POLITECHNIKA WARSZAWSKA

INSTYTUT INŻYNIERII PRECYZYJNEJ I BIOMEDYCZNEJ

PROCESY TECHNOLOGICZNE WYROBÓW PRECYZYJNYCH

(TWP)

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO:

OBRÓBKA SKRAWANIEM

DOKŁADNOŚCIOWO - GŁADKOŚCIOWA

Opracował: dr inż. Leszek Kudła

Warszawa, listopad 2001 r.

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego:

OBRÓBKA SKRAWANIEM DOKŁADNOŚCIOWO - GŁADKOŚCIOWA

SPIS TREŚCI:

Str.

1. Wprowadzenie ..........................................................................................

1

2. Czynniki wpływające na proces skrawania ...........................................

2

3. Zmiany wymiaru obrabianego w okresie trwałości ostrza ...................

3

4. Konstrukcja narzędzi ...............................................................................

5

5. Geometria i wykonanie ostrzy diamentowych .......................................

6

6. Parametry technologiczne skrawania dokładnościowo -

gładkościowego .........................................................................................

9

7. Charakterystyka precyzyjnych obrabiarek ........................................... 11

Literatura

1

________________________________________________________________________________________________________________________

1. Wprowadzenie

Celem obróbki dokładnościowo-gładkościowej (d-g) jest uzyskanie elementów

konstrukcyjnych lub wybranych powierzchni takich elementów, charakteryzujących
się bardzo wysokimi wymaganiami względem makrogeometrii (definiowanej przez
błędy wymiarów, kształtu i położenia) oraz mikrogeometrii powierzchni (opisywanej
różnymi parametrami chropowatości, kierunkowością śladów obróbkowych itp.).
Przykłady takich elementów przedstawiono na Rys.1. Są to elementy optyczne takie
jak zwierciadła teleskopów, zwierciadła wielokątne drukarek laserowych, narzędzia
technologiczne np. formy do tworzyw sztucznych, dyski magnetowidów, komutatory
wirników silników elektrycznych itp.

Rys. 1. Elementy z powierzchniami o wysokiej dokładności i gładkości obrabiany-
mi przez skrawanie: a) elementy technologiczne [15], b) zwierciadło teleskopu [13],
c) dysk magnetowidu, d) toczenie d-g komutatora wirnika silnika elektrycznego [18].

Dla powierzchni odbijających elementów optycznych przyjmuje się, że błędy wyko-
nania powinny być mniejsze od połowy długości fali światła ( zakres fal widzialnych

2

________________________________________________________________________________________________________________________

λ

=0,4...0,76

µ

m). W ekstremalnych przypadkach błędy wynoszą zaledwie kilkadzie-

siąt nm (nanometrów), zaś chropowatość powierzchni jest niemierzalna tradycyjnymi
technikami.Do obróbki dokładnościowo-gładkościowej stosuje się dwa zasadnicze
sposoby skrawania, toczenie d-g oraz frezowanie d-g, nazywane także toczeniem
oraz frezowaniem powierzchni zwierciadlanych, precyzyjnym oraz ultraprecyzyjnym
skrawaniem, obróbką mikrowiórową etc. Są to specyficzne realizacje znanych i pow-
szechnie stosowanych sposobów obróbkowych, wyróżniające się przede wszystkim
konstrukcją i wykonaniem narzędzi skrawających, zakresami wartości stosowanych
parametrów technologicznych oraz wymaganiami odnośnie obrabiarek skrawających.
Najstarsze realizacje sposobów skrawania dokładnościowo-gładkościowego to tak
zwane diamentowanie. Terminem tym określano zarówno roztaczanie bardzo dokład-
nych otworów jak i frezowanie wzorów na biżuterii, gdyż w obu przypadkach ostrza
narzędzi były wykonywane z diamentu monokrystalicznego.

