4. Forgácsoló szerszámgépek (Dr. Takács J., Dr. Pál Z.)
4.3 Szerszámgépek pontos működését befolyásoló erőhatások
4.3.1 Szerszámgépek statikus merevsége
A statikus alakváltozásokat főleg hajlító igénybevételek okozzák. Ilyenek: a gép mozgó részeinek súlya, a munkadarab súlya, és a forgácsoló erő.
A vizsgálatunk alapja a mechanikai ismeretek átgondolása, amelyekre itt most nem té-rünk ki részletesen. (Témakörei: hajlító merevség, csavaró merevség, igénybevételek, alak-változások meghatározása, a szerkezeti elem igénybevett keresztmetszetének alakja, mérete és anyaga határozza meg a merevséget.)
A szerszámgépek vázszerkezetében többnyire együttesen jelenik meg a hajlító és csavaró igénybevétel, ennek felvételére a zárt szelvényű keresztmetszetek a legalkalmasabb. A zárt szelvényű tartókat gyakran áttörésekkel kell kialakítani, amelyek megváltoztatják az eredeti tulajdonságokat.
A szerszámgépágyak és állványok tervezésekor a vezetékek elhelyezése sokszor gondot okoz. Az ágyak és állványok szilárdsága és merevsége csakis a vezetékek megfelelő kiképzé-se és elhelyezékiképzé-se által használható ki.
Esztergáknál a munkadarab átmérője nulla és a gép szerkezeti felépítésétől függő maximális méret között változhat (4.8. ábra), így tehát az ágyat csavarásra igénybe vevő FI nyomaték „l”
karja is az lmin és lmax közötti értékeket veheti fel, és ennek következtében az ágyat terhelő forgatónyomaték is a munkadarab átmérője szerint Mmin = F·lmin és Mmax = F·lmax közé esik.
4.8. ábra: Az eszterga ágy csavaró igénybevételét befolyásoló tényezők (Forrás: Kazinczy [6])
Miután a gép ágyának elcsavarodása a megmunkálási pontosságot nagymértékben befo-lyásolja, ezért az ágy keresztmetszetét úgy kell méretezni, hogy annak torzulása a legnagyobb forgatónyomatéknál is a megengedettnél kisebb legyen.
4.3.2 Szerszámgépek dinamikus merevsége
A fémforgácsoló szerszámgépek megmunkálási pontosságának növelése a statikus me-revség mellett a dinamikus meme-revség fokozását is megköveteli. A dinamikus jelenségek által a gép pontosságára gyakorolt káros befolyásnak kiküszöbölése a lengések, ill. rezgések befo-lyásának ismeretét követeli meg. A működő gép lökésszerű terhelései, amelyek a szerszám-nak a munkadarabba való behatolásakor, vagyis a fogásvétel elején jelentkeznek, ún. szabad lengéseket okozhatnak. Harmonikus és nem harmonikus váltakozó erők – amelyeket vala-mely gyorsmozgású kiegyensúlyozatlan alkatrész vagy a szerszám által kifejtett forgácsoló-erő okoz – kényszerlengéseket létesítenek. A forgácsolás folyamata a periodikusan leváló forgácselemek által öngerjesztett lengéseket ébreszt, amelyeknek frekvenciája az önfrekven-ciát megközelíti.
A lengésjelenségek lefolyását befolyásoló tényezők:
1. a lengő alkatrész tömege [m];
2. a statikus merevség [c];
3. a csillapítás foka [<S];
4. az önfrekvencia [f0].
Az Fstat terhelés fstat alakváltozást létesít, így tehát a statikus merevség:
Az Fstat statikus terheléssel azonos nagyságú Fdin dinamikus terhelés hatására létrejött fdin
alakváltozás, vagyis a lengőmozgás amplitúdója Y-szor nagyobb az fstat alakváltozásnál, tehát ,
Rezgések okai
A szerszámgépen fellépő statikus erőhatásokon kívül, dinamikus igénybevételeknek is meg kell felelni, amelyek részben a megmunkálás körülményeiből, valamint a gép szerkezeti kialakításából, gyártásának pontosságából származnak és gyakran a megmunkálás pontossá-gát, rontó deformációkat, rezgéseket keltenek.
A rezgés külső okai. Ha valamely rezgéstől mentes gép közelében egy másik gép bere-zegve dolgozik, akkor az a rezgést a közelében levő gépnek is átadja. Az így gerjesztett rez-gés frekvenciája rendszerint azonos a gerjesztő gép rezrez-gésének frekvenciájával. Rezonancia esetében az amplitúdó a gerjesztő rezgés amplitúdójának többszöröse. Gerjesztett rezgéssel akkor találkozunk, ha a szerszámgépet pl.: gyengén alapoztuk, vagy rezgésre, lengésre haj-lamos födémre helyeztük.
A rezgés belső okai. A rezgések második csoportjába azok tartoznak, amelyeknek okát a gépen belül találjuk meg. Pl. az egyes forgó szerkezeti elemek vagy a munkadarab kiegyen-súlyozatlansága által okozott rezgések. Ilyenkor a rezgés frekvenciája az alkatrész, ill. a munkadarab másodpercenkénti fordulatszámával azonos.
mivel Fstat = Fdin, c/Y a dinamikus merevség cdin, Y az S csillapításnak, valamint a lengés co
gerjesztő frekvenciájából és co0 önfrekvenciájából képzett rj viszonyszámnak függvénye.
