Akademia Techniczno – Humanistyczna w Bielsku – Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji
Ćwiczenie wykonano: Dnia: 26.IX.2010.r.	Ćwiczenie zaliczono: Dnia:……………………. Ocena:………………

LABORATORIUM

technik wytwarzania — obróbki skrawaniem, erozyjnej i laserowej

Temat: Szlifowanie

Bartosz Hejny

Specjalność: Samochody i silniki

Studia: stacjonarne, inżynierskie

Semestr: 5

Rok Akademicki: 2011/2012

Cel ćwiczenia:

Przeprowadzone ćwiczenie obejmowało realizację następujących celów:

• zapoznanie z materiałami i narzędziami do obróbki ściernej.

• zapoznanie z podstawowymi zależnościami kinematycznymi i technologicznymi procesu szlifowania.

• praktycznego zweryfikowania oraz zastosowania nabytej wiedzy teoretycznej.

Część teoretyczna:

Szlifowanie to obróbka wykończeniowa powierzchni za pomocą narzędzi ściernych w wyniku której uzyskujemy relatywnie duże dokładności wymiarowe i kształtowe oraz stosunkowo małą chropowatość. Szlifowanie jest zatem obróbką dokładną, umożliwiającą osiągnięcie dokładności wymiarowej w klasach 5-6. Szlifowanie może być stosowane jako obróbka zgrubna, bez innych operacji poprzedzających oraz jako obróbka dokładna nadająca powierzchni obrabianej dużą dokładność, gładkości i korzystne z punktu widzenia eksploatacji własności użytkowe. W procesach obróbki stosowanych jest wiele rodzajów szlifowania — uproszczony schemat przedstawia rysunek 1.

Rys. 1 . Podział szlifowania — schemat.

Źródło: Olszak W. Obróbka skrawaniem. Wyd. WNT. Warszawa. 2000. S. 317-319.

Proces szlifowania jest bardzo złożony z uwagi na specyficzne cechy i własności narzędzi ściernych, nieokreśloną geometrię poszczególnych ostrzy ziaren ściernych, bardzo duże prędkości a także duże opory skrawania. Stąd też parametry procesu obróbki szlifowaniem powinny zostać odpowiednio dobrane pod kątem wypadkowych cech przedmiotu obrabianego¹. Podczas projektowania procesu obróbczego nie bez znaczenia jest tzw. zjawisko dziedziczności technologicznej, polegające na tym iż właściwości użytkowe powierzchni zalezą nie tylko od finalnych operacji (tu szlifowania), lecz także od operacji poprzedzających.

Z punktu widzenia końcowych własności przedmiotu obrabianego szczególnie istotne są²:

• własności dobranej ściernicy w tym m.in.

  • twardość narzędzia ściernego

  • wielkość ziarna ściernego

  • struktura ściernicy

  • kształt i wymiary ściernicy

• parametry szlifowania — głównie prędkość i głębokość szlifowania

• chłodziwo użyte podczas procesu

• dane dotyczące właściwości dynamicznych obrabiarki.

Podstawową obrabiarką podczas procesu szlifowania jest szlifierka. Głównym zadaniem technologicznym szlifierek jest obróbka powierzchniowa powierzchni cylindrycznych i płaszczyzn. Obrabiarki te pracują z narzędziami wieloostrzowymi (ściernicami). Istotną cechą charakterystyczną szlifierek jest duża szybkość skrawania (V = 30 — 120 m/s). Z tego powodu ściernice, wirujące z dużą prędkością, muszą być dokładnie wyważone i zaopatrzone w osłony. Łoże i korpus szlifierki powinny być sztywne (odporne na drgania). Mnogość prac wykonywanych na szlifierkach spowodowała opracowanie wielu konstrukcji, które w dobie dzisiejszej bardzo dużej automatyzacji pracują często w trybie automatycznym.

Przykładowy podział szlifierek:

• szlifierki do wałków

• szlifierki bezkłowe

• szlifierki do otworów

• szlifierki narzędziowe

• szlifierki do płaszczyzn

• szlifierki specjalnego przeznaczenia (np. do wałów korbowych)

Przebieg ćwiczenia:

Badanie budowy ściernicy:

1. Badanie struktury ściernicy specjalnym przyrządem — przepuszczenie sprężonego powietrza przez ściernicę, spadek ciśnienia (zależne od ilości ziaren, spoiwa i porów w strukturze) obserwowany na wskaźniku.

2. Badanie twardości ściernicy metodą zbliżoną do met. Brinella — kulisty wgłębnik wciskany w ściernicę poprzez folię aluminiową (zabezpieczenie przez pęknięciem ściernicy). Pomiar dokonanego odcisku lupą Brinnella i porównanie ze wzorcem. Badanie bardzo istotne z punktu widzenia dokładności całego procesu szlifowania (wypadkowych własności przedmiotu obrabianego).

