INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 6

Transkrypt

1 Przedmiot: OBRÓBKA SKRAWANIEM I NARZĘDZIA Temat: Szlifowanie cz. I. KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 6 Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z materiałami ściernymi oraz spoiwami, rodzajami ściernic, ogólną budową ściernicy, oznakowaniem ściernicy oraz przygotowaniem ściernicy do pracy. 2. Wyposażenie stanowiska - Ściernice - Zestaw do wyważania statycznego ściernicy - Narzędzia do ostrzenia ściernic (obciągacze) - Instrukcja do ćwiczenia 3. Przebieg ćwiczenia - Zapoznanie się z materiałami stosowanymi na ściernice. - Zapoznanie się z rodzajem spoiw stosowanych w ściernicach. - Zapoznanie się z oznakowaniem ściernicy. - Przeprowadzenie wyrównoważenia statycznego ściernicy. - Przeprowadzenie obciągania ściernicy. Literatura: - Poradnik inżyniera Obróbka skrawaniem tom I WNT Warszawa 1991 r. - Dul Korzyńska B. Obróbka skrawaniem i narzędzia OWPR Rzeszów - Cichosz P. Techniki wytwarzania obróbka ubytkowa OWPW Wrocław 2002 r. Opracował: Uwagi: Załącznikiem jest instrukcja szczegółowa

2 1. Wprowadzenie. Szlifowanie należy do obróbki ostrzem o nieokreślonej geometrii i polega na mikroskrawaniu materiału obrabianego przez ziarna ścierne związane ze spoiwem. Narzędziem jest ściernica, która wykonuje ruch główny obrotowy, a ruch posuwowy wykonuje zazwyczaj przedmiot obrabiany ewentualnie ściernica. Szlifowanie jest przeważnie ostatnią operacją wykonywaną w całym procesie technologicznym, ma na celu poprawę dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni, po operacjach wcześniejszych, takich jak toczenie, frezowanie itp. 2. Charakterystyka materiałów ściernych i spoiw. Uwzględniając charakter pracy ściernicy, materiał ścierny powinien charakteryzować się następującymi właściwościami: Odpornością na ścieranie, Dużą twardością, Dużą wytrzymałością na zginanie i ściskanie, Ostrymi krawędziami i narożami ziaren, Dobrą łupliwością, Dobrą przewodnością cieplną, Odpornością na wysoką temperaturę. Do najczęściej stosowanych i używanych materiałów ściernych zalicza się: Elektrokorund jest materiałem sztucznym otrzymywanym z elektrokorundu naturalnego. W zależności od zawartości tlenku glinu (Al 2 O 3 ) elektrokorund ma różne zabarwienie, strukturę i właściwości. W przemyśle najczęściej stosowanymi odmianami elektrokorundu są: Elektrokorund zwykły (zawiera poniżej 90% Al 2 O 3 ) używany tylko do wyrobu narzędzi do zgrubnych i mało dokładnych operacji oznaczenie 95A. Elektrokorund półszlachetny (91 96% Al 2 O 3 ) o barwie ciemnoczerwonej lub brunatnej oznaczenie 97A. Elektrokorund szlachetny (97 99% Al 2 O 3 ) o barwie białej lub lekko różowej. Dzięki wysokiej twardości, wytrzymałości i ostrym krawędziom ziarna elektrokorundu białego są bardzo dobrym materiałem ściernym - oznaczenie 99A. Elektrokorund chromowy (minimum 97% Al 2 O 3 ). Dodanie w procesie wytwarzania tlenku chromu powoduje znaczny wzrost właściwości mechanicznych. Elektrokorund cyrkonowy (o zawartości do 40% ZrO 2 ) - ściernice tego typu ze spoiwem żywicznym stosowane są do szlifowania zgrubnego przy dużych naciskach, ze zwiększonymi prędkościami oraz do obróbki stali nierdzewnych i wysokostopowych. Twardość elektrokorundu wg. Skali Mohsa wynosi 9, a wg. Metody Knoopa HK = GPa Węglik krzemu SiC (karborund) jest kolejnym powszechnie stosowanym materiałem ściernym o twardości 9,5 wg Mohsa, a wg. Knoopa HK=24,5 GPa. Wyróżnia się węglik krzemu zielony i czarny oznaczone kolejno 99C i 98C. Węglik krzemu zielony zawiera minimum 98% SiC, posiada większą twardość od czarnego, ale jest bardzo kruchy i łupliwy. Zdolność ścierna zielonego jest o około 20 razy większa niż czarnego. Pod względem twardości ustępuje tylko diamentowi i CBN. Ściernice z zielonego SiC stosowane są do szlifowania narzędzi ze stali szybkotnącej, węglików spiekanych, ceramiki i do obciągania ściernic.