2. Czynniki wpływające na proces skrawania

Zastosowanie diamentu na narzędzia skrawające nie jest warunkiem ani konie-

cznym ani wystarczającym do przeprowadzenia ultraprecyzyjnej obróbki skrawa-
niem. Należy spełnić wiele różnych wymagań, aby końcowy wynik odpowiadał niez-
wykle ostrym założeniom. Aby określić te wymagania, celowe jest szczegółowe
przeanalizowanie czynników wpływających na proces obróbki. Znakomitą większość
działań technologicznych można ogólnie przedstawić w postaci schematu informa-
cyjnego - Rys. 2.

⇓

E

m

1

{x

i

}

⇒

P R O C E S O B R Ó B K I

⇒

m

2

{y

i

}

O

BRABIARKA

U

CHWYT

P

RZEDMIOT

N

ARZĘDZIE

⇑

I

I

s

I

u

I

z

Rys. 2. Ogólny schemat charakteryzujący proces obróbki.

Do układu środków technicznych, składającego się z obrabiarki, uchwytu, przedmio-
tu obrabianego i narzędzia (tzw. układ OUPN) dostarczany jest półfabrykat o masie
m

1

, opisany zbiorem cech początkowych {x

i

}. Aby zrealizować obróbkę niezbędne

jest także dostarczenie energii E oraz zbioru informacji I, które można podzielić na
sterowalne I

s

, ustalone I

u

oraz zakłócające I

z

. W wyniku określonych zjawisk fizycz-

nych, które opisuje się funkcjami przebiegu procesu, na wyjściu otrzymujemy ele-

3

________________________________________________________________________________________________________________________

ment konstrukcyjny - wyrób o masie m

2

, opisany zbiorem cech {y

i

}. Podgrupę infor-

macji sterowalnych stanowią wielkości najsilniej wpływające na przebieg zjawisk
obróbkowych i na wyniki techniczno - ekonomiczne procesu, a ponadto dające się
łatwo zmieniać przed lub podczas trwania obróbki. Przykładem takich wielkości są
podstawowe parametry technologiczne skrawania: prędkość skrawania

υ

, posuw f

oraz głębokość skrawania a

p

. Ich wartości wpływają na wydajność, na siły działające

w układzie OUPN, ciepło powstające w strefie obróbki, dokładność itp. Równocześ-
nie są to wielkości, których wartość można łatwo wprowadzić przed realizacją proce-
su jak i zmieniać w trakcie jego trwania.

3. Zmiany wymiaru obrabianego w okresie trwałości ostrza

Podczas skrawania zachodzą zjawiska, które wpływają na uzyskiwany wymiar

(średnica, wysokość) przedmiotu obrabianego. Najważniejszym jest zużycie ostrza.
W typowych warunkach skrawania obserwuje się ubytki materiału narzędzia zarówno
na powierzchni przyłożenia jak i na powierzchni natarcia. Zużycie powoduje, że
zmienia się początkowa geometria, a w związku z tym także warunki formowania
wióra. Dopuszczalne zużycie ocenia się przy pomocy umownych wskaźników,
mierzonych w pobliżu czynnej krawędzi skrawającej. Są to szerokość starcia na
powierzchni przyłożenia VB i na powierzchni natarcia KB lub głębokość rowka na
powierzchni natarcia KT oraz promieniowe zużycie naroża KE [4]. Okres trwałości
ostrza jest to czas jego pracy do momentu osiągnięcia przez wymienione wskaźniki
założonych dopuszczalnych wartości. Przy zwykłym toczeniu lub frezowaniu narzę-
dziami ze stali szybkotnących przyjmuje się, że zużycie nie powinno przekraczać
VB<0,2...1mm, co odpowiada ekonomicznemu okresowi trwałości ostrza T=30...80
min, dla węglików spiekanych VB=0,3...0,5mm (T=5-20min), zaś dla ceramiki skra-
wającej VB=0,2...0,3mm (T=5...20min). Podane wartości przykładowe nie dotyczą
oczywiście obróbki dokładnościowo-gładkościowej, przy której zużycie ostrza po-
winno być znacznie najmniejsze. Na Rys.3 zilustrowano najważniejsze składniki su-
marycznego błędu wymiaru obrabianej powierzchni w okresie trwałości ostrza [1].

