10

Obróbka płaszczyzn

Uwagi wstępne

Przy opracowaniu procesów technologicznych obróbki przedmiotów, które mają powierzchnie płaskie, należy wziąć pod uwagę nie tylko warunki posta­wione dla poszczególnych płaszczyzn, lecz również warunki wynikające z wza­jemnych powiązań (sprzężeń) między płaszczyznami oraz powiązań z innymi elementami (np. otworami) przedmiotu. Tak liczne sprzężenia płaszczyzn (lub płaszczyzny) wynikają przede wszystkim stąd, że są one przyjmowane jako bazy konstrukcyjne, montażowe i obróbkowe. Ta charakterystyczna rola, jaką spełniają płaszczyzny jest jedną z przyczyn, że obróbka ich, mimo pozoru, nie należy do łatwych. Z tych samych względów dla większości przypadków istnieje określone miejsce obróbki płaszczyzny w ramach całego procesu tech­nologicznego. W dużym uproszczeniu, jednak z dostateczną dokładnością, to miejsce można określić jako początek każdej fazy obróbki. Należy rozumieć to w ten sposób, że obróbka np. zgrubna płaszczyzny rozpoczyna fazę obróbki zgrubnej przedmiotu, a obróbka wykańczająca płaszczyzny odpowiednio fazę obróbki wykańczającej przedmiotu.

W szczególnych przypadkach, kiedy nie przewiduje się zmiany baz w całym procesie technologicznym, płaszczyznę obrabia się z ostateczną dokładnością na początku procesu. Ogólnie biorąc wyniki obróbki płaszczyzn określają:

- dokładność wymiaru,

- dokładność prostoliniowości w kierunku wzdłużnym, i poprzecznym,

- dokładność powierzchni,

- dokładność równoległości, prostopadłości lub położenia kątowego między płaszczyznami,

- dokładność położenia płaszczyzny względem innych elementów przed­miotu,

- jakość i stan warstwy wierzchniej.

Do najczęściej stosowanych sposobów obróbki płaszczyzn należą:

- w ramach obróbki zgrubnej i kształtującej: struganie, frezowanie, szlifowanie, przeciąganie i toczenie,

- w ramach obróbki wykańczającej i gładkościowej: szlifowanie, docie­ranie zwykłe i oscylacyjne, skrobanie,

- w ramach obróbki mającej na celu polepszenie własności użytkowych:

rolowanie, śrutowanie, powierzchniowa obróbka cieplno-chemiczna i galwaniczna.

Na dobór odpowiedniego sposobu obróbki, jak również metody jej reali­zacji, oprócz warunków postawionych przez konstruktora, wpływają takie czynniki, jak: kształt i wymiary przedmiotu oraz wielkość produkcji.

Obróbka zgrubna i kształtująca płaszczyzn

1. Struganie

Struganie płaszczyzn jest na ogół stosowane w produkcji jednostkowej. Wynika to z następujących cech charakterystycznych tego sposobu obróbki:

- mała wydajność wskutek: małych szybkości skrawania, nieuniknio­nego ruchu jałowego, dużych czasów pomocniczych (ustawienia przedmiotu bez uchwytów),

- obsługa strugarek (zwłaszcza strugarek wzdłużnych) wymaga pracow­ników o wysokich kwalifikacjach, ponieważ ustawianie i kontrola przedmio­tów, jak również obsługa samej obrabiarki należą do czynności trudniejszych,

- mały wpływ różnic wielkości naddatków (surówki w produkcji jednostko­wej są mało dokładne) na przebieg procesu strugania,

- do strugania nie są na ogół konieczne uchwyty i przyrządy, co jest niezbędne przy innych sposobach obróbki.

Osiągalna dokładność obróbki na strugarkach wzdłużnych mieści się w gra­nicach 0,2-0,1 mm na długości 1000 mm. Przy stosowaniu tzw. „szerokich" noży o długości krawędzi skrawającej 25-40 mm i w warunkach dokładnego strugania (obrabiarka o dużej sztywności i hydraulicznym napędzie stołu), można osiągnąć dokładność -wymiaru i kształtu w granicach 9-8 klasy, co odpowiada np. odchyłkom prostoliniowości, nieprzekraczającym 0,02 mm na długości 1000 mm. W tablicy 1 przedstawiono osiągalną i ekonomiczną dokładność powierzchni struganych.

