1. FORGÁCSOLÁS

1.1. Általános kérdések

Egy késztermék gyártási folyamata három részfolyamatra bontható:

- előtermék-gyártás,
- alkatrészgyártás,
- szerelés.

Az előterméket sok módszerrel állítják elő, leggyakrabban képlékeny alakítással. A képlékeny alakítás végtermékét használja fel az alkatrészgyártó, aki egy megfelelően megválasztott megmunkáló eljárás alkalmazásával éri el, hogy az alkatrész a műhelyrajznak megfelelő alakot elérje. A megmunkáló eljárások sokféleségét a DIN 8580, illetve az MSZ 05 09.0001/1-85 számú szabványok rendszerezik. A szabványok az összes megmunkáló eljárást hat főcsoportra osztják:

- alaklétesítés,
- képlékeny alakítás,
- szétválasztás,
- egyesítés,
- bevonás,
- anyagtulajdonság megváltoztatása.

A főcsoportok természetesen további részekre osztódnak, a minket érdeklő forgácsolás a szétválasztás főcsoportba tartozik.

A forgácsolás két jól elkülöníthető csoportra osztható:

- forgácsolás mértanilag határozott élű szerszámmal,
- forgácsolás mértanilag határozatlan élű szerszámmal.

Az első csoportba tartozik például az esztergálás, gyalulás, fúrás stb., míg a másodikba a köszörülés és a polírozás.

1.2. A forgácsolás mozgásviszonyai

A forgácsolás alapvető jellemzője, hogy az előgyártmányról egy arra alkalmas szerszám segítségével, forgács formájában távolítjuk el az anyagfelesleget. A művelethez a szerszámon kívül szükség van még a szerszámgépre is, amely a munkadarab és a szerszám relatív mozgását biztosítja.

A sikeres forgácsolási művelethez a munkadarab és a szerszám közötti relatív mozgásra van szükség. A relatív mozgásokat mindig egy állónak képzelt munkadarabhoz viszonyítjuk, függetlenül attól, hogy a tényleges mozgások hogyan is valósulnak meg. A forgácsolásnál előforduló mozgásfajták:

- forgácsoló-,
- előtoló-,
- működő-,
- hozzáállító,
- fogásvételi,
- utánállító mozgás.

A forgácsolómozgás előtoló mozgás nélkül egyszeri forgácsleválasztást tesz lehetővé a munkadarab egy fordulata vagy lökete alatt (1.1. ábra). A forgácsolómozgás lehet

- egyenes vonalú (pl. gyalulás, vésés, üregelés),
- kör alakú (pl. esztergálás, marás, fúrás, köszörülés),
- görbe vonalú (nem forgástestek esztergálása, menetfúrás, másoló gyalulás).

1.1. ábra

A forgácsolómozgás sebessége a forgácsolósebesség, amely a forgácsolóél kiválasztott pontjának pillanatnyi sebessége a munkadarabhoz viszonyítva a forgácsoló irányban. Jele v, mértékegysége pedig m/min vagy m/s. Általában a legnagyobb munkadarab- vagy szerszámátmérőre számítjuk.

Az előtolómozgás a forgácsolómozgással együtt folyamatos vagy többszöri forgácsleválasztást biztosít több fordulat vagy több löket alatt. Az előtolómozgás lehet:

- egyenes vonalú folyamatos (pl. esztergálás, marás, fúrás),
- egyenes vonalú szakaszos (pl. gyalulás, vésés, síkköszörülés),
- kör alakú szakaszos (gyalulás vagy vésés kör alakú felületen),
- görbe vonalú folyamatos (pl. másolóesztergálás, másolómarás),
- görbe vonalú szakaszos (másológyalulás, másolóvésés).

