WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Ćwiczenie Laboratoryjne z przedmiotu INŻYNIERIA WYTWARZANIA Temat: Operacje kształtowania otworów metodami obróbki skrawaniem

Spis treści I. Cel i zakres ćwiczenia... 3 II. Wprowadzenie... 3 2.1 WIERCENIE i POWIERCANIE... 4 2.2 ROZWIERCANIE... 7 2.3 POGŁĘBIANIE... 8 2.4 NAWIERCANIE... 9 2.5 GWINTOWANIE... 10 III. Parametry technologiczne i geometryczne wiercenia, pogłębiania i rozwiercania... 12 IV. Praktyczne uwagi odnośnie wiercenia... 16 V. Aparatura i użyte materiały... 18 VI. Przebieg ćwiczenia... 19 VII. Opracowanie wyników... 19 VIII. Pytania kontrolne... 20 IX. Literatura... 20 2

I. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie z operacjami kształtowania otworów, budową i zasadą działania urządzeń do prowadzenia tych operacji oraz z narzędziami i oprzyrządowaniem służącym do obróbki otworów. Przedstawione rodzaje operacji dotyczą w większości technologii maszyn, tzn. kształtowania otworów w metalach. W instrukcji zawarte są również odniesienia do obróbki innych materiałów drewno, beton, kamień. Dodatkowym celem jest zapoznanie słuchaczy z praktycznymi zasadami i wskazówkami dotyczącymi bezpiecznej i efektywnej pracy z wiertarką. II. Wprowadzenie Skrawanie jest to rodzaj odróbki, w której przy użyciu energii mechanicznej z przedmiotu obrabianego usuwana jest warstwa materiału i przekształcana w wiór odkształcony plastycznie w całej swej objętości. Wykorzystuje się do tego narzędzia o ostrzu w kształcie klina. Usuwana objętość materiału jest stosunkowo mała w odniesieniu do objętości całego obrabianego przedmiotu. Obróbkę skrawaniem można podzielić według następującego schematu (rys.1): OBRÓBKA SKRAWANIEM WIÓROWA ŚCIERNA Narzędziami spojonymi Narzędziami nasypowymi Luźnymi ziarnami ściernymi toczenie wytaczanie szlifowanie płótnami ściernymi docieranie struganie dłutowanie wiercenie powiercanie rozwiercanie pogłębianie nawiercanie gładzenie dogładzanie papierami ściernymi polerowanie obróbka strumieniowościerna gwintowanie frezowanie przeciąganie Rys. 1. Klasyfikacja metod obróbki skrawaniem [1] obróbka udarowościerna (ultradźwiekowa) obróbka magnetościerna 3

Operacje kształtowania otworów rozpatrywane w niniejszym ćwiczeniu zalicza się do obróbki skrawaniem. We wszystkich tych operacjach ruch główny (obrotowy), a także ruch posuwowy, wykonuje narzędzie (z wyjątkiem obróbki na tokarkach, gdzie ruch główny realizuje przedmiot obrabiany, a ruch posuwowy - narzędzie), jednak zawsze otwór i narzędzie mają wspólną oś. Otwory są wykonywane na wiertarkach, frezarkach i tokarkach (w tym ostatnim przypadku są to zazwyczaj otwory, których oś pokrywa się z osią przedmiotu obrabianego). 2.1 WIERCENIE i POWIERCANIE Wiercenie jest operacją obróbki skrawaniem, której celem jest wykonanie otworów w pełnym materiale. Jest ono zaliczane do obróbki zgrubnej i kształtującej. Wiercenie można prowadzić na gotowo lub wstępnie z naddatkiem na dalszą obróbkę. Wywiercone otwory są mało dokładne (IT10 IT14), często charakteryzują się dużym rozbiciem, wysoką chropowatością powierzchni (większą niż 5μm) a uzyskanie wyższej dokładności (wymiaru, kształtu, położenia, stanu geometrycznego powierzchni) wymaga dalszej obróbki inną metodą, np. za pomocą rozwiercania. Średnice wierconych otworów wynoszą od setnych części milimetra do setek milimetrów. Otwory można podzielić, ze względu na głębokość, na otwory krótkie o długości l < 3d oraz na otwory długie, o długości l > (5-10) d. Wiercenie w porównaniu z innymi metodami obróbki skrawaniem przebiega w dość trudnych warunkach, ponieważ: krawędzie skrawające są bardzo obciążone, wiertła są podatne na skręcanie i zginanie, prędkość skrawania podczas wiercenia zmienia się od największej na zewnętrznej średnicy do zera w osi wiertła, odprowadzenie wiórów jest trudne, szczególnie z głębokich otworów, dostęp cieczy chłodząco-smarującej do strefy skrawania jest bardzo utrudniony. Wiertła Ze względu na konstrukcję wyróżnia się wiertła kręte, piórowe, do głębokich otworów, koronowe (trepanacyjne) i inne. Istnieje również podział na wiertła jedno lub wieloostrzowe. Najczęściej stosowanymi są monolityczne wiertła kręte o części chwytowej walcowej lub stożkowej (rys.1), o dwóch ostrzach roboczych i dwóch rowkach służących do transportu wiórów z obszaru skrawania. Służą one do wiercenia otworów o długości nieprzekraczającej 5-10d, gdzie średnica d zawiera się w granicach od 0,1 do 100mm. Krawędzie skrawające powstają w wyniku przecinania się śrubowych powierzchni natarcia oraz powierzchni przyłożenia. Położenie krawędzi skrawających określa kąt wierzchołkowy, którego wartość wynosi najczęściej 2κ = 118 (do obróbki miękkich stopów miedzi i aluminium oraz stali wysokostopowych o dużej wytrzymałości i ciągliwości 2κ = 140, do obróbki materiałów twardych i kruchych kąt wierzchołkowy może osiągnąć wartość 2κ = 90 ). Na wierzchołku wiertła znajduje się ścin poprzeczna krawędź skrawająca będąca 4

