pobieranie: szlifowanie
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA w Bielsku-Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Ćwiczenie wykonano: dnia:..........................................................
Wykonał:.............................................. Wydział:............................................... Kierunek:.............................................. Rok akadem.:........................................ Semestr:................................................ Ćwiczenie zaliczono: dnia:......................... ocena:..................
LABORATORIUM OBRÓBKI SKRAWANIEM
Temat: SZLIFOWANIE
1) Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie z materiałami i narzędziami do obróbki ściernej oraz z podstawowymi zależnościami kinematycznymi i technologicznymi procesu szlifowania. 2) Wymagane wiadomości a) Charakterystyka opisowa procesu obróbki ściernej, b) Rodzaje materiałów ściernych, ich właściwości i zastosowanie, c) Charakterystyka narzędzi ściernych: − ogólny podział i kształt, − wielkość ziarna, − twardość, − struktura, − spoiwo, d) Zasada regeneracji powierzchni roboczej ściernicy, e) Kinematyczna charakterystyka szlifowania, − odmiany szlifowania, − metody szlifowania, f) Dokładność wymiarowo-kształtowa i chropowatość powierzchni w procesie szlifowania, g) Wpływ czynników związanych z przedmiotem obrabianym, ściernicą i warunkami szlifowania na chropowatość powierzchni. 3) Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] J. Dmochowski: „Podstawy obróbki skrawaniem”. J. Dmochowski., A. Uzarowicz: „Obróbka skrawaniem i obrabiarki”. E. Górski: „Poradnik narzędziowca”. Poradnik Inżyniera: „Obróbka skrawaniem”, Tom I. Zbiór polskich norm. Notatki z wykładów.
4) Przebieg ćwiczenia 4.1.) Charakterystyka materiałów ściernych. 4.2.) Praktyczne zapoznanie studentów z rodzajami i charakterystycznymi cechami materiałów ściernych. • Przeprowadzić pod mikroskopem obserwację wskazanych ziaren ściernych oraz wykonać ich szkice.
Tablica 1. Lp. Rodzaj i gatunek ziaren ściernych l. 2. 3. 4. •
Charakterystyka kształtu ziarna
Uwagi.
Określić i uzasadnić zastosowanie poszczególnych rodzajów materiałów ściernych. 4.3.) Charakterystyka narzędzi po szlifowaniu.
•
• •
Praktyczne zapoznanie studentów z budową i rozwiązaniami konstrukcyjnymi narzędzi ściernych do szlifowania z prędkościami normalnymi i podwyższonymi oraz tarcz ściernych wielkoporowych, − Przeprowadzić pod mikroskopem obserwację powierzchni roboczych ściernicy, − Dobrać ściernicę: kształt, wymiary, ścierniwo, wielkość ziarna, twardość, strukturę, spoiwo (do przedmiotu wg. rysunku). Materiał obrabiany......................................................................................... Podać pełne oznaczenie ściernicy wg PN, Wykonać rysunek kształtowania powierzchni przedmiotu dobraną ściernicą, Mocowanie ściernic, − Scharakteryzować sposoby mocowania ściernic, − Narysować typową oprawkę do mocowania ściernicy, Przygotowanie ściernicy do pracy, − Zamocować i wyrównoważyć statycznie wybraną ściernicę na wyrównoważarce, − Podać schemat wyrównoważania statycznego, − Omówić metody obciągania ściernicy oraz rodzaje obciągaczy: diamentowe, bezdiamentowe, − Dobrać wielkość i rodzaj diamentu do obciągania wskazanej ściernicy i podać oznaczenie obciągacza wg PN. Charakterystyka ściernicy:...................................................................................... Obciągacz diamentowy:.......................................................................................... 4.4.) Charakterystyka kinematyczna szlifowania.
•
Przeprowadzić na szlifierce:.................................................................................... obróbkę wałka o wymiarach: d×l:........................................................................... ściernicą:..................................................................................................................
• • • •
Przeprowadzić na szlifierce:.................................................................................... obróbkę płaszczyzny o wymiarach l×B:................................................................ ściernicą:.................................................................................................................. Ustalić warunki skrawania i podać w tablicy 2. Określić pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej Fa, czas maszynowy oraz wydajność przy szlifowaniu powierzchni obrotowych i płaszczyzn, (tablica 2). Narysować schematy kinematyczne odmian szlifowania pokazanych na ćwiczeniu Oznaczenie i jednostka miary obr n min obr np min mm fp skok skok s mm L [mm] a [mm] m V s m Vp s m ft min mm f obr Fa min 2 Sposób obliczenia (wzór) Wartości Wałek Płaszczyzna
Tablica 2. L.p. L 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Wielkość Prędkość obrotowa ściernicy Prędkość obrotowa przedmiotu Posuw poprzeczny Liczba skoków Długość skoku Głębokość skrawania Prędkość skrawania Prędkość obwodowa przedmiotu Posuw czasowy Posuw wzdłużny Pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej Czas maszynowy Wydajność szlifowania
11
[
]
12 13
t m [min ] mm3 Qw s
WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
1.) Charakterystyka opisowa procesu obróbki ściernej. W procesie technologicznym wytwarzania części maszyn operacje szlifowania zajmują bardzo ważne miejsce. Na drodze szlifowania można obrabiać względnie łatwo materiały o dowolnie różnych właściwościach mechanicznych i fizycznych, stale hartowane, żarowytrzymałe, węgliki spiekane, metale trudnotopliwe, spiekane tlenki glinu itp. Szlifowanie może być stosowane jako obróbka zgrubna, bez innych operacji (toczenia, frezowania itp.) poprzedzających ten proces, oraz jako obróbka dokładna nadająca powierzchni obrabianej dużą gładkość, dokładność i korzystne własności użytkowe. Często operacje szlifowania są operacjami końcowymi obróbki części maszyn. 2.) Rodzaje materiałów ściernych i ich zastosowanie.
Rys. 1. Schemat klasyfikacyjny i oznaczenia ścierniw • Elektrokorund A jest tlenkiem glinu o dużej czystości, otrzymywany z naturalnych rud boksytowych na drodze wytopu i krystalizacji w piecach elektrodowych. Twardość elektrokorundu w skali Mosha wynosi ponad 9, zabarwienie białe, różowe, szare lub brunatne zależnie od rodzaju zanieczyszczeń. Elektrokorund zwykły 95A zawiera ok. 95% Al2O3, zabarwienie najczęściej szare, brunatne lub różowe do ciemnoczerwonego. Stosowany jest w ściernicach przeznaczonych do szlifowania stali konstrukcyjnych i narzędziowych.
•
• • •
• • • • • • •
•
Elektrokorund półszlachetny 97A pochodzi z segregacji elektrokorundu zwykłego lub szlachetnego, zawiera mniej zanieczyszczeń, niż elektrokorund zwykły, zabarwienie szare lub szarobrązowe. Elektrokorund szlachetny 99A zawiera ponad 98% Al2O3. Zabarwienie tego gatunku jest białe lub jasnoróżowe, a twardość nieco większa aniżeli odmiany zwykłej. Monokorud MA jest gatunkiem elektrkorundu o specjalnych właściwościach, otrzymywanym metodą siarczkową z boksytu lub tlenku glinowego w postaci kryształów o bardzo korzystnych izometrycznych kształtach. Zabarwienie szare lub białe. El ektrokorund stopowy jest sztucznym minerałem otrzymywanym przez stapianie technicznego tlenku glinowego z dodatkami tlenków innych metali. Wyróżniamy trzy typy: chromowy, tytanowy i cyrkonowy. Elektrkorund Chromowy CrA zawiera dodatki tlenku chromowego nadające mu zabarwienie od różowego do rubinowego przy większej zawartości tlenków. Elektrokorund tytanowy TiA zawiera dodatki tlenków tytanowych nadających mu zabarwienie jasnobrunatne w odmianie niskotytanowej. Węglik krzemu C jest minerałem sztucznym (α-SiC) otrzymywanym w wyniku syntezy krzemu i węgla. Węglik krzemu ma znacznie większą twardość (9,5 w skali Mohsa) aniżeli elektrokorund. Węglik boru BC jest minerałem sztucznym otrzymywanym na drodze elektrotermicznej z mieszaniny bezwodnika kwasu borowego i węgla, łatwo utlenia się w powietrzu przy podgrzewaniu do temp. powyżej 400°C. Borazon BN sześcienny azotek boru otrzymuje się z azotku boru przy bardzo wysokich ciśnieniach w temperaturze ok. 1650°C. Zabarwienie kryształów borazonu jest czarne lub brązowe, rzadziej mlecznobiałe, szare lub żółte. Diament natutalny D węgiel w postaci krystalicznej ma największą twardość ze wszystkich materiałów ściernych. Rozróżnia się trzy typy naturalnych diamentów technicznych: boart, carbon, ballas. Boart występuje w postaci dosyć dużych kryształów o zabarwieniu szarym do ciemnobrązowego. Carbon ma charakterystyczne czarne zabarwienie. Ballas jest odmianą pośrednią między carbonem, a diamentem krystalicznym. Diament syntetyczny SD otrzymuje się z grafitu, węgla z trzciny cukrowej itp., w warunkach bardzo wysokich ciśnień 5600÷12650 MPa i więcej, oraz temperaturach 1200÷2400°C. Można otrzymać również diament bezpośrednio z diamentu bez udziału katalizatorów w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu.
