Techniki wytwarzania Projektowanie procesów technologicznych
Transkrypt
Techniki wytwarzania Projektowanie procesów technologicznych
Jerzy Z. Sobolewski (red.), Przemysław Siemiński, Janusz Sobieszczański Techniki wytwarzania projektowanie procesów technologicznych Warszawa 2012 Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna" 02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel. (22) 849 43 07, (22) 234 83 48 ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: [email protected] Opiniodawca: dr inż. Piotr SKAWIŃSKI Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ Skład tekstu: Magdalena BONAROWSKA Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów "Edukacja techniczno informatyczna" Copyright © 2012 Politechnika Warszawska Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 83-89703-97-1 Druk i oprawa: STUDIO MULTIGRAF SP. Z O.O., ul. Ołowiana 10, 85-461 Bydgoszcz Spis treści Wstęp...................................................................... 5 1. Projektowanie odlewów i odkuwek ................... 7 1.1 Rodzaje półfabrykatów.................................................................. 8 1.2 Projektowanie odlewów ................................................................ 9 1.3 Projektowanie odkuwek .............................................................. 16 1.4 Literatura ..................................................................................... 28 2. Metodyka projektowania technologicznego .... 29 2.1. Zasady podziału procesu technologicznego ............................... 30 2.2. Dokumentacja technologiczna.................................................... 37 2.3. Naddatki na obróbkę................................................................... 38 2.4. Dobór baz obróbkowych ............................................................ 46 2.5. Normowanie czasu ..................................................................... 51 2.6. Technologia obróbki zewn. powierzchni walcowych ................ 56 2.7. Technologia obróbki otworów.................................................... 65 2.8. Technologia obróbki powierzchni płaskich................................ 69 2.9. Literatura .................................................................................... 84 3. Programowanie obróbki na tokarki i frezarki CNC ................................................... 85 3.1. Wstęp.......................................................................................... 86 3.2. Programowanie tokarek CNC..................................................... 90 3.3. Programowanie frezarek CNC.................................................. 111 3.4. Literatura .................................................................................. 132 4. Dobór narzędzi i parametrów skrawania ....... 135 4.1. Wskazania podstawowe. Materiały narzędziowe ..................... 136 4.2. Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy toczeniu ........... 140 4.3. Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy wierceniu, rozwiercaniu i pogłębianiu....................................................... 161 4.4. Frezowanie ............................................................................... 167 4.5. Szlifowanie ............................................................................... 175 4.6. Literatura .................................................................................. 183 Wstęp Niniejsze materiały zostały opracowane w ramach realizacji Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego PROGRAM OPERACYJNY KAPITAŁ LUDZKI. Przeznaczone są dla studentów kierunku EDUKACJA TECHNICZNO INFORMACYJNA na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Niniejsze opracowanie przygotowano dla przedmiotu pt. „Techniki wytwarzania – projektowanie procesów technologicznych”. Jego zawartość merytoryczna w pełni odpowiada zakresowi opisanemu w sylabusie opracowanym dla tego przedmiotu. Całość opracowanych materiałów dydaktycznych dla ww. przedmiotu zawarta została w 4. rozdziałach: • Rozdział 1, autorstwa Jerzego Sobolewskiego, został poświęcony projektowaniu odlewów i odkuwek. • W rozdziale 2 przedstawiono podstawy obróbki skrawaniem, opisano najważniejsze dokumenty technologiczne oraz technologię obróbki powierzchni walcowych, płaskich i otworów. Jego autorem jest Janusz Sobieszczański. • Rozdział 3, autor – Przmysław Siemiński, został poświęcony zagadnieniom wspomaganego komputerowo programowania frezarek i tokarek CNC – przykład zastosowanie systemów CAM. • W rozdziale 4 przedstawiono podstawowe wskazania do doboru parametrów skrawania i narzędzi dla operacji toczenia, frezowania, wiercenia i szlifowania. Jego autorem jest Janusz Sobieszczański. Materiały aktualizujące do przedmiotu będą udostępniane studentom za pośrednictwem systemu e-learning. 1 Projektowanie odlewów i odkuwek W tym rozdziale: o o o Rodzaje półfabrykatów Projektowanie odlewów Projektowanie odkuwek ROZDZIAŁ 1 1.1. Rodzaje półfabrykatów Materiały wyjściowe używane do produkcji części maszyn obejmują różne wyroby hutnicze i surówki wytwarzane w hucie w wydziałach walcowni i kuźni. Materiały te można podzielić następująco: • półfabrykaty z materiałów hutniczych, • odlewy, • odkuwki, • półfabrykaty otrzymane metodą obróbki plastycznej na zimno (wykroje, wytłoczki), • kształtki i wypraski z proszków metali, proszków metalowoceramicznych i tworzyw sztucznych, • półfabrykaty spawane, zgrzewane i lutowane. O doborze materiału i rodzaju surówki decyduje w zasadzie konstruktor, określając je na rysunkach konstrukcyjnych i w warunkach technicznych, jakim gotowa część ma odpowiadać. Przy doborze surówek konstruktor powinien się konsultować z technologiem ponieważ projektując wyroby i dobierając półfabrykaty należy kierować się kosztem wykonania zależnym od wielkości produkcji (np. przy produkcji jednostkowej stosuje się najczęściej półfabrykaty spawane, przy seryjnej odlewane lub kute). Jedynie duże skale produkcji uzasadniają zastosowanie wysokowydajnych metod wytwarzania surówek, pozwalających uzyskiwać surówki bardzo dokładne przy użyciu kosztownych matryc form czy tłoczników. Materiały zawarte w rozdziale 1 dotyczą głównie projektowania odlewów z żeliwa szarego dla odlewania w formie piaskowej i odkuwek matrycowych kutych na prasach i młotach. Są to, oprócz części spiekanych i tworzyw sztucznych, najczęściej stosowane półfabrykaty stosowane w produkcji seryjnej maszyn oraz dla formowania skorupowego UWAGA! Ważnym problemem jest dostosowanie dotychczas używanych symboli stali do oznaczeń unijnych. Strona 8 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK 1.2. Projektowanie odlewów Rysunek surowego odlewu Podstawowym dokumentem do opracowania dokumentacji technologicznej, zwłaszcza do opracowania wymiarów modelu i rdzeni oraz do kontroli odbioru modelu i wykonanego odlewu jest rysunek surowego odlewu. Podstawą do wykonania tego rysunku jest rysunek części odlewanej (rysunek 1.1). W zależności od materiału części i związanej z wielkością produkcji metody odlewania rysunki surowego odlewu mogą się znacznie różnić. W podanym przykładzie dla celów dydaktycznych przyjmuje się, że część przedstawiona na rysunku 1.1 jest wykonana z żeliwa szarego (EN-GJL-250). Rysunek 1.1. Rysunek części (piasta sprzęgła) Sposób tworzenia surowego odlewu jest szczegółowo opisany w podręczniku Techniki Wytwarzania, część 1. Odlewnictwo. Na rysunku surowego odlewu powinny być podane najważniejsze informacje i oznaczenia: a. dane rozpoznawcze i oznaczenie gatunku materiału odlewu, Strona 9 ROZDZIAŁ 1 b. tolerancje wymiarowe i naddatki na obróbkę skrawaniem, c. oznaczenie powierzchni podziału modelu, d. oznaczenie powierzchni bazowych przy obróbce skrawaniem, e. naddatki technologiczne, f. pochylenia formierskie, g. chropowatość powierzchni. Na rysunku 1.2 przedstawiono rysunek surowego odlewu utworzony na podstawie rysunku 1.1 części odlewanej. Przyjęto założenie, że cześć jest odlewana w formie piaskowej lub skorupowej. Obrys odlewu przed obróbką zaznaczono linią ciągłą, a linią „-..-" obrys odlewu po obróbce skrawaniem. Rysunek 1.2. Rysunek surowego odlewu (piasta sprzęgła) wykonany na podstawie rysunku 1.1, xxx – powierzchnie bazowe do 1-szej operacji Wartość tolerancji wymiarowych, naddatków na obróbkę skrawaniem dla 12 klasy dokładności odlewu (CT12) i stopnia naddatku H podano w tablicy 1.1. Strona 10 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK Tabllica 1.1. Tolerancje dla CT12 i naddatki na obróbkę dla stopnia naddatku H odlewów (fragment PN-ISO 8062:1997) Wymiar podstawowy Pole surowego odlewu tolerancji [mm] odlewu [mm] Największy wymiar odlewu po obróbce [mm] 10 16 do (włącznie) 10 16 25 25 40 63 40 63 100 5 5,6 6 100 160 250 160 250 400 100 160 250 160 250 400 7 8 9 400 630 630 1000 powyżej Naddatki na obróbkę skrawaniem RMA [mm] 40 63 do (włącznie) 40 63 100 0,7 1 2 3 4 5 CT12 powyżej 4,2 4,4 4,6 H 6 7 Norma PN-ISO 8062:1997 podaje tylko tolerancje dla odlewów wykonanych do form piaskowych formowanych ręcznie i maszynowo oraz dla formowania skorupowego UWAGA! Wymiar podstawowy jest to wymiar surowego odlewu przed obróbką skrawaniem (zawierający niezbędny naddatek na obróbkę skrawaniem). Tolerancje odlewu zależą od wymiarów podstawowych surowego odlewu i powinny być symetryczne. Wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem obowiązuje dla całego surowego odlewu w zależności od największego wymiaru odlewu po obróbce skrawaniem. Dopuszcza się zwiększenie naddatków na górnej powierzchni odlewu do 50% wartości podanych w tablicach. Na rysunku przyjęto tolerancję wymiarową dla 12 klasy wykonania (CT12), wielkość naddatku na obróbkę (dla największego wymiaru odlewu F=90) RMA=2mm (ang. Required Machining Allowance). Poszczególne wymiary powierzchni odlewu (przed obróbką skrawaniem) oblicza się w zależności od tego, czy obrabiana powierzchnia jest zewnętrzna czy wewnętrzna: • dla wymiaru zewnętrznego (obie powierzchnie obrabiane): R = F + 2 ⋅ RMA + CT 2 (1.1) Strona 11 ROZDZIAŁ 1 • dla wymiaru zewnętrznego (jedna powierzchnia obrabiana, druga surowa): R = F + RMA + CT 2 • (1.2) dla wymiaru wewnętrznego (otwór obrabiany): R = F − 2 ⋅ RMA − CT 2 (1.3) gdzie: R – wymiar podstawowy surowego odlewu, F – wymiar końcowy po obróbce skrawaniem, RMA – wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem, CT – tolerancja wymiaru odlewu. Przykład obliczania: dla wymiaru Ø55h9; R=55+2·2+0,5·5,6=61,8 mm, wg (1.1), dla wymiaru 42; R=42+1·2+1·3+0,5·5,6=49,8 mm, wg (1.1), dla wymiaru Ø 90; R=90+2·2+0,5·6=97mm, wg (1.1), dla wymiaru 7; R=7+1·3+0,5·4,2=12,1mm, wg (1.2), dla wymiaru Ø 42H7; R=42-2·2-0,5·5=35,5 mm, wg (1.3). UWAGA! Przy obliczaniu wymiaru surowego odlewu dla wymiaru F=42 uwzględniono zwiększony o 50% (RMA=3) naddatek na obróbkę na górnej powierzchni odlewu. Ponadto, uwzględniając powierzchnie bazowe do 1 operacji (oznaczone xxx) podano jako istotny wymiar odległości jednej z tych baz od dolnej powierzchni odlewu. Zasady konstruowania odlewów Przy konstruowaniu odlewów należy uwzględnić funkcję, jaką odlew ma spełniać w maszynie. Projektant powinien przeanalizować konstrukcję pod względem wytrzymałości i sztywności, zależnych od rodzaju stopu odlewniczego, trudności wykonania modelu, formy, rdzenia, Strona 12 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK możliwości występowania wad odlewniczych, łatwości i kosztów obróbki mechanicznej oraz właściwego doboru metody odlewania. Powinno się rozważyć korzyści, które mogą wynikać z podzielenia dużego, skomplikowanego odlewu na kilka odlewów mniejszych, oraz przeprowadzić rachunek kosztów (łączny koszt materiałów, odlewania i obróbki mechanicznej) i na tej podstawie rozważyć ewentualne korzyści, które mogą wynikać z zastąpienia odlewu częścią spawaną, kutą, tłoczoną, spiekaną z proszku lub wykonaną z masy plastycznej. Charakterystyczną cechą materiałów odlewniczych jest niejednorodność ich struktury i niejednorodność właściwości mechanicznych w grubych i cienkich przekrojach, oraz z góry i na dole odlewu. Jedną z podstawowych zasad przy konstrukcji odlewów jest zachowanie możliwie równej grubości ścian oraz unikanie miejscowych zgrubień odlewu. Przejścia między grubymi i cieńszymi przekrojami powinny być łagodne, zaokrąglenia należy wykonywać z odpowiednio dużymi promieniami. Dobór materiałów na odlewy należy przeprowadzać głównie według dwóch rodzajów wskaźników: • wskaźników właściwości wytrzymałościowych E, Rm, Rc, Rg itp., • wskaźników właściwości mechanicznych, jak: moduł sprężystości, wydłużenie, udarność, twardość, zdolność tłumienia drgań itp. Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest podstawą klasyfikacji żeliwa szarego. Wraz ze wzrostem wytrzymałości następują niekorzystne zmiany innych właściwości: zmniejsza się zdolność tłumienia drgań, skrawalność, powiększa się skurcz odlewniczy itp. Moduł sprężystości na rozciąganie E zależy głównie od ilości i postaci wydzieleń grafitu (wzrasta ze zmniejszeniem się ilości grafitu i dla grafitu w postaci kuleczek - żeliwo sferoidalne). Żeliwo sferoidalne charakteryzuje się stosunkowo dużą wytrzymałością zmęczeniową, może więc być stosowane na odpowiedzialne części maszyn jak: wały korbowe i wałki rozrządu. W przeciwieństwie do aluminium, żeliwo wykazuje pewną właściwość polegającą na tym, że istnieje takie naprężenie graniczne, poniżej którego materiał nie ulega zmęczeniu (zniszczeniu), niezależnie od ilości cykli. Ważnym parametrem dla odlewów samochodowych, jest wytrzymałość w podwyższonej temperatrze. Wytrzymałość właściwa (w przeliczeniu na jednostkę masy) żeliwa sferoidalnego w temperaturze powyżej 200ºC przewyższa w sposób gwałtowny wytrzymałośc stopów aluminium. ZaStrona 13 ROZDZIAŁ 1 tem, jeśli chodzi o zastosowanie w wysokiej temperaturze (np. części silnikowych) wybór żeliwa sferoidalnego jest lepszy niż stopów Al. [3]. Wytrzymałość na ściskanie Rc przyjmuje w stosunku do wytrzymałości na rozciąganie bardzo duże wartości (Rc dla żeliwa jest większa niż dla staliwa przy dwukrotnie mniejszej Rm). Własność ta powinna być wykorzystywana przez konstruktorów. Przy projektowaniu odlewów o kształcie belek poddawanych zginaniu należy stosować przekroje niesymetryczne w stosunku do osi obojętnej, tak aby powierzchnia przekroju ściskanego była mniejsza od powierzchni przekroju rozciąganego (lepsze wykorzystanie materiału - rysunek 1.3). Rysunek 1.3. Konstrukcja wspornika obciążonego silą poziomą (1) i haka obciążonego silą pionową (2) [6]: a) błędna, b) poprawna Budowa odlewu powinna być zwarta, a wymiary obrysu odlewu powinny być możliwie małe. Ze względu na łatwość obróbki mechanicznej modeli rdzennic pożądane jest, ażeby zarówno zewnętrzna jak i wewnętrzna część obrysu odlewu miały kształt prawidłowych figur geometrycznych, łatwych do uzyskania na obrabiarkach powszechnego zastosowania. Kształt odlewu nie powinien zmuszać do stosowania więcej niż jednej powierzchni podziału formy i modelu lub do stosowania zawiłej, kształtowej powierzchni podziału formy. Ponadto płaska powierzchnia podziału pozwala na uproszczenie obróbki modelu i rdzennic oraz ułatwienie formowania i składania formy. Zmianę kształtu odlewu można jednak przeprowadzić po analizie wymiarów odlewu tak, by nie zmienić funkcji jaką ma pełnić w maszynie. Jeżeli założymy (rysunek 1.4), że wymiarami funkcjonalnymi są wymiary: d, D, D1 i h, to usunięcie dolnego kołnierza tulei D1 (dla D1 < D) pozwoliło na zastosowanie tylko jednej powierzchni podziału i uniknięcie zewnętrznego rdzenia pierścieniowego. Uzyskano przy tym płaską powierzchnię podziału i odlew nie Strona 14 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK dzielony, mieszczący się całkowicie w jednej połówce formy. W takim przypadku nie należy przewidywać na rysunku odlewu zaokrągleń jego krawędzi przy powierzchni podziału. Rysunek 1.4. Zmiana konstrukcji mająca na celu ułatwienie formowania [3, 6]: a) część odlewana przed zmianą konstrukcji, b) formowanie w trzech skrzynkach (dostosowane do konstrukcji a), c) formowanie (dostosowane do konstrukcji części a) w dwóch skrzynkach z rdzeniem pierścieniowym, d) część po zmianie konstrukcji, e) formowanie w dwóch skrzynkach (dostosowane do wersji d) Konstrukcja odlewów kokilowych Kokila jest metalową formą wielokrotnego użytku, umożliwiającą wykonanie od kilkuset (dla staliwa), kilku tysięcy (dla żeliwa) do kilkudziesięciu tysięcy (dla stopów lekkich) odlewów. Odlewanie kokilowe stosuje się powszechnie do stopów lekkich. Odlewanie w kokilach żeliwa i staliwa jest znacznie rzadziej stosowane (żeliwa przeciętnie 10%, a staliwa 1%), przy czym powierzchnie wewnętrzne odtwarza się za pomocą rdzeni piaskowych. Konstrukcja odlewów kokilowych jest podobna, jak dla odlewów piaskowych, jednak dokładność wymiarowa i gładkość powierzchni tych odlewów jest znacznie większa. Zastosowanie kokil pozwala na zmniejszenie kosztów odlewów o 20÷40% w porównaniu z odlewami z form piaskowych. Ważniejsze parametry konstrukcyjne odlewów kokilowych zestawiono w tabeli 1.2. Strona 15 ROZDZIAŁ 1 Tabela 1.2. Dane konstrukcyjne odlewów kokilowych Rodzaj stopu Minimalne pochylenia ścian wewnętrznych, % wysokości Aluminium Magnez Mosiądz Żeliwo Staliwo 0,5÷1,0 0,5÷1,0 0,8÷1,7 1,75 1,75÷2,5 Minimalne pochylenia ścian wewnętrznych, (dla rdzeni metalowych) % wysokości 1,5÷3,0 1,5÷3,0 1,5÷3,0 - - Minimalna grubość nie obrabianej ściany odlewu, mm 2,5÷4,0 3,0÷4,5 2,5÷4,0 3 3 Promienie zaokrągleń krawędzi i przejść, mm 1 1,5 1,5 3 3 Minimalna średnica otworów, mm 8 8 10 10 15 1.3. Projektowanie odkuwek W zależności od kształtu i rodzaju narzędzi stosowanych w procesie technologicznym kucia, odkuwki można podzielić na kute swobodnie i matrycowane. Sposób doboru naddatków na obróbkę mechaniczną oraz dopuszczalne odchyłki wymiarowe odkuwek kutych swobodnie zamieszono w PN-86/H-94101. W tym rozdziale zostaną omówione zagadnienia dotyczące głównie projektowania i doboru tolerancji odkuwek stalowych matrycowanych kutych na młotach i prasach. Doboru tolerancji dokonuje się na podstawie normy PN-EN 10243-1: 1999 dla odkuwek wykonywanych na gorąco ze stali węglowej i ze stali stopowej. Rozróżnia się dwie klasy tolerancji: • klasę kucia F, zapewniającą odpowiednią dokładność dla większości zastosowań; • klasę kucia E, nazwanej zacieśnioną - zaleca się ją stosować tylko dla przypadków ekonomicznie uzasadnionych np. jeżeli jej stosowanie powoduje zmniejszenie się liczby operacji obróbki skrawaniem. Kucie matrycowe polega na kształtowaniu odkuwki w tzw. wykrojach matrycy. Typowa matryca składa się z części górnej przymocowanej do bijaka młota, wykonując z nim ruchy posuwisto-zwrotne i nieruchomej części dolnej. Przy kuciu w tzw. matrycy otwartej, nadmiar materiału Strona 16 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK wydostaje się przez szczelinę miedzy matrycami tworząc tzw. wypływkę (rysunek 1.5). Rysunek 1.5. Proces kucia w jednowykrojowej matrycy: 1- matryca górna, 2 – matryca dolna, 3 – materiał wsadowy, 4 – odkuwka, 5 – wypływka Przy kuciu na młotach nie można otrzymywać odkuwek z otworami przelotowymi. Zarówno wypływka jak i otwór zostaje następnie wycięte na gorąco (bezpośrednio po kuciu) w okrojniku (rysunek 1.6). Rysunek 1.6. Zasada działania okrojnika jednoczesnego do okrawania wypływki i wycinania denka [7]: A - położenie początkowe, B – położenie po obcięciu wypływki i wycięciu denka, 1– odkuwka, 2 – wypływka, 3 – denko, 4 – stempel górny do obcinania wypływki, 5 - płyta obcinająca, 6 – stempel dolny do wycinania denka, h1 – wysokość odkuwki, δ1, 2 – luzy między częściami roboczymi Strona 17 ROZDZIAŁ 1 Rysunek odkuwki Za podstawę konstrukcji wykroju wykańczającego matrycy służy rysunek odkuwki, który sporządza się na podstawie rysunku gotowego przedmiotu. W celu określenia tolerancji stosowanych do odkuwki matrycowanej, oprócz wymiarów odkuwki należy znać następujące dane: a. masę odkuwki b. kształt linii podziału matrycy, c. kategorię użytej stali, d. wskaźnik zwartości kształtu, e. typy wymiarów. Ad a) Masę odkuwki oblicza się z objętości przyjmując masę właściwą dla stali ρ=7,85 g/cm3. Ad b) Projektowanie odkuwki należy rozpocząć od doboru płaszczyzny podziału odkuwki, odpowiadającej płaszczyźnie podziału matryc. Linia podziału matryc może być prosta, symetryczna lub asymetryczna. Od linii podziału zależy wielkość pozostałości wypływki i przesadzenia odkuwki. Ad c) Kategoria ta uwzględnia trudniejsze kształtowania stali o wysokiej zawartości węgla lub stali wysokostopowej powodującej większe zużycie matryc niż w przypadku stali o niższej zawartości węgla i dodatków stopowych. Stopień trudności materiałowej zależy składu chemicznego materiału. Rozróżnia się dwie kategorie trudności materiałowej: • M1: stale o zawartości węgla do 0,65% i w których suma procentowa zawartości składników stopowych (Mn, Ni, Cr, Mo, V, W) nie przekracza 5% masy; • M2: stale o zawartości węgla powyżej 0,65% zawartości węgla lub w których suma procentowa zawartości składników stopowych (Mn, Ni, Cr, Mo, V, W) przekracza 5% masy. Ad d) W celu określenia stopnia trudności wykonania wynikającego ze zwartości kształtu należy obliczyć wskaźnik zwartości kształtu S, określony stosunkiem masy odkuwki do masy bryły opisanej na maksymalnych wymiarach tej odkuwki (rysunek 1.7): Strona 18 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK S= m mb (1.4) gdzie: m - masa odkuwki, mb - masa bryły opisanej na tej odkuwce [kg]. Bryła odkuwki obrotowej jest walcem opisanym na odkuwce a bryła odkuwki nieobrotowej jest prostopadłościanem opisanym na odkuwce (rysunek 1.7). Rysunek 1.7. Wyznaczanie bryły opisanej na odkuwce Rozróżnia się cztery stopnie trudności wykonania, zostały one podane w tabeli 1.3. Tabela 1.3. Stopnie trudności wykonania (zależne od zwartości kształtu odkuwek) wg EN 10243-1 Wskaźnik zwartości kształtu S Oznaczenie stopnia trudności wykonania 0,63 < S ≤ 1 S1 0,32 < S ≤ 0,63 S2 0,16 < S ≤ 0,32 S3 S ≤ 0,16 S4 W przypadku odkuwek cienkich tarcz lub cienkich kołnierzy kutych pod młotami i prasami przy stosunku grubości kołnierza lub minimalnej grubości tarczy e do maksymalnej średnicy odkuwki d poniżej 0,2 (e/d ≤ 0,2) należy przyjmować stopień trudności S4. Ad e) Rozróżnia się cztery główne typy wymiarów. Zależą one od kierunku kucia i podziału matrycy (tabela 1.4). Strona 19 ROZDZIAŁ 1 Tabela 1.4. Typy wymiarów odkuwki matrycowanej [2] Wymiary Kierunek kucia Podział matrycy Długość l Szerokość (średnica) b prostopadły Wysokość h równoległy (w półmatrycy) Grubość a w powierzchni podziału przecina równoległy powierzchnię podziału Tolerancje i odchyłki wymiarów długości, szerokości i wysokości określa się dla wymiarów obrobionego przedmiotu powiększonych o naddatki na obróbkę. Norma EN 10243-1 nie podaje sposobu doboru naddatków. Jednak dla ułatwienia projektowania odkuwek w tabeli 1.5 umieszczono sposób doboru i wartości naddatków (dla odkuwek dawnej klasy Z) zgodny z nieaktualną normą PN-86/H-94101. Naddatki na obróbkę skrawaniem oraz dopuszczalne tolerancje i odchyłki wymiarowe zależą od: wymiarów i masy odkuwki, stopnia trudności wykonania wynikającej ze zwartości kształtu i gatunku materiału odkuwki, klasy dokładności wykonania odkuwki. Tabela 1.5. Jednostronne naddatki na obróbkę odkuwek (dawnej klasy Z) kutych na młotach i prasach dla wskaźnika trudności materiałowej M1 Masa części kg Powyżej Wymiary: średnic, grubości, wysokości i długości, mm powyżej 32 100 160 250 400 do 32 100 160 250 400 630 do 0 0,4 1,2 1,4 1,5 1,5 1,8 2 0,4 1 1,4 1,5 1,5 1,8 2 2,4 1 1,8 1,5 1,5 1,8 2 2,4 2,6 1,8 3,2 1,5 1,8 2 2,4 2,6 2,8 Dopuszczalne odchyłki długości, szerokości i wysokości dla odkuwek klasy F i trudności wykonania S1 i S2 podano w tabeli 1.6. Dla wymiarów między powierzchniami zewnętrznymi stosuje się odchyłki +2/3; -1/3 tolerancji (rysunek 1.8), dla wymiarów między powierzchniami weStrona 20 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK wnętrznymi należy znaki odwrócić, tak aby odchyłki wynosiły +1/3, -2/3. Rysunek 1.8. Rozkład tolerancji T i obliczanie wymiarów zewnętrznych odkuwki: d – średnica odkuwki (powierzchnia nie obrabiana skrawaniem, ds – średnica odkuwki z uwzględnieniem naddatku na obróbkę n W tabeli 1.6 nie uwzględniono wielkości przesądzeń i pozostałości wypływek zależnych od masy odkuwki i kształtu podziału matrycy, ich wartości mieszczą się w podobnym zakresie (0,5-2,8 mm) jak tolerancje. Tolerancje i odchyłki grubości określają dopuszczalne odchyłki jakiegokolwiek wymiaru grubości odkuwki, tj. wymiaru położonego po obu stronach matrycy (np. wymiary 9 i 45 z rysunku 1.9). Strona 21 ROZDZIAŁ 1 Tabela 1.6. Dopuszczalne odchyłki długości, szerokości (średnicy) i wysokości dla odkuwek klasy F, dla wskaźnika trudności materiałowej M1 i trudności wykonania S1 i S2 Masa części [kg] Wymiary: średnic, grubości, wysokości i długości [mm] S1 Wymiary: średnic, grubości, wysokości i długości [mm] S2 Powyż. 32 100 160 Powyż. 32 100 160 do 32 100 160 250 do 32 100 160 250 Powyż. do 0 0,4 0,7 - 0,4 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 0,4 1 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1 1,8 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,8 3,2 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,7 - 0,8 3,2 5,6 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,7 - 0,8 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,7 - 0,8 1,9 - 0,9 Tabela 1.7. Dopuszczalne odchyłki grubości dla odkuwek klasy F , dla wskaźnika trudności materiałowej M1 i trudności wykonania S1 i S2 Masa części [kg] Wymiary grubości [mm] S1 Wymiary grubości [mm] S2 Powyż. 16 40 63 Powyż. 