wynikiem przecinania się dwóch powierzchni przyłożenia. Prowadzenie wiertła dwuostrzowego w otworze zapewniają dwie łysinki rozmieszczone śrubowo na walcowej części roboczej. Rys.1. Budowa wiertła krętego, a) z chwytem stożkowym, b) z chwytem walcowym Chwyt walcowy posiadają wiertła o małych średnicach, gdzie moment jest przenoszony przez tarcie na styku ze szczękami uchwytu wiertarskiego. Stożek Morse a wraz z płetwą występuje w przypadku wierteł o większych średnicach przenoszących duże momenty obrotowe. Za pomocą wierteł wykonuje się otwory walcowe na gotowo, otwory pod rozwiercanie lub pogłębianie, oraz wstępne otwory pod gwinty. Popularne wiertła kręte monolityczne są najczęściej wykonane w całości ze stali szybkotnących (HSS). Dodatkowo można zwiększyć ich trwałości stosując pokrycia (TiC, TiN, Al 2 O 3, AlON, TiCN). Do produkcji wierteł stosuje się również spiekane węgliki metali trudnotopliwych, a także cermetale. Materiały te umożliwiają obróbkę z kilkakrotnie większymi prędkościami skrawania. Dodatkowo takie wiertła mają znacznie dłuższą żywotność od tych ze stali szybkotnącej, zaś wiercone otwory charakteryzują się wyższą dokładnością. Niestety wiertła te są wrażliwe na wyboczenie i łatwo ulegają zniszczeniu z powodu niskiej wytrzymałości materiału na zginanie. Oprócz monolitycznych stosowane są również wiertła kręte z ostrzami z węglików spiekanych (lutowane lub składane). Z racji większych wymiarów służą one do obróbki otworów o średnicach powyżej 16mm. Tego typu narzędzia posiadają wewnętrzne kanały doprowadzające pod ciśnieniem ciecz chłodząco-smarującą, która dodatkowo ułatwia odprowadzanie wiórów ze strefy skrawania. Wydajność takich wierteł jest wysoka, zaś zużyte ostrza można wymienić. Wiertła do głębokich otworów zwane inaczej wiertłami lufowymi są przeznaczone do wiercenia otworów o długości 15d-100d i więcej. Wiertło składa się z części roboczej wykonanej ze stali szybkotnącej lub węglika spiekanego, rury cienkościennej ze stali 5

stopowej oraz części chwytowej wykonanej ze stali niestopowej. Kanały wzdłuż wiertła doprowadzające pod wysokim ciśnieniem ciecz chłodząco-smarującą do strefy skrawania pozwalają na ciągłą pracę wiertła. Przykłady wierteł lufowych zamieszczono na rys.2. Rys.2. Przykłady wierteł lufowych [asco.pl] Głębokie otwory można wykonywać również za pomocą wierteł działowych. Ze względu na możliwość zakleszczenia się, wiertło pracuje z małym posuwem. Wydajność jest tym samym niewielka. Narzędzie te stosuje się do wykonywania otworów nawet o średnicach poniżej 0,1mm. Budowa wiertła działowego przedstawiona jest na rys.3. Rys.3. Budowa wiertła działowego W odróżnieniu do wyżej wymienionych wierteł, zasada pracy wiertła trepanacyjnego jest inna. W wiertłach krętych, piórowych, lufowych, całość materiału pochodząca z otworu usuwana jest w postaci wiórów. Podczas wiercenia trepanacyjnego rdzeń nie jest skrawany, usuwany jest jedynie materiał na obwodzie otworu. Zapotrzebowanie na moc jest mniejsze niż w przypadku wiercenia pełnego. Ten rodzaj wiercenia jest wykorzystywany do różnego rodzaju wierceń przelotowych wykonywanych m.in. za pomocą mobilnych wiertnic. Gorzej jest w przypadku otworów nieprzelotowych, gdzie problem stanowi usunięcie pozostałego rdzenia. Wiertła trepanacyjne są powszechnie zwane koronami (wiertłami koronowymi). Na rys. 4 zamieszczono przykład wiertła trepanacyjnego. 6

