Takács Márton

Való igaz, hogy a forgácsolás „ősi technológia”, amelyet az alábbi rajz is szemléltet. Tradicionális tehát, de nem konzervatív! A régi eszköz alatt viszont látható egy olyan korszerű, rendkívül merev és precíz megmunkálógép, amelynek ismétlési pontossága ±0,1 µm. Ez kiváló felületi minőségű, akár kemény anyagú alkatrészek gyártását is lehetővé teszi. Egyébként ez az egyik kutatási eszközünk! Ipari szakemberek véleménye szerint is igaz az, hogy a forgácsolás útján történő gyártás – az egyre újabb technológiák megjelenése ellenére – megkerülhetetlen lesz a következő évtizedekben is.

A forgácsolás eszköze régen...

... és ma!

Milyen különleges nehézségeket hordoz a nagyon kemény anyagok (precíziós) megmunkálása?

Az anyagtudomány fejlődése töretlen. Kutatásainkban a hagyományosnak mondható acéloknál akár két- vagy háromszor keményebb anyagok (45–70 HRC) megmunkálási sajátosságait vizsgáljuk. Ezeket az anyagokat többek között az autóipar és a repülőgépipar alkalmazza, de például a műanyag alkatrészek nagy sorozatú előállítását biztosító szerszámok is ebből készülnek. Kemény anyagok forgácsolás útján történő megmunkálását a szerszámanyagok, a szerszámgépek és a technológia fejlődése/fejlesztése teszi lehetővé. Az ún. precíziós keményesztergálás a köszörülés alternatívájaként nyújt lehetőséget edzett állapotú acélok befejező megmunkálására. A kiváló felületi minőség mellett további előnyként említhetjük a termelékenységet, a gazdaságosságot és a nagyobb környezettudatosságot (pl. nincs szükség hűtő-kenő folyadékra). Az eljárással kapcsolatban sajátos körülményt jelent az erőteljes szerszámelhasználódás, a rezgés, illetve olyan egyedi jelenségek előtérbe kerülése, amik a hagyományosnak mondható eljárásoknál elhanyagolhatóak voltak. Az akár izzó állapotban lefutó forgács szintén az adott megmunkálás jellemzője.

Acél keményesztergálásánál izzó forgácsok válnak le

Hogyan modellezik a folyamatot?

A fémek forgácsolásakor az anyag leválasztása igen szélsőséges körülmények között történik, a lejátszódó folyamatok rendkívül gyorsak. A szerszám élének környezetében a hőmérséklet az 1000 °C-ot is meghaladhatja, miközben a felmelegedés sebessége százezer, az azt követő lehűlés tízezer oC/s nagyságrendű is lehet. Ilyen körülmények között alakul ki az alkatrész, amelynek felületi minősége igen fontos a gyakorlat számára. Mivel a forgácsleválasztás az anyagalakítás extrém fizikai feltételei mellett megy végbe, mélyreható elemzések szükségesek. A folyamatok többek között a nemlineáris dinamika módszereivel tanulmányozhatók. A keményesztergálásra is jellemző, hogy a forgács kialakulása közben kaotikus jelenségek lépnek fel. A káoszelmélet a nemlineáris dinamika „leánykori” neve. Az eddigi kutatásunk ezzel kapcsolatos eredményeit foglalja össze az alábbi ábra, ami egy speciális differenciálegyenlet-rendszert alkalmazó matematikai modell sokórás számítógépes futtatásának az eredménye.

A forgácsképződés dinamikája: a vízszintes tengelyen a megmunkálási sebesség, a függőlegesen a gép merevségi jellemzője látható. Zöld: folyamatos, piros: szakadozott forgácsképződés tartománya

A fentieken túl végeselemes szimulációt is végzünk, ami hatékony eszköz a keményesztergálási folyamat hőmérsékleti, hőmérsékletváltozási, szerszámkopási és feszültségi viszonyainak a vizsgálatánál. Ezek az eredmények egyrészt kiegészítik a kísérleti vizsgálatok tapasztalásait, másrészt bemenő adatokat szolgáltatnak az analitikus számításokhoz.

A forgácsleválasztás végeselemes modellezése

A kutatás gyakorlati jelentősége azért számottevő, mert az eredmények közvetlenül is hasznosíthatók a forgácsolási technológiában. Az eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy a korszerű, nagy keménységű anyagok megmunkálása jól tervezhető, biztosan kézben tartott és ismételhető módon történhessen. Az elvégzett, illetve a folyamatban lévő kutatás olyan összefüggéseket tár fel, amelyek megkönnyítik a forgácsolást tervező technológusok számára a paraméterválasztást, aminek az eredménye a jobb felületi minőség és a legyártott alkatrész kedvezőbb funkcionális viselkedése. Ezek a korszerű gyártástechnológia elengedhetetlen kívánalmai!

Milyen további kutatási potenciállal rendelkezik még ez a terület?

A további kutatási lehetőségek bemutatása céljából hadd emeljek ki példaként egy sajátos jelenséget. Ha elképzeljük, hogy valójában mi is történik például esztergáláskor, akkor azt látjuk, hogy egy „forró kis felület”, vagyis a forgácstő körbe-körbe kering a munkadarab felületén. Eközben – minden pillanatban másutt – hirtelen felhevül az anyag, majd a hőforrás továbbhaladtával gyorsan le is hűl. Eddig is figyelembe vették ezt a jelenséget, hiszen ez a felületen „szaladgáló” „forró pont” fokozatosan behatol az anyagba, felmelegíti azt. Az alkatrész kitágul, a változatlan pályán mozgó szerszám tehát megváltozó geometriai viszonyok között dolgozik, az alkatrész mérete torzul. Viszont a gyors termikus folyamatok a hagyományos alkatrészek anyagstruktúráját nem változtatják meg. Ma ettől többre is ki kell terjeszteni a vizsgálatokat! A keményforgácsolás gyakran igen finom kristályszerkezetű anyagok megmunkálására irányul, amelyeknél már az rövid hevülési idő alatt is jelentős strukturális változások következhetnek be. Az anyagtudomány egészen új, felderítetlen területe ez. Az elkészülő alkatrészek minőségjavítása érdekében pedig alapvető fontosságú a keményforgácsolás minél mélyebb megismerése.

2016. április