Tablica 1. Osiągalna i ekonomiczna dokładność strugania.

Rodzaj Obróbki	Klasa		Chropowatość Ra [mm/1000]
	Dokładności wymiarowej
	Osiągalna	Ekonomiczna
Zgrubna Dokładna Bardzo dokładna	12 10 7	13-14 11-12 8-9	20 10-2,5 2,5-1,25

Do głównych zalet strugania, w porównaniu z innymi sposobami obróbki płaszczyzn (np. frezowaniem), należy zaliczyć:

- większą dokładność, co wynika z samej istoty obu procesów (struga­nie jest procesem ciągłym, zaś frezowanie przerywanym, gdyż poszczególne ostrza skrawają okresowo) oraz prostej konstrukcji strugarek. Poza tym ciepło powstające rozprzestrzenia się na całej długości strugania, a przy frezowaniu powierzchnia obrabiana nagrzewa się miejscowo, dzięki czemu powstają na­prężenia, które mogą być powodem odkształceń obrabianego przedmiotu,

- prostota narzędzia, jego mniejsze koszty i większa uniwersalność w zastosowaniu,

- lepsze wyniki techniczne (dokładność) i ekonomiczne przy obróbce powierzchni długich i wąskich oraz przerywanych.

Wydajność strugania (szczególnie na strugarkach wzdłużnych) można zmieniać stosunkowo w dużym zakresie poprzez stosowanie:

- obróbki szeregowej polegającej na tym, że przedmioty mocuje się na stole strugarki jeden za drugim (naturalnie, jeżeli łączne wymiary przedmio­tów mieszczą się w granicach skoku stołu),

- stosowanie „szerokich noży" i dużych posuwów (20-25 mm/sek)- jeżeli jest zapewniona odpowiednia sztywność układu przedmiot-obrabiarka,

- specjalnych przyrządów, które ułatwiają ustalenie i zamocowanie przedmiotu,

- dodatkowych stołów, na których mocuje się przedmioty w czasie ob­róbki innego przedmiotu,

- jednoczesnej pracy kilku suportów, przy czym każdy służy do obróbki jednej płaszczyzny,

- specjalnych wielonożowych imaków (rys.1), które mogą pracować metodą „podziału posuwu" (rys. la) lub metodą „podziału głębokości" (rys. l b).

Rys.1. Imaki wielonożowe pracujące: a) „metodą podziału posuwu”

b) „metodą podziału głębokości”

2 Frezowanie

Frezowanie – przy zastosowaniu właściwego oprzyrządowania - jest typowym rodzajem obróbki, zwłaszcza w produkcji seryjnej i wielkoseryjnej, a nawet masowej.

Przy obróbce płasz­czyzn stosuje się frezowanie czołowe, co w porównaniu z frezowaniem obwo­dowym (np. frezem walcowym) zapewnia mniejszą chropowatość powierzchni oraz większą wydajność.

Jest to wynikiem następujących cech charakterys­tycznych frezowania czołowego:

- możliwości stosowania głowic o dużych średnicach,

- bardzo sztywnego zamocowania narzędzia,

- pracy jednoczesnej kilku ostrzy freza, co wpływa na zwiększenie wy­dajności i spokojniejszą pracę narzędzia.

Ujemną, stroną frezowania czołowego jest stosunkowo długi dobieg i wybieg narzędzia. Dokładność frezowania, choć mniejsza niż strugania, jest w wielu przypadkach wystarczająca, zwłaszcza dla przedmiotów małych i średnich. Gdy dokładność frezowania jest zbyt mała, można dodatkowo stosować szlifowanie, co i tak łącznie będzie bardziej ekonomiczną obróbką płaszczyzny w porównaniu ze struganiem, biorąc pod uwagę wysoką wydajność frezowania.