3.) Charakterystyka narzędzi ściernych. 4.) Ogólny podział i kształt. Kształty i wymiary narzędzi ściernych dobiera się w zależności od ich przeznaczenia, a w szczególności, od kształtu i wymiarów przedmiotu obrabianego oraz odmiany i sposobu szlifowania. Podział narzędzi ściernych konwencjonalnych obejmuje trzy podstawowe grupy: ściernice T, segmenty ścierne S oraz osełki ścierne O. We wszystkich trzech grupach narzędzi ściernych wyróżniamy: typy określone konstrukcją narzędzia i oznaczone na drugim miejscu symbolem liczbowym. W przypadku ściernic płaskich przewidziany jest podział na rodzaj, uwarunkowany kształtem ściernicy i oznaczony symbolem literowym na trzecim miejscu. W przypadku ściernic trzpieniowych rodzaj narzędzia określony jest symbolem liczbowym na
trzecim miejscu oraz symbolem literowym na czwartym miejscu. Rysunek 2 przedstawia niektóre typy ściernic i segmentów,
Rys. 2. Niektóre typy ściernic i segmentów ściernych: 1 - płaska, 2 - pierścieniowa, 3 pierścieniowa z podcięciem, 4 - płaska z jednostronnym wybraniem, 5 - garnkowa walcowa, 6 - garnkowa stożkowa, 7 - garnkowa stożkowa zbieżna, 8 - talerzowa, 9 talerzowa do kół zębatych; segmenty ścierne: 10 - pierścieniowy, 11 - prostokątny, 12talerzowy rysunek 3 przedstawia typy osełek ściernych,
Rys. 3. Typy osełek ściernych: 1 - kwadratowa, 2 - prostokątna, 3 - trójkątna, 4 - okrągła, 5 - półokrągła, 6 - owalna a rysunek 4 niektóre rodzaje ściernic płaskich i trzpieniowych.
Rys. 4. Niektóre rodzaje ściernic płaskich i trzpieniowych, trzpieniowe: 1 - walcowa, 2 walcowo-stożkowa, 3 - walcowa zaokrąglona, 4 - stożkowa zaokrąglona, 5 - stożkowa ścięta, 6 - stożkowa odwrócona, płaskie: 7 - prostokątna, 8 - z jednostronnym ścięciem Każde narzędzie ścierne spojone jest oznaczone zgodnie z PN-71/M-59101 i normą przedmiotową. Przykładowo, ściernicę płaską prostokątną T1A o średnicy zewnętrznej 200 mm, wysokości 20 mm i średnicy otworu 32 mm (PN-71/M-59150), z elektrokorundu zwykłego 95A, o wielkości ziarna 60, twardości K, strukturze średniej 6 i spoiwie ceramicznym V, oznaczamy symbolem: T1A 200×20×32 95A-60-K-6-V PN-71/M-59150
Narzędzia ścierne spojone diamentowe objęte są odrębną normą, istniejący podział obejmuje dwie grupy narzędzi diamentowych: ścierne S i monokrystaliczne M. W grupie ściernic wyróżnia się typy oznaczone na drugim miejscu symbolem liczbowym dwucyfrowym oraz rodzaje oznaczane podobnie symbolem liczbowym dwucyfrowym na trzecim miejscu. Na rysunku 5 przedstawiono niektóre kształty ściernic diamentowych tarczowych, talerzowych i garnkowych,
Rys. 5. Rodzaje ściernic: tarczowych, talerzowych i garnkowych. 1 - płaska, 2 - płaska z jednostronnym ścięciem, 3 - płaska z obrzeżami, 4 - kątowa symetryczna, 5 promieniowa wypukła, 6 - promieniowa wklęsła, 7 - płaska z wybraniem, 8 - płaska, 9 - kątowa, 10 - płaska do szlifowania elektrochemicznego, 11 - płaska zwykła, 12 dwustronnie płaska, 13 - płaska z korpusem wysokim zbieżnym, 14 - kątowa z korpusem wysokim zbieżnym na rysunku 6 trzpieniowych,
Rys. 6. Ściernice diamentowe trzpieniowe: 1 - walcowa cienka, 2 - walcowa gruba, 3 stożkowa, 4 - stożkowa ścięta, 5 - stożkowa odwrócona a na rysunku 7 - pilników diamentowych.
Rys. 7. Pilniki diamentowe: 1 - prostokątny jednostronny, 2 - prostokątny dwustronny, 3 prostokątny dwuuchwytowy, 4 - kątowy Narzędzie ścierne diamentowe oznacza się zgodnie z PN-73/M-59102 i odpowiednią normą przedmiotową. Na przykład, ściernicę diamentową tarczową płaską S 1010 o średnicy zewnętrznej 125 mm, wysokości 15 mm, średnicy otworu 20 mm, grubości warstwy diamentowej 3 mm (PN-62/M-59240), z diamentu syntetycznego SD, o wielkości ziarna 125/100, koncentracji 75% i spoiwie żywicznym B, oznaczamy: S 1010 125×15×20×3 SD-125/100-75-B PN-62/M-59340 5.) Wielkość ziarna. Wielkość ziarna ściernego określona jest wymiarem najmniejszego prostopadłościanu opisanego na ziarnie (długość l, szerokość a, wysokość h). Zależność między wymiarami ziarna jest następująca: h ≤ a ≤ l , przy czym l ≤3 h
Najkorzystniejszy stosunek wymiarów mają ziarna o kształcie izometrycznym, gdzie 1:a:h = 1:1:1, mniej korzystny - ziarna o kształcie blaszkowatym (1:a:h = 1:1:033), a najgorszy ziarna mieczykowate o stosunku 1:a:h = 1:0,33:0,33. Wymiarem charakterystycznym ziarna i mikroziarna jest szerokość a, którą określa się: dla ziaren o szerokości a>53 µm metodą przesiewania przez sito, dla mikroziaren a ≤ 53 µm metodą sedymendacyjną. Umowną cechą określającą zakresy wymiarów charakterystycznych ziaren jest numer ziarna. Przykłady numeracji i charakterystycznych wymiarów ziaren ściernych w µm, podano w tablicy 3. 6.) Twardość. Twardość narzędzia ściernego spojonego określa się siłą potrzebną do wyrwania ziarna z otaczającego je spoiwa. Tak zdefiniowana twardość narzędzia ściernego jest pojęciem zupełnie odmiennym od twardości ścierniwa. Twardość ściernicy zależy od właściwości wytrzymałościowych spoiwa i od grubości wiązania łączącego poszczególne ziarna. Im większa jest zawartość spoiwa w objętości ściernicy, tym większa jest jej twardość. Twardość narzędzi ściernych stanowi jeden z najważniejszych parametrów przy doborze warunków szlifowania. Oprócz zdefiniowanej wcześniej twardości zwanej twardością statyczną, wyróżnia się także twardość dynamiczną, która wiąże się z przebiegiem
procesu zużycia i dynamiczną charakterystyką narzędzia podczas procesu obróbki. Twardość statyczną narzędzi ściernych oznacza się symbolem literowym w postaci dużych liter alfabetu łacińskiego. Można wyróżnić następujące grupy twardości narzędzi ściernych. − bardzo miękkie: E, F, G, − miękkie: H, I, J, K, − średniotwarde: L, M, N, O, − twarde: P, Q, R, S, − bardzo twarde: T, U, W, Z. Tablica 3.
