megmunkÁlÁsa a felÜleti rÉteg tÖmÖrÍtÉsÉvel · a felületi réteget els ősorban...
TRANSCRIPT
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
KÜLSŐ HENGERES FELÜLET ÉLETTARTAM-NÖVELŐMEGMUNKÁLÁSA A FELÜLETI RÉTEG
TÖMÖRÍTÉSÉVEL
7.1. Tartósságnövelő megmunkálások
Gépek működésekor a legtöbb igénybevételelsősorban a gépelemek felületét vagy bizonyosvastagságú felületi rétegét érinti. [77] [114]
A megmunkált felület mikrogeometriája hat:• a gépelem kopásállóságára,• fárasztáskor a feszültséggyűjtő hatáson keresztül a
kifáradásra.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A felületi réteget elsősorban fárasztáskor éri károsodás.
Tartósságnövelő mechanikai megmunkálásokkal:• az érdesség esetenként hatékonyabban csökkenthető
mint forgácsolással,• a felületi réteg tulajdonságai hőkezelés nélkül is
nagymértékben javíthatóak.
Élettartam és üzembiztonság (megbízhatóság) növeléseelérhető:
• a konstrukció tökéletesítésével,• megfelelő anyagválasztással,• felületi minőség javítással.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
1. Kérgesítő eljárások hőkezeléssel.Kérgesítő eljárások hőkezeléssel (felületi edzéssel) éstermokémiai kezeléssel (kéregötvözéssel)Ezek az eljárások a felületi réteg tulajdonságait:• hőhatással (felületi edzés),• szénnel, nitrogénnel, krómmal, stb. elemmel való
dúsítással, (cementálás, nitridálás, nitrocementálás,diffúziós krómozások) és a dúsított réteg edzésévelváltoztatják meg.
2. Feltöltő hegesztés, fémszórás:Célja:Az alkatrészek élettartamának és üzembiztonságánaknövelése, a hasznos felületre felvitt jó üzemeltetésitulajdonságokat biztosító anyaggal.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Alkatrészek működő felületeinek bevonása:• fémes, krómos és kemény nikkelezés,• nemfémes bevonatok, műanyag bevonat.
A tartósságnövelés céljából alkalmazott mechanikaimegmunkálásokat felületszilárdító megmunkálásoknaknevezzük.A megmunkálandó felületet érő hatások jellege szerint afelületszilárdító megmunkálás lehet:
• felületvasalás,• felülethengerlés• ütőtestes felületszilárdítás
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Számos elméleti és kísérleti eredménnyelbizonyítható, hogy ha az elemek működő felületét (felületirétegét) hideg-képlékeny alakítással (keményítjük)szilárdítjuk, élettartamuk megnő, azaz a koptató éskorróziós hatásnak jobban ellenállnak.
A felületszilárdítás eredményeként a nagyobbélettartam az alábbi okokra vezethető vissza:
• nő a felület keménysége,• csökken a felület érdessége,• nő a hordfelület-hányad.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.2. Külső hengeres felület vasalása
7.2.1. A vasalás elmélete
Felületvasaláskor a munkadarab felületi érdességétcsökkentjük, felületi szilárdságát növeljük. A felületi rétegszilárdítását a megmunkálandó anyagnál jóval keményebbanyagú szférikus felületű (pl.: gömb alakú) szerszám és aszilárdítandó felület csúszási súrlódáskor végbemenőkölcsönhatása eredményezi.
A KHF-ek gyémántszerszámmal történő
vasalását képlékenyen alakítható anyagoknálalkalmazzák. KHF-ek vasalását esztergán vagy egyszerűcélgépen is végezhetik (7.1. ábra).
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
1
2
3
4
7.1. ábraA gyémántvasalás
vázlata1. feszítőcsavar a
vasalóerő beállításra,2. mérőóra,3. gyémánt végű vasaló
szerszám,4. munkadarab [77]
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A felület érdességét és a felületi réteg szilárdítását amegmunkálandó anyagnál jóval keményebb anyagúszerszám és a szilárdítandó felület csúszási súrlódáskorvégbemenő kölcsönhatás eredményezi.
Szerszámanyag: gyémánt (Rs = 0,6 – 4 mm).
Lényeg: a vasalószerszám alakító eleme gyémánt-gömbszelet, mely méretezett rugó segítségével, megfelelőnyomóerővel alakítja a vasalandó felületet.