Do najbardziej znanych i zalecanych (z uwagi na wysoką wydajność) metod frezowania płaszczyzn zaliczamy:

a- obróbkę jednoczesną kilku powierzchni przedmiotu zespołem frezów (rys. 2) zamocowanych na jednym wrzecionie lub kilkoma (a nawet kilku­nastoma) frezami zamocowanymi na różnych wrzecionach (rys. 3),

Rys. 2. Jednoczesna obróbka kilku powierzchni (A,B,C,D) zestawem frezów

b- obróbkę na frezarkach wielowrzecionowych przedmiotów o dużych gabarytach

Rys. 3. Schemat frezowania łoża obrabiarki dziewięcioma wrzecionami (14 frezami).

c- obróbkę kolejną (tj. obróbkę szeregu przedmiotów- ustawionych jeden za drugim) rys. 4 i kolejno -równoległą (rys.5),

Rys. 4. Schemat frezowania kolejnego.

Rys. 5. Schemat frezowania kolejno-równoległego.

d- obróbkę w przyrządach lub uchwytach oraz na stołach obrotowych (rys. 6),

Rys. 6. Schematy frezowania: a) na stołach lub w przyrządach obrotowych,

b) w przyrządach i na stołach z urządzeniem podziałowym.

e-obróbkę ciągłą wykonywaną na frezarkach ze stołem obrotowym o pio­nowej osi obrotu (karuzelowej) lub o poziomej osi obrotu (bębnowej) (rys.7).

Rys. 7. Schematy frezowania ciągłego: a) frezarka karuzelowa,

b) frezarka bębnowa .

3. Szlifowanie zgrubne i kształtujące

Szlifowanie jest obecnie szeroko stosowane nie tylko do obróbki wykań­czającej płaszczyzn, lecz również do obróbki zgrubnej. W wielu przypadkach szlifowanie zgrubne płaszczyzn takich przedmiotów, jak: korpusy silników, skrzynki przekładniowe, łoża obrabiarek itp. jest bardziej ekonomiczne niż np. frezowanie.

Szczególnie dobre efekty ekonomiczne daje szlifowanie zgrubne, gdy:

- frezowanie nastręcza duże trudności, np., gdy jest bardzo twardy ma­teriał lub jego warstwa zewnętrzna, trudne jest ze względu na kształt, moco­wanie przedmiotu, małą grubość przedmiotu, wąskie i długie płaszczyzny przerywane itp.,

- frezowanie (lub struganie) nie zapewnia wymaganej dokładności, np. powierzchnie, które przewidziane są jako bazy obróbkowe, mają zbyt małe naddatki na obróbkę itp.

Należy jednak pamiętać, że dla usunięcia tej samej warstwy materiału za po­mocą szlifowania, należy zużyć znacznie więcej energii niż za pomocą frezo­wania lub strugania. Poza tym, usuwanie zbyt dużych naddatków prowadzi do szybkiego zużycia ściernicy, nie mówiąc o tym, że warunki jej pracy są bardzo trudne. Dlatego też szlifowanie zgrubne płaszczyzn należy ograniczyć do przypadków, gdy usunięciu podlega względnie niewielka (w porównaniu ze struganiem lub frezowaniem) warstwa materiału. Największe naddatki, przy których szlifowanie zgrubne jest ekonomiczne, wahają się od 5 mm dla powierzchni żeliwnych z występami, do l mm dla płaszczyzn stalowych.

Szlifierki do zgrubnego szlifowania płaszczyzn są budowane jako jedno­wrzecionowe o układzie wrzecion poziomym lub pionowym, przy czym dwuwrzecionowe służą do jednoczesnej obróbki z dwóch stron (konstrukcje szli­fierek podobne do frezarek wzdłużnych). Największe szlifierki pracują ścier­nicami segmentowymi o średnicy do 2000 mm i mogą obrabiać przedmioty o sze­rokości do 1700 mm i 4000 mm długości. Głębokość szlifowania jest stosunkowo duża i waha się od 1,5 mm przy obróbce żeliwa do 0,5 mm przy stali. Posuw wzdłużny przy tak dużej głębokości wynosi około l m/min dla żeliwa i odpowiednio około 6 m/min dla stali.

Rys Zakres stosowania różnych metod obróbki płaszczyzn.