Pierwszym składnikiem jest błąd ustawienia narzędzia u względem powierzch-

ni obrabianej. Jego wartość nie zależy od czasu pracy ostrza, lecz od niedokładności
układów pomiarowo-ustawczych obrabiarki. Błąd ten może zarówno powiększać jak
i zmniejszać wymiar przedmiotu, ale jego wartość jest stała w okresie trwałości. Dru-
gi składnik to ugięcie sprężyste układu OUPN pod wpływem sił skrawania, powodu-
jących odsunięcie narzędzia i przedmiotu. Można założyć, że dla przewidywanej
wartości siły odpychającej odsunięcie to ma pewną określoną wartość y. Kolejne
składniki są bezpośrednio wywołane zużyciem. Starcie materiału narzędzia na po-
wierzchni przyłożenia i natarcia powoduje zmniejszenie wysunięcia promieniowego
naroża (wskaźnik KE wzrasta), czemu towarzyszy sukcesywny przyrost wymiaru

∆

z.

Związane z zużyciem zmiany geometrii początkowej zwykle skutkują zwiększeniem

4

________________________________________________________________________________________________________________________

sił skrawania, a w konsekwencji dodatkowym odkształceniem układu OUPN i dodat-
kowym odsunięciem krawędzi skrawającej o

∆

y. Sukcesywny wzrost temperatury

w strefie skrawania oraz stopniowe nagrzewanie się elementów obrabiarki może być
przyczyną kolejnego przyrostu lub zmniejszenia wymiaru o wartość ±t.

t

+/−

+/−

min

A

∆∆∆∆

max

∆∆∆∆

A

s

y

∆

z

∆

y

u

WYMIARU

PRZYROST

A

∆∆∆∆

OSTRZA

CZAS PRACY

MATERIAŁ OSTRZA

UKŁADY POMIAROWE

O U P N

SZTYWNOŚĆ UKŁADU

A

T

Rys. 3. Zmiany wymiaru A w okresie trwałości ostrza T według [1].

Na wymienione błędy o charakterze systematycznym nakładają się błędy przypadko-
we o amplitudzie s, których przyczynami mogą być: niejednorodna struktura mate-
riału obrabianego, niestabilność parametrów technologicznych

υ

i f, drgania powsta-

jące w układzie OUPN, wahania temperatury w strefie skrawania itp. Maksymalny
końcowy wymiar powierzchni obrobionej A

kmax

jest więc sumą wymiaru założonego

oraz błędów systematycznych stałych i zmiennych, a także błędów przypadkowych:

A

kmax

=Α+∆

A=A+

∆

A

const

+

∆

A

var

=A±u+y+

∆

z+

∆

y±t+s .

Z przedstawionego opisu wynika, że uzyskanie bardzo wąskich tolerancji zależy
w dużej mierze od właściwości materiału ostrza. Są to przede wszystkim twardość,
odporność na ścieranie oraz odporność termiczna i chemiczna, które powinny mieć
jak największą wartość, aby zapewnić niezmienność geometrycznych warunków
skrawania podczas całego procesu. Do materiałów takich zalicza się diament mono-
krystaliczny naturalny i sztuczny, diament i regularny azotek boru polikrystaliczne,
a ponadto niektóre gatunki ceramiki skrawającej oraz węglików spiekanych.

5

________________________________________________________________________________________________________________________

4. Konstrukcja narzędzi

Ostrza z materiałów polikrystalicznych przeznaczone do obróbki dokładnoś-

ciowo-gładkościowej, wytwarza się w postaci specjalnych wkładek. W strukturze
takiej wkładki znajdują się bardzo drobne ziarna danego materiału oraz faza wiążąca.
Mogą to być płytki wielostrzowe, które w całości wykonane są na przykład z cerami-
ki Si

