Egzakt geometriák és felületek

A gyártási folyamatok átgondolása a növekvő követelmények tükrében

2013. augusztus 26., hétfő, 08:34

Címkék: felülettechnika folyamatfejlesztés folyamatvezérlés gyártásoptimalizálás mikromegmunkálás szerszámtechnika

Egyre nagyobb követelményeket támaszt a piac a szerkezeti elemekkel szemben: legyenek kisebbek, terhelhetőbbek és ezzel precízebbek! Az értékelési kritériumokat is szigorították. Ezenkívül minden egyes elemnek ki kell elégítenie a részegység vonatkozásában meghatározott, a zajképzést és a kopásállóságot illető egyéb követelményeket. Mindenekelőtt az egzakt geometriák és felületek iránt van kereslet. Az üzemek sok esetben a rendelkezésre álló gyártásfolyamataikat – úgy mint a keményesztergálás, köszörülés − próbálják a végsőkig kiaknázni. De van-e ennek egyáltalán értelme, gazdaságos-e? Oliver Stamment, a nagy precizitású szerszámgépeket gyártó Thielenhaus Technologies értékesítési vezetőjét kérdeztük. Cége a finom felületi megmunkálás területén a világpiacon vezető pozíciót vívott ki magának.

 
FELÜLET − A szerkezeti elemek geometriája a miniatürizálás korszakában egyre fontosabbá válik. A finiselés specialistájaként Önnek nem csupán a felületi topográfiával van dolga, hanem mindig a geometriával is. Manapság hol állnak fenn problémák a követelmények teljesítését illetően? 
 
Oliver Stammen: − Nehézségek szabály szerint a rajzon a geometria és a tűrések vonatkozásában meghatározott követelmények alapján merülnek fel, a tűrések ma egyre kisebbek lesznek. Amennyiben a megmunkáló a rendelkezésre álló gyártásfolyamatával nem tudja betartani a megengedett eltérések határvonalait, akkor optimalizálásról vagy alternatívákról kell gondoskodnia.
 
Oliver Stammen, a Thielenhaus Technologies értékesítési vezetője
 
Kinek éri meg?
 
Éppen a középvállalkozó fogja gazdasági okokból először is a saját gyártásfolyamatának optimalizálását az új beruházással szemben előnyben részesíteni. 
 
Nem  merészkedik-e ezzel nehéz terepre?
 
De igen. Ezért kellene először is megvizsgálnia, hogy milyen mértékű ráfordítást igényel az, hogy a követelményeket a hagyományos gyártásfolyamatokkal teljesítse. Ennek során a gépkezelők szakképzettségét, a csúcskövetelmények teljesítése érdekében szükséges szerszámköltségét, a meghosszabbodott ütemidőket, a nagyobb minőségbiztosítási ráfordítást, adott esetben beszabályozási ciklusokat és a nagyobb selejtarányt kell számításba venni. Végül biztosítani kell az egész  gyártássorozat reprodukálhatóságát. A rendelkezésre álló gyártásfolyamatokat ennek során maradéktalanul ki lehet aknázni, azonban soha sem szabad őket túlerőltetni.
 
Nem értelmesebb-e, ha a gyártási folyamatláncot kiegészítjük?
 
A vállalatnak alapvetően meg kellene vizsgálnia, hogy még mindig megfelelően felkészült-e a rendelkezésre álló gépparkjával. Ennek során arra is kell gondolni, hogy a minőségi követelmények a jövőben nem fognak csökkenni, hanem tovább nőnek, és olyan kiegészítő értékelési kritériumok jelennek meg, mint például a Fourierelemzések. Mindamellett a további művelet növeli a darabköltséget, és az ezzel kapcsolatos beruházások – különösképpen beszállító üzemek esetén – gyakran nem térülnek meg egyetlen megrendeléssel.
 
Ön milyen megoldást lát erre?
 
Ha fennáll annak a veszélye, hogy az adott gyártásfolyamat határérték közeli, vagy túlerőltetik, akkor emiatt ne az legyen az elsődleges cél, hogy a gyártási folyamatláncot egy külön géppel bővítsük! Először inkább a gyártásfolyamat kombinációját lehetne tervbe venni. Ez a legegyszerűbb esetben egy Microfinish készülék beiktatását jelenti a meglévő szerszámgépbe. Amennyiben ez nem lehetséges, akkor érdemes befektetni egy rugalmas, jövőképes finiselő gépbe, amit azonban aztán más megrendelésekre is könnyen át lehet állítani. Olyan rendszereket fejlesztettünk például ki, amelyek építőszekrény-elvűek, és a modulok kiegészítése vagy eltávolítása útján maga az üzemeltető is alkalmazhatja őket más feladatokra. Ezzel szintén lehetségesek a gyártásfolyamatok kombinációi. Mivel ezeknek a gépeknek a további felhasználhatósága a piacon a rugalmasságuk révén jelentősen nagyobb, a lízing bankok is kedvezőbben értékelik őket, ami a külön gépekhez képest alacsonyabb lízing-költséget eredményez.
 