4. Przeciąganie

Przeciąganie jest typowym rodzajem obróbki przy produkcji masowej, co wynika z wysokiego kosztu narzędzi do przeciągania zewnętrznego, ale jednocześnie wydajność jest 5 -8 większa niż przy frezowaniu.

Przeciąganie zewnętrzne przeprowadza się na specjalnych obrabiarkach, jakkolwiek jest możliwe wykonywanie tych operacji na zwykłych przeciągarkach poziomych, co wymaga jednak skomplikowanego oprzyrządowania.

Zasadniczo są możliwe dwie metody przeciągania zewnętrznego:

-przeciąganie zwykle, wg schematu rys.9a (rys 9a) wiór jest zbierany od razu z całej powierzchni.

Rys. 9. Przeciąganie płaszczyzn zwykłe i stopniowe.

- przeciąganie stopniowe wg schematu na rys. 9b,c. przy tej metodzie kolejne zęby przeciągacza skrawają warstwę metalu — stanowiącą naddatek — od razu na całej głębokości, natomiast o szerokości równej grubości wióra, zbieranej przez jeden ząb.

Zwiększenie wydajności można uzyskać przez równoczesne skrawanie kilku wiórów przy pochyłym usytuowaniu jednego przeciągacza (rys.9b) lub dwu przeciągaczy (rys.9c). przeznaczonych do obróbki zgrubnej.

Ostrza przeciąga wykańczającego w obu przypadkach skrawają na wymaganej szerokości przedmiotu. Metodę stopniowego przeciągania stosuje się głównie przy przeciąganiu surowych powierzchni części kutych i odlewanych.

Grubość warstwy skrawanej (0,4-0.8 mm na jedno ostrze).

Dokładność obróbki przy przeciąganiu zewnętrznym odpowiada dokładności frezowania; trudności występują przy utrzymaniu płaskości, co zasadniczo zależy od sztywności części. Dla specjalnych celów, np. cienkościennych panewek łożyskowych, przy zastosowaniu przeciągaczy bardzo starannie wykańczanych oraz specjalnych przeciągarek, uzyskiwać znacznie wyższą dokładność.

Chropowatość powierzchni w bardzo dużym stopniu zależy od szybkości przeciągania. Przy normalnych szybkościach, 2-6 m/min uzyskuje się chropowatość 5—6 klasy. Przy użyciu przeciągaczy z polerowanymi łukami zębów można uzyskiwać chropowatość 8 i 9 klasy.

Wszystkie zalety i wady przeciągania otworów dotyczą również w pewnym stopniu przeciągania płaszczyzn, z tym, że przeciąganie płaszczyzn ma dodatkową zaletę - możliwość obróbki nieobrobionej wstępnie (surowej) powierzchni według określonego wymiaru przy jednym przejściu narzędzia. Tej możliwości nie ma przy przeciąganiu otworów, gdzie otwór musi być wstępnie wykonany.­

Obróbka wykańczająca płaszczyzn (szlifowanie i skrobanie)

Obróbka wykańczająca płaszczyzn obejmuje dwa sposoby:

- szlifowanie; jest stosowane najczęściej do obróbki wykańczającej płaszczyzn utwardzonych ,

- skrobanie, do płaszczyzn miękkich.

. Rozróżniamy dwie metody szlifowania płaszczyzn: obwodem ściernicy i powierzchnią czo­łową (czołem) ściernicy.

Na rysunku 10 przedstawiono różne metody szlifowania płaszczyzn

1. pokazano szlifowanie płaszczyzny obwodem ścier­nicy tarczowej. Stół z przedmiotem wykonuje

ruchy posuwowo-wzdłużne. Na początku każdego przejścia stół (lub ściernica) przesuwa się prostopadle do kierunku szlifowania w celu obrobienia powierzchni na całej szerokości.