3 Węglik krzemu czarny zawiera 95% SiC jest o mniejszej twardości i większej udarności. Narzędzia z czarnego węglika krzemu stosowane są do szlifowania żeliwa szarego, niemetali, szkła, tworzyw sztucznych, gumy i skóry. Diament jest jedną z alotropowych postaci węgla o twardości wg. Mohsa 10, a wg. Knoopa HK=70 GPa. Charakteryzuje się niezwykle wysoką odpornością na ścieranie, a jego ostre krawędzie długo zachowują swoje własności skrawne. Możemy wyróżnić diament w postaci naturalnej bądź syntetycznej. Diament stosowany jest do szlifowania węglików spiekanych, ceramiki, szkła, krzemu. Granica odporności cieplnej diamentu wynosi 800 o C, co jest jego wadą. Regularny azotek boru (CBN) jest to związek chemiczny boru i azotu o właściwościach fizycznych zbliżonych do właściwości diamentu, lecz o większej odporności na wysoką temperaturę. Jego twardość jest nico mniejsza od diamentu i wynosi wg. Knoopa HK=47GPa. Stosowany jest na ściernice do szlifowania stali szybkotnącej i innych materiałów narzędziowych, nie nadaje się do obróbki twardych i kruchych materiałów jak WC, szkło, ceramika. Do zalet CBN można zaliczyć dużą odporność na zużycie i dużą wydajność oraz niską temperaturę szlifowania. Spoiwo jest składnikiem ściernic a jego zadaniem jest powiązanie poszczególnych ziaren ściernych w porowate ciało stałe. Spoiwo powinno cechować się: Odpowiednią wytrzymałością w zależności od zastosowanego materiału ściernego Odpornością na wpływy chemiczne i wilgoć, Zdolnością do tworzenia porów spełniających rolę rowków wiórowych. Do najczęściej stosowanych spoiw zalicza się: Ceramiczne Magnezowe Krzemianowe Żywice naturalne Żywice sztuczne Gumowe Metalowe spiekane Metalowe galwaniczne Klejowe Klejowo żywiczne Spoiwa ceramiczne są odporne na zmiany temperatur i na działanie ługów i olejów. Są niewrażliwe na wilgoć, co pozwala stosować przy szlifowaniu z obfitym chłodzeniem. Stosowane są do wszystkich materiałów ściernych. Spoiwa żywiczne mają dużą wytrzymałość, elastyczność oraz właściwości polerowania powierzchni szlifowanej. Wadą spoiw żywicznych jest wrażliwość na działanie chłodziw zawierających zasady oraz na temperaturę ( C). Mają zastosowanie w ściernicach konwencjonalnych i diamentowych w obróbce zgrubnej, a także w operacjach związanych z wygładzaniem powierzchni. Spoiwa gumowe wykazują dużą elastyczność oraz dużą wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, co pozwala wykonywać ściernice grubości do 0,1 mm. Spoiwa tego typu są mało odporne na działanie ciepła, gdyż miękną już powyżej 150 C. Stosowane są do wyrobu ściernic przeznaczonych do cięcia, szlifowania powierzchni kształtowych, gwintów, oraz bardzo gładkiego wykończenia powierzchni. Spoiwa metalowe stosowane są do wyrobu ściernic z materiałów supertwardych i wykazują dużą wytrzymałością na obciążenia mechaniczne, cieplne i chemiczne.

