WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
Ćwiczenie Laboratoryjne z przedmiotu
INŻYNIERIA WYTWARZANIA
Temat:
Operacje kształtowania otworów metodami obróbki
skrawaniem
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
Ćwiczenie Laboratoryjne z przedmiotu
INŻYNIERIA WYTWARZANIA
Temat:
Operacje kształtowania otworów metodami obróbki
skrawaniem
2
Spis treści
Parametry technologiczne i geometryczne wiercenia, pogłębiania i rozwiercania ................. 12
3
I.
Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z operacjami kształtowania otworów, budową i zasadą
działania urządzeń do prowadzenia tych operacji oraz z narzędziami i oprzyrządowaniem
służącym do obróbki otworów. Przedstawione rodzaje operacji dotyczą w większości
technologii maszyn, tzn. kształtowania otworów w metalach. W instrukcji zawarte są również
odniesienia do obróbki innych materiałów – drewno, beton, kamień.
Dodatkowym celem jest zapoznanie słuchaczy z praktycznymi zasadami i wskazówkami
dotyczącymi bezpiecznej i efektywnej pracy z wiertarką.
II.
Wprowadzenie
Skrawanie jest to rodzaj odróbki, w której przy użyciu energii mechanicznej z przedmiotu
obrabianego usuwana jest warstwa materiału i przekształcana w wiór odkształcony
plastycznie w całej swej objętości. Wykorzystuje się do tego narzędzia o ostrzu w kształcie
klina. Usuwana objętość materiału jest stosunkowo mała w odniesieniu do objętości całego
obrabianego przedmiotu. Obróbkę skrawaniem można podzielić według następującego
schematu (rys.1):
OBRÓBKA
SKRAWANIEM
WIÓROWA
ŚCIERNA
Narzędziami
spojonymi
Narzędziami
nasypowymi
Luźnymi ziarnami
ściernymi
szlifowanie
gładzenie
dogładzanie
płótnami
ściernymi
papierami
ściernymi
docieranie
polerowanie
obróbka
strumieniowo-
ścierna
obróbka udarowo-
ścierna
(ultradźwiekowa)
obróbka magneto-
ścierna
toczenie
wytaczanie
wiercenie
powiercanie
rozwiercanie
pogłębianie
nawiercanie
struganie
dłutowanie
gwintowanie
frezowanie
przeciąganie
Rys. 1. Klasyfikacja metod obróbki skrawaniem [1]
4
Operacje kształtowania otworów rozpatrywane w niniejszym ćwiczeniu zalicza się do
obróbki skrawaniem. We wszystkich tych operacjach ruch główny (obrotowy),
a także ruch posuwowy, wykonuje narzędzie (z wyjątkiem obróbki na tokarkach, gdzie ruch
główny realizuje przedmiot obrabiany, a ruch posuwowy - narzędzie), jednak zawsze otwór
i narzędzie mają wspólną oś. Otwory są wykonywane na wiertarkach, frezarkach i tokarkach
(w tym ostatnim przypadku są to zazwyczaj otwory, których oś pokrywa się z osią
przedmiotu obrabianego).
2.1 WIERCENIE i POWIERCANIE
Wiercenie jest operacją obróbki skrawaniem, której celem jest wykonanie otworów
w pełnym materiale. Jest ono zaliczane do obróbki zgrubnej i kształtującej. Wiercenie można
prowadzić na gotowo lub wstępnie z naddatkiem na dalszą obróbkę. Wywiercone otwory są
mało dokładne (IT10 – IT14), często charakteryzują się dużym „rozbiciem”, wysoką
chropowatością powierzchni (większą niż 5μm) a uzyskanie wyższej dokładności (wymiaru,
kształtu, położenia, stanu geometrycznego powierzchni) wymaga dalszej obróbki inną
metodą, np. za pomocą rozwiercania. Średnice wierconych otworów wynoszą od setnych
części milimetra do setek milimetrów. Otwory można podzielić, ze względu na głębokość, na
otwory krótkie o długości l < 3d oraz na otwory długie, o długości l > (5-10) d.
Wiercenie w porównaniu z innymi metodami obróbki skrawaniem przebiega w dość
trudnych warunkach, ponieważ:
krawędzie skrawające są bardzo obciążone,
wiertła są podatne na skręcanie i zginanie,
prędkość skrawania podczas wiercenia zmienia się od największej na zewnętrznej
średnicy do zera w osi wiertła,
odprowadzenie wiórów jest trudne, szczególnie z głębokich otworów,
dostęp cieczy chłodząco-smarującej do strefy skrawania jest bardzo utrudniony.
Wiertła
Ze względu na konstrukcję wyróżnia się wiertła kręte, piórowe, do głębokich otworów,
koronowe (trepanacyjne) i inne. Istnieje również podział na wiertła jedno lub wieloostrzowe.
Najczęściej stosowanymi są monolityczne wiertła kręte o części chwytowej walcowej lub
stożkowej (rys.1), o dwóch ostrzach roboczych i dwóch rowkach służących do transportu
wiórów z obszaru skrawania. Służą one do wiercenia otworów o długości nieprzekraczającej
5-10d, gdzie średnica d zawiera się w granicach od 0,1 do 100mm.