Rys. 4. Wiertło trepanacyjne koronowe [profitechnik.pl] Powiercanie jest to szczególny przypadek wiercenia i ma na celu powiększenie średnicy istniejącego otworu za pomocą wiertła. Przyjęło się, że otwory o średnicy powyżej 15-20 mm wykonuje się w dwóch operacjach: wiercenie wstępne i powiercanie. Wiercenie większego otworu na gotowo wiąże się ze wzrostem oporów skrawania i ze spadkiem jego dokładności. 2.2 ROZWIERCANIE W celu zwiększenia dokładności wymiarowej i geometrycznej oraz uzyskania mniejszej chropowatości powierzchni otworów, po wstępnym wierceniu należy zastosować rozwiercanie. Zabieg ten podobny jest do powiercania, jednak występuje w nim dużo mniejsza głębokości skrawania i większy posuw na obrót. Naddatek na rozwiercanie wynosi 0,1 0,3mm. Dokładności osiągane podczas rozwiercania to IT11 - IT9 dla rozwiercania wstępnego i IT8 - IT6 dla rozwiercania wykańczającego, zaś chropowatość powierzchni wynosi odpowiednio, wstępne Ra=2,5-10μm, wykańczające Ra=0,32-1,25 μm. Rozwiertaki to narzędzia wieloostrzowe; można je podzielić na wstępne (zdzieraki) (rys.5) i wykańczające (wykańczaki) (rys. 6). Rys. 5. Rozwiertaki zdzieraki: a)krótki ze stożkiem Morse a, b) długi z uchwytem walcowym Rozwiertaki dzieli się także ze względu na: kształt walcowe i stożkowe, sposób montażu - trzpieniowe i nasadzane, budowa stałe, rozprężne i nastawne, napęd ręczne i maszynowe. 7

Rys. 6. Rozwiertaki wykańczające: a) długi ze stożkiem Morse a, b) krótki ze stożkiem Morse a, c) ręczny Rozwiertaki zdzieraki mają najczęściej 3 lub 4 ułożone śrubowo ostrza. Usuwają one 70-85% naddatku przewidzianego na rozwiercanie. Przy skrawaniu większej warstwy materiału korzystne są dodatnie kąty natarcia ostrzy. Zdzieraki występują tylko w wersji maszynowej. Rozwiertaki wykańczaki mają wiele ostrzy ułożonych prosto lub śrubowo. Naddatek na rozwiercanie wykańczające to 15-30% całego naddatku (cienkie warstwy), dlatego kąty natarcia ostrzy są zerowe lub ujemne. Większa ilość ostrzy pozwala uzyskać mniejszą chropowatość powierzchni. Wykańczaki występują w wersji maszynowej lub ręcznej. Nierównomierna podziałka zmniejsza ryzyko powstania drgań samowzbudnych. Oprócz omówionych wyżej symetrycznych rozwiertaków wieloostrzowych, stosuje się również asymetryczne rozwiertaki jednoostrzowe. Podobnie jak w przypadku wierteł składanych ostrza są wykonane ze stopów twardych i węglików spiekanych. 2.3 POGŁĘBIANIE Pogłębianie jest to kształtowanie powierzchni walcowej na części długości wcześniej wykonanego otworu lub obróbka powierzchni czołowej płaskiej (tzw. nadlewki). Kinematyka pogłębiania jest identyczna jak powiercania, inne są narzędzia, które odpowiadają kształtem wykonywanym otworom. Pogłębienia wykonuje się w celu otrzymania otworów stopniowych, aby ukryć łeb śruby lub wkręta, podkładkę lub uszczelkę. Rys. 7. Pogłębiacz walcowo-czołowy 8

Pogłębiacze są narzędziami z wieloma lub z jednym ostrzem. Na rys. 7 przedstawiono pogłębiacz walcowo-czołowy. Składa się on z części prowadzącej (tzw. pilota) o średnicy pogłębianego otworu, oraz części roboczej. Na rys. 8 zamieszczono przykładowe konstrukcje pogłębiaczy wraz z ich zastosowaniami. Rys. 8. Pogłębiacze i ich zastosowania 2.4 NAWIERCANIE Operacją łączącą wiercenie z pogłębianiem jest nawiercanie. Służy ono do wykonania nakiełków, które umożliwiają zamocowania w kłach wałków podczas operacji toczenia lub szlifowania. Na rys. 9 zamieszczone są 3 rodzaje nakiełków. Nakiełki wykorzystuje się również, jako wstępne otwory przed operacją wiercenia, w celu wyeliminowania tzw. uciekania wiertła. Rys. 9. Rodzaje nakiełków znormalizowanych: a) zwykły, b) chroniony, c) promieniowy 9