3

N

4

(azotek krzemu), Al

2

O

3

(tlenek glinu) lub z węglików spiekanych. Dla ostrzy

z materiałów polikrystalicznych supertwardych (diament, regularny azotek boru), na
podłoże z węglików spiekanych nakłada się warstwę diamentu lub borazonu, a nie-
kiedy w takiej wkładce wykonuje się tylko jedno naroże skrawające - Rys. 4. Należy
jednak podkreślić fakt, że polikrystaliczność materiału ostrza oznacza anizotropo-
wość właściwości materiału narzędzia, przejawiającą się w skali mikroskopowej
nieliniowością krawędzi skrawającej, powiększającą się w miarę zużywania się
ostrza (tzw. szczerbatość krawędzi) [5]. Z tego powodu do toczenia lub frezowania
ultraprecyzyjnego stosuje się wyłącznie narzędzia z ostrzami z diamentu monokrysta-
licznego [1,6,11,14].

Rys. 4. Płytki wieloostrzowe z supertwardą warstwą polikrystaliczną oraz specjalne

wkładki z narożami z polikrystalicznych materiałów supertwardych [17,18].

Diament jest najtwardszym znanym materiałem, a do tego charakteryzuje się wysoką
odpornością na ścieranie i dobrym przewodzeniem ciepła. Trwałość ostrzy diamento-
wych wynosi nawet do 500 km drogi skrawania, gdy ostrza z węglików wykazują zu-
życie po około 1-10 km. Za wady można uznać kruchość, zwykle związaną z twar-
dością, oraz niezbyt dużą odporność cieplną (~800...900

o

C). Ostrza skrawające wy-

konuje się z kryształów diamentu technicznego o masie większej od 1 karata (0,2g),
co odpowiada wymiarom liniowym około 2...3 mm. Kryształy mocuje się w gniaz-
dach oprawki przy pomocy lutowia miedzianego, mosiężnego lub srebrnego. Zamiast
lutowia można zastosować zaprasowywanie proszkiem brązu, który następnie podda-

6

________________________________________________________________________________________________________________________

je się spiekaniu w atmosferze wodorowej. Wkładki zawierające kryształ diamentu
wytwarza się także poprzez zalewanie go w specjalnych formach stopem metali
w stanie ciekłym, np. staliwem [7]. Ostrza o większych wymiarach kształtuje się
niezależnie, a następnie mocuje w oprawkach sposobami mechanicznymi - Rys. 5.

a)

3

2

1

b)

4

6

3

1

c)

3

6

5

1

d)

6

3

8

5

7

1

Rys. 5. Przykłady mocowania monokryształów diamentu w oprawkach: a) w dopa-
sowanym gnieździe przy pomocy lutowia lub proszku metalowego, b) metalowa
wkładka z diamentem wykonana techniką formowania, c) i d) sposoby mechaniczne,
1 - kryształ diamentu, 2 - materiał łączący, 3 - oprawka, 4 - wkładka, 5 - nakładka,
6 - wkręt mocujący, 7 - półkulista podkładka, 8 - wałeczek regulacyjny [1,2,3].

5. Geometria i wykonanie ostrzy diamentowych

Zapewnienie jak największej trwałości narzędzi z monokryształu diamentu

uzyskuje się nie tylko dzięki właściwościom materiału narzędzia, lecz również w
wyniku specyficznego ukształtowania ostrza, czyli geometrii - Rys. 6. Pojedynczy
atom węgla jest utrzymywany w sieci krystalicznej tym silniej, im więcej go otacza
atomów sąsiadujących. Najbardziej narażone na zużycie są więc naroża, a w następ-
nej kolejności krawędzie skrawające. Aby wzmocnić naroże należy zwiększyć war-
tość jego kąta

ε

, zmniejszając kąt przystawienia κ i pomocniczy kąt przystawienia κ'.

Z tego względu korzystnym rozwiązaniem jest ukształtowanie ścinowe lub zaokrą-
glenie naroża, gdyż wartość kąta

ε

jest wtedy maksymalna (180

o

).

7

________________________________________________________________________________________________________________________

< 0

2

ε

1

ε

n2

β

= 0

υυυυ

Pr

Ps

Ps

Pn

f

n1

β

n2

n1

n2

n1

γ

γ

α

α

2

1

2

1

κ

κ

κ

κ

Pn

Pr

'

'

Rys. 6. Podstawowa forma ukształtowania ostrza z monokryształu

diamentu - naroże i powierzchnie dwuścinowe.