Az előtolómozgás egy adott pontban értelmezett pillanatnyi iránya az előtolóirány, amelynek értékét a j előtolóirány-szög határozza meg. Az előtolóirány-szög a forgácsolóirány és az előtolóirány által bezárt szög. Az előtolómozgás sebessége az előtolósebesség, melynek jele v f, mértékegysége pedig m/min, mm/min vagy mm/s lehet. Az előtolómozgásnak egy fordulatra vagy löketre vonatkoztatott értéke az előtolás, jele s, mértékegysége pedig mm/fordulat, mm/löket.

A működőmozgás tulajdonképpen a forgácsolómozgás és az előtolómozgás eredője. Ebből következik, hogy ha nincs előtolómozgás (pl. üregeléskor), akkor a forgácsolómozgás és a működőmozgás egybeesik. A működőmozgás irányát a működőirány-szöggel (h) jellemezzük. A működőmozgás sebessége a működősebesség, jele v e.

A hozzáállító-mozgás az a mozgás, amellyel a forgácsolás megkezdése előtt a szerszámot a munkadarabhoz állítjuk.

A fogásvételi mozgás az a mozgás a darab és a szerszám között, amellyel a leválasztandó anyagréteg vastagságát beállítjuk. A fogásvételi mozgás eredménye a fogásmélység, amelynek jele a, mértékegysége mm.

Az utánállítómozgás egy korrekciós, hibakiigazító mozgás a darab és a szerszám között.

1.3. A forgácskeresztmetszet

A forgácsolás során a leválasztott anyagrészek forgács formájában kerülnek eltávolításra. Ezen anyagrészeknek a forgácsolóirányra merőleges keresztmetszetét forgácskeresztmetszetnek nevezzük. A forgácskeresztmetszet lehet állandó (pl. esztergáláskor), vagy változó (pl. maráskor). A szerszámkialakítás miatt azonban meg kell különböztetni elméleti és valóságos forgácskeresztmetszetet (1.2. ábra). A gyakorlati számítások során mindig az elméleti forgácskeresztmetszettel számolnak az

összefüggés alapján (ahol tehát a fogásmélység, s előtolás).

1.2. ábra

A forgácskeresztmetszet alakja - azonos előtolás és fogásmélység mellett is - különböző lehet aszerint, hogy milyen a forgácsolószerszám kialakítása, azaz mekkora a k r főélelhelyezési szög. A forgácskeresztmetszet nagysága azonban természetesen változatlan, és a b forgácsszélesség és a h forgácsvastagság szorzataként is értelmezhető:

A példában állandó keresztmetszetű forgácsról van szó. Változó keresztmetszetű forgács esetén (pl. maráskor) a közepes forgácsvastagsággal kell számolni.

1.4. A forgácsoló szerszámok élgeometriája

A forgácsoló szerszámok esetén egyértelműen meghatározható élgeometriáról természetesen csak a szabályos élű szerszámok esetén lehet beszélni. De a különböző célú szabályos élű szerszámok kialakítása is igen változatos. Ezért a forgácsoló szerszámmal kapcsolatos fogalmak értelmezését mindig a legegyszerűbb egyélű szerszámon végezzük.

A forgácsoló szerszámoknak két fő részre van: a szár és a dolgozó vagy forgácsoló rész. A forgácsoló részt jellemző felületek, szögek és vonalak összességét, egymáshoz viszonyított helyzetét és számszerű értékeiket összefoglaló néven élgeometriának nevezzük.

A dolgozó részen elhelyezkedő szerszámelemek az 1.3. ábra jelölései alapján:

1. homloklap,
2. hátlap,
3. mellékhátlap,
4. felfekvőlap,
5. főforgácsolóél,
6. mellékforgácsolóél,
7. szerszámcsúcs.

1.3. ábra

A szerszámlapok és szerszámélek meghatározott szögeket zárnak be egymással, amelyeket élszögeknek nevezünk. Az élszögeket különböző koordináta-rendszerekben - ortogonál és normál élszögrendszerben - értelmezhetjük.

Az ortogonál élsíkrendszer síkjait az 1.4. ábrán mutatjuk be.