.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.1. táblázat
A munkadarabGeometriai
adatokTechnológiai adatok
Anyag-minősége
Kemény-sége
Rs(szerszám sugár, mm)
Vasalási sebességv (m/min)
Előtolásf
(mm/ford)
Vasaló-erő
(F/N)
Át-vasalási
szám
Szerkezeti acélok
HB 300 2-3 40-120 0,02-0,1 60-150 1-3
Közepes keménysé-gű hőkezelt acélok
HRC 35-20 2-3 30-150 0,02-0,1 0-120 1-2
Edzett cementált acélok
HRC 50-65 0,6-1,2 20-100 0,01-0,06 30-80 1
Alumínium ötvözetek
HB 140-180 3-4 70-150 0,04-0,1 60-100 1-2
Bronz és réz ötvözetek
HB 100-180 4 70-120 0,04-0,08 60-80 1
Külső hengeres felületek vasalásának technológiai adatai
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
PontosságIT: 6-10 függ az előgyártmány pontosságától.
Termelékenységtg – (gépi főidő) hasonlóan számítható, mint
esztergáláskor.
Felületminőségre hatással vannak a következők:• A technológiai adatok hatása a felület érdességére,
KHF esetén Ra=0,04-0,16 µm,• A technológiai adatok hatása a felület
mikrokeménységére: felkeménye-dés jön létre,• A megmunkálás eredményeként nyomó maradó
feszültség keletkezik a felületi rétegben.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Jellemzői:• Az alakító elem (szerszám) és az alakított felület
között csúszó súrlódás van.• Az alakítási zónában rendszerint azonos
szerszámfelület deformálja az anyagot.• Kemény- (63-65 HRC) és lágy anyagok
megmunkálására alkalmazható.
A szerszámok különböző konstrukciós kialakításúaklehetnek:
• esztergakés-szerű,• üregelő tüske alakú,• golyó,• tárcsa alakú, stb.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A megmunkálás történhet:
• merev szerszámkonstrukcióval,
• rugalmas szerszámkonstrukcióval.
Az 1÷2 karát nagyságú gyémántot alacsony
olvadáspontú fémmel rögzítik a tartóba, amelyet
szférikusra vagy hengeresre munkálnak.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
12
0°
15
0°
R1,2;3,4
3
2
1
a) b)
12
0°
15
0°
R3,35
1
23
7.2. ábra Vasalógyémánt befogása a) hengeres, b) szférikus,1. vasalógyémánt, 2. foglalófém, 3. foglalat
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A vasalt felület átlagos érdességét a vizsgált értékhatárok
között a vasalási előtolás, illetve a sebesség növelése
növeli, a vasalóerő növekedése pedig egy darabig
csökkenti, majd növeli (7.3. ábra) [77].
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
200 400 6000.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.04 0.08 0.12
100 200 300
F, N
mm/ford
v, m/min
0
f,
Ra
mµ
F, N
v, m/min
f, mm/ford
100
0.04
200
0.08
300
0.12
200 400 600
5200
4600
4000
34000
HV
M ,
MN
/m2
7.3. ábra A technológiai adatok hatása a felület
érdességére gyémántvasaláskor
7.4. ábra A technológiai adatok hatása a felület mikro-
keménységére gyémántvasaláskor
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A vasalt felület mikrokeménysége a vasalási előtolás
növelésével csökken, a vasalóerő és a vasalási sebesség
növelésével nő (7.4. ábra) [77].
Az esztergálás illetve köszörülés után F = 196 N
vasalóerő, v = 93 m/min vasalási sebesség, f = 0,08
mm/ford. előtolás alkalmazásakor, esztergálással kialakított
maradófeszültségek nagysága és eloszlásának jellege
számottevően megváltozik (7.5. ábra) [77].
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
300
0
-300
-600
-900
-12000 100 200 300 400
köszörülés
esztergálás
esztergálás+vasalás
köszörülés+vasalás
m
,MN
/m2
σ
l, m
7.5. ábra A felületi rétegben maradó feszültségek különféle megmunkálások esetén
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.2.2. Gyémántvasalás technológia kísérletei
A dugattyúcsapok (∅15 x 100 mm) karbantartásánál,
külső hengeres felületeinek megmunkálásánál a kedvező
szilárdsági tulajdonságok eléréséhez gyémántvasalást
alkalmaztunk.