Numer ziarna (oznaczenie) 8 . . 30 ziarna . . 80 . . 220 F230/53 . . mikroziarna F240/17 . . F1200/3 Charakterystyczny wymiar [µm] od do (włącznie) 2360 2800 . . . . 600 710 . . . . 180 212 . . . . 53 15 50 56 . . . . 163 18,3 . . . . 2,5 3,5
7.) Struktura. Strukturą narzędzia ściernego nazywamy procentowy udział ziaren ściernych w całkowitej objętości narzędzia określonej zależnością: V = Vz + Vsp + Vo = 100% gdzie: V - objętość całkowita narzędzia = 100%, Vz - objętość ziaren ściernych, w %, Vsp - objętość spoiwa, w %, Vo - objętość porów, w %. W praktyce przyjęto określać strukturę narzędzi umownym numerem N, odpowiadającym zawartości procentowej ścierniwa w narzędziu. Zależność między udziałem objętościowym ścierniwa Vz, a numerem struktury N wyraża wzór: Vz = 62 − 2 N gdzie: N - numer porządkowy (oznaczenie) struktury. W tablicy 4 podano zakresy struktur ujętych PN dla ściernic konwencjonalnych. Ściernica o strukturze 0 odpowiadająca największej względnej objętości ziarna, nazywana jest całkowicie zwartą, a struktura 14 całkowicie otwartą.
Tablica 4.
Numer struktury N Objętość ziarna Vz % 0 62 l 60 2 3 zwarta 58 56 4 54 5 52 6 7 średnia 50 48 8 46 9 44 10 42 11 12 otwarta 40 38 13 36 14 34
Wybór struktury ściernicy zależy od własności mechanicznych materiału obrabianego, spoiwa, od dokładności obróbki i chropowatości powierzchni, nacisków ściernicy na powierzchnię obrabianą, oraz odmiany szlifowania. Strukturę zwartą i otwartą przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Ściernice o różnych strukturach: a - zwarta, b - otwarta 8.) Spoiwo. Spoiwo jest składnikiem wiążącym poszczególne ziarna ścierne i ułatwiającym nadanie narzędziu kształt określonej geometrycznie bryły. Spoiwo powinno spełniać następujące wymagania: − odpowiednią wytrzymałość, − odporność na wpływy chemiczne i wilgoć, − odporność termiczną, − możliwość utworzenia w narzędziu jak największych porów spełniających rolę rowków wiórowych. Najczęściej stosowane są spoiwa ceramiczne, żywiczne, gumowe, metalowe, galwaniczne i klejowe, natomiast rzadziej spoiwa krzemianowe i magnezytowe. • Spoiwa ceramiczne składają się z naturalnych surowców mineralnych jak: skalenie, gliny, kwarc. Rozróżnia się spoiwa ceramiczne topliwe VBE, stosowane do wyrobu ściernic elektrokorundowych oraz spoiwa ceramiczne spiekane V, wykorzystywane do wyrobu ściernic z węglika krzemu. Budowa spoiwa po zastygnięciu jest najczęściej bezpostaciowa, lub ma szkielet krystaliczny. Spoiwa ceramiczne są stosowane do wszystkich rodzajów materiałów ściernych z diamentem włącznie. Zaletami spoiw ceramicznych są: − możliwość stopniowania twardości narzędzi ściernych, wytrzymałość na rościąganie, sprężystość, − odporność na działanie czynników chemicznych, − odporność chemiczna. • Spoiwa żywiczne, (bakielitowe) B są produktami tworzyw sztucznych, najczęściej są to żywice typu nowolakowego z odpowiednimi wypełniaczami. Spoiwa te mają wysoką wytrzymałość, elastyczność oraz właściwości polerowania powierzchni szlifowanej. Ściernice o spoiwie żywicznym mają zastosowanie przede wszystkim do przecinania
•
•
• •
•
materiałów i operacji szlifowania zgrubnego przy dużych prędkościach skrawania (45÷100 m/s). Wadą spoiw jest wrażliwość na działanie chłodziw zawierających zasady oraz działanie temperatury. Spoiwa gumowe R są wytwarzane z kauczuku naturalnego lub syntetycznego zwulkanizowanego siarką. Spoiwo charakteryzuje się niewrażliwością na obciążenia udarowe, dużą sprężystością, wytrzymałością na rozciąganie i zginanie oraz zdolnością do realizacji tzw. „chłodnego” szlifowania. Spoiwa gumowe są stosowane w operacjach przecinania, szlifowania z dużymi prędkościami, szlifowania bezkłowego oraz szlifowania gwintów. Spoiwa metalowe M i galwaniczne G wytwarza się metodami metalurgii proszków oraz metodą osadzania galwanicznego. Wśród spoiw metalowych stosowane są najczęściej brązy spiekane, tlenki i węgliki metali, wśród galwanicznych - spoiwa niklowe. Spoiwa te odznaczają się dużą wytrzymałością, odpornością na działanie chłodziwa i olejów. Spoiwa metalowe i galwaniczne są stosowane do produkcji ściernic ze ścierniw supertwardych (diamentu lub regularnego azotku boru) oraz wyrobu obciągaczy wirujących. Spoiwa klejowe KS składają się z klejów glutynowych i żywic samoutwardzalnych i są przeznaczone do wyrobu narzędzi ściernych nasypowych: taśmy i papiery ścierne, krążki, itp. Spoiwa krzemianowe (silikatowe) S składają się głównie z mieszaniny szkła i aktywnych wypełniaczy. Zastosowanie tych spoiw jest ograniczone z uwagi na jego małą twardość, brak odporności na chemiczne działanie środka chłodzącego oraz kruchość. Spoiwa magnezytowe Mg składają się z magnezytu kaustycznego (MgO) i roztworu wodnego chlorku magnezu (MgCl2×6H20). Spoiwo to jest kruche, wrażliwe na wilgoć i zmiany temperatury. Stosowane jest w ograniczonym zakresie do wyrobu ściernic o dużych wymiarach (o średnicy ≈ 2 m) przeznaczonych do szlifowania bocznych powierzchni narzędzi jak; piły, pilniki, noże itp.
9.) Zasada regeneracji powierzchni roboczej ściernicy. Obciąganie obejmuje zabiegi mające na celu zmniejszenie bicia ściernicy, przywrócenie własności skrawnych ściernicy „zamazanej” lub stępionej na skutek zużycia ziaren ściernych, a także nadanie odpowiedniego kształtu powierzchni roboczej ściernicy. Rozróżniamy trzy rodzaje obciągaczy • Ściernicowe, • Bezdiamentowe,
Rys. 9. Obciągacz bezdiamentowy: a - z węglików spiekanych, b - krążkowy metalowy, 1 krążek z węglików spiekanych, 2 - panewka z węglików spiekanych, 3 - docisk, 4 krążki metalowe
•
Diamentowe.
Rys. 10. Przykłady obciągaczy diamentowych szlifowanych: 1 - ostrosłupowy, 2 pryzmatyczny ścięty, 3 - stożkowy zwykły, 4 - profilowany dwuścienny, 5 - szeregowy, 6 - warstwowy jednorzędowy, 7 - warstwowy wielorzędowy W miarę zużywania się krawędzi diamentu należy go okresowo obracać wokół osi oprawki, a także zmieniać położenie osi w stosunku do tworzącej ściernicy. Obciąganie diamentem przeprowadza się na sucho. Prędkość obwodowa ściernicy powinna odpowiadać prędkości podczas szlifowania. W celu zmniejszenia zużycia diamentu, stosowane jest czasami obciąganie przy zmniejszonych prędkościach obwodowych, z wyjątkiem ostatniego przejścia, w którym prędkość ściernicy powinna odpowiadać prędkości skrawania. 10.) • Kinematyczna charakterystyka szlifowania.
Szlifowanie zewnętrzne brył obrotowych, − Z posuwem wzdłużnym, Układ ruchów narzędzia i przedmiotu obrabianego przedstawia rysunek 11. Ruchem głównym jest ruch obrotowy ściernicy. Ruchami posuwowymi są: ruch obrotowy przedmiotu obrabianego, ruch wzdłużny (ściernicy lub przedmiotu) oraz okresowy ruch porzeczny ściernicy, zachodzący przy zmianie kierunku posuwu wzdłużnego, nazywany dosuwem ściernicy lub głębokością skrawania.