Krawędzie skrawające powstają w wyniku przecinania się śrubowych powierzchni
natarcia oraz powierzchni przyłożenia. Położenie krawędzi skrawających określa kąt
wierzchołkowy, którego wartość wynosi najczęściej 2κ = 118° (do obróbki miękkich stopów
miedzi i aluminium oraz stali wysokostopowych o dużej wytrzymałości i ciągliwości 2κ = 140°,
do obróbki materiałów twardych i kruchych kąt wierzchołkowy może osiągnąć wartość
2κ = 90°). Na wierzchołku wiertła znajduje się ścin – poprzeczna krawędź skrawająca będąca
5
wynikiem przecinania się dwóch powierzchni przyłożenia. Prowadzenie wiertła
dwuostrzowego w otworze zapewniają dwie łysinki rozmieszczone śrubowo na walcowej
części roboczej.
Rys.1. Budowa wiertła krętego, a) z chwytem stożkowym, b) z chwytem walcowym
Chwyt walcowy posiadają wiertła o małych średnicach, gdzie moment jest przenoszony
przez tarcie na styku ze szczękami uchwytu wiertarskiego. Stożek Morse’a wraz z płetwą
występuje w przypadku wierteł o większych średnicach przenoszących duże momenty
obrotowe.
Za pomocą wierteł wykonuje się otwory walcowe na gotowo, otwory pod rozwiercanie
lub pogłębianie, oraz wstępne otwory pod gwinty.
Popularne wiertła kręte monolityczne są najczęściej wykonane w całości ze stali
szybkotnących (HSS). Dodatkowo można zwiększyć ich trwałości stosując pokrycia (TiC, TiN,
Al
2
O
3
, AlON, TiCN). Do produkcji wierteł stosuje się również spiekane węgliki metali
trudnotopliwych, a także cermetale. Materiały te umożliwiają obróbkę z kilkakrotnie
większymi prędkościami skrawania. Dodatkowo takie wiertła mają znacznie dłuższą
żywotność od tych ze stali szybkotnącej, zaś wiercone otwory charakteryzują się wyższą
dokładnością. Niestety wiertła te są wrażliwe na wyboczenie i łatwo ulegają zniszczeniu
z powodu niskiej wytrzymałości materiału na zginanie.
Oprócz monolitycznych stosowane są również wiertła kręte z ostrzami z węglików
spiekanych (lutowane lub składane). Z racji większych wymiarów służą one do obróbki
otworów o średnicach powyżej 16mm. Tego typu narzędzia posiadają wewnętrzne kanały
doprowadzające pod ciśnieniem ciecz chłodząco-smarującą, która dodatkowo ułatwia
odprowadzanie wiórów ze strefy skrawania. Wydajność takich wierteł jest wysoka, zaś zużyte
ostrza można wymienić.
Wiertła do głębokich otworów zwane inaczej wiertłami lufowymi są przeznaczone do
wiercenia otworów o długości 15d-100d i więcej. Wiertło składa się z części roboczej
wykonanej ze stali szybkotnącej lub węglika spiekanego, rury cienkościennej ze stali
6
stopowej oraz części chwytowej wykonanej ze stali niestopowej. Kanały wzdłuż wiertła
doprowadzające pod wysokim ciśnieniem ciecz chłodząco-smarującą do strefy skrawania
pozwalają na ciągłą pracę wiertła. Przykłady wierteł lufowych zamieszczono na rys.2.
Rys.2. Przykłady wierteł lufowych [asco.pl]
Głębokie otwory można wykonywać również za pomocą wierteł działowych. Ze względu
na możliwość zakleszczenia się, wiertło pracuje z małym posuwem. Wydajność jest tym
samym niewielka. Narzędzie te stosuje się do wykonywania otworów nawet o średnicach
poniżej 0,1mm. Budowa wiertła działowego przedstawiona jest na rys.3.
Rys.3. Budowa wiertła działowego
W odróżnieniu do wyżej wymienionych wierteł, zasada pracy wiertła trepanacyjnego jest
inna. W wiertłach krętych, piórowych, lufowych, całość materiału pochodząca z otworu
usuwana jest w postaci wiórów. Podczas wiercenia trepanacyjnego rdzeń nie jest skrawany,
usuwany jest jedynie materiał na obwodzie otworu. Zapotrzebowanie na moc jest mniejsze
niż w przypadku wiercenia pełnego. Ten rodzaj wiercenia jest wykorzystywany do różnego
rodzaju wierceń przelotowych wykonywanych m.in. za pomocą mobilnych wiertnic. Gorzej
jest w przypadku otworów nieprzelotowych, gdzie problem stanowi usunięcie pozostałego
rdzenia. Wiertła trepanacyjne są powszechnie zwane koronami (wiertłami koronowymi). Na
rys. 4 zamieszczono przykład wiertła trepanacyjnego.
7
Rys. 4. Wiertło trepanacyjne – koronowe [profitechnik.pl]
Powiercanie jest to szczególny przypadek wiercenia i ma na celu powiększenie średnicy
istniejącego otworu za pomocą wiertła. Przyjęło się, że otwory o średnicy powyżej 15-20 mm
wykonuje się w dwóch operacjach: wiercenie wstępne i powiercanie. Wiercenie większego
otworu na gotowo wiąże się ze wzrostem oporów skrawania i ze spadkiem jego dokładności.