Így a megmunkálási mikrogeometriai egyenetlenségek
csökkenthetők voltak és kedvező nyomó maradó
feszültség alakult ki a felületközeli rétegben
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.2.2.1. Kísérleti körülmények és a technológiaiparaméterek
A megköszörült dugattyúcsapokat E400/1000 típusúcsúcseszterga gépen vasaltuk. A munkadarab befogását a7.1. ábra szemlélteti.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Bemenő adatok:• vasaló erő: Fv min=125N; Fv max=150N,• vasalási előtolás: f v min=0,0203 mm/ford; fv max=0,05 mm/ford,• vasalási sebesség: vv min=60 m/min; vv max=83 m/min.
Állandó jellemzők:• a dugattyúcsap keménysége: HRC∼55• a köszörült csap geometriai méretei: φ24,9 x 100 mm,• a köszörült felület átlagos érdessége (Ra)• és maximális érdessége: mR ka µ36,0
1=
mR k µ27,31max =
• szerszámelfordítási szög: °= 0α
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Vasaláskor a szerszám csak egyszer alakította afelületet, miközben bő mennyiségű olajkenéstalkalmaztunk.
A vasalás utáni vizsgált paraméterek voltak: a köszörültfelület átlagos érdessége Ra1v és a köszörült felületmaximális érdessége Rmax1v.(7.2. táblázat)
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.2. táblázat
Köszörülés utáni felületi érdességek Beállított paraméterek
Vasalás utáni mért felületi érdességek
fv vv Fv
mm/ford m/min N
2,66 0,33 0,020360 125
1,03 0,112
3,32 0,33 0,0500 1,92 0,260
3,39 0,37 0,020383 125
0,70 0,096
3,32 0,37 0,0500 1,40 0,180
2,79 0,37 0,020360 150
0,75 0,100
3,89 0,42 0,0500 1,18 0,160
3,53 0,43 0,020383 150
0,97 0,130
2,95 0,34 0,0500 1,20 0,150
Köszörülés és vasalás utáni felületi érdességek
gRmax, gaR , vRmax, vaR ,
mµ mµ
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
.
7.2.2.2. Mikrogeometriai jellemzők vizsgálata
A Faktoriális Kísérlettervezési módszert alkalmaztuk akísérleti paraméterek időrendi sorrendjénekkialakítására.
A vasalás utáni felületérdességek számításáraszolgáló képleteket az alakhibák szerint írtuk fel:
m
v
m
v
m
vvv FvfCRm
δγα ⋅⋅⋅=1max (7.1)
a
v
a
v
a
vvava FvfCRδγα ⋅⋅⋅=
1 (7.2)
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A konkrét kísérletek után a Faktoriális Kísérlettervezési
módszer lépéseit alkalmazva, a cvm, cva, αm, αa, γm, γa, δm és
δa értékei meghatározhatók voltak. Ezen konstansokat és
kitevők értékeit az (7.1) képletre vonatkozóan a 7.3. táblázat
tartalmazza.
7.3. táblázat
Cvm=e218,152 γm = -(41,9107-8,2493 ln Fv)
αm =(11,5073-0,2899 ln vv-1,9766 ln Fv)
δm = -42,7924
(7.1) képlet konstansainak és kitevőinek értékei
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
. Megjegyzendő, hogy a (7.2) képlethez tartozókonstans és kitevő értékek is meghatározásra kerültek,azonban itt nem kerülnek közlésre.
A felületi érdesség változásáról jobb képet kapunk, hacsak a javulást, a vasalt és a köszörült felület közöttikülönbséget vizsgáljuk. Így új paraméterek bevezetéseválik szükségessé:
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
v
k
RR
R
1
1
max
max
max =ρ (7.3)
va
ka
RR
R
a
1
1=ρ (7.4)
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A vasalás hatása akkor a legjobb, amikor az
és értékei maximálisak. A felületi érdességmérésére bevezetett új képletek a következők:
∆1maxR
∆1aR
m
v
m
v
m
vmR FvfC ρδγραρρρ ⋅⋅= .max (7.5)
aaa
a vvvRa FvfC ρρρ δγα
ρρ ⋅⋅⋅= (7.6)
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A Faktoriális Kísérlettervezés kiértékeléséhez az
adatokat továbbra is a 7.2. táblázatból véve az (7.5)-ös
képlet konstansára és kitevőire a következő képlet
adódik.