W celu zwiększenia trwałości krawędzi stosuje się możliwie duże kąty ostrza

β

,

oczywiście zmniejszając kąty przyłożenia α i natarcia γ. Jednakże wzrost wartości
kąta ostrza oznacza zwiększenie sił skrawania, dlatego najczęściej ostrze jest wzmoc-
nione tylko przy krawędzi skrawającej. Drugi (wtórny) kąt ostrza jest już mniejszy

β

1

>

β

2

. Wskutek tego powierzchnie natarcia i przyłożenia uzyskują charakterystycz-

ny szlif dwuścinowy. Diament jako materiał narzędziowy jest kruchy i ma niewielką
wytrzymałość na rozciąganie oraz na zginanie. Ochrona kryształu przed zniszcze-
niem wymaga zatem zmiany działania naprężeń w przekroju krytycznym ostrza. Ty-
powe ostrze skrawające, wykonane np. ze stali szybkotnącej, ma dodatni kąt natarcia
(

γ

>0). Podczas skrawania na powierzchnię natarcia wywierane są naciski jednostko-

we q, które można zastąpić siłą wypadkową F. Składowe tej siły - promieniowa F

r

oraz styczna F

s

, powodują powstanie odpowiednich naprężeń

σ

r

i

σ

s

, wywołujących

rozciąganie i zginanie w przekroju krytycznym - Rys. 7a.

a)

r

σ

s

+ σ

σ

σ

r

s

s

F

>0

γ

r

q

F

F

b)

r

σ

s

+ σ

σ

σ

r

s

s

F

<0

γ

r

q

F

F

Rys. 7. Naprężenia w przekroju krytycznym ostrza: a) ostrze typowe z kątem natarcia

γ

> 0

o

, b) ostrze z monokryształu diamentu

γ

< 0

o

.

8

________________________________________________________________________________________________________________________

Obciążenia wypadkowe

σ

r

+

σ

s

to w głównej mierze naprężenia rozciągające, nieko-

rzystne w przypadku monokryształu diamentu. Dlatego w ostrzach z diamentu mono-
krystalicznego często stosuje się ujemny kąt natarcia. Składowa promieniowa zmie-
nia wtedy zwrot i powoduje powstanie naprężeń ściskających, które po dodaniu do
naprężeń wywołanych zginaniem zapewniają przewagę ściskania - Rys. 7b. Jeśli kąt
natarcia wynosi 0

o

, to składowa promieniowa zostaje wyzerowana. W rozważaniach

pominięto naciski powstające na powierzchni przyłożenia, które w głównej mierze
dodatkowo ściskają ostrze. Na Rys. 8 przedstawiono przykłady stosowanych odmian
ukształtowania naroża w narzędziach skrawających diamentowych. Jak widać,
w wielu przypadkach naroża wykonuje się jako wzmocnione, ale zdarzają się też
sytuacje gdy musi być ono wąskie i ostre - Rys 8d [3,14]. Na Rys. 9 zostały pokazane
przykłady wykonania noży lub wkładek z ostrzami monokrystalicznymi.

a)

o

o

30

30

r=0,2mm

b)

1

κ

o

o

2

45

c)

o

= 0

1

κ

r=11mm

d)

o

o

60

60

Rys. 8. Przykłady ukształtowania naroży ostrzy z diamentu monokrystalicznego:
a) naroże zaokrąglone małym promieniem, b) naroże z małym pomocniczym
kątem przystawienia, c) krawędź łukowa (duży promień), d) naroże ostre.