1.4. ábra

A különböző élszögek az alap-, az ortogonál- és az élsíkban jelentkeznek. Az alapsíkban értelmezett élszögek az 1.5. ábrán láthatók.

1.5. ábra

- Szerszámelhelyezési szög (k r) a szerszám élsík és az előtolóirány közötti szög.
- Szerszámcsúcsszög (e r) a szerszám élsík és a szerszám melléksík között mérhető.
- A szerszám mellékforgácsoló élének elhelyezési szöge (k r') az előtolóirány és a szerszám melléksík által bezárt szög.

Az ortogonálsíkban értelmezett élszögek az 1.6. ábra szerint:

- Szerszám ortogonál hátszög (a 0),
- Szerszám ortogonál ékszög (b 0),
- Szerszám ortogonál homlokszög (g 0).

1.6. ábra

Az élsíkban értelmezhető a szerszám terelőszög (l s).

A normál élszögrendszer síkjai (1.7. ábra):

- a szerszám alapsík,
- a szerszám élsík,
- az él normálsík,
- a szerszám mellékélsík.

1.7. ábra

Mint látható, eltérés az ortogonál rendszertől csak az él normálsíkban van. A normálszögek az ábrán láthatóak.

Az egyes szögértékek nagyságát a munkadarab, illetve a szerszám anyagától függően kell megállapítani, ezek irányértékeit táblázatokban foglalták össze. A homlokszögek értékei pozitív, negatív, vagy nulla lehet (1.8. ábra).

1.8. ábra

Fontos megemlíteni, hogy az ismertetett szögek a szerszám élgeometriájának szögei. Ezek azonban nem mindig azonosak az ún. működő élszögekkel, mert ezek a szerszámbeállítástól is függnek (1.9. ábra).

1.9. ábra

1.5. A forgácsképződés mechanizmusa

A forgácsképződést a szabadforgácsolás vagy ortogonális forgácsolás esetén vizsgálják. Ennek az a lényege, hogy csak egyetlen él forgácsol, a megmunkált felület azonos a forgácsolt felülettel (1.10. ábra).

1.10 ábra

A forgácsképződés menete eszerint úgy történik, hogy a szerszám előrehaladva az anyagban, a homlokfelület előtti anyagrészt összetömöríti, majd amikor az igénybevétel egy síknak feltételezett felület (iránysík) mentén meghaladja az anyag nyírószilárdságát, a forgács elnyíródik, és elcsúszik a szerszám homlokfelületén (1.11. ábra).

1.11. ábra

A forgácsképződés eszerint a következő részfolyamatok sorozata:

- rugalmas alakváltozás,
- képlékeny alakváltozás,
- elcsúszás az iránysíkban, azaz a forgácselem létrejötte,
- a forgácselem elmozdulása a szerszám homlokfelületén.

A forgácsképződés egyszerűsített vázlatát mutatjuk be az 1.12. ábrán.

1.12. ábra

A forgácsképződés mechanizmusát tekintve a forgácsolt anyagok szívós és rideg anyagokra oszthatók. Szívós anyagok forgácsolásakor a forgács összefüggő, folyamatos szalagot alkot, a rideg anyagok forgácsa viszont kisebb-nagyobb töredezett darabokra esik szét (1.13. ábra).

1.13. ábra

A képződött forgács alapvetően három fajta lehet:

- A töredezett forgács különálló darabokból áll, gyakran por alakú. Főleg rideg anyagok forgácsolásakor keletkezik. Hátránya, hogy a forgácsolóerő értéke periodikusan váltakozik.
- Nyírt forgács esetén a forgácselemek összehegednek, s összefüggő szalagot képeznek. A forgácselemek szabad szemmel is megkülönböztethetők. Általában szívós anyagok közepes sebességgel történő forgácsolásakor keletkezik. A forgácsolóerő periodikusan változik.
- A folyó forgács összefüggő szalagot képez. Akkor keletkezik, ha szívós anyagot nagy sebességgel forgácsolnak. Kedvező, hogy a forgácsolóerő gyakorlatilag állandó nagyságú.

