GINOP-2.1.2-8-1-4-16-2018-00659 – Alumínium alkatrészek megmunkálási és felületkezelési technológiájának fejlesztése a Török Gépipari Kft-nél. (Kutatási fejlesztési kiadvány I. rész)
Alumínium alkatrészek megmunkálási és felületkezelési technológiájának fejlesztése a Török Gépipari Kft.-nél. A K+F projekt a GINOP-2.1.2-8-1-4-16-2018-00659 pályázat keretein belül valósult meg.
1. Fejlesztés céljai
Jelen projektben olyan technológiák fejlesztése a cél, amelyek a légi-iparban használt alumíniumok élettartamának fejlődését, javulását okozzák. A kutatás során a járműipar egyéb ágazatai is célterületek, mivel a légiipari környezetben megjelenő legújabb fejlesztések felhasználása a gépjárműiparban is egyre jobban előretör, hiszen a környezetterhelés, a fosszilis energiák csökkenő mértéke és a gazdaságosabb üzemeltetési feltételek komoly kihívást támasztanak.
Az alumíniumnak a többi fémekkel szemben könnyűsége ad igen sok helyen alkalmazási lehetőséget. Az alumínium a könnyű fémek közé tartozik, fajsúlya 2700 kg/m3. A fém alumínium lágyságát csökkenteni lehet ötvözetek készítésével. A megolvadt alumínium ugyanis olvadt állapotában keveredik más fémekkel, melyektől kihűlés után sem válik el, azokkal ötvözeteket képez. Kétszáznál is több a ma előállított alumínium ötvözetek száma. Ezek között akad sok olyan, melyek könnyűségük mellett szilárdságban, keménységben kiállják a versenyt a legkeményebb acélfajtákkal is. Az ötvözet készítésben általában kétféle szempont érvényesül: egyrészt igyekeznek a keménységet növelni, másrészt olyan ötvözeteket előállítani, amelyeknek a fajsúlya még az alumíniuménál is kisebb. Az ötvözetek (Duralumin, Silumin, Anticorodal, Fredal, Paraluman, Magnalium, Zimalium, Hydronalium, Alzanfém, Scleron, Aeron, Lautal, Aludur, Montegal, Constructal, stb.) közül úgyszólván minden célra alkalmasak is találhatók. A Duralumin és a Siludur például keménységükkel tűnnek ki, magnéziumötvözetek közül pedig olyan is van, amelynek a fajsúlya jóval alatta van az alumínium fajsúlyának. Ezek az ötvözetek a repülőgép vázának és általában nagy erők hatásának kitett részek építésében jutnak felhasználásra. Azokat a részeket, ahol nincs nagy szilárdságra szükség, a könnyű magnézium-alumínium ötvözetekből készítik. Ilyen ötvözet az ún. „elektron-fém” (90-95% magnézium+2-5% cink+3-5°/o alumínium), melynek fajsúlya jóval kisebb, mint az alumíniumé. Ebből készül a légcsavar, szárnyfelület és a külső borítások. Egészen különleges ötvözetből készülnek a Zeppelin léghajók, a ZZ-fémből. Különleges eljárással ez az ötvözet színezhető és belőle ízléses dísztárgyakat készítenek.
Az alakítható ötvözetek közül is rendkívül sokféle típust alkalmaznak. A beépítési hely és az adott igénybevétel határozza meg ennek fajtáját. Más-más ötvözet szükséges egy teherviselő elemhez és más akár egy burkolathoz, melynél fontos szerepet tölt be többek között az esztétika.
Az ötvözetek megmunkálási módja is rendkívül sokrétű, ilyen technológiák többek között a lemezalakítás, a hideg- és melegalakítás (sajtolás, kovácsolás, mélyhúzás stb.) és a forgácsolás.
A fejlesztés során ezen ötvözött alumíniumok forgácsolással történő megmunkálásának fejlesztése valósul meg, mint annak megmunkálása, előkészítése felületkezelésre, felületkezelés és színezés (eloxálás), majd alumínium-oxid felületek utókezelése lézeres jelöléssel, gravírozással.
A Török Gépipari Kft. korszerű gépparkkal rendelkezik, az üzemben többek között megtalálhatóak az egyedi- és kisszériás gyártóüzemek leggyakoribb berendezései, mint a CNC esztergagépek, 3-4-5 tengelyes CNC megmunkáló központok, CNC huzalszikra-forgácsoló, CNC palást- és síkköszörű gépek egyaránt. A projekt fizikai megvalósítása, gyártási tesztek a vállalkozás saját berendezéseivel, magasan kvalifikált forgácsoló és felületkezelő szakembereik bevonásával történt meg.