16 40 63 do 16 40 63 100 do 16 40 63 100 Powyż. do 0 0,4 0,7 - 0,3 0,7 - 0,4 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 0,7 - 0,4 0,8 - 0,5 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 0,4 1,2 0,7 - 0,4 0,8 - 0,5 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,2 2,5 0,8 - 0,4 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 2,5 5 0,9 - 0,5 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 3,2 5,6 1,1 - 0,5 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,5 - 0,7 1,2 - 0,6 1,3 - 0,7 1,3 - 0,7 1,7 - 0,8 Zaleca się, aby dla każdej odkuwki matrycowanej wszystkie tolerancje wymiarów grubości były jednolite i określa się je wg największego wymiaru. Odchyłki dla klasy F, trudności materiałowej M1 i trudności wykonania S1 i S2 podane są w tablicy 1.7. Strona 22 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK Przykład wykonania rysunku odkuwki Za podstawę rozważań przyjęto rysunek 1.1, zakładając, ze materiał części (piasta sprzęgła) wykonany jest ze stali C45. Poglądowy rysunek odkuwki (rysunek 1.9) podaje wymiary przedmiotu, wielkość naddatków na obróbkę i tolerancje wykonania. Wymiary długości i szerokości (średnicy) są równoległe do powierzchni podziału matrycy (np. wymiary 35,5, 58 i 93), wymiary wysokości są prostopadłe do powierzchni podziału i położone po jednej stronie powierzchni podziału (np. wymiary 17 i 21) a wymiary grubości np. wymiar 9 i 45 są położone po obu stronach powierzchni podziału. Dla masy odkuwki m=0,74 kg, wskaźnika trudności materiałowej M1, stopnia trudności wykonania S2 oraz dla maksymalnego wymiaru średnicy 90 i maksymalnej grubości 42 naddatek ten jest jednakowy i wynosi 1,5mm (tablica 1.6). Rysunek 1.9. Rysunek odkuwki (wykonany na podstawie rysunku 1.1 gotowej części), xxx – baza obróbcza do 1-szej operacji UWAGA! Naddatków na obróbkę nie podaje się na rysunku odkuwki, zamieszczono je jedynie dla celów dydaktycznych. Na rysunku odkuwki powinna być określona późniejsza baza obróbkowa w celu zapewnienia prawidłowego wymiarowania i kontroli wymiarów odkuwki (bazę tą oznaczono krzyżykami, podobnie jak na rysunku surowego odlewu). Strona 23 ROZDZIAŁ 1 Tolerancje prostoliniowości i płaskości oraz i odchyłki wymiarów międzyosiowych podano w tablicy 1.5; stosuje się je niezależnie od pozostałych tolerancji z podziałem na +1/2, -1/2 tolerancji. Odczytuje się je w zależności od największych długości, szerokości lub odległości między osiami. Tablica 1.8. Odchyłki prostoliniowości i płaskości oraz wymiarów międzyosiowych odkuwek klasy F kutych na młotach prasach Długość lub szerokość odkuwki [mm] Odległość między osiami [mm] powyżej 100 125 160 200 do 100 125 160 200 250 ±0,3 ±0,35 ±0,4 ±0,45 ±0,5 powyżej 100 160 200 250 do 100 160 200 250 315 ±0,3 ±0,4 ±0,5 ±0,6 ±0,8 Zasady konstrukcji odkuwek matrycowanych Jak już wspomniano, projektowanie odkuwki należy rozpocząć od doboru płaszczyzny podziału odkuwki (która odpowiada płaszczyźnie podziału matryc). Przy kuciu na prasach i młotach podział przebiega przez przekrój odkuwki o największej powierzchni. Należy dążyć do umieszczenia dna powyżej lub poniżej płaszczyzny podziału. Umieszczone symetrycznie względem płaszczyzny podziału sprzyja nadmiernemu wpływaniu materiału na zewnątrz wykroju i powoduje jego złe wypełnienie. Najmniejsze grubości dna zależne od wymiarów charakterystycznych odkuwki pokazano na rysunku 1.10a i podano w tabeli 1.9. Najmniejsza grubość odkuwki nie może być mniejsza od grubości wypływki. W celu zapewnienia prawidłowego płynięcia materiału i wypełnienia wykrojów matrycy należy unikać wysokich i wąskich żeber, zbyt wielkich wgłębień oraz nagłych i wielokrotnych zmian przekroju. W miejscach zmian przekroju należy stosować jak największe promienie zaokrągleń. Szczególnie duże promienie zaokrągleń należy stosować w miejscach, gdzie płynięcie materiału jest najintensywniejsze, takich jak występy wykroju w postaci kołnierzy, żeber czopów itp. Strona 24 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK Rysunek 1.10. Charakterystyczne wymiary odkuwki: d1, d2 – średnice odkuwki, h, h1, h2 – wysokości (grubości) odkuwki, g – grubość dna, g1 - grubość ścianek (żeber), l - długość odkuwki Najmniejsze grubości ścianek i żeber (g1) zależnie od wysokości odkuwek (h) podano w tabeli 1.10. Tabela 1.9. Najmniejsze grubości den odkuwek Najmniejsza grubość g [mm] Średnia szerokość bs lub średnica ds mm] do 25 25,1 ÷ 40 40,1 ÷ 63 63,1 ÷ 100 100,1 ÷ 160 160,1 ÷ 250 250,1 ÷ 400 l h lub ≤ 3 bs ds l h lub 〉3 bs ds 2 3 5 6 8 12 20 3 4 6 8 10 16 25 Tabela 1.10. Najmniejsze grubości ścian lub żeber odkuwek Wysokość h1 [mm] Grubość g1 [mm] Wysokość h1 [mm] Grubość g1 [mm] do 10 10,1 ÷ 16 16,1 ÷ 25 25,1 ÷ 40 3 4 5 8 40,1 ÷ 63 63,1 ÷ 100 100,1 ÷160 12 20 32 Strona 25 ROZDZIAŁ 1 Wartości minimalnych promieni zaokrągleń zależnie od wymiarów charakterystycznych odkuwki podano w tabl. 1.11. Tabela 1.11. Najmniejsze promienie zaokrągleń odkuwek Wysokość odkuwki względem linii podziałowej matrycy h1, Mm Promień zaokrąglenia krawędzi zewnętrznej r1, mm Głębokość wgłębienia h2, mm Do 25 25,1 ÷ 40 40,1 ÷ 63 63,1 ÷ 100 100,1 ÷ 160 160,1 ÷ 250 2 3 4 6 8 10 do 25 25,1 ÷ 40 40,1 ÷ 63 63,1 ÷ 100 100,1 ÷ 160 160,1 ÷ 250 Promień Promień zaorkązaokrąglenia Szerokość lub glenia w miejscu średnica b, d, dna zmiany mm wgłębień przekroju r3, r2, mm mm 4 6 10 16 25 40 do 25 25,1 ÷ 40 40,1 ÷ 63 63,1 ÷ 100 100,1 ÷ 160 160,1 ÷ 250 2,5 4 6 10 16 25 Po przeprowadzeniu doboru płaszczyzny podziału należy przewidzieć odpowiednie pochylenia bocznych ścian odkuwki. Pochylenia kuźnicze są stosowane aby ułatwić wyjmowanie odkuwek z matrycy. Jeżeli ściany boczne odkuwki podlegają obróbce skrawaniem, to pochylenia znacznie zwiększają wartość naddatków. W celu zmniejszenia naddatków należy dążyć do stosowania jak najmniejszych pochyleń. Wielkości pochyleń ścian odkuwek zależnie od metody produkcyjnej, wysokości ścian i rodzaju powierzchni (ściany wewnętrzne lub zewnętrzne) podano w tabeli 1.12. Pochylenia ścian wewnętrznych są większe niż zewnętrznych. Tłumaczy się to tym, że w czasie stygnięcia materiału (przy kuciu na młotach i prasach) ściany zewnętrzne odkuwki odrywają się od ścian wykroju, natomiast ściany wewnętrzne zaciskają się na wystającej części wykroju. Przy kuciu w kuźniarkach wielkość pochyleń ścian zewnętrznych zależy od kształtu odkuwki i sposobu jej wykonania. Jeżeli odkuwka ma dwa występy lub więcej (rys. 1.34a), to wewnętrzne i zewnętrzne ściany tych występów należy wykonać z pochyleniem pz. Dla odkuwek bez występów lub z jednym występem i wykonywanych w matrycy (rys. 1. 34c) ściany zewnętrzne wykonuje się bez pochylenia. Przy wykonywaniu odkuwek w stemplu (rys. 1. 34b) zewnętrznym ścianom odkuwki nadaje się nieznaczne pochylenia (1:50). Pochylenie ścian wewnętrznych zależy od głębokości wgłębienia. W odkuwkach niskich, np. w odkuwkach pierścieni, otwór wewnętrzny można wykonać bez pochylenia. W głębszych otworach (rys. 1. 34a, b, c), aby zmniejszyć naddatek na obróbkę stosuje się przebijanie stopniowe, przy czym do głębokości H1 Ł 0,5 do Strona 26 PROJEKTOWANIE ODLEWÓW I ODKUWEK można otwór wykonywać bez pochylenia, a pozostałą głębokość otworu wykonuje się z pochyleniem pw. Tabela1.12 Pochylenia ścian odkuwek Sposób wykonania odkuwki Pod młotem Wewnętrznych pw pochylenie kąt rodzaj ścianki Ścianki przy wysokich żebrach Ścianki normalne Ścianki przy niskich odkuwkach Ścianki przy niskich żebrach Ścianki normalne - - - 1:6 9° 1:6 9° Ścianki normalne 1:10 6° 1:10 6° 1:20 3° 1:6 9° 1:10 6° 1:10 6° Ścianki normalne 1:20 3° 1:20 3° - 1:50 1° - - - - 1:20 3° Powierzchnie prostopadłe do kucia Pod prasą Pod prasą z wyrzutnikie m Pochylenie ścian* Zewnętrznych pz Rodzaj ścianki Pochylenie kąt Ścianki przy płytkim wgnieceniu Ścianki przy głębokim wgnieceniu Zależnie od Ścianki 1:50 głębokości 1° normalne wgłębień Przy przebijaniu do otworu lub 0÷1° 1:50 pogłębianiu *Dla grubości poniżej 10 mm należy stosować pochylenie 1:10 (6°). W przypadku odkuwki o kształcie bryły obrotowej stosuje się na rysunkach oznaczenia zbieżności o wielkości podwójnego pochylenia podanego w tablicy W kuźniarce 1:20 3° Strona 27 ROZDZIAŁ 1 1.4. Literatura 1. Bosiacki K.: Kucie matrycowe na młotach. PWT, Warszawa 1956. 2. Erbel St., Kuczyński K., Marciniak Z.: Obróbka plastyczna. PWN, Warszawa 1981. 3. Kapiński S., Skawiński P,, Sobieszczański J., Sobolewski J.Z.: Projektowanie technologii Maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007. 4. PN-ISO 8062:1997. Odlewy - system tolerancji wymiarowych i naddatków na obróbkę skrawaniem. 5. PN-EN 10243-1:2002. Stalowe odkuwki matrycowane. Tolerancje wymiarów. Część 1: Odkuwki kute na młotach i prasach. [4] Praca zbiorowa, tłumaczenie z j. rosyjskiego: Podstawowe techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym. WNT, Warszawa 1973. 6. Skarbiński M.: Zasady konstruowania odlewanych części maszyn. WNT, Warszawa 1968. 7. Wasiunyk P.: Kucie matrycowe. WNT, Warszawa 1968. Strona 28 2 Metodyka projektowania technologicznego W tym rozdziale: o o o o o Podstawy budowania procesu technologicznego Składniki procesu technologicznego Najważniejsze dokumenty technologiczne Technologia obróbki powierzchni walcowych, płaskich i otworów Przykłady procesu technologicznego ROZDZIAŁ 2 2.1. Zasady podziału procesu technologicznego Proces technologiczny jest najważniejszą częścią procesu produkcyjnego, jest tokiem działań bezpośrednio związanych z wytwarzanym produktem. Podczas realizacji procesu technologicznego następuje zmiana właściwości i cech charakteryzujących przedmiot obrabiany, a w przypadku montażu, zmiana położenia względem innych części maszyny lub urządzenia. W szczególności będzie to zmiana: kształtu, wymiarów, właściwości fizyko-chemicznych i wyglądu przedmiotu obrabianego. Naturalnym dążeniem jest, aby proces technologiczny umożliwiał wytworzenie produktu o wymaganych właściwościach i o określonej jakości przy możliwie niskich kosztach produkcji i w możliwie krótkim czasie. W zależności od charakterystycznego i dominującego sposobu obróbki będziemy rozróżniali np. proces technologiczny kucia, odlewania, obróbki skrawaniem. W tym opracowaniu skoncentrujemy się na omówieniu procesu technologicznego wykonania części z surówek lub bezpośrednio z materiału wyjściowego, np. z pręta, w którym obróbka skrawaniem odgrywa rolę dominującą, a więc na świadomym planowaniu obróbki, operacja po operacji, poczynając od wyrobu w stanie wyjściowym, np. będzie to odkuwka, aż do wyrobu gotowego. Proces technologiczny zależy przede wszystkim od cech przedmiotu obrabianego, wymagań stawianych gotowemu wyrobowi i od wielkości produkcji (liczby produkowanych przedmiotów). Proces technologiczny takich samych przedmiotów w przypadku produkcji małoseryjnej i np. wielkoseryjnej będzie się pod wieloma względami bardzo różnił. Jest to spowodowane kalkulacją ekonomiczną. Inne czynniki wpływające na proces technologiczny, to rodzaj i cechy przedmiotu w stanie wyjściowym oraz park maszynowy, jakim dysponuje producent. Dokładność wykonania surówki w sposób oczywisty wpływa na charakter dalszej obróbki i liczbę operacji. Mało dokładna surówka odlewana do form piaskowych najczęściej będzie wymagała obróbki wielu powierzchni i wielu operacji. W przypadku odlewów ciśnieniowych obróbka skrawaniem może być ograniczona do nielicznych powierzchni i do mniejszej liczby operacji. Wybór surówki i stawianych jej wymagań będzie zależał od analizy kosztów produkcji. Strona 30 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Planując proces technologiczny, dąży się, aby obróbkę przeprowadzić na istniejącym parku maszynowym. Tak postępuje się w małych zakładach i w wielkich. Można znaleźć przykłady, np. w przemyśle motoryzacyjnym, że już w fazie projektowania nowych modeli samochodów ich konstrukcja powstaje z myślą o wykorzystaniu istniejących linii obrabiarek. Nie jest to jednak wymaganie bezwzględne. Nowe inwestycje mogą być koniecznością techniczną, lub też mogą wynikać z rachunku ekonomicznego. Trzeba także zwrócić uwagę, że opracowanie procesu technologicznego powinno być poprzedzone analizą technologiczności konstrukcji. Nieraz niewielkie zmiany kształtu produkowanej części nie wpływają na jej funkcjonowanie w maszynie, a mogą wpłynąć na znaczne uproszczenie i potanienie procesu obróbki. Proces technologiczny składa się z operacji, a operacja składa się z zabiegów i czynności pomocniczych Operacja jest podstawową częścią procesu technologicznego wykonywaną na określonej części lub zespole części, na jednym stanowisku pracy, przez jednego pracownika lub grupę pracowników, bez przerw na inną pracę. Zabieg jest częścią operacji odnoszącą się do określonej powierzchni lub do kilku określonych powierzchni, obrabianych ustalonym narzędziem lub zestawem narzędzi i przy ustalonych parametrach obróbki. Rozróżnia się pojęcia: zabieg prosty i zabieg złożony. Zabieg prosty odnosi się do obróbki jednej powierzchni jednym narzędziem Gotowy wyrób osiągamy w wyniku kolejno następujących operacji, często wielozabiegowych. Ze względu na osiąganą dokładność wymiarową i chropowatość powierzchni operacje obróbki skrawaniem możemy orientacyjnie podzielić na trzy grupy [1] stopni obróbki, a mianowicie: • obróbka zgrubna, • obróbka wymiarowa średnio dokładna i dokładna, • obróbka wykańczająca. Obróbka zgrubna jest obróbką mało dokładną. Osiągana dokładność wymiarowa najczęściej jest powyżej 11 lub 12 klasy dokładności wg ISO, a chropowatość powierzchni określana parametrem Ra przeważnie jest powyżej 10 mm. Celem tej obróbki jest przygotowanie obrabianych powierzchni do dalszych operacji pozwalających na uzyskanie większej Strona 31 ROZDZIAŁ 2 dokładności wymiarowej i większej gładkości powierzchni. W przypadku niektórych powierzchni, wobec których stawiane są niewielkie wymagania w zakresie dokładności wymiarowej i chropowatości, obróbka zgrubna kształtuje je na gotowo. (Powierzchnie surówki, których dokładność wymiarowa i stan powierzchni są wystarczające, nie są poddawane obróbce skrawaniem.) Niskie wymagania jakościowe, przy tej obróbce, pozwalają na wydajne skrawanie, z dużą głębokością skrawania i z dużym posuwem. Obróbka wymiarowa w połączeniu z obróbką zgrubną nazywane są obróbką kształtującą gdyż służą do osiągnięcia zamierzonego kształtu obrabianego przedmiotu. Na wielu powierzchniach obróbka skrawaniem kończy się na operacjach obróbki wymiarowej. Dokładność wymiarowa obróbki wymiarowej w zależności od wymagań zawiera się w przedziale 12 – 5 klasy dokładności i chropowatości Ra w przedziale 10 – 0,16 µm. Obróbka wykańczająca pozwala uzyskać wysoką dokładność wymiarową1, wysoką gładkość powierzchni, szczególne właściwości powierzchni lub warstwy wierzchniej. Typowymi operacjami obróbki wykańczającej są: dogładzanie oscylacyjne (honowanie), polerowanie, obróbka powierzchniowa zgniotem. Wymienionych grup obróbki nie należy utożsamiać z liczbą operacji (stopni obróbki) kształtujących daną powierzchnię. W przypadku wysokich wymagań w zakresie dokładności i chropowatości powierzchni może to być nawet pięć operacji, np.: operacja obróbki zgrubnej, dwie operacje obróbki wymiarowej i dwie operacje obróbki wykańczającej. Oprócz operacji obróbki zgrubnej, wymiarowej i wykańczającej w skład procesu technologicznego wchodzą także: 1 • operacje obróbki wstępnej, • operacje obróbki cieplnej i cieplno chemicznej, • operacje pomocnicze, • inne operacje nadające powierzchni szczególne cechy lub właściwości, Przyporządkowane klasy dokładności i chropowatości stopniom obróbki mają charakter orientacyjny. Jeżeli np. powierzchnia będzie obrabiana w trzech operacjach, najpierw zgrubnie toczona z dokładnością odpowiadającą 12 klasie dokładności, potem toczona dokładnie z dokładnością odpowiadającą 7 klasie dokładności, a następnie szlifowana aby osiągnąć 5 klasę dokładności, to w praktyce warsztatowej szlifowanie zaliczymy do obróbki wykańczającej. Strona 32 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO • operacje kontroli jakości. Operacjami obróbki wstępnej są: ciecie materiału, trwałe łączenie części (spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie), kalibrowanie, prostowanie, wykonanie nakiełków, montaż części obrabianych w zespole. Obróbka taka, jak cięcie materiału lub wykonanie nakiełków może też być jednym z zabiegów operacji kształtującej, wtedy nie jest zaliczana do obróbki wstępnej. Operacje obróbki cieplnej i cieplno chemicznej. Celem obróbki cieplnej jest zmiana struktury stopu poprzez odpowiednie nagrzewanie i chłodzenie, co prowadzi do zmian właściwości fizycznych i mechanicznych. Najczęściej wstępna obróbka cieplna (wyżarzanie zupełne, wyżarzanie zmiękczające, normalizowanie, a nieraz także ulepszanie cieplne) przeprowadzana jest w walcowni, kuźni lub odlewni. Ostateczna obróbka cieplna przeprowadzana jest w trakcie dalszej obróbki surówki lub materiału wyjściowego. Oddziaływanie termiczne może spowodować deformację i zmianę objętości przedmiotu obrabianego, z tego względu wskazane jest umieszczanie operacji obróbki cieplnej na początku procesu. W przypadku dużych naddatków usuwanych podczas obróbki zgrubnej bardziej celowe jest przeprowadzenie operacji obróbki cieplnej po obróbce zgrubnej. Ułatwia to wnikanie obróbki cieplnej w głąb materiału, a także pozwala uniknąć wtórnej deformacji w przypadku naruszenia stanu naprężeń wewnętrznych wskutek usunięcia warstwy materiału o dużej grubości. Typowymi operacjami obróbki cieplnej umieszczanymi po obróbce zgrubnej są ulepszanie cieplne i wyżarzanie odprężające. Obróbki cieplno-chemiczne przeprowadza się w końcowych fazach procesu technologicznego, lub po zakończeniu obróbki skrawaniem. Głębokość warstwy przemienionej w wyniku tych obróbek jest niewielka. W zależności od rodzaju obróbki wynosi od kilku setnych milimetra do nieco ponad dwa milimetry. Do najczęściej stosowanych obróbek cieplno-chemicznych należą: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie. Nawęglanie przeprowadza się po zakończeniu obróbki wiórowej powierzchni do nawęglenia, z pozostawieniem naddatku na szlifowanie wynoszącym kilka dziesiątych milimetra. Grubość warstwy nawęglonej wynosi od kilku dziesiątych mm do 2,5 mm. Po zahartowaniu i odpuszczeniu warstwy nawęglonej następuje szlifowanie na wymiar docelowy. (Powierzchnie przedmiotu, które nie powinny być utwardzone należy chronić przed nawęgleniem, np. poprzez pokrycie ich pastami zabezpieczającymi. Skutecznym sposobem zabezpieczenia przed zahartowaniem Strona 33 ROZDZIAŁ 2 jest nawęglenie całego przedmiotu, a następnie usunięcie warstwy nawęglonej z powierzchni, które powinny pozostać miękkie. Wymaga to pozostawienia na tych powierzchniach naddatku o grubości zależnej od głębokości nawęglania i przeprowadzeniu obróbki wiórowej po nawęgleniu.) Warstwa utwardzona poprzez azotowanie lub cyjanowanie jest bardzo cienka, wynosi od kilku setnych do kilku dziesiątych milimetra. Temperatura osiągana przy tych operacjach jest przeważnie niższa niż przy nawęglaniu, tym bardziej więc nie ma obaw, że obróbka ta spowoduje zmiany wymiarowe, toteż te operacje umieszcza się najczęściej po zakończeniu obróbki na żądany wymiar. Sporadycznie po azotowaniu i cyjanowaniu stosuje się docieranie. Operacje pomocnicze. Do operacji pomocniczych zalicza się prostowanie, usuwanie zadziorów, mycie i odtłuszczanie. (Usuwanie zadziorów często jest dołączane do innych operacji jako jeden z zabiegów.) Inne operacje nadające powierzchni szczególne cechy lub właściwości. W zależności od wymagań określonych przez konstruktora mogą to być bardzo różne operacje, np.: natryskiwanie, napawanie, nakładanie powłok (w tym malowanie), cechowanie. Operacje kontroli jakości. Operacje kontroli jakości wyszczególnione w procesie technologicznym są prowadzone przez wyspecjalizowane komórki organizacyjne zakładu produkcyjnego, lecz bieżąca (czynna) kontrola jakości jest także powiązana z realizacją poszczególnych operacji. Tę bieżącą kontrolę prowadzą pracownicy wykonujący daną operację lub coraz częściej systemy automatycznego nadzoru. Usytuowanie operacji kontroli jakości w procesie technologicznym i jej zakres (kontrola 100% lub statystyczna) zależy od wymagań stawianych obrabianemu przedmiotowi i od wielkości produkcji. Jako orientacyjne wskazania do usytuowania kontroli międzyoperacyjnych proponuje się następująco: wprowadzać operację kontroli po operacji finalizującej obróbkę wymiarową powierzchni szczególnie ważnych dla funkcjonowania danej części maszyny, przed operacjami drogimi, po operacjach obróbki cieplnej. Proces technologiczny należy kończyć operacją końcowej kontroli jakości. Przeważnie konieczna jest obróbka wielu powierzchni przedmiotu obrabianego. Zróżnicowane jest znaczenie funkcjonalne poszczególnych powierzchni. Niektóre powierzchnie decydują o prawidłowym funkcjonowaniu obrobionego przedmiotu w zespole części wchodzących w skład maszyny lub urządzenia. Powierzchniom tym najczęściej stawiane są Strona 34 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO podwyższone wymagania, co do dokładności wymiarowej, chropowatości powierzchni i stanu przylegającej warstwy wierzchniej. Powierzchnie te nazywa się powierzchniami podstawowymi, a pozostałe powierzchnie – powierzchniami drugorzędnymi. Budując proces technologiczny należy się skoncentrować na prawidłowym poprowadzeniu obróbki powierzchni podstawowych. Obróbkę powierzchni drugorzędnych planujemy niejako „przy okazji”. Oczywiście wszystkie powierzchnie muszą być wykonane zgodnie z wymaganiami określonymi na rysunku konstrukcyjnym. Rysunek 2.1. Przykład operacji wiertarskich przy produkcji: a) jednostkowej, b) seryjnej, c) masowej [7] Decydujące znaczenie dla osiągnięcia zamierzonego celu obróbki ma właściwy dobór baz obróbkowych, czyli tych powierzchni, w stosunku do których będą zorientowane inne powierzchnie obrabiane. Powierzchnie bazowe powinny być obrobione w początkowej fazie obróbki i najStrona 35 ROZDZIAŁ 2 lepszym rozwiązaniem jest zachowanie niezmienności powierzchni bazowych. Główną powierzchnią bazową może być jedna z powierzchni podstawowych, lub powierzchnia spełniająca tylko rolę powierzchni bazowej. Orientacyjny schemat procesu obróbki można ująć następująco: 1. Operacje wstępne (jeżeli istnieje potrzeba). 2. Obróbka powierzchni bazowych. 3. Obróbka zgrubna powierzchni podstawowych i tych powierzchni drugorzędnych, których nie powinno się obrabiać oddzielnie. 4. Obróbka zgrubna i ewentualnie wymiarowa powierzchni drugorzędnych. 5. Obróbka cieplna. 6. Operacje związane z obróbką cieplną, w tym kontrola jakości. 7. Obróbka wymiarowa (średnio dokładna i dokładna) powierzchni podstawowych. 8. Obróbka wykańczająca powierzchni podstawowych. 9. Ewentualnie obróbka wykańczająca powierzchni drugorzędnych. 10. Obróbka cieplno-chemiczna (jeżeli jest wymagana). 11. Ewentualna obróbka wykańczająca powierzchni po obróbce cieplno-chemicznej. 12. Końcowa kontrola jakości. Szczegółowe decyzje dotyczące charaktery i liczby operacji zależą od wymagań określonych na rysunku konstrukcyjnym obrabianej części, od zadań tej części w maszynie, od wielkości produkcji, od dostępnego parku obrabiarek. Na rysunku 2.1 zobrazowano organizację obróbki otworów w zależności od wielkości produkcji. Trzeba tu zaznaczyć, że przy produkcji jednostkowej (na rysunku przypadek a) wiercenie musi być poprzedzone czasochłonnym i mało dokładnym trasowaniem. Projektując proces technologiczny można dążyć do koncentracji lub różnicowania operacji. Obecnie stosuje się dość dużą koncentrację operacji. Szczególnie szerokiej koncentracji operacji sprzyjają współczesne obraStrona 36 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO biarki numeryczne pozwalające np. na łączenie operacji tokarskich i frezarskich. 2.2. Dokumentacja technologiczna Najważniejszymi dokumentami technologicznymi są: • plan operacyjny zwany też planem obróbki lub kartą technologiczną, • instrukcje technologiczne. Polskie Normy proponują wzory tych dokumentów. Aktualne wersje są zgodne z normami ISO. Najczęściej zakłady produkcyjne dostosowują formularze najważniejszych dokumentów technologicznych do swoich potrzeb. Forma tych dokumentów w znacznym stopniu zależy od wielkości produkcji. Przy produkcji jednostkowej i małoseryjnej opis procesu technologicznego jest najczęściej uproszczony. Przy produkcji masowej ten opis jest rozbudowany i bardzo szczegółowy. Plan technologiczny sporządza się na tzw. karcie technologicznej. (Obecnie takie karty opisują normy PN-90/M-01160, PN-83/M-01250). Plan technologiczny jest spisem operacji w kolejności ich wykonania z podaniem niektórych informacji o tych operacjach. Na rys. 2. 3 zamieszczono przykładową kartę technologiczną. Instrukcja technologiczna zawiera najważniejsze informacje niezbędne do przeprowadzenia operacji, w tym: • Wykaz zabiegów wraz z podaniem parametrów obróbki i informacji pochodnych pozwalających na prawidłowe nastawienie obrabiarki. • Rysunek części po obróbce z zaznaczonymi linią grubą powierzchniami obrabianymi, z podanymi wymiarami i ich tolerancją, wymaganiami co do kształtu i położenia (tab. 2.1) oraz chropowatością powierzchni, jakie muszą być osiągnięte w danej operacji. Rysunek ten powinien także zawieStrona 37 ROZDZIAŁ 2 rać symbole określające sposób ustalania i mocowania przedmiotu, tabl. 2.2. • Wskazanie obrabiarki oraz wykaz uchwytów i przyrządów, narzędzi skrawających i pomiarowych. • Inne informacje ważne dla zachowania ładu w organizacji produkcji. Przykład karty instrukcyjnej podano na rysunku 2.4. 2.3. Naddatki na obróbkę Decyzje o wartości naddatków na obróbkę podejmuje się podczas projektowania surówki, odlewu lub odkuwki. W zależności od przyjętej metody wytwarzania surówki zalecane wartości naddatków mogą być niewielkie lub bardzo duże. Decydując się na dostępne bardzo dokładne metody można osiągnąć wystarczającą dokładność wymiarową i chropowatość na wielu powierzchniach. Oznacza to jednak najczęściej wysoki koszt wykonania surówki. Wartość naddatku powinna być jak najmniejsza, ale równocześnie na tyle duża, aby w procesie obróbki można było osiągnąć żądaną jakość powierzchni. Różnica pomiędzy wymiarem surówki i wymiarem gotowego wyrobu jest naddatkiem całkowitym. Różnica pomiędzy wymiarami nominalnymi określi naddatek nominalny. Minimalna wartość naddatku będzie różnicą pomiędzy dolnym wymiarem granicznym surówki i górnym wymiarem granicznym gotowego wyrobu. Całkowity naddatek jest zdejmowany w kolejnych operacjach. Na każdą z kolejnych operacji obróbki skrawaniem musi być przewidziany naddatek zwany naddatkiem operacyjnym, rys.2.5. Suma naddatków operacyjnych musi się równać naddatkowi całkowitemu. W przypadku naddatku jednostronnego będzie [1]: C = g1 + g2 + ......