7.4. táblázat
5053,230−= eC mρ)ln6419,108366,52( vm F−=ργ
4515,0=mρα 34,46=mρδ
(7.5) képlet konstansainak és kitevőinek értékei
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Megjegyezzük, hogy az (7.1), (7.2), (7.5) és (7.6)
képletek csak az 7.2. táblázatban található (fv, vv és Fv)
értéktartományokban érvényesek.
A vasalt felület Rmax maximális érdességre vonatkozó
relatív felületi érdességi paraméter javulását az 7.6. ábra
mutatja.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.6. ábra
maxRρ
(relatív felületiegyenetlenségi
paraméter)változása avasalóerő Fv
és a technológiaiparaméterek
függvényében[174]
A
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Néhány megjegyzés a 7.6. ábrához:
• A vasalási sebesség hatása függ a vasalásnál
alkalmazott erőtől. Kis vasalóerő esetén (pl.:
Fv=125N) a sebesség növelése javítja az Rmax
maximális felületi érdesség értékét. Növelve a
vasalóerőt egy nagyobb értékre (pl.:Fv=150N) a
maxRρ
maxRρ arány növekszik,
viszony csökkenő hatású.
• Az előtolás csökkentésével a
tehát az Rmax értéke javul.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.3. Külső hengeres felületek hengerlése
A külső hengeres felületek hengerlésével növelhető:• a működő felületek kopásállósága,• gépelem kifáradási szilárdsága,
míg a felületi érdesség nagymértékben csökken.
Esztergán vagy célgépen acélgörgőkkel vagyacélgolyókkal végzik. Az alkalmazott görgők átmérője Dg =20 ÷ 200 mm, a leggyakrabban előforduló alakjait a 7.7.ábra szemlélteti.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.7. ábraGörgők jellegzetes alakjai
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A görgők:• lekerekítésének sugara: r = 0,5 ÷ 200 mm,• anyaga: szerszám vagy golyóscsapágyacél.
Kisméretű munkadarabok felületénekhengerlésekor: Dg = 15 ÷ 20 mm átmérőjűgolyóscsapágy golyókat alkalmaznak.
A görgőket:• hidraulikus,• pneumatikus úton vagy,• rugókkal kifejtett F = 200-200.000 N erővel nyomják
a megmunkálandó felületre a munkadarab forgásaés megfelelő előtolás mellett.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Jellegzetes felülethengerlési megoldásokat mutat a 7.8. ábra.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Jellegzetes felülethengerlési megoldások:
1. Egygörgős, 4., 5. Kétgörgős, 8. Esztergálás és egygolyósszerszámmal
való hengerlés,
2. Egygolyós, 6. Kétgörgős simító, 9. Esztergálás és simító
felülethengerlés.
3. Kétgolyós, 7. Kétgörgős kúpos simító hengerlő-szerszám,
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A munkadarab kerületi sebességének nincslényeges hatása a felületminőség alakulására. Amunkadarab sebességének irányértéke hengerléskor:
vmdb = 30 ÷ 90 m/min
Hengerléskor az Ra lényegesen csökken.Ra = 0,01 ÷
1 µm. Az Ra kialakulása hasonlóan megy végbe mintegyélű határozott élű szerszámmal végzettforgácsoláskor (7.9.ábra).
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
e
r
e
r
f f
7.9. ábra A mikro-egyenetlenség alakulásának vázlataa) görgőzéskor, b) acélgolyóval történő hengerléskor
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
7.10. ábraA görgőzés előtti és utáni
érdesség kapcsolata
7.11. ábraA görgő lekerekítési sugarának
hatása a görgőzött felület érdességére
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
A technológiai adatok közül az érdességet a görgőző
erő, az előtolás (7.12. ábra) és a fogások száma (7.13.
ábra) befolyásolja.
Miskolci Egyetem, Gyártástudományi Intézet, Prof. Dr. Dudás Illés
Rm
zµ
,
1000 2000
F , N
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1
2
Rz,
µm
fogások száma 2 4 6 8 10 12 14 16
12
10
8
6
4
2
0
7.12. ábraA görgőzőerő hatása a felület
érdességére
7.13. ábraA fogások számának hatása a görgőzött felület érdességére