Nakiełki wykonuje się za pomocą nawiertaków. Są to narzędzia monolityczne, dwuostrzowe, wykonane ze stali szybkotnącej, maja budowę dwustronną. Składają się z walcowej części chwytowej i części roboczej, której kształt zależy od typu nakiełka. Na rys. 10 przedstawione są różne konstrukcje nawiertaków. Rys. 10. Nawiertaki: a) zwykły, b) chroniony, c) promieniowy 2.5 GWINTOWANIE W technologii maszyn nieodzownym elementem są otwory gwintowane będące częścią połączenia śrubowego. Gwintowanie jest to operacja, w której przy użyciu gwintownika (rys. 11) we wstępnie wywierconym otworze wykonywany jest gwint. Gwint można nacinać ręcznie lub maszynowo. Za pomocą gwintowników można wykonać m.in. gwinty metryczne od M0,25 do M68, trapezowe od Tr8 do Tr85. Gwinty o większej średnicy oraz te o stosunkowo niewielkiej głębokości wykonuje się operacją toczenia, za pomocą głowic gwinciarskich, przez walcowanie i wygniatanie. Rys. 11. Gwintownik ręczny: a) nakrój, b) część wykańczająca, c) część chwytowa Gwintownik składa się z części chwytowej i roboczej, w której można wyróżnić część skrawającą nakrój i część wykańczającą będącą jednocześnie częścią prowadzącą. 10

Geometria zębów gwintownika bywa różna, zęby są proste (jak na rys.11) lub ułożone po linii śrubowej. W pierwszym przypadku mamy ułatwione ostrzenie, jednak utrudnione jest odprowadzanie wiórów podczas gwintowania głębokich i nieprzelotowych otworów. Śrubowo ułożone ostrza ułatwiają odprowadzanie wiórów. Duża liczba ostrzy skrawających i długa krawędź skrawająca powoduje występowanie dużych momentów skręcających, co powoduje wysoką podatność gwintowników na skręcanie. W celu zmniejszenia obciążeń stosuje się komplety narzędzi go gwintowania, co powoduje podział naddatku na poszczególne narzędzia z kompletu. W skład kompletu gwintowników metrycznych drobnozwojnych najczęściej wchodzą dwa gwintowniki: Nr 1 zdzierak i Nr 3 wykańczak, zaś komplet gwintowników metrycznych zwykłych składa się z: Nr 1 zdzierak, Nr 2 - pośredni i Nr 3 wykańczak. Na rys. 12 przedstawiono przykładowy przybliżony podział naddatku na nacinanie gwintu przy wykorzystaniu kompletu 3 gwintowników. Rys. 12. Przykładowy podział naddatku przy nacinaniu gwintu: 1 zdzierak, 2 pośredni, 3 - wykańczak Zdzierak (Nr 1) posiada nakrój od 5 do 8 zwojów i kąt nakroju 5. Długi nakrój ułatwia rozpoczęcie nacinania gwintu. Gwintownik pośredni (Nr 2) posiada od 3 do 5 zwojów nakroju, zaś kąt wynosi 10. Wykańczak (Nr 3) ma nakrój od 2 do 3 zwojów i kąt nakroju 20. Rozłożenie naddatku na 3 narzędzia nie tylko zmniejsza obciążenia podczas gwintowania, ale pozwala uzyskać powierzchnię gwintu o mniejszej chropowatości, co sprzyja płynnej pracy połączenia gwintowego. Poprawna praca gwintownika wymaga synchronizacji ruchu głównego (obrotowego) i posuwowego. Na jeden obrót narzędzi przesuwa się wzdłuż osi o jeden obrót. Posuw wymuszany jest tylko w początkowej fazie pracy narzędzia, później synchronizacja ta jest realizowana przez samoprowadzenie gwintownika w gwintowanym otworze. Z tego powodu gwintownik powinien mieć możliwość swobodnego poruszania się wzdłuż jego osi. Przy sztywnym zamocowaniu gwintownika we wrzecionie, błędy ruchu posuwowego obrabiarki i ograniczona sztywność zamocowania powodują powstawanie błędów zarysu i skoku gwintu. Sztywne zamocowanie gwintownika możliwe jest w specjalnych obrabiarkach (centrach obróbkowych) z pełną synchronizacją gwintowania. Istotną rolę podczas gwintowania pełnią ciecze chłodząco-smarujące, których właściwości smarne zmniejszają moment skrawania i chropowatość obrabianej powierzchni. Dodatkowo właściwości chłodzące zmniejszają intensywność zużywania się ostrzy, zaś 11