b) przedstawiono schemat szlifowania obwodem ścier­nicy, jednak szerokość jej jest większa od szerokości obrabianego przedmiotu. Ta odmiana szlifowania obwodowego pozwala na jednoczesną obróbkę płasz­czyzny na całej jej szerokości. Jest to odmiana bardziej wydajna od poprzedniej (rys. l0a), jednak prawidłowość obrobionej płaszczyzny zależy od dokład­ności kształtu ściernicy, co naturalnie związane jest ze starannością jej ostrze­nia (obciąganie). Szlifowanie obwodem ściernicy umożliwia uzyskanie wysokiej dokładności i małej chropowatości. Wydajność szlifowania obwodowego jest jednak na ogół niska. Wynika to z dwóch względów mających związek z ce­chami charakterystycznymi dla tej metody szlifowania płaszczyzn. Pierwszy z nich to konieczność stosowania stosunkowo wąskich ściernic, ze względu na możliwość ich odkształceń, co zwiększa liczbę przejść na szerokości obrabianej płaszczyzny. Drugi, to konieczność, ze względu na siły i temperaturę skra­wania, zdejmowania naddatku w częściach, dzięki czemu zwiększa się liczba przejść na długości obrabianej płaszczyzny.

Istnieje szereg sposobów powiększenia wydajności szlifowania obwodo­wego. Między innymi można powiększyć tę wydajność przez stosowanie ob­róbki szeregowej lub szeregowo-równoległej, tak jak to w przypadku frezowania przedstawiono na rys. 4 i 5.

Na rysunkach 10c, d, f przedstawiono odmiany metody szlifowania czołem ściernicy.

Można również zwiększyć wydajność szli­fowania obwodowego przez stosowanie ściernic stopniowanych (rys. 10c), które umożliwiają zdjęcie warstwy o względnie dużej grubości podczas jednego przejścia.

Odmiana pokazana na rys. 10d należy do bardzo wy­dajnych, gdyż przedmiot obrabiany jest od razu na całej szerokości. Należy zwrócić uwagę, że dokładność powierzchni obrabianej nie zależy od prawidło­wości powierzchni roboczej ściernicy, przy czym ostrzenie (obciąganie) ścier­nicy jest w tym przypadku proste, gdyż jej średnica w miarę zużycia, pozostaje bez zmian.

Na rysunkach l0e,f przedstawiono odmiany metody szlifowania czołowego na szlifierkach z wrzecionem pionowym i stołem, który ma ruch prostoliniowo-zwrotny (rys.l0e) i ze stołem obrotowym okrągłym (rys.l0f). W tym ostatnim przypadku przedmiot wraz ze stołem otrzymuje ruch obrotowy, a ściernica posuw pionowy w kierunku obrabianego przed­miotu.

Duże ściernice pracujące powierzchnią czołową (tzw. garnkowe) są naj­częściej wykonane jako segmentowe, przy czym segmenty ścierne wstawiane są do stalowej oprawy. Taka konstrukcja ściernicy umożliwia zmniejszenie odcinków zetknięcia się ściernicy z obrabianą powierzchnią, co w wyniku daje zmniejszenie ilości ciepła wydzielającego się przy szlifowaniu, a tym samym usuwa możliwość przegrzania i przypaleń materiału. Poza tym ściernice seg­mentowe umożliwiają łatwiejsze doprowadzenie chłodziwa do miejsca zetknię­cia z powierzchnią obrabianą i ułatwiają usuwanie wióra. Przy szlifowaniu obwodem ściernicy stosuje się głębokość szlifowania w granicach 0,01-0,15 mm, posuw poprzeczny 1-1,5 mm na skok, szybkość stołu w granicach 3-13 m/min. Przy szlifowaniu czołem ściernicy głębokość szlifowania waha się w granicach 0,005-0,01 mm, a posuw wzdłużny 2-3 m/min.

Szlifowanie płaszczyzn wykonuje się najczęściej w dwóch operacjach (za­biegach): szlifowanie wstępne i wykańczające, z tym że, na szlifowanie wykań­czające pozostawia się 0,2-0,1 całego naddatku na szlifowanie. Przy dokład­nym szlifowaniu płaszczyzn obwodem ściernicy można osiągnąć dokładność wymiaru i kształtu w granicach 0,002 mm na 100mm długości, a dokładność powierzchni (chropowatości) o Ra = 0,32-0,16.