2.2 ROZWIERCANIE
W celu zwiększenia dokładności wymiarowej i geometrycznej oraz uzyskania mniejszej
chropowatości powierzchni otworów, po wstępnym wierceniu należy zastosować
rozwiercanie. Zabieg ten podobny jest do powiercania, jednak występuje w nim dużo
mniejsza głębokości skrawania i większy posuw na obrót. Naddatek na rozwiercanie wynosi
0,1–0,3mm. Dokładności osiągane podczas rozwiercania to IT11 - IT9 dla rozwiercania
wstępnego i IT8 - IT6 dla rozwiercania wykańczającego, zaś chropowatość powierzchni
wynosi odpowiednio, wstępne – Ra=2,5-10μm, wykańczające – Ra=0,32-1,25 μm.
Rozwiertaki to narzędzia wieloostrzowe; można je podzielić na wstępne (zdzieraki) (rys.5)
i wykańczające (wykańczaki) (rys. 6).
Rys. 5. Rozwiertaki zdzieraki: a)krótki ze stożkiem Morse’a, b) długi z uchwytem walcowym
Rozwiertaki dzieli się także ze względu na: kształt – walcowe i stożkowe, sposób
montażu - trzpieniowe i nasadzane, budowa – stałe, rozprężne i nastawne, napęd – ręczne
i maszynowe.
8
Rys. 6. Rozwiertaki wykańczające: a) długi ze stożkiem Morse’a, b) krótki ze stożkiem Morse’a,
c) ręczny
Rozwiertaki zdzieraki mają najczęściej 3 lub 4 ułożone śrubowo ostrza. Usuwają one
70-85% naddatku przewidzianego na rozwiercanie. Przy skrawaniu większej warstwy
materiału korzystne są dodatnie kąty natarcia ostrzy. Zdzieraki występują tylko w wersji
maszynowej. Rozwiertaki wykańczaki mają wiele ostrzy ułożonych prosto lub śrubowo.
Naddatek na rozwiercanie wykańczające to 15-30% całego naddatku (cienkie warstwy),
dlatego kąty natarcia ostrzy są zerowe lub ujemne. Większa ilość ostrzy pozwala uzyskać
mniejszą chropowatość powierzchni. Wykańczaki występują w wersji maszynowej lub
ręcznej. Nierównomierna podziałka zmniejsza ryzyko powstania drgań samowzbudnych.
Oprócz omówionych wyżej symetrycznych rozwiertaków wieloostrzowych, stosuje się
również asymetryczne rozwiertaki jednoostrzowe. Podobnie jak w przypadku wierteł
składanych ostrza są wykonane ze stopów twardych i węglików spiekanych.
2.3 POGŁĘBIANIE
Pogłębianie jest to kształtowanie powierzchni walcowej na części długości wcześniej
wykonanego otworu lub obróbka powierzchni czołowej płaskiej (tzw. nadlewki). Kinematyka
pogłębiania jest identyczna jak powiercania, inne są narzędzia, które odpowiadają kształtem
wykonywanym otworom. Pogłębienia wykonuje się w celu otrzymania otworów
stopniowych, aby ukryć łeb śruby lub wkręta, podkładkę lub uszczelkę.
Rys. 7. Pogłębiacz walcowo-czołowy
9
Pogłębiacze są narzędziami z wieloma lub z jednym ostrzem. Na rys. 7 przedstawiono
pogłębiacz walcowo-czołowy. Składa się on z części prowadzącej (tzw. pilota) o średnicy
pogłębianego otworu, oraz części roboczej. Na rys. 8 zamieszczono przykładowe konstrukcje
pogłębiaczy wraz z ich zastosowaniami.
Rys. 8. Pogłębiacze i ich zastosowania
2.4 NAWIERCANIE
Operacją łączącą wiercenie z pogłębianiem jest nawiercanie. Służy ono do wykonania
nakiełków, które umożliwiają zamocowania w kłach wałków podczas operacji toczenia lub
szlifowania. Na rys. 9 zamieszczone są 3 rodzaje nakiełków. Nakiełki wykorzystuje się
również, jako wstępne otwory przed operacją wiercenia, w celu wyeliminowania tzw.
„uciekania” wiertła.
Rys. 9. Rodzaje nakiełków znormalizowanych: a) zwykły, b) chroniony, c) promieniowy
10
Nakiełki wykonuje się za pomocą nawiertaków. Są to narzędzia monolityczne,
dwuostrzowe, wykonane ze stali szybkotnącej, maja budowę dwustronną. Składają się
z walcowej części chwytowej i części roboczej, której kształt zależy od typu nakiełka. Na
rys. 10 przedstawione są różne konstrukcje nawiertaków.
Rys. 10. Nawiertaki: a) zwykły, b) chroniony, c) promieniowy
2.5 GWINTOWANIE
W technologii maszyn nieodzownym elementem są otwory gwintowane będące częścią
połączenia śrubowego. Gwintowanie jest to operacja, w której przy użyciu gwintownika
(rys. 11) we wstępnie wywierconym otworze wykonywany jest gwint. Gwint można nacinać
ręcznie lub maszynowo.