Powyższe dwie metody są metodami porównawczymi — tzn. wyniki badań muszą zostać porównane ze wzorcami lub tablicami.

Oględziny techniczne i obciąganie ściernicy:

1. Przed zamontowaniem ściernicy na szlifierce niezbędne jest dokonanie oględzin stanu technicznego ściernicy, aby zminimalizować ryzyko rozpadnięcia się podczas pracy (prędkości robocze V = 35 — 120m/s). Przeprowadzenie badania na dźwięk.

   • Wysoki ton dźwięku — ściernica dobra.

   • Ogłoś niski, głuchy — ściernica uszkodzona.

2. Przeprowadzenie obciągnięcia ściernicy obciągaczem diamentowym. Zabieg pozwala zredukować bicie ściernicy, przywrócić właściwości skrawne powierzchni czynnej, nadać właściwy kształt i usunąć stępione ziarna ścierniwa.

3. Założenie ściernicy na obrabiarkę.

Obserwacja ściernicy zamazanej oraz obciągniętej pod mikroskopem — por. rys. 1.

Rys. 2 . Widok ściernicy obciągniętej i zamazanej.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie obserwacji mikroskopowej.

Oznaczenia przykładowej ściernicy — wg PN:

Oznaczenie: 300 x 40 x 127 99A — 46 — J — 7 — V

300 — średnica zewnętrzna [mm]

40 — wysokość ściernicy [mm]

127 — średnica otworu [mm]

99A — materiał ściernicy, elektrokorund szlachetny (99A), zawartość Al₂O₃ ≅ 98%

46 — wielkość ziarna (zakres wymiarów ziarna od … do [µm]);

J — twardość ściernicy ( J jako oznaczenie ściernicy miękkiej)

7 — struktura średnia (V_z = 62 — 2N = 62 – 2*7 = 48% objętość ziaren ściernych [%])

V — spoiwo ceramiczne spiekane

Wyważenie ściernicy statyczne ściernicy — przeprowadzone przyrządem talerzykowym.

Metoda wyważania: Wyważanie ściernicy polegało na odpowiednim przemieszczaniu ciężarków znajdujących się na obwodzie ściernicy zawieszonej na wale. Wyważanie prowadzono do momentu aż zawieszona na wale ściernica (z odpowiednio ustawionymi ciężarkami) wyprowadzona ze stanu równowagi nie zatrzyma się w jednym położeniu .

Wyważanie jest bardzo istotnym etapem przygotowawczym do obróbki szlifowaniem.

Rys. 3 . Wyważanie statyczne przykładowej ściernicy — schemat.

Źródło: Opracowanie własne.

Przeprowadzenie szlifowania wałka — charakterystyka kinematyczna:

• Wymiary wałka: Ø30 x 350 mm

• Ściernica: 300 x 40 x 127 99A — 46 — J — 7 — V

• Charakterystyka szlifierki:

  • Ruch główny — obrotowy ściernicy (v = 35m/s)

  • Ruch wałka: obrotowy i posuwowy, zwrotny w stosunku do ściernicy

  • Ruch dosuwowy ściernicy do wałka

  • Mocowanie wałka w kłach

  • Wysuwana pinola pozwalająca na szlifowanie otworów

  • Ruch posuwowy wrzeciona zapewniany przez napęd hydrauliczny, bezstopniowy — redukcja drgań

  • Napęd z silnika na wrzeciono odbywa się za pomocą pasków klinowych — redukcja drgań

• Zamontowania wałka w kłach obrabiarki

• Wykonanie szlifowania

Poglądowy schemat wykonanego szlifowania obrazuje rysunek 4.

Rys. 4 . Szlifowanie zewnętrzne z posuwem poprzecznym — schemat.

Źródło: Instrukcja laboratorium obróbki skrawaniem — szlifowanie. ATH 2011.

Przeprowadzenie szlifowania powierzchni — charakterystyka kinematyczna:

• Wymiary płaszczyzny: 190 X 280 mm

• Ściernica: 250 X 25 X 76 97A — 46 —K — 6 — V

• Ruch główny: ruch obrotowy ściernicy

• Ruch posuwisty stołu oraz opuszczany wrzeciennik ze ściernicą (ruch poprzeczny).

• Przedmiot zamocowany do stołu

• Wykonanie szlifowania

• Pomiar chropowatości wykonanej powierzchni na profilografometrze — por. rys 6.

Poglądowy schemat wykonanego szlifowania obrazuje rysunek 5.