podanie cieczy kanałami wewnętrznymi narzędzi (w złożonych gwintownikach) pod wysokim ciśnieniem do strefy skrawania skutecznie wspomaga usuwanie wiórów. W Tabeli 1 zamieszczono średnicę otworów, jakie należy wywiercić przed rozpoczęciem nacinania gwintu. Tabela 1. Wymiary wierconych otworów pod gwinty metryczne Wymiar gwintu Średnica wiertła [mm] Gwint metryczny (M) Wymiar gwintu Średnica wiertła [mm] Wymiar gwintu Średnica wiertła [mm] M 1 0,75 M 5 4,2 M 24 21,0 M 1,2 0,95 M 6 5,0 M 30 26,5 M 1,6 1,25 M 8 6,8 M 36 32,0 M 2 1,6 M 10 8,5 M 42 37,5 M 2,5 2,05 M 12 10,2 M 48 43,0 M 3 2,5 M 16 14,0 M 56 50,5 M 4 3,3 M 20 17,5 M 64 58,0 III. Parametry technologiczne i geometryczne wiercenia, pogłębiania i rozwiercania Rys. 13. Parametry technologiczne i geometryczne procesów obróbki otworów Rys. 13 przedstawia parametry technologiczne oraz geometryczne procesów obróbki otworów. Poniżej zamieszczono krótką charakterystykę poszczególnych wielkości: a) Prędkość obrotowa narzędzia n [obr/min], b) Prędkość skrawania V c [m/min] jest to prędkość obwodowa punktu na krawędzi ostrza narzędzia, znajdującego się w największej odległości od osi. Prędkość skrawania jest funkcją średnicy oraz prędkości obrotowej narzędzia n. W każdym punkcie krawędzi skrawającej prędkość skrawania jest inna, od V c =0 w osi narzędzia do V c =max na jego obwodzie. Powoduje to nierównomierne zużycie narzędzia. Prędkość skrawania w punkcie położonym na średnicy d, przy prędkości obrotowej n wynosi: 12

nd m V c 1000, (1) min c) Posuw na obrót p [mm/obr] przemieszczenie narzędzia o wartość posuwu [mm] przypadające na jeden obrót narzędzia, d) Posuw na minutę p t [mm/min] przemieszczenie narzędzia w ciągu jednej minuty. Można go wyrazić zależnością: mm p t p n min, (2) e) Posuw na ostrze (ząb) p z [mm/ostrze] przemieszczenie narzędzia przypadające na jedno ostrze narzędzia, opisuje je zależność: gdzie z jest ilością ostrzy narzędzia. pt p mm pz zn z z, (3) f) Głębokość skrawania a p [mm] jest uzależniona od rodzaju obróbki. Podczas wiercenia, czyli wykonywania otworu w pełnym materiale, głębokość skrawania równa jest połowie średnicy. W pozostałych trzech przypadkach głębokość skrawania wynosi połowę różnicy otworu wykonywanego i otworu pierwotnego.: d d1 a p mm, (4) 2 g) Dobieg narzędzia a f [mm] parametr określa drogę, jaką musi przebyć narzędzie od momentu wejścia w kontakt z materiałem obrabianym do momentu, w którym cała krawędź skrawająca bierze udział w obróbce. h) Parametry geometryczne warstwy skrawanej jest to szerokość b D, wysokość h D i pole powierzchni warstwy skrawanej A D : h D A b D a p mm, (5) sin κ p sin mm, (6) z 2 D bd hd mm, (7) Do parametrów technologicznych zalicza się siłę, moment i moc skrawania. Dla przykładu zostaną przedstawione wzory dla operacji wiercenia. i) Siłę skrawania F c oblicza się z zależności: gdzie: A D pole powierzchni warstwy skrawanej [mm 2 ], z liczba ostrzy, najczęściej z=2 dla wiertła krętego, k c siła właściwa skrawania [N/mm 2 ], c D c z p c N F A z k p a z k, (8) 13

p z posuw na ząb [mm/ząb], a p głębokość skrawania [mm], j) Moment skrawania M c oblicza się z zależności: d d a p k a 1 Nm 2 2000 sr p c p M F c c, (9) d gdzie: d sr średnia średnica [mm], mierzona w połowie głębokości skrawania. Dla wiercenia jest to połowa średnicy otworu, d średnica wierconego otworu [mm], p posuw na obrót [mm/obr], k) Moc skrawania P c ma postać: FcV c sr a p p kc a p 1 kw 60000 60000 P c, (10) d gdzie: V c sr prędkość skrawania dla średnicy d sr Właściwą siłę skrawania k c można w przybliżeniu określić dla poszczególnych grup materiałów obrabianych. Według Poradnika Obróbki Skrawaniem Sandvik Coromat : a) Aluminium - k c = 500-900 [N/mm 2 ] b) Stal - k c = 1400-3200 [N/mm 2 ] c) Stal nierdzewna - k c = 1800-2900 [N/mm 2 ] d) Żeliwo - k c = 1000-1500 [N/mm 2 ] e) Stopy żaroodporne - k c = 2600-3300 [N/mm 2 ] f) Stal hartowana - k c = 2800-4900 [N/mm 2 ] PRZYKŁAD Przykład liczbowy obliczania siły, momentu i mocy skrawania został przedstawiony dla wiercenia otworu Ø16mm w stali (nieulepszanej cieplnie o średniej wytrzymałości) z prędkością skrawania V c = 12 m/min, posuw na ząb p z = 0,18mm. Wielkości do wyznaczenia to F c, M c, P c. Głębokość warstwy skrawanej jest równa połowie średnicy otworu (wiertła), a p = 16mm/2 = 8mm. Liczba ostrzy dla wiertła krętego z = 2. Właściwa siła skrawania dla danej stali przyjęto k c = 2300 N/mm 2. Korzystając z zależności (8) otrzymujemy: F c 0,188 2 2300 6624 N 14