Za pomocą gwintowników można wykonać m.in. gwinty metryczne od M0,25 do M68,
trapezowe od Tr8 do Tr85. Gwinty o większej średnicy oraz te o stosunkowo niewielkiej
głębokości wykonuje się operacją toczenia, za pomocą głowic gwinciarskich, przez
walcowanie i wygniatanie.
Rys. 11. Gwintownik ręczny: a) nakrój, b) część wykańczająca, c) część chwytowa
Gwintownik składa się z części chwytowej i roboczej, w której można wyróżnić część
skrawającą – nakrój i część wykańczającą będącą jednocześnie częścią prowadzącą.
11
Geometria zębów gwintownika bywa różna, zęby są proste (jak na rys.11) lub ułożone po linii
śrubowej. W pierwszym przypadku mamy ułatwione ostrzenie, jednak utrudnione jest
odprowadzanie wiórów podczas gwintowania głębokich i nieprzelotowych otworów.
Śrubowo ułożone ostrza ułatwiają odprowadzanie wiórów.
Duża liczba ostrzy skrawających i długa krawędź skrawająca powoduje występowanie
dużych momentów skręcających, co powoduje wysoką podatność gwintowników na
skręcanie. W celu zmniejszenia obciążeń stosuje się komplety narzędzi go gwintowania, co
powoduje podział naddatku na poszczególne narzędzia z kompletu. W skład kompletu
gwintowników metrycznych drobnozwojnych najczęściej wchodzą dwa gwintowniki: Nr 1 –
zdzierak i Nr 3 – wykańczak, zaś komplet gwintowników metrycznych zwykłych składa się z:
Nr 1 – zdzierak, Nr 2 - pośredni i Nr 3 – wykańczak. Na rys. 12 przedstawiono przykładowy
przybliżony podział naddatku na nacinanie gwintu przy wykorzystaniu kompletu
3 gwintowników.
Rys. 12. Przykładowy podział naddatku przy nacinaniu gwintu: 1 – zdzierak, 2 – pośredni, 3 -
wykańczak
Zdzierak (Nr 1) posiada nakrój od 5 do 8 zwojów i kąt nakroju 5°. Długi nakrój ułatwia
rozpoczęcie nacinania gwintu. Gwintownik pośredni (Nr 2) posiada od 3 do 5 zwojów
nakroju, zaś kąt wynosi 10°. Wykańczak (Nr 3) ma nakrój od 2 do 3 zwojów i kąt nakroju 20°.
Rozłożenie naddatku na 3 narzędzia nie tylko zmniejsza obciążenia podczas gwintowania, ale
pozwala uzyskać powierzchnię gwintu o mniejszej chropowatości, co sprzyja płynnej pracy
połączenia gwintowego.
Poprawna praca gwintownika wymaga synchronizacji ruchu głównego (obrotowego)
i posuwowego. Na jeden obrót narzędzi przesuwa się wzdłuż osi o jeden obrót. Posuw
wymuszany jest tylko w początkowej fazie pracy narzędzia, później synchronizacja ta jest
realizowana przez samoprowadzenie gwintownika w gwintowanym otworze. Z tego powodu
gwintownik powinien mieć możliwość swobodnego poruszania się wzdłuż jego osi. Przy
sztywnym zamocowaniu gwintownika we wrzecionie, błędy ruchu posuwowego obrabiarki
i ograniczona sztywność zamocowania powodują powstawanie błędów zarysu i skoku
gwintu. Sztywne zamocowanie gwintownika możliwe jest w specjalnych obrabiarkach
(centrach obróbkowych) z pełną synchronizacją gwintowania.
Istotną rolę podczas gwintowania pełnią ciecze chłodząco-smarujące, których
właściwości smarne zmniejszają moment skrawania i chropowatość obrabianej powierzchni.
Dodatkowo właściwości chłodzące zmniejszają intensywność zużywania się ostrzy, zaś
12
podanie cieczy kanałami wewnętrznymi narzędzi (w złożonych gwintownikach) pod wysokim
ciśnieniem do strefy skrawania skutecznie wspomaga usuwanie wiórów.
W Tabeli 1 zamieszczono średnicę otworów, jakie należy wywiercić przed rozpoczęciem
nacinania gwintu.
Tabela 1. Wymiary wierconych otworów pod gwinty metryczne
Gwint metryczny (M)
Wymiar gwintu
Średnica wiertła
[mm]
Wymiar gwintu
Średnica wiertła
[mm]
Wymiar gwintu
Średnica wiertła
[mm]
M 1
0,75
M 5
4,2
M 24
21,0
M 1,2
0,95
M 6
5,0
M 30
26,5
M 1,6
1,25
M 8
6,8
M 36
32,0
M 2
1,6
M 10
8,5
M 42
37,5
M 2,5
2,05
M 12
10,2
M 48
43,0
M 3
2,5
M 16
14,0
M 56
50,5
M 4
3,3
M 20
17,5
M 64
58,0
III.