Milyen geometriai problémák foglalkoztatják az üzemeket a gyakorlatban?
 
Azok a geometriai javítások, amelyek érdekében a leggyakrabban alkalmazzák a gépeinket, az egyenletesség a síkmegmunkálás során, a kerek forma hullám alakú, valamint hengeres elemek, vagy golyók és gömbsüvegek esetén, illetve egyenesség, például gördülő csapágyak ferde hatásvonalú formái esetén.
 
És mit eredményez a Microfinish eljárás?
 
Az évtizedek óta bevált és folyamatosan továbbfejlesztett eljárás megrövidült megmunkálási idők mellett a legnagyobb geometriai formapontosságot, és a legszűkebb mérettűréseket biztosítja, ami a legtöbb esetben kiváltja az egyébként szokásos osztályozási és párosítási ráfordítást. Ezt geometriai hatékonyságnak nevezzük. A Microfinish az adott követelménynek és feladatkitűzésnek megfelelően biztosítja az egyenletes felületminőségeket, amelyek nem ritkán Ra 0,05 μm körüli felületi érdességűek, és 99,99%-os hordozó arányig terjednek. Az alacsony munkahőmérséklet révén a peremzónák felületszerkezete a megmunkálást követően jelentős mértékben terhelhetőbb mint előtte. Így lehet például az energiahatékonyság szempontjából fontos csúszási és súrlódási tulajdonságokat sík szerkezetek megteremtése révén jelentős mértékben, célzott módon befolyásolni. Finnországi és amerikai kutatók mostanában például a gépjárműipar vonatkozásában azt számolták ki, hogy egy liter üzemanyagból csupán annak egyötöde hajtja előre a gépjárművet. A fennmaradó rész 35%-os arányban hő és súrlódás formájában, a motorban, és 15%-os arányban a hajtóműben vész el. Annak érdekében, hogy ezeket a veszteségeket a jövőben csökkentsék, a megfelelő szerkezeti elemek tűréseit bizonyára nagymértékben fogják  redukálni, melynek következtében a legfinomabb felületi megmunkálás elkerülhetetlenné válik. Az energiahatékonysági intézkedések más területeken is nagyobb követelményeket fognak majd eredményezni a munkadarabokkal szemben.
 
Mért értékek a Microfinish eljárás előtt…

Geometriai hatékonyság

Vannak-e még további előnyei ennek az eljárásnak?
 
Igen, hiszen valamennyi hagyományos eljárásnak megvannak a határai, amelyek eltérést eredményeznek a matematikailag optimális formától. Ezeket a határokat a Microfinish alkalmazása révén jelentősen kibővítjük, mégpedig oly módon, hogy az eljárás átfogóan lefedi a megmunkálási műveleteket. A szerszám és a munkadarab lehető legnagyobb átfedésével például tengelyek csapfelfekvései vonatkozásában el tudjuk érni, hogy a finom felületi hullámosság eltávolításra kerüljön. Továbbá logaritmikus szelvények és nagyon komplex felületszerkezetek is lehetségesek. Ráadásul a megmunkálás eredményeként jelentősen megnövekednek a felület kedvező nyomó-önfeszültségei, melynek következtében terhelhetőbbé válik. A szerkezeti elemek mérete ennek segítségével azonos terhelhetőség mellett kisebbé válhat. Ez a tényező, valamint a súrlódási értékek minimalizálása képezik a minden szereplő részéről egyre inkább megkövetelt energiahatékonyság kulcstényezőit. Eljárásunk ezen felül képes arra, hogy a zajt minimalizálja, megszüntesse, illetve igény szerint is beállítható. Ezek a követelmények időközben egyre növekednek – mégpedig nem csak a kormány és a hajtómű szerkezeti elemei vonatkozásában. A zaj rezgés által keletkezik, és így a Fourier-elemzés alapján célzott megmunkálás útján el lehet érni, hogy kedvezőtlen területeken ne merüljön fel rezgés. Hiszen minél kevésbé tér el a szerkezeti elem a geometriailag optimális formától, annál jobb a rezgésérték. Vagy tükörfényesnek kell lennie a felületnek, hogy integrált vezetékpályák bázisául lehessen használni, melynek révén a munkadarab platinává válik. Még a nagy értékű termékek esetén olyan fontos optikát is a tükörfényesség vagy irányított mikromegmunkálási nyomok létrehozása révén érdekes hatásokkal lehet növelni az értéket.
 