Rys. 5 . Szlifowanie płaszczyzn obwodem ściernicy — schemat.

Źródło: Instrukcja laboratorium obróbki skrawaniem — szlifowanie. ATH 2011.

Rys. 6 . Powierzchnia po obróbce z różnymi głębokościami szlifowania.

Źródło: Opracowanie własne.

Rys. 7 . Zależność chropowatości powierzchni od głębokości szlifowania — wykres słupkowy.

Źródło: Opracowanie własne na podstawie pomiarów .

Tabela 1. Warunki skrawania.

L.p.	Wielkość	Oznaczenie i jednostka miary	Sposób obliczenia (wzór)	Wartość (Wałek)	Wartość (płaszczyzna)
1	Prędkość obrotowa ściernicy		-	3200	3200
2	Prędkość obrotowa przedmiotu		-	210	210
3	Posuw poprzeczny		-	0,01	0,01
4	Liczba skoków			100	6,67
5	Długość skoku			0,01	0,15
6	Głębokość skrawania		-	0,01	0,15
7	Prędkość skrawania			50,27	41,89
8	Prędkość obwodowa przedmiotu			0,33
9	Posuw czasowy			6,72
10	Posuw wzdłużny		- ułamek właściwy 0,8 dla d >20mm	32
11	Pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej			0,32
12	Czas maszynowy		-	i = q/g = 0,1/0,01= 10 K = 1,4 0,625
13	Wydajność szlifowania			105,56
14	Naddatek na szlifowanie	q [mm]	-	0,1	0,2

Wnioski i spostrzeżenia:

Przeprowadzone ćwiczenie pozwoliło wyciągnąć następujące wnioski:

• Szlifowanie jest procesem, który bardzo ciężko optymalizować, gdyż nie jest nam znana dokładna geometria ściernicy.

• Szlifowanie jest obróbką podczas której parametry opisujące wytrzymałościowy stan warstwy wierzchniej ulęgają szybkim i radykalnym zmianom. Na skutek wysokich wartości naprężeń oraz temperatury istnieje wysokie ryzyko zniszczenia ściernicy podczas pracy — stąd proces oględzin wstępnych, obciągania oraz doboru ściernicy w zależności od materiału obrabianego jest bardzo istotny z punktu widzenia optymalizacji i bezpieczeństwa szlifowania.

• Istotnym elementem przygotowawczym ściernicę do pracy jest proces jej wyważania, który ma przygotować ściernicę do pracy oraz zapobiec biciu a co za tym idzie zniszczeniu ściernicy podczas pracy.

• Szlifowanie jest zazwyczaj procesem wykańczającym obróbkę, nadając odpowiednie parametry gładkości i chropowatości powierzchni (pomijając zjawisko dziedziczności technologicznej). Rzutuje zatem na wypadkową jakości wykonania elementu.
  W wyniku tego dąży się do minimalizacji drgań na obrabiarce poprzez stosowanie odpowiedniego napędu hydraulicznego oraz pasków klinowych przenoszących napęd z silnika na wrzeciono.

• Nie mniej istotna ze względu na jakość przedmiotu jest twardość ściernicy — dla materiałów miękkich twarde ściernice, a do twardych materiałów miękkie. Takie zestawienie powoduje, że zużyte ziarna ściernicy same się wykruszają. Wyjątkiem jest miedź (metal miękki), która obrabiana jest miękką ściernicą.

• Z uwagi na bardzo duże prędkości skrawania (35 — 120 m/s) i potencjalne niebezpieczeństwo pęknięcia ściernicy bardzo często stosuje się tzw. ściernice obudowane. Widoczny jest tylko kontakt ściernicy z przedmiotem obrabianym. Resztę stanowi obudowa oraz łapki zabierające wióry. Budowa taka zabezpiecza operatora przed ewentualnym zagrożeniem.

• Duże ilości ciepła wydzielane podczas szlifowania wymagają stosowania odpowiednich chłodziw — redukcja tarcia między ziarnami ścierniwa a powierzchnią.

• Ze wzrostem głębokości szlifowania pogarsza się chropowatość powierzchni szlifowanej, co pokazały obserwacje na profilografometrze — por. rys. 7. Głębokość szlifowania jest zatem parametrem określającym wypadkową jakość powierzchni przedmiotu.

• Obecne dąży się do obróbki przedmiotu w jednym zamocowaniu przy bardzo dużych prędkościach w celu minimalizacji kosztów i czasu, odchodząc stopniowo od szlifowania.

---

1. Dmochowski J. Podstawy obróbki skrawaniem. PWN. Warszawa. 1981. S. 507.↩

2. Opracowano na podstawie instrukcji laboratorium obróbki skrawaniem. ATH. 2011.↩