A Vállalat vevői számos különböző iparág területéről érkeznek, úgy, mint légi ipari, hadiipari, autópari, mezőgazdasági ipari, élelmiszeripari, ipari automatizálási, célgépgyártó stb. vállalkozások, akik egyenként is különböző szintű, ugyanakkor komoly kihívásokat támasztanak mind a lehető legjobb minőség, határidő és versenyképes ár tekintetében. A cég elkötelezetten minőségközponti szemlélet szerint működik, melynek köszönhetően 2006-ban, első lépésként bevezetésre került az MSZ EN ISO 9001 szabványkövetelményeinek megfelelő minőségirányítási rendszer. Ezt követően, integrált minőségirányítási és környezetközpontú irányítási rendszert vezettek be és alkalmaznak, amely megfelel az MSZ EN ISO 9001:2015 és az MSZ EN ISO 14001:2015 szabvány követelményeinek. A cég életében rendszeresek a külsős vevői auditok is, amelyek nem ritkán még a fentieknél is szigorúbb VDA autóipari szabványok szerint zajlanak.
A gyártás támogatására fejlett mérőszobát alakítottak ki, ahol az üzemben legyártott alkatrészek teljes skálájának ellenőrzésére is lehetőségük van. Itt kapott helyet az ipari, nagy teljesítményű lézergravírozó gép is, amely ma már nélkülözhetetlen eszköze a gyártott termékek feliratozásának, céglogóval való ellátásának a későbbi azonosíthatóság érdekében.
2. A kutatás-fejlesztési tevékenységhez kapcsolódó feladatok, áttekintő
Megmunkálási eljárások fejlesztése a kutatási projekt szerves része.
Technológiai folyamatok
Az innovatív felületkezelési és forgácsolási szolgáltatások kifejlesztését az alábbi K+F projekttevékenységen keresztül valósították meg:
- Jellegzetes járműipari alkatrész anyagok és alkatrész csoportok forgácsolási technológiájának fejlesztése. Optimális forgácsolási paraméterek meghatározása, típustechnológiák kialakítása jellegzetes alkatrész csoportokra.
- Alumínium felületi kezelési technológiáinak vizsgálata a porozitás homogenitásának és a kopásállóság értékeinek elemzésével.
- Felület-előkészítési, eloxálási technológia kidolgozása, technológiai ablak meghatározása.
- Alumínium-oxid felületek utókezelése lézeres jelöléssel, gravírozással.
3. A kutatás-fejlesztési tevékenység, összefoglaló
3.1. Jellegzetes járműipari alkatrész anyagok és alkatrész csoportok forgácsolási technológiájának fejlesztése. Optimális forgácsolási paraméterek meghatározása, típustechnológiák kialakítása jellegzetes anyag és alkatrész csoportokra.
A leggyakrabban használt anyagok a 2-es sorozatból az EN AW 2017, 5-ös sorozatból az EN AW 5083 és 5754. A 6-os sorozatba tartozó EN AW 6061 és 6082 is gyakran előforduló alapanyag a járműiparban, valamint az egyik legjobbnak tartott 7-es sorozat (EN AW 7021, 7022, 7075) is egy viszonylag fontos szereplő, főként a jó mechanikai tulajdonságai miatt.
Az alumíniumötvözetek forgácsolása jelentősen eltér az acélok megmunkálásától, akár rendkívül nagy fordulatszámokra is szükség lehet, szerszámátmérőtől függően. Általános esetben az alumíniumötvözetek megmunkálásához 150-500 m/min forgácsolási sebességtartomány és 0,05-0,2 mm fogankénti előtolás ajánlott a legtöbb szakirodalom szerint.
Az anyagleválasztáshoz éles szerszámokra van szükség, valamint a nagy forgácsolási sebesség miatt a leválasztott forgács mennyisége is jelentős, ezért annak hatékony távozását is figyelembe kell venni a szerszámválasztásnál.
A szakirodalmakban az egyes forgácsolási paraméterekhez tartozó intervallumok elég széles tartományban mozognak, ezért a pontosabb értékek meghatározását kísérleti úton tudjuk elérni.
Ezen projektben a járműiparban leggyakrabban előforduló alumíniumötvözetek forgácsolását vizsgálták, azok jellemzőit az alábbi táblázat tartalmazza.
A kísérlethez egy 3 élű, 16 mm átmérőjű, kifejezetten alumínium megmunkáláshoz kifejlesztett ATORN 11263317 típusú keményfém marószerszámot használtak.
A javasolt forgácsolási paraméterek segítségével végezték el a különböző alumínium ötvözetek forgácsolási kísérleteit. 150-500 m/min forgácsolási sebességtartományban és 1200-4500 mm/min előtolási sebesség között változtatták a paramétereket.
A tesztet azonos méretű téglatesteken végezték el, melyeknél oldalanként növelték a forgácsolási sebességet (150, 267, 384 és 500 m/min), valamint 4 különböző előtolási sebességet (1200, 2300, 3400, 4500 mm/min) alkalmaztak, így összesen 16 mintát kaptak minden egyes alumíniumötvözetről.
A forgácsolt darabokon kialakult különböző sávokon egy Mitutoyo SJ-301 típusú felületi érdesség mérésére képes eszközzel vizsgálták a kialakult felület minőségét. Minden egyes sávon 3 mérést végeztek a pontos értékek rögzítése érdekében.
