Micro milling has many special characteristics compared to the conventional size milling because of the size reduction. The minimum chip thickness has great importance in the case of micro sizes due to the relatively large cutting edge radius since it affects many process- and quality characteristics. This research focuses on determining this critical value through the analysis of the micro milling of hardened hot-work tool steel (AISI H13).
Kivonat
Mikromarásnál a méretcsökkenés miatt a folyamat viselkedése eltér a hagyományos méretű marásnál megismertekhez képest. A relatív nagy éllekerekedési sugár miatt fontos szerephez jut a minimálisan leválasztható anyagréteg vastagsága, mely számos folyamat- és minőségjellemzőt befolyásol. A kutatás ennek a kritikus értéknek a meghatározására irányul edzett melegalakító szerszámacél (AISI H13) mikromarásának vizsgálatán keresztü

BALÁZS, Barnabás Zoltán

TAKÁCS, Márton

Hungarian

Műszaki Szemle (E-Journal)

XXVIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI KONFERENCIA 
 
A minimális forgácsvastagság vizsgálata edzett melegalakító 
szerszámacél mikromarása esetén 
Investigation of the minimum chip thickness at micro milling of 
hardened hot work tool steel 
BALÁZS Barnabás Zoltán PhD hallgató, TAKÁCS Márton Egyetemi docens 
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Gépészmérnöki Kar,  
Gyártástudomány és –technológia Tanszék, H-1111, Budapest, Műegyetem rakpart 3.,  
www.manuf.bme.hu, E-mail: balazs@manuf.bme.hu, tm@manuf.bme.hu 
Kivonat 
Mikromarásnál a méretcsökkenés miatt a folyamat viselkedése eltér a hagyományos méretű marásnál 
megismertekhez képest. A relatív nagy éllekerekedési sugár miatt fontos szerephez jut a minimálisan 
leválasztható anyagréteg vastagsága, mely számos folyamat- és minőségjellemzőt befolyásol. A kutatás 
ennek a kritikus értéknek a meghatározására irányul edzett melegalakító szerszámacél (AISI H13) 
mikromarásának vizsgálatán keresztül. 
Kulcsszavak: mikromarás, minimális forgácsvastagság, forgácsolási erő, rezgés, felületi minőség  
Abstract 
Micro milling has many special characteristics compared to the conventional size milling because of 
the size reduction. The minimum chip thickness has great importance in the case of micro sizes due to 
the relatively large cutting edge radius since it affects many process- and quality characteristics. This 
research focuses on determining this critical value through the analysis of the micro milling of hardened 
hot-work tool steel (AISI H13). 
1.  BEVEZETÉS 
Napjainkban az egyre növekvő miniatürizálási igény miatt egyre fontosabb szerephez jutnak a 
kisméretű alkatrészek előállítására alkalmas technológiák. Az egyik legfontosabb eljárás a mikromarás, 
mivel alkalmas az anyagok széles körében, akár nagypontosságú, 3D-s komplex geometriák előállítására 
is. A méretcsökkenésből adódóan viszont számos kihívást rejt még a folyamat. Az éllekerekedési sugár 
és a szemcseméret mikromarás esetén összehasonlítható méretű a forgácsvastagság értékével, valamint 
az anyag anizotrópiája is előtérbe kerül [1], [2]. További problémát jelent a szerszámok kis merevsége, 
relatíve nagy ütése és deformációja. A minimálisan leválasztható forgácsvastagság (hmin) az erre irányuló 
kutatások alapján főként az éllekerekedési sugár (rβ) értékétől függ [3], [4]. A hmin határvonalat képez a 
különböző anyagleválasztási mechanizmusok között, mint a nyírás és a vasalás. Az utóbbi esetében az 
anyag rugalmas-képlékeny deformációt szenved, és nem képződik forgács [5]. A vizsgálatok tárgyát 
képezi továbbá a hmin/rβ között fennálló arány vizsgálata is, mely a szakirodalom alapján 0,22 – 0,36 
közötti értékű [6], [7]. 
A kutatás célja a minimális forgácsvastagság értékének a meghatározása 50±1 HRC keménységű 
AISI H13 edzett melegalakító szerszámacélon. Ehhez a mikromarás erőhatásaira, a rezgéseire és az 
előállított felületek érdességére vonatkozóan végeztünk vizsgálatokat. 
2.  KÍSÉRLETI KÖRÜLMÉNYEK 
A kísérleteket egy öttengelyes VHTC 130 M típusú mikro-megmunkálóközponton hajtottuk 
végre 50±1 HRC keménységű AISI H13 melegalakító szerszámacélon. A vizsgálatokhoz a 
kereskedelmi forgalomban elérhető 500 μm átmérőjű, kétélű, bevonatos keményfém mikromarót 
29
XXVIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI KONFERENCIA 
 