Do najczęściej spotykanych błędów szlifowania zaliczamy: niedostateczną dokładność powierzchniową oraz powierzchniowe pęknięcia i przypalania. Pierwszy błąd jest wynikiem niewłaściwego doboru ziarnistości ściernicy i nie­prawidłowego jej ostrzenia, bądź też niewłaściwego doboru warunków skra­wania lub wreszcie w wyniku drgań wrzeciona. Drugi błąd powstaje w wyniku zbyt dużej płaszczyzny styku ściernicy z powierzchnią obrabianą, bądź też w wyniku niewłaściwego doboru twardości ściernicy i warunków skrawania.

Skrobanie

Skrobanie stosuje się w dwóch przypadkach:

- jako sposób obróbki mającej na celu podniesienie nośności powierzch­ni i występuje w procesie technologicznym po obróbce wykańczającej (np. po szlifowaniu),

- jako sposób obróbki wykańczającej zastępującej często szlifowanie, zwłaszcza w tych przypadkach, kiedy zakład nie dysponuje odpowiednim typem szlifierki.

Ten sposób obróbki jest bardzo pracochłonny, ponieważ przy jednym przesu­nięciu skrobaka zdejmuje się warstwę materiału o grubości około 0,01 mm, a wszystkie czynności wykonuje się ręcznie. Ostatnio coraz częściej wprowadzane są skrobaki mechaniczne (o napędzie pneumatycznym lub elektrycznym), które mogą mieć zastosowanie jedynie do dużych płaszczyzn przy skrobaniu wstępnym. Powierzchnie skrobane muszą być miękkie, to jest ich twardość nie może przekroczyć 28-32 HRC. Kształt, wymiary skrobaków i geometrię ich ostrzy ujmuje norma PN-60/M-63810. Miarą dokładności skrobanej powierzch­ni jest liczba i wielkość plamek, jaką uzyskuje się na powierzchni 25-25 mm w wyniku skrobania. Naddatki na skrobanie są stosunkowo niewielkie, np. dla płaszczyzny o sze­rokości 100 mm i długości 100-500 mm naddatek wynosi 0,1 mm, a dla płasz­czyzny o tej samej szerokości a długości 4000-6000 mm wynosi 0,3 mm.

Obróbka gładkościowa płaszczyzn

Obróbka gładkościowa płaszczyzn obejmuje w zasadzie dwa sposoby: docieranie zwykłe i docieranie oscylacyjne. Oba te sposoby stosuje się w tych przypadkach, kiedy trzeba zapewnić płaszczyźnie małą chropowatość, której inne wymagania dokładności (wymiaru i kształtu) zostały zapewnione w po­przednich operacjach.

Rys.11. Zasada pracy i schemat docierarki oscylacyjnej do płaszczyzn.

Również docieranie stosuje się wtedy, kiedy ze względu na zbyt dużą twardość obrabianej powierzchni nie można stosować skrobania. Schemat docierarki oscylacyjnej i zasadę działania przedstawiono powyżej (rys. 11).

Metody i sposoby polepszania własności użytkowych, płaszczyzn.

Dla polepszenia własności użytkowych spłaszczyzn można stosować te same metody i sposoby obróbki jak dla zewnętrznych powierzchni obrotowych. Naturalnie w poszcze­gólnych przypadkach, a szczególnie w powierzchniowej obróbce plastycznej, układ kinematyczny jak również narzędzia muszą być dostosowane do płasz­czyzny i są one odmienne od omówionych poprzednio.

Rys.12.Głowica do rolowania płaszczyzn.

Na przykład na rys.12 przedstawiono głowicę do rolowania płaszczyzn. Głowica ta może być mocowana na frezarce lub wiertarko-frezarce, do obróbki płaszczyzn o szerokości 100 mm w jednym przejściu. Składa się ona z tarcz 3 z rowkami dla rolek 1 osadzonych na osi 2. Tarcze te osadzone są na trzpieniu drążonym 4 w ten sposób, że sąsiednie rowki tarcz tworzą otwór, w którym umieszczona jest rolka. Dla ułatwienia montażu od czoła głowicy przewidziane są dwie czołowe podkładki 5 z pierścieniem sprężynującym 6 i elementem

10