… és az eljárás során
 

A rezgés

Térjünk még egyszer vissza a rezgés témájára, hiszen a rezgések nem csak zajt okoznak, hanem interferenciák által kedvezőtlen hatást is gyakorolhatnak a szerkezeti elem vagy az egész részegység élettartamára. Szemléltetné, hogyan viselkedik ezen a téren a Microfinish megmunkálás a hagyományos eljárásokhoz képest?
 
Vegyünk egy tengelyalakú szerkezeti elemet, mint például egy hajtómű tengely csapfelfekvéssel – ez lényegében egy henger meghatározott peremeséssel. A munkadarab gyakran mintegy 58 HRC keménységgel rendelkezik. A csapfelfekvés megmunkálására jellemző eljárás a keményesztergálás vagy a köszörülés. Az esztergálás során az él és a munkadarab között többé-kevésbé pontalakú, a köszörülés során vonalalakú érintkezés áll fenn. Mind a két eljárás csupán rendkívül csekély szerszámátfedést tesz lehetővé. Ennek előnye a nagyon nagy forgácsvolumen, hátránya azonban, hogy már a legkisebb rezgések is hullámosság formájában képződnek le a munkadarab felületén. A gépgyártás során ezt a rezgést csökkenteni lehet úgy, hogy különleges módon megtervezett, vezetéstompító-elemekkel ellátva, a gépágyban elhelyezett nagy tömeget és hidrosztatikus támaszokat alkalmazunk, amitől a gép természetesen jelentősen drágul. A rezgést így szűk tűrések közé lehet szorítani, azonban teljes mértékben nem szüntethető meg. Végül magából a munkadarabból is jönnek, mivel az is saját rezonanciamagatartással rendelkezik.
 
Ezek extrém esetben rezgési nyomok?
 
Igen, itt magas csúcsértékű rezgésekről van szó. Azonban a legkisebb csúcsértékű rezgések, tehát a μ- vagy nanométeres tartományban lévők, hatással vannak a zajképzésre, és a megmunkált szerkezeti elem élettartamára is. Szóval, ha a henger felületén tűcsapágy fut, akkor a tű vonalas érintkezést képez a tengellyel. A gördülés során a felfekvésen radiálisan felgyorsul. Ez a gyorsulás, amely a fordulatszám függvényében megfelelően magas lehet, zajt, valamint nagyobb mértékű kopást okoz. Olyan folyamatoknál, amelyek pontos vagy vonalas érintkezéssel mennek végbe, ezt nem lehet kikerülni. 
 
Ezt a hátrányt hogyan lehet elkerülni?
 
Ha tehát olyan szerszámot választunk, amely nagy felületi érintkezésben van a munkadarabbal, mint egy fél persely, amely a csapfelfekvésre nyomódik, akkor a rezgések nem képezhetnek hullámokat, illetve az így fennálló hullámosság eltávolításra kerül, mivel a fél persely révén először csak a hullámhegyek kerülnek lehordásra. A Microfinish-eljárás során a szerszám ráadásul axiális irányban oszcillál. Ezekkel az átfedett mozgásokkal a munkadarab rotációjával kapcsolatban nagyon magas mikro- és makrogeometriát kényszerítünk ki. Itt szorító kengyellel ellátott szalagszerszámokat, vagy megfelelően beszabályozott különböző kötésű és szemcséjű kőszerszámokat alkalmazunk, az adott követelmény szerint.
 
Oliver Stamment: mindenekelőtt az egzakt geometriák és felületek iránt van kereslet
 
Milyen eredményeket lehet ezzel elérni?
 
Az eredmények természetesen az előmegmunkálás minőségétől függnek. Azonban mindenképpen el lehet érni olyan geometriaeltéréseket, mint a kerek vagy hengeres forma, amelyek jelentősen 1μ alatt vannak. Ráadásul a Fourier-elemzést, és ezzel a zajképzést nagyon kedvező módon befolyásoljuk. Ezt azok számára, akik az eljárás iránt érdeklődnek, az általuk rendelkezésre bocsátott munkadarabokon, eredeti gépeken tudjuk bizonyítani, és megfelelő mérősorozatokkal alátámasztani. Kiegészítésképpen valamennyi munkadarabra határmintákat is készíthetünk, amelyek alapján meghatározásra kerül, hogy milyen mértékben lehetne a rendelkezésre álló gyártásfolyamatot tehermentesíteni, vagy költségkímélőbb módon kialakítani, anélkül, hogy a végeredményt kedvezőtlenül befolyásoljuk.
 
www.thielenhaus.com
A cikk megjelent a FELÜLET című magazin 2013. májusi számában
Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek