3. Przedmiot obrabiany

14

3. PRZEDMIOT OBRABIANY

Dokumentacja konstrukcyjna, a przede wszystkim rysunek wykonawczy

jest „teoretycznym obrazem” przedmiotu wykonywanego. Rzeczywisty przedmiot
stanowi pewne przybliżenie kształtu i wymiarów określonych na rysunku zwa-
nych wymiarami nominalnymi. Miarą tego przybliżenia jest odchyłka i pole tole-
rancji (rys.3.1).

Rys.3.1. Ilustracja pojęcia odchyłka i tolerancja

Odchyłka jest to różnica algebraiczna wymiaru zaobserwowanego i wymiaru no-
minalnego.

Odchyłka = Wymiar zaobserwowany - Wymiar nominalny

Tolerancja (pole tolerancji) jest to różnica dopuszczalnego wymiaru górnego i dol-
nego.

T = B

w

- A

w

Wymiar zaobserwowany prawidłowo wykonanego przedmiotu winien się mieścić
w polu tolerancji, a więc między wymiarami B

w

i A

w

. Przykładowo: wymiar nomi-

nalny na rysunku konstrukcyjnym wynosi a = 40 mm, po analizie stwierdzamy, że
może on wynosić a = 40

-0,2

+0,1

a więc B

w

=40,1 mm, A

w

= 39,8 mm. Stąd tolerancja

T = 40,1 - 39,8 = 0,3 mm. Jeżeli zaobserwowany (zmierzony) wymiar przedmiotu
po obróbce wynosił 39,9 mm, to odchyłka wynosiła 39,9 - 40 = - 0,1 mm lecz
przedmiot wykonany został dobrze, gdyż wymiar zaobserwowany mieści się w
polu tolerancji.

Zasady obowiązujące w rysunku technicznym (nie zamykanie łańcucha wy-

miarowego) powodują niekiedy konieczność wyznaczenia odchyłek i tolerancji ja-
kiegoś wymiaru tzw. wymiaru wynikowego.
Sumę wymiarów tolerowanych oblicza się następująco:

gdzie: wymiar nominalny X = A + B, natomiast odchyłki górną i dolną tego wy-
miaru oblicza się ze wzorów: x

2

= a

2

+ b

2

, x

1

= a

1

+ b

1.

Tolerancja wymiary wynikowego T

x

= T

A

+ T

B

Różnicę wymiarów tolerowanych oblicza się następująco:

Wymiar no-
minalny N

Wymiar zaobser-
wowany

B

w

A

w

T

Linia zerowa odpowiadająca wy-
miarowi nominalnemu

2

1

2

1

2

1

b

b

a

a

x

x

B

A

X

+

=

3. Przedmiot obrabiany

15

gdzie: wymiar nominalny X = A – B, natomiast odchyłki tego wymiaru oblicza się
ze wzorów: x

2

= a

2

- b

1

, x

1

= a

1

- b

2.

Tolerancja wymiary wynikowego T

x

= T

A

+ T

B

Celem zilustrowania przedstawionego sposobu obliczania wymiaru nominalnego
oraz jego odchyłek dokonajmy analizy przykładu obliczenia tolerancji wymiaru X
będącego wynikiem różnicy wymiarów przedstawionych na rys.3.2.

Rys.3.2. Przykład arytmetyki wymiarów tolerowanych

Dokładność wymiarowa (czyli zgodność wykonanego przedmiotu z zało-

żeniami zawartymi w dokumentacji konstrukcyjnej) opisywana jest przez układ pa-
sowań. W tablicy 1 przedstawiono przedziały klas dokładności

3

IT (International

Tolerance) dla podstawowych sposobów obróbki mechanicznej. Należy zaznaczyć,
że im niższa klasa dokładności IT, tym dokładniejsze wykonanie przedmiotu.

Charakterystykę geometryczną przedmiotu obrabianego obok dokładności

wymiarowej określa również dokładność kształtu (linii lub powierzchni) jak i do-
kładność położenia powierzchni (linii) względem siebie.
Tablica 1 [23]

3

Klasa dokładności rozumiana jest jako oznaczenie pola tolerancji zależnego od wartości

wymiaru nominalnego.

40

+0,1
-0,2

70

+0,3
-0,3

X

x2
x1

Wymiar A=

Wymiar B=

Szukamy wymiaru
X = 70 - 40 = 30 mm - wymiar nominalny
x2 = +0,3-(-0,2)=0,5
x1 = -0,3-(+0,1)=-0,4
Stąd szukany wymiar wynosi

5

,

0

4

,

0

30

2

1

+

−

=

x

x

X

Tolerancja wymiaru T = 0,6+0,3 =0,9 mm

70

+0,3
-0,3

40

+0,1
-0,2

X

x2
x1

2

1

2

1

2

1

b

b

a

a

x

x

B

A

X

−

=

3. Przedmiot obrabiany

16

100
50

50
25

25
12,5

12,5
6,3

6,3
3,2

3,2
1,6

1,6
0,8

0,8
0,4

0,4
0,2

0,2
0,1

0,1
0,05

<
0,05

20
10

10
5

5
2,5

2,5
1,25

1,25
0,63

0,63
0,32

0,32
0,16

0,16
0,08

0,08
0,04

0,04
0,02

0,02
0,01

<
0,01

Struganie

8-14

7

Frezowanie walcow.

8-14

7

Frezowanie czołow.

8-14

7

Wiercenie

11-14

8

Rozwiercanie

6-7

5

Toczenie

6-7

5

Przeciąganie

6-9

5

Szlifowanie

6-9

5

Polerowanie

5

5

Docieranie

5

4

Gładzenie

5

5

Dogładzanie

4

4

W tablicy 2 przedstawiono oznaczenia graficzne obrazujące na dokumentacji kon-
strukcyjnej tolerancje kształtu i położenia.
Tablica 2

Nazwa

Znak

Szkic

1. Tolerancja prostoliniowości

__

2. Tolerancja płaskości

x

3. Tolerancja okrągłości

4. Tolerancja walcowości

5. Tolerancja równoległości

x

6. Tolerancja prostopadłości

x

7. Tolerancja współosiowości

x

Na właściwości eksploatacyjne wykonanej części, a szczególnie na jej nie-

zawodność znaczny wpływ mają właściwości stereometryczne powierzchni obro-

∆l

∆k

∆w

0,1

0,1

0,01

R

z

Sposób
obróbki

Klasa dok-
ładności IT
ekon. osiąg.

R

a

3. Przedmiot obrabiany

17

bionej

4

, zwane w skrócie stereometrią powierzchni i właściwości fizyczne warstwy

wierzchniej przedmiotu. Proces wykonania przedmiotu należy tak prowadzić, aby
właściwości warstwy wierzchniej przedmiotu i jego stereometria były zgodne z
założeniami konstrukcyjnymi.

Jednym z parametrów charakteryzujących stereometrię powierzchni jest

chropowatość powierzchni określana parametrami R

z

, R

a

, R

max

( definicje doty-

czące tych parametrów znaleźć można np. w pracy [23]), natomiast przed omówie-
niem właściwości fizycznych warstwy wierzchniej, celowe jest jej zdefiniowanie.
Warstwa wierzchnia przedmiotu jest to warstwa materiału ograniczona rzeczywi-
stą powierzchnią geometryczną obrabianego przedmiotu i obejmująca tę część
materiału w głąb od powierzchni geometrycznej, która wykazuje zmienione wła-
ściwości fizyczne i niekiedy chemiczne w stosunku do głębiej położonych warstw
materiału zwanych rdzeniem.
Spełnia ona kluczową rolę w eksploatacji przedmiotu, gdyż tą właśnie warstwą
stykają się ze sobą współpracujące części. Prawidłowa charakterystyka tej warstwy
umożliwia zwiększenie niezawodności wyrobu. Podstawowe właściwości fizyczne
warstwy wierzchniej to:
• mikrostruktura,
• twardość i jej rozkład charakteryzujący skutki odkształceń plastycznych i od-

działywań termicznych,

• naprężenia wynikowe będące tak jak zmiany twardości wynikiem oddziaływa-

nia sił i ciepła w procesie obróbki.