alkalmaztunk. A befogott szerszám ütése az élek végénél mérve ±1 μm. A pásztázó 
elektronmikroszkópos vizsgálataink alapján az éllekerekedési sugár pedig 2-4 μm között helyezkedik 
el. A forgácsolást száraz megmunkálási körülmények között végeztük. Az erőméréshez egy Kistler 
gyártmányú, 9257A típusú erőmérő platformot Kistler 5080A típusú töltéserősítővel kombinálva, a 
rezgések méréséhez pedig Brüel-Kjaer 4518-001 típusú egykomponensű gyorsulásmérő szenzort 
alkalmaztunk. Az adatgyűjtésről 2 db National Instruments USB 4431 eszköz gondoskodott. Az 
érdességmérést egy Mitutoyo SJ-400 kontakt érdességmérővel végeztük a mikromart hornyok 
középvonalában. A kísérleteknél alkalmazott forgácsolósebességet a főorsó maximális 
fordulatszámához igazodva választottuk meg. A minimális forgácsvastagság vizsgálata során az 1. 
táblázatban látható kísérlettervet hajtottuk végre.  
           Kísérletterv                                                                                                       1. táblázat 
vc (m/min) ap (μm) Stratégia fz (μm) 
90 100 Teljes horonymarás 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 3 4 5 
3.  EREDMÉNYEK 
 
3.1 Erőhatások 
Az erőkomponensek ismerete kiemelt fontosságú a mikromarásnál, mivel kapcsolatban állnak 
számos jellemzővel, mint például az anyageltávolítási mechanizmusokkal és a szerszámdeformációval. 
Az erők kiértékeléséhez saját programot fejlesztettünk LabVIEW környezetben. A bemutatott értékek 
az állandósult forgácsleválasztási szakaszból származnak, ahol a szerszám 100 körülforduláshoz tartozó 
maximumértékek átlagait vettük alapul. A vizsgálatok során a forgácsolóerőt és az axiális irányú 
erőhatásokat elemezzük. A kísérletek eredményei az 1. ábrán láthatók. 
 
 
1. ábra Az erőhatások alakulása a fogankénti előtolás függvényében 
Az eredményekből kitűnik, hogy ha fz<1 μm, akkor ez erők növekedést mutatnak, amit a vasalási 
jelenség erősödése eredményezhet. Ebben az esetben a minimális forgácsvastagság alatt jellemző 
anyagdeformációs folyamatok részaránya – a szerszám egy körülfordulásán belül – jelentősen megnő. 
Tehát az erőmérés alapján – technológiai megfontolásból – legalább fz=1 μm beállítása javasolt. Az 
eredmények alapján megállapítható, hogy az axiális erő érzékenyebb a fogankénti előtolás 
csökkentésére. Ez az erőkomponens azonban a szerszámot leginkább annak merev irányában terheli 
(tengelyirányban), ezáltal kisebb szerepe lehet a szerszámdeformációk kialakulásában, mint az Fc-nek. 
 
3.2 Rezgések 
Az egykomponensű gyorsulásmérő-szenzorral rögzített eredmények a 2. ábrán láthatók. 
Megfigyelhető, hogy fz=2 μm alatt jelentősen erősebb rezgések jellemzik a folyamatot. Az fz=0,4 μm-
nél azonban egy visszaesés tapasztalható, feltehetőleg itt van a hmin értéke. Ezen körülmények között, 
rβ=2 μm-es éllekerekedési sugarat feltételezve a hmin/rβ aránya 0,2, ami a szakirodalomban fellelhető 
egyéb kutatások eredményeinek is megfelel. 
30
XXVIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI KONFERENCIA 
 
 
2. ábra A rezgések alakulása a fogankénti előtolás függvényében 
Figyelembe véve a mikromarási folyamatot jellemző rezgésamplitúdókat, legalább fz=2 μm 
fogankénti előtolás beállítása javasolt, mivel ebben az esetben a rezgések már csak fele akkorák, mint a 
minimális forgácsvastagság értékénél mért lokális minimum esetén. 
 
3.3 Felületi minőség 
Az érdességmérésnél az ipar által leggyakrabban alkalmazott Ra és Rz érdességi mérőszámokon 
keresztül elemeztük a mikromart felületek érdességét. A méréseket a hornyok középvonalában hajtottuk 
végre. Az eredmények a 3. ábrán láthatók, ahol a feltüntetett értékek 3-3 mérés átlagaiból adódnak. A 
3a ábra az Ra értékeket, a 3b ábra pedig az Rz értékeket mutatja be.  
 