Wartość kąta natarcia dobiera się uwzględniając twardość materiału obrabianego -
Rys. 10. Im większa twardość, tym większa musi być wartość bezwzględna ujemne-
go kąta natarcia. Powierzchnie ostrza diamentowego obrabia się sposobami obróbki
ściernej (szlifowanie, docieranie), stosując oczywiście jako materiał ścierny diament.
Cena np. noża do toczenia powierzchni zwierciadlanych jest ściśle powiązana z wy-
maganiami odnośnie dopuszczalnej nieliniowości krawędzi skrawającej, teoretycz-
nego promienia zaokrąglenia krawędzi oraz rzeczywistego promienia zaokrąglenia

9

________________________________________________________________________________________________________________________

naroża. Ponieważ krawędź skrawająca powstaje jako przecięcie się powierzchni przy-
łożenia i natarcia, to jej jakość bezpośrednio zależy od mikrogeometrii obu tych po-
wierzchni. Im mniejsze mają być mikronierówności, tym dłużej i staranniej należy
prowadzić obróbkę, przez co bardzo wzrastają koszty technologiczne. Podobne noże
mogą kosztować 300 lub aż 800 Euro dla różnych realizacji wymienionych kryteriów
geometrycznych [14].

Rys. 9. Przykłady noży diamentowych monokrystalicznych firmy Contour.

ZnS, ZnSe

o

o

o

o

o

o

o

O

, deg

γγγγ

WARTOŚĆ KĄTA NATARCIA

Ć

Ś

D

R

A

W

T

-30

-25

5

-20

-15

-10

-5

0

ARSENEK GALU GaAs

MONOKRYSZTAŁY Ge, Si

SIARCZEK I SELENEK CYNKU

MOSIĄDZ

Al, Cu, Ni

SZTUCZNE

TWORZYWA

Rys. 10. Zalecane wartości kąta natarcia dla ostrzy diamentowych

monokrystalicznych [14].

6. Parametry technologiczne skrawania dokładnościowo - gładkościowego

Podstawowymi sposobami kinematycznymi skrawania dokładnościowo-gład-

kościowego są toczenie d-g oraz frezowanie d-g (ang. fly cutting) - Rys. 11. Toczenie
może być realizowane z posuwem wzdłużnym (obróbka powierzchni walcowych ze-
wnętrznych) lub z posuwem poprzecznym (toczenie płaszczyzn czołowych). Oprócz
tego stosuje się również wytaczanie d-g otworów. Frezowanie d-g jest głównie przez-

10

________________________________________________________________________________________________________________________

naczone do obróbki dużych powierzchni płaskich, charakteryzujących się bardzo jed-
norodną mikrogeometriią. Obróbka takich płaszczyzn sposobem toczenia jest nie-
możliwa. Prędkość skrawania jest iloczynem średnicy toczenia i prędkości obrotowej
(

υ=π

dn

)

. W miarę zbliżania się ostrza do osi przedmiotu należy zatem zwiększać

obroty, aby zachować stałą prędkość skrawania. Oczywiście nie można tego zrealizo-
wać aż do nieskończoności, a więc powierzchnie toczone z posuwem poprzecznym
zawsze w pobliżu środka będą miały inną mikrogeometrię niż w części peryferyjnej.
Takiej wady nie wykazuje frezowanie, gdyż w każdym miejscu istnieją identyczne
warunki skrawania.

p

a

(υ)

f

n

P O

p

a

f

(υ)

n

P O

Rys. 11. Podstawowe sposoby kinematyczne obróbki skrawaniem dokład-

nościowo-gładkościowej: toczenie d-g i frezowanie d-g.

Główne parametry technologiczne skrawania dokładnościowo-gładkościowego:
prędkość

υ,

posuw f i głębokość skrawania a

p

mają wartości znacznie różniące się od

stosowanych przy obróbce konwencjonalnej - Tab. I.

Tablica I. Wartości parametrów technologicznych skrawania dokładnościowo-
gładkościowego [6, 8, 9, 10, 11].

PARAMETR

OZNACZENIE

JEDNOSTKI ZAKRES WARTOŚCI

Prędkość skrawania

υυυυ

m/min

100...1500

Posuw

f

mm/obr

0,001...0,1

Głębokość skrawania

a

p

mm

0,005...0,1

Wartość prędkości skrawania powinna być duża, gdyż zależy od niej wydajność ob-
róbki, co przy bardzo zredukowanych wartościach pozostałych parametrów ma isto-
tne znaczenie praktyczne. Od prędkości zależy również ciepło powstające w strefie
skrawania oraz trwałość ostrza. Wreszcie wpływa ona na przebieg formowania wióra.