Rys. 11. Schemat szlifowania zewnętrznego z posuwem wzdłużnym
− Z posuwem wgłębnym, Układ ruchów narzędzia i przedmiotu obrabianego przedstawia rysunek 12. Ruchem głównym jest ruch obrotowy ściernicy, której szerokość musi być większa od długości powierzchni szlifowanej. Ruchami posuwowymi są: ruch obrotowy przedmiotu oraz ciągły posuw poprzeczny ściernicy. Dla zapewnienia bardziej równomiernego zużycia ściernicy w procesie szlifowania, często ma ona dodatkowe niewielkie ruchy poosiowe o małej częstotliwości i skoku 5÷10 mm.
Rys. 12. Schemat szlifowania wgłębnego − Bezkłowe, Szlifowanie bezkłowe polega na tym, że przedmiotu obrabianego nie mocuje się ani w uchwycie, ani w kłach, jedynie podpiera go specjalną podtrzymką. Położenie przedmiotu w czasie obróbki określa sama powierzchnia obrabiana, która w tym przypadku jest tzw. bazą obróbkową. Podczas szlifowania bezkłowego (rys. 13) przedmiot l umieszczony jest pomiędzy dwoma tarczami, z których jedna tzw. szlifująca albo skrawająca 2 obraca się z dużą prędkością obwodową (30÷35 m/s), a druga, nosząca nazwę tarczy prowadzącej 3, ze znacznie mniejszą prędkością (25÷30 m/min),
Rys. 13. Schemat szlifowania zewnętrznego bezkłowego: 1 - przedmiot obrabiany, 2 ściernica szlifująca, 3 - ściernica prowadząca, 4 - podtrzymka
•
Szlifowanie wewnętrzne, Szlifowanie wewnętrzne stosuje się do otworów walcowych i stożkowych, przelotowych i nieprzelotowych. Schemat szlifowania wewnętrznego ilustruje rysunek 14. Podczas szlifowania ruchem głównym jest ruch obrotowej ściernicy, a ruchami posuwowymi: posuw wzdłużny i poprzeczny.
Rys. 14. Schemat szlifowania wewnętrznego Podczas szlifowania wewnętrznego, w przeciwieństwie do zewnętrznego, średnica ściernicy ograniczona jest wymiarami otworu i nie może być większa, niż średnica otworu szlifowanego. Dlatego też przy bardzo małych średnicach otworu, dla uzyskania odpowiedniej gładkości powierzchni, prędkości obrotowa ściernicy powinny być bardzo duże. Możemy wyróżnić następujące rodzaje szlifowania wewnętrznego: − Z wybiegiem ściernicy, Wartości wybiegów ściernicy, z jednej i drugiej strony przedmiotu, powinny być równe, w przeciwnym wypadku powstanie otwór stożkowy zbieżny w kierunku mniejszego wybiegu.
Rys. 15. Schemat szlifowania wewnętrznego z wybiegiem ściernicy: a - gdy środkowa część otworu znajduje się w ciągłym styku ze ściernicą, b - gdy styk środkowej części otworu jest okresowy
−
Planetarne,
Rys. 16. Schemat szlifowania wewnętrznego planetarnego − Bezkłowe,
Przedmiot obrabiany l, ustawia się pomiędzy trzema rolkami. Rolka 2, nazywana prowadzącą, nadaje przedmiotowi obrabianemu ruch obrotowy. Rolka 3, nazywana podpierającą, albo podtrzymką rolkową, ustala położenie przedmiotu. Rolka 4, dociska przedmiot obrabiany do rolek pozostałych.
Rys. 17. Schemat szlifowania wewnętrznego bezkłowego: 1 - przedmiot obrabiany, 2 - rolka prowadząca, 3 - rolka podpierająca, 4 - rolka dociskowa • Szlifowanie płaszczyzn, Rozróżniamy dwa sposoby szlifowania płaszczyzn: obwodem i powierzchnią czołową ściernicy. W pierwszym przypadku stosujemy najczęściej ściernice tarczowe płaskie, w drugim garnkowe i segmentowe. Rozróżniamy trzy odmiany szlifowania płaszczyzn: − obwodem ściernicy, − bez posuwu poprzecznego, − z posuwem poprzecznym głębokie, w którym naddatek na szlifowanie odpowiada głębokości skrawania,
Rys. 18. Schemat szlifowania płaszczyzn obwodem ściernicy: a - bez posuwu poprzecznego, b - z posuwem poprzecznym głębokie, c - z posuwem poprzecznym zwykłe
Rys. 19. Schemat szlifowania płaszczyzn czołem ściernicy: a - przy prostopadłości osi obrotu ściernicy do powierzchni obrabianej, b - przy odchyleniu osi od pionu o 2÷3°; 1 kierunkowość nierówności dla przypadku a), 2 - kierunkowość nierówności dla przypadku b) 11.) Dokładność wymiarowo-kształtowa i chropowatość powierzchni w procesie szlifowania. Wady powierzchni szlifowanej w postaci miejsc lokalnie odpuszczonych lub zahartowanych wtórnie tworzą w warstwie wierzchniej karby strukturalne, a także w miejscach tych spiętrzają się naprężenia własne (rozciągające). Prowadzi to do spadku wytrzymałości zmęczeniowej powierzchni. W miejscach strukturalnej i mechanicznej warstwy wierzchniej, podczas eksploatacji warstwy wierzchniej powstają najczęściej pęknięcia zwykłe i zmęczeniowe, zatarcia i inne uszkodzenia powierzchni prowadzące do zniszczenia części. O tym jak ważny jest wpływ warstwy wierzchniej, uzyskiwanych w procesie obróbki, nie tylko podczas szlifowania, ale i w operacjach poprzedzających
szlifowanie może świadczyć następujący przykład. Podobne części obrobiono według dwóch wariantów technologicznych: w pierwszym - zgrubnie uzyskując chropowatość Rz=15÷80 µm, drugi wariant obejmował obróbkę wstępną dokładną, w której chropowatość wynosiła Rz=1,7÷3,2 µm i podobnie jak w wariancie pierwszym przeprowadzono hartowanie i szlifowanie dające taką samą chropowatość końcową Rz=0,5÷0,8 µm. Badania części na wytrzymałość zmęczeniową wykazały około 20% wzrost wytrzymałości części wykonywanych według drugiego wariantu. Opisany przypadek ilustruje tzw. zjawisko dziedziczności technologicznej, polegające na tym, że własności użytkowe powierzchni zależą nie tylko od operacji finalnych, ale również od operacji poprzedzających je. W tych samych pozornie operacjach finalnych, w rozpatrywanym przypadku szlifowania, uzyskanie wymaganej dokładności wymiarowo-kształtowej i gładkości powierzchni nie zapewnia takich samych wartości użytkowych powierzchni (wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na ścieranie itp.), jeżeli operacje poprzedzające znacznie się różniły. 12.) Wpływ czynników związanych z przedmiotem obrabianym, ściernicą i warunkami szlifowania na chropowatość powierzchni. Jakość powierzchni szlifowanej, określona zespołem cech charakteryzujących stany geometryczny i fizyczny warstwy wierzchniej, zależy przede wszystkim od własności ściernicy, parametrów szlifowania, własności materiału obrabianego i właściwości dynamicznych obrabiarki. Chropowatość powierzchni obrabianej jest w zasadzie tym mniejsza, im mniejsze jest obciążenie podczas szlifowania. Podczas szlifowania materiałów twardych (stale hartowane) uzyskuje się większą gładkość powierzchni, niż podczas szlifowania materiałów miękkich (stale zmiękczone). Wyraźne pogorszenie gładkości powierzchni można stwierdzić w przypadku niewłaściwie dobranej ściernicy, na przykład o zbyt dużej twardości, skłonność do zamazywania itp. Czynnikiem o dużym znaczeniu dla uzyskania wysokiej gładkości jest właściwie dobrana ciecz chłodząca, której zadaniem jest nie tylko chłodzenie, ale i smarowanie, prowadzące do zmniejszenia oporów tarcia tych ziaren, które ślizgają się po powierzchni skrawania. Przy prawidłowo dobranym chłodziwie musi być zapewnione dokładne oczyszczanie chłodziwa z zanieczyszczeń produktami skrawania: wiórami, wykruszonymi ziarnami, spoiwem. Wpadanie cząstek tych produktów do strefy skrawania może powodować nawet znaczny wzrost chropowatości powierzchni obrobionej.
szlifowanie
AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA w Bielsku-Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Ćwiczenie wykonano: dnia:..........................................................
