött és erősen deformált forgácsot produkálnak. Ez az ellenőrzött forgácsalkotás a stabil megmunkálási folyamatok alapja. Különösen a rozsdamentes anyagoknál – mint például az 1.4305 – a megfelelő geometria határozza meg a folyamatbiztonságot és a szerszámélettartamot. A forgácsalkotás még 100 m/perc körüli forgácsolósebességnél és körülbelül 0,12 mm/fordulat előtolásnál is jelentős hatással van a megmunkálási eredményre.

Trochoid beszúrás

A trochoid (gördülő) beszúrás kibővíti a hagyományos beszúró eljárások lehetőségeit. Ahelyett, hogy a teljes hornyot egyetlen telibe-fogással munkálná meg, a szerszám egy egymásra szuperponált pályát követve mozog a munkadarabon. Ez a stratégia csökkenti a szerszám terhelését. Ezzel egy időben javul a forgácseltávolítás, mivel kisebb forgácskeresztmetszetek keletkeznek. Ez a módszer különösen előnyös mély beszúrásoknál vagy nehezen megmunkálható anyagok megmunkálásakor. A jellemző folyamatparaméterek közé tartozik például a 280 m/perc körüli forgácsolósebesség és az akár 0,6 mm/fordulat előtolás. Minimálisan kb. 0,7 mm-es, maximálisan pedig legfeljebb 1,5 mm-es fogásmélységeket alkalmaznak. A fogásvételi szög jellemzően 40° és 60° között mozog. Kisebb kapcsolódási szögek csökkentik a radiális erőket. Ezzel egy időben mérséklődik a forgácsolóél termikus terhelése is. A folyamat különösen alkalmas a modern, nagyteljesítményű megmunkálásra és a nagy leválasztási teljesítmény elérésére.

A modern bevonatok jelentősége

A modern beszúrólapkák bevonata befolyásolja a gazdaságosságot és a folyamatbiztonságot. Csökkenti a kopást, minimalizálja a forgács és a szerszám közötti súrlódást, megakadályozza az élrátét-képződést, és magasabb forgácsolási paramétereket tesz lehetővé. Ugyanakkor a megfelelő bevonat javítja a kopás felismerését és növeli a folyamatstabilitást. A szerszámbevonatok fejlesztése során számos befolyásoló tényezőt kell figyelembe venni. Ezek közé tartozik a szerszám és a munkadarab anyaga közötti kémiai kölcsönhatás, a forgácsolóél-rádiusz, a bevonatolási eljárás és a bevonat mechanikai tulajdonságai. Mindezek mellett ezen elemek kölcsönhatása továbbra is kritikus fontosságú. Ha a geometria, a hordozó (szubsztrát) és a bevonat nem kompatibilisek, belső feszültségek keletkeznek a bevonatban. Ezek ugyan javíthatják a keménységet és a szívósságot, de repedéseket vagy lepattogzást is okozhatnak.

A folyamathoz igazított bevonat befolyásolja a szerszámélettartamot. A bevonatot azonban nem szabad elszigetelten kezelni. A teljes megmunkálási folyamat kölcsönhatása továbbra is kulcsfontosságú. A gép stabilitása, a munkadarab-befogás, a szerszámtartó, a hűtési stratégia és a forgácsolási paraméterek közvetlenül befolyásolják a váltólapka teljesítményét. A gyakorlati tesztek azt mutatják, hogy a szerszámélettartam jelentős növekedése érhető el pusztán a megfelelően megválasztott bevonatok alkalmazásával. Ezzel szemben a geometria, a bevonat és a folyamatparaméterek nem megfelelő kombinációi gyorsan idő előtti kopáshoz vezetnek. A folyamat tervezése mindig a teljes megmunkálási rendszer holisztikus szemléletét igényli.

Hűtés a beszúrási folyamat során

A hűtés döntő szerepet játszik a beszúrásnál. Csökkenti a forgácsolóél termikus terhelését, miközben a hűtő-kenő folyadék aktívan támogatja a forgács eltávolítását a forgácsolási zónából. Különösen rozsdamentes acél beszúrásakor keletkezik magas hőmérséklet. A gyakorlati tanulmányok rámutatnak a különböző hűtési stratégiák közötti különbségekre. Alacsony nyomású, külső hűtőfolyadék-ellátás esetén gyakran súlyos kopás jelentkezik a homlokfelületen. Ha a hűtőfolyadék nyomását növelik, a kopás jelentősen csökken.
Azok a rendszerek, amelyek a hűtőfolyadékot közvetlenül a homlokfelületre irányítják, kiváló eredményeket érnek el. Az integrált hűtőfolyadék-ellátással rendelkező modern szerszámtartók célzott hűtést tesznek lehetővé közvetlenül a forgácsolási zónában. Ez csökkenti a forgácsolóél termikus terhelését. Ezenkívül javul a forgácseltávolítás is. A modern szerszámtartó-rendszerek integrált hűtőcsatornákon keresztül pontosan látják el a homlok- és hátfelületeket. A közvetlen hűtőfolyadék-ellátás korán megemeli a forgácsot, és ellenőrzött módon szállítja ki a horonyból. A szerszámtartók általában univerzális hűtőfolyadék-csatlakozásokkal rendelkeznek hornyokon vagy G1/8”-os csatlakozókon keresztül.