+ gn gdzie: C – nominalny naddatek całkowity, g1, g2, .... gn - nominalny naddatek operacyjny w kolejnych stopniach obróbki. Strona 38 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Rysunek 2.2. Wzór karty technologicznej, według PN-56/M-01171 (nieaktualnej) Strona 39 ROZDZIAŁ 2 Strona 40 Rysunek 2.3. Wzór instrukcji technologicznej według PN-56/M-01171 (nieaktualnej) METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Tablela 2.1. Symbole stosowane na rysunkach do oznaczenia tolerancji kształtu i położenia według PN-87/M-01145 [7] prostoliniowości Przykłady zastosowania płaskości 0,01 Tolerancje kształtu okrągłości walcowości zarysu przekroju wzdłużnego równoległości 0,02 A prostopadłości nachylenia Tolerancje położenia współosiowości symetrii pozycji A przecinania się osi Tolerancje złożone położenia i kształtu bicia promieniowego, lub osiowego, lub w wyznaczonym kierunku bicia promieniowego lub osiowego całkowitego kształtu wyznaczonego zarysu 0,01 kształtu wyznaczonej powierzchni Strona 41 ROZDZIAŁ 2 Tabela 2.2. Oznaczenia stosowane w dokumentacji technologicznej, według PN-83/M-01152 [7] Oznaczenie Objaśnienie Powierzchnie obrabiane oznacza się linią dwukrotnie grubszą od linii konturowych Sterowanie mechanizmów mocujących: pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne, bez oznaczenia - ręczne lub inne P, H, E n n γ n Uchwyty szczękowe: n - liczba szczęk, n liczba szczęk przetoczonych lub przeszlifowanych, γ - rodzaj sterowania Kły: stały, samonastawny, obrotowy (zewnętrzny - ostrze do przedmiotu, wewnętrzny ostrze od przedmiotu) Tuleja zaciskowa lub trzpień rozprężny Trzpień stały, kołek pełny, tuleja stała Uchwyt magnetyczny Zabierak stały Zabierak samozaciskający lub zabierak czołowy Podpora stała (opór, luneta, okular, kołek ścięty). Ponadto w kolejności: widok z boku, z przodu, z tyłu; widok z góry; widok z dołu Podtrzymka ruchoma Strona 42 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Objaśnienie Oznaczenie Podpora wahliwa Podpora regulowana Podpora samonastawna Podpora podwójna sprzężona Docisk pojedynczy Docisk wahliwy Docisk podwójny Kształt powierzchni roboczych podpór i docisków: płaski, kulisty, walcowy, pryzmowy, stożkowy (znaki te umieszcza się po lewej stronie oznaczeń podpór i docisków) rowkowany, gwintowany, wielowypustowy (znak nanosi się na oznaczenie podpór i docisków) Strona 43 ROZDZIAŁ 2 Przykłady zastosowania oznaczeń Przedmiot ustalony na trzech podporach stałych zakończonych płasko, dodatkowo podpartych podporą regulowaną z zakończeniem kulistym, dosunięty do trzech oporów z zakończeniem kulistym oraz zamocowany dwoma dociskami pojedynczymi 3 3 Przedmiot ustalony w kłach (samonastawny i obrotowy), zabierak czołowy, podpora ruchoma Przedmiot ustalony na trzpieniu stałym walcowym i trzech podporach stałych, docisk pojedynczy Przedmiot ustalony w uchwycie trójszczękowym Przedmiot ustalony w pryzmie i podporze stałej o kulistej powierzchni roboczej, zamocowany dwoma dociskami pojedynczymi Strona 44 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Gdy naddatek operacyjny jest usuwany w jednym przejściu, a tak jest najczęściej, wtedy jest on tożsamy z głębokością skrawania. Ts W przypadku naddatków dwustronnych i symetrycznych (np. na średnicę) naddatek całkowity jest sumą podwojonych wartości naddatku jednostronnego (głębokości warstw skrawanych). g2 Obróbka wymiarowa g3 T3 T2 A3 A2 A1 T1 C As g1 Obróbka zgrubna Obróbka wykańczająca Rysunek 2.5. Struktura całkowitego jednostronnego naddatku na obróbkę: As - wymiar nominalny surówki, A1 - wymiar nominalny dla obróbki zgrubnej, A2 - wymiar nominalny dla obróbki wymiarowej, A3 - wymiar nominalny dla obróbki wykańczającej; Ts, T1, T2, T3 - odpowiednio tolerancja wykonania surówki, obróbki zgrubnej, wymiarowej i wykańczającej; g1, g2, g3 - nominalny naddatek na obróbkę zgrubną, wymiarową i wykańczającą Naddatek operacyjny powinien pozwolić na usunięcie wadliwej warstwy spowodowanej poprzednią obróbką i błędami odchyleń przestrzennych. Według Kowana wartość nominalnego naddatku operacyjnego na stronę gi wyraża zależność: gi = Ti-1 + Hi-1 +Wi-1 + Si-1 + ei, gdzie: gi - naddatek operacyjny na operację i, Ti-1 – tolerancja wymiaru uzyskanego w poprzedniej operacji, przy tolerowaniu w głąb materiału, Hi-1 – średnia wysokość nierówności po obróbce w poprzedniej operacji, Wi-1 – głębokość warstwy wadliwej spowodowanej poprzednią obróbką, Si-1 – wypadkowe odchylenie przestrzenne spowodowane w poprzedniej operacji, Strona 45 ROZDZIAŁ 2 ei - błąd ustawienia części w realizowanej i-tej operacji obejmujący błąd ustalenia i błąd zamocowania. Szczególnie duże grubości warstwy uszkodzonej są spowodowane niektórymi metodami wytwarzania surówek i wynoszą: przy odlewaniu w formach piaskowych żeliwa szarego od 1 do 2 mm i staliwa około 1,5 mm, przy kuciu swobodnym od 1,5 do 3,5 mm, przy kuciu matrycowym od 0,5 do 1,5 mm. Naddatek całkowity musi być odpowiednio większy, gdyż już naddatek na obróbkę zgrubną powinien pozwolić na usunięcie wadliwej warstwy surówki. Kolejne operacje (lub zabiegi) usuwają błędy przemieszczeń przestrzennych i wadliwą warstwę po poprzedniej obróbce, a błędy przemieszczeń przestrzennych i grubość kolejnych wadliwych warstw są coraz mniejsze. Odpowiada temu zmniejszanie kolejnych naddatków operacyjnych. Na przykład orientacyjna wartość naddatku operacyjnego na średnicę na wykańczające toczenie wałków w zależności od średnicy i długości wałków wynosi od 1 do 3 mm, a w przypadku wykańczającego szlifowania wałków od 0,25 do 1,25 mm. 2.4. Dobór baz obróbkowych Przedmiot obrabiany przed rozpoczęciem obróbki powinien być jednoznacznie zorientowany względem elementów obrabiarki. Musi też być zapewniona stałość tego położenia. Każdy przedmiot obrabiany posiada 6 stopni swobody: trzy przemieszczenia liniowe wzdłuż osi „X”, „Y” i „Z” oraz trzy obroty wokół tych osi. Nadanie przedmiotowi obrabianemu określonego położenia w kierunkach mających wpływ na wymiar będący rezultatem obróbki nazywa się ustalaniem lub bazowaniem. Powierzchnie przedmiotu wykorzystywane do nadania przedmiotowi obrabianemu określonego położenia nazywa się bazami obróbkowymi lub powierzchniami ustalającymi. Rozróżnia się bazy nastawcze, stykowe i sprzężone. Strona 46 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO A B Rysunek 2.6. Przykład bazy nastawczej Bazą nastawczą jest powierzchnia wykorzystywana do ustalania położenia przedmiotu na obrabiarce, lecz powierzchnia ta nie styka się z elementami podporowymi. Na rys. 2.6 bazą nastawczą jest powierzchnia A umożliwiająca zachowanie równoległości wytaczanego otworu do tej powierzchni. Prawidłowe ustalenie osiąga się dobierając odpowiednio wysokość podpór stykających się z powierzchnią B. Bazą nastawczą może być także powierzchnia wyznaczona przez rysy traserskie. Bazy te są szeroko stosowane w produkcji jednostkowej. Takie ustalanie jest czasochłonne i wymaga pewnego skupienia od pracownika, lecz nie pociąga za sobą dodatkowych kosztów. Przy produkcji seryjnej, wielkoseryjnej i masowej dąży się do maksymalnego skrócenia czasów pomocniczych, w tym także czasu potrzebnego na ustalenie przedmiotu obrabianego. Ustalenie osiąga się poprzez zetknięcie wybranych powierzchni przedmiotu obrabianego, nazywanych bazami stykowymi, z odpowiednimi elementami uchwytu. Baza stykowa główna odbiera trzy stopnie swobody (trzy punkty styku); baza kierunkowa - dwa stopnie swobody (dwa punkty styku); baza oporowa jeden stopień swobody (jeden punkt styku) Przy bazach stykowych następuje bezpośrednie odebranie stopni swobody w kierunkach mających wpływ na wynik obróbki. W niektórych przypadkach można także odebrać dodatkowy stopień swobody, choć nie ma to żadnego wpływu na wymiar obróbkowy, lecz jest wskazane np. ze względu na organizację pracy w przestrzeni roboczej obrabiarki. Nie wolno natomiast dwukrotnie, ani tym bardziej wielokrotnie, odbierać tego samego stopnia swobody. Nazywa się to przestaleniem. Prowadzi do niejednoznaczności ustalania i powoduje błędy obróbki. Strona 47 ROZDZIAŁ 2 a) b) c) h1 h 0,02 E s e E e y x m z Rysunek 2.6. Ustalanie położenia przedmiotu obrabianego [7] Na rys. 2.6 podano trzy przykłady ustalania z wykorzystaniem baz stykowych. Przedmiot obrabiany przedstawiony na rys. 2.6a ma być frezowany na wymiar h. Dolna powierzchnia prostopadłościanu jest bazą stykową. Jednoznaczne ustalenie ze względu na wymiar h wymaga odebrania trzech stopni swobody. Wzdłuż osi pionowej i dwóch obrotów wokół osi prostopadłych do osi pionowej. Trzy stopnie swobody zostaną odebrane, jeżeli powierzchnia bazowa (powierzchnia dolna) zetknie się w trzech punktach z elementami uchwytu. Ze względu na zwiększenie stabilności podparcia stosuje się często nie trzy, a cztery podpory punktowe, lecz czwarta podpora powinna być regulowana. Na rysunku powierzchnia bazowa styka się z powierzchnią uchwytu. Lokalizacja punktów podparcia nie jest znana i może być ich więcej niż trzy. Naruszona jest wtedy zasada, aby nie odbierać wielokrotnie tych samych stopni swobody. Jeżeli powierzchnia bazowa była uprzednio obrabiana, to wysokość punktów podparcia różni się nieznacznie. W tym przypadku jest dopuszczalne stosowanie podpory płaskiej, gdyż nie spowoduje to istotnych błędów ustalenia. Pozostają nie odebrane trzy stopnie swobody nie mające wpływu na osiągnięcie wymiaru h. Na rysunku są one zaznaczone strzałkami. Na przykład obrócenie przedmiotu wokół osi pionowej spowoduje jedynie inne usytuowanie na powierzchni obrabianej śladów frezowania. Frezując rowek, rys. 2.6 b, należy odebrać pięć stopni swobody. Zetknięcie podstawy prostopadłościanu z powierzchnią uchwytu, tak jak poprzednio, odbierze trzy stopnie swobody. Pozwoli to osiągnąć wymiar Strona 48 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO h1 na całej długości rowka. Ponieważ ma być zachowany także wymiar e określający położenie rowka względem powierzchni bocznej przedmiotu obrabianego musimy odebrać dodatkowe dwa stopnie swobody. Nieodebrany pozostaje tylko jeden stopień swobody. Przesunięcie przedmiotu wzdłuż osi równoległej do osi rowka nie wpływa na wymiary realizowane w tej operacji. Ewentualne przesunięcie spowoduje jedynie zmianę długości drogi dojścia freza do przedmiotu obrabianego. Ten stopień swobody też możemy odebrać, wprowadzając dodatkowy kołek. Na rysunku został narysowany linią przerywaną. Będzie spełniał rolę pomocnicza. Pozwoli zachować taką samą długość drogi dojścia freza oraz ewentualnie przeniesie część składowej siły skrawania. Na rys. 2.6c wyjaśniono sposób ustalania w przypadku wiercenia w przedmiocie obrabianym otworu. W tym przypadku należy odebrać przy ustalaniu wszystkie stopnie swobody. Odebranie trzech stopni swobody poprzez zetknięcie podstawy przedmiotu obrabianego z powierzchnią uchwytu pozwoli w tym przypadku zachować prostopadłość osi otworu do powierzchni dolnej. Pozostałe trzy stopnie swobody zostaną odebrane ze względu na wymiary e i m. W produkcji seryjnej, a szczególnie w produkcji wielkoseryjnej i masowej są stosowane także bazy sprzężone. Baza sprzężona jest powierzchnią odniesienia dla powierzchni obrabianych, przy czym powierzchnia ta jest również i równocześnie obrabiana. Wyjaśnia to rys. 2.7. 3 l1 l2 l3 B A Rysunek 2.7. Przykład bazy sprzężonej Powierzchnia B jest bazą sprzężoną dla dwóch powierzchni określonych wymiarami l2 i l3. Powierzchnia A jest bazą stykową, względem niej jest określone położenie powierzchni B. Bazy sprzężone ułatwiają osiągnięStrona 49 ROZDZIAŁ 2 cie oczekiwanej dokładności wymiarowej i powtarzalności wymiarów, wymagają jednak stosowania zespołu narzędzi lub narzędzi specjalnych. Dokonując wyboru powierzchni bazowych można kierować się następującymi wskazaniami: 1. Należy dążyć, aby baza obróbkowa pokrywała się z bazą konstrukcyjną. Taką bazę nazywa się bazą technologiczną właściwą. Jeżeli baza obróbkowa nie pokrywa się z bazą konstrukcyjną, to używa się określenia – baza technologiczna zastępcza. Jeżeli nie można uniknąć przyjęcia bazy zastępczej, to często należy liczyć się z koniecznością zwiększenie dokładności obróbki ponad wymagania określone przez konstruktora. 2. Możliwie wcześnie, najlepiej w pierwszej operacji obróbki zgrubnej, należy obrobić powierzchnię, która może być powierzchnią bazową w wielu dalszych operacjach. 3. Należy określić wszystkie wymagania stawiane powierzchni obrabianej i tak dobrać powierzchnie bazowe, aby w trakcie obróbki wymagania te zostały spełnione. Trzeba tu zaznaczyć, że wiele wymagań nie jest opisywanych na rysunku technicznym. Na przykład bardzo często nie są opisane wymagania, co do prostopadłości wierconych otworów względem powierzchni czołowych. 4. Mając do wyboru powierzchnię surową i powierzchnię obrobioną, jako powierzchnię bazową należy przyjąć powierzchnię obrobioną. 5. Jako powierzchnię bazową główną należy przyjmować powierzchnię możliwie dużą i możliwie najdalej rozstawiać punkty podparcia. W przypadku bazy kierunkowej także należy możliwie najdalej rozstawiać punkty podparcia. 6. Przy obróbce dokładnej różnych powierzchni powinno się stosować te same powierzchnie bazowe. 7. Przy doborze wstępnej powierzchni bazowej w przypadku odlewów lub odkuwek można kierować się następującymi zaleceniami: • Strona 50 Gdy nie wszystkie powierzchnie surówki wymagają obróbki, jako bazę wstępną poleca się przyjęcie powierzchni, która pozostanie nieobrobiona. METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO • Jako bazę wstępną należy przyjmować te powierzchnie, których usytuowanie jest najbardziej dokładne. • W przypadku odlewów wskazane jest przyjąć jako bazę powierzchnię formowaną w dolnej skrzynce. • Nie należy przyjmować jako powierzchnię bazową powierzchni, przez którą przechodzi płaszczyzna podziału formy lub matrycy. • Powierzchnia surowa powinna być wykorzystywana do bazowania tylko jeden raz. Prawidłowe ustalenie ma zasadniczy wpływ na dokładność usytuowania poszczególnych powierzchni przedmiotu obrabianego. Podczas obróbki ustalenie nie może zostać naruszone. Nienaruszalność ustalenia osiąga się poprzez zamocowanie przedmiotu obrabianego – poprzez przyłożenie sił mocujących do przedmiotu obrabianego. Niezależnie od tego ile stopni swobody zostało odebranych podczas ustalania, po zamocowaniu przedmiotu obrabianego, zostają mu odebrane wszystkie stopnie swobody. Ustalenie i zamocowanie nazywamy ustawieniem. Siły zamocowania powinny być na tyle duże, aby przedmiot obrabiany nie zmienił swego położenia pod wpływem sił skrawania. Zamocowanie jest koniecznością, lecz może prowadzić do odkształceń przedmiotu obrabianego lub nawet do uszkodzeń na powierzchni mocowania. Odpowiedni dobór kształtu elementów mocujących i miejsc przyłożenia nacisku powinien zmniejszać te zagrożenia. 2.5. Normowanie czasu Wyznaczenie czasu niezbędnego na wykonanie operacji służy do rozplanowania działań przedsiębiorstwa, obciążenia stanowisk pracy, jest także jednym z czynników decydujących o wynagrodzeniach pracowników realizujących proces technologiczny. Przeciętny czas trwania operacji T określany jest zależnością: T= T pz np +tj, gdzie: Tpz – czas przygotowawczo-zakończeniowy, Strona 51 ROZDZIAŁ 2 np – liczba sztuk w partii przedmiotów obrabianych, tj – czas jednostkowy. Czas przygotowawczo-zakończeniowy to czas niezbędny na wykonanie czynności przygotowujących do podjęcia obróbki partii przedmiotów obrabianych i do czynności związanych z zakończeniem tych prac. Będzie to w szczególności czas potrzebny na zapoznanie się z zadaniem, na uzbrojenie i ustawienie obrabiarki, wykonanie i sprawdzenie pierwszej sztuki. Liczba sztuk w partii przedmiotów obrabianych jest decyzją organizacyjną wynikającą z rozplanowania zadań produkcyjnych. Często realizacja obróbki całej serii dzielona jest na kilka, kilkanaście i więcej partii. Czas jednostkowy tj jest związany z wykonaniem danej operacji i jest sumą składników: tj = tg + tp + tu, gdzie: tg – czas główny, bezpośredniego oddziaływania na przedmiot obrabiany, tp – czas pomocniczy, tu – czas uzupełniający. Czas główny tg może być czasem maszynowym tm lub ręcznym tr lub sumą tych czasów. Najczęściej jest to czas maszynowy i jest obliczany. W przypadku operacji wielozabiegowej będzie sumą czasów głównych poszczególnych zabiegów: tg = tm = i1 • L1 i2 • L2 + + …, p m1 pm2 gdzie: i1, i2, ... – liczba przejść w zabiegu 1, w zabiegu 2, ... L1, L2, .. - długość drogi jaką wykonuje narzędzie z posuwem roboczym w kolejnych zabiegach, w mm, pm1, pm2 ..– posuw minutowy, w kolejnych zabiegach, w mm/min. Strona 52 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Długość drogi L jest nieco większa od długości powierzchni obrabianej l o długość drogi dobiegu narzędzia ld i drogi wybiegu narzędzia lw (L = ld + l + lw). Długość drobi dobiegu i wybiegu narzędzia zależy od geometrii narzędzia i głębokości skrawania oraz wymaga uwzględnienia, że posuw roboczy włączany jest odpowiednio przed wejściem narzędzia w materiał obrabiany i wyłączamy w odległości odpowiedniej po wyjściu narzędzia poza powierzchnię obrabianą, rys.2.8. lw ld l l ld b) lw a) Rysunek 2.8. Długość drogi L: a) przy planowaniu, b) przy wierceniu Czas pomocniczy tp jest sumą czasu trwania czynności pomocniczych niezbędnych do przeprowadzenia operacji. Jest to czas takich czynności jak: mocowanie i odmocowanie przedmiotu obrabianego w uchwycie obróbkowym, włączanie, wyłączanie i przełączanie ruchu głównego i posuwowego, zmiana narzędzi i innych czynności związanych z zabiegami. W zależności od wielkości produkcji stosuje się różne metody wyznaczania czasu pomocniczego. Najczęściej czas pomocniczy wyznacza się z odpowiednich normatywów czasu pomocniczego. Np. czas zamocowania i odmocowania przedmiotu obrabianego w uchwycie samocentrującym w zależności od masy przedmiotu (0,5 ÷ 30 kg) i stanu powierzchni ustalającej przyjmuje się w granicach 0,32 ÷ 3,30 min, a przy mocowaniu przedmiotu w uchwycie czteroszczękowym z niezależna regulacją szczęk czas ten może dochodzić do 10 min. [4] Suma czasu głównego i czasu pomocniczego nazywa się czasem wykonania, tw = tg + tp Czas uzupełniający tu jest to czas naliczany na operację, a wynika z konieczności wydzielenia pewnej części czasu trwania zmiany na czynności organizacyjno-techniczne, np. na oczyszczenie obrabiarki z wiórów i przesmarowanie prowadnic, orz na potrzeby fizjologiczne pracownika. W uproszczony sposób można go określić stosując normatyw wskaźniStrona 53 ROZDZIAŁ 2 kowy czasu uzupełniającego ku. Wtedy czas uzupełniający wyznaczany jest jako pewien procent czasu wykonania tw, tu = ku • t w . Przykład. Należy określić składniki normy czasu operacji tokarskiej. Na karcie instrukcyjnej zawarty jest rysunek przedmiotu obrabianego oraz informacje o przyjętych parametrach skrawania, zamieszczono je poniżej. φ100h11 φ26 3 1 x 45ο 80−0,2 150 Rysunek 2.9. Rysunek przedmiotu obrabianego do przykładu o normowaniu czasu pracy Strona 54 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Informacje o operacji Nr zabiegu 1 2 3 4 5 Opis zabiegu Planować zgrubnie pow. czołową na wymiar 81 mm Planować pow. czołową na wymiar 80 mm Toczyć zgrubnie na φ 102 mm Toczyć na φ100h11 zachowując wym. 80-0,2 Fazować 1x 45o i 1 1 1 L mm D mm n obr/min v m/min po mm/obr g mm 42 110 355 123 0,4 3 NNZc 40 110 630 218 0,25 1 NNZc 85 110 315 109 0,35 4 NNBe 81 102 710 227 0,25 1 NNBe 1 100 710 223 ręczny - NNZc Narzędzie 1 1 Wyznaczenie czasu głównego i czasu pomocniczego operacji ( w min.) Nr zabiegu 1 2 3 4 5 Suma Czas główny tm tr Czas pomocniczy Suma Mocowanie . Zmiana Zmiana Zmiana Związany i odmocow. narzędzia posuwu obrotów z przedmiotu zabiegiem 0,30 0,06 0,06 0,16 0,25 0,06 0,06 0,16 0,77 0,08 0,06 0,06 0,16 0,46 0,06 0,06 0,54 - 0,30 0,08 0,02 0,32 1,78 0,30 0,32 0,16 0,24 0,24 1,04 0,58 0,53 1,13 1,12 0,40 0,32 4,08 Strona 55 ROZDZIAŁ 2 Zestawienie składników normy czasu Czas przygotowawczo-zakończeniowy Zapoznanie się z 5 zadaniem Przygotowanie obrabiarki 15 Kontrola pierwszej sztuki 3 Inne czynności 10 Czas przygotowawczo – zakończeniowy Tpz 33 Czas jednostkowy tj Czas główny tg 2,08 Czas pomocniczy tp Czas wykonania Normatyw czasu uzupełniającego ku= 0,20 Czas uzupełniający tu Czas jednostkowy tj 2,00 4,08 0,82 4,90 2.6. Technologia obróbki zewnętrznych powierzchni walcowych Obróbkę zewnętrznych powierzchni walcowych, w szczególności różnego rodzaju wałków, przeprowadza się poprzez toczenie, szlifowanie i sporadycznie poprzez obróbkę powierzchniową zgniotem. Podstawowymi obrabiarkami stosowanymi do obróbki zewnętrznych powierzchni walcowych są tokarki, i szlifierki kłowe i bezkłowe. Liczba operacji, ich rodzaj, zastosowane obrabiarki i narzędzia zależą od wymagań stawianych powierzchniom i wielkości produkcji. Przy wymaganej niewielkiej dokładności, klasy 12 – 11, obróbka powierzchni walcowej może być ograniczona do operacji obróbki zgrubnej. Przy dokładności 5 – 4 klasy obróbka będzie wymagać 4 operacji: toczenia zgrubnego, toczenia dokładnego, szlifowania i ewentualnie docierania. Strona 56 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO a) b) Rysunek 2.10. Wykonanie nakiełków na frezarko-nakiełczarce: a) frezowanie powierzchni czołowych, b) nawiercanie nakiełków [7] Obróbka wałków najczęściej zaczyna się od operacji wstępnej wykonania nakiełków. Wykonuje się je na tokarce lub wiertarce po uprzednim trasowaniu ich położenia. W produkcji seryjnej, bez trasowania, nakiełki wykonuje się na frezarko-nakiełczrce, rys.2.10. Przed kolejnymi stopniami obróbki nakiełki powinny być poprawiane. Nakiełki służą do ustalania położenia wałka na obrabiarce. Toczenie zewnętrznych powierzchni walcowych Do prac tokarskich przeznaczone są różnego rodzaju tokarki. Można na nich toczyć zgrubnie i dokładnie. Na niektórych tokarkach można toczyć gładkościowo. Przedmioty typu wałek ustalane są w kłach. Jeden z kłów jest osadzony we wrzecionie (kieł stały) drugi w koniku (kieł obrotowy lub stały). Ruch obrotowy wrzeciona przenoszony jest na obrabiany przedmiot przy pomocy różnego rodzaju zabieraków, rys. 2.11, 2,12 i 2.13. Do najczęściej stosowanych uchwytów tokarskich należą uchwyty samocentrujące, rys. 2.14, jest to podstawowy sposób ustalania i mocowania przedmiotów dość krótkich. Strona 57 ROZDZIAŁ 2 Rysunek 2.11. Zabierak chomontkowy: a) rysunek poglądowy: 1 – tarcza zabierakowa, 2 – palec zabieraka, 3 – sercówka; b) oznaczenie symbolami [7] Rysunek 2.12. Zabierak czołowy: a) rysunek poglądowy, b) symbol [7] Rysunek 2.13. Zabierak kłowy: a) rysunek poglądowy, b) symbol [1] Strona 58 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Rysunek 2.14. Mocowanie w uchwycie samocentrującym: a) schemat uchwytu, b) symbol uchwytu trójszczękowego samocentrującego obsługiwanego ręcznie, b) pneumatycznego, c) z przetaczanymi szczękami [7] Przedmioty posiadające dokładnie obrobiony otwór można ustalać i mocować stosując trzpienie stałe lub rozprężne. Przy ustalaniu przedmiotów na powierzchniach czworościanu trzeba stosować uchwyt cztero szczękowy z niezależną regulacją położenia każdej szczeki. W przypadku, gdy ze względu na kształt przedmiotu obrabianego, żaden z typowych sposobów ustalania nie może być zastosowany, wtedy należy wykonać uchwyt specjalny. Tokarki dobiera się w zależności od kształtu i wymiarów przedmiotów obrabianych oraz w zależności od wielkości produkcji. W produkcji jednostkowej niezastąpione są tokarki uniwersalne. Można na nich toczyć wałki w kłach i przedmioty krótkie ustalane i mocowane w uchwytach samocentrujących. Poza toczeniem powierzchni walcowych i stożkowych, zewnętrznych i wewnętrznych można dokładnie toczyć nożem gwinty dzięki śrubie pociągowej i rozbudowanej skrzynce posuwów. W produkcji mało i średnio seryjnej szerokie zastosowanie znajdują tokarki kłowe produkcyjne. Zwiększona moc silnika i znaczne prędkości obrotowe pozwalają osiągnąć dużą wydajność obróbki. Zastosowanie urządzeń wspomagających pracę robotnika, np. pneumatyczne uchwyty samocentrujące pozwalają zmniejszyć wysiłek robotnika i skrócić czasy pomocnicze. W produkcji mało i średnio seryjnej do toczenia z pręta lub przedmiotów typu tarcza, tuleja lub krótkich wałków, wymagających obróbki wielu powierzchni, stosowane są tokarki rewolwerowe. Narzędzia są mocowane w uchwytach związanych z suportem poprzecznym oraz w speStrona 59 ROZDZIAŁ 2 cjalnych oprawkach w głowicy rewolwerowej, pozwalającej na szybkie wprowadzanie do pracy kolejnego zestawu narzędzi. NNCa 1212-S10 3 4 Suport poprzeczny Głowica rewolwerowa Rysunek 2.15. Uzupełniająca instrukcja technologiczna opisująca operację tokarską na tokarce rewolwerowej [7] Głowica rewolwerowa realizuje posuw wzdłużny, toteż powinna być przede wszystkim wykorzystywana do toczenia lub wytaczania wzdłużnego, ale także do wiercenia i rozwiercania. Do toczenia poprzecznego powinien być wykorzystywany suport poprzeczny. Powierzchnie, których dokładność nie przekracza 8 klasy można wykonać na gotowo tocząc zgrubnie a następnie dokładnie. Na rys. 2.15 podano przykład rysunku w uzupełniającej instrukcji technologicznej, obrazujący organizację obróbki na tokarce rewolwerowej Strona 60 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Do toczenia wielostopniowych wałków w produkcji seryjnej stosowane są tokarki wielonożowe. Operacja toczenia składa się z zabiegów złożonych, polegających na jednoczesnym skrawaniu wielu powierzchni wieloma nożami. Przy toczeniu wałków bardzo szeroki zakres zastosowania, od produkcji małoseryjnej, aż do masowej, mają tokarki kopiarki. Są wyposażone w jeden lub dwa suporty do toczenia wzdłużnego i suport do toczenia poprzecznego. Wałki, których dokładność nie przekracza 8 klasy dokładności, można na tych tokarkach przetoczyć na gotowo w dwóch operacjach. W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosuje się różnego rodzaju automaty i półautomaty tokarskie. Szlifowanie zewnętrznych powierzchni walcowych Szlifowanie stosuje się do dokładnej obróbki, gdy wymagana jest dokładność 8 – 5 klasy i chropowatość Ra = 2,5 – 0,63 µm. Obróbką poprzedzającą jest toczenie z dokładnością odpowiadającą 11 lub 10 klasie dokładności, rys. 2.16. Naddatki na szlifowanie najczęściej kształtują się w granicach kilku dziesiątych milimetra. Rysunek 2.16. Szlifowanie kłowe: a) z posuwem wzdłużnym, b) z posuwem wzdłużnym przy dużej głębokości skrawania [7] W zależności od sposobu ustalania i mocowania przedmiotu obrabianego wyróżnia się szlifowanie w kłach, w uchwytach i bezkłowe. W zależności od kierunku posuwu i kierunku wcinania się tarczy ściernej rozróżniamy szlifowanie z posuwem wzdłużnym i z poprzecznym. Strona 61 ROZDZIAŁ 2 Obróbka wykańczająca zewnętrznych powierzchni walcowych W przypadku szczególnie wysokich wymagań w zakresie dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni lub przy szczególnych wymaganiach, co do stanu warstwy wierzchniej, stosowane są następujące sposoby obróbki: • Toczenie gładkościowe (diamentowanie). Osiąga się 7 – 6 klasę dokładności i chropowatość Ra = 0,63 – 0,04 µm. • Szlifowanie gładkościowe. Osiąga się 6 – 5 klasę dokładności i chropowatość Ra = 0,32 – 0,04 µm. • Dogładzanie oscylacyjne (superfinish). Osiąga się 6 – 5 klasę dokładności i chropowatość Ra = 0,04 – 0,01 µm. • Polerowanie ścierne. Osiąga się chropowatość Ra = 0,63 – 0,01 µm. Polerowanie może spowodować obniżenie dokładności wymiarowej. Pogłębia też niekorzystny stan naprężeń w warstwie wierzchniej. • Obróbka powierzchniowa zgniotem, np. poprzez krążkowanie lub kulkowanie. Osiąga się 8 – 5 klasę dokładności i chropowatość Ra = 0,32 – 0,16 µm. Głównym powodem stosowania tej obróbki jest korzystne ukształtowanie stanu warstwy wierzchniej, poprzez wzrost umocnienia i wprowadzenie naprężeń ściskających. Przykład procesu technologicznego obróbki wałka w produkcji średnioseryjnej Surówką jest odkuwka kuta matrycowo. 0,63 φ... k6 φ... h8 φ... k6 0,63 Wielowypust R a=0,63 Pozostałe powierzchnie R a = 2,5 Rysunek wykonawczy przedmiotu obrabianego Strona 62 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Wykaz operacji Nr operacji i opis operacji 10. Frezować czoła i nawiercać nakiełki Frezarko-nakiełczarka 20 Toczenie I wg instrukcji 1. Toczyć zgrubnie powierzchnie walcowe 2. Toczyć wykańczająco powierzchnie walcowe z pozostawieniem naddatków na szlifowanie czopa i powierzchni zewnętrznej wielowypustu 3. Planować powierzchnie czołowe 4. Toczyć podcięcia i fazować Tokarka wielonożowa Klasa dokładności: 8 Chropowatość Ra=2,5 30 Toczenie II wg instrukcji 5. Toczyć zgrubnie powierzchnie walcowe 6. Toczyć wykańczająco powierzchnie walcowe z pozostawieniem naddatku na szlifowanie czopa 7. Planować powierzchnie czołowe 8. Toczyć podcięcia i fazować Tokarka wielonożowa Klasa dokładności: 8 Chropowatość Ra=2,5 40 Kontrola jakości Strona 63 ROZDZIAŁ 2 50 Frezować wielowypust Frezarka wielowypustów do Klasa dokładności: 8 Chropowatość Ra=2,5 60 Toczyć gwint Tokarka uniwersalna 70 Stępić ostre krawędzie 80 Kontrola jakości 90 Hartować powierzchniowo czopy Stanowisko ślusarskie Hartownia 100 Kontrola jakości 110 Szlifować powierzchnie walcowe czopów powierzchnię zewnętrzną wielowypustu i Szlifierka kłowa Klasa dokładności: 6 Chropowatość Ra=0,63 120 Szlifować wielowypust Szlifierka do wielowypustów Klasa dokładności: 6 Strona 64 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Chropowatość Ra=0,63 130 Końcowa kontrola jakości 2.7. Technologia obróbki otworów Do wykonywania otworów stosuje się następujące sposoby obróbki: nawiercanie, wiercenie i powiercanie, pogłębianie, rozwiercanie, roztaczanie i wytaczanie, przeciąganie, szlifowanie, obróbkę powierzchniową zgniotem. Podstawowym narzędziem do wykonywania otworów w pełnym materiale są wiertła. W przypadku otworów odlanych lub odkutych nie powinno się zaczynać obróbki skrawaniem od wiercenia. Możliwość występowania w odlewach i odkuwkach nierównomiernego naddatku na obróbkę i nierównomiernej twardości warstwy skrawanej powoduje nierównomierne obciążenie krawędzi skrawających, co przy niewielkim przekroju rdzenia wiertła może prowadzić do odchylenia osi wiercenia, a nawet do złamania wiertła. Obróbkę otworów odlanych lub odkutych należy więc zaczynać stosując inne sposoby obróbki, np. roztaczanie. Nawiercanie, wiercenie i powiercanie, pogłębianie, rozwiercanie Nawiercanie poprzedza wiercenie typowym wiertłem krętym i polega na zapoczątkowaniu wiercenia specjalnym wiertłem o kącie wierzchołkowym 90-100o mniejszym od kąta wierzchołkowego typowych wierteł krętych. Unika się w ten sposób bardzo niekorzystnej sytuacji wiertła krętego w fazie początkowej rozpoczynania skrawania. Bez wstępnego nawiercenia wiertło kręte rozpoczyna skrawanie atakując powierzchnię obrabianą ścinem. W tej fazie łatwo może dojść do nierównomiernego Strona 65 ROZDZIAŁ 2 obciążenia wiertła siłą prostopadłą do osi wiertła, co przy smukłym rdzeniu wiertła, podobnie jak przy wierceniu powierzchni odlanych lub odkutych, prowadzi do odchylenia osi wiercenia, a nawet do złamania wiertła. Powierzchnie surówek o znacznej nierówności i o nierównomiernym rozkładzie twardości pogłębiają takie zagrożenie, toteż, jeżeli jest to możliwe, to obróbkę tych powierzchni należy usytuować przed operacją wiercenia. W przypadku stosowania tulejek wiertarskich nawiercanie można pominąć, gdyż odchyleniu wiertła będzie zapobiegać tulejka wiertarska. Wierceniem nazywamy wykonywanie otworu wiertłem w pełnym materiale. Powiększanie średnicy uprzednio wywierconego otworu nazywamy powiercaniem. Najbardziej popularnymi narzędziami do wiercenia niezbyt długich otworów (najlepiej o długości ≤ 3d) są wiertła kręte. Do wiercenia otworów długich, o średnicy do 60 mm stosuje się wiertła lufowe i działowe, a w przypadku większych średnic wiertła rurowe. Dokładność otworów wierconych odpowiada 12 klasie dokładności. Stosując tulejki wiertarskie można osiągnąć 11 klasę dokładności. Rysunek 2.17. Zabiegi wiertarskie: a) wiercenie, b) powiercanie, c) rozwiercanie zgrubne, d) rozwiercanie wykańczające, e) pogłębianie otworu pod płaski łeb śruby, f) pogłębianie otworu pod stożkowy łeb śruby, g) obróbka powierzchni czołowej nadlewka pogłębiaczem nożowym [7] Strona 66 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Do wykonywania powierzchni obrotowych o różnych kształtach stosuje się narzędzia wieloostrzowe zwane pogłębiaczami. Na rys. 2.17 podano typowe przykłady zastosowania wierteł, rozwiertaków i pogłębiaczy. Gdy wymagana jest dokładność 9 – 7 klasy dokładności można stosować rozwiertaki. Rozwiercanie poprzedzone jest wierceniem z pozostawieniem odpowiedniego niewielkiego naddatku na dalszą obróbkę. Osiągnięcie 7 klasy dokładności wymaga zastosowania dwóch rozwiertaków. Najpierw otwór rozwiercamy rozwiertakiem zgrubnym (dokładność do 9 klasy), a następnie rozwiertakiem wykańczakiem. Chropowatość Ra otworów rozwiercanych wynosi 2,5 – 0,16 µm. Roztaczanie i wytaczanie Roztaczanie i wytaczanie polega na powiększaniu nożem tokarskim lub wytaczadłem średnicy uprzednio wykonanego otworu, np. otworu odlanego lub wierconego. Roztaczaniem nazywamy powiększanie średnicy otworu, gdy przedmiot obrabiany wykonuje ruch obrotowy. Taką sytuację mamy w przypadku powiększaniu otworu na tokarce. Gdy ruch obrotowy wykonuje narzędzie mówimy o wytaczaniu, rys. 2.18. a) b) Rysunek 2.18. Odmiany wytaczania otworów: a) bez podparcia, b) z podparciem. Wytaczanie znajduje szerokie zastosowanie przy dokładnej obróbce otworów w różnego rodzaju korpusach. Wytaczanie pozwala uzyskać 7 a nawet 6 i wyższą klasę dokładności. Przeciąganie i przepychanie Przeciąganie stosowane jest najczęściej do dokładnej obróbki otworów kształtowych. Przy produkcji wielkoseryjnej i masowej stosowanie przeciągaczy może być opłacalne także do wykańczającej obróbki otworów Strona 67 ROZDZIAŁ 2 walcowych. Przeciągacze są narzędziami drogimi, gdyż wykonywane są do konkretnego zadania i z drogiej stali szybkotnącej. Przeciąganie pozwala uzyskać 6 ÷ 8 klasę dokładności i niewielką chropowatość, nawet Ra = 0,16 µm. Otwory pod przeciąganie są wstępnie obrabiane. Na przeciąganie pozostawia się naddatek od 0,3 do 1 mm na średnicy dla otworów o wymiarach w granicach 10 ÷ 50 mm. Przy otworach krótkich, gdy stosunek długości otworu do średnicy jest mniejsza niż 1,5, można stosować przepychacze. Przeciąganie jest obróbką wysoko wydajną. Szlifowanie otworów Szlifowanie umożliwia uzyskanie wysokiej dokładność (5 klasę dokładności wg ISO) oraz chropowatość Ra = 0,32 ÷ 0,16 µm. Szlifowanie stosuje się głownie do wykańczającej obróbki otworów w materiałach twardych, powyżej 32 HRC, a w szczególności po hartowaniu. Może być także stosowane do materiałów miękkich. Wykańczająca obróbka otworów Wymienić tu trzeba dwie grupy metod obróbki: ścierną i powierzchniową zgniotem. Metody ścierne, takie jak gładzenie (honowanie) i dogładzanie (superfinish) pozwalają uzyskać bardzo dużą dokładność wymiarową i kształtową i wysoką gładkość powierzchni. Narzędziem przy gładzeniu jest głowica wyposażona w osełki z materiału ściernego, dociskane do powierzchni obrabianej. Głowica wykonuje ruch obrotowy i posuwisto-zwrotny, rys. 2.19a. (Ruch posuwisto-zwrotny może wykonywać przedmiot obrabiany.) Uzyskuje się 6 ÷ 5 klasę dokładności i chropowatość do Ra = 0,04 µm. Honowanie znajduje duże zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym do wykańczającej obróbki cylindrów silników i otworów w korbowodach. Jeszcze wyższe gładkości powierzchni osiąga się po dogładzaniu, Ra = 0,04 ÷ 0,01µm. Jest to metoda, którą należy zliczyć do metod bardzo dokładnej obróbki, lecz trzeba tu zaznaczyć, że w istocie o osiągniętej dokładności decyduje obróbka poprzedzająca, gdyż warstwa zdejmowana podczas dogładzania wynosi kilka mikronów, a więc w granicach chropowatości pozostałej po poprzedniej obróbce. Strona 68 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO a) b) Rysunek 2.19. Szkic poglądowy obróbek wykańczających otworów: a) honowania, b) przetłaczania kulką Obróbkę powierzchniową zgniotem w przypadku otworów przeprowadza się stosując nagniatanie toczne lub przetłaczanie ślizgowe, rysunek 2.19b. Głównym celem obróbki jest osiągnięcie korzystnego stanu warstwy wierzchniej i wysokiej gładkości. Przy nagniataniu tocznym powierzchni stalowych osiąga się chropowatość do Ra = 0,63 µm, a przy przetłaczaniu ślizgowym do Ra = 0,32 µm. 2.8. Technologia obróbki powierzchni płaskich Do obróbki powierzchni płaskich stosuje się: • struganie i dłutowanie, • frezowanie, • przeciąganie, • planowanie powierzchni czołowych na tokarkach, wiertarkach, wytaczarkach i szlifierkach, • szlifowanie, • różne sposoby obróbki powierzchniowej. Strona 69 ROZDZIAŁ 2 Struganie i dłutowanie Struganie i dłutowanie jest obecnie sporadycznie stosowane. Zastosowanie strugania jest opłacalne w przypadku obróbki długich i wąskich powierzchni, np. prowadnic różnego rodzaju urządzeń. Przy stosowaniu sztywnych strugarek wzdłużnych można osiągnąć wysoką dokładność kształtową (prostoliniowość). W produkcji jednostkowej dłutowanie jest nie do zastąpienia w przypadku wykonywania kanałów wpustowych. Frezowanie Frezowanie jest podstawowym sposobem obróbki powierzchni płaskich, poczynając od produkcji jednostkowej, aż po produkcję masową. Największa wydajność osiąga się stosując frezowanie czołowe głowicami frezowymi o ostrzach z węglików spiekanych. Frezowanie czołowe pozwala także uzyskać, w porównaniu z frezowaniem obwodowym, mniejszą chropowatość powierzchni. Dłuższa jest natomiast długość drogi dobiegu i wybiegu narzędzia, rys. 2. 20. Długość drogi L można określić z następujących wzorów: - przy frezowaniu obwodowym: L = ld + l + lw , ld = g (D − g ) , l w = (0,03 ÷ 0,05) D , gdzie: D – średnica freza walcowego, g – głębokość frezowania Strona 70 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO b) lw g g a) ld l B L lw ld l L Rysunek 2. 20. Długość drogi L przy frezowaniu: a) obwodowym, b) czołowym = przy frezowaniu czołowym (planowaniu): ld ≈ 0 , lw = ( ) 1 D − D2 − B2 , 2 gdzie: D – średnica freza czołowego B – szerokość frezowania. W zależności od wymaganej dokładności i chropowatości, wielkości naddatków, wielkości produkcji i obrabiarek znajdujących się w dyspozycji, obróbkę powierzchni przeprowadza się w jednej lub dwóch operacjach. Przy dokładności poniżej 9 klasy, frezowanie, w zależności od wielkości naddatku, przeprowadza się w jednym lub dwóch przejściach. Przy dokładności 9 ÷ 8 klasy, w produkcji jednostkowej należy zastosować dwa zabiegi: frezowanie zgrubne i frezowanie wykańczające. W produkcji seryjnej, przy zastosowaniu konwencjonalnych obrabiarek, ze względu na ustawianie freza na wymiar obróbkowy, należy frezowaStrona 71 ROZDZIAŁ 2 nie przeprowadzić w dwóch operacjach. Jeżeli do frezowania zostanie zastosowana współczesna obrabiarka sterowana numerycznie, z szybkim i dokładnym ustawianiem wymiaru obróbkowego, wtedy także frezowanie można przeprowadzić w jednej dwuzabiegowej operacji. W wielu przypadkach można jednocześnie frezować wiele powierzchni. Przy frezowaniu obwodowym frezami walcowymi lub tarczowymi jednoczesną obróbkę można przeprowadzić przy każdej wielkości produkcji, a więc także w produkcji jednostkowej, oczywiście pod warunkiem, że zakład posiada frezarkę z poziomą osią wrzeciona. Przy jednoczesnym frezowaniu wielu powierzchni frezami czołowymi obrabiarka musi posiadać odpowiednią liczbę wrzecion. Wymaga to zastosowania frezarki specjalnej lub obrabiarki zespołowej. Wymaga to odpowiedniej inwestycji, co może być opłacalne dopiero w produkcji wielkoseryjnej lub masowej. Przykłady jednoczesnej obróbki wielu powierzchni przedstawiono na rys. 2.21. Szersze omówienie sposobów organizacji frezowania jest zamieszczone w pracy [7]. Rysunek 2.21. Jednoczesne frezowanie wielu powierzchni: a) zespołem frezów na frezarce jednowrzecionowej, b) na frezarce wielowrzecionowej [7] Przeciąganie powierzchni zewnętrznych Jest to bardzo wydajny sposób obróbki, pozwalający uzyskać wysoka dokładność (5 ÷ 6 klasa dokładności) i niewielką chropowatość powierzchni, Ra = 0,32 ÷ 0,16 µm. Istota przeciągania powierzchni zewnętrznych jest przedstawiona na rys. 2.22. Strona 72 Zęby kalibrujące Zęby skrawające Przeciągacz METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Przedmiot obrabiany Rysunek 2.22. Schemat przeciągania powierzchni zewnętrznych Przy obróbce powierzchni wewnętrznych przeciąganie jest poprzedzone innym sposobem obróbki, na przykład roztaczaniem. Przy przeciąganiu powierzchni zewnętrznych możliwa jest obróbka powierzchni surowych. Naddatek może dochodzić do 6 mm przy przeciąganiu powierzchni surowych, a przy powierzchniach wstępnie obrobionych, np. frezowaniem, przyjmuje się go w granicach 1 mm. Długość powierzchni przeciąganych nie może być zbyt duża. To ograniczenie wynika z długości skoku suwaka roboczego przeciągarki. Ze względu na koszt przeciągarki i koszt przeciągacza opłacalność tego sposobu obróbki można osiągnąć w produkcji, co najmniej, seryjnej. Obróbka powierzchni czołowych na tokarkach Obróbkę powierzchni czołowych na tokarkach, tzw. planowanie, przeprowadza się najczęściej z posuwem poprzecznym. Niewielkie powierzchnie czołowe można toczyć z posuwem wzdłużnym. Przykłady obróbki powierzchni czołowych na tokarkach zamieszczono na rys. 2.23. Strona 73 ROZDZIAŁ 2 a) b) c) Rysunek 2.23. Toczenie powierzchni czołowych: a) z posuwem poprzecznym, b) z posuwem wzdłużnym, c) równoczesne planowanie dwóch powierzchni Obróbka powierzchni pogłębiaczami Pogłębiaczami obrabia się najczęściej niewielkie powierzchnie płaskie lub stożkowe. Typowym przykładem takiej powierzchni jest niewielka powierzchnia płaska nadlewka wokół otworu, stykająca się z łbem śruby lub nakrętki. Zachowanie prostopadłości tej powierzchni do osi otworu zapobiega obciążeniu śruby nierównomiernym rozkładem naprężeń. Pogłębianie można prowadzić na wiertarkach, tokarkach i wytaczarkach. Na rys. 2.24a przedstawiono obróbkę powierzchni czołowej na wiertarce. Narzędziem jest pogłębiacz czołowy wyposażony w pilota prowadzącego. Pogłębiacze czołowe są narzędziami specjalnymi. Na kolejnym rysunku 2.24b pokazano wykonywanie powierzchni stożkowej pogłębiaczem stożkowym. Tak np. wykonuje się pogłębienia pod stożkowe łby wkrętów. Innym przykładem niewielkich powierzchni stożkowych obrabianych pogłębiaczami są wymiarowane fazy. a) b) c) Rysunek 2.24. Przykłady pogłębiania: a) planowanie powierzchni nadlewka, b) pogłębianie stożkowe, c) równoczesne wiercenie i pogłębianie dwóch otworów na obrabiarce zespołowej Strona 74 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Na rys. 2.24c podano przykład powiązania wiercenia otworu z planowaniem powierzchni czołowej. Takie rozwiązania są często stosowane w produkcji wielkoseryjnej. Szlifowanie powierzchni płaskich Szlifowanie stosowane jest do dokładnej obróbki powierzchni, od których wymagana jest 7 ÷ 5 klasa dokładności i chropowatość poniżej Ra=2,5 µm, a w szczególności do obróbki powierzchni utwardzonych, po hartowaniu. Różne sposoby szlifowania przedstawiono na rys. 2.25. Obróbką poprzedzająca jest najczęściej frezowanie lub przeciąganie. Na szlifowanie pozostawia się niewielki naddatek, około kilku dziesiątych mm. Powierzchnie nie obrabiane cieplnie przeważnie szlifuje się w jednej operacji. Przy powierzchniach utwardzonych i przy górnych wymaganiach w zakresie dokładności i chropowatości, szlifowanie rozbija się na szlifowanie zgrubne i wykańczające. Może to być jedna dwuzabiegowa operacja lub dwie oddzielne operacje. Przedmiot obrabiany mocowany jest w na stole magnetycznym lub w uchwycie mechanicznym, specjalnym – przy produkcji seryjnej lub większej. Szlifowanie stosowane jest także do obróbki zgrubnej powierzchni surowych, lecz wymaga to dokładnych surówek, z naddatkami poniżej 1 mm. a) c) b) Rysunek 2.25. Sposoby szlifowania płaszczyzn: a) szlifowanie obwodowe ściernicą płaską wąską, b) szlifowanie obwodowe ściernicą szeroką, c) szlifowanie czołowe ściernicą garnkową Strona 75 ROZDZIAŁ 2 Obróbka wykańczająca (powierzchniowa) powierzchni płaskich W celu nadania powierzchni wysokiej gładkości, szczególnych właściwości warstwy wierzchniej lub innych szczególnych cech stosuje się różne sposoby obróbki wykańczającej, a mianowicie: Strona 76 • Skrobanie płaszczyzn - głównym celem jest osiągnięcie wysokiej dokładności kształtowej – płaskości. • Frezowanie gładkościowe – pozwala uzyskać chropowatość Ra=0,63 ÷ 0,32 µm i dokładność 7 ÷ 6 klasy dokładności. • Śrutowanie strumieniowe – powoduje umocnienie warstwy wierzchniej i usunięcie wad powierzchniowych, co powoduje zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej. • Bębnowanie – stosowane do małych przedmiotów, podwyższa gładkość powierzchni do Ra = 0,63 ÷ 0,04 µm. • Obróbka powierzchniowa zgniotem, polega na nagniataniu powierzchni głowicą kulkową. Podobnie jak w przypadku śrutowania strumieniowego prowadzi do umocnienia warstwy wierzchniej. O ile w przypadku śrutowania trudno mówić o wysokiej gładkości, to nagniatanie głowicą kulkową może podwyższyć gładkość powierzchni do Ra=0,32÷0,16 µm. • Docieranie – najczęściej celem tej obróbki jest dopasowanie dwóch powierzchni do siebie w celu uzyskania wysokiej szczelności, np. docieranie zaworów silnika do gniazd zaworów. Niejako przy okazji obróbka ta prowadzi do nadania powierzchni bardzo wysokiej gładkości, Ra=0,08 ÷ 0,01 µm, a także wysokiej dokładności wymiarowej. • Polerowanie – nadaje powierzchni wysoką gładkość, Ra=0,63 ÷ 0,02 µm i połysk. Polerowanie ma niekorzystny wpływ na stan warstwy wierzchniej i może pogorszyć dokładność kształtową. METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Przykład procesu technologicznego obróbki przedmiotu typu korpus Należy wykonać 1000 sztuk przedmiotów określonych na rysunku konstrukcyjnym (poniżej). φ 40H7 83-0,4 56-0,2 38 32 26 10 96-0,4 10 2,5 2,5 φ 78h7 φ 64 2,5 104 65 12 φ10 175 206 Surówką jest odlew z żeliwa szarego (200 HB) odlewany do form piaskowych. Naddatki na obróbkę przyjęto o wartości 3 mm. Obróbka będzie realizowana w 10 partiach po 100 sztuk. Pierwszą operacją będzie frezowanie powierzchni podstawy korpusu. Ze względu na wymaganą gładkość powierzchni tej nie można obrobić w jednym przejściu. Naddatek zostaje podzielony następująco: frezowanie zgrubne – 2 mm, frezowanie wykańczające 1 mm. Trzeba rozstrzygnąć zagadnienie. Czy powierzchnię tę obrabiać w jednej operacji w dwóch zabiegach, czy Strona 77 ROZDZIAŁ 2 w dwóch jednozabiegowych operacjach? W pierwszym przypadku mamy spełnioną zasadę, że powierzchnię surową tylko raz powinno się wykorzystywać do ustalania, lecz taka decyzja oznacza wydłużenie czasu operacji, gdyż dwukrotnie w każdej operacji trzeba ustawiać obrabiarkę, raz na wymiar 27 mm, a następnie na wymiar końcowy 26 mm. Jeżeli wymiar obróbkowy jest ustalany na ustawiaku, to należałoby skłonić się do drugiego rozwiązania. Miałoby to jeszcze dodatkową zaletę. Można by zastosować do frezowania wykańczającego frez o większej średnicy, co zapewniłoby większą stabilność pracy freza. Tu przyjęto pierwsze rozwiązanie. Strona 78 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Operacja 10. Frezowanie podstawy korpusu Lp Nazwa zabiegu 1. Frezować zgrubnie na wymiar 27 mm Frezować wykańczająco na wymiar 26 mm B mm L mm i v m/min n obr/min pt mm/min g mm 125 104 234 1 100 250 150 2 125 104 234 1 100 250 100 1 2,5 26 2. D mm Powierzchnia podstawy będzie planowana frezem czołowym typu B z sześcioma płytkami wieloostrzowymi (wg PN-ISO 6462 : 1996), o średnicy 125 mm. Przy frezowaniu zgrubnym przyjęto posuw pz=0,1 mm/ząb, a przy frezowaniu wykańczającym na Rz = 2,5 µm przyjęto posuw po = 0,4 mm/obr. Strona 79 ROZDZIAŁ 2 Operacja 20. Frezowanie półek na wymiar 32 mm L Nazwa zabiegu p 1. Frezować „na gotowo” półkę I na wymiar 32 mm 2. Frezować „na gotowo” półkę II na wymiar 32 mm B mm L mm i v m/min n obr/min pt mm/min g mm 125 24 129 1 100 250 250 3 125 24 129 1 100 250 250 3 10 32 10 D mm Wymagania stawiane powierzchni półki są na granicy frezowania wykańczającego. Można więc było, tak jak poprzednio, obróbkę każdej półki rozbić na dwa zabiegi. Proponuje się jednak obróbkę każdej półki przeprowadzić w jednym przejściu. Zastosowano frez trzpieniowy walcowo-czołowy z sześcioma płytkami wymiennymi o średnicy 50 mm. Przyjęto posuw po = 1 mm/obr. Założono, że przedmiot będzie ustalany i mocowany w specjalnym uchwycie podziałowym pozwalającym na szybkie wprowadzenie drugiej półki do obróbki. Strona 80 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Operacja 30. Wiercenie 4 otworów Nazwa zabiegu 1. Wiercić dwa otwory φ 10 Wiercić dwa otwory φ 9 Rozwiercać zgrubnie na φ 9,8 Rozwiercać wykańczająco dwa otwory na φ 10 H7 i v m/min n obr/min po mm/obr g mm 10 36 1 19,8 630 0,40 5 9 35 1 20,1 710 0,40 4,5 9,8 35 1 11 355 0,60 0,4 10 42 1 11 355 1,30 0,1 Dwa otwory φ 10 19,5 4 L mm 65 2. 3 D mm 32 Lp 15,5 175 Dwa otwory φ 10 H7 Konstruktor korpusu nie wymaga podwyższonej dokładności wykonania otworów. Jednak ze względu na ustalanie przedmiotu obrabianego w kolejnych operacjach dwa otwory zostaną rozwiercone na wymiar φ10H7. Pozwoli to na zastosowanie ustalania na dwóch kołkach, pełnym i ściętym. Strona 81 ROZDZIAŁ 2 Operacja 40. Toczenie i roztaczanie L i v mm m/min 32,0 1 187 58,0 1 74 n obr/min 710 280 po mm/obr 0,1 0,4 g mm 3 4,2 39,0 1 78 355 0,4 3 57,0 1 87 355 0,3 0,15 0,10 0,05 0,05 57,0 1 87 355 0,2 1,5 87 355 0,2 38 2,5 φ 64 2,5 φ 78h7 1-45o 1 φ 40H7 L Nazwa zabiegu D p mm 1. Planować na wymiar 96-0,4 84 2. Toczyć zgrubnie: 78,40 φ 78,40 70 φ 70 39,7 Roztaczać zgrubnie φ 39,7 3. Toczyć zgrubnie: 64 φ 64 4. Toczyć średnio dokładnie: φ 78,10 78,10 Roztaczać średni dokładnie φ 39,90 39,90 5. Toczyć dokładnie: φ 78 h7 78 40 Roztaczać dokładnie φ 40 Η7 6 Fazować 78 56-0,2 10 96-0,4 Operacja toczenia i roztaczania zostanie przeprowadzona na tokarce rewolwerowej o pionowej osi obrotu głowicy rewolwerowej. Toczenia wzdłużne i fazowanie będą realizowane narzędziami osadzonymi w głowicy rewolwerowej. Planowanie na wymiar 96-0,4 będzie wykonane nożem osadzonym w imaku nożowym na suporcie poprzeczny. Nie będzie więc potrzeby zmiany położenia suporty poprzecznego. Operator nie będzie tracił czasu na ustawianie noża na wymiar obróbkowy. Strona 82 METODYKA PROJEKTOWANIA TECHNOLOGICZNEGO Operacja 40. Frezowanie rowka Frezować rowek Zatępić ostre krawędzie D mm 100 B mm 12 L mm 137 i 1 v m/min 19,8 n obr/min 63 pt mm/min 75,6 g mm 13 10 83 1. 2. Nazwa zabiegu 12 Lp 10 Rowek będzie frezowany na frezarce wspornikowej poziomej frezem tarczowym trzystronnym ze stali szybkotnącej. Ze względu na znaczną głębokość rowka zostaje dobrany frez o średnicy 100 mm. Przyjęto posuw po=1,2 mm, co powinno pozwolić na uzyskanie chropowatości Ra = 10 mm. Operacja 50. Końcowa kontrola jakości Strona 83 ROZDZIAŁ 2 2.9. Literatura 1. Feld M.: Technologia budowy maszyn. Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2000 2. Kosiewicz T.: Technologia budowy maszyn. PWN, Warszawa 1977 3. Górski E.: Poradnik frezera. Techniczne, Warszawa 1999 Wydawnictwa Naukowo- 4. Dudik K., Górski E. : Poradnik tokarza. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000 5. Normatywy technologiczne obróbki skrawaniem. Instytut Obróbki Skrawaniem, Wyd. Przem. Masz. WEMA, Warszawa 1979 6. Wołk R.: Normowanie czasu na obrabiarkach do obróbki skrawaniem. WNT, Warszawa 1972 7. Praca zbiorowa pod red. J. Z. Sobolewskiego.: Projektowanie technologii maszyn, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007 8. Katalog firmy SECO TOOLS AB 9. Kornberger Z.: Technologia budowy maszyn. WNT, Warszawa 1969 10. Tymowski J.: Technologia budowy maszyn. WNT, Warszawa 1972 Strona 84 3 Programowanie obróbki na tokarki i frezarki CNC W tym rozdziale: o o o o Co to jest system CAM, rodzaje systemów CAM Programowanie tokarek CNC Rozwiązania konstrukcyjne tokarek CNC. Układ osi tokarki CNC. Import geometrii z CAD do CAM. Definiowanie narzędzi. Definiowanie cykli tokarskich Programowanie frezarek CNC Rozwiązania konstrukcyjne frezarek CNC. Układ osi frezarek CNC. Punkty odniesienia frezarek CNC. Obróbka zgrubna i zgrubna resztek. Obróbka wykańczająca Literatura dot. obrabiarek CNC i systemów CAM ROZDZIAŁ 3 3.1. Wstęp Wyjaśnienie stosowanych skrótów W celu łatwiejszego zrozumienia zagadnień poruszanych w niniejszym rozdziale, poniżej zebrano najważniej z używanych skrótów i akronimów wraz z ich tłumaczeniem: CAD (ang. Computer Aided Design) – oprogramowanie do komputerowego wspomagania projektowania – najczęściej oznacza systemy komputerowe do tworzenia i edycji płaskiej dokumentacji technicznej (systemy 2D CAD) albo systemy do przestrzennego modelowania bryłowopowierzchniowego (3D CAD). CAE (ang. Computer Aided Engineering) – oprogramowanie do komputerowego wspomagania prac inżynierskich – zwykle są to systemy komputerowe do analiz inżynierskich jak np.: analizy wytrzymałościowe, termiczne, kinematyczne, dynamiczne, analizy przepływów, itp. CAM (ang. Computer Aided Manufacturing) – oprogramowanie do komputerowego wspomaganie wytwarzania – najczęściej rozumie się systemy komputerowe do generowania ścieżek narzędzi dla obrabiarek CNC (tokarek, frezarek, wycinarek drutowych); CNC (ang. Computer Numerical Control) – komputerowe sterowanie urządzeń i maszyn – dotyczy to obrabiarek CNC takich jak frezarki CNC, tokarki CNC, itp., OSN – Obrabiarki Sterowane Numerycznie (polski odpowiednik - obrabiarki CNC, obecnie rzadziej używany), PO – przedmiot obrabiany, czyli kształt który podlega skrawaniu na obrabiarce. Strona 86 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Co to jest system CAM? Niniejszy rozdział przedstawia podstawowe zagadnienia wspomaganego komputerowo programowania obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC). Do tego celu w wielu narzędziowniach stosowane są m.in. systemy komputerowe CAM, które służą do generowania ścieżek narzędzi. Realizowane jest to na wirtualnej geometrii reprezentującej kształt przedmiotu obrabianego. Obecnie używane w narzędziowniach systemy CAM są w pełni trójwymiarowe (3D), które pozwalają na pracę na geometrii płaskiej (krawędziowej) jak i przestrzennej (bryłowej i/lub powierzchniowej) tworzonej w modułach CAD systemów CAM lub w osobnych systemach 2D i 3D CAD. Ogólny tego schemat zawarto na rys. 3.1.1. Rysunek 3.1.1. Schemat interaktywnego programowania obrabiarek CNC z wykorzystaniem systemów CAD i CAM Pomimo, że skrót CAM oznacza oprogramowanie komputerowe wspomagające różne aspekty wytwarzania m.in. obróbki plastyczne (sterowanie pras do gięcia krawędziowego), montaż, transport międzyoperacyjny, magazynowanie, itd., to w potocznym rozumieniu (używanym przez dystrybutorów systemów, a także w ich nazwach), skrótem CAM określa się oprogramowanie do generowania ścieżek dla obrabiarek ubytkowych CNC, szczególnie dla tokarek, frezarek, centrów frezarsko- wytaczarskich . Ponadto systemy CAM są stosowane do przygotowywania programów sterujących pracą wycinarek drutowych 2- i 4-osiowych, elektro-drążarek (EDM), wycinarek laserowych i wodnych, niektórych szlifierek, itp.. Niezastąpione są systemy 3D CAM w przypadku obróbek skomplikowanych powierzchni, spotykanych przy obróbce form wtryskowych lub matryc kuźniczych. Strona 87 ROZDZIAŁ 3 Rodzaje systemów CAM Na rynku dostępnych jest wiele profesjonalnych systemów CAM, które ze względu na stopień integracji z systemami CAD, można podzielić na trzy grupy: 1. Niezależne programy, mające własne środowisko. Programy CAM tego typu nie wymagają zainstalowanego systemu CAD. Systemy te mają własne moduły CAD (zwykle mniej rozbudowane niż typowe parametryczne modelery 3D CAD), w których można przygotować geometrię krawędziowa lub przestrzenną, zwykle jednak importuje się ją z zewnętrznego programu CAD. Z tego powodu niezależne systemy CAM mają bardzo duże możliwości wczytywania plików w formatach neutralnych i natywnych systemów CAD. Przykładami takich programów są m.in.: EdgeCAM, hyperMILL, ESPRIT, Alphacam, Mastercam, SURFCAM, SprutCAM, GibbsCAM i inne. Część takich programów zaczyna być udostępniana jako niezależne środowiska lub ma możliwośc integracji z systemami 3D CAD tj. Delcam PowerMILL. 