Rezgéskeltő okok még a hajtómű pontatlan fogaskerekei, a hidraulikus hajtóművekben keletkező léglökések, a hajtószíjak varratai, az egyenlő fogosztású, egyenes élű marók és dörzsárak stb. Kis sebességgel való nagyoló esztergáláskor gyakran tapasztalunk rezgést, nagy forgácsolási sebességeknél ritkábban. Ennek oka, hogy kis forgácsolási sebességeknél a forgácsképződés nem egyenletes és a forgácsolóerő is állandóan szabálytalanul változik.
Nagy forgácsolási sebességeknél — az előbbivel szemben — a forgácsképződés egyenletes és a forgácsolóerő közel állandó. A nem eléggé merev géptest a változó erőhatásokra rugózni kezd. Ha az erőingadozás folytán keletkezett rezgésjelenségek a gép önrezgésszámával egye-ző időközökben ismétlődnek, akkor rezonancia lép fel.
Az előzőkben részletezett megfontolások alapján nyilvánvaló, hogy a szerszámgép me-revségét a következők szerint kell megvizsgálni:
1. a statikus terheléssel járó alakváltozást gátló statikus merevség szempontjából;
2. a rezgéscsillapítás és a tehetetlenségi erők ellensúlyozása érdekében, a dinamikus me-revség szempontjából.
4.3.3 A rezgések csillapítása
Az erős csillapítás az öngerjesztett lengések nyugalmi állapotának elérését nemcsak siet-teti, hanem a kikényszerített lengésekkel szemben megnöveli a dinamikus merevséget is. Az anyag oldaláról, az öntöttvas csillapító hatása — mely az anyagba ágyazott grafitlamellák egymás közötti mechanikus súrlódására vezethető vissza és a grafittartalommal fokozódik — az acél csillapítóképességét felülmúlja. Ez a különbség a csillapításban az acélszerkezet meg-felelő módosításával javítható.
A szerszámgépeken észlelt lengés-jelenségek elméleti számításokkal nehezen, sok eset-ben egyáltalán nem követhetők. A leegyszerűsített meghatározásokból az a haszon szárma-zik, hogy a lengési problémák fontosságára a tervező figyelmét felhívják és egyes szerszám-gépelemek fejlesztésére az irányt, kijelölik. A dinamikus merevség több lényeges kérdése modellkísérletekkel tisztázható. Akár meglevő szerszámgépeken, akár modelleken végzünk vizsgálatokat, a következőkben felsorolt tulajdonságok konstruktív formákkal, méretváltozta-tásokkal és elrendezés módosíméretváltozta-tásokkal befolyásolhatók:
1. a statikus merevség;
2. a saját frekvencia;
3. a csillapítás;
4. a lengés alaki lefolyása.
A szerkezeti elemek hatása a statikus merevségre az eddigiekből már ismert.
A saját frekvencia függ a merevségtől és a tömegtől. E tekintetben megfelelő szerkezeti kialakítással a merevség és a tömeg helyes aránya biztosítható. A csillapítás a lengésben levő tömeg energiáját emészti fel.
Kísérletek igazolták, hogy a tartó anyaga, szerkezeti kialakítása, befogási módja és terhe-lése a csillapításra hatással van. A csillapítás ún. rezgéscsillapító felületek beiktatásával fo-kozható. A rezgéscsillapító hatást csavarokkal, hegesztéssel is elérhetünk összetett elemek egymáshoz kötésével. A kívülről gerjesztett lengést a rezgéscsillapító súrlódási hővé alakítja át.
A rezgéscsillapító hatást a 4.9. ábrán mutatjuk be.
4.9. ábra: Rúdszerkezetek inercianyomatéka és rezgéscsillapítása (Forrás: Kazinczy [6])
Ezzel a megoldással a csillapítás tapasztalat szerint hatásosabb, ha az egymással érintke-ző lemezek közötti súrlódást okozó előfeszültség nagy, és ha a rögzítés ellenére az egymással súrlódó felületek relatív elmozdulása biztosítva van.
A szerszámgépek vázszerkezetében többnyire együttesen jelenik meg a hajlító és csavaró igénybevétel, ennek felvételére a zárt szelvényű keresztmetszetek a legalkalmasabbak. A zárt szelvényű tartókat gyakran áttörésekkel kell kialakítani, amelyek megváltoztatják az eredeti tulajdonságokat.
A szerelőnyílásokat legtöbbször jól záródó, merev fedőlapokkal borítják, amely a hajlító-merevségnek a nyílás által okozott kismértékű gyengítését úgyszólván teljes mértékben ki-egyenlíti. Ugyanakkor azonban a nyílás által 72%-kal gyengített csavaró-merevséget a fedő-lap az eredeti merevségnek csak 41%-ig állítja helyre.
Az áttörésekkel okozott gyengítések a sajátfrekvenciát és a csillapítást is megváltoztatják, a fedél csavaros rögzítése javító hatású ezekre a tulajdonságokra, míg az illesztett fedél, csa-varozással további javító hatású. Az üregben elhelyezett átlós bordázat mind a hajlító-, mind a csavaró-merevséget fokozza.
Maga a szerszámgép is, mint az alkatrészek összessége és az egyes szerkezeti elemek is általában több feltételtől függően, egymást kölcsönösen befolyásolva végeznek lengéseket. A kölcsönhatások a saját frekvenciában, a csillapításban, a kilengésben és a fázisszögben je-lentkeznek.