11

________________________________________________________________________________________________________________________

Natomiast posuw i głębokość skrawania determinują pole przekroju poprzecznego
warstwy skrawanej s zgodnie ze wzorem

s = f a

p

.

Od pola przekroju poprzecznego warstwy skrawanej zależy wartość siły skrawania

F = k

s

s = k

s

f a

p

,

gdzie k

s

[N/mm

2

] jest oporem właściwym skrawania, powiązanym przede wszystkim

z właściwościami mechanicznymi materiału obrabianego. Dla danego k

s

im mniejsze

są wartości f i a

p

, tym mniejsza siła skrawania będzie działała na ostrze skrawające.

Przy określonej sztywności statycznej j obrabiarki:

j = F/y [N/

µ

m]

oznacza to, że odkształcenia sprężyste układu OUPN będą znikome i nie spowodują
istotnej zmiany wymiaru elementu obrabianego A.

7. Charakterystyka obrabiarek

Obrabiarki stosowane do precyzyjnej i ultraprecyzyjnej obróbki skrawaniem

muszą charakteryzować się następującymi cechami:

- wyposażenie w zespoły napędowe i pozycjonujące, zapewniające wprowadze-

nie wymaganych wartości parametrów technologicznych,

- układ OUPN o dużej sztywności i minimalnej odkształcalności termicznej,
- bardzo dokładnie ułożyskowane i wyważone wrzeciono,
- niski poziom drgań obrabiarki,
- chłodzenie i staranne oczyszczanie strefy skrawania.

Tłumienie drgań oraz redukcję odkształceń termicznych układu OUPN zapewnia się
poprzez odpowiednią konstrukcję podstawy układu, którą w szczególnych przypad-
kach wykonuje się z materiałów takich jak np. granit naturalny. Wymagane prędkości
obrotowe wrzeciona przeciętnie zawierają się w zakresie 100...10000 obr/min. War-
tości te umożliwiają uzyskanie zalecanych prędkości skrawania. Wrzecionem może
być bezpośrednio wirnik silnika, ale najczęściej jest ono wykonywane niezależnie,
gdyż wymaga bardzo dobrego ułożyskowania, np. hydrostatycznego. Napędy ruchu
posuwowego muszą być wyposażone w silniki i mechanizmy gwarantujące bardzo
dokładne przemieszczanie suportu narzędziowego. Ponieważ wartości posuwu są
niewielkie, do tych celów stosuje się silniki prądu stałego ze specjalnymi przekład-
niami tocznymi. Suporty przesuwają się po prowadnicach hydrostatycznych. Równie
wysoka precyzja musi charakteryzować mechanizm zadawania głębokości skrawania.
Jego realizacja jest podobna do budowy układu posuwu.

12

________________________________________________________________________________________________________________________

Rys. 12. Precyzyjna tokarka firmy Precitech, widok ogólny i strefa obróbki [16].

Miejsce obróbki musi być chłodzone i aktywnie oczyszczane. Obecność nawet mi-
kroskopijnych wiórów na powierzchni obrabianej może zmienić warunki skrawania
pod względem geometrycznym. W charakterze substancji smarująco-chłodzących
stosuje się ciecze (alkohole, naftę kosmetyczną itd.) lub aerozole tych cieczy. Pow-
stające wióry są usuwane z miejsca obróbki przez zasysanie. Na Rys. 12 przedstawio-
no widok ogólny oraz widok strefy obróbki precyzyjnej tokarki Optimum 4200 firmy
PRECITECH (USA) w ustawieniu do toczenia poprzecznego. Obrabiarka jest wypo-
sażona w interferometr laserowy do kontroli posuwu, pracujący z rozdzielczością 2,5
nm (nanometra) [16]. Przykładowe najważniejsze parametry obrabiarki Microturn
100 CNC innego wiodącego producenta - firmy HEMBRUG (Holandia), są nastę-
pujące [15]:

- maksymalna średnica toczenia 310 mm,
- prędkości obrotowe wrzeciona opcjonalnie do 4000, 6000 lub 10000 obr/min,
- moc silnika 7,5 kW,
- bicie wypadkowe wrzeciona (ułożyskowanie aerostatyczne) <0,1

µ

m,

- powtarzalność położenia suportu wzdłużnego i poprzecznego

±

0,1

µ

m,

- rozdzielczość odczytu położenia 0,01

µ

m,

- 32-bitowy system sterowanie CNC.

Oprócz obrabiarek, które można uznać za typowe, produkowane są maszyny wyspec-
jalizowane, przeznaczone np. do obróbki powierzchni krzywoliniowych, bardzo du-
żych płaszczyzn o rozmiarach przekraczających nawet 1m, ultraprecyzyjnych wzor-
ców metrologicznych itp. W wielu z nich stosuje się bardzo skomplikowane i zróżni-
cowane konstrukcje zarówno korpusów jak i układów nastawczych oraz pomiaro-
wych [8, 9, 11, 12].

13

________________________________________________________________________________________________________________________

Literatura

1. E. Górski: Obróbka gładkościowa. WNT, Warszawa 1970.
2. W. König: Fertigungsverfahren - Drehen, Fräsen, Bohren. VDI-Verlag GmbH,

Düsseldorf 1984.

3. F. Grünwald: Fertigungsverfahren in der Gerätetechnik. VEB Verlag Technik, Berlin

1980.

4. W. Grzesik: Podstawy skrawania materiałów metalowych. WNT, Warszawa, 1998.
5. M. Kawalec, M. Jankowiak: Kształtowanie mikronierówności powierzchni w procesie

dokładnego toczenia ostrzami polikrystalicznymi. Postępy Technologii Maszyn i Urzą-
dzeń, Vol.22, Nr 3, 1998, 79-91.

6. M. Sumiya, K. Ueda, T. Tsukada: Machining of Mirror-Like Surfaces. Bulletin Japan

Society of Precision Engineering, Vol. 16, No.1 (March 1982), 16-22.

7. M. Kawanishi, T. Kawakita: Bond Strength of Cast-iron Matrix Cementing a Cutting

Tool Diamond Boart. Bulletin Japan Society of Precision Engineering, Vol. 20, No.3
(Sep. 1986), 193-194.

8. P. Langenbeck: Was is Precision Engineering? - Entwicklungsstand am Beispiel der

Mikrozerspanung. Optoelektronik Magazin, Vol.3, No.2, 1987, 137-144.

9. T. Nishiguchi, Y. Maeda, M. Masuda, M. Sawa, R. Ito: Mechanism of Micro Chip

Formation in Diamond Turning. Annals of the CIRP Vol. 37/1/1988, 117-120.

10. T. Nakasuji, S. Kodera, S. Hara, H. Matsunaga, N. Ikawa: Diamond Turning of Brittle

Materials for Optical Components. Annals of the CIRP Vol. 40/2/1991, 587-593.

11. N. Ikawa, R. R. Donaldson, R. Komanduri, W. König, P. A. McKeown, T. Moriwaki,

I. F. Stowers: Ultraprecision Metal Cutting - The Past, the Present and the Future.
Annals of the CIRP Vol. 40/2/1991, 587-593.

12. M. Sawa, Y. Maeda, M. Masuda, R. Ito: Development of an Advanced Tool-Setting

Device for Diamond Turning. Annals of the CIRP Vol. 42/1/1993, 87-90.

13. Prospekty Laboratorium Mikroskrawania LFM, Universität Bremen, Germany.
14. Prospekty firmy CONTOUR FINE TOOLING LTD, Stevenage, Great Britain.
15. Prospekty firmy HEMBRUG, Haarlem, Holland.
16. Prospekty firmy PRECITECH Ultra Precision Technology, New Hampshire, USA.
17. Prospekty firmy SANDVIC COROMANT, Sweden.
18. Prospekty firmy URBANEK, Germany.