Természetesen a forgács milyensége az anyagminőségen kívül egyéb tényezőktől is függ, így a forgácsolási sebességtől és a forgácsvastagságtól. Szívós anyagból is kaphatunk töredezett forgácsot kis forgácsolósebességgel és nagy előtolással, viszont rideg anyagból is tudunk folyó forgácsot leválasztani, ha nagy forgácsolósebességet és kis forgácsvastagságot választunk.

A forgácsleválasztás jellegzetes, kedvezőtlen jelensége az élsisak- vagy élrátétképződés (1.14. ábra). Az élsisak a szerszámcsúcson keletkezik összetorlódott fémrészecskékből. Egy ideig növekszik, majd periodikusan szétesik. Nem kívánatos jelenség, mert kedvezőtlenül hat a forgácsolt felült minőségére és magára a szerszámra is. Megfelelő forgácsolási sebesség választásával elkerülhető.

1.14. ábra

A forgácsképződés érdekes jelensége, hogy a leválasztott forgács vastagsága nagyobb, mint a leválasztott anyag vastagsága (fogásmélység). Ez a forgácsolás közben lejátszódó alakváltozás következménye. Az alakváltozás mértékét a h/a viszony fejezi ki. Az alakváltozás munkát igényel, s a forgácsleválasztáshoz szükséges munka annál kisebb, minél kisebb a h/a tényező. Ha a F iránysík szöge nagy, akkor kis munkabefektetéssel lehet a forgácsot leválasztani. Az iránysík legnagyobb szöge 45° lehet.

Az irányszög nagysága a fogásmélységen (a) és a forgácsvastagságon (h) kívül a szerszám g n homlokszögének ismeretében határozható meg (1.15. ábra):

1.15. ábra

1.6. A forgácsoló erő

A forgács leválasztásához szükséges forgácsoló erő (F) a szerszámra ható térbeli erő. Három összetevője:

- a főforgácsolóerő (F v),
- az előtolás-irányú erő (F f),
- a fogásvétel-irányú erő (F p).

A három erőkomponens nagysága általában a következő összefüggés szerint alakul:

Az eredő forgácsoló erő meghatározására ritkán van szükség. Az erőmeghatározási módszerek (számítás, mérés) mindig a mozgásirányú komponensek meghatározására vonatkoznak, ezek ismerete teszi lehetővé az eredő erő meghatározását is. A forgácsoló erővel ellentétes reakcióerő, amely a munkadarabra hat, az ún. élnyomás (E).

Az iránysíkban végbemenő deformáció irányához az F v főforgácsoló erő iránya áll a legközelebb, ezért a deformáció mértékével elsősorban a főforgácsoló erő arányos. Szabadforgácsolás esetén a forgácsoló erő az 1.16. ábra szerint bontható fel összetevőire.

1.16. ábra

Az F eredő forgácsoló erő nagysága és iránya az F v főforgácsoló erőből és az F f előtolás irányú erőből határozható meg, ha ezek nagyságát valamilyen módszerrel (mérés vagy számítás) már megállapították:

Az eredő forgácsoló erő felbontható a szerszám homloklapjára merőleges (N) és a homloklap síkjába eső (S) összetevőre. A két erő vektora az eredő vektor, mint átmérő fölé írt Thales-kör segítségével szerkeszthető meg.

1.17. ábra

A forgács N erővel nyomódik a szerszám homloklapjára. Az N erő hatására a forgács elcsúszásakor a homloklapon S = N·m súrlódó erő ébred. A m súrlódási tényező az 1.17. ábra r súrlódási szögéből: m = tgr, amelynek értéke forgácsoláskor m = 0,4...1,0 között alakul. Nagysága a szerszám és a tárgy anyagától, a forgácsolási sebességtől és az alkalmazott hűtéstől, illetve kenéstől függ. Az N erő a szerszám forgácsoló részét nyomja, illetve hajlítja, az S erő pedig a szerszámot a befogás ellenében elmozdítani igyekszik.