   
3. ábra Ra és Rz érdességi mérőszámok alakulása a fogankénti előtolás függvényében 
Mindkét diagramon jól megfigyelhető, hogy fz=2 μm-nél minimumpont van. Ez az érték a 
feltételezett rβ érték tartományába esik. Hasonló eredményeket tapasztaltak Aramcharoen és mtsai. [8] 
45 HRC keménységű anyag esetén. Ennél kisebb előtolásoknál növekvő felületi érdesség adódott, majd 
fz=0,4 μm-nél látható egy lokális minimumpont. Az érdességmérés eredményei alapján is ez lehet a 
minimális forgácsvastagság értéke. Figyelembe véve a technológiai szempontokat, a felületi érdességgel 
kapcsolatos vizsgálatok alapján is az fz=2 μm beállítása javasolt. Az előtolás további növelése a felületi 
érdesség növekedéséhez vezet, hasonlóan a hagyományos méretű maráshoz. 
4.  ÖSSZEFOGLALÁS  
A minimális forgácsvastagság vizsgálatára szisztematikus kísérletsorozatot végeztünk, melyhez 
egy 500 μm átmérőjű kétélű bevonatos keményfém mikromarót és egy VHTC 130 M mikro-
megmunkálóközpontot alkalmaztunk. A kísérletek során felhasznált anyag 50±1 HRC keménységű 
edzett melegalakító szerszámacél volt (AISI H13). A vizsgálatok alapján a következő állítások 
fogalmazhatók meg: 
31
XXVIII. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI KONFERENCIA 
 
• Megállapítottuk, hogy a minimális forgácsvastagság értéke a vizsgált anyag és szerszám 
esetében ~ 0,4 μm. 
• Megfigyeltük, hogy 2 μm-es élenkénti előtolás felett a forgácsolási erőkomponensek, a 
rezgések és a felületi érdesség értékei is folyamatosan nőnek. 
• A kísérletek alapján a forgácsolás szempontjából a legkedvezőbb körülményeket az 
éllekerekedési sugár értékéhez közeli élenkénti előtolások beállítása biztosítja. 
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 
A tanulmány alapjául szolgáló kutatást az Emberei Erőforrások Minisztériuma által meghirdetett 
Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program támogatta, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi 
Egyetem Nanotechnológia (BME FIKP-NANO) tématerületi programja keretében. A kutatást részben a 
K 132430 (Tranziens deformációs, termikus és tribológiai folyamatok kemény fémfelületek 
finomforgácsolásánál) számú kutatási projekt finanszírozta. Az előadó részvételét az OGÉT 2020 
konferencián az NTP-HHTDK-19-0068 azonosítójú, „A hazai Tudományos Diákköri műhelyek és 
rendezvények támogatása” pályázat támogatta. Köszönjük a segítséget Jacsó Ádám kollégánknak a 
kísérletek során nyújtott segítségéért. Ezen kívül hálával tartozunk a Fraisa és Böhler cégeknek a 
kutatásunk támogatásáért. 
IRODALMI HIVATKOZÁSOK 
[1] B. Z. Balázs, T. Szalay, és M. Takács, „Investigation of micro milled surface characteristics”, Proc. Int. Conf. 
Innov. Technol., o. 161–164, 2017. 
[2] V. Csala, T. Szalay, B. Z. Farkas, és S. Markos, „Application Benchmark of Three Micro Hole Machining 
Processes for Manufacturing the Nozzle of a Medical Water Jet Machine”, Acta Polytech. Hung., köt. 12:2, 
o. 53–69, 2015. 
[3] A. C. Ramos, H. Autenrieth, T. Strauß, M. Deuchert, J. Hoffmeister, és V. Schulze, „Characterization of the 
transition from ploughing to cutting in micro machining and evaluation of the minimum thickness of cut”, J. 
Mater. Process. Technol., köt. 212, sz. 3, o. 594–600, 2012, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.07.007. 
[4] I.-S. Kang, J.-S. Kim, és Y.-W. Seo, „Investigation of cutting force behaviour considering the effect of cutting 
edge radius in the micro-scale milling of AISI 1045 steel”, Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf., jún. 
2010, doi: 10.1243/09544054JEM1762. 
[5] G. Bissacco, H. N. Hansen, és L. De Chiffre, „Micromilling of hardened tool steel for mould making 
applications”, J. Mater. Process. Technol., köt. 167, sz. 2–3, o. 201–207, 2005, doi: 
10.1016/j.jmatprotec.2005.05.029. 
[6] F. B. de Oliveira, A. R. Rodrigues, R. T. Coelho, és A. F. de Souza, „Size effect and minimum chip thickness 
in micromilling”, Int. J. Mach. Tools Manuf., köt. 89, o. 39–54, 2015, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2014.11.001. 
[7] M. H. M. Dib, J. G. Duduch, és R. G. Jasinevicius, „Minimum chip thickness determination by means of 
cutting force signal in micro endmilling”, Precis. Eng., köt. 51, o. 244–262, 2018, doi: 
10.1016/j.precisioneng.2017.08.016. 
[8] A. Aramcharoen és P. T. Mativenga, „Size effect and tool geometry in micromilling of tool steel”, Precis. 
Eng., köt. 33, sz. 4, o. 402–407, 0 2009, doi: 10.1016/j.precisioneng.2008.11.002. 
 
 
32


A minimális forgácsvastagság vizsgálata edzett melegalakító szerszámacél mikromarása esetén: Investigation of the minimum chip thickness at micro milling of hardened hot work tool steel

http://ojs.emt.ro/index.php/oget2020/article/download/130/66

A minimális forgácsvastagság vizsgálata edzett melegalakító szerszámacél mikromarása esetén: Investigation of the minimum chip thickness at micro milling of hardened hot work tool steel

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Műszaki Szemle (E-Journal)