2. Niezależne programy, integrujące się z systemami 3D CAD. Programy CAM tego typu integrują się z systemem CAD jako jego moduł (lub wtyczki), co oznacza, że wymagane jest wcześniejsze zainstalowanie takiego systemu CAD. Przykładami takich systemów CAM są m.in.: SolidCAM (integracja z SolidWorks), HSMWorks (integracja z SolidWorks), NX CAM Express (integracja z Solid Edge) InventorCAM (integracja z Autodesk Inventor),, RhinoCAM (integracja z Rhonoceros) i inne. 3. Zintegrowane systemy 3D CAD/CAM. W takich systemach komputerowych CAM jest jednym z modułów, do którego przełącza się z trybu CAD. W takich systemach trzeba zwykle mieć wykupioną licencję na moduł CAM, a nawet na jego części (np. tylko na toczenie 2-osiowe). Najczęściej zintegrowane systemy CAD/CAM maja moduły CAE do analiz inżynierskich (wytrzymałościowych, termicznych, kinematyki i dynamiki, itp.). Do zintegrowanych systemów CAD/CAM można zaliczyć m.in.: NX (dawniej Unigraphics), CATIA V5, CREO (dawniej Pro/ENGINEER), ZW3D (dawniej VX), TopSolid. Strona 88 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Zawartość rozdziału W kolejnych podrozdziałach przedstawiono ogólne zasady pracy w systemach 3D CAM. Szczegółowo pokazano działanie funkcji do generowania ścieżek narzędzi w module tokarskim na geometrii 2D (krawędziowej) oraz w module frezarskim na geometrii 3D (bryłowej). Działania te bogato zilustrowano zrzutami ekranowymi z programu EdgeCAM firmy Planit. To oprogramowanie (poza innymi) od wielu lat jest prezentowane studentom Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Licencje edukacyjne systemu EdgeCAM zostały Wydziałowi SiMR bezpłatnie udostępnione przez generalnego dystrybutora, firmę NICOM Computers z Rzeszowa, natomiast do prywatnej nauki w domu udostępniana jest wersja studencka, którą można uzyskać za darmo po zarejestrowaniu się na stronie internetowej www.edgecam.pl. System EdgeCAM w wersji 2009 pracuje pod kontrolą systemu Windows XP/Vista/7 w wersjach 32- i 64-bity. Studencka wersja instalacyjna tego programu zajmuje na ok. 700 MB i może być bez problemu kopiowana na nośniki USB, a z nich bezpośrednio daje się uruchomić instalację. Co do wymagań sprzętowych, to do podstawowej nauki systemu EdgeCAM 2009 wystarczy komputer PC z procesorem o częstotliwości 1 GHz oraz o wielkości 1 GB pamięci RAM. Aby móc sprawnie pracować w systemach 3D CAM, wymagana jest wiedza nt. budowy i programowania obrabiarek CNC, podstaw obróbki skrawaniem oraz znajomość zasad pracy w środowiskach systemów 3D (takich jak modelery 3D CAD). Poniżej na rys. 3.1.2 przedstawiono ogólny algorytm pracy stosowany w systemie EdgeCAM, a także w wielu innych niezależnych systemach 3D CAM. UWAGA! Przeglądając ogłoszenia o pracę można spotkać się z następującymi określeniami zawodów: operator CNC, operator-programista CNC i programista CNC. Operator CNC to osoba obsługująca obrabiarkę, która nie musi jej programować, natomiast operator-programista to osoba piszące programy obróbcze ręcznie wprost na pulpicie obrabiarki CNC, a programista obrabiarek CNC to osoba generująca programy NC w systemach CAM, która nie musi umieć obsługiwać obrabiarki CNC (ale powinna umieć pracować w systemach CAD). Strona 89 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.1.2. Algorytm pracy w systemach 3D CAM 3.2. Programowanie tokarek CNC Rozwiązania konstrukcyjne tokarek CNC W przemyśle maszynowym wśród wielu obrabiarek skrawających CNC, najczęściej spotykane są pionowe frezarki 3-osiowe oraz poziome tokarki 2-osiowe. Najczęściej tokarki 2-osiowe spotykane są w dwóch wersjach konstrukcyjnych. Pierwsze wzorowane na maszynach sterowanych ręcznie (konwencjonalnie), które mają narzędzia mocowane w imaku znajdującym się przed osią wrzeciona. Taki układ osi jest wygodny dla operatorów tokarek konwencjonalnych, którzy przekwalifikowują się na maszyny sterowane numerycznie. W drugim rozwiązaniu konstrukcji tokaStrona 90 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC rek CNC narzędzie znajduje się za osią wrzeciona przedmiotowego, tzw. za osią toczenia. Taką maszynę pokazano na rysunku 3.2.1, natomiast rysunek 3.2.2 przedstawia budowę wewnętrzną tokarek o takiej konstrukcji. Rysunek 3.2.1. Układ osi sterowanych 2-osiowej tokarki CNC (model „TPS 200” firmy CBKO ze sterowaniem Mitsubishi Meldas 500) Rysunek 3.2.2. Widok na łoże, wrzeciennik, suport i konik 2-osiowej tokarkę CNC o ozn. „BT-380XL” ze zdemontowanymi osłonami [Xtech] Strona 91 ROZDZIAŁ 3 Układ osi tokarek CNC W tokarkach CNC przyjęto, że oś wrzeciona przedmiotowego obrabiarki wyznacza oś Z, przy czym zwrot dodatni tej osi jest w kierunku od wrzeciona do konika (rys. 3.2.2). Drugą osią sterowaną jest oś X opisująca kierunek prostopadły dojazdu narzędzi do obrabianego przedmiotu. Na typowych 2-osiowych tokarkach CNC nie ma możliwości sterowania narzędziami w osi Y (unoszenia ich ponad lub pod oś wrzeciona), wobec czego w opisie ruchu narzędzi jest ona pomijana. Wobec powyższego układ osi sterowanych tokarki CNC nazywany jest w systemie EdgeCAM układem ZX. Na tokarkach CNC ruch suportu z zamontowanymi narzędziami (nożami tokarskimi), odbywa się w osiach Z i X. Domyślne większość producentów obrabiarek początek układu osi (tzw. punkt zerowy obrabiarki) ustawia na przecięciu czoła końcówki wrzeciona przedmiotowego z powierzchnią stożkową, na której mocuje się uchwyt tokarski. Układ osi w systemach CAM Współczesne systemy 3D CAM służące generowaniu programów dla tokarek CNC przedstawiają obraz na monitorze komputerowym w układzie takim, jak występuję na rzeczywistej obrabiarce CNC. Z tego powodu predefiniowane są w systemach CAM najbardziej typowe widoki, przy pomocy których użytkownik może oglądać generowane przez siebie ścieżki narzędzi oraz później śledzić symulację ruchów narzędzi wraz z kształtowaniem przedmiotu obrabianego. Najważniejszym z predefiniowanych widoków jest widok na płaszczyznę wyznaczaną osiami Z i X. Jest on widokiem głównym podczas pracy w środowisku tokarskim systemu EdgeCAM, bo na niej widoczne są profile tokarskie potrzebne do definiowania cykli tokarskich oraz wyświetlane są ścieżki narzędzi. Tak jak w wielu innych systemach 3D CAD i 3D CAM, w tym programie osie oznaczone są następującymi kolorami: strzałka czerwona oznacza oś X, zielona – oś Y (niewykorzystywana w tokarkach 2-osiowym) oraz strzałka niebieska – oś Z. Dla łatwiejszego zapamiętania oznaczenia kolorów osi XYZ, można użyć analogii względem palety kolorów RGB (Red, Green, Blue), wtenczas XYZ ↔ RGB. Strona 92 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.2.3. Widok interfejsu systemu EdgeCAM ze wskazaniem na oznaczenie kierunków układu współrzędnych w module tokarskim Praktycznie we wszystkich systemach CAM (płaskich i przestrzennych) widok na płaszczyznę ZX jest ustawiany domyślnie podczas toczenia, czyli oś Z jest równoległa do dolnej krawędzi monitora, a jej zwrot dodatni jest w kierunku prawym (rys. 3.2). Widok na płaszczyznę ZX jest głównym widokiem podczas toczenia, bo pokazuje przedmiot obrabiany z boku. W systemie EdgeCAM widok ten nazwany jest „widokiem tokarskim”. Rysunek 3.2.4. Widok na przedmiot obrabiany z boku (na płaszczyznę ZX) definiowany jako główny kierunek patrzenia w modułach tokarskich systemów 3D CAM W systemach 3D CAM można oglądać geometrię przedmiotu obrabianego wraz ze ścieżkami narzędzi z dowolnego kierunku. Jednak aby uprościć nawigację w przestrzeni, w systemach CAM predefiniowany Strona 93 ROZDZIAŁ 3 jest widok izometryczny (rys. 3.2.5), będący przybliżeniem tego co widzi operator tokarki stojący podczas pracy przed maszyną. Rysunek 3.2.5. Widok izometryczny na przedmiot obrabiany, jako jeden z predefiniowanych widoków w modułach tokarskich systemów 3D CAM Import geometrii z CAD do CAM Generowanie obróbek tokarskich w systemach CAM może odbywać się na różne sposoby, w zależności od możliwości danego programu komputerowego. W przypadku prostych obróbek 2-osiowych, generowanie ścieżek odbywać się może na podstawie płaskiej geometrii krawędziowej (tzw. geometrii 2D). Natomiast obróbki bardziej zaawansowane np. na centrach tokarskich przy pomocy narzędzi napędzanych (np. wiercenie otworów na pobocznicy walca, grawerowanie napisów, frezowanie kieszeni), wskazana jest do definiowana ścieżek geometria przestrzenna, najlepiej geometria bryłowa lub powierzchniowa. Ze względu na dużą popularność 2-osiowych tokarek CNC, często opracowuje się programy obróbcze na podstawie dokumentacji płaskiej. W przypadku stosowania systemów CAM, potrzebna jest dokumentacja elektroniczna, czyli płaska geometria krawędziowa (tzw. geometrii 2D), którą rysować można w module CAD systemu CAM lub w osobnym systemie 2D CAD (np. w systemie AutoCAD). Stosowanie zewnętrznych systemów CAD wymaga przenoszenia geometrii krawędziowej do systemu CAM. Do tego celu stosowane są najczęściej pliki formatu DXF lub DWG. Przykład tego został umieszczony na kilkunastu poniższych rysunkach dokumentacji technicznej wałka atakującego, czyli przygotówki otoczki zębnika przekładni stożkowej, natomiast sam rysunek zaczerpnięto z pakietu ZERO-OSN (rys. 3.2.6a). Strona 94 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.2.6. Przykład przeniesienia dokumentacji płaskiej wałka atakującego z systemu 2D CAD (widok w systemie AutoCAD) (a) do systemu CAM (widok w systemie EdgeCAM po wczytaniu z automatycznym pomijaniem wymiarów) (b) Ustawienie geometrii w CAM Warto zauważyć, że geometria płaska rysowana jest w systemach CAD zwykle na płaszczyźnie XY (rys. 3.2.7a), więc po imporcie do systemu CAM zostanie ona dodana na tę właśnie płaszczyznę (rys. 3.2.7b). Z tego powodu niezbędne jest zdefiniowanie nowego układu współrzędStrona 95 ROZDZIAŁ 3 nych lub transformacja geometrii z układu XY do układu ZX, co pokazano poniżej. Rysunek 3.2.7. Typowe usytuowania rysunku przedmiotu obrabianego w systemach 2D CAD (a). Po przeniesieniu go do systemu CAM wymagane jest przesunięcie zarysu definiującego toczony tak, aby początek układu współrzędnych był na czole przedmiotu obrabianego (b) lub zdefiniowanie nowego układu współrzędnych. W celu poprawnego generowania ścieżek narzędzi tokarskich w poprzez funkcje systemu CAM, niezbędne jest poprawne zorientowanie układu współrzędnych (osi Z i X) oraz ustawienie punktu zerowego przedmiotu obrabianego. Przykład takiego działania pokazano na rys. 3.2.8, gdzie niebieskim kółkiem oznaczono punkt zerowy przedmiotu obrabianego (w systemie EdgeCAM nosi nazwę „ZERO”). Strona 96 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.2.8. Transpozycja układu współrzędnych z układu XY (a) do układu ZX stosowanego na tokarkach CNC (b) Niezależnie od typu wczytywanej geometrii (płaska lub przestrzenna) zwykle w systemach CAM dostępne są dwie metody ustawiania geometrii do obróbki: Metoda 1 polega na stworzeniu nowego punktu zerowego w przewidywanym miejscu jego zaczepienia. W ten sposób definiowany jest nowy lokalny układ współrzędnych, którego osie Z i X wyznaczone są już poprawnie. Metoda 2 polega na przesunięciu geometrii w taki sposób, aby przewidywany punkt zerowy przedmiotu obrabianego znalazł się w głównym układzie współrzędnych (rys. 3.6). Następnie wykonywane jest zorientowanie kierunków osi Z i X poprzez dwukrotne obrócenie geometrii przedmiotu obrabianego wokół jednej z głównych osi (zwykle wokół osi X o 90° i wokół osi Y o –90°). Efektem tego jest poprawnie ustawione punkt zerowy i kierunki osi, co pokazano na rys. 3.2.8b. Uproszczeniem podwójnego obracania geometrii jest użycie dostępnej w niektórych systemach 3D CAM funkcji do transpozycji geometrii z układu osi XY do ZX. Strona 97 ROZDZIAŁ 3 Podsumowując metoda nr 2 z użyciem transponowania jest sugerowana dla płaskiej geometrii krawędziowej. W przypadku geometrii bryłowej, lepsza wydaje się metoda nr 1, przy czym coraz więcej systemów 3D CAM pozwalają na automatyzowanie procesu orientowania układu współrzędnych w obróbkach tokarskich (automatyczne znajdowanie osi obrotowej geometrii przedmiotu obrabianego). UWAGA! Błędne ustawienie geometrii PO względem kierunków osi zwykle uniemożliwia zdefiniowanie w systemie CAM poprawnych obróbek. Geometria przedmiotu obrabianego Po wczytaniu płaskiej geometrii krawędziowej poprzez plik w formacie DXF lub DWG, zwykle zachodzi potrzeba przygotowania geometrii symbolizującej przedmiot obrabiany. Polega to na usunięciu zbędnych linii, łuków, wymiarów, kreskowania itp. Nieraz potrzeba uciąć niektóre linie lub coś dorysować, tak aby powstał jeden lub kilka ciągłych profili (rys. 3.2.9), które następnie posłużą do definiowania właściwych obróbek tokarskich. Takie „oczyszczenie” geometrii można zrobić w użytkowanym systemie CAD albo już w module CAD systemu CAM, a przykład takiego działania pokazano w niniejszym rozdziale. Rysunek 3.2.9. Uproszczenie geometrii w celu uzyskania profilu tokarskiego poprzez skasowanie niepotrzebnych krzywych będących pierwotnie w dokumentacji 2D wału maszynowego Geometria półfabrykatu Osobną sprawą jest zdefiniowanie geometrii półfabrykatu, która jest potrzebna do wizualizacji obróbki, podczas której wybrane do obróbki narzędzi symulują zbieranie materiału z półfabrykatu. Widok kształtu półfabrykatu jest także przydatny do prawidłowego definiowania punktów Strona 98 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC startowych cykli tokarskich (m.in. planowania i obróbki zgrubnej). Kształt półfabrykatu może być określony poprzez zaimportowaną geometrię krawędziową lub bryłową z systemu CAD, szczególnie gdy półfabrykat jest odkuwką lub odlewem skomplikowanym kształcie. Przykłady takich odkuwek wałów maszynowych z kołami zębatymi pokazano na rys. 3.2.10. Zwykle jednak jest to prosty kształt (pręt okrągły), więc można go prosto zamodelować samemu lub zdefiniować automatycznie, określając tylko jego długość i średnicę oraz położenie względem przedmiotu obrabianego (zarysu tokarskiego). Przykład zarysu półfabrykatu okalającego profil tokarski pokazano na rys. 3.2.11. Rysunek 3.2.10. Przykłady półfabrykatów stosowanych w obróbkach na tokarkach CNC: odkuwka pod koło walcowe (a) i odkuwka wałka atakującego (b) [Skawiński] Rysunek 3.2.11. Zarys półfabrykatu przedmiotu obrabianego oznaczony jako zbiór krzywych na płaszczyźnie ZX Na podstawie zarysu półfabrykatu możliwe jest w CAM zdefiniowania geometrii półfabrykatu w postaci obiektu płaskiego (rys. 3.2.12b) lub przestrzennego (bryłowego). Taki obiekt w systemie EdgeCAM definiuje się poprzez wybór funkcji „Geometria→Półfabrytkat/Uchwyt”, a następnie wyłącza się tworzenie automatycznego geometrii oznaczaStrona 99 ROZDZIAŁ 3 jącej półfabrykat (jest nim zwykły walec), a jako wskazywany kształt wybiera się „Tokarski” (rys. 3.2.12a). Rysunek 3.2.12. Definiowanie geometrii półfabrykatu w systemie EdgeCAM: okno dialogowe (a) oraz efekt działania funkcji (b) Osobno zdefiniowana geometria półfabrykatu potrzebna jest w systemach 3D CAM do przeprowadzenia symulacji obróbki, podczas której widoczne są ruchy narzędzi i zdejmowany jest materiał obrabiany. Podczas symulacji półfabrykat może być także wyświetlany jako geometria Strona 100 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC przestrzenna w postaci pocieniowanej (rys. 3.2.13) nieprzezroczystej lub półprzezroczystej. Wynik symulacji obróbki pokazano na poniższym rysunku. Rysunek 3.2.13. Widok na zacieniowaną geometrię półfabrykatu jako efektu symulacji obróbki w systemie EdgeCAM Definiowanie narzędzi tokarskich Wykonywany obróbką ubytkową kształt powierzchni zależy przede wszystkim od drogi po jakiej prowadzone jest narzędzie skrawające, czyli od ścieżki, którą można generować w systemach CAM. Poza ścieżką narzędzia, istotny jest kształt używanego narzędzia. W przypadku obróbek tokarskich na obrabiarkach sterowanych numerycznie, stosowane są noże tokarskie z wymiennymi płytkami z węglików spiekanych. Najpopularniejsze są noże przedstawiono na rys. 3.2.14. Wg kształtu zastosowanej płytki wieleostrzowej można zauważyć, że nóż na rys. 3.2.14f stosowany jest zwykle do obróbek zgrubnych, natomiast noże z rys. 3.2.14d i rys. 3.2.14e stosuje się do obróbek wykańczających. Do obróbki rowków stosuje się nóż przecinak (rys. 3.10b), a do toczenia gwintów nóż z rys. 3.2.14c. Strona 101 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.2.14. Przykłady noży tokarskich z wymienialnymi płytkami skrawającymi wykonane z węglików spiekanych (opis w tekście). W systemach 3D CAM przed wygenerowaniem ścieżki narzędzia na zadanej geometrii, potrzebne jest samodzielne zdefiniowanie narzędzia lub wybranie z dostarczonej razem z programem biblioteki narzędzi. Taka biblioteka, zwana nieraz magazynem narzędzi, to rodzaj rozbudowanej bazy danych zawierającej parametry narzędzi różnego typu (noży tokarskich, wierteł, rozwiertaków, gwintowników, wytaczadeł, nawiertaków, itp.), co pokazano na rys. 3.2.15. W bazie danych narzędzi, obok informacji o geometrii przestrzennej płytki skrawającej oraz części chwytowej (rys. 3.2.16), przechowuje się też informacje o numerze katalogowym producenta, ilości sztuk dostępnych aktualnie na warsztacie, a także dane technologiczne dla danego materiału półfabrykatu tj.: głębokość skrawania, prędkość (szybkość) skrawania oraz posuw roboczy w obróbkach zgrubnych i kształtujących oraz wykańczających. Te dane technologiczne użytkownik systemu CAM może podać samemu lub przyjąć zgodnie z zaleceniami producenta i wykorzystać je podczas opracowywania cykli tokarskich. Strona 102 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.2.15. Widok bazy narzędzi tokarskich z systemu EdgeCAM Rysunek 3.2.16. Parametry opisujące geometrię wieloostrzowej płytki skrawającej oraz części chwytowej noża tokarskiego (trzonka) Na wszystkich poniższych rysunkach w niniejszym rozdziale pokazywany jest nóż tokarski lewy z rombową płytką skrawającą z węglika spiekanego o kształcie C, z kątem płytki 80° (rysunek 3.2.17), Strona 103 ROZDZIAŁ 3 który może być stosowany do planowania czoła oraz obróbek zgrubnych powierzchni walcowych. Rysunek 3.2.17. Widok na wirtualną geometrię noża tokarskiego z płytką rombową C, stosowanego do planowania czoła i obróbek zgrubnych Pokazana na rys. 3.2.17 geometria przestrzenna części roboczej jak i części chwytowej noża tokarskiego służy podczas symulacji obróbki do analizy kolizji z przedmiotem obrabianym jak i uchwytami, a nawet z podzespołami obrabiarki CNC. Dzięki temu jeszcze na etapie projektowania ścieżek narzędzi można sprawdzić ich poprawność. Użytkownik systemu CAM może modyfikować położenie tzw. punktu płytki, dla którego generowana jest ścieżka narzędzia przy pomocy cykli tokarskich. Najczęściej położenie punktu odniesienia płytki wyznaczony jest poprzez przecięcie linii równoległych do osi Z i X, stycznych do jej krawędzi (rys. 3.2.18b). Możliwe jest przestawienie go w inne położenie np. na styku dolnej krawędzi płytki (rys. 3.2.18c). Taka zmiana, choć wykonywana rzadko, wymaga wprowadzenia zmian w wartościach korekcji „po długości” dla tego narzędzia. Podobnie jak w rzeczywistości, w systemach CAM daną płytkę skrawającą można zastosować w innych nożach tokarskich. Przykład taki pokazano na rys. 3.2.19, gdzie płytka rombowa o kształcie C jest zamontowana w nożu wytaczaku. W tym wypadku w parametrach narzędzia w magazynie wymagane jest określenie kierunków osi Z i X. Strona 104 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.2.18. Położenie punktu odniesienia płytki skrawającej oznaczonego czerwonym kółkiem: typowe (a) i inne przykładowe ustawienie na dolnej krawędzi (b) Rysunek 3.2.19. Ustawienie noża wytaczaka wg układu współrzędnych Definiowanie ruchów przygotowawczych Generowanie ścieżek narzędzi tokarskich w systemach CAM może odbywać się poprzez wskazywanie punktów do których ma dojechać lub przy użyciu funkcji generujących w sposób automatyczny ścieżki na podstawie wskazanej geometrii. Przykład ręcznego definiowania ruchów narzędzia, czyli generowania ścieżki, pokazano na rys. 3.2.20. Jest to dojazd ruchem szybkim (czerwona linia przerywana) z punktu, gdzie ostatnio zatrzymało się narzędzie w pobliże półfabrykatu. Strona 105 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.2.20. Dojazd narzędzia ruchem szybkim w pobliże półfabrykatu Ruch szybki zaplanowano tak, aby zakończył się w pewnej odległości od zarysu półfabrykatu (rys. 3.2.21), dlatego że jest to przygotowanie do planowania czoła. Zrobiona tak, bo w rzeczywistości stosowane pręty jako półfabrykaty nie są przycinane dokładnie, więc dla bezpieczeństwa w planowaniu wykonane będą przejścia jałowe, ewentualnie skrawające nierówności na czole przygotówki. Rysunek 3.2.21. Dojazd narzędziem ruchem szybkim w pobliże półfabrykatu Strona 106 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC W systemach CAM poza ręcznym wskazywaniem punktów oraz definiowanie obróbek (zwanych w EdgeCAM cyklami tokarskimi), wbudowane są dodatkowe funkcje np. do odjazdu ruchem szybkim do punktu wymiany narzędzia. Punkt wymiany jest określonym miejscem w przestrzeni roboczej tokarki CNC, gdzie może nastąpić np. bezpieczny obrót głowicy rewolwerowej lub może być pobranie nowe narzędzie z magazynu narzędzi. Opisana funkcja tworzy ścieżkę ruchu szybkiego, która jest wyświetlana w przestrzeni systemu CAM, a także analizowana podczas symulacji ruchów narzędzia oraz symulacji obróbki. Planowanie czoła Funkcja systemu CAM zwana „planowaniem” lub „cyklem planowania” stosowana jest do wyrównania czoła przedmiotów (wałów, tarcz) obrabianych na tokarkach CNC. W przypadku planowania czoła przedmiot obrabiany nie może być podparty kłem konika, a jego ustalenie i zamocowanie zapewnia uchwyt tokarski. Wobec powyższego planowanie czoła pokazano na innym przykładzie, niż poprzednio. Na rys. 3.2.22 widoczna jest wstępna obróbka dwustopniowego wału maszynowego zamocowanego w uchwycie tokarskim. Ten element jest obrabiany z półfabrykatu będącego prętem (o kształcie zwykłego walca). Wyrównanie czoła ma na celu stworzenia prostopadłej do osi wrzeciona powierzchni, będącej bazą technologiczną dla następnych operacji toczenia. Z tego powodu na tym czole określa się najczęściej punkt zerowy przedmiotu obrabianego. Ze względów technologicznych planowanie czoła jest wykonywane jako pierwsza operacja, bo pozwala pozbyć się nierówności materiału lub zniszczonego materiału po operacjach przygotowywania półfabrykatu (np. przecinanie prętów palnikiem lub cięcia na piłach). Planowanie stosowane jest także jako czynność pomiędzy operacyjna, gdy toczymy wały z podawanych automatycznie prętów. Po planowaniu są one wysuwane, aż do osiągnięcia zderzaka i w ten sposób są bazowane. Strona 107 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.2.22. Widok na ścieżki planowania czoła wału maszynowego Planowanie wykonywane jest typowo w kilku przejściach, zależnych od określonej głębokości skrawania. Ścieżki dla noża tokarskiego tworzone są na podstawie dwóch punktów definiujących: punktu startu cyklu oraz punktu końca cyklu, co pokazano na rys. 3.2.22 i 3.2.23. Rysunek 3.2.23. Zbliżenie na ścieżki planowania czoła wału maszynowego Strona 108 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Jeżeli punkt końcowy planowania czoła został określony na osi wrzeciona (tak jak na rys. 3.2.23), to na czole wału po obróbce zostaje ślad (rys. 3.2.24) po promieniu zaokrąglenia płytki noża tokarskiego. Jeżeli nie będzie wykonywanego na czole wału żadnego otworu, to aby tej pozostałości nie było, wykonuje się przekroczenie osi przynajmniej o dwie średnice promienia zaokrąglenia płytki skrawającej. Przykładowo jeżeli promień wynosi R=0,8 mm, to nóż powinien przejść średnicę min. do punktu Z= –1,6mm, a najlepiej kilka dziesiątych milimetra więcej. Rysunek 3.2.24. Wynik symulacji obróbki w EdgeCAM z widoczną pozostałością na czole wału po operacji planowanie: (a) widok ogólny, (b) zbliżenie Toczenia wzdłużne zgrubne i wykańczające Funkcja systemu CAM zwana „toczenie wzdłużnym” jest typowym cyklem toczenia zgrubnego stopni wałów maszynowych. Jednocześnie przy pomocy tej funkcji można przeprowadzić obróbkę kształtującą, czyli wyrównanie naddatku dla obróbki wykańczającej. Funkcja „toczenie wzdłużne” generuje szereg ścieżek równoległych do osi wrzeciona, oddalonych od siebie o określoną głębokość skrawania (rys. 3.2.25). Zwykle pozostawiany jest naddatek na obróbkę wykończeniową, który można osobno określić w kierunku osi Z i X. Domyślenie ścieżki generowane są jako