A forgácsolóerő nagyságát általában négyféle módszerrel szokták meghatározni:

- közvetlen erőméréssel,
- számítással,
- teljesítménymérésből visszaszámolva,
- táblázatok és nomogramok segítségével.

Ezek közül az erőmérést nem tárgyaljuk, mert ez a méréstechnika feladata, a táblázatok és nomogramok használatát szintén nem, mert ezek már valamilyen módon meghatározott erők és paraméterek összefüggését tartalmazzák.

1.7. A forgácsolóerő számítása

A főforgácsoló erőt a k s fajlagos forgácsolóerő (vágási ellenállás) alapján számíthatjuk. Eszerint a forgácsolóerő első közelítésben a forgácsolásra kerülő anyag minőségétől és a forgács keresztmetszetétől függ:

ahol k s: a fajlagos forgácsoló erő (N/mm2), A: a leválasztásra kerülő forgács keresztmetszete (mm2), amely az előtolásból és a fogásmélységből számítható: A = a·s, vagy A = b·h.

Így:

illetve:

1.18. ábra

A fajlagos forgácsolóerő adott anyagra vonatkozóan annál nagyobb, minél kisebb a forgácsvastagság (1.18. ábra):

A k s1.1 a k s főértéke, amely az 1 mm2 területű, négyzet keresztmetszetű forgács leválasztásához szükséges erőt jelenti.

Helyettesítés után:

A főforgácsoló erő azonban több egyéb tényezőtől is függ, mint pl. a szerszámgeometria, forgácsolási sebesség, a szerszám anyaga stb. Ezeket helyesbítő tényezőkkel vesszük figyelembe:

Az összefüggésben szereplő helyesbítő tényezők:

- K g a szerszám homlokszöge miatti helyesbítő tényező:
  A homlokszög egy fokos változása kb. 1,5%-kal változtatja a főforgácsoló erőt. Az összefüggésben g n az adott szerszám tényleges homlokszöge (acélokra 6°, öntöttvasakra 2°).

- K v a forgácsoló sebesség miatti helyesbítő tényező, amelynek értéke az 1.19. ábráról olvasható le. A diagram érvényességi tartománya: a < = 5 mm, s = 0,2...1,2 mm, g n = 5...10°, g r = 60...90°.

  1.19. ábra

- K s a szerszám anyagától függő helyesbítő tényező, amelyet csak kerámia lapkánál kell figyelembe venni (K v = 0,9...0,95).

- K k a szerszámkopás miatti helyesbítés. Az éltartam végén a forgácsoló erő 30...50%-kal nagyobb, mint közvetlenül az élezés után (K k = 1,3...1,5).

1.8. A forgácsolási teljesítmény

A forgácsolási teljesítményt a forgácsoló erő és a forgácsolási sebesség ismeretében számíthatjuk. Ha az egyes erőkomponenseket és a hozzájuk tartozó sebességeket vizsgáljuk, akkor megállapíthatjuk, hogy F v > F p > F f, továbbá v >> v f, és v p = 0.

Az egyes erőkomponensekhez tartozó teljesítmény:

A forgácsolás teljesítményszükséglete a három teljesítmény összege:

Mivel P p = 0, és P v >> P f, irható:

A szerszám élén jelentkező hasznos forgácsolási teljesítmény (ha az általánosan elterjedt N és m/min mértékegységeket használjuk, akkor a teljesítményt kW-ban kapjuk):

Természetesen a villamos motor által felvett teljesítmény ennél nagyobb. Ha a motor hatásfoka h m, és a szerszámgép hatásfoka h g, akkor:

Ha a motor által felvett teljesítményt megmérjük, és a forgácsoló sebességet ismerjük, akkor a fenti összefüggésből a főforgácsoló erőt kiszámíthatjuk:

      A jegyzet elejére     Az oldal elejére     A következő oldalra