POWSTAWANIE I USUWANIE ZADZIORÓW W OBRÓBCE SKRAWANIEM BURR FORMATION AND REMOVAL IN MACHINING PROCESS

Transkrypt

1 POWSTAWANIE I USUWANIE ZADZIORÓW W OBRÓBCE SKRAWANIEM BURR FORMATION AND REMOVAL IN MACHINING PROCESS Jakub Matuszak Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji Wydział Mechaniczny Politechnika Lubelska Słowa kluczowe: obróbka skrawaniem, powstawanie zadziorów, szczotkowanie Keywords: machining, burr formation, wire brushing Streszczenie W procesie obróbki skrawaniem występuje szereg zjawisk takich jak: wzrost temperatury, odkształcenia sprężyste, odkształcenia plastyczne, tarcie itp. Jednym z niekorzystnych zjawisk związanych z procesem obróbki skrawaniem jest zjawisko formowania się zadziorów na krawędziach przedmiotów. W artykule opisano mechanizm formowania się zadziorów powstających po obróbce frezowaniem. Ponadto scharakteryzowano metody usuwania zadziorów. Abstract During machining process there are many types of phenomena, such as: temperature rise, elastic deformation, plastic deformation, friction, etc. Burr formation on machined edges is one of the negative effects associated with machining process. In this paper the mechanism of the burr formation on machined edges after milling was described. In addition, the deburring methods were characterized.

2 1. Wprowadzenie Obróbka skrawaniem jest jednym z wiodących sposobów kształtowania wyrobów. Obróbka frezowaniem, jedna z odmian obróbki skrawaniem, z racji ciągłego rozwoju, możliwości kształtowania skomplikowanych geometrycznie kształtów oraz wydajności obróbkowej, jest jedną z najbardziej rozwiniętych i często stosowanych w wielu gałęziach przemysłu. Stale rosnące wymagania co do jakości (przy zachowaniu relatywnie niskich kosztów wytwarzania), zmuszają producentów do produkowania coraz lepszych narzędzi, spełniających oczekiwania klientów. W momencie wyjścia Rys. 1. Stany krawędzi wg ISO (opis w tekście). narzędzia ze strefy skrawania powstaje niepożądane zjawisko formowania się zadziorów, jako rezultat odkształcenia plastycznego materiału. W leksykonie zadzior definiowany jest jako ostry występ na powierzchni materiału powstały po obróbce skrawaniem lub szlifowaniem. Norma ISO podaje bardziej wyczerpującą definicje. Zgodnie z ISO zadzior to zewnętrzna odchyłka materiału od nominalnego kształtu zewnętrznej krawędzi [5]. Na rysunku 1 obszar oznaczony cyfrą 1 oznacza podcięcie. Podcięcie z reguły powstaje w dodatkowej operacji w celu zmiany niekorzystnych stanów oznaczonych cyfrą 2 i 3. Obszar 2 to ostra krawędź natomiast numer 3 oznacza zadzior. 2. Proces formowania się zadziorów Proces formowania się zadziorów można podzielić na kilka etapów [4]. Na rysunku 2. Przedstawiono etapy, w których krawędź skrawająca narzędzia usuwając materiał zbliża się do krawędzi przedmiotu. W momencie oddzielania się warstwy skrawanej i przekształcania jej w wiór zachodzą silne odkształcenia sprężyste oraz

3 plastyczne (1. Skrawanie ciągłe). W chwili gdy narzędzie zbliża się do krawędzi próbki odkształcenia sprężyste osiągają krawędź próbki (2. Faza wzrostu odkształceń). Rys. 2. Zjawiska zachodzące przed procesem formowania się zadzioru (opis w tekście). Następnie odkształcenia plastyczne pojawiają się na krawędzi próbki (3. Inicjacja) rozpoczynając proces silnej deformacji materiału w punkcie obrotu (4. Obrót). Kolejny Rys. 3. Zjawiska zachodzące podczas procesu formowania się zadziorów: a) materiały plastyczne, b) materiały kruche (opis w tekście) [4].

4 etap związany jest z powstawaniem zadzioru (5. Formowanie zadzioru). Na rysunku 3a przedstawione są etapy formowania się zadzioru w przypadku materiałów plastycznych (Rys. 3a) oraz materiałów kruchych (Rys. 3b). W przypadku materiałów plastycznych pojawia się pęknięcie wzdłuż linii, którą przemieszcza się narzędzie skrawające (6-I Pojawienie się pęknięcia). Pęknięcie to rozwija się aż do momentu osiągnięcia krawędzi materiału skrawanego (7-I Rozwój pęknięcia), po czym następuje separacja warstwy skrawanej i przekształcenie jej w wiór (8-1 Dodatni zadzior). W przypadku materiałów kruchych (Rys. 3b) pęknięcie pojawia się wzdłuż dodatkowej strefy naprężeń stycznych (6-II Pojawienie się pęknięcia), poniżej linii ścinania. Pęknięcie to rozwija się aż do momentu osiągnięcia krawędzi materiału (7-II Rozwój pęknięcia). Ostatnim etapem jest oddzielenie się wióra wzdłuż dodatkowej strefy naprężeń stycznych (8-II Ujemny zadzior). W literaturze można spotkać teoretyczne rozważania dotyczące pracochłonności usuwania zadziorów [1]. Na rysunku 4 przedstawiono widok zadzioru w przekroju. Im większa jest podstawa zadzioru stanowiąca i sile jego utwierdzenia do materiału Rys. 4 Widok zadzioru w przekroju rodzimego, tym trudniej go usunąć. Znając wszystkie parametry charakterystyczne można wyznaczyć współczynnik zadzioru z zależności: gdzie: [1]

5 - grubość podstawy b f (burr root thickness) grubość podstawy zadzioru mierzona w przekroju poprzecznym, - wysokość zadzioru h o (burr height) zdefiniowana jako odległość pomiędzy krawędzią nominalną i najdalej odsuniętym punktem mierzona w przekroju poprzecznym, - promień podstawy r f (burr root radius), który oreśla pozycje okręgu stycznego do podstawy zadzioru, - grubość zadzioru b g (burr thickness) opisuje grubość zadzioru mierzoną w kierunku równoległym do podstawy zadzioru w przekroju poprzecznym. Podczas obróbki frezowaniem zadziory mogą pojawiać się w różnych miejscach. Na rysunku 5 przedstawiono typowe zadziory powstałe po obróbce frezowaniem. Krawędzie takie poddawane są dalszej obróbce mającej na celu usunięcie zadziorów. Rys. 5. Typowe zadziory powstałe po obróbce frezowaniem: a) widok z góry, b) widok z boku 3. Proces usuwania zadziorów W literaturze spotkać można wyniki analiz kosztów związanych z występowaniem i usuwaniem zadziorów, na które wpływ mają takie czynniki jak: zaangażowanie dodatkowych zasobów ludzkich, czas związany z procesem usuwania zadziorów, wydzielenie gniazda w zakładzie produkcyjnym na dodatkową operację technologiczną, wadliwe egzemplarze, których wymiary nie mieszczą się w

6 przedziale dopuszczalnej tolerancji, a także uszkodzenie finalnych wyrobów. Łączne koszty, związane z procesem usuwania zadziorów mogą wzrosnąć nawet do 30% kosztów wytwarzania. Usuwanie zadziorów, oprócz aspektów związanych z dokładnością i jakością, istotne jest także ze względów bezpieczeństwa użytkowania wyrobów (skaleczenia, zadrapania). Istnieje wiele metod usuwania zadziorów. Do najczęściej stosowanych możemy zaliczyć gratowanie ręczne, szlifowanie, frezowanie frezami pilnikowymi. Spotyka się także usuwanie zadziorów z przedmiotów umieszczonych w medium ściernym. Zalicza się do nich obróbkę rotacyjno ścierną, przetłoczno ścierną, magneto ścierną czy też strumieniowo ścierną [2, 3, 6]. Z uwagi na stopień zautomatyzowania, proces usuwania zadziorów można podzielić na ręczny, ręczno maszynowy i maszynowy. Na rysunku 6 przedstawiono typowe narzędzia do ręcznego usuwania zadziorów takie jak gratownik (rys. 6a), Rys. 6. Narzędzia do ręcznego usuwania zadziorów. narzędzie do wykonywania fazek wewnętrznych i zewnętrznych rur (rys. 6b) oraz przykładowe pilniki (Rys. 6c). Obróbka ręczna, jest żmudnym i kosztownym procesem. Bardziej wydajnym procesem jest obróbka ręczno maszynowa przy użyciu narzędzi szybkoobrotowych przedstawionych na rysunku 7. Część roboczą tych narzędzi mogą stanowić ściernice, frezy pilnikowe, szczotki trzpieniowe itp.

7 Rys. 7. Narzędzia szybkoobrotowe do usuwania zadziorów. Obróbka krawędzi w większości przypadków jest kosztownym, żmudnym, ręcznym procesem. Biorąc pod uwagę aspekty ekonomiczne, najbardziej pożądana jest obróbka zautomatyzowana. Jedną z metod zautomatyzowanego procesu usuwania zadziorów jest szczotkowanie na obrabiarkach sterowanych numerycznie za pomocą wirujących szczotek o ostrzach sprężystych, poprzez planowanie ścieżki narzędzia. Na rysunku 8 przedstawione są przykładowe zastosowania obróbki szczotkowaniem. Rys. 8. Przykładowe zastosowania obróbki szczotkowaniem Zautomatyzowanie procesu usuwania zadziorów, za pomocą szczotki skraca czas obróbki krawędzi przedmiotów wytwarzanych poprzez obróbkę skrawaniem. Szczególnie istotne jest to w przypadku dużych elementów stosowanych w przemyśle lotniczym, dla których inne metody usuwania zadziorów są nieekonomiczne lub technicznie nie jest możliwe ich zastosowanie (np. obróbka wibracyjno ścierna).

8 LITERATURA [1] AURICH J.C., DORNFELD D., ARRAZOLA P.J., FRANKE V., LEITZ L., MIN S., Burrs - Analysis, control and Removal, CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) [2] CICHOSZ P., KUZINOVSKI M., Metody wykonywania fazek i gratowania krawędzi, Cz. 1. Mechanik 7/2011, s [3] CICHOSZ P., KUZINOVSKI M., Metody wykonywania fazek i gratowania krawędzi, Cz. 2. Mechanik 8-9/2011, s [4] Hashimura M, Hassamontr J, Dornfeld DA, Effect of In-plane Exit Angle and Rake Angles on Burr Height and Thickness in Face Milling Operation, Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering 121(1): [5] International Standard ISO 13715:2000, Technical drawings Edges of undefined shape Vocabulary and indications. [6] MATUSZAK J., ZALESKI K., Badania stanu krawędzi przedmiotów ze stopów aluminium po procesie usuwania zadziorów, Mechanik Nr 8-9/2012 s.661