Materiał Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Twardość Rockwella Prędkość skrawania [m/min] Do obliczenia momentu skrawania korzystamy ze wzoru (9). Parametr d sr przyjmujemy połowę średnicy wiertła d sr = 8mm, F c 0,008 6624 2 26,496 Nm Aby obliczyć moc skrawania należy wyznaczyć średnią prędkość skrawania (przyłożoną na średnicy średniej). Z przekształcenia zależności (1) otrzymujemy: 1000V n d c 100012 3,1416 240 obr min Prędkość średnia jest równa: V c sr 3,14 2408 nd 6 1000 1000 m min Natomiast moc skrawania wynosi: P c 6624 6 0,66 kw 60000 Powyższe obliczenia pozwalają dobrać moc obrabiarki do wykonania danego otworu. Na koniec tego rozdziału w tabeli zostały zebrane parametry wiercenia zalecane przez producenta wierteł, firmę Bosch. Tabela 2. Parametry dla wiercenia wg firmy Bosch Średnica wiertła [mm] 2 5 10 15 20 Stal budowlana niestopowa Stal budowlana niestopowa Prędkość obrotowa [1/min] 350 62 HRB 28-30 4780 1910 960 640 480 750 21 HRC 26-28 4460 1780 890 590 440 Blacha stalowa 800 22 HRC 26-28 4480 1780 890 590 440 Stal narzędziowa niestopowa Stal narzędziowa stopowa Stal narzędziowa stopowa 800 22 HRC 26-28 4460 1780 890 590 440 800 26 HRC 22-24 3980 1600 800 530 400 1000 31 HRC 12-24 2000 830 400 280 210 15

Materiał Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Twardość Rockwella Prędkość skrawania [m/min] Średnica wiertła [mm] 2 5 10 15 20 Prędkość obrotowa [1/min] Stale nierdzewne 550 85 HRB 14-16 2390 960 480 320 240 Stale nierdzewne 1100 34 HRC 8-10 1450 570 290 190 140 Stale ognioodporne 800 22 HRC 10-12 1750 700 350 230 170 Stal sprężynowa 1100 34 HRC 8-10 1450 570 290 190 140 Żeliwo szare 800 22 HRC 25-30 4460 1780 890 590 450 Żeliwo ciągliwe 700 95 HRB 25-30 4460 1780 890 590 450 Staliwo 770 20 HRC 20-24 3500 1400 700 460 350 Staliwo 1100 34 HRC 14-16 2390 960 480 320 240 Aluminium niestopowe Aluminium stopowe 180 60-80 9560 3820 1910 1270 960 350 50-60 7950 3180 1590 1060 790 IV. Praktyczne uwagi odnośnie wiercenia Z uwagi na fakt, że prawdopodobnie prawie każdy miał do czynienia z wiertarką ręczną, poniżej zostały zebrane ogólne zasady prawidłowego użytkowania takich urządzeń. Słowem wiertarka potocznie można nazwać całą rodzinę narzędzi począwszy od małych elektronarzędzi o mocy 500 700W aż po duże o mocy ponad 5kW. Większość tych urządzeń posiada regulację obrotów oraz momentu obrotowego. Można nimi wkręcać śruby i wkręty, a używając dodatkowego osprzętu takiego jak szczotki druciane do czyszczenia, ściernice do szlifowanie, polerki polerowanie, mieszadła do mieszania itp. można znacznie poszerzyć możliwości jej zastosowania. Ręczne elektronarzędzia do wiercenia można podzielić na: a) Uniwersalne wiertarki udarowe, do wiercenia w metalach, tworzywach sztucznych i w drewnie, a także po włączeniu funkcji udaru (ruch obrotowy połączony z ruchem posuwisto-zwrotnym wiertła) można wiercić otwory w materiałach budowlanych takich jak beton, cegła, kamień. b) Wiertarko-wkrętarki, to urządzenia najczęściej zasilane akumulatorowo, które ostatnimi czasy bardzo zyskały na popularności ze względu na rozwój trwałych 16