Parametry technologiczne i geometryczne wiercenia, pogłębiania
i rozwiercania
Rys. 13. Parametry technologiczne i geometryczne procesów obróbki otworów
Rys. 13 przedstawia parametry technologiczne oraz geometryczne procesów obróbki
otworów. Poniżej zamieszczono krótką charakterystykę poszczególnych wielkości:
a) Prędkość obrotowa narzędzia n [obr/min],
b) Prędkość skrawania V
c
[m/min] – jest to prędkość obwodowa punktu na krawędzi
ostrza narzędzia, znajdującego się w największej odległości od osi. Prędkość skrawania
jest funkcją średnicy oraz prędkości obrotowej narzędzia n. W każdym punkcie
krawędzi skrawającej prędkość skrawania jest inna, od V
c
=0 w osi narzędzia do V
c
=max
na jego obwodzie. Powoduje to nierównomierne zużycie narzędzia. Prędkość
skrawania w punkcie położonym na średnicy d, przy prędkości obrotowej n wynosi:
13
min
1000
m
nd
V
c
,
(1)
c) Posuw na obrót p [mm/obr] – przemieszczenie narzędzia o wartość posuwu [mm]
przypadające na jeden obrót narzędzia,
d) Posuw na minutę p
t
[mm/min] – przemieszczenie narzędzia w ciągu jednej minuty.
Można go wyrazić zależnością:
min
mm
n
p
p
t
,
(2)
e) Posuw na ostrze (ząb) p
z
[mm/ostrze] – przemieszczenie narzędzia przypadające na
jedno ostrze narzędzia, opisuje je zależność:
z
mm
z
p
zn
p
p
t
z
,
(3)
gdzie z jest ilością ostrzy narzędzia.
f) Głębokość skrawania a
p
[mm] – jest uzależniona od rodzaju obróbki. Podczas
wiercenia, czyli wykonywania otworu w pełnym materiale, głębokość skrawania
równa jest połowie średnicy. W pozostałych trzech przypadkach głębokość skrawania
wynosi połowę różnicy otworu wykonywanego i otworu pierwotnego.:
mm
d
d
a
p
2
1
,
(4)
g) Dobieg narzędzia a
f
[mm] – parametr określa drogę, jaką musi przebyć narzędzie od
momentu wejścia w kontakt z materiałem obrabianym do momentu, w którym cała
krawędź skrawająca bierze udział w obróbce.
h) Parametry geometryczne warstwy skrawanej – jest to szerokość b
D
, wysokość h
D
i pole powierzchni warstwy skrawanej A
D
:
mm
κ
a
b
p
D
sin
,
(5)
mm
p
h
z
D
sin
,
(6)
2
mm
h
b
A
D
D
D
,
(7)
Do parametrów technologicznych zalicza się siłę, moment i moc skrawania. Dla
przykładu zostaną przedstawione wzory dla operacji wiercenia.
i) Siłę skrawania F
c
oblicza się z zależności:
N
c
p
z
c
D
c
k
z
a
p
k
z
A
F
,
(8)
gdzie:
A
D
– pole powierzchni warstwy skrawanej [mm
2
],
z – liczba ostrzy, najczęściej z=2 dla wiertła krętego,
k
c
– siła właściwa skrawania [N/mm
2
],
14
p
z
– posuw na ząb [mm/ząb],
a
p
– głębokość skrawania [mm],
j) Moment skrawania M
c
oblicza się z zależności:
Nm
1
2000
2
d
a
k
p
a
d
d
F
M
p
c
p
sr
c
c
,
(9)
gdzie:
d
sr
– średnia średnica [mm], mierzona w połowie głębokości skrawania. Dla wiercenia jest to
połowa średnicy otworu,
d – średnica wierconego otworu [mm],
p – posuw na obrót [mm/obr],
k) Moc skrawania P
c
ma postać:
kW
1
60000
60000
d
a
k
p
a
V
F
P
p
c
p
sr
c
c
c
,
(10)
gdzie:
V
c sr
– prędkość skrawania dla średnicy d
sr
Właściwą siłę skrawania k
c
można w przybliżeniu określić dla poszczególnych grup
materiałów obrabianych. Według Poradnika Obróbki Skrawaniem „Sandvik Coromat”:
a) Aluminium -
k
c
= 500 - 900 [N/mm
2
]
b) Stal -
k
c
= 1400 - 3200 [N/mm
2
]
c) Stal nierdzewna -
k
c
= 1800 - 2900 [N/mm
2
]
d) Żeliwo -
k
c
= 1000 - 1500 [N/mm
2
]
e) Stopy żaroodporne - k
c
= 2600 - 3300 [N/mm
2
]
f) Stal hartowana -
k
c
= 2800 - 4900 [N/mm
2
]
PRZYKŁAD
Przykład liczbowy obliczania siły, momentu i mocy skrawania został przedstawiony dla
wiercenia otworu Ø16mm w stali (nieulepszanej cieplnie o średniej wytrzymałości)
z prędkością skrawania V
c
= 12 m/min, posuw na ząb p
z
= 0,18mm.
Wielkości do wyznaczenia to F
c
, M
c
, P
c
. Głębokość warstwy skrawanej jest równa połowie
średnicy otworu (wiertła), a
p
= 16mm/2 = 8mm. Liczba ostrzy dla wiertła krętego z = 2.
Właściwa siła skrawania dla danej stali przyjęto k
c
= 2300 N/mm
2
. Korzystając
z zależności (8) otrzymujemy:
N
6624
2300
2
8
18
,
0
c
F
15
Do obliczenia momentu skrawania korzystamy ze wzoru (9). Parametr d
sr
przyjmujemy
połowę średnicy wiertła d
sr
= 8mm,
Nm
496
,
26
2
008
,
0
6624
c
F
Aby obliczyć moc skrawania należy wyznaczyć średnią prędkość skrawania (przyłożoną na
średnicy średniej). Z przekształcenia zależności (1) otrzymujemy:
min
obr
240
16
14
,
3
12
1000
1000
d
V
n
c
Prędkość średnia jest równa:
min
m
6
1000
8
240
14
,
3
1000
nd
V
sr
c
Natomiast moc skrawania wynosi:
kW
66
,
0
60000
6
6624
c
P
Powyższe obliczenia pozwalają dobrać moc obrabiarki do wykonania danego otworu.
Na koniec tego rozdziału w tabeli zostały zebrane parametry wiercenia zalecane przez
producenta wierteł, firmę Bosch.
Tabela 2. Parametry dla wiercenia wg firmy Bosch
M
at
er
iał
Wytr
zymało
ść
n
a
ro
zc
iągan
ie
[M
Pa
]
Tw
ard
o
ść
Rock
w
ella
Pr
ęd
ko
ść
sk
raw
an
ia
[m
/min
]
Średnica wiertła [mm]
2
5
10
15
20
Prędkość obrotowa [1/min]
Stal budowlana
niestopowa
350
62 HRB
28-30
4780
1910
960
640
480
Stal budowlana
niestopowa
750
21 HRC
26-28
4460
1780
890
590
440
Blacha stalowa
800
22 HRC
26-28
4480
1780
890
590
440
Stal narzędziowa
niestopowa
800
22 HRC
26-28
4460
1780
890
590
440
Stal narzędziowa
stopowa
800
26 HRC
22-24
3980
1600
800
530
400
Stal narzędziowa
stopowa
1000
31 HRC
12-24
2000
830
400
280
210
16
M
at
er
iał
Wytr
zymało
ść
n
a
ro
zc
iągan
ie
[M
Pa
]
Tw
ard
o
ść
Rock
w
ella
Pr
ęd
ko
ść
sk
raw
an
ia
[m
/min
]
Średnica wiertła [mm]
2
5
10
15
20
Prędkość obrotowa [1/min]
Stale nierdzewne
550
85 HRB
14-16
2390
960
480
320
240
Stale nierdzewne
1100
34 HRC
8-10
1450
570
290
190
140
Stale ognioodporne
800
22 HRC
10-12
1750
700
350
230
170
Stal sprężynowa
1100
34 HRC
8-10
1450
570
290
190
140
Żeliwo szare
800
22 HRC
25-30
4460
1780
890
590
450
Żeliwo ciągliwe
700
95 HRB
25-30
4460
1780
890
590
450
Staliwo
770
20 HRC
20-24
3500
1400
700
460
350
Staliwo
1100
34 HRC
14-16
2390
960
480
320
240
Aluminium
niestopowe
180
60-80
9560
3820
1910
1270
960
Aluminium
stopowe
350
50-60
7950
3180
1590
1060
790
IV.
Praktyczne uwagi odnośnie wiercenia
Z uwagi na fakt, że prawdopodobnie prawie każdy miał do czynienia z wiertarką ręczną,
poniżej zostały zebrane ogólne zasady prawidłowego użytkowania takich urządzeń.
Słowem „wiertarka” potocznie można nazwać całą rodzinę narzędzi począwszy od
małych elektronarzędzi o mocy 500 – 700W aż po duże o mocy ponad 5kW. Większość tych
urządzeń posiada regulację obrotów oraz momentu obrotowego. Można nimi wkręcać śruby
i wkręty, a używając dodatkowego osprzętu takiego jak szczotki druciane do czyszczenia,
ściernice do szlifowanie, polerki – polerowanie, mieszadła do mieszania itp. można znacznie
poszerzyć możliwości jej zastosowania.
Ręczne elektronarzędzia do wiercenia można podzielić na:
a) Uniwersalne wiertarki udarowe, do wiercenia w metalach, tworzywach sztucznych
i w drewnie, a także po włączeniu funkcji udaru (ruch obrotowy połączony z ruchem
posuwisto-zwrotnym wiertła) można wiercić otwory w materiałach budowlanych
takich jak beton, cegła, kamień.
b) Wiertarko-wkrętarki, to urządzenia najczęściej zasilane akumulatorowo, które
ostatnimi czasy bardzo zyskały na popularności ze względu na rozwój trwałych
17
i lekkich ogniw litowo-jonowych. Wyposażone w sprzęgło o wielu nastawach
momentu obrotowego oraz hamulec wrzeciona, pozwalają na precyzyjne wkręcanie
śrub i wkrętów. Zastosowanie trwałej przekładni planetarnej zapewnia wysoki
moment obrotowy ze stosunkowo niewielkiego silnika. Dostępne są również
wiertarko-wkrętarki z funkcją udaru.