Wykonał:.............................................. Wydział:............................................... Kierunek:.............................................. Rok akadem.:........................................ Semestr:................................................ Ćwiczenie zaliczono: dnia:......................... ocena:..................
LABORATORIUM OBRÓBKI SKRAWANIEM
Temat: SZLIFOWANIE
1) Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie z materiałami i narzędziami do obróbki ściernej oraz z podstawowymi zależnościami kinematycznymi i technologicznymi procesu szlifowania. 2) Wymagane wiadomości a) Charakterystyka opisowa procesu obróbki ściernej, b) Rodzaje materiałów ściernych, ich właściwości i zastosowanie, c) Charakterystyka narzędzi ściernych: − ogólny podział i kształt, − wielkość ziarna, − twardość, − struktura, − spoiwo, d) Zasada regeneracji powierzchni roboczej ściernicy, e) Kinematyczna charakterystyka szlifowania, − odmiany szlifowania, − metody szlifowania, f) Dokładność wymiarowo-kształtowa i chropowatość powierzchni w procesie szlifowania, g) Wpływ czynników związanych z przedmiotem obrabianym, ściernicą i warunkami szlifowania na chropowatość powierzchni. 3) Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] J. Dmochowski: „Podstawy obróbki skrawaniem”. J. Dmochowski., A. Uzarowicz: „Obróbka skrawaniem i obrabiarki”. E. Górski: „Poradnik narzędziowca”. Poradnik Inżyniera: „Obróbka skrawaniem”, Tom I. Zbiór polskich norm. Notatki z wykładów.
4) Przebieg ćwiczenia 4.1.) Charakterystyka materiałów ściernych. 4.2.) Praktyczne zapoznanie studentów z rodzajami i charakterystycznymi cechami materiałów ściernych. • Przeprowadzić pod mikroskopem obserwację wskazanych ziaren ściernych oraz wykonać ich szkice.
Tablica 1. Lp. Rodzaj i gatunek ziaren ściernych l. 2. 3. 4. •
Charakterystyka kształtu ziarna
Uwagi.
Określić i uzasadnić zastosowanie poszczególnych rodzajów materiałów ściernych. 4.3.) Charakterystyka narzędzi po szlifowaniu.
•
• •
Praktyczne zapoznanie studentów z budową i rozwiązaniami konstrukcyjnymi narzędzi ściernych do szlifowania z prędkościami normalnymi i podwyższonymi oraz tarcz ściernych wielkoporowych, − Przeprowadzić pod mikroskopem obserwację powierzchni roboczych ściernicy, − Dobrać ściernicę: kształt, wymiary, ścierniwo, wielkość ziarna, twardość, strukturę, spoiwo (do przedmiotu wg. rysunku). Materiał obrabiany......................................................................................... Podać pełne oznaczenie ściernicy wg PN, Wykonać rysunek kształtowania powierzchni przedmiotu dobraną ściernicą, Mocowanie ściernic, − Scharakteryzować sposoby mocowania ściernic, − Narysować typową oprawkę do mocowania ściernicy, Przygotowanie ściernicy do pracy, − Zamocować i wyrównoważyć statycznie wybraną ściernicę na wyrównoważarce, − Podać schemat wyrównoważania statycznego, − Omówić metody obciągania ściernicy oraz rodzaje obciągaczy: diamentowe, bezdiamentowe, − Dobrać wielkość i rodzaj diamentu do obciągania wskazanej ściernicy i podać oznaczenie obciągacza wg PN. Charakterystyka ściernicy:...................................................................................... Obciągacz diamentowy:.......................................................................................... 4.4.) Charakterystyka kinematyczna szlifowania.
•
Przeprowadzić na szlifierce:.................................................................................... obróbkę wałka o wymiarach: d×l:........................................................................... ściernicą:..................................................................................................................
• • • •
Przeprowadzić na szlifierce:.................................................................................... obróbkę płaszczyzny o wymiarach l×B:................................................................ ściernicą:.................................................................................................................. Ustalić warunki skrawania i podać w tablicy 2. Określić pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej Fa, czas maszynowy oraz wydajność przy szlifowaniu powierzchni obrotowych i płaszczyzn, (tablica 2). Narysować schematy kinematyczne odmian szlifowania pokazanych na ćwiczeniu Oznaczenie i jednostka miary obr n min obr np min mm fp skok skok s mm L [mm] a [mm] m V s m Vp s m ft min mm f obr Fa min 2 Sposób obliczenia (wzór) Wartości Wałek Płaszczyzna
Tablica 2. L.p. L 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Wielkość Prędkość obrotowa ściernicy Prędkość obrotowa przedmiotu Posuw poprzeczny Liczba skoków Długość skoku Głębokość skrawania Prędkość skrawania Prędkość obwodowa przedmiotu Posuw czasowy Posuw wzdłużny Pole przekroju poprzecznego warstwy skrawanej Czas maszynowy Wydajność szlifowania
11
[
]
12 13
t m [min ] mm3 Qw s
WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
1.) Charakterystyka opisowa procesu obróbki ściernej. W procesie technologicznym wytwarzania części maszyn operacje szlifowania zajmują bardzo ważne miejsce. Na drodze szlifowania można obrabiać względnie łatwo materiały o dowolnie różnych właściwościach mechanicznych i fizycznych, stale hartowane, żarowytrzymałe, węgliki spiekane, metale trudnotopliwe, spiekane tlenki glinu itp. Szlifowanie może być stosowane jako obróbka zgrubna, bez innych operacji (toczenia, frezowania itp.) poprzedzających ten proces, oraz jako obróbka dokładna nadająca powierzchni obrabianej dużą gładkość, dokładność i korzystne własności użytkowe. Często operacje szlifowania są operacjami końcowymi obróbki części maszyn. 2.) Rodzaje materiałów ściernych i ich zastosowanie.
Rys. 1. Schemat klasyfikacyjny i oznaczenia ścierniw • Elektrokorund A jest tlenkiem glinu o dużej czystości, otrzymywany z naturalnych rud boksytowych na drodze wytopu i krystalizacji w piecach elektrodowych. Twardość elektrokorundu w skali Mosha wynosi ponad 9, zabarwienie białe, różowe, szare lub brunatne zależnie od rodzaju zanieczyszczeń. Elektrokorund zwykły 95A zawiera ok. 95% Al2O3, zabarwienie najczęściej szare, brunatne lub różowe do ciemnoczerwonego. Stosowany jest w ściernicach przeznaczonych do szlifowania stali konstrukcyjnych i narzędziowych.
•
• • •
• • • • • • •
•
Elektrokorund półszlachetny 97A pochodzi z segregacji elektrokorundu zwykłego lub szlachetnego, zawiera mniej zanieczyszczeń, niż elektrokorund zwykły, zabarwienie szare lub szarobrązowe. Elektrokorund szlachetny 99A zawiera ponad 98% Al2O3. Zabarwienie tego gatunku jest białe lub jasnoróżowe, a twardość nieco większa aniżeli odmiany zwykłej. Monokorud MA jest gatunkiem elektrkorundu o specjalnych właściwościach, otrzymywanym metodą siarczkową z boksytu lub tlenku glinowego w postaci kryształów o bardzo korzystnych izometrycznych kształtach. Zabarwienie szare lub białe. El ektrokorund stopowy jest sztucznym minerałem otrzymywanym przez stapianie technicznego tlenku glinowego z dodatkami tlenków innych metali. Wyróżniamy trzy typy: chromowy, tytanowy i cyrkonowy. Elektrkorund Chromowy CrA zawiera dodatki tlenku chromowego nadające mu zabarwienie od różowego do rubinowego przy większej zawartości tlenków. Elektrokorund tytanowy TiA zawiera dodatki tlenków tytanowych nadających mu zabarwienie jasnobrunatne w odmianie niskotytanowej. Węglik krzemu C jest minerałem sztucznym (α-SiC) otrzymywanym w wyniku syntezy krzemu i węgla. Węglik krzemu ma znacznie większą twardość (9,5 w skali Mohsa) aniżeli elektrokorund. Węglik boru BC jest minerałem sztucznym otrzymywanym na drodze elektrotermicznej z mieszaniny bezwodnika kwasu borowego i węgla, łatwo utlenia się w powietrzu przy podgrzewaniu do temp. powyżej 400°C. Borazon BN sześcienny azotek boru otrzymuje się z azotku boru przy bardzo wysokich ciśnieniach w temperaturze ok. 1650°C. Zabarwienie kryształów borazonu jest czarne lub brązowe, rzadziej mlecznobiałe, szare lub żółte. Diament natutalny D węgiel w postaci krystalicznej ma największą twardość ze wszystkich materiałów ściernych. Rozróżnia się trzy typy naturalnych diamentów technicznych: boart, carbon, ballas. Boart występuje w postaci dosyć dużych kryształów o zabarwieniu szarym do ciemnobrązowego. Carbon ma charakterystyczne czarne zabarwienie. Ballas jest odmianą pośrednią między carbonem, a diamentem krystalicznym. Diament syntetyczny SD otrzymuje się z grafitu, węgla z trzciny cukrowej itp., w warunkach bardzo wysokich ciśnień 5600÷12650 MPa i więcej, oraz temperaturach 1200÷2400°C. Można otrzymać również diament bezpośrednio z diamentu bez udziału katalizatorów w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu.
