A keménymegmunkálások, így a keményesztergálás a 90-es évek táján került előtérbe a technológiai palettán, a köszörülési műveletek kiváltása érdekében egy költséghatékonyabb technológiára.
A kemény esztergálásról definíció szerint 45 HRC keménység feletti anyagminőség esztergálása során beszélünk. Mely anyagminőségek főleg az edzett (akár kéregedzett) acélok, az 1.8xxx-es nitridálható acélok, 1.7xxx-es melegszilárd acélok, 1.2xxx-es magasan ötvözött szerszámacélok, főleg a szerszámgyártásban, csapágygyártásban és autóipar alkalmazott anyagok, nem beszélve az egzotikus anyagminőségekről: mint az energetikai iparban alkalmazott Inconel, vagy a repülőgép iparban használt Waspaloy vagy Stellite.
A keményesztergálás alapja, hogy a forgácsképződés során a forgács nyírási zónájában olyan magas feszültségek és lokális kilágyulások ébredjenek, hogy még a keményebb, ridegebb anyagok is elérjék a képlékeny/folyási határt jóval az anyag ridegtörése előtt.
- Felületi minőségek 0.0003 mm körül, Rmax/Rz=1,6 érték általában.
- Körkörösségi érték 0.00025 µm érték.
- Egyéb alaktűrések 0.005 mm értéken tartása.
A konvencionális „lágy” esztergáláshoz képest jóval alacsonyabb előtolásokkal és fogásokkal lehet dolgozni keményesztergálás során (értékek lásd lejjebb). A keményesztergálás inkább technológia igényes alkalmazás, mintsem gépigényes alkalmazás, mégis az alábbi szempontokat érdemes figyelembe venni: a kemény esztergálás során alkalmazott pozitív lapkageometria jellemzően jelentősen megnöveli a forgácsolás során ébredő erőket, így a lehető legmerevebb gép-készülék-szerszám kombinációt kell alkalmaznunk a rezgések elkerülése végett.
Továbbá a keményesztergálás során az orsóteljesítmény általában 20-30 %-kal magasabb. Ezen okokból kifolyólag igyekezzük a szerszámráhelyezést közel merőlegesre állítani, hogy forgácsolás síkjában ébredő erők minél inkább a főorsó irányába mutassanak.
A keményesztergálás során a jó technológia titka a jó szerszám, ezen belül is a szerszám keménysége. A legkeményebb technológiai anyagunk – a gyémánt és a PKD (polikristályos gyémánt)- nem alkalmazható, mivel a forgácsolás során az élcsúcsnál a hőmérséklet a 700-730 0C-t is elérheti, a gyémánt szerkezete pedig 600 0C környékén elkezd szétesni, a gyémántot alkotó szén pedig a munkadarabunk anyagába diffundál.
Így a második legkeményebb technológiai anyagunkat, a köbös-bórnitridet, vagyis a CBN-t alkalmazzuk leginkább keményesztergálás során, mint lapkaanyagot. A CBN lapkák anyagának körülbelül 50 %-a a tényleges CBN, a maradék a szemcséket összetartó kötőanyagok, melyek főleg TiC, TiN, tantán, wolfrám vagy kobalt, illetve ezen fémek karbidjai, 1 µm alatti szemcsenagyság esetén alkalmaznak alumínium-kerámiát is kötőanyagként. A CBN leginkább az 58-68 HRC közötti munkadarab keménység-tartományban a leggazdaságosabb.
A CBN lapkával történő keményesztergálás az esetek többségében száraz megmunkálás, vagyis nem alkalmaznak hűtőfolyadékot. A CBN alkalmas mind folytonos, mind szakított felületek megmunkálására.
CBN-nel alkalmazható technológia irányértékei:
- 2-0.25 mm közötti fogás.
- 96-102 m/perces előtolás, 0.1 mm-es fogásonkénti előtolással.
A CBN magas ára miatt kezdtek a szerszámgyártók más anyagminőségeket keresni a keményesztergáláshoz. Az egyik ilyen említésre méltó helyettesítő anyag a kerámia lapkák családja. A kerámia lapkák ár-érték aránya magasabb, mint a CBN lapkáké (technológia függő). 45-55 HRC keménységhatáron belül az élettartama, éltartóssága és így az ismétlési pontossága is kiemelkedő, sok esetben megközelíti a CBN technológiáját, viszont felette hajlamos a ridegsége miatt a törésre. Kerámia lapkák főleg folytonos felületek esztergálásához ajánlott (ridegsége miatt nem igazán bírják a szakított felületet), hűtés alkalmazása szigorúan tilos!