i lekkich ogniw litowo-jonowych. Wyposażone w sprzęgło o wielu nastawach momentu obrotowego oraz hamulec wrzeciona, pozwalają na precyzyjne wkręcanie śrub i wkrętów. Zastosowanie trwałej przekładni planetarnej zapewnia wysoki moment obrotowy ze stosunkowo niewielkiego silnika. Dostępne są również wiertarko-wkrętarki z funkcją udaru. c) Młoty udarowo-obrotowe, jest to większa wersja wiertarki udarowej. Urządzenia te przeznaczone są do wiercenia otworów o dużych średnicach w twardych materiałach budowlanych. Wiertła do takiego wiercenia mają ostrza zakończone płytkami z węglików spiekanych i są potocznie nazywane wiertłami widiowymi. Udar w małych uniwersalnych wiertarkach jest generowany mechanicznie poprzez tarcie o siebie dwóch powierzchni zębatych. W młotach udarowo-obrotowych, napędzany przez silnik tłok, cyklicznie generuje poduszkę powietrzną, która przekazuje ruch udarowy na wrzeciono z wiertłem. Energia takiego udaru jest znacznie wyższa w porównaniu z uniwersalnymi wiertarkami o tej samej mocy. Wymusza to zastosowanie specjalnych uchwytów wiertarskich (SDS Plus, SDS Max) dla zwiększenia trwałości i efektywności wierteł. d) Wiertnice koronowe to urządzenia posiadające wysoki moment obrotowy służące do wykonywania otworów o dużych średnicach za pomocą diamentowych wierteł trepanacyjnych (koronowych). Wiertnice pracują bez udaru, ponieważ usuwanie materiału odbywa się poprzez skrawanie ostrzami z nasypem diamentowym. Duża średnica wiertła koronowego powoduje występowanie wysokich prędkości skrawania, dlatego podczas takiego wiercenia konieczne jest chłodzenie wiertła. Wiercenie wiertarkami ręcznymi jest bezpieczne i pozwala uzyskać zadawalające wyniki przy zachowaniu podstawowych zasad prawidłowego użytkowania: Należy prawidłowo dobierać prędkość i moment obrotowy w zależności od wykonywanej operacji i obrabianego materiału. Jeżeli wiertarka posiada przekładnię dwubiegową, to pierwszego biegu należy używać przy wierceniu z udarem, wkręcaniu śrub i wkrętów, wiercenia otworów tzw. otwornicami (wiertłami trepanacyjnymi) lub używaniu mieszadła. Operacje te wymagają większego momentu obrotowego. Jeżeli wiercimy otwory w drewnie lub metalu niewielkimi wiertłami krętymi, ewentualnie szlifujemy, należy używać drugiego biegu dla uzyskania większych obrotów, Prawidłowy dobór momentu obrotowego do wykonywanych operacji, a także nie przekraczanie zalecanych średnic wierteł, uchroni urządzenie przed przegrzaniem i uszkodzeniem silnika. Należy pamiętać, aby nie zatykać otworów wentylacyjnych urządzenia, gdyż może to doprowadzić do przegrzania silnika. Również długotrwała praca na niskich obrotach powoduje rozgrzanie silnika, dlatego co pewien czas należy ochłodzić urządzenie włączając je bez obciążenia na najwyższych obrotach, 17

Rys. 14. Warunki wiercenia sprzyjające powstawaniu błędów wymiaru, kształtu i położenia otworów. Aby wiercone otwory były pozbawione błędów wymiaru, kształtu i położenia, a także wysokiej chropowatości należy unikać sytuacji przedstawionych na Rys. 14. Rys. 14a przedstawia nieprostopadłość osi wiertła do powierzchni czołowej wierconego otworu, niewspółosiowość wiertła i otwory wstępnego lub nakiełka są przyczyną błędów położenia osi otworu względem bazy (rys. 14b). Rys. 14c przedstawia przypadek przenikania wierconego otworu z wcześniej wykonanym otworem, zaś Rys. 14d przedstawia przypadek zbyt bliskiego położenia otworu od krawędzi przedmiotu. Takie sytuacje powodują rozbicie i nieokrągłość wierconych otworów, Podczas wiercenia otworów przelotowych, zwłaszcza wiertarkami ręcznymi, należy pamiętać, aby podłożyć od strony spodniej obrabianego przedmiotu, kawałek miękkiego materiału np. drewna, w celu uniknięcia wyrwania (wykruszenia) przedmiotu lub urwaniu wiertła przy jego wychodzeniu z materiału. Takie niebezpieczeństwo jest spowodowane nagłym wzrostem momentu skrawania, który występuje przy spadku siły odporowej pochodzącej od ścina (znajdującego się już poza materiałem), Jeżeli jest to możliwe należy stosować chłodziwo (ciecze chłodząco-smarujące); dotyczy to oczywiście wszystkich operacji kształtowania otworów. Ich zadaniem jest odprowadzenie ciepła ze strefy skrawania, a tym samym obniżenie temperatury wiertła (lub innych narzędzi) i zwiększenie ich trwałości. Jeden z producentów podaje, że zastosowanie odpowiedniego chłodziwa, zwiększa nawet 6-krotnie trwałość ich wierteł. Smarujące właściwości tych cieczy wpływają na zmniejszenie oporów skrawania, co powoduje mniejsze zapotrzebowanie na moc obrabiarki i daje powierzchnię obrobiona o lepszej jakości (mniejsza chropowatość). V. Aparatura i użyte materiały a) Wiertarka stołowa, b) Imadło, uchwyt trójszczękowy, c) Narzędzia do obróbki otworów: wiertła, rozwiertaki, pogłębiacze, gwintowniki, d) Narzędzia pomiarowe do oceny dokładności wykonanych otworów, e) Tablice z danymi potrzebnymi do wyznaczenia parametrów obróbki. 18