4 Spoiwa metalowe mogą być spiekane lub nanoszone w wyniku elektrolizy spoiwa galwaniczne. 3. Struktura ściernicy. Ponieważ metodą ścierną obrabia się części o różnych kształtach i wymiarach, a przy tym takie same powierzchnie w takich samych przedmiotach mogą być kształtowane z zastosowaniem różnych odmian kinematycznych, więc i narzędzia do obróbki ściernej są bardzo zróżnicowane pod względem kształtów i wymiarów. Ściernicą nazywamy bryłę o ustalonym kształcie i wymiarach, w której ziarna ścierne są związane w sposób dostatecznie trwały za pomocą spoiwa. Strukturą narzędzia nazywamy procentowy udział ziaren ściernych w objętości całej ściernicy. W zależności od frakcji ziarna oraz udziału ścierniwa możemy wyróżnić strukturę ściernic: zwartą, średnią, otwartą. Ściernice o równej twardości i różnej strukturze mają jednakową względną objętość porów, różnią się jednak ilością i wielkością komórek porowych. Ściernice o strukturze zwartej mają dużą liczbę małych porów, a o strukturze otwartej - małą liczbę dużych porów. Klasyfikacje struktury ściernic przedstawiono na rys. 2. Rys. 1. Struktura ściernicy. 4. Twardość ściernicy. Twardością ściernicy nazywamy opór, który stawia spoiwo wiążące ziarna ścierne w masę ściernicy, przeciw wykruszaniu ziaren pod działaniem sił zewnętrznych. Twardość ściernicy nie zależy od twardości materiału ściernego, lecz od spoiwa, tzn. od siły, z jaką utrzymuje ono w sobie ziarna materiału ściernego. Im mocniej ziarna są osadzone w spoiwie, tym większa siła jest potrzebna by je stamtąd wyrwać. Spoiwo powinno dopóty utrzymywać ziarno, dopóki jest ono ostre. Twardość ściernic oznacza się za pomocą symboli literowych (rys. 2). Twardość ściernicy zależy od właściwości wytrzymałościowych spoiwa i od grubości warstewek wiązania łączącego poszczególne ziarna. Im większa jest zawartość spoiwa w objętości ściernicy, tym większa jest jej twardość. Przy większej zawartości spoiwa objętość porów jest mniejsza. Można więc powiedzieć, że twardość ściernicy jest tym większa, im mniejsza jest objętość porów w stosunku do objętości całego narzędzia. Twardość Oznaczenie Wskaźnik t Objętość porów V p % bardzo miękkie E F G ,5 48,0 46,5 miękkie średnie H I J K L M ,0 43,5 42,0 40,5 39,0 37,5

5 twarde bardzo twarde N O P Q R S T U W Z Rys. 2. Twardość ściernicy. 36,0 34,5 33,0 31,5 30,0 28,5 27,0 25,5 24,0 22,5 5. Wielkość ziarna ściernicy. Materiał ścierny po zmieleniu sortuje się według wielkości ziaren. Ziarna oznacza się numerami według charakterystycznych wymiarów (długości l, szerokości a i wysokości h) najmniejszego prostopadłościanu opisanego na ziarnie. Wielkość ziaren o szerokości a 53 m określa się metodą przesiewania przez standardowe sita o znormalizowanej grubości drutu i wielkości oczek. Liczba określająca wielkość ziarna ściernego oznacza w przybliżeniu liczbę oczek na 1 cal bieżący sita, przez które przechodziło ziarno, a zatrzymywało się na kolejnym sicie o drobniejszych oczkach. Wielkość mikroziaren o szerokości a m określa się metodą sedymentacji (sedymentacja jest to oddzielanie ciał stałych od cieczy przez wykorzystanie opadania cząstek ciała stałego pod działaniem siły ciężkości). 6. Kształt i wymiary ściernicy. Sposób oznaczania kształtu ściernicy i wszystkich pozostałych cech jest ściśle określony w polskich normach. Rys. 3. Przykłady kształtów ściernic.

6 7. Oznaczenie ściernic. Typowe kodowanie ściernicy składa się z następujących informacji: Typ ściernicy (talerzowa, garnkowa, trzpieniowa, płaskie) Geometrii ściernicy Rodzaju ścierniwa Wielkości ziarna Twardości ściernicy Struktury Rodzaju spoiwa Na rys. 4 przedstawiono oznaczenie ściernicy konwencjonalnej a na rys. 5 oznaczenie ściernicy z materiału supertwardego. Rys. 4. Oznaczenie ściernicy konwencjonalnej. Rys. 5. Oznaczenie ściernicy z materiału supertwardego. 8. Przygotowanie ściernicy do pracy. Wyrównoważenie statyczne Wyrównoważenie statyczne ściernicy jest stanem równowagi ściernicy, w którym jej środek ciężkości leży na osi obrotu. Niewyrównoważenie statyczne oznacza, że środek masy ściernicy jest przesunięty o odległość e, zwaną mimośrodowością środka masy. Miarą niewyrównoważenia jest iloczyn masy M ściernicy oraz mimośrodowości e (rys. 6). W praktyce jako miarę niewyrównoważenia przyjmuje się masę zastępczą m, której środek leży na okręgu o promieniu R w płaszczyźnie przechodzącej przez środek masy ściernicy S i oś obrotu O tak dobraną, aby był spełniony warunek:

7 Niewyrównoważenie ściernicy powoduje powstawanie drgań, zużywania się łożysk szlifierki oraz wpływa niekorzystnie na dokładność wymiarową i chropowatość powierzchni. Do wyważania stosuje się wyważarki, przyrządy pryzmowe i krążkowe oraz wagi. Rys. 6. Niewyrównoważenie ściernicy. Wyrównoważenie dynamiczne Ściernice o szerokości większej niż 126 mm, ściernice pracujące z zwiększonymi prędkościami oraz ściernice do szlifowania precyzyjnego powinno się poddawać wyrównoważeniu dynamicznemu. Przy wyrównoważaniu dynamicznym należy spowodować przesuniecie się głównej osi bezwładności ściernicy na oś obrotu. Dokonuje się tego za pomocą urządzeń specjalnych do wyrównoważenia dynamicznego. Proces wyrównoważenia polega na ręcznym przemieszczaniu masy wyrównoważającej za pomocą pokręteł zespołu napędowego urządzenia, w celu uzyskania minimalnej amplitudy drgań wrzeciona ściernicy rejestrowanej na mierniku. Amplituda drgań ściernicy wyrównoważonej dynamicznie jest 4 razy mniejsza niż po wyważaniu statycznym. Obciąganie ściernicy Obciąganie ściernicy ma na celu wytworzenie odpowiedniego profilu czynnej powierzchni ściernicy oraz przywrócenie zdolności skrawnych. Uzyskanie wymaganej makrogeometrii ściernicy nazywa się profilowaniem, zaś odpowiedniej mikrogeometrii ściernicy ostrzeniem. Profilowanie ściernicy Profilowanie czynnej powierzchni ściernicy dotyczy jej makrogeometrii i wiąże się z geometrycznym kształtem odwzorowania na przedmiocie szlifowanym. Profilowanie ściernicy wykonuje się dwiema metodami. Pierwsza z nich zakłada geometryczne odwzorowanie kształtu obciągacza w ściernicy, natomiast druga metoda wykorzystuje krążki diamentowe o różnych profilach Ostrzenie ściernic Profil i topografia czynnej powierzchni ściernicy ulegają zmianom podczas procesu szlifowania, w skutek zużywania się ściernicy. Zużycie wpływa wzrost sił szlifowania, co powoduje wzrost ilości wytwarzanego ciepła, co prowadzi do powstanie przypaleń powierzchni oraz zmian wymiaru i kształtu przedmiotu. Ostrzenie ściernicy ma na celu przywrócenie zdolności skrawnej czynnej powierzchni ściernicy przez wytworzenie nowych ostrzy na ziarnach ściernych w skutek wykruszenia lub rozłupywania stępionych ziaren i cząstek spoiwa oraz usuwanie zalepień. 9. Rodzaje obciągaczy. Narzędzia do profilowania i ostrzenia nazywa się obciągaczami i w zależności od budowy możemy wyróżnić obciągacze jednoziarniste i wieloziarniste oraz rolki bądź krążki.

8 Obciągacze jednoziarniste. Jednoziarniste obciągacze diamentowe znajdują zastosowanie w procesach profilowania i ostrzenia ściernic z elektrokorundu i węglika krzemu o spoiwie ceramicznym. Nie należy ich stosować do obciągania ściernic z materiałów supertwardych (diament, borazon). Obciągacz składa się z oprawki oraz osadzonego w niej kryształu diamentu technicznego w kształcie ośmio- lub dwunastościanu. Kryształ diamentu jest wlutowany do oprawki ze stali konstrukcyjnej za pomocą spoiwa srebrnego. Rys. 7. Budowa obciągacza jednoziarnistego. Obciągacze diamentowe wieloziarniste wykazują się licznymi zaletami w stosunku do obciągaczy jednoziarnistych. Z uwagi na zastosowanie mniejszych kryształów diamentów o bardziej ostrych krawędziach umożliwiają osiągnięcie powierzchni ściernicy o wyższej zdolności ściernej. Ponadto ryzyko uszkodzenia jest znacznie mniejsze, przez co ich użytkowanie jest bardziej ekonomiczne. Obciągacze wieloziarniste można stosować do obciągania ściernic z materiałów supertwardych (diament, borazon).wymaga to jednak znacznego (o około 5 razy) zmniejszenia zarówno posuwu wzdłużnego jak i głębokości obciągania. Obciągacz składa się z oprawki oraz osadzonej w niej wkładki zawierającej kryształy diamentu. Wkładka wykonana jest ze spoiwa metalowego (spiekane proszki metali). Rys. 8. Budowa obciągacza wieloziarnistego. Rolki obciągajcie profilowe - diamentowe rolki kształtowe stosowane są na szlifierkach sterowanych numerycznie do obciągania ściernic. Obciąganie tych ściernic nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych narzędzi do obciągania. Na rys. 9 przedstawiono diamentowe roli do obciągania kształtowego. Rys. 9. Diamentowe rolki profilowe.

9 Rolki kształtowe są narzędziami wysokiej precyzji. Tolerancje zawierają się w wąskim mikrometrycznym zakresie. Rolki profilowe posiadają kształt szlifowanego przedmiotu, który przekazują na ściernicę poprzez stały i kontrolowany dosuw do niej. Rolki obciągajcie - diamentowe rolki stosuje się do obciągania konwencjonalnych ściernic płaskich i profilowych w maszynach sterowanych numerycznie. Sterowanie numeryczne umożliwia sterowanie kątem pochylenia rolki, co w połączeniu z przemieszczeniem ściernicy pozwala na kształtowanie dowolnego profilu ściernicy. Na rys. 10 przedstawiono rolki obciągające. Rys. 10. Diamentowe rolki obciągające. Rys. 11. Proces obciągania rolką sterowana CNC. 10. Pytania kontrolne. Wyjaśnić pojęcie twardości ściernicy Wyjaśnić pojęcie struktury ściernicy Wyjaśnić pojęcie wielkości ziarna ściernicy Wymienić i scharakteryzować spoiwa Przedstawić charakterystykę materiałów supertwardych Przedstawić charakterystykę karborundu Przedstawić charakterystykę elektrokorundu Opisać przygotowanie ściernicy do pracy Wymienić rodzaje obciągaczy