3.) Charakterystyka narzędzi ściernych. 4.) Ogólny podział i kształt. Kształty i wymiary narzędzi ściernych dobiera się w zależności od ich przeznaczenia, a w szczególności, od kształtu i wymiarów przedmiotu obrabianego oraz odmiany i sposobu szlifowania. Podział narzędzi ściernych konwencjonalnych obejmuje trzy podstawowe grupy: ściernice T, segmenty ścierne S oraz osełki ścierne O. We wszystkich trzech grupach narzędzi ściernych wyróżniamy: typy określone konstrukcją narzędzia i oznaczone na drugim miejscu symbolem liczbowym. W przypadku ściernic płaskich przewidziany jest podział na rodzaj, uwarunkowany kształtem ściernicy i oznaczony symbolem literowym na trzecim miejscu. W przypadku ściernic trzpieniowych rodzaj narzędzia określony jest symbolem liczbowym na
trzecim miejscu oraz symbolem literowym na czwartym miejscu. Rysunek 2 przedstawia niektóre typy ściernic i segmentów,
Rys. 2. Niektóre typy ściernic i segmentów ściernych: 1 - płaska, 2 - pierścieniowa, 3 pierścieniowa z podcięciem, 4 - płaska z jednostronnym wybraniem, 5 - garnkowa walcowa, 6 - garnkowa stożkowa, 7 - garnkowa stożkowa zbieżna, 8 - talerzowa, 9 talerzowa do kół zębatych; segmenty ścierne: 10 - pierścieniowy, 11 - prostokątny, 12talerzowy rysunek 3 przedstawia typy osełek ściernych,
Rys. 3. Typy osełek ściernych: 1 - kwadratowa, 2 - prostokątna, 3 - trójkątna, 4 - okrągła, 5 - półokrągła, 6 - owalna a rysunek 4 niektóre rodzaje ściernic płaskich i trzpieniowych.
Rys. 4. Niektóre rodzaje ściernic płaskich i trzpieniowych, trzpieniowe: 1 - walcowa, 2 walcowo-stożkowa, 3 - walcowa zaokrąglona, 4 - stożkowa zaokrąglona, 5 - stożkowa ścięta, 6 - stożkowa odwrócona, płaskie: 7 - prostokątna, 8 - z jednostronnym ścięciem Każde narzędzie ścierne spojone jest oznaczone zgodnie z PN-71/M-59101 i normą przedmiotową. Przykładowo, ściernicę płaską prostokątną T1A o średnicy zewnętrznej 200 mm, wysokości 20 mm i średnicy otworu 32 mm (PN-71/M-59150), z elektrokorundu zwykłego 95A, o wielkości ziarna 60, twardości K, strukturze średniej 6 i spoiwie ceramicznym V, oznaczamy symbolem: T1A 200×20×32 95A-60-K-6-V PN-71/M-59150
Narzędzia ścierne spojone diamentowe objęte są odrębną normą, istniejący podział obejmuje dwie grupy narzędzi diamentowych: ścierne S i monokrystaliczne M. W grupie ściernic wyróżnia się typy oznaczone na drugim miejscu symbolem liczbowym dwucyfrowym oraz rodzaje oznaczane podobnie symbolem liczbowym dwucyfrowym na trzecim miejscu. Na rysunku 5 przedstawiono niektóre kształty ściernic diamentowych tarczowych, talerzowych i garnkowych,
Rys. 5. Rodzaje ściernic: tarczowych, talerzowych i garnkowych. 1 - płaska, 2 - płaska z jednostronnym ścięciem, 3 - płaska z obrzeżami, 4 - kątowa symetryczna, 5 promieniowa wypukła, 6 - promieniowa wklęsła, 7 - płaska z wybraniem, 8 - płaska, 9 - kątowa, 10 - płaska do szlifowania elektrochemicznego, 11 - płaska zwykła, 12 dwustronnie płaska, 13 - płaska z korpusem wysokim zbieżnym, 14 - kątowa z korpusem wysokim zbieżnym na rysunku 6 trzpieniowych,
Rys. 6. Ściernice diamentowe trzpieniowe: 1 - walcowa cienka, 2 - walcowa gruba, 3 stożkowa, 4 - stożkowa ścięta, 5 - stożkowa odwrócona a na rysunku 7 - pilników diamentowych.
Rys. 7. Pilniki diamentowe: 1 - prostokątny jednostronny, 2 - prostokątny dwustronny, 3 prostokątny dwuuchwytowy, 4 - kątowy Narzędzie ścierne diamentowe oznacza się zgodnie z PN-73/M-59102 i odpowiednią normą przedmiotową. Na przykład, ściernicę diamentową tarczową płaską S 1010 o średnicy zewnętrznej 125 mm, wysokości 15 mm, średnicy otworu 20 mm, grubości warstwy diamentowej 3 mm (PN-62/M-59240), z diamentu syntetycznego SD, o wielkości ziarna 125/100, koncentracji 75% i spoiwie żywicznym B, oznaczamy: S 1010 125×15×20×3 SD-125/100-75-B PN-62/M-59340 5.) Wielkość ziarna. Wielkość ziarna ściernego określona jest wymiarem najmniejszego prostopadłościanu opisanego na ziarnie (długość l, szerokość a, wysokość h). Zależność między wymiarami ziarna jest następująca: h ≤ a ≤ l , przy czym l ≤3 h
Najkorzystniejszy stosunek wymiarów mają ziarna o kształcie izometrycznym, gdzie 1:a:h = 1:1:1, mniej korzystny - ziarna o kształcie blaszkowatym (1:a:h = 1:1:033), a najgorszy ziarna mieczykowate o stosunku 1:a:h = 1:0,33:0,33. Wymiarem charakterystycznym ziarna i mikroziarna jest szerokość a, którą określa się: dla ziaren o szerokości a>53 µm metodą przesiewania przez sito, dla mikroziaren a ≤ 53 µm metodą sedymendacyjną. Umowną cechą określającą zakresy wymiarów charakterystycznych ziaren jest numer ziarna. Przykłady numeracji i charakterystycznych wymiarów ziaren ściernych w µm, podano w tablicy 3. 6.) Twardość. Twardość narzędzia ściernego spojonego określa się siłą potrzebną do wyrwania ziarna z otaczającego je spoiwa. Tak zdefiniowana twardość narzędzia ściernego jest pojęciem zupełnie odmiennym od twardości ścierniwa. Twardość ściernicy zależy od właściwości wytrzymałościowych spoiwa i od grubości wiązania łączącego poszczególne ziarna. Im większa jest zawartość spoiwa w objętości ściernicy, tym większa jest jej twardość. Twardość narzędzi ściernych stanowi jeden z najważniejszych parametrów przy doborze warunków szlifowania. Oprócz zdefiniowanej wcześniej twardości zwanej twardością statyczną, wyróżnia się także twardość dynamiczną, która wiąże się z przebiegiem
procesu zużycia i dynamiczną charakterystyką narzędzia podczas procesu obróbki. Twardość statyczną narzędzi ściernych oznacza się symbolem literowym w postaci dużych liter alfabetu łacińskiego. Można wyróżnić następujące grupy twardości narzędzi ściernych. − bardzo miękkie: E, F, G, − miękkie: H, I, J, K, − średniotwarde: L, M, N, O, − twarde: P, Q, R, S, − bardzo twarde: T, U, W, Z. Tablica 3.