pomiędzy punktem startu cyklu, a profilem opisującym przedmiot obrabiany. Tak jest to realizowane, gdy półfabrykatem jest nieukształtowany walec, jeżeli jednak półfabrykat jest odkuwką lub odlewem, albo został wcześniej obrabiany, to ścieżki generoStrona 109 ROZDZIAŁ 3 wane są pomiędzy profilem opisującym ten półfabrykat, a profilem przedmiotu obrabianego. Przykład tego widoczny jest dobrze na zbliżeniu rysunku 3.2.25. Rysunek 3.2.25. Widok na ścieżki cyklu toczenia wzdłużnego do wykonania obróbki wybranych stopni wału maszynowego (a) oraz zbliżenie na najbliższy czoła pierwszy stopień wału (b) Po obróbce zgrubnego toczenia wzdłużnego pozostaje równy naddatek na obróbkę wykańczającą, podczas następuje pojedyncze przejście noża tokarskiego (zwykle z płytką o kształcie V) po profilu przedmiotu obrabianego. Na stopniach stożkowych wału oraz zaokrągleniach wymagane jest zastosowanie korekcji promienia zaokrąglenia wierzchołka noża lub płytki wieloostrzowej. Wtedy dla tych ścian ścieżka narzędzia znajduje się wewnątrz profilu obrabianego (wewnątrz zarysu PO). Strona 110 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC 3.3. Programowanie frezarek CNC Rozwiązania konstrukcyjne frezarek CNC W przypadku frezarek CNC, w przemyśle maszynowym najczęściej stosowane są maszyny sterowane w trzech osiach (tzw. frezarki 3-osiowe). Od strony technologicznej bardziej uniwersalne są frezarki pionowe, co oznacza, że oś ich wrzeciona narzędziowego jest skierowana pionowo (rys. 3.3.1b). Przykład takiej pionowej frezarki CNC sterowanej w trzech osiach pokazano na rysunku 3.3.1a. Rysunek 3.3.1. Pionowa frezarkę CNC sterowana w 3 osiach FNX 30NC firmy Avia: widok na obrabiarkę (a) oraz zbliżenie na wrzeciono narzędziowe z oznaczoną osią Z (b) [Avia] Rzadziej stosowane są frezarki poziome, których oś wrzeciona narzędziowego jest ustawiono poziomo – oś wrzeciona pokazano na rysunku 3.3.2b. Tego typu obrabiarki są zwykle stosowane do obróbki elementów typu korpus, gdzie potrzeba prowadzić wiercenie i wytaczanie wielu Strona 111 ROZDZIAŁ 3 otworów na ich bocznych ścianach. Przykład poziomej 3-osiowej frezarki CNC pokazano na rysunku 3.3.2a. Rysunek 3.3.2. Pozioma wiertarko-frezarka wielooperacyjna CNC sterowana w 3 osiach „BO 90” firmy Knuth: widok na obrabiarkę (a) oraz zbliżenie na wrzeciono narzędziowe z oznaczoną osią Z (b) [Knuth] W przypadku potrzeby obrabiania przedmiotów z wielu kierunków, ale bez zmiany mocowania, stosowane są obrabiarki o większej liczbie osi sterowanych. Z tego względu we frezarkach poziomych stosuje się stoły obrotowe pozwalające na obróbkę każdej ze stron korpusu, przy czym rant górny można obrabiać bokiem frezu. Obróbka przedmiotu obrabianego w jednej pozycji i ustaleniu pozwala na uzyskanie większej dokładności, a także zajmuje mniej czasu, szczególnie przy obróbce większych elementów. Jest też mniejsze ryzyko popełnienia błędów przez operatora, a także pozwala na stosowanie rozbudowanych uchwytów przedmiotowych. Z tego względu dotychczas frezarki 5-osiowe były spotykane wyłącznie w produkcji odpowiedzialnych elementów dla lotnictwa. Z powodu bardziej rozbudowanej konstrukcji i sterowania, frezarki 5-osiowe są sporo droższe od maszyn 3-osiowych. Dlatego w przemyśle maszynowym (poza lotniczym) frezarki 5-osiowe są rzadziej stosowane. Jednak ze względu na większe możliwości technologiczne maszyn 5-osiowych, producenci obrabiarek rozbudowuje frezarki 3-osiowe o dodatkowe osie sterowane. Przykład takiej obrabiarki pokazano na rysunku 3.3.3. jest to centrum frezarski „VARIO HS 5-axis” firmy AVIA zbudowane w oparciu o konstrukcję 3-osiową ze stołem obrotowouchylnym. Strona 112 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.3. Centrum frezarskie 5-osiowe CNC „VARIO HS 5-axis” firmy Avia: widok obrabiarki (a) oraz zbliżenie na stół obrotowo-uchylny wraz z wrzecionem narzędziowym (b) [Avia] Nowocześniejsze rozwiązania konstrukcji frezarek sterowanych w pięciu osiach pokazano na dwóch schematach umieszczonych poniżej. I tak rysunek 3.3.4 przedstawia konstrukcję maszyny ze stołem obrotowym, natomiast rysunek 3.3.5 pokazuje konstrukcję z kołyską. W obu przypadkach jest pochylane wrzeciono narzędziowe. Strona 113 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.4. Schemat 5-osiowej frezarki CNC – konstrukcja ze stołem obrotowym i uchylnym wrzecionem narzędziowym [Avia] Rysunek 3.3.5. Schemat 5-osiowej frezarki CNC – konstrukcja ze stołem obrotowo-uchylnym oraz z uchylnym wrzecionem narzędziowym [Avia] Strona 114 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Układ osi frezarek CNC We frezarkach CNC przyjęto, że oś wrzeciona narzędziowego obrabiarki wyznacza oś Z, przy czym zwrot dodatni tej osi jest w stronę silnika napędu tego wrzeciona. W przypadku frezarek pionowych płaszczyzna stołu roboczego to płaszczyzna XY, a dłuższy bok stołu frezarki wyznacza oś X (rys. 3.3.6). Układ sterowanych osi obrotowych frezarek 5-osiowych pokazano na poprzednich rysunkach, jednak dalsza część rozdziału będzie dotyczyła wyłącznie frezarek 3-osiowych. Wobec powyższego układ osi sterowanych frezarek CNC nazwany jest w systemie EdgeCAM układem „XY”. Rysunek 3.3.6. Pionowa 3-osiowa frezarka CNC o oznaczeniu „FNF 40NA” firmy AVIA z układem sterowania „Pronum 640FC” W przypadku wspornikowych frezarek CNC z 3-osiami sterowanymi (jak na rys. 3.3.6), ruch stołu odbywa się w osi X i Z, a wysuw belki w osi Y. We frezarkach bezspornikowych (tak jak na rys. 3.3.5) ruchy stołu roboczego realizowane są w osiach X i Y, a opuszczanie lub podnoszenie się wrzeciennika jest w osi Z. Układ osi frezarek CNC Nie ma jednego określonego schematu rozmieszczania punkty odniesienia we frezarkach CNC. Nieraz producenci obrabiarek umieszczają punkt zerowy obrabiarki w tym samym miejscu co punkt bazowy. OznaStrona 115 ROZDZIAŁ 3 cza to, że zjeżdżając na bazę (podczas bazowania maszyny), osiągamy punkt XYZ=(0,0,0). Punkt zerowy przedmiotu obrabianego umieszczany jest najczęściej na lewym, górnym, bliższym operatorowi narożu kostki (rys. 3.3.7). W przypadku dysponowania przedmiotową sondą dotykową, punkt zerowy PO umieszcza się na środku górnego czoła kostki. Jeśli frezowany jest element już wstępnie obrobiony, punkt zerowy trzeba umieszczać w bazie technologicznej. punkt zerowy obrabiarki przedmiot obrabiany punkt zerowy przedmiotu obrabianego Rysunek 3.3.7. Schemat pionowej 3-osiowej frezarki CNC z oznaczonymi osiami i punktami charakterystycznymi [MTS] Przykład do frezowania w CAM Jako przykład do zaprezentowania możliwości modułu frezarskiego w systemie EdgeCAM, przygotowano uproszczoną matrycę kuźniczą dla korbowodu pokazanego na rys. 3.3.8. Dla takiego korbowodu zamodelowano w parametrycznym systemie 3D CAD jego model bryłowy (rys. 3.3.9a), który następnie posłużył do zaprojektowania modelu matrycy kuźniczej (rys. 3.3.9b). Na rys. 3.3.9 pokazano wybrane przekroje tej matrycy, przyjętej jako przykład do obróbki na pionowej frezarce 3-osiowej. Strona 116 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.8. Kolejne etapy projektowania matrycy kuźniczej: (a) widok korbowodu, (b) model bryłowy odkuwki, (c) model matrycy Strona 117 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.9. Wybrane przekroje modelu matrycy kuźniczej korbowodu przyjętej jako przykład do generowania obróbki frezarskiej w CAM Strona 118 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Układ osi w systemach CAM W systemie 3D CAM geometrię przyjętą do frezowania trzeba ustawić zgodnie z układem osi frezarki CNC, na której będzie to obrabiane. Jeśli jest to frezowanie na maszynie 3-osiowej, to w systemie 3D CAM frezy „dojeżdżają” wyłącznie po kierunku -Z, więc obrabiany kształt musi być od tego kierunku dostępny (rys. 3.3.10). Rysunek 3.3.10. Wybrane przekroje modelu matrycy kuźniczej korbowodu przyjętej jako przykład do generowania obróbki frezarskiej w systemie 3D CAM Ustawienie geometrii do obróbki w systemie 3D CAM może być zrealizowane na kilka sposobów: 1. ustawienie bryły w systemie CAD. Można to zrobić w dowolnym systemie 3D CAD, w którym po wczytaniu obiektu bryłowego lub powierzchniowego obracamy ją tak, aby wybrany punkt stał się punktem zero przedmiotu obrabianego oraz kierunki osi były poprawne. 2. ustawienie bryły w złożeniu systemu CAD. Można to zrobić w dowolnym parametrycznym modelerze 3D CAD, w którym po wczytaniu obiektu bryłowego do części, przenosimy ją do złożenia i tam, przy pomocy narzucania wiązań, ustawiamy punkt zerowy PO i kierunki osi. Strona 119 ROZDZIAŁ 3 3. ustawienie bryły w systemie CAM. Jeśli pracujemy w niezależnym systemie CAM, można to zrobić w module CAD tego programu. Po wczytaniu obiektu bryłowego, funkcjami do przesuwania i obracania, ustawiamy geometrię PO względem domyślnego układu współrzędnych systemu CAM. 4. zdefiniowanie nowego punktu zerowego w systemie CAM. Realizuje się to tworząc nowy maszynowy układ współrzędnych (czyli nowy punkt zerowy PO) w wybranym przez nas miejscu. Rysunek 3.3.11. Widok izometryczny matrycy ustalonej i zamocowanej na stole frezarki Po wczytaniu modelu PO do systemu CAM oraz po ustawieniu maszynowego układu współrzędnych, definiuje się geometrię półfabrykatu. Ponadto w wielu systemach 3D CAM istnieje możliwość zdefiniowania geometrii uchwytów i innych elementów obrabiarki (rys. 3.3.11), w celu sprawdzania kolizji podczas symulacji obróbki. Wtedy potrzebne jest zamodelowanie w 3D CAD tych brył i wczytanie ich do CAM, a następnie określenie która bryła ma być przedmiotem obrabianym (czyli docelowym kształtem jaki chcemy wyfrezować), która półfabrykatem, a która uchwytem. W bardziej zaawansowanych systemach 3D CAM, jest możliwość też symulowania pracy całej obrabiarki, ale wymaga to odpowiedniej konfiguracji w postprocesorze. Poniżej na rys. 3.3.12 pokazano przykład ustalenia modelu matrycy kuźniczej do frezowania, przy pomocy trzech kamieni oraz dwóch łap, Strona 120 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC oczywiście do symulacji obróbki w CAM takie ustalenie nie jest potrzebne. Rysunek 3.3.12. Przykład ustalenia modelu matrycy kuźniczej na stole frezarki, przy pomocy elementów ustalających (tzw. kamieni i łap) Obróbka zgrubna Jeśli nie jest potrzebne wyrównanie boków kostki, pierwszą obróbką jest zwykle tzw. obróbka zgrubna, czyli wybranie materiału z zadanej objętości (w poniższy przykładzie z kieszeni). Obróbka zgrubna ma za zadanie jak najszybsze wybranie materiału, pozostawiając w jakiś naddatek dla następnych obróbek – kształtujących i wykańczających. Oczywiście podczas obróbki nie można zbytnio odkształcić lub uszkodzić przedmiotu obrabianego zbyt dużymi siłami skrawania. Przykład obróbki zgrubnej kieszeni matrycy kuźniczej pokazano na rys. 3.3.13 i 3.3.14. Skrawanie odbywa się frezem palcowym o średnicy 8 mm, przy czym szerokość skrawania wynosi 50% (czyli frez zbiera materiał połowa swojej średnicy). W parametrach obróbki zgrubnej ustawiono także głębokość skrawania równą 1 mm, a naddatek 0,5 mm, natomiast poziom bezpieczny ustawiono na wysokości Z=20mm. Wartość posuwu roboczego oraz wgłębnego oraz obroty frezu nie wpływają na kształt ścieżki. Strona 121 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.13. Widok na ścieżki obróbki zgrubnej realizowanej frezem palcowym o średnicy 8 mm Rysunek 3.3.14. Widok na szczegół z rys. 3.3.13 z pokazanymi ścieżkami frezu: pionowe linie przerywane – dojazdy i odjazdy do przedmiotu obrabianego ruchem szybkim, seledynowe odcinki proste – wjazd w materiał pod kątem do płaszczyzny XY, żółte linie krzywe – właściwa ścieżka robocza obróbki zgrubnej Strona 122 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.15. Wynik symulacji obróbki po samej obróbce zgrubnej frezem palcowym o średnicy 8 mm (pozostawiony naddatek 0,5 mm) Po wygenerowaniu ścieżek obróbki zgrubnej, wykonano wirtualną symulację obróbki, a jej wynik przedstawiono na rys. 3.3.15, natomiast na rys. 3.3.16 pokazano kolejne kroki tej symulacji w zbliżeniu matrycy kuźniczej w miejscu główki korbowodu. Symulacja obróbki jest rodzajem animacji, podczas której narzędzie kształtuje przedmiot obrabiany. Obróbka zgrubna resztek Jeśli obrabiany kształt matrycy ma wiele mniejszych zagłębień i podcięć (zakamarków), gdzie podczas obróbki zgrubnej wybranym frezem nie da się wybrać materiału, to można przeprowadzić następną obróbkę zgrubną narzędziem o mniejszej średnicy. Oczywistym jest, aby podczas frezowania mniejszym frezem, wybierać tylko nieusunięty materiał. Aby to uzyskać, w systemie EgeCAM trzeba, podczas definicji drugiej obróbki zgrubnej, wybrać parametr „obróbka resztek”. Dzięki temu, zamiast od razu skrawać wszystko mniejszym frezem, można zdecydowanie (nawet kilkakrotnie) skrócić czasu obróbki. Takich „dodatkowych” obróbek zgrubnych można przeprowadzić kilka, przy czym wziąć powinno się czas przygotowania i wymiany narzędzia. Strona 123 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.16. Kolejne wybrane etapy symulacji obróbki zgrubnej Przykład drugiej obróbki zgrubnej (tzw. obróbki resztek) pokazano na rys. 3.3.17 i 3.3.18. Przeprowadzono ją frezem palcowym o średnicy 3 mm, wykonywanej także połową freza i pozostawiającą 1 mm naddatku. Wynik symulacji obróbki pokazano na rys. 3.3.19. Strona 124 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.17. Widok na ścieżki drugiej obróbki zgrubnej (tzw. obróbki resztek) realizowanej frezem palcowym o średnicy 3 mm Rysunek 3.3.18. Widok od góry na ścieżki obróbki zgrubnej resztek wykonanej frezem palcowym o średnicy 3 mm Strona 125 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.19. Wynik symulacji obróbki po pierwszej obróbce zgrubnej oraz po drugiej obróbce zgrubnej resztek. Żółte powierzchnie obrabiane wyłącznie frezem o średnicy 8 mm w pierwszej obróbce zgrubnej, natomiast niebieskie powierzchnie obrabiane dodatkowo frezem o średnicy 3 mm podczas tzw. obróbki resztek Obróbka wykańczająca płaskich ścian Po obróbce zgrubnej kieszenie matrycy kuźniczej następuje zwykle obróbka kształtująca, a po niej wykańczająca. Jeśli pozostały materiał po obróbce zgrubnej jest w postaci niewielkich schodków, często prowadzi się już obróbkę wykańczającą, bez kształtującej. Do obróbek wykańczających stosujemy tzw. cykle powierzchniowe, czyli funkcje które generują ścieżki wyłącznie w jednej warstwie (na powierzchni PO), w odróżnieniu do obróbek zgrubnych, które tworzą ścieżki w pewnej objętości. Przykładem obróbki wykańczającej jest obróbka płaskich ścian, jeśli pozostał na nich naddatek po obróbce zgrubnej. W EdgeCAM funkcja ta nazywa się „płaskie regiony”, a wynik jej działania pokazano na rys. 3.3.20 i 3.3.21. Tę obróbkę wykonano także frezem palcowym o średnicy 3 mm, pozostawiając zerowy naddatek. Wynik symulacji skrawania po obu obróbkach zgrubnych oraz po obróbce wykańczającej płaskich ścian kieszeni pokazano na rys. 3.3.22. Strona 126 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.20. Widok na ścieżki obróbki wykańczającej płaskich ścian kieszeni matrycy frezem palcowym o średnicy 3 mm Rysunek 3.3.21. Szczegół z rys. 3.3.20 pokazujący ścieżki obróbki wykańczającej płaskich ścian wewnątrz kieszeni Strona 127 ROZDZIAŁ 3 Rysunek 3.3.22. Wynik symulacji skrawania po dwóch obróbkach zgrubnych oraz obróbce wykańczającej płaskich ścian kieszeni oznaczonych na jasnoszaro Obróbka wykańczająca pochyłych ścian Obróbka wykańczająca pochyłych ścian odbywa się trzpieniowymi frezami kulistymi. Może ona być realizowana jedną z kilku strategii tj. wierszowanie, profilowanie, obróbka koncentryczna. Są to też funkcje powierzchniowe, które generują ścieżki narzędzi na ścianach przedmiotu obrabianego. Przykładem obróbki wykańczającej pochyłych ścian jest profilowanie, w której ścieżki układane są na powierzchniach wg kolejnych warstw. Ścieżki takiej obróbki pokazano na rys. 3.3.23. Tę obróbkę wykonano frezem kulistym o średnicy 5 mm, pozostawiając zerowy naddatek, natomiast gęstość ścieżek określono na 0,07 mm. Wynik symulacji obróbki po cyklach zgrubnych, płaskich regionami oraz po profilowaniu pokazano ponadto na rys. 3.3.24. Na tym rysunku powierzchnie obrobione w profilowaniu oznaczono na ciemnoszaro. Strona 128 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Rysunek 3.3.23. Widok na ścieżki obróbka wykańczającej – cykl profilowanie (frez kulisty ø5 mm) Rysunek 3.3.24. Wynik symulacji obróbki cyklami: zgrubnymi, płaskimi regionami i profilowaniem Obróbka wykańczająca naroży Jeżeli po obróbkach wykańczających płaskich i pochyłych ścian pozostają nie w pełni obrobione przejścia pomiędzy tymi ścianami, to stosowana jest jeszcze tzw. obróbka naroży. Jest ona istotna przy wewnętrzStrona 129 ROZDZIAŁ 3 nych promieniach zaokrąglenia, gdzie został nieobrobiony materiał. taka obróbkę realizuje się zwykle frezami kulistymi. Ścieżki obróbki naroży pokazano na rys. 3.3.25, a sam wynik symulacji obróbki na rys. 3.3.26. Obróbkę tę wykonano frezem kulistym o średnicy 1,9 mm, ponieważ wewnętrzny promień zaokrąglenia wynosił 2 mm. Na rys. 3.3.26 powierzchnie skrawane obróbką naroży oznaczono na niebiesko. Rysunek 3.3.25. Widok na ścieżki narzędzia obróbki naroży Rysunek 3.3.26. Wynik symulacji obróbki cyklami: zgrubnymi, płaskimi regionami, profilowaniem oraz obróbką naroży Strona 130 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC Wykonanie prototypu Na rysunku 3.3.27 pokazano wykonaną w płycie narzędziowej LAB 920 podobną makietę matrycy kuźniczej. Projekt ten został wykonany w ramach studenckich prac na Wydziale SiMR PW pod kierunkiem dr inż. Piotra Skawińskiego. Materiał LAB 920 jest łatwo-obrabialnym tworzywem poliuretanowym, produkowanym w postaci płyt o grubościach 50mm, 100mm i 150mm przez firmę Axon. Producent zaleca, aby materiał ten obrabiać z parametrami przedstawionymi w tabeli 3.3.1. Więcej na temat doboru parametrów skrawanie dla innych materiałów obrabianych przedstawiono w następnym rozdziale. Rysunek 3.3.27. Zdjęcie wykonanej na 3-osiowej pionowej frezarce CNC podobnej makiety matrycy kuźniczej Tabela 3.3.1. Zalecana parametry skrawania dla płyt LAB 920 [Amod] Parametry obróbki : Prędkość skrawania (m / min ) Prędkość posuwu (mm / ostrze) Obróbka zgrubna 100 - 400 0,3 Obróbka wykańczająca 400 0,06 Strona 131 ROZDZIAŁ 3 3.4. Literatura Zalecana literatura dot. programowania obrabiarek CNC 1. Stach B., Podstawy programowania obrabiarek sterowanych numerycznie. Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999. 2. Praca zbiorowa, Podstawy obróbki CNC. Wydawnictwo REA, Warszawa 2002. 3. Praca zbiorowa, Programowanie obrabiarek CNC. Frezowanie. Wydawnictwo REA, Warszawa 2002. 4. Praca zbiorowa, Programowanie obrabiarek CNC. Toczenie. Wydawnictwo REA, Warszawa 2002. 5. Habrat W., Operator obrabiarek sterowanych numerycznie. Wydawnictwo KaBe, Krosno, 2007. Zalecana literatura dot. użytkowania systemów CAM 6. Augustyn K., EdgeCAM. Komputerowe wspomaganie wytwarzania. Wydawnictwo Helion, Gliwice 2006. 7. Augustyn K., NX CAM. Programowanie ścieżek dla obrabiarek CNC. Wydawnictwo Helion, Gliwice 2009. Źródła rysunków [Amod] – materiały informacyjne firmy Amod na temat płyt modelowych i narzędziowych firmy Axson (www.amod.com.pl); [Avia] – materiały informacyjne Fabryki Obrabiarek Precyzyjnych AVIA (www.avia.com.pl); [Knuth] –materiały informacyjne producenta obrabiarek skrawających marki Knuth (www.knuth.pl). [MTS] – praca zbiorowa: Programowanie obrabiarek CNC. Frezowanie. Wydawnictwo REA, Warszawa 2002. Strona 132 PROGRAMOWANIE OBRÓBKI NA TOKARKI I FREZARKI CNC [Skawiński] – prezentacja do wykładu „Technologia Budowy Maszyn” dr inż. Piotr Skawińskiego dla studentów PW SiMR (http://ipbm.simr.pw.edu.pl/ztps/); [WAFO] – materiały informacyjne Warszawskiej Fabryki Obrabiarek WAFO (www.wafo.pl); [Xtech] – materiały informacyjne serwisu internetowego nt. maszyn technologicznych i narzędzi (www.obrabiarki.xtech.pl); [ZeroOSN] – dokumentacja techniczna wałka atakującego z pakietu Zero-OSN firmy ZERO (www.zero.waw.pl). Strona 133 ROZDZIAŁ 3 Strona 134 4 Dobór narzędzi i parametrów skrawania W tym rozdziale: o o o o o o Podstawowe wskazania do doboru parametrów skrawania Materiały narzędziowe Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy toczeniu Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy obróbce otworów Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy frezowaniu Dobór ściernicy i parametrów skrawania przy szlifowaniu ROZDZIAŁ 4 4.1. Wskazania podstawowe. Materiały narzędziowe Dobór parametrów skrawania i narzędzi powinien umożliwić osiągnięcie zakładanych rezultatów obróbki przy możliwie najniższych kosztach obróbki lub przy możliwie największej wydajności. Przeważnie uznaje się za istotniejsze kryterium najniższych kosztów. Parametry skrawania dobieramy w następującej kolejności: głębokość skrawania, posuw, prędkość skrawania. Przyjmuje się możliwie największą głębokość skrawania i posuwu. Natomiast prędkość dobieramy tak, by zostało spełnione kryterium ekonomiczne lub wydajnościowe. (Prędkość skrawania przyjmowana z tablic polecanych przez producentów narzędzi usytuowana jest pomiędzy kryterium ekonomicznym i wydajnościowym.) Głębokość skrawania, należy przyjmować możliwie największą, a więc równą naddatkowi przewidzianemu na daną obróbkę. Występują jednak czynniki powodujące konieczność ograniczenia głębokości skrawania. Są to: wytrzymałość i sztywność układu obrabiarka – przedmiot – narzędzie, dopuszczalny moment obrotowy silnika obrabiarki oraz wymiary ostrza narzędzia. Czynniki te mogą powodować konieczność zdejmowania naddatku w dwu lub w większej liczbie przejść. Posuw także należy przyjmować możliwie największy. Czynniki ograniczające wartość posuwu wynikają, podobnie jak w przypadku głębokości skrawania, z wytrzymałości i sztywność układu obrabiarka – przedmiot – narzędzie, dopuszczalnego momentu obrotowego silnika obrabiarki oraz wymiarów ostrza narzędzia. Jest to oczywiste, gdyż głębokość i posuw określają przekrój warstwy skrawanej, a więc mają zasadniczy wpływ na wartość siły skrawania. Dodatkowo należy uwzględnić związek pomiędzy posuwem i chropowatością powierzchni, gdyż w przypadku niektórych narzędzi zwiększeniu posuwu odpowiada wyraźne zwiększenie wysokości nierówności powierzchni, tak jest na przykład przy toczeniu nożem tokarskim. Szybkość skrawania zamyka dobór parametrów skrawania i jest przyjmowana tak, by spełnić założone kryterium ekonomiczne lub wydajnościowe. Jakiemu kryterium odpowiada szybkość skrawania zależy od Strona 136 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA tego czy okres trwałości ostrza został przyjęty ze względu na kryterium wydajnościowe Tw, czy ze względu na kryterium ekonomiczne Te. Przeważnie przyjmuje się tzw. zalecany okres trwałości noża Tz. Jest on usytuowany pomiędzy Tw i Te. Szybkość skrawania odpowiadającą przyjętemu okresowi trwałości ostrza nazywa się okresową szybkością skrawania vT. Na przykład v60 oznacza, że okresowa prędkość skrawania odpowiada okresowi trwałości ostrza wynoszącemu 60 minut. Okresową szybkość skrawania można obliczać z wzorów empirycznych, lecz najczęściej przyjmowana jest z odpowiednich normatywów [2, 3, 4, 6]. Przy obróbce zgrubnej może wystąpić konieczność ograniczenia przyjętej szybkości skrawania lub ewentualnie innych parametrów skrawania ze względu na moc obrabiarki. Poza wymienionymi czynnikami mogą występować także inne okoliczności mające wpływ na dobór parametrów skrawania, związane z prawidłowością przebiegu procesu skrawania, np. związek pomiędzy prędkością skrawania i tendencją do tworzenia narostu. Istotność poszczególnych czynników ograniczających dobór parametrów skrawania zależy od charakteru obróbki: zgrubna, wykańczająca. Przy obróbce zgrubnej będą to ograniczenia wynikające ze względów wytrzymałościowych oraz ze względu na moment obrotowy i moc silnika obrabiarki. Przy obróbce wykańczającej ograniczenia będą wynikać z ewentualnych odkształceń przedmiotu obrabianego i wpływu parametrów, głównie posuwu, na chropowatość powierzchni. Materiały narzędziowe. W obróbce maszynowej na ostrza narzędzi stosowane są: stale narzędziowe stopowe, stale szybkotnące, stopy twarde, węgliki spiekane, spieki ceramiczne, materiały supertwarde. Największe zastosowanie mają: stal szybkotnąca i węgliki spiekane. Rodzaje stali szybkotnących wyszczególniono w tabl. 4.1. Strona 137 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.1. Gatunki stali szybkotnących i ich zastosowanie Znak stali Charakterystyka Zastosowanie SW18 Do obróbki zgrubnej i wykańczającej Noże tokarskie i strugarskie, wiertła, gwintowniki, frezy. SW12 Do obróbki zgrubnej i wykańczającej. Noże tokarskie, wiertła, gwintowniki, Wysoka odporność na ścieranie. frezy. SW7M Stal uniwersalna. Ze względu na dużą Wiertła, narzędzia do nacinania ciągliwość szczególnie polecana na gwintów, rozwiertaki, frezy. narzędzia narażone na skręcanie. SK5 Do obróbki zgrubnej i wykańczającej Przecinaki, noże do gwintowania, materiałów o dużej wytrzymałości. narzędzia do nacinania kół zębatych. SK5V Do obróbki wykańczającej materiałów o Noże tokarskie, wiertła, gwintowniki, dużej wytrzymałości frezy, dłutaki. SK5M Do obróbki materiałów trudnoskrawal- Noże tokarskie i strugarskie, noże tonych, stali austenitycznych i żeliw. karskie kształtowe, narzędzia do nacinania kół zębatych, frezy. SK8M Do obróbki zgrubnej i wykańczającej Na narzędzia do pracy na automastali twardych i austenitycznych przy tach. zwiększonych prędkościach skrawania. SK10V Do obróbki zgrubnej i wykańczającej Na narzędzia do pracy na automastali twardych, austenitycznych i nie- tach, do wydajnej obróbki na tokarrdzewnych, przy zwiększonych pręd- kach, frezarkach i strugarkach. kościach skrawania. Zastosowanie krajowych gatunków węglików spiekanych wg PN-88/H89500 podano w tabl.4.2. Litery na początku znaku gatunku oznaczają: S - węgliki spiekane (grupa gatunków) stosowane do obróbki skrawaniem materiałów dających długi wiór, głównie do obróbki stali i staliwa. Litera M dodana po literze S oznacza gatunek przeznaczony głównie do frezowania stali. U- węgliki spiekane stosowane do obróbki skrawaniem materiałów dających długi wiór i do materiałów dających wiór krótki. H- węgliki spiekane stosowane do obróbki skrawaniem materiałów dających krótki wiór, głównie do obróbki żeliwa. TC- węgliki spiekane powlekane warstewką węglika tytanu. TN- węgliki spiekane powlekane dwu lub wielowarstwowo (węglik tytanu, azotek tytanu, tlenek glinu. Strona 138 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Litery na końcu znaku gatunku oznaczają: S- gatunki zawierające węglik tantalu i węglik niobu. X- gatunki przeznaczone przede wszystkim na narzędzia do frezowania żeliwa. N- gatunki o podwyższonej ciągliwości. H2- gatunki przeznaczone głównie na narzędzia do skrawania materiałów dających krótki wiór, zwłaszcza do skrawania żeliwa. Tablica 4.2. Zastosowanie wybranych węglików spiekanych S10S, S10, P10 Obróbka dokładna, średnio dokładna i zgrubna stali i staliwa U10S, M10 Obróbka wykańczająca stali, staliwa, żeliwa szarego, żeliwa sferoidalnego, stali manganowych, stali żarowytrzymałych, metali nieżelaznych S20S, S20, P20 NT15, NT25: Obróbka średnio dokładna i zgrubna stali, staliwa i żeliwa ciągliwego S25S, P25 Obróbka zgrubna i średnio dokładna stali i żeliwa H10S, H10, K10, NTH2 Obróbka zgrubna i wykańczająca żeliwa o twardości 220 HB H15X, H20S, K20, H20, NTH2 Obróbka zgrubna lub wykańczająca żeliwa o twardości ~ 220 HB; stopów metali nieżelaznych, tworzyw sztucznych S30S, S30 P30 Obróbka zgrubna i średnio dokładna stali i staliwa z zanieczyszczeniami S40S P40 NT35, TC35 Obróbka zgrubna stali i staliwa z jamami usadowymi i zapiaszczeniami 2 Niebieska 2 H03, K05 Obróbka wykańczająca żeliwa o twardości 500 HB, stali hartowanej, tworzyw sztucznych H30 K30 Obróbka zgrubna żeliwa o twardości ~ 220 HB , metali nieżelaznych Żółta Czerwona Barwy rozpoznawcze wg PN-ISO 513:1999 Strona 139 ROZDZIAŁ 4 4.2. Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy toczeniu Noże tokarskie w zależności od sposobu zamocowania dzieli się na: • noże imakowe mocowane w imaku nożowym tokarki, • noże oprawkowe mocowane w oprawkach nożowych. W zależności od konstrukcji rozróżnia się noże tokarskie: • jednolite, • zgrzewane, • z wlutowaną płytką skrawającą, • z mechanicznie mocowana płytką skrawającą. Ze względu sposób kształtowania powierzchni obrabianej, noże tokarskie dzieli się na: • punktowe • kształtowe • obwiedniowe. Na ostrza skrawające noży tokarskich stosuje się wszystkie współczesne materiały narzędziowe, poczynając od stali szybkotnących. Noże tokarskie są przedmiotem wielu Polskich Norm, w tym: Strona 140 • PN-91/M-58351 Narzędzia do skrawania metali - Noże tokarskie imakowe z częścią roboczą ze stali szybkotnącej • PN-91/M-58352 Narzędzia do skrawania metali - Noże tokarskie imakowe z płytkami z węglików spiekanych • PN-ISO 241:1997 Chwyty noży do toczenia i strugania Kształty i wymiary przekroju DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA • PN-93/M-58355 Noże tokarskie z płytkami z węglików spiekanych - Oznaczenie i cechowanie • PN-ISO 5608:2001 Noże składane do toczenia i kopiowania oraz wkładki nożowe z płytkami wymiennymi – Oznaczenie • PN-ISO 5610:1997 Noże punktowe składane do toczenia i kopiowania, z płytkami wieloostrzowymi (wymiennymi). Wymiary • PN-80/M-58670 Narzędzia do skrawania metali. Noże oprawkowe do tokarek rewolwerowych i automatów tokarskich • PN-M-59786:1989 Narzędzia do skrawania metali – Wkładki nożowe mikrometryczne – Wymiary. W dokumentacji technologicznej wyszczególnienie stosowanych narzędzi powinno zawierać: symbol noża, wielkość nominalną, symbol materiału ostrza i numer normy, np. NNPe 3220-S10, PN-91/M-58355. Noże imakowe. Przykłady noży imakowych i ich zastosowania podano na rys. 4.1. Strona 141 ROZDZIAŁ 4 9 10 11 1 L.p. 2 3 4 Symbol 5 6 Nazwa 7 8 Wysokość trzonka h mm 1. NNZa, NNZb proste prawe (a) i lewe (b) 10 ÷ 50 2. NNZc, NNZd wygięte prawe (c) i lewe (d) 10 ÷ 50 3. NNPe spiczaste 10 ÷ 50 4. NNBc, NNBd boczne wygięte 16 ÷ 50 5. NNBe, NNBF boczne odsadzone 10 ÷ 50 6. NNPd szerokie 20 ÷ 50 7. NNBk, NNBm czołowe 20 ÷ 50 8. NNPa, NNPc przecinaki 12 ÷ 50 9. NNWa wytaczaki proste 08 ÷ 32 10. NNWb wytaczaki spiczaste 08 ÷ 32 11. NNWc wytaczaki hakowe 08 ÷ 32 Przyjęty jest następujący ciąg wymiarów wysokości h: 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50. Stosunek wysokości trzonka noża h do jego szerokości b może wynosić: 1; 1,25; 1,60; 2,00. Np. wymiary trzonka noża NNPe mogą być następujące: 16x16, 16x12, 16x10, 16x8. Relacja h:b = 1,60 jest uprzywilejowana. Norma przewiduje także trzonki o przekroju kołowym. Rysunek 4.1. Znormalizowane noże imakowe Systematycznie wzrasta zastosowanie noży składanych, z wieloostrzowymi płytkami z węglików spiekanych mocowanymi mechanicznie. Na rys. 4.2 i 4.3 pokazano dwa systemy mocowania płytek wieloostrzowych Secodex-S i Secodex-P, firmy SECO TOOLS AB. Strona 142 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Rysunek 4.2. Secodex-S: 1-trzonek, 2-śruba zaciskowa, 3-płytka wieloostrzowa, 4-płytka podporowa, 5-łamacz wiórów, 6-śruba płytki podporowej [ 7 ] Rysunek 4.3. Secodex-P: 1-trzonek, 2-śruba zaciskowa, 3-płytka wieloostrzowa, 4-płytka podporowa, 5-klin zaciskowy, 6-trzpień ustalający, 7-nakrętka [ 7 ] Noże oprawkowe. Klasyczne noże oprawkowe przedstawiono na rysunku 4.4. Ostrza noży oprawkowych wykonane są ze stali szybkotnącej lub z węglików spiekanych. Noże te są mocowane w specjalnych oprawkach imakowych. Do noży oprawkowych można zaliczyć noże oprawkowe do Strona 143 ROZDZIAŁ 4 tokarek rewolwerowych i automatów tokarskich, rys.4.5 i rys.4.6. Podobne przeznaczenie mają także wkładki do wytaczadeł, rys.4.7. Rysunek 4.4. Zastosowanie noży oprawkowych: 1-nóż oprawkowy, 2-oprawka imakowa [3] Rysunek 4.5. Przykład toczenia zewnętrznego nożem oprawkowym osadzonym w głowicy tokarki rewolwerowej: 1-nóż oprawkowy, 2-oprawka, 3-głowica rewolwerowa [6] Strona 144 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Rysunek 4.6 Roztaczanie otworu na tokarce rewolwerowej: 1-nóż oprawkowy, 2-wytaczadło, 3-głowica rewolwerowa [6] Rysunek 4.7. Wkładki do wytaczadeł systemu Secodex-S Dobór parametrów skrawania przy toczeniu Głębokość skrawania i posuw. Podział całkowitego naddatku na obróbkę zależy od wymaganej dokładności wymiarowej i wymaganej chropowatości powierzchni. Jeżeli np. planowane jest toczenie danej powierzchni w trzech operacjach: toczenia zgrubnego, dokładnego i bardzo dokładnego, to ustalanie głębokości skrawania należy zacząć od opeStrona 145 ROZDZIAŁ 4 racji kończącej obróbkę. Naddatek na obróbkę zgrubną będzie równał się naddatkowi całkowitemu zmniejszonemu o głębokość skrawania w operacjach toczenia bardzo dokładnego i dokładnego. Jeżeli jest to możliwe to cały naddatek na obróbkę zgrubną należy zdjąć w jednym przejściu. Ustalając głębokość skrawania przy toczeniu zgrubnym należy zwrócić uwagę na zależność pomiędzy wymiarami ostrza dobranego noża i dopuszczalną z tego względu głębokością skrawania. Firmy wytwarzające narzędzia podają, jakie głębokości skrawania można stosować. Na przykład stosując trójkątne płytki wieloostrzowe głębokość skrawania powinna być tak dobrana, aby długość krawędzi skrawającej zaangażowanej w skrawanie nie przekraczała 0,25 całkowitej długości krawędzi skrawającej. Posuw, podobnie jak głębokość skrawania, przyjmuje się możliwie największą. Orientacyjne wartości głębokości skrawania i posuwu przy toczeniu stali, w zależności od charakteru obróbki, zestawiono w tabl. 4.3. Tablica 4.3. Orientacyjne wartości głębokości skrawania i posuwu przy toczeniu przedmiotów stalowych [6] Klasa dokładnośc i wg PN Ra [µm] Rz [µm] Toczenie zgrubne ≤ 11 20 ÷ 10 Średnio dokładne 11 ÷ 9 Odmiany toczenia Dokładne Bardzo dokładne „diamentowanie” Chropowatość g [mm] po [mm/obr] 80 ÷ 40 3,0 ÷ 40 0,3 ÷ 2,5 10 ÷ 1,25 40 ÷6,3 1÷3 0,15 ÷0,30 9÷7 2,5 ÷ 0,36 10 ÷ 3,2 0,55 ÷ 1,5 0,045 ÷ 0,15 7÷6 0,63 ÷ 0,16 3,2 ÷ 0,8 0,1 ÷ 0,5 0,020 ÷ 0,045 Przy skrawaniu zgrubnym ograniczenia w doborze głębokości skrawania i posuwu wynikają głównie ze względów wytrzymałościowych. Siła skrawania Fc zależy przede wszystkim od oporu właściwego materiału i od przekroju warstwy skrawanej. Przybliżoną wartość siły Fc oblicza się z zależności: Fc = kc Ac = kc g po gdzie: kc – opór właściwy skrawania, w N/mm2, Ac – nominalne pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej w mm2, Strona 146 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA g – głębokość skrawania w mm, po – posuw noża na jeden obrót przedmiotu obrabianego w mm. W rzeczywistości opór materiału zależy także od kształtu i pola przekroju warstwy skrawanej oraz od prędkości skrawania. Dokładniejszą wartość siły skrawania można określić przyjmując opór właściwy materiału kc’ w zależności od posuwu po, Fc = kc’ Ac = kc’ g po. Na rys.4.8 zamieszczono wykres3 pozwalający na przybliżone określenie wartości współczynnika kc’. Najdokładniejszą wartość siły skrawania uzyskuje się stosując wzory empiryczne uwzględniające rodzaj materiału obrabianego, kąty przystawienia i natarcia, promień zaokrąglenia wierzchołka noża i wpływ cieczy chłodząco-smarującej. Informacje i dane niezbędne do wykonania tych obliczeń są podane w wielu opracowaniach, w szczególności w poradnikach, np.: [2,3,4]. Siła skrawania Fc powinna być mniejsza od siły dopuszczalnej Fc dop ze względu na wytrzymałość trzonka noża, a w przypadku zastosowania węglików spiekanych, także ze względu na wytrzymałość płytki z węglików spiekanych. Wartość dopuszczalnej siły gnącej można określić z zależności: Fc dop = bh 2 , 6w σ g dop gdzie: b, h – szerokość i wysokość przekroju trzonka noża, w – wysunięcie ostrza noża, przeważnie przyjmuje się w = (1,5 ÷ 2)h, σg dop – dopuszczalne naprężenia gnące, dla noży przyjmuje się równe 196 MPa. 3 Wykres sporządzono na podstawie danych z Poradnika tokarza [ ]. Strona 147 ROZDZIAŁ 4 4600 4100 3600 k c' MPa 3100 2600 2100 1600 1100 600 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 po m m /obr 500 MPa 500-600 MPa 700-850 MPa 850-1000 MPa 200-250 HB 250-400 HB Rysunek 4.8. Wartości współczynnika kc’ dla stali i żeliw Wartość siły skrawania powinna być również sprawdzona ze względu na odkształcenie przedmiotu obrabianego. Zagadnienie to ma zasadnicze znaczenie przy toczeniu dokładnym. Odkształcenie przedmiotu obrabianego zależy od jego materiału, kształtu i wymiarów oraz od działającej siły i sposobu zamocowania. Przyjmuje się, że odkształcenie fdop, rys. 4.9, stanowi 0,35 tolerancji wykonania. Przy toczeniu zgrubnym przyjmuje się większe odkształcenie dopuszczalne, równe 0,001d. a) l l fy Fy fy Fy b) Rysunek 4.9. Ugięcie wałka pod wpływem siły promieniowej Fy W przypadkach podanych na rys. 4.9 będzie: - przy toczeniu wałka zamocowanego w kłach Strona 148 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA f y = 0,424 F y λ3 Ed ≤ f y dop , - przy toczeniu wałka zamocowanego w uchwycie f y = 6,8 F y λ3 Ed ≤ f y dop , gdzie: Fy – siła odporu, można przyjąć Fy=(0,4÷0,6)Fc, λ = l/d – smukłość wałka, E ≈ 200 000 MPa. Przy toczeniu zgrubnym należy także sprawdzić, czy moment skrawania Mc nie przekracza dopuszczalnego momentu obrotowego Mdop na wrzecionie tokarki. Mc = (d/2)Fc ≤ Mdop Nm gdzie: d – średnica powierzchni skrawanej w m. Zalecane wartości głębokości skrawania i posuwu na obrót dla toczenia zgrubnego zestawiono w tablicach 4.4 i 4.5. Strona 149 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.4. Posuw dla toczenia zgrubnego [4] Materiał obrabiany: stal Wymiar trzonka noża [mm] Materiał ostrza węgliki spiekane stal szybkotnąca Głębokość skrawania [mm] do: Średnica materiału obrabianego [mm] do: 3 5 20 0,3 ÷ 0,4 - - 40 60 100 400 0,4 ÷ 0,S 0,5 ÷ 0,7 0,6 ÷ 0,9 0,6 ÷ 1,2 0,3 ÷ 0,4 0,4 ÷ 0,6 0,5 ÷ 0,7 0,8 ÷ 1,0 8 3 5 8 0,3 ÷ 0,4 - - 0,3 ÷ 0,S 0,5 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,8 0,7 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,3 0,5 ÷ 0,7 0,6 ÷ 0,8 0,9 ÷ 1,1 0,4 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,0 Posuw [mm/obr] 16x25 20 0,3 ÷ 0,4 - - 0,3 ÷ 0,4 - - 20x30 25x25 40 60 100 600 0,4 ÷ 0,5 0,6 ÷ 0,7 0,8 ÷ 1,0 1,2 ÷1,4 0,3 ÷ 0,4 0,5 ÷ 0,7 0,7 ÷ 0,9 1,0 ÷ 1,2 0,4 ÷ 0,6 0,5 ÷ 0,7 0,8 ÷ 1,0 0,4 ÷ 0,5 0,7 ÷ 0,8 0,9 ÷ 1,1 1,2 ÷ 1,4 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,0 1,1 ÷ 1,4 0,7 ÷ 0,9 1,0 ÷ 1,2 60 0,6 ÷ 0,9 0,5 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,7 - - - 25x40 100 1100 0,8 ÷ 1,2 1,2 ÷ 1,5 0,7 ÷ 1,1 1,1 ÷ 1,5 0,8 ÷ 0,9 0,9 ÷ 1,2 - - - 30x45 500 1,1 ÷ 1,4 1,1 ÷ 1,4 1,0 ÷ 1,2 - - - 40x60 2500 1,3 ÷ 2,0 1,3 ÷ 1,8 1,2 ÷ 1,6 - - - Materiał obrabiany: żeliwo 40 0,4 ÷ 0,5 - - 0,4 ÷ 0,5 - - 16x25 60 100 400 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,2 1,0 ÷ 1,4 0,5 ÷ 0,8 0,7 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,2 0,4 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,0 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,2 1,0 ÷ 1,4 0,5 ÷ 0,8 0,7 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,2 0,4 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,0 40 0,4 ÷ 0,5 - - 0,4 ÷ 0,5 - - 20x30 25x25 60 100 600 0,6 ÷ 0,9 0,9 ÷ 1,3 1,2 ÷ 1,8 0,5 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,2 1,2 ÷ 1,6 0,4 ÷ 0,7 0,7 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,3 0,6 ÷ 0,8 0,9 ÷ 1,3 1,2 ÷ 1,8 0,5 ÷ 0,8 0,8 ÷ 1,2 1,2 ÷ 1,6 0,4 ÷ 0,7 0,7 ÷ 1,2 1,1 ÷ 1,4 60 0,6 ÷ 0,8 0,5 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,7 0,6 ÷ 0,8 0,5 ÷ 0,8 0,4 ÷ 0,7 25x40 100 1000 1,0 ÷ 1,4 1,5 ÷ 2,0 0,9 ÷ 1,2 1,2 ÷ 1,8 0,8 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,4 1,2 ÷ 1,4 1,5 ÷ 2,0 0,9 ÷ 1,2 1,2 ÷ 1,8 0,8 ÷ 1,0 1,0 ÷ 1,4 30x45 500 1,4 ÷ 1,8 1,2 ÷ 1,6 1,0 ÷ 1,4 - - - 40x60 2500 1,6 ÷ 2,4 1,6 ÷ 2,0 1,4 ÷ 1,8 - - - Strona 150 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.5. Posuw poprzeczny przy przecinaniu nożem przecinakiem wykonanym ze stali szybkotnącej Materiał obrabiany Stal Żeliwo Średnica przecinana i szerokość ostrza noża 30 50 120 360 3 4 7 12 Posuw po w mm/obr. 0,05 ÷ 0,08 0,06 ÷ 0,10 0,08 ÷ 0,12 0,12 ÷ 0,17 0,18 ÷ 0,27 0,10 0,13 0,16 0,23 0,37 18 2 Przy toczeniu nożem tokarskim można określić teoretyczną chropowatość na podstawie geometrii ostrza i posuwu, rys. 4.10. Teoretyczna wysokość nierówności zależy od kątów przystawienia κ i κ’, promienia zaokrąglenia wierzchołka noża rε i od posuwu po. Przy dużym posuwie i braku lub niewielkim promieniu zaokrąglenia wierzchołka noża nierówności kształtowane są przez prostoliniowe odcinki głównej i pomocniczej krawędzi skrawającej, rys. 4.10a. Wysokość nierówności w tym przypadku wyniesie: R = po tg κ ⋅ tg κ ' mm tg κ + tg κ ' b) κ' R rε R a) κ po po Rysunek 4.10. Teoretyczna wysokość nierówności Przy kształtowaniu nierówności przez zaokrąglony wierzchołek ostrza, rys. 4.10b, wysokość nierówności, z pewnym przybliżeniem, można określić z zależności: R= po mm. 8rε Rzeczywista wysokość nierówności jest większa od teoretycznej. Spowodowane jest to odkształceniami plastycznymi powierzchni skrawanej, a także różnymi zdarzeniami występującymi podczas skrawania, np. drganiami i narostem. Strona 151 ROZDZIAŁ 4 Szybkość skrawania vc. Orientacyjne wartości szybkości skrawania przy toczeniu zestawiono w tabl. 4.6. Tablica 4.6. Orientacyjne wartości szybkości skrawania przy toczeniu Materiał ostrza Stal szybkotnąca Rodzaj obróbki Toczenie zgrubne Materiał obrabiany Węgliki spiekane Toczenie dokładne Toczenie zgrubne Toczenie dokładne Szybkość skrawania vc, m/min Stal 5 ÷ 40 10 ÷ 50 20 ÷ 120 40 ÷ 250 Staliwo 15 ÷ 25 20 ÷ 35 30 ÷ 90 60 ÷120 Żeliwo 15 ÷ 25 15 ÷ 40 40 ÷ 90 50 ÷110 Stopy metali lekkich 70 ÷ 150 100 ÷ 300 150 ÷ 1000 150 ÷ 1000 Szybkość skrawania powinna być dostosowana do okresu trwałości ostrza. Dla noży tokarskich, w zależności od rodzaju ostrza, stosowane są następujące zalecane okresy trwałości: • ze stali szybkotnące, T = 20 ÷ 120 min, najczęściej 60 min., • z węglików spiekanych, płytki lutowane, T = 10 ÷ 60 min., • z węglików spiekanych, płytki wieloostrzowe, T = 5 ÷ 30 min, najczęściej 15 min., • ze spieków ceramicznych, T = 3 ÷ 10 min. Okresową szybkość skrawania można obliczać z wzorów uwzględniających szereg wielkości charakteryzujących warunki skrawania [3, 6, 7] lub przyjmować ze szczegółowych zestawień zalecanych wartości okresowej szybkości skrawania, podanych w normatywach opracowanych przez Instytut Obróbki Skrawaniem oraz w opracowaniach producentów narzędzi [4, 8]. Po określeniu szybkości skrawania, przy toczeniu zgrubnym, powinno się porównać wymaganą moc skrawania Pskr i moc silnika tokarki Ps: Pskr = Fc ⋅ v < η ⋅ Ps 60 gdzie: η - sprawność silnika i obrabiarki, przeważnie η = 0,75. Strona 152 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Przykłady warunków skrawania przy toczeniu zestawiono w tablicach4: • toczenie wzdłużne stali i żeliwa: tabl.: 4.7÷4.15, • toczenie poprzeczne (planowanie) stali i żeliwa: tabl.: 4.16÷4.21, • wytaczanie, roztaczanie, stali i żeliwa: tabl.: 4.22÷4.25, • toczenie gładkościowe: tabl.: 4.26÷4.27. Tablica 4.7. Zalecane parametry skrawania stali węglowych przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami wieloostrzowymi czworokątnymi Geometria ostrza bezścinowego -6o 6o -6o 0,8 mm 75o 15o γo αo λs rε κr κ’r Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową czworokątną Posuw Głebokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 660÷545 508÷394 393÷286 0,25 1,0÷4,0 308÷253 235÷183 186÷133 0,50 1,0÷7,0 191÷157 145÷113 115÷82 Tablica 4.8. Zalecane parametry skrawania stali węglowych przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami wieloostrzowymi trójkątnymi Geometria ostrza bezścinowego -6o 6o -6o 0,8 mm 90o 30o γo αo λs rε κr κ’r 4 Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową trójkątną Posuw Głebokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷4,0 536÷413 248÷192 154÷118 0,25 1,0÷5,0 408÷305 189÷140 117÷87 0,50 1,0÷12,0 312÷209 143÷97 88÷60 Tablice parametrów skrawania opracowano na podstawie danych z prac: [ 3, 4] Strona 153 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.9 Zalecane parametry skrawania stali przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo=-5o γo=-10o dla stali o Rm=1050 αo=12o dla p<0,4 αo=8o dla p≥0, -4o λs 1,5 mm rε 60o κr >0o κ’r +5o γo o γo=+10 dla stali o Rm=1050 12o αo Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1,0 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr. g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3 415÷340 192÷158 119÷98 0,25 1,0÷4 316÷246 107÷83 91÷71 0,40 1,0÷8 274÷188 127÷86 79÷54 1,00 3,0÷8 171÷143 79÷66 49÷41 2,00 6,0÷8 144÷127 56÷54 35÷33 0,10 1,0÷3 351÷281 163÷134 101÷83 0,25 1,0÷4 286÷223 133÷103 77÷60 0,35 1,0÷5 242÷181 112÷87 73÷54 Tablica 4.10. Zalecane parametry skrawania stali przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego γo γoś αo λs rε κr κ’r Strona 154 15o -10 8o -4o 1,5 mm 60o >0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 329÷256 152÷119 95÷74 0,50 1,5÷10 224÷165 108÷76 67÷47 1,00 3,0÷10 167÷134 77÷62 48÷39 2,00 6,0÷10 119÷109 55÷50 34÷31 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.11. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami wieloostrzowymi czworokątnymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r -6o 6o -6o 0,8 mm 75o 15o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową czworokątną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - żeliwo. [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3 224÷184 173÷142 142÷117 0,25 1,0÷4 163÷126 126÷98 103÷80 0,50 1,0÷7 121÷89 95÷56 78÷56 Tablica 4.12. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami wieloostrzowymi trójkątnymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r -6o 6o -6o 0,8 mm 90o 30o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową trójkątną Posuw Głębokość Materiał obrabiany – żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷4 199÷154 139÷108 116÷90 0,25 1,0÷5 145÷108 101÷76 84÷63 0,50 1,0÷12 108÷70 76÷49 63÷41 Tablica 4.13. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r 5o 12o -4o 1,5 mm 60o >0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany – żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3 135÷111 95÷78 78÷64 0,25 1,0÷4 99÷76 69÷54 57÷44 0,35 1,0÷5 87÷65 61÷46 51÷38 Strona 155 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.14. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy toczeniu wzdłużnym powierzchni zewnętrznych nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego 15o -10 8o -4o 1,5 mm 60o >0o γo γoś αo λs rε κr κ’r Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 329÷256 152÷119 95÷74 0,50 1,5÷10 224÷165 108÷76 67÷47 1,00 3,0÷10 167÷134 77÷62 48÷39 2,00 6,0÷10 119÷109 55÷50 34÷31 Tablica 4.15 Zalecane parametry skrawania stali hartowanej (HRC 40 55) przy toczeniu wzdłużnym nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego -10o 12o -4o 1,5 mm 60o >0o γo αo λs rε κr κ’r Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową trójkątną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 400 450 550 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷2 80÷71 61÷54 32÷29 0,20 1,0÷2 66÷58 50÷44 26÷23 0,30 1,0÷2 58÷51 44÷39 23÷21 Tablica 4.16. Zalecane parametry skrawania stali przy planowaniu nożami z płytkami wieloostrzowymi czworokątnymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r Strona 156 -6o 6o -6o 0,8 mm 75o 15o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową czworokątną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 756÷620 350÷287 217÷178 0,25 1,0÷4,0 575÷447 266÷207 165÷129 0,50 1,0÷7,0 457÷325 212÷151 131÷93 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.17. Zalecane parametry skrawania stali przy planowaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r +5o 12o -4o 1,5 mm 60o > 0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 )* mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 461÷378 214÷175 133÷109 0,20 1,0÷4,0 374÷292 173÷135 107÷84 0,35 1,0÷5,0 317÷237 147÷110 91÷68 Tablica 4.18. Zalecane parametry skrawania stali przy planowaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego γo γoś αo λs rε κr κ’r 15o -10o 8o -4o 1,5 mm 60o >0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 1050 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 430÷335 199÷155 124÷96 0,50 1,5÷8 305÷225 141÷104 88÷65 1,00 3,0÷8 218÷183 101÷85 63÷53 2,00 6,0÷8 152÷148 72÷69 45÷43 Tablica 4.19. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy planowaniu nożami z płytkami wieloostrzowymi czworokątnymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r -6o 6o -6o 0,8 mm 75o 15o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 15 min; hp = 0,8 mm noże z płytką wieloostrzową czworokątną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 319÷263 226÷184 187÷152 0,25 1,0÷4,0 233÷181 164÷128 136÷106 0,50 1,0÷7,0 173÷124 124÷88 102÷73 Strona 157 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.20. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy planowaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego +5 12o o -4o 1,5 mm 60o > 0o γo αo λs rε κr κ’r Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 145÷119 102÷83 84÷68 0,20 1,0÷4,0 114÷88 80÷62 66÷51 0,35 1,0÷5,0 93÷70 66÷40 54÷41 Tablica 4.21. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy planowaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego 12o 0o 8o -4o 1,5 mm 60o >0o γo γoś αo λs rε κr κ’r Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - żeliwo [HB] p skrawania 170 200 230 )* mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 130÷102 92÷71 76÷59 0,50 1,5÷10 88÷62 62÷44 51÷36 1,00 3,0÷10 61÷49 43÷35 36÷29 2,00 6,0÷10 42÷38 30÷27 24÷22 )* Przy toczeniu żeliwa 230 HB przyjęto γo = -5o i γoś = 8o Tablica 4.22. Zalecane parametry skrawania stali przy wytaczaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r Strona 158 10o 12o -4o 1,5 mm 60o > 0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 950 )* mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 281÷230 130÷107 95÷78 0,20 1,0÷4,0 228÷177 106÷82 72÷56 0,35 1,0÷5,0 193÷144 89÷67 65÷49 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.23. Zalecane parametry skrawania stali przy wytaczaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego γo γoś αo λs rε κr κ’r 15o -10o 8o -4o 1,5 mm 60o >0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - stal. Rm [MPa] p skrawania 450 750 950 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 262÷204 121÷95 89÷69 0,50 1,5÷8 186÷132 86÷61 63÷45 1,00 3,0÷8 133÷107 62÷49 45÷36 2,00 6,0÷8 95÷87 44÷40 32÷29 Tablica 4.24. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy wytaczaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza bezścinowe. Geometria ostrza bezścinowego γo αo λs rε κr κ’r +5o 12o -4o 1,5 mm 60o > 0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głebokość Materiał obrabiany - żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,10 1,0÷3,0 110÷89 76÷62 62÷51 0,20 1,0÷4,0 85÷66 59÷46 49÷38 0,35 1,0÷5,0 70÷52 49÷36 40÷30 Tablica 4.25. Zalecane parametry skrawania żeliwa przy wytaczaniu nożami z płytkami lutowanymi. Ostrza ścinowe. Geometria ostrza ścinowego γo γoś αo λs rε κr κ’r 12o 0o 8o -4o 1,5 mm 60o >0o Materiał ostrza - węgliki spiekane S20, S20S, T = 60 min; hp = 1 mm noże z płytką lutowaną Posuw Głębokość Materiał obrabiany - żeliwo [HB] p skrawania 170 210 230 mm/obr g [mm] Prędkość skrawania v15 [m/min] 0,20 1,0÷4 98÷76 68÷53 56÷44 0,50 1,5÷10 66÷46 46÷33 38÷27 1,00 3,0÷10 46÷37 32÷26 26÷21 2,00 6,0÷10 31÷29 22÷20 18÷16 Strona 159 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.26. Zalecane naddatki na toczenie gładkościowe wzdłużne powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych. Materiał obrabiany Sposób toczenia Stal Żeliwo Naddatki [mm] Toczenie wzdłużne powierzchni zewnętrznych 0,1÷0,3 0,1÷0,4 Gładkościowe wytaczanie otworów jednym nożem 0,2÷0,3 0,3÷0,4 Gładkościowe wytaczanie otworów dwoma nożami: dla noża wstępnego dla noża wykańczającego 0,2÷0,3 0,2÷0,4 0,1 0,1 Tablica 4.27. Zalecane posuwy i prędkości skrawania przy toczeniu gładkościowym ostrzami z węglików spiekanych Materiał obrabiany Stal, staliwo Rm < 600 MPa Stal Rm = 600÷900 MPa Stal Rm >900 MPa Żeliwo Żl 18 Żeliwo Żl 26 Strona 160 Ra µm Toczenie wzdłużne Planowanie Wytaczanie Posuw p w mm/obr i prędkość skrawania v w m/min p v p v p v 10 0,20 100 0,15 100 0,15 80 2,5 0.10 120 0,08 120 0,10 90 0,63 0,05 130 0,02 130 0,05 100 10 0,25 100 0,20 80 0,20 80 2,5 0,12 120 0,08 90 0,12 90 0,63 0,04 130 0,02 100 0,04 100 10 0,20 50 0,25 50 0,25 50 2,5 0,15 60 0,08 60 0,15 55 0,63 0,04 70 0,02 70 0,04 65 10 0,30 100 0,20 100 0,30 80 2,5 0,10 120 0,08 120 0,10 90 0,63 0,05 130 0,03 130 0,05 100 10 0,25 100 0,20 80 0,20 80 2,5 0,10 120 0,08 90 0,10 90 0,63 0,04 130 0,03 100 0,04 100 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA 4.3. Dobór narzędzi i parametrów skrawania przy wierceniu, rozwiercaniu i pogłębianiu Wiertła. Wiertła kręte przeznaczone są do obróbki otworów w 12 ÷ 14 klasie dokładności, o średnicy od 0,10 mm do 100 mm i niezbyt długich, o długości nie przekraczającej 10d. Wykonywane są ze stali narzędziowej, najczęściej ze stali szybkotnącej, lub z węglików spiekanych. Symbol wiertła składa się z trzech dużych liter i jednej małej, np. NWKa. Dwie pierwsze litery (NW) oznaczają wiertło kręte, trzecia litera, materiał ostrza: K –stal, W – węgliki spiekane. Litera mała oznacza dodatkowe cechy wiertła, np rodzaj chwytu. Do obróbki otworów długich stosuje się wiertła lufowe, a przy średnicy powyżej 50 mm głowice do wiercenia. Nawiertaki. Służą do wykonania nakiełków w jednym zabiegu. Rozwiertaki. Służą do dokładnej obróbki otworów. Rozwiertaki zdzieraki pozwalają uzyskać do 9 klasy dokładności, a wykańczaki nawet 6 klasę dokładności. Mogą być wykonane jako trzpieniowe (NRT) w zakresie średnic od 3 do 100 mm, lub nasadzane (NRN) dla średnic 24,7÷100 mm. Część robocza wykonana jest ze stali szybkotnącej lub z węglików spiekanych. Pogłębiacze. Przeznaczone są do powiększenia średnicy otworu na pewnej długości lub odpowiedniego ukształtowania powierzchni czołowej otworu (rys. 2.17). Przykłady narzędzi do obróbki otworów zestawiono na rys.4.11. W zależności od średnicy otworów i wymaganej dokładności dobiera się odpowiednią liczbę wierteł i odpowiednie narzędzia, tabl. 4.28. Strona 161 ROZDZIAŁ 4 118 o a) NWKa b) NRTa c) NRTc d) NRNa e) NRNb f) NWRc Rysunek 4.11. Przykłady narzędzi do obróbki otworów: a) wiertło kręte z chwytem walcowym, b) rozwiertak zdzierak maszynowy trzpieniowy krótki z chwytem stożkowym Morse’a, c) rozwiertak wykańczak maszynowy trzpieniowy krótki, d) rozwiertak zdzierak nasadzany, e) rozwiertak wykańczak nasadzany, f) nawiertak do nakiełków zwykłych [6] Strona 162 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.28. Średnice wierteł i rozwiertaków według PN-74/M-57025 Średnica otworu Otwory w klasie 6 ÷ 10 wiercenie rozwiercanie wiertła kręte do kolejnych wierceń 1,5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 22 24 25 28 30 32 35 36 40 42 45 50 55 12 16 20 1,4 2,8 3,5 4,5 5,5 7 9 11 14,75 18,5 20,5 22,5 23,5 26,5 28,5 30,5 33 34 38 40 43 48 52 rozwiertak rozwiertak zdzierak wykańczak 3,8 4,8 5,8 7,8 9,8 11,75 15,75 19,7 21,7 23,7 24,7 27,7 29,7 31,6 34,6 35,6 39,6 41,6 44,6 49,6 54,2 Otwory w klasie 11 wiercenie rozwiercanie wiertła do kolejnych wierceń 1,5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 22 24 25 28 30 32 35 36 40 42 45 50 55 12 6 20 rozwiertak zdzierak do rozwiercania wykańczającego 1,5 2,8 3,8 4,8 5,8 7,5 9,5 11,5 15,5 19,5 21,5 23,5 24,5 27,5 29,5 31,5 34 35 39 41 44 49 53 3 4 5 6 8 10 12 16 20 22 24 25 28 30 32 35 36 40 42 45 50 55 W tablicy pominięto wykaz średnic wierteł i rozwiertaków dla obróbki otworów o średnicy powyżej 55 mm. Wiertła kręte o średnicach powyżej 50 mm zaleca się zastępować wiertłami o innej konstrukcji. Planując rozwiercanie należy dokładnie obliczyć średnicę rozwiertaka wykańczaka i rozwiertaka zgrubnego. Średnicę rozwiertaka do rozwiercania wykańczającego oblicza się ze wzoru: Dw = ( d max − R n )− t gdzie: dmax - górny wymiar graniczny otworu, Rn - zapas na przewidywane rozbicie otworu (0,15 T), t - tolerancja wykonania rozwiertaka (0,35 T), Strona 163 ROZDZIAŁ 4 T - tolerancja wykonania otworu. Przy obliczaniu średnicy rozwiertaka zdzieraka należy uwzględnić naddatek na rozwiercanie wykańczające: Dz = ( d nom − g w )− t gdzie: dnom - nominalny wymiar otworu (po rozwiercaniu wykańczającym), gw - naddatek na wykończenie (na średnicy), o wartości 0,2 ÷ 1 mm, t - tolerancja wykonania rozwiertaka (h8). Tablica 4.29. Średnie wartości posuwu przy wierceniu otworów wiertłami krętymi ze stali szybkotnącej w pełnym materiale Materiał obrabiany Średnica wiertła mm 2 6 10 16 30 Posuw mechaniczny mm/obr Stal Rm<600 MPa 0,06 0,13 0,25 0,33 0,50 Stal Rm<600÷900 MPa 0,04 0,09 0,18 0,25 0,38 Stal Rm<900÷1100 MPa 0,03 0,07 0,15 0,19 0,27 Żeliwo HB<170 0,09 0,18 0,39 0,51 0,75 Żeliwo HB>170 0,06 0,13 0,22 0,30 0,45 Przy obróbce otworów o długości ponad 3d posuwy należy zmniejszyć o 10÷25% Strona 164 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.30. Prędkość skrawania przy wierceniu otworów w pełnym materiale wiertłami krętymi Materiał obrabiany – stal Rm=650 MPa. Obróbka z chłodzeniem. Materiał ostrza – stal szybkotnąca Posuw mm/obr Średnica wiertła mm 2 6 10 20 30 Szybkość skrawania m/min 0,03 55 54 0,07 31 39 50 41 0,12 21 27 36 30 18 25 23 31 21 20 36 10 18 0,20 0,30 0,60 20 T min 6 10 30 Materiał obrabiany – żeliwo szare HB=190. Obróbka bez chłodzenia. Materiał ostrza – stal szybkotnąca 0,07 38 43 0,12 28 33 39 35 0,20 26 30 27 0,30 19 24 24 23 19 19 20 18 30 0,50 0,60 28 19 T min 12 18 42 Materiał obrabiany – stal hartowana. Obróbka bez chłodzenia. Materiał ostrza – węgliki spiekane H10 Twardość materiału obrabianego Średnica otworu Posuw mm/obr Szybkość skrawania m/min < 32 HRC 4÷32 0,02÷0,15 20÷25 32 HRC÷46 HRC 4÷32 0,015÷0,12 15÷20 >46 HRC 4÷32 0,01÷0,10 10÷15 T = 15 ÷ 30 min Strona 165 ROZDZIAŁ 4 Tablica 3.31. Posuw p, mm/obr, przy rozwiercaniu otworów rozwiertakami zgrubnymi (zdzierakami) i wykańczającymi. Rozwiertaki ze stali szybkotnącej. [7] Średnica otworu d, mm Materiał obrabiany Rm w MPa 5 10 15 20 30 Posuw p, mm/obr Stal Rm < 600 zgrubne wykańczające 0,06 ÷ 0,30 1,00 ÷ 0,50 0,90 ÷ 0,50 1,15 ÷ 0,60 1,50 ÷ 0,80 1,30 ÷ 0,65 1,60 ÷ 0,80 2,10 ÷ 1,05 Stal Rm = 600 ÷ 900 zgrubne wykańczające 0,50 ÷ 0,20 0,70 ÷ 0,40 0,90 ÷ 0,50 1,10 ÷ 0,60 0,80 ÷ 0,40 1,00 ÷ 0,50 1,30 ÷ 0,60 1,70 ÷0,80 Stal Rm = 900 ÷ 1100 zgrubne wykańczające 0,35 ÷ 0,20 0,50 ÷ 0,30 0,60 ÷0,30 0,80 ÷ 0,40 0,60 ÷ 0,30 0,40 ÷ 0,25 0,95 ÷ 0,45 1,25 ÷ 0,55 Żeliwo HB ≤ 170 zgrubne wykańczające 1,00 ÷ 0,50 1,70 ÷0,85 1,25 ÷ 0,60 1,50 ÷ 0,75 1,90 ÷ 0,95 2,20 ÷ 1,10 2,70 ÷ 1,35 3,50 ÷ 1,75 Żeliwo HB > 170 zgrubne 0,75 ÷ 0,40 0,90 ÷0,45 1,15 ÷ 0,60 wykańczające 0,60 ÷ 0,30 1,00 ÷ 0,50 1,30 ÷ 0,65 1,60 ÷ 0,80 2,10 ÷ 1,05 Tablica 4.32. Orientacyjne wartości prędkości skrawania przy rozwiercaniu w stali Rm=650 MPa otworów obrabianych rozwiertakami trzpieniowymi ze stali szybkotnącej, z chłodzeniem. Rozwiertaki ze stali szybkotnącej. Rodzaj rozwiercania Głębokość skrawania g Trwałość ostrza T Średnica otworu d, mm 5 10 15 20 30 Posuw p, mm/obr zgrubne 45÷26 37÷17 29÷16 g [mm] 0,50 0,50 0,75 T [mi]n 12 18 24 wykańczające 18÷13 18÷11 17÷7,5 16÷7 11÷4 g [mm] 0,1 0,15 0,20 0,25 0,25 T [min] 12 18 24 30 48 Strona 166 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.33. Orientacyjne wartości posuwu i prędkości skrawania przy pogłębianiu Materiał obrabiany Parametry skrawania Posuw po, mm/obr Prędkość skraw. v, m/min Uwagi Stal Rm < 600 MPa Stal Rm ≥ 600 MPa 0,08÷0,30 10÷18 z chłodzeniem 0,05÷0,25 5÷12 z chłodzenie m Żeliwo Stopy Al 0,10÷0,50 12÷18 bez chłodzenia 0,10÷0,50 40÷60 z chłodzeniem 4.4. Frezowanie Frezy W zależności od przeznaczenia frezy dzieli się na: • frezy do obróbki powierzchni płaskich: walcowe, walcowoczołowe i czołowe (do planowania lub pogłębiania), • frezy do rowków, • frezy do kół zębatych, • frezy do gwintów. Ze względu na sposób powiązania ostrzy z korpusem freza, rozróżnia się: • frezy jednolite • frezy zgrzewane, • frezy z ostrzami wlutowanymi, • frezy z ostrzami mocowanymi mechanicznie, • frezy z płytkami wieloostrzowymi mocowanymi mechanicznie. Strona 167 ROZDZIAŁ 4 Ze względu na sposób zamocowania frezy dzieli się na trzpieniowe i nasadzane. Oprócz frezów normalnych stosowane są także frezy specjalne. Są to frezy kształtowe, o zarysie dostosowanym do obróbki określonej powierzchni kształtowej. Najczęściej ostrza frezów są wykonywane ze stali szybkotnącej lub z węglików spiekanych. Przykłady normalnych frezów podano na rysunkach 4.12, 4.13, 4.15, 4.16. Obszerniejszy zestaw frezów znajduje się w opracowaniach [2], [6]. Frezy walcowe wykonywane są jako nasadzane, rys. 4.12 lub jako trzpieniowe. Śrubowa linia zębów pozwala na bardziej równomierną pracę freza. Frezy walcowe nasadzane mocowane są na trzpieniu frezarskim. Przy dużych szerokościach frezowania wskazane jest stosowanie frezów walcowych nasadzanych zespołowych (NFWc). Zaleca się stosowanie frezów o możliwie małej średnicy, lecz średnica freza nie powinna być mniejsza od dziesięciu głębokości frezowania przy małych szerokościach frezowania, a przy dużych szerokościach, od dwudziestu głębokości frezowania. W tablicy 4.34 podano zgodnie z PN-81/M57350 informacje o wymiarach zewnętrznych i liczbach zębów frezów walcowych nasadzanych. Odmiany z frezami drobnymi przeznaczone są do obróbki twardych materiałów, twardej stali i twardego żeliwa. Tablica 4.34 Średnica D, długość L i liczba zębów frezów walcowych nasadzanych NFWa (prawozwojnych) i NFWb (lewozwojnych) Odmiana D mm L mm A B Odmiana C Liczba ostrzy D mm 40 50 63 80 63 50 70 L mm A B C Liczba ostrzy 63 12 6 80 16 100 14 100 70 125 8 6 18 Frezy walcowo-czołowe, rys. 4.13 mogą skrawać powierzchnią walcową lub czołowa, lub najczęściej obiema powierzchniami. Wykonywane są jako nasadzane lub jako trzpieniowe. Podstawowe zastosowanie tych frezów to obróbka płaszczyzn o niezbyt dużych szerokościach (frezy nasadzane) i płaszczyzn o niewielkich szerokościach (frezy trzpieniowe). Wymiary zewnętrzne frezów walcowo-czołowych nasaStrona 168 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA dzanych, według PN-81/M-57390 (NFCa i NFCb) oraz według PN84/M-57392 (NFCg), zestawiono w tablicy 4.13. Rysunek 4.12 Frezy walcowe: a) nasadzane, b) zespołowe, c) trzpieniowe [6] Szczególnym przeznaczeniem frezów walcowo czołowych trzpieniowych jest wykonywanie rowków na wpusty, lecz nie uzyskuje się w ten sposób wysokiej dokładności wymiarowej szerokości rowka. Osadzenie wpustu wymaga więc dopasowania go do rowka. Najczęściej przed frezowaniem na obu krańcach rowka wierci się wiertłem otwory. Wtedy frez usuwa materiał pomiędzy tymi otworami. W celu dokładnego wykonania rowków na wpusty poleca się frezowanie frezami trzpieniowymi dwuostrzowymi na frezarce do wpustów. Strona 169 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4.35 Średnica D, długość L i liczba zębów frezów walcowychczołowych nasadzanych NFCa i NFCb ze stali szybkotnacej oraz NFCg z płytkami wieloostrzowymi Frezy ze stali szybkotnącej Frezy z płytkami wieloostrzowymi Odmiana D mm L mm A 40 32 6 50 36 8 63 40 8 80 45 10 100 50 10 6 125 56 160 63 12 8 B C Liczba ostrzy D mm 10 40 12 50 5 14 63 6 16 - 80 100 - 125 l mm 16,5 22 Liczba ostrzy 3 4 5 6 l – długość krawędzi skrawającej płytki wieloostrzowej trójkątnej Rysunek 4.13. Frezy walcowo-czołowe: a) nasadzane, b) trzpieniowe [6] Strona 170 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Frezy czołowe (głowice frezowe) są przeznaczone do obróbki płaszczyzn. Pozwalają uzyskać największą wydajność frezowania oraz większą dokładność niż przy frezowaniu frezami walcowymi. Rozróżnia się frezy czołowe do planowania i do pogłębiania. Podstawowa różnica pomiędzy tymi frezami polega na innym ustawieniu ostrzy, obecnie najczęściej płytek wieloostrzowych. We frezach do planowania kąt κr jest mniejszy od 90o, a przy frezach do pogłębiania wynosi 90o. W PN-ISO 6462:1996 podane są wymiary frezów czołowych o średnicach od 50 do 500 mm. Rysunek 4.14. Frezy składane na licencji SECO-TOOLS AB: a) palcowy walcowo-czołowy, b) walcowo-czołowy, c) czołowy, d) czołowy grubozębny [6] Frezy tarczowe, ich podstawowym przeznaczeniem jest wykonywanie rowków o przekroju prostokątnym. Wykonywane są w wielu odmianach: jako frezy trzystronne lub dwustronne o zębach prostych lub naprzeStrona 171 ROZDZIAŁ 4 mianskośnych, jako jednolite i jako dzielone, a także jako jednostronne, skrawające tylko obwodowo, o zębach prostych lub naprzemianskośnych, ścinowych lub zataczanych (frezy do rowków na kliny). Do frezów tarczowych należą także frezy do przecinania, zwane frezami tarczowymi piłkowymi. Wykonywane są jako jednolite ze stali szybkotnącej lub z ostrzami z węglików spiekanych z płytkami wlutowanymi lub, najczęściej z płytkami wieloostrzowymi, mocowanymi mechanicznie. Szerokość freza musi być dostosowana do szerokości rowka. Przy przeciętnych wymaganiach co dokładności wymiarowej rowka, wykonuje się go frezem tarczowym trzystronnym. Przeważnie wymaganą głębokość rowka uzyskuje się w kilku przejściach. Jeżeli szerokość rowka jest większa od szerokości freza, to należy w dalszych przejściach dokonać pogłębienia bocznego. Do pogłębień bocznych przeznaczone są frezy tarczowe dwustronne prawo lub lewostronne. Rowki dokładne frezuje się frezami tarczowymi do rowków klinowych. W przypadku rowków na wpusty frezy tarczowe stosuje się do rowków długich. (Rowki wpustowe krótkie wykonuje się frezami trzpieniowymi.) Rysunek 4.15. Frez tarczowy trzystronny prosty [6] Strona 172 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA b f Rysunek 4.15. Frez tarczowy trzystronny prosty [6]Rys. 4.16. Frezy do rowków: a) tarczowy trzystronny naprzemianskośny, b) trzpieniowy do rowków na wpusty, c) tarczowy do rowków na wpusty Dobór parametrów skrawania Przy frezowaniu dodatkowym parametrem jest szerokość frezowania B. Parametr ten został zaznaczony na rys. 4.17. Jego wartość przeważnie wynika z rysunku wykonawczego obrabianego przedmiotu. Szerokość frezowania i grubość warstwy skrawanej h określają pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej. Grubość warstwy skrawanej h zależy od głębokości skrawania g i posuwu na ząb pz. W przypadku frezowania przeciwbieżnego, tak jak na rys.4.17, grubość warstwy skrawanej zmienia się od 0 do hmax. Głębokość skrawania przy frezowaniu zgrubnym płaszczyzn może wynosić nawet kilka cm, lecz gdy jest to frezowanie kończące obróbkę, to przeważnie nie przekracza 4 mm. Przy frezowaniu wykańczającym przyjmuje się głębokość skrawania od 1 do 2 mm. Strona 173 ROZDZIAŁ 4 B hmax g pz Rysunek 4.17. Warstwa skrawana przy frezowaniu obwodowym Posuw przy frezowaniu zgrubnym przyjmuje się możliwie duży. Ograniczenie wynika ze sztywności układu obrabiarka-narzędzie przedmiot. W tablicach zalecających posuwy przy frezowaniu zgrubnym posuw jest podawany w mm na ząb. W karcie instrukcyjnej powinien być podany posuw minutowy pt. Związek pomiędzy tymi posuwami jest następujący: pt = n z p z gdzie: n – prędkość obrotowa freza, z – liczba zębów freza. Przy frezowaniu wykańczającym posuw powinien być dostosowany do wymaganej chropowatości powierzchni. Dobierając posuw korzysta się z tablic, w których proponowany jest posuw na obrót po, w mm/obr. Posuw minutowy oblicza się wtedy z zależności: pt = n p o Zalecane wartości posuwów zestawiono w tabl.4.36 i 4.37. Tablica 4.36. Orientacyjne wartości posuwu pz w mm/ząb przy zgrubnym frezowaniu płaszczyzn Rodzaj freza Walcowe Walcowo-czołowe i czołowe Strona 174 Frezy gruboostrzowe Frezy drobnoostrzowe Materiał obrabiany Stal Żeliwo Stal Żeliwo 0,06÷0,60 0,10÷0,80 0,03÷0,15 0,05÷0,20 0,04÷0,20 0,10÷0,50 0,04÷0,12 0,08÷0,35 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.37. Orientacyjne wartości posuwu po w mm/obr przy frezowaniu płaszczyzn na określoną gładkość Rz µm 10 5 2,5 1,25 0,63 Frezy walcowe Stal 2,3÷6,5 1,3÷3,8 0,7÷2,1 Żeliwo 2÷5,2 1,2÷3,0 0,7÷1,7 Frezy walcowo-czołowe Stal Żeliwo 0,5÷1,6 0,5÷1,4 0,1÷0,5 0,2÷0,45 0,02÷0,20 0,08÷0,15 Frezy czołowe Stal Żeliwo 0,35÷0,9 0,2÷0,6 0,15÷0,35 0,15÷0,22 0,6÷0,9 0,35÷0,6 0,22÷0,35 0,15÷0,22 Okresową prędkość skrawania vT dobiera się z tablic zamieszczonych w poradnikach [3, 4, 5, 7] lub w opracowaniach informacyjnych producentów narzędzi. Orientacyjne prędkości skrawania dla kilku przypadków frezowania podano w tabl.4.38. Tabl. 4.38. Orientacyjna wartość prędkości skrawania przy frezowaniu, w m/min Materiał obrabiany Frezy: Stale Żeliwa Mosiądze Stopy Al Frezy ze stali szybkotnącej Walcowe, tarczowe 15÷24 16÷20 50 300 Walcowo-czołowe 17÷28 17÷23 60 400 Trzpieniowe 16÷28 16÷25 60 400 Piłkowe 20÷55 25÷45 200 400 Ostrza z węglików spiekanych Czołowe z płytkami lutowanymi 60÷160 50÷100 Czołowe z płytkami wieloostrzowymi 80÷175 80÷140 200 1000 4.5. Szlifowanie Narzędziem skrawającym przy szlifowaniu jest ściernica. Ściernicę charakteryzują następujące wielkości: kształt i wymiary ściernicy, rodzaj materiału ściernego, wielkość ziaren ściernych, twardość ściernicy, rodzaj spoiwa, struktura ściernicy, dopuszczalna prędkość obwodowa. Strona 175 ROZDZIAŁ 4 Podstawowe informacje o rodzajach materiałów ściernych i spoiwa oraz o ich zastosowaniu zestawiono w tabl. 4.39. Przy doborze ściernicy szczególne znaczenie ma właściwy dobór wielkości ziaren ściernych i twardości ściernicy. Wielkość ziarna oznaczana jest dużą literą F i liczbą. Największe ziarna oznaczone są symbolem F4 i odpowiadają ziarnom o wymiarach dochodzących do 8 mm. Najmniejsze, oznaczone symbolem F1200, tzw. mikroziarna, odpowiadają ziarnom o wymiarach poniżej 7 µm. W ściernicach stosuje się nieco mniejszy zakres wymiarów ziaren. Największe ziarna, to F12 o wymiarach dochodzących do 2,8 mm, najmniejsze – F150 o wymiarach dochodzących do 150 µm. Wielkość ziaren ma zasadniczy wpływ na chropowatość powierzchni szlifowanej. Zależność pomiędzy wielkością ziarna i osiąganą chropowatością obrazuje wykres zamieszczony na rysunku 4.18. 3,2 Rz [mm] 1,6 0,8 0,4 F30 F80 F150 F220 F230 Rysunek 4.18. Zależność Rz od wielkości ziaren przy szlifowaniu, wg [8] Strona 176 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Tablica 4.39. Materiały ścierne i spoiwa [6] Materiał ścierny Symbol Podstawowe informacje Elektrokorund: zwykły półszlachetny szlachetny 95 A 97 A 99 A Do szlifowania stali węglowych i stopowych nie hartowanych i hartowanych, żeliwa ciągliwego, aluminium Węglik krzemu 98 C 99 C Do szlifowania kruchych i twardych materiałów, np. węglików spiekanych, żeliwa Azotek boru (borazon) KB Do szlifowania stali szybkotnącej, a w szczególności - o zwiększonej zawartości wanadu i kobaltu Diament naturalny syntetyczny D DS Do szlifowania bardzo twardych i kruchych materiałów, np. węglików spiekanych. Spoiwo Ceramiczne V Żywiczne B Gumowe R Metalowe: spiekane galwaniczne M G Odporne na zmiany temperatury i na działanie ługów i olejów. Są niewrażliwe na wilgoć. Dopuszczalna prędkość obwodowa przy normalnym wykonaniu - do 35 m/s, przy specjalnym - do 60 m/s. Wrażliwe na działanie chłodziw zawierających zasady. Temperatura nie powinna przekraczać o 180 C. Duża wytrzymałość i elastyczność (odporność na uderzenia). Stosowane są do obróbki zgrubnej, do cięcia, a także do wykańczającego szlifowania powierzchni kształtowych; vdop≈45÷80 m/s. Mogą pracować z chłodzeniem (poza naftą). o Miękną w temperaturze powyżej 150 C. Spoiwo to umożliwia wykonywanie ściernic o bardzo małej grubości - 0,1 mm. Stosowane są do cięcia, szlifowania powierzchni kształtowych, gwintów, do szlifowania bezkłowego (tarcze prowadzące), do bardzo gładkiego wykańczania; vdop≈ 40 ÷ 60 m/s. Praca z dużymi prędkościami szlifowania. Duża odporność na działanie cieczy chłodzących. Stosowane do bardzo twardych materiałów ściernych, np. do diamentu. Strona 177 ROZDZIAŁ 4 Tablica 4. 40. Proponowana charakterystyka ściernic [6] Odmiana szlifowania Szlifowanie kłowe wałków Materiał obrabiany stal nie hartowana stal hartowana żeliwo Szlifowanie otworów stal nie hartowana stal hartowana żeliwo Szlifowanie płaszczyzn obwodem ściernicy Szlifowanie płaszczyzn czołem ściernicy Parametry ściernicy stal nie hartowana stal hartowana żeliwo 97A 97A 99A 98 C 97 A 97 A 99 A 98 C 97 A 97 A 99 A 98 C stal nie hartowana stal hartowana żeliwo numer ziarna ścierniwo 97 A twardość struktura spoiwo K÷L 4÷5 V H÷K 4÷5 V,B J÷L 4÷5 V J÷K 4÷5 V H÷K 4÷5 V J÷K 4÷5 V I÷K 4÷8 V H÷J 5÷8 V I÷K 5÷8 V J÷M 5÷8 V, B F46 (36) H÷K 5÷8 V, B F36 (24) I÷L 5÷8 V F46-F100 (36 ÷ 80) F46-F100 (36 ÷ 80) F40-F80 (30 ÷ 60) F46-F80 (36 ÷ 60) F60-F100 (46 ÷ 80) F46-F80 (36 ÷ 60) F46-FF80 (36 ÷ 60) F60 (46) F40-F46 (30 ÷ 36) F36 (24) 97 A 99 A 98 C Twardość ściernicy oznaczana jest dużymi literami alfabetu, poczynając od E aż do Z: E, F, G - ściernice bardzo miękkie; H, I, J, K – ściernice miękkie; L, M, N, O – ściernice o średniej twardości; P, Q, R, S - ściernice twarde; T, U, W, Z – ściernice bardzo twarde. Twardość ściernicy określa siłę, jaką należy przyłożyć do ziarna, aby je wyrwać z powierzchni ściernicy. Właściwy dobór twardości ma decydująco wpływa na prawidłowy przebieg procesu szlifowania i na właściwą eksploatację ściernicy. Siły działające podczas szlifowania na ziarno wzrastają w miarę stępienia ostrych krawędzi ziaren. Chodzi o to, Strona 178 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA aby po osiągnięciu zużycia ostrza ziarna, uniemożliwiającego skrawnie, siła działająca na ziarno była wystarczająco duża do wyrwania go z powierzchni ściernicy. Taką pożądaną sytuację można nazwać samoostrzeniem ściernicy. Orientacyjnie można przyjąć następujące wskazanie – do szlifowania materiałów miękkich należy stosować ściernice twarde, do szlifowania materiałów twardych – ściernice miękkie. Zalecane twardości ściernicy, w zależności od odmiany szlifowania i rodzaju obrabianego materiału podano w tabl. 4.40. Rysunek 4.19. Przykłady narzędzi ściernych: a) ściernica płaska, b) pierścieniowa, c) garnkowo-walcowa, d) garnkowo-stożkowa zbieżna, e) talerzowa, f) i g) trzpieniowa, h) segment ścierny [6] Kolejna wielkość, struktura ściernicy, określana jest przez stosunek objętości ziaren Vz do całkowitej objętości ściernicy, a więc do sumy objętości ziaren, spoiwa Vs i porów Vp: Strona 179 ROZDZIAŁ 4 Vz V z + Vs + V p Strukturę ściernicy określa się liczbami. Strukturze otwartej odpowiadają liczby od 9 do 14, strukturze zwartej – liczby od 0 do 4. Struktury otwarte stosowane są do szlifowania materiałów miękkich, struktury zwarte – do szlifowania materiałów twardych i kruchych. Przykłady kształtów narzędzi ściernych stosowanych przy szlifowaniu podano na rys. 4.19. Dobór parametrów skrawania Przy szlifowaniu wzdłużnym wałków ustalonych w kłach, rys. 4.20 naddatek na obróbkę, w zależności od średnicy i długości wałka oraz rodzaju materiału obrabianego, przyjmuje się w granicach od 0,15 do 0,65 mm. Naddatek na szlifowanie najczęściej rozbija się na naddatek zdejmowany w czasie szlifowania zgrubnego i wynosi przeważnie 0,75 całkowitego naddatku na szlifowanie. Pozostały naddatek zdejmowany jest w czasie szlifowania wykańczającego, lecz naddatek ten nie powinien być mniejszy niż 0,05 mm. Rysunek 4.20. Szlifowanie kłowe z posuwem wzdłużnym (6) Posuw wzdłużny p (w mm na obrót przedmiotu obrabianego) uzależnia się od szerokości tarczy ściernej B, P = c B [mm/ na 1 obrót przedmiotu obrabianego] Przy szlifowaniu zgrubnym przyjmuje się c = 0,3 ÷ 0,7, a przy szlifowaniu wykańczającym c = 0,2 ÷ 0,4. Strona 180 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA Dosuw g ściernicy można utożsamić z głębokością skrawania przypadającą na skok pojedynczy lub podwójny. Przy szlifowaniu zgrubnym najczęściej przyjmuje się dosuw g od 0,01 do 0,025 mm/pojedynczy skok. Dosuw ma wpływ na chropowatość powierzchni, toteż przy szlifowaniu wykańczającym przyjmuje się mniejsze wartości i w zależności od średnicy wałka kształtują się w przedziale 0,003 ÷ 0,015 mm/ skok podwójny. Szlifowanie kończy się tzw. przejściami wyiskrzającymi, bez wgłębiania ściernicy w materiał obrabiany, dosuw g = 0. Liczba przejść wyiskrzających io zależy od klasy dokładności i liczby przejść skrawających is: i0 = (0,3 ÷ 0,7) is. Prędkość obwodowa przedmiotu obrabianego jest niewielka i w zależności od rodzaju szlifowania (zgrubne, wykańczające), rodzaju materiału obrabianego i dosuwu wynosi od 3,5 m/min do ponad 30 m/min. Naddatek na szlifowanie z posuwem wzdłużnym otworów przyjmuje się w zależności od średnicy i długości otworu od 0,15 do 0,75 mm, dokonując podziału: 0,75 naddatku na szlifowanie zgrubne i 0,25 naddatku na szlifowanie wykańczające. Posuw wzdłużny przyjmuje się tak jak przy szlifowaniu wzdłużnym wałków. Dosuw g przy szlifowaniu zgrubnym, w zależności od średnicy otworu, wynosi od 0,0002 do 0,016 mm, a przy szlifowaniu wykańczającym od 0,0015 do 0,0025 mm. Prędkość obwodową przedmiotu przy szlifowaniu otworów wynosi od 29 d0 82 m/min. Do szlifowania płaszczyzn stosuje się ściernice płaskie i pierścieniowe skrawające swą powierzchnią walcową lub ściernice garnkowe, skrawające powierzchnią czołową, rys. 4.21. Szlifowanie przeprowadza się na szlifierkach z posuwowo-zwrotnym (stół prostokątny) lub obrotowym ruchem stołu. Naddatki na szlifowanie wynoszą od 0,15 do 0,60 mm. Na szlifowanie zgrubne przeznacza się 60 ÷ 80 % naddatku. Posuw wzdłużny pt przy skrawaniu obwodem ściernicy na szlifierkach ze stołem prostokątnym wyraża się w m/min i wynosi 17,5 ÷ 4 m/min przy szlifowaniu zgrubnym i 15 ÷ 20 m/min przy szlifowaniu wykańczającym. Na szlifierkach ze stołem obrotowym stosuje się większe prędkości, do 60 m/min przy szlifowaniu wykańczającym. Strona 181 ROZDZIAŁ 4 a) b) vs g g pt pt pp pp vs Rysunek 4.21. Szlifowanie płaszczyzn z prostoliniowym ruchem stołu: a) obwodem ściernicy, b) czołem ściernicy Posuw poprzeczny pp wyraża się w mm/skok przy prostokątnym stole szlifierki i w mm na obrót stołu przy stole obrotowym. Posuw pp musi być mniejszy niż szerokość tarczy ściernej i przy szlifowaniu zgrubnym może wynosić do 60%, a przy wykańczającym do 30 % szerokości ściernicy. Głębokość skrawania g przy szlifowaniu płaszczyzn obwodem ściernicy wynosi przy szlifowaniu zgrubnym 0,01 do 0,04 mm/przejście i przy szlifowaniu wykańczającym 0,005 do 0,01 mm/przejście. Przy szlifowaniu czołem ściernicy głębokość skrawania na szlifierkach ze stołem prostokątnym przyjmuje się 0,02 ÷ 0,06 mm/skok przy zgrubnym szlifowaniu i 0,005 ÷ 0,01 przy szlifowaniu wykańczającym, a przy szlifowaniu ściernicą segmentową na szlifierkach ze stołem obrotowym, odpowiednio, 0,10÷ 0,30 mm/obrót stołu i 0,01 ÷ 0,015 mm/obrót stołu. Obszerniejsze omówienie odmian szlifowania i bardziej szczegółowe dane do doboru parametrów szlifowania znajdują się w pracy [6]. Strona 182 DOBÓR NARZĘDZI I PARAMETRÓW SKRAWANIA 4.6. Literatura 1. Feld M., Technologia budowy maszyn. Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2000. 2. Górski E., Poradnik frezera. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999. 3. Dudik K., Górski E., Poradnik tokarza. Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa 2000. 4. Normatywy technologiczne obróbki skrawaniem. Instytut Obróbki Skrawaniem, Wyd. Przem. Masz. WEMA, Warszawa 1979. 5. Wołk R., Normowanie czasu na obrabiarkach do obróbki skrawaniem. WNT, Warszawa 1972. 6. Praca zbiorowa pod red. J. Z. Sobolewskiego., Projektowanie technologii maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007. 7. Kaczmarek J., Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT, Warszawa 1970. 8. Katalog firmy SECO TOOLS AB. Strona 183 ROZDZIAŁ 4 Strona 184