c) Młoty udarowo-obrotowe, jest to większa wersja wiertarki udarowej. Urządzenia te
przeznaczone są do wiercenia otworów o dużych średnicach w twardych materiałach
budowlanych. Wiertła do takiego wiercenia mają ostrza zakończone płytkami
z węglików spiekanych i są potocznie nazywane wiertłami widiowymi. Udar w małych
uniwersalnych wiertarkach jest generowany mechanicznie poprzez tarcie o siebie
dwóch powierzchni zębatych. W młotach udarowo-obrotowych, napędzany przez
silnik tłok, cyklicznie generuje poduszkę powietrzną, która przekazuje ruch udarowy
na wrzeciono z wiertłem. Energia takiego udaru jest znacznie wyższa w porównaniu
z uniwersalnymi wiertarkami o tej samej mocy. Wymusza to zastosowanie
specjalnych uchwytów wiertarskich (SDS Plus, SDS Max) dla zwiększenia trwałości
i efektywności wierteł.
d) Wiertnice koronowe to urządzenia posiadające wysoki moment obrotowy służące do
wykonywania otworów o dużych średnicach za pomocą diamentowych wierteł
trepanacyjnych (koronowych). Wiertnice pracują bez udaru, ponieważ usuwanie
materiału odbywa się poprzez skrawanie ostrzami z nasypem diamentowym. Duża
średnica wiertła koronowego powoduje występowanie wysokich prędkości
skrawania, dlatego podczas takiego wiercenia konieczne jest chłodzenie wiertła.
Wiercenie wiertarkami ręcznymi jest bezpieczne i pozwala uzyskać zadawalające wyniki
przy zachowaniu podstawowych zasad prawidłowego użytkowania:
Należy prawidłowo dobierać prędkość i moment obrotowy w zależności od
wykonywanej operacji i obrabianego materiału. Jeżeli wiertarka posiada przekładnię
dwubiegową, to pierwszego biegu należy używać przy wierceniu z udarem, wkręcaniu
śrub i wkrętów, wiercenia otworów tzw. otwornicami (wiertłami trepanacyjnymi) lub
używaniu mieszadła. Operacje te wymagają większego momentu obrotowego. Jeżeli
wiercimy otwory w drewnie lub metalu niewielkimi wiertłami krętymi, ewentualnie
szlifujemy, należy używać drugiego biegu dla uzyskania większych obrotów,
Prawidłowy dobór momentu obrotowego do wykonywanych operacji, a także nie
przekraczanie zalecanych średnic wierteł, uchroni urządzenie przed przegrzaniem
i uszkodzeniem silnika. Należy pamiętać, aby nie zatykać otworów wentylacyjnych
urządzenia, gdyż może to doprowadzić do przegrzania silnika. Również długotrwała
praca na niskich obrotach powoduje rozgrzanie silnika, dlatego co pewien czas należy
ochłodzić urządzenie włączając je bez obciążenia na najwyższych obrotach,
18
Rys. 14. Warunki wiercenia sprzyjające powstawaniu błędów wymiaru, kształtu i położenia
otworów.
Aby wiercone otwory były pozbawione błędów wymiaru, kształtu i położenia, a także
wysokiej chropowatości należy unikać sytuacji przedstawionych na Rys. 14. Rys. 14a
przedstawia nieprostopadłość osi wiertła do powierzchni czołowej wierconego
otworu, niewspółosiowość wiertła i otwory wstępnego lub nakiełka są przyczyną
błędów położenia osi otworu względem bazy (rys. 14b). Rys. 14c przedstawia
przypadek przenikania wierconego otworu z wcześniej wykonanym otworem, zaś Rys.
14d przedstawia przypadek zbyt bliskiego położenia otworu od krawędzi przedmiotu.
Takie sytuacje powodują rozbicie i nieokrągłość wierconych otworów,
Podczas wiercenia otworów przelotowych, zwłaszcza wiertarkami ręcznymi, należy
pamiętać, aby podłożyć od strony spodniej obrabianego przedmiotu, kawałek
miękkiego materiału np. drewna, w celu uniknięcia wyrwania (wykruszenia)
przedmiotu lub urwaniu wiertła przy jego wychodzeniu z materiału. Takie
niebezpieczeństwo jest spowodowane nagłym wzrostem momentu skrawania, który
występuje przy spadku siły odporowej pochodzącej od ścina (znajdującego się już
poza materiałem),
Jeżeli jest to możliwe należy stosować chłodziwo (ciecze chłodząco-smarujące);
dotyczy to oczywiście wszystkich operacji kształtowania otworów. Ich zadaniem jest
odprowadzenie ciepła ze strefy skrawania, a tym samym obniżenie temperatury
wiertła (lub innych narzędzi) i zwiększenie ich trwałości. Jeden z producentów podaje,
że zastosowanie odpowiedniego chłodziwa, zwiększa nawet 6-krotnie trwałość ich
wierteł. Smarujące właściwości tych cieczy wpływają na zmniejszenie oporów
skrawania, co powoduje mniejsze zapotrzebowanie na moc obrabiarki i daje
powierzchnię obrobiona o lepszej jakości (mniejsza chropowatość).
V.