Numer ziarna (oznaczenie) 8 . . 30 ziarna . . 80 . . 220 F230/53 . . mikroziarna F240/17 . . F1200/3 Charakterystyczny wymiar [µm] od do (włącznie) 2360 2800 . . . . 600 710 . . . . 180 212 . . . . 53 15 50 56 . . . . 163 18,3 . . . . 2,5 3,5
7.) Struktura. Strukturą narzędzia ściernego nazywamy procentowy udział ziaren ściernych w całkowitej objętości narzędzia określonej zależnością: V = Vz + Vsp + Vo = 100% gdzie: V - objętość całkowita narzędzia = 100%, Vz - objętość ziaren ściernych, w %, Vsp - objętość spoiwa, w %, Vo - objętość porów, w %. W praktyce przyjęto określać strukturę narzędzi umownym numerem N, odpowiadającym zawartości procentowej ścierniwa w narzędziu. Zależność między udziałem objętościowym ścierniwa Vz, a numerem struktury N wyraża wzór: Vz = 62 − 2 N gdzie: N - numer porządkowy (oznaczenie) struktury. W tablicy 4 podano zakresy struktur ujętych PN dla ściernic konwencjonalnych. Ściernica o strukturze 0 odpowiadająca największej względnej objętości ziarna, nazywana jest całkowicie zwartą, a struktura 14 całkowicie otwartą.
Tablica 4.
Numer struktury N Objętość ziarna Vz % 0 62 l 60 2 3 zwarta 58 56 4 54 5 52 6 7 średnia 50 48 8 46 9 44 10 42 11 12 otwarta 40 38 13 36 14 34
Wybór struktury ściernicy zależy od własności mechanicznych materiału obrabianego, spoiwa, od dokładności obróbki i chropowatości powierzchni, nacisków ściernicy na powierzchnię obrabianą, oraz odmiany szlifowania. Strukturę zwartą i otwartą przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Ściernice o różnych strukturach: a - zwarta, b - otwarta 8.) Spoiwo. Spoiwo jest składnikiem wiążącym poszczególne ziarna ścierne i ułatwiającym nadanie narzędziu kształt określonej geometrycznie bryły. Spoiwo powinno spełniać następujące wymagania: − odpowiednią wytrzymałość, − odporność na wpływy chemiczne i wilgoć, − odporność termiczną, − możliwość utworzenia w narzędziu jak największych porów spełniających rolę rowków wiórowych. Najczęściej stosowane są spoiwa ceramiczne, żywiczne, gumowe, metalowe, galwaniczne i klejowe, natomiast rzadziej spoiwa krzemianowe i magnezytowe. • Spoiwa ceramiczne składają się z naturalnych surowców mineralnych jak: skalenie, gliny, kwarc. Rozróżnia się spoiwa ceramiczne topliwe VBE, stosowane do wyrobu ściernic elektrokorundowych oraz spoiwa ceramiczne spiekane V, wykorzystywane do wyrobu ściernic z węglika krzemu. Budowa spoiwa po zastygnięciu jest najczęściej bezpostaciowa, lub ma szkielet krystaliczny. Spoiwa ceramiczne są stosowane do wszystkich rodzajów materiałów ściernych z diamentem włącznie. Zaletami spoiw ceramicznych są: − możliwość stopniowania twardości narzędzi ściernych, wytrzymałość na rościąganie, sprężystość, − odporność na działanie czynników chemicznych, − odporność chemiczna. • Spoiwa żywiczne, (bakielitowe) B są produktami tworzyw sztucznych, najczęściej są to żywice typu nowolakowego z odpowiednimi wypełniaczami. Spoiwa te mają wysoką wytrzymałość, elastyczność oraz właściwości polerowania powierzchni szlifowanej. Ściernice o spoiwie żywicznym mają zastosowanie przede wszystkim do przecinania
•
•
• •
•
materiałów i operacji szlifowania zgrubnego przy dużych prędkościach skrawania (45÷100 m/s). Wadą spoiw jest wrażliwość na działanie chłodziw zawierających zasady oraz działanie temperatury. Spoiwa gumowe R są wytwarzane z kauczuku naturalnego lub syntetycznego zwulkanizowanego siarką. Spoiwo charakteryzuje się niewrażliwością na obciążenia udarowe, dużą sprężystością, wytrzymałością na rozciąganie i zginanie oraz zdolnością do realizacji tzw. „chłodnego” szlifowania. Spoiwa gumowe są stosowane w operacjach przecinania, szlifowania z dużymi prędkościami, szlifowania bezkłowego oraz szlifowania gwintów. Spoiwa metalowe M i galwaniczne G wytwarza się metodami metalurgii proszków oraz metodą osadzania galwanicznego. Wśród spoiw metalowych stosowane są najczęściej brązy spiekane, tlenki i węgliki metali, wśród galwanicznych - spoiwa niklowe. Spoiwa te odznaczają się dużą wytrzymałością, odpornością na działanie chłodziwa i olejów. Spoiwa metalowe i galwaniczne są stosowane do produkcji ściernic ze ścierniw supertwardych (diamentu lub regularnego azotku boru) oraz wyrobu obciągaczy wirujących. Spoiwa klejowe KS składają się z klejów glutynowych i żywic samoutwardzalnych i są przeznaczone do wyrobu narzędzi ściernych nasypowych: taśmy i papiery ścierne, krążki, itp. Spoiwa krzemianowe (silikatowe) S składają się głównie z mieszaniny szkła i aktywnych wypełniaczy. Zastosowanie tych spoiw jest ograniczone z uwagi na jego małą twardość, brak odporności na chemiczne działanie środka chłodzącego oraz kruchość. Spoiwa magnezytowe Mg składają się z magnezytu kaustycznego (MgO) i roztworu wodnego chlorku magnezu (MgCl2×6H20). Spoiwo to jest kruche, wrażliwe na wilgoć i zmiany temperatury. Stosowane jest w ograniczonym zakresie do wyrobu ściernic o dużych wymiarach (o średnicy ≈ 2 m) przeznaczonych do szlifowania bocznych powierzchni narzędzi jak; piły, pilniki, noże itp.
9.) Zasada regeneracji powierzchni roboczej ściernicy. Obciąganie obejmuje zabiegi mające na celu zmniejszenie bicia ściernicy, przywrócenie własności skrawnych ściernicy „zamazanej” lub stępionej na skutek zużycia ziaren ściernych, a także nadanie odpowiedniego kształtu powierzchni roboczej ściernicy. Rozróżniamy trzy rodzaje obciągaczy • Ściernicowe, • Bezdiamentowe,
Rys. 9. Obciągacz bezdiamentowy: a - z węglików spiekanych, b - krążkowy metalowy, 1 krążek z węglików spiekanych, 2 - panewka z węglików spiekanych, 3 - docisk, 4 krążki metalowe
•
Diamentowe.
Rys. 10. Przykłady obciągaczy diamentowych szlifowanych: 1 - ostrosłupowy, 2 pryzmatyczny ścięty, 3 - stożkowy zwykły, 4 - profilowany dwuścienny, 5 - szeregowy, 6 - warstwowy jednorzędowy, 7 - warstwowy wielorzędowy W miarę zużywania się krawędzi diamentu należy go okresowo obracać wokół osi oprawki, a także zmieniać położenie osi w stosunku do tworzącej ściernicy. Obciąganie diamentem przeprowadza się na sucho. Prędkość obwodowa ściernicy powinna odpowiadać prędkości podczas szlifowania. W celu zmniejszenia zużycia diamentu, stosowane jest czasami obciąganie przy zmniejszonych prędkościach obwodowych, z wyjątkiem ostatniego przejścia, w którym prędkość ściernicy powinna odpowiadać prędkości skrawania. 10.) • Kinematyczna charakterystyka szlifowania.
Szlifowanie zewnętrzne brył obrotowych, − Z posuwem wzdłużnym, Układ ruchów narzędzia i przedmiotu obrabianego przedstawia rysunek 11. Ruchem głównym jest ruch obrotowy ściernicy. Ruchami posuwowymi są: ruch obrotowy przedmiotu obrabianego, ruch wzdłużny (ściernicy lub przedmiotu) oraz okresowy ruch porzeczny ściernicy, zachodzący przy zmianie kierunku posuwu wzdłużnego, nazywany dosuwem ściernicy lub głębokością skrawania.
Rys. 11. Schemat szlifowania zewnętrznego z posuwem wzdłużnym
− Z posuwem wgłębnym, Układ ruchów narzędzia i przedmiotu obrabianego przedstawia rysunek 12. Ruchem głównym jest ruch obrotowy ściernicy, której szerokość musi być większa od długości powierzchni szlifowanej. Ruchami posuwowymi są: ruch obrotowy przedmiotu oraz ciągły posuw poprzeczny ściernicy. Dla zapewnienia bardziej równomiernego zużycia ściernicy w procesie szlifowania, często ma ona dodatkowe niewielkie ruchy poosiowe o małej częstotliwości i skoku 5÷10 mm.
Rys. 12. Schemat szlifowania wgłębnego − Bezkłowe, Szlifowanie bezkłowe polega na tym, że przedmiotu obrabianego nie mocuje się ani w uchwycie, ani w kłach, jedynie podpiera go specjalną podtrzymką. Położenie przedmiotu w czasie obróbki określa sama powierzchnia obrabiana, która w tym przypadku jest tzw. bazą obróbkową. Podczas szlifowania bezkłowego (rys. 13) przedmiot l umieszczony jest pomiędzy dwoma tarczami, z których jedna tzw. szlifująca albo skrawająca 2 obraca się z dużą prędkością obwodową (30÷35 m/s), a druga, nosząca nazwę tarczy prowadzącej 3, ze znacznie mniejszą prędkością (25÷30 m/min),
Rys. 13. Schemat szlifowania zewnętrznego bezkłowego: 1 - przedmiot obrabiany, 2 ściernica szlifująca, 3 - ściernica prowadząca, 4 - podtrzymka
•
Szlifowanie wewnętrzne, Szlifowanie wewnętrzne stosuje się do otworów walcowych i stożkowych, przelotowych i nieprzelotowych. Schemat szlifowania wewnętrznego ilustruje rysunek 14. Podczas szlifowania ruchem głównym jest ruch obrotowej ściernicy, a ruchami posuwowymi: posuw wzdłużny i poprzeczny.
Rys. 14. Schemat szlifowania wewnętrznego Podczas szlifowania wewnętrznego, w przeciwieństwie do zewnętrznego, średnica ściernicy ograniczona jest wymiarami otworu i nie może być większa, niż średnica otworu szlifowanego. Dlatego też przy bardzo małych średnicach otworu, dla uzyskania odpowiedniej gładkości powierzchni, prędkości obrotowa ściernicy powinny być bardzo duże. Możemy wyróżnić następujące rodzaje szlifowania wewnętrznego: − Z wybiegiem ściernicy, Wartości wybiegów ściernicy, z jednej i drugiej strony przedmiotu, powinny być równe, w przeciwnym wypadku powstanie otwór stożkowy zbieżny w kierunku mniejszego wybiegu.
Rys. 15. Schemat szlifowania wewnętrznego z wybiegiem ściernicy: a - gdy środkowa część otworu znajduje się w ciągłym styku ze ściernicą, b - gdy styk środkowej części otworu jest okresowy
−
Planetarne,
Rys. 16. Schemat szlifowania wewnętrznego planetarnego − Bezkłowe,
Przedmiot obrabiany l, ustawia się pomiędzy trzema rolkami. Rolka 2, nazywana prowadzącą, nadaje przedmiotowi obrabianemu ruch obrotowy. Rolka 3, nazywana podpierającą, albo podtrzymką rolkową, ustala położenie przedmiotu. Rolka 4, dociska przedmiot obrabiany do rolek pozostałych.
Rys. 17. Schemat szlifowania wewnętrznego bezkłowego: 1 - przedmiot obrabiany, 2 - rolka prowadząca, 3 - rolka podpierająca, 4 - rolka dociskowa • Szlifowanie płaszczyzn, Rozróżniamy dwa sposoby szlifowania płaszczyzn: obwodem i powierzchnią czołową ściernicy. W pierwszym przypadku stosujemy najczęściej ściernice tarczowe płaskie, w drugim garnkowe i segmentowe. Rozróżniamy trzy odmiany szlifowania płaszczyzn: − obwodem ściernicy, − bez posuwu poprzecznego, − z posuwem poprzecznym głębokie, w którym naddatek na szlifowanie odpowiada głębokości skrawania,
Rys. 18. Schemat szlifowania płaszczyzn obwodem ściernicy: a - bez posuwu poprzecznego, b - z posuwem poprzecznym głębokie, c - z posuwem poprzecznym zwykłe
Rys. 19. Schemat szlifowania płaszczyzn czołem ściernicy: a - przy prostopadłości osi obrotu ściernicy do powierzchni obrabianej, b - przy odchyleniu osi od pionu o 2÷3°; 1 kierunkowość nierówności dla przypadku a), 2 - kierunkowość nierówności dla przypadku b) 11.) Dokładność wymiarowo-kształtowa i chropowatość powierzchni w procesie szlifowania. Wady powierzchni szlifowanej w postaci miejsc lokalnie odpuszczonych lub zahartowanych wtórnie tworzą w warstwie wierzchniej karby strukturalne, a także w miejscach tych spiętrzają się naprężenia własne (rozciągające). Prowadzi to do spadku wytrzymałości zmęczeniowej powierzchni. W miejscach strukturalnej i mechanicznej warstwy wierzchniej, podczas eksploatacji warstwy wierzchniej powstają najczęściej pęknięcia zwykłe i zmęczeniowe, zatarcia i inne uszkodzenia powierzchni prowadzące do zniszczenia części. O tym jak ważny jest wpływ warstwy wierzchniej, uzyskiwanych w procesie obróbki, nie tylko podczas szlifowania, ale i w operacjach poprzedzających
szlifowanie może świadczyć następujący przykład. Podobne części obrobiono według dwóch wariantów technologicznych: w pierwszym - zgrubnie uzyskując chropowatość Rz=15÷80 µm, drugi wariant obejmował obróbkę wstępną dokładną, w której chropowatość wynosiła Rz=1,7÷3,2 µm i podobnie jak w wariancie pierwszym przeprowadzono hartowanie i szlifowanie dające taką samą chropowatość końcową Rz=0,5÷0,8 µm. Badania części na wytrzymałość zmęczeniową wykazały około 20% wzrost wytrzymałości części wykonywanych według drugiego wariantu. Opisany przypadek ilustruje tzw. zjawisko dziedziczności technologicznej, polegające na tym, że własności użytkowe powierzchni zależą nie tylko od operacji finalnych, ale również od operacji poprzedzających je. W tych samych pozornie operacjach finalnych, w rozpatrywanym przypadku szlifowania, uzyskanie wymaganej dokładności wymiarowo-kształtowej i gładkości powierzchni nie zapewnia takich samych wartości użytkowych powierzchni (wytrzymałości zmęczeniowej, odporności na ścieranie itp.), jeżeli operacje poprzedzające znacznie się różniły. 12.) Wpływ czynników związanych z przedmiotem obrabianym, ściernicą i warunkami szlifowania na chropowatość powierzchni. Jakość powierzchni szlifowanej, określona zespołem cech charakteryzujących stany geometryczny i fizyczny warstwy wierzchniej, zależy przede wszystkim od własności ściernicy, parametrów szlifowania, własności materiału obrabianego i właściwości dynamicznych obrabiarki. Chropowatość powierzchni obrabianej jest w zasadzie tym mniejsza, im mniejsze jest obciążenie podczas szlifowania. Podczas szlifowania materiałów twardych (stale hartowane) uzyskuje się większą gładkość powierzchni, niż podczas szlifowania materiałów miękkich (stale zmiękczone). Wyraźne pogorszenie gładkości powierzchni można stwierdzić w przypadku niewłaściwie dobranej ściernicy, na przykład o zbyt dużej twardości, skłonność do zamazywania itp. Czynnikiem o dużym znaczeniu dla uzyskania wysokiej gładkości jest właściwie dobrana ciecz chłodząca, której zadaniem jest nie tylko chłodzenie, ale i smarowanie, prowadzące do zmniejszenia oporów tarcia tych ziaren, które ślizgają się po powierzchni skrawania. Przy prawidłowo dobranym chłodziwie musi być zapewnione dokładne oczyszczanie chłodziwa z zanieczyszczeń produktami skrawania: wiórami, wykruszonymi ziarnami, spoiwem. Wpadanie cząstek tych produktów do strefy skrawania może powodować nawet znaczny wzrost chropowatości powierzchni obrobionej.