Kerámia lapkák technológiája megközelítőleg az alábbi:
- 95 m/perces előtolás, 0.12 mm-es percenkénti előtolással.
- 12-0.13 mm-es fogásmélység.
A harmadik említésre méltó, keményesztergálásra alkalmas szerszám a tömör titán-karbid anyagminőségű lapkák (gyakran Cermet anyagminőségnek hívják). Élettartama, alkalmazható technológiai ablaka lényegesen alacsonyabb, mint az előbb említett két anyagminőségé, viszont kéregedzett anyagok esztergálásánál, ahol a kéreg kemény, a belső mag szívós és rugalmas, kiválóan helyettesítheti a CBN anyagminőséget, jobb ár-érték arányával.
A tömör TiC-fém lapkákkal alkalmazható technológia keményesztergáláshoz:
- 90-96 m/perces előtolás, 0.1 mm-es fogásonkénti előtolással.
- 1-0.13 mm-es fogásokkal.
Mint fent említve volt, a keményesztergálás az esetek többségében száraz, vagyis hűtőfolyadék nélküli technológia. Ennek oka a hősokk okozta anyag-degradáció elkerülése. Hűtés alkalmazására is van lehetőség, a forgácskezelés javítása érdekében (szigorúan technológia és lapkagyártó függő). Ha úgy döntünk, hogy szükségeltetik a hűtőfolyadék alkalmazása, két megfontolást szükséges megtenni: egyrészt tilos olaj alapú hűtés alkalmazása, hiszen a forgácsolási pontban a hőmérséklet a 700 0C-t is elérheti, amelyen az olajok többsége lángra lobbanhat, gyúlékonnyá válhat. Továbbá a hűtés során a fúvókát nagyon pontosan kell beállítani, lehetőleg a szerszám csúcsára irányítva a hűtőfolyadék sugarat, a munkadarabot minél kevesebb érje.
Továbbá fokozottan szükséges figyelni a szerszám kopását, élettartamát. Eltompult szerszám esetén fokozottan fellép a „fehér-rétegződés” jelensége. A fehér-rétegződés jelensége, többek között, keményesztergálás során léphet fel, ahol a munkadarab felszínén esztergálást követően egy mikronos vastagság alatti, szabad szemmel nem látható fehéres réteg marad, mely kialakulása a következő: az él kopása miatt a forgácsképződés során a képlékeny zóna megnövekedik, így előfordulhat az anyag újrakristályosodása, fázisátmenet kíséretében. Például a csapágygyártásban alkalmazott 100Cr6-os anyagminőség (1.2067-es anyagminőség) keményesztergálása során a CBN szerszám élettartamának csupán 75%-át használják ki, utána lapkát cserélnek. Utána, a tapasztalatok szerint, jelentősen megnő a fehér rétegződés esélye. A csapágyak során azért kritikus, mert az eltérő szemcseszerkezet inhomogenitást okoz az acél anyagában, így jelentősen növelve a kifáradással szembeni ellenállóságát.
4. ábra: “Fehér-rétegződés” jelensége keményesztergálás után
Források:
- Markus Knüfermann: Hard turning principles/ https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/
bitstream/1826/131/3/Chapter%201%20to%204.pdf
- Gosinger: http://info.gosiger.com/Portals/
139128/docs/GOS_WP_HardTurning_F.pdf
- http://www.productionmachining.com/articles/hard-turning-as-an-alternative-to-grinding
- http://www.mmsonline.com/articles/hard-turning-might-not-be-as-hard-as-you-think
- http://www.ovako.com/Global/Downloads/
Product_information/Ovako_Group/EN/
Steels%20for%20Bearings%20from%20Ovako.pdf
- B. Hosseini: Journal of Materials Processing Technology: Cutting temperatures during hard turning—Measurements and effects on white layer formation in AISI 52100
- https://www.youtube.com/watch?v=1kYV-FhKUCo
- http://jrmachine.com/reduce-lead-time-and-cost-with-jr-machines-hard-turning-process/
- http://www.productionmachining.com/articles/hard-turnings-strong-finish