Aparatura i użyte materiały
a) Wiertarka stołowa,
b) Imadło, uchwyt trójszczękowy,
c) Narzędzia do obróbki otworów: wiertła, rozwiertaki, pogłębiacze, gwintowniki,
d) Narzędzia pomiarowe do oceny dokładności wykonanych otworów,
e) Tablice z danymi potrzebnymi do wyznaczenia parametrów obróbki.
19
VI.
Przebieg ćwiczenia
a) Sprawdzić przygotowanie teoretyczne studentów do ćwiczenia laboratoryjnego,
b) Omówić zasady BHP obowiązujące podczas prac na wiertarkach,
c) Omówić budowę wiertarki oraz innych urządzeń służących do obróbki otworów,
d) Omówić i zapoznać się z dostępnym oprzyrządowaniem (uchwyt wiertarski, imadło,
pryzma, uchwyt trójszczękowy) i narzędziami (wiertła, rozwiertaki, pogłębiacze,
nawiertaki, gwintowniki),
e) Wybrane przez prowadzącego detale zamocować i ustalić za pomocą odpowiedniego
oprzyrządowania (imadło, uchwyt trójszczękowy, pryzma),
f) Operacje obróbki otworów prowadzić z wykorzystaniem oraz bez udziału cieczy
chłodząco-smarującej,
g) Zamocować w uchwycie wiertarskim wiertarki wskazane przez prowadzącego wiertła
oraz ustalić parametry obróbki, np. prędkość obrotową wrzeciona, w zależności od
obrabianego materiału,
h) Wywiercić serię otworów przy różnych parametrach wiercenia. Ocenić, jaki wpływ na
wygląd wykonanych otworów miały zmiany parametrów obróbki. Liczba otworów
musi być wystarczająca do przeprowadzenia kolejnych operacji,
i) Na kilku wcześniej wykonanych otworach przeprowadzić operację powiercania, a
następnie ocenić jakość otrzymanych otworów,
j) Następnie należy przeprowadzić operację rozwiercania. W pierwszej kolejności należy
wywiercić otwór (ewentualnie powiercać), a następnie po zamocowaniu we
wrzecionie obrabiarki rozwiertaków rozwiercić otwory. Ocenić jakość otrzymanych
otworów,
k) Przy użyciu pogłębiaczy wykonać pogłębienia pod łby śrub (wkrętów) w
przygotowanych wcześniej otworach. Sprawdzić czy pogłębienia spełniają swoje
zadanie,
l) Korzystając z gwintowników naciąć gwinty w przygotowanych otworach. Sprawdzić
poprawność wykonania gwintów za pomocą odpowiednich wzorców,
m) Dokonać omówienia przeprowadzonych operacji, dokonać pomiarów i oceny
jakościowej dokładności i jakość powierzchni wykonanych otworów. Jaki wpływ miało
zastosowanie cieczy chłodząco-smarującej? Uzyskane pomiary, spostrzeżenia i uwagi
zebrać w formie protokołu z ćwiczenia laboratoryjnego.
VII.
Opracowanie wyników
Sprawozdanie powinno zawierać krótki wstęp teoretyczny z opisanym celem ćwiczenia
i omówieniem przeprowadzonych operacji obróbki otworów. Należy także zamieścić tabelę
z wynikami pomiarów, a także rysunki techniczne z naniesionymi wymiarami. Dla wybranej
operacji wskazanej przez prowadzącego należy obliczyć parametry technologiczne (siła,
moment, moc). Wnioski mają zawierać spostrzeżenia i uwagi na temat przeprowadzonych
operacji kształtowani otworów, uzyskanych dokładności, jakości powierzchni itp.
20
VIII.
Pytania kontrolne
1. Wymienić operacje kształtowania otworów.
2. Czym się różni wiercenie od powiercania?
3. Jakimi metodami (narzędziami) wykonuje się długie otwory (>15-20d)?
4. Omówić zasadę działania wiertła trepanacyjnego.
5. Co to jest pogłębianie?
6. W jakim celu stosuje się rozwiercanie?
7. Do czego służy nawiertak?
8. Wymienić rodzaje nakiełków.
9. Jak wykonuje się otwór gwintowany?
10. W jakim celu stosuje się komplety gwintowników?
11. Wymienić znane parametry technologiczne i geometryczne operacji wiercenia.
IX.
Literatura
1. W. Olszak, Obróbka skrawaniem, WNT, Warszawa 2009,
2. S. Kapiński, P. Skawiński, J. Sobieszczański, J.Z. Sobolewski, Projektowanie technologii
maszyn. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2002,
3. M. Korzyński, Podstawy technologii maszyn, Oficyna wydawnicza PRz, Rzeszów 2008,
4. K. Pluciński, Mechaniczna technologia metali. Obróbka, narzędzia, obrabiarki
skrawające, WAT, Warszawa 1970,
5. Sandvik, CoroKey – poradnik, Sandvik Polska Sp. z o.o.,
6. Joachim Potrykus (tłumaczenia), Poradnik Mechanika, wydawnictwo REA, Warszawa
2009,
7. Praca zbiorowa, Mały Poradnik Mechanika, tom I i II, WNT, Warszawa 1994,
8. R. Wołk, Normowanie czasu pracy na obrabiarkach do obróbki skrawaniem, WNT,
Warszawa 1972,