A különböző forgácsolási paraméterekhez tartozó átlagos felületi érdességeket egy diagramban ábrázolva, majd a pontokra illesztett trendvonal alapján közelítették a forgácsolási sebesség növelésével várható érdességi értékek alakulását.
EN AW 2017 ötvözet esetén a teljes vizsgálati tartományban:
- 1200 mm/min előtolással 1,5 µm alatti átlagos felületi érdesség értékeket mértek a teljes vizsgált forgácsolási sebesség tartományban.
- 2300 mm/min vizsgálati értékkel 300 m/min forgácsolási sebesség fölött közel állandó felületi minőséget tapasztaltak.
- 3400 és 4500 mm/min előtolási sebességnél durva közelítéssel lineáris csökkenés figyelhető meg a vágósebesség emelésével.
A következő vizsgálati anyag az 5-ös sorozathoz tartozó EN AW 5083 és 5754 anyagok, melyeket egymással összevetve vizsgáltak.
- Az elért legjobb átlagos felületi érdesség 1 µm körül változik. A vizsgálati adatok alapján ehhez legalább 370 m/min forgácsolási sebességre van szükség 1200 mm/min előtolási sebességnél, efölött a felület minőség nem változik jelentősen.
- Közel kétszeresére növelt előtolás érték (2300 mm/min) esetén is elérhető hasonló minőség, ha a vágósebességet 410-420 m/min értékre növelik.
- 3400 mm/min előtolási sebességnél 280 m/min értéktől pedig egyenletesen javul a felület minősége, növekvő vágósebesség mellett.
6-os sorozatú anyagok
Ezek esetében a legkisebb vizsgált előtolási sebességnél szinte ugyanolyan átlagos felületi érdességeket mértek 350 m/min vágósebesség felett.
2300 mm/min előtolással az EN AW 6082 anyagnál alakultak kedvezőbben a mért értékek, az EN AW 6061 anyag esetén 400 m/min érték felett a vágósebesség növelésével nem megszokott módon az átlagos felületi érdesség romlani kezdett.
A legjobb felületet 2300 mm/min előtolásnál a mérési eredményeket vizsgálva 360-390 m/min között kaptak.
3400 és 4500 mm/min előtolási sebességgel pedig egymással közel párhuzamosan futó görbéket kaptak, annyi különbséggel, hogy 4500 mm/min esetén 400 m/min vágósebesség felett szinte azonos felületi érdesség (~2 µm) figyelhető meg.
A 7-es sorozatú ötvözetek
Az EN AW7021, 7022, 7075 anyagoknál az 1200 mm/min előtolási sebesség mellett 350 m/min forgácsolási sebességtől megközelítőleg 1 µm körül alakul az átlagos felületi érdesség.
Az előtolási sebességet 2300 mm/min-re növelve szinte lineárisan csökken az átlagos felületi érdesség értéke a forgácsolási sebesség növelésével egészen 400-420 m/min értékig, majd az értékek szintén állandósulnak 1-1,5 µm között.
3400 mm/min előtolási sebességnél az EN AW 7021 és 7022 ötvözetek esetén is hasonlóan alakultak a felületminőségek, a legjobb érték 280-300 m/min között várható, majd 400 m/min felett állandónak mondható a kialakult átlagos felületi érdesség.
EN AW 7075 anyagnál szinte lineáris módon javult a felület minősége a vágósebesség növelésével. A legnagyobb, 4500 mm/min vizsgált előtolási sebességnél szintén az előbb említett lineáris csökkenés figyelhető meg mindhárom ötvözet esetén.
Összegzés
A fenti bekezdésekben vizsgált értékeket összegezve az alábbiak szerint alakulnak a forgácsolási paraméterek.
Megállapítható együttesen mindegyik ötvözetre, hogy 340-500 m/min közötti tartományban és 1200 mm/min paraméterekkel kapták a legjobb felületi minőséget (~1 µm).
2300 mm/min értéknél 420-500 m/min vágósebesség tartományban ~1-1,5 µm közötti felületi érdességeket mértek.
3400 és 4500 mm/min előtolási értékek esetén elmondható, hogy szinte minden ötvözetnél a vágósebességet növelve közel lineáris csökkenés figyelhető meg az átlagos felületi érdességet mérve. Ez alól az EN AW 6061 és 6082 anyag képez kivételt, ugyanis abban az esetben 4500 mm/min előtolási sebességgel 400 m/min-től szinte állandó ~2 µm körüli átlagos felületi érdesség keletkezett.
Az elvégzett kísérlet alapján megállapított, optimálisnak vélt értékeket a lenti táblázat foglalja össze. (A kísérleti során használt előtolási sebességet átváltották fogankénti előtolásra.)
A kutatás során tehát megállapítható, hogy mely anyagoknál milyen forgácsolási paraméterek beállítása a célszerű, az adatokat nyíltan rendelkezésre bocsátják.
0
SzerzőTörök József Bálint – vezető fejlesztő
További információ: