DOCIERANIE POWIERZCHNI PŁASKICH W OPERACJACH MONTAŻOWYCH Adam BARYLSKI Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki analiz docierania elementów ceramicznych na docierarce jednotarczowej. Prezentowane dane mogą być wykorzystane w opracowaniu technologii docierania stosowanych podczas montażu zespołów. Szczególnie przydatne będą one przy indywidualnym dopasowaniu elementów lub zastosowaniu kompensacji technologicznej. Słowa kluczowe technologie stosowane w montażu, docieranie powierzchni płaskich, przykłady Wprowadzenie Jedną ze standardowych technologii obróbkowych stosowanych w operacjach montażowych jest docieranie. Obróbka ta szczególnie przydatna jest podczas indywidualnego dopasowywania elementów lub stosowania kompensacji technologicznej. Oprócz docierania konwencjonalnego docierakiem zbrojonym w sposób swobodny, gdzie zawiesina ścierna podawana jest kroplowo lub nanoszona ręcznie w postaci pasty na powierzchnię roboczą narzędzia [1], możliwa jest obróbka docierakami aktywizowanymi w sposób wymuszony przed właściwym docieraniem [2]. W przypadku kształtowania powierzchni płaskich stosowane jest też docieranie narzędziami dwumetalowymi [3] oraz ścierno-metalowymi [4] w tym przypadku w strefę obróbki podawany jest jedynie płyn obróbkowy. Planując wykorzystanie docierania elementów podczas montażu zespołów, ważną decyzją jest nie tylko dobór obrabiarki czy warunków technologicznych, ale i znajomość czasów głównych i pomocniczych oraz przygotowawczo-zakończeniowych. Możliwe jest też zastosowanie elastycznego systemu technologicznego. Chociaż w stosunku do docierania trudno wskazać ograniczenia materiałowe czy inne (rys. 1), to w praktyce produkcyjnej przeważa obróbka otworów i powierzchni płaskich i płasko-równoległych. Wybrane zagadnienia dotyczące docierania powierzchni płaskich są tematem niniejszego opracowania. Powierzchnie płaskie i płasko-równoległe można docierać zarówno w układach jednotarczowych (rys. 2a), jak i dwutarczowych (rys. 2b). Rys. 2. Odmiany docierania powierzchni płaskich [5] Fig. 2. Varieties of flat surface lapping [5] ODMIANA DOCIERANIA KSZTAŁT POWIERZCHNI DOCIERANYCH RODZAJ DOCIERANIA METODA DOCIERANIA STOPIEŃ ZMECHANIZOWANIA powierzchnie płaskie wstępne mechaniczne maszynowe powierzchnie płasko-równoległe dokładne chemiczno-mechaniczne maszynowo-ręczne wałki inne powierzchnie Rys. 1. Odmiany docierania powierzchni Fig. 1. Varieties of surface lapping 50
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 Standardowy układ wykonawczy docierarki jednotarczowej przedstawiono na rys. 3. W tym układzie kinematycznym tarcza docierająca (1), poruszająca się z prędkością obrotową n t, napędza pierścienie prowadzące (5) wraz z separatorami (4) utrzymywane w określonym położeniu przez dźwignie (2), w których umieszczone są przedmioty docierane (3). W tej odmianie kinematycznej, największy wymiar określający powierzchnię obrabianą musi być mniejszy od wewnętrznej średnicy pierścienia prowadzącego (obróbka bez separatorów), a w przypadku stosowania separatorów przedmiotowych wymiar ten powinien być odpowiednio mniejszy (o 40 60%), zależnie od występującego kształtu przedmiotu. Zasadami tymi należy się kierować, dobierając średnice tarcz docierających (wielkość docierarki). W przypadku obróbki jednostkowej lub małoseryjnej, a taka zaistnieje w montażu z indywidualnym dopasowaniem części w zespołach, zastosowany system docierania elementów może charakteryzować się odpowiednim poziomem elastyczności. Możemy mieć tu do czynienia, nie tylko z produkcją elementów mało liczną, ale i zróżnicowaną, jeśli chodzi o kształt części. Wymaga to indywidualnego konstruowania i wykonywania separatorów. Mimo wielu zalet, elastycznemu systemowi docierania towarzyszą też utrudnienia, jak: duże wymiary i masa narzędzi (płyt docierających) czy konieczność wymiany dawkowanej zawiesiny ściernej. Dlatego, planując wykorzystanie docierania w technologiach montażowych, musimy wybrać elementy o podobnych cechach konstrukcyjnych i materiałowych, co pozwoli zminimalizować liczbę przezbrojeń obrabiarki. Zaś w przypadku zbliżonych wymagań obróbkowych (tolerancji wymiaru, chropowatości powierzchni, błędu płaskości czy równoległości) także na zmniejszenie częstotliwości wymiany zawiesiny ściernej w układzie dawkującym. Elementy docierane i warunki obróbki Rys. 3. Schemat kinematyczny docierania jednotarczowego [1] Fig.3. Kinematic scheme of single disk lapping-machine [1] Problematykę docierania powierzchni płaskich przeanalizowano na przykładzie obróbki elementów ceramicznych (tab. 1, rys. 4). W tab. 2 podano warunki obróbki na docierarce FLM 750 firmy Stähli. Średnica zewnętrzna tarczy docierającej wynosi 750 mm, przy czym trzy pierścienie prowadzące mają średnicę wewnętrzną 300 mm. Prędkość obrotowa tarczy docierającej jest regulowana w zakresie do 70 min -1, zaś pneumatyczne dociążenie elementów obrabianych może się zmieniać w przedziale 50 1800 N. Tarcza docierająca jest chłodzona wodą, a moc napędu głównego docierarki wynosi 4 kw [6]. Pozwala to na rozmieszczenie elementów w separatorach, jak na rys. 5 (liczba sztuk w jednej partii: elementu PO1 30, elementu PO2 7, elementu PO3 8). Tabela 1. Charakterystyka elementów docieranych Table 1. Characteristic of lapping elements Przeznaczenie Element ceramiczny Element ceramiczny Płytka ceramiczna Nr części P01 P02 P03 Materiał, twardość [GPa] Al 2 O 3, 14 18 HV Si 3 N 4, 17 HV Al 2 O 3, 14 18 HV Obróbka poprzedzająca Gabaryty d = 35, g = 5,2 mm d = 80, g = 25,3 mm d = 80, s = 30, g = 8,3 mm Wymiar docelowy 5 ±0,01 mm 25 ±0,002 mm 8 +0,01-0,005 mm Naddatek na docieranie 0,3 mm 0,2 mm 0,3 mm Dobór procesu obróbkowego Obróbka jednotarczowa Obróbka jednotarczowa Obróbka jednotarczowa 51
Tabela 2. Warunki docierania Table 2. Lapping conditions Parametry wejściowe i wyjściowe obróbki Rodzaj i wielkość mikroziarna ściernego Docierarka FLM 750 Docieranie wstępne Docieranie wykończeniowe Polerowanie SiC 400 Diament naturalny 4 8 μm Diament syntetyczny 2 4 μm Tarcza docierająca Żeliwna pełna Żeliwna rowkowana Miedziana Nośnik Woda plus dodatki Lekka nafta Woda plus dodatki Prędkość obrotowa tarczy [min -1 ] 70 50 50 Liniowa wydajność [μm/min] 35-40 5 8 1 2 Nacisk jednostkowy [MPa] 0,04 0,02 0,02 Zużycie materiału ściernego [g/h] Zużycie płynu obróbkowego [l/h] stosunek ziarna/płyn wynosi 0,3 200 1000 (1000 5000 z wodą jako nośnikiem) 0,6 3 (woda 3 15) 0,4 0,8 0,6 0,3 0,05 0,07 (0,25 0,35) 0,15 0,3 (0,5 1) Chropowatość powierzchni [μm] Ra = 0,8 1,6 Ra = 0,4 0,6 Ra = 0,05 0,1 a) b) Rys. 5. Rozmieszczenie elementów w separatorach Fig. 5. Deployment of workpieces in separators c) Ogólny schemat sytuacyjny docierania przedstawiono na rys. 6. Czas operacji Rys. 4. Elementy obrabiane: a) PO1, b) PO2, c) PO3 (tab. 1) Fig. 4. Workpieces: a) PO1, b) PO2, c) PO3 (tab. 1) W tab. 3 przedstawiono, przykładowo, składowe czasu pomocniczego przy obróbce n elementów PO1 w m separatorach. Dla pozostałych elementów wynoszą one: dla PO2: tp = 2641 s (na cały cykl produkcyjny), 868,7 s (na jeden cykl pracy obrabiarki) i 24,81 s (na jeden przedmiot w jednym cyklu pracy obrabiarki); dla PO3 odpowiednio: tp = 1816, 888 i 22,2 s. Jak wykazała przeprowadzona analiza [7], czas przygotowawczo-zakończeniowy dla tej technologii wyniósł 305 min, zaś czasy główne i jednostkowe w przypadku rozpatrywanych elementów podano w tab. 4. Mając te dane na uwadze, można wyznaczyć normę czasu operacji, która, przykła- 52
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2014 dowo, dla obróbki partii 1000 sztuk wynosi odpowiednio: 9,45 godz. (elementy P01), 34,45 godz. (elementy P02) i 18,23 (elementy P03). Tabela 4. Czasy główne i jednostkowe Table 4. Main and unit times Element tg [s] tj [s] P01 (150 szt.) 6,93 34,02 P02 (35 szt.) 29,99 124,16 P03 (40 szt.) 12,81 35,31 Podsumowanie Przedstawiony system docierania powierzchni płaskich umożliwia jednoczesną obróbkę trzech różnych elementów ceramicznych. Budowa modułowa obrabiarek pozwala na prowadzenie procesów w systemie elastycznym. Ze względu na omijanie przez przedmiot PO3 stanowiska do polerowania, najlepszym rozwiązaniem było zastosowanie struktury gniazdowej. Transport wewnątrz gniazda jest ułatwiony dzięki wykorzystaniu koszyków z maszyn myjących. Dobór docierarek tarczowych uzależniony jest głównie od wymiarów gabarytowych obrabianych elementów. Należy brać też pod uwagę wielkość partii docieranej jednocześnie i możliwość wywierania właściwego obciążenia powierzchniowego w jednym separatorze (obciążnikowo lub pneumatycznie). Mimo wielu zalet, elastycznemu systemowi docierania towarzyszą też pewne utrudnienia, jak: duże wymiary i masa narzędzi, konieczność wymiany zawiesiny ściernej i kontrola płaskości tarczy docierającej (zwykle przez operatora). Im mniejsze są wymiary obrabianych elementów, tym łatwiejsze jest wykorzystanie elastycznego systemu docierania w praktyce warsztatowej. LITERATURA Rys. 6. Schemat systemu docierania Fig. 6. Scheme of lapping system 1. Barylski A.: Obróbka powierzchni płaskich na docierarkach. Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2013. Tabela 3. Czasy pomocnicze dla elementu PO1 Table 3. Auxiliary times for element PO1 Wypełnienie separatora Na cały cykl produkcyjny 2 (m + 0,5) n 2 3,5 150 = 1050 Czas pomocniczy tp [s] Transport dojazd suwnicy 56 1 Na jeden cykl pracy obrabiarki 2 n 2 150 = 300 56/m 56/3 = 18,7 Na jeden przedmiot w jednym cyklu pracy obrabiarki Ruch powierzchniowy 20 20/m 20/m n Mycie Kontrola jakości 720 m 720 3 = 2160 60 m 60 3 = 180 720 60 1/m 2 56/m n 56/3 150 = 0,12 720/n 720/150 = 4,8 60/n 60/150 = 0,4 tp [s] 3446 1098,7 7,32 53
2. Barylski A.: Problems of flat surface lapping. W: Developments in mechanical engineering. Red. A. Barylski, J.T. Cieśliński, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2005, s. 179-193. 3. Barylski A.: Podstawy docierania powierzchni płaskich. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, nr 491, Mechanika LXVII, Gdańsk 1992. 4. Barylski A.: Obróbka tarczowymi narzędziami ścierno-metalowymi powierzchni płaskich na docierarkach. W: Innowacyjne technologie wytwarzania. Red. P. Rusek, IZTW, Kraków 2012, s. 155 166. 5. http://www.productionlapping.net (dostęp 4.04.2014). 6. http://www.stahli.com (dostęp 24.04.2014). 7. Walicka B.: Projekt elastycznego systemu docierania powierzchni płaskich. Praca dyplomowa, prowadz. pracę A. Barylski, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2013. Dr hab. inż. Adam Barylski, prof. nadzw. PG Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Wydział Mechaniczny Politechniki Gdańskiej, ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk, tel. 58 347 19 82, e-mail: abarylsk@pg.gda.pl FLAT SURFACES LAPPING IN ASSEMBLY OPERATIONS Abstract The article presents the results of analysis of ceramic part lapping on single-disk lapping machine. The published data may be applied in design of technologies useful during the parts assembling. The data is especially valuable during the individual process of elements fitting or with the technological compensation/compression. Keywords technologies applied to assembly, flat surfaces lapping, examples 54