Nemcsak a hűtőfolyadék-ellátás, hanem a hűtőfolyadék összetétele is befolyásolja a megmunkálási folyamatot. Az emulzió olajtartalmának kismértékű változása is jelentős hatással lehet a szerszámélettartamra. Gyakorlati példák mutatják, hogy az olajtartalom 11 százalékról 13 százalékra történő növelése Inconel 718 megmunkálásakor megduplázhatja a szerszámélettartamot. Különösen a hőálló anyagoknál a magasabb kenőanyagtartalom mérsékli a forgács és a szerszám közötti súrlódást. Ez csökkenti a hőmérsékletet és a kopást, miközben egyúttal javítja a forgácsalkotást is.

Leszúrás az X és Y tengelyen

A különböző erőviszonyok közvetlenül befolyásolják a lapkafészek terhelését. Feltételezve, hogy a forgácsolóélre merőlegesen 2000 N, sugárirányban (radiálisan) pedig 400 N erő hat, az X tengely mentén végzett leszúrás a nagy hajlítónyomaték miatt jelentősen nagyobb terhelést eredményez.
Az Y tengelyű leszúrásnál ez a terhelés körülbelül 30 százalékkal csökken. Ennek következtében a folyamatok simábban és kisebb rezgéssel futnak. A gyakorlati példák azt mutatják, hogy az X tengelyű leszúrásról az Y tengelyűre való átállás mind a szerszámélettartamot, mind a folyamatstabilitást javítja.
Egyes alkalmazásokban a szerszámélettartam több mint a duplájára nőtt a forgácsolási paraméterek változatlanul tartása mellett. Ezzel egy időben a zajszint is csökken. Az Y tengelyű leszúrás azonban megköveteli, hogy a gép és a vezérlőrendszer támogassa a szükséges tengelyirányú mozgásokat és megmunkálási stratégiákat.

Összetett kontúrok beszúrása

Az összetett kontúrok – mint például a több fogból álló profilok – szigorú követelményeket támasztanak a folyamatstratégiával szemben. Az egyik lehetőség a kontúr hagyományos, lépésről lépésre történő kialakítása egy beszúró szerszámmal. Ebben az esetben az egyes hornyokat egymás után programozzák be és munkálják meg. Ez a módszer különösen prototípusokhoz vagy kis sorozatokhoz alkalmas. Nagy szériás gyártásnál azonban a programozási és megmunkálási ráfordítás jelentősen megnő. Alternatív megoldásként az alakos (profil-) beszúró szerszámok lehetővé teszik a teljes kontúr egyetlen megmunkálási műveletben történő előállítását egy speciálisan kialakított alakos forgácsolóél segítségével, amely a teljes geometriát egyszerre hozza létre. Előnyük a nagy ismétlési pontosság és a rövid megmunkálási idő. A forgácsolóél egyszerre fogásban lévő nagy hossza miatt azonban nagy megmunkálási erők ébrednek, amelyek rezgést, felületi nyomokat (rezgésnyomokat) és méreteltéréseket okozhatnak.

A tangenciális profilbeszúrás a klasszikus alakos beszúró eljárást bővíti ki egy lényegesen stabilabb stratégiával. A váltólapka jellemzően körülbelül 45°-os szögben helyezkedik el a lapkafészekben. A szerszám nem sugárirányban (radiálisan) lép be a munkadarabba, hanem tangenciálisan (érintőlegesen) halad el mellette. Ebben a folyamatban a kontúr egyes elemei egymás után jönnek létre. A radiális alakos beszúrással ellentétben a teljes él szélessége nem egyszerre lép kapcsolatba az anyaggal. Az erőmérő rendszerekkel végzett mérések egyértelmű különbségeket mutatnak a két módszer között. A hagyományos alakos beszúrásnál közel 6000 N-os forgácsolóerők is felléphetnek. A tangenciális profilbeszúrásnál az erők lényegesen alacsonyabbak. A csökkentett terhelés simább forgácsolási folyamatokat, kisebb gépterhelést és alacsonyabb zajszintet biztosít. Ezenkívül az esztergált alkatrész felületi minősége is javul.

Összegzés

A Horn a gazdaságos és megbízható beszúrás szakértőjének számít. Az optimalizált forgácsolóél-geometriák, a modern bevonatok, a célzott hűtés és a nagy gépstabilitás döntő fontosságúak a stabil folyamatokhoz. Az optimalizált forgácsalkotás és a belső hűtés jelentősen javítja a forgácseltávolítást, a felületi minőséget és a szerszámélettartamot. Az olyan folyamatok, mint a trochoid beszúrás vagy az Y tengelyű leszúrás csökkentik az erőket, növelik a folyamatstabilitást és fokozzák a gazdaságosságot.