Właściwości warstwy wierzchniej kształtowane są w procesie obróbki, stąd doko-
nując wyboru metod obróbki przedmiotu należy oprócz dokładności wymiaru,
kształtu i parametrów charakteryzujących stereometrię powierzchni, należy
uwzględnić również rodzaj oddziaływania narzędzia na przedmiot obrabiany. Wy-
nika to z faktu, iż obróbka wprowadza do warstwy wierzchniej dodatkowe naprę-
żenia, które jak już wspomniano rzutują na właściwości eksploatacyjne wyrobu.
Rozkład naprężeń w warstwie wierzchniej przedmiotu obrabianego charakteryzo-
wać można następującymi modelami:

• modelem zimnym - w którym czynnikiem decydującym o rozkładzie naprężeń są

siły występujące w trakcie obróbki, związane głównie z „klinowym” działaniem
narzędzia (rys.3.3)

4

Do właściwości stereometrycznych powierzchni obrobionej zalicza się nierówność po-

wierzchni (chropowatość, falistość) i układ śladów po obróbce z ewentualnymi uszkodze-
niami powierzchni takimi jak rysy, pęknięcia itp. [7].

3. Przedmiot obrabiany

18

Rys.3.3. Model zimny powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej

• model cieplny - w którym czynnikiem decydującym o rozkładzie naprężeń jest

ciepło wydzielane w trakcie procesu oddzielania wióra ( skrawania) - rys.3.4.

Rys.3.4. Model cieplny powstawania naprężeń w warstwie wierzchniej

W rzeczywistych warunkach przedmiot obrabiany poddawany jest w procesie ob-
róbki zarówno oddziaływaniu sił jak i ciepła. Z tego względu rzeczywisty stan na-
prężeń jest zazwyczaj wypadkową obu modeli z przewagą tego czynnika, którego
działanie jest dominujące przy danych warunkach skrawania. Ewentualna zmiana

I faza - materiał położony w po-
bliżu ostrza narzędzia jest roz-
ciągany ; przekroczona zostaje
granica sprężystości włókien
położonych w pobliżu ostrza;
włókna dalsze są rozciągane w
granicach sprężystych.

II - faza ( po przejściu narzędzia) -
włókna odkształcone sprężyście powra-
cają do swojej postaci, „ciagnąc za so-
bą” włókna odkształcone plastycznie, w
których powstają naprężenia ściskające.

+

σ

-

σ

+

σ

-

σ

I faza - warstwa materiału poło-
żona w pobliżu ostrza narzędzia
nagrzewa się bardziej od warstw
położonych dalej; rozszerzanie
cieplne warstw bardziej nagrza-
nych jest większe, natomiast
warstwy głębsze rozszerzają się
mniej ;”ściągając” warstwy ze-
wnętrzne i wprowadzając w nich
naprężenia ściskające.

II - faza ( po przejściu narzędzia) -
włókna które rozszerzając się cieplnie
nie przekroczyły granicy sprężystości
wracają do poprzedniego położenia ( są
to warstwy położone głębiej w mate-
riale), wprowadzając w włóknach mate-
riału położonych przy powierzchni na-
prężenia rozciągające

+

σ

-

σ

+

σ

-

σ

3. Przedmiot obrabiany

19

rozkładu naprężeń wiąże się ze zmianą albo sposobu obróbki lub też warunków ob-
róbki.

Obok obrabiarki i przedmiotu w procesie obróbki materiału bierze udział

również narzędzie skrawające tworząc łącznie układ zwany od pierwszych liter je-
go elementów, układem o—p—n (obrabiarka, przedmiot, narzędzie). Ostatni ele-
ment tego układu omawiany jest w kolejnym rozdziale skryptu.