VI. Przebieg ćwiczenia a) Sprawdzić przygotowanie teoretyczne studentów do ćwiczenia laboratoryjnego, b) Omówić zasady BHP obowiązujące podczas prac na wiertarkach, c) Omówić budowę wiertarki oraz innych urządzeń służących do obróbki otworów, d) Omówić i zapoznać się z dostępnym oprzyrządowaniem (uchwyt wiertarski, imadło, pryzma, uchwyt trójszczękowy) i narzędziami (wiertła, rozwiertaki, pogłębiacze, nawiertaki, gwintowniki), e) Wybrane przez prowadzącego detale zamocować i ustalić za pomocą odpowiedniego oprzyrządowania (imadło, uchwyt trójszczękowy, pryzma), f) Operacje obróbki otworów prowadzić z wykorzystaniem oraz bez udziału cieczy chłodząco-smarującej, g) Zamocować w uchwycie wiertarskim wiertarki wskazane przez prowadzącego wiertła oraz ustalić parametry obróbki, np. prędkość obrotową wrzeciona, w zależności od obrabianego materiału, h) Wywiercić serię otworów przy różnych parametrach wiercenia. Ocenić, jaki wpływ na wygląd wykonanych otworów miały zmiany parametrów obróbki. Liczba otworów musi być wystarczająca do przeprowadzenia kolejnych operacji, i) Na kilku wcześniej wykonanych otworach przeprowadzić operację powiercania, a następnie ocenić jakość otrzymanych otworów, j) Następnie należy przeprowadzić operację rozwiercania. W pierwszej kolejności należy wywiercić otwór (ewentualnie powiercać), a następnie po zamocowaniu we wrzecionie obrabiarki rozwiertaków rozwiercić otwory. Ocenić jakość otrzymanych otworów, k) Przy użyciu pogłębiaczy wykonać pogłębienia pod łby śrub (wkrętów) w przygotowanych wcześniej otworach. Sprawdzić czy pogłębienia spełniają swoje zadanie, l) Korzystając z gwintowników naciąć gwinty w przygotowanych otworach. Sprawdzić poprawność wykonania gwintów za pomocą odpowiednich wzorców, m) Dokonać omówienia przeprowadzonych operacji, dokonać pomiarów i oceny jakościowej dokładności i jakość powierzchni wykonanych otworów. Jaki wpływ miało zastosowanie cieczy chłodząco-smarującej? Uzyskane pomiary, spostrzeżenia i uwagi zebrać w formie protokołu z ćwiczenia laboratoryjnego. VII. Opracowanie wyników Sprawozdanie powinno zawierać krótki wstęp teoretyczny z opisanym celem ćwiczenia i omówieniem przeprowadzonych operacji obróbki otworów. Należy także zamieścić tabelę z wynikami pomiarów, a także rysunki techniczne z naniesionymi wymiarami. Dla wybranej operacji wskazanej przez prowadzącego należy obliczyć parametry technologiczne (siła, moment, moc). Wnioski mają zawierać spostrzeżenia i uwagi na temat przeprowadzonych operacji kształtowani otworów, uzyskanych dokładności, jakości powierzchni itp. 19

VIII. Pytania kontrolne 1. Wymienić operacje kształtowania otworów. 2. Czym się różni wiercenie od powiercania? 3. Jakimi metodami (narzędziami) wykonuje się długie otwory (>15-20d)? 4. Omówić zasadę działania wiertła trepanacyjnego. 5. Co to jest pogłębianie? 6. W jakim celu stosuje się rozwiercanie? 7. Do czego służy nawiertak? 8. Wymienić rodzaje nakiełków. 9. Jak wykonuje się otwór gwintowany? 10. W jakim celu stosuje się komplety gwintowników? 11. Wymienić znane parametry technologiczne i geometryczne operacji wiercenia. IX. Literatura 1. W. Olszak, Obróbka skrawaniem, WNT, Warszawa 2009, 2. S. Kapiński, P. Skawiński, J. Sobieszczański, J.Z. Sobolewski, Projektowanie technologii maszyn. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2002, 3. M. Korzyński, Podstawy technologii maszyn, Oficyna wydawnicza PRz, Rzeszów 2008, 4. K. Pluciński, Mechaniczna technologia metali. Obróbka, narzędzia, obrabiarki skrawające, WAT, Warszawa 1970, 5. Sandvik, CoroKey poradnik, Sandvik Polska Sp. z o.o., 6. Joachim Potrykus (tłumaczenia), Poradnik Mechanika, wydawnictwo REA, Warszawa 2009, 7. Praca zbiorowa, Mały Poradnik Mechanika, tom I i II, WNT, Warszawa 1994, 8. R. Wołk, Normowanie czasu pracy na obrabiarkach do obróbki skrawaniem, WNT, Warszawa 1972, 20