Gratowanie czyli usuwanie zadziorów to zabieg, który był już poruszany na tym wortalu – Usuwanie zadziorów – gratowanie maszynowe. Kosztowy udział gratowania w procesie technologicznym może dochodzić nawet do 20% całych kosztów obróbki danej części. Współcześnie odnośnie procesu technologicznego powszechnie używa się określenia optymalizacja procesu technologicznego. Nadrzędne kryterium stanowią koszty. W celu obniżania kosztów można stosować inne metody optymalizacyjne, a mianowicie kryterium czasu głównego, okresu trwałości narzędzia. Współcześnie rzadko kiedy działania dotyczą wyłącznie jednego aspektu. Kompleksowe podejście wykorzystuje mniej lub bardziej świadomie optymalizację wielokryterialną. Utrzymanie lub poprawa konkurencyjności jest kluczowe zarówno dla funkcjonowania na rynku jak i rozwoju.

Grat czyli zadziory na krawędziach powierzchni są wynikiem różnego rodzaju metod obróbkowych: plastycznej (np. tłoczenie, wykrawania), skrawania (np. frezowanie, wytaczanie, wiercenie), czy cięcia laserem (ilustracja 1).

Ilustracja 1. Zadziory na krawędzi przedmiotu – cięcie laserem. Materiał przedmiotu to aluminium.

W procesach dydaktycznych przy opracowywaniu procesów technologicznych zabieg czy operacja usuwania zadziorów jest traktowana pobieżnie.

Stereotyp. Gratowanie czyli usuwanie zadziorów realizuje się ręcznie za pomocą pilników na stanowiskach ślusarskich.

Gratowanie – metody obróbkowe

Stereotyp nie jest prawdziwy nieprawda, a w każdym razie nie do końca. Dobór metody zależy każdorazowo od indywidualnego zadania technologicznego, a do dyspozycji są następujące metody:

• okrawanie pilnikami – zabiegi wykonywane ręczne;
• usuwanie zadziorów okrawarkami Orbitool (frezowanie)- ręcznie z użyciem elektronarzędzi – ilustracja 2;
• usuwanie zadziorów okrawarkami Back Burr Cutter and Path™ – obrabiarki CNC – ilustracja 3-6;
• szczotki przemysłowe różnego rodzaju z włóknami ceramicznymi – stosowane na obrabiarkach CNC lub ręcznie z użyciem elektronarzędzi – ilustracja 7-10;
• ścierne obróbki powierzchniowe – np. wygładzarki odśrodkowe i wibratory kołowe z medium ściernym – ilustracja 11-12;
• obróbka ścierna (szlifowanie) – np. osełką kulową – ręcznie z użyciem elektronarzędzi lub maszynowo na obrabiarkach CNC;
• obróbka przetłoczno-ścierna

ORBITOOL

Na ilustracji 2 przedstawiono narzędzia gratowniki ORBITOOL® dedykowane do gratowania krawędzi przenikających się powierzchni.

Ilustracja 2. Budowa okrawarek ORBITOOL®: a.) okrawarka półkolista podwójna b.) okrawarka półkolista pojedyncza; C – wysokość; E – długość trzonka; ØB – średnica dysku; ØD – średnica trzonka; ØA – średnica otworu; KSOT – kąt skrzyżowania się otworów.

XEBEC – Back Burr Cutter and Path™

Ilustracja 3 przedstawia narzędzia Back Burr Cutter and Path™ (dostępne w zakresie średnic od Ø0,8 do Ø5,8.) japońskiej firmy XEBEC.

Ilustracja 3. Przykładowe narzędzia Back Burr Cutter and Path™ firmy XEBEC (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Okrawarki XEBEC Back Burr Cutter and Path™ to wszechstronnymi narzędzia, które ze względu na kształty mogą obrabiać krawędzie otworu z każdej jego strony, a także krawędzie krzywoliniowe. Wykorzystanie tego typu narzędzi nie służy wyłącznie do gratowania. Okrawarki XEBEC Back Burr Cutter and Path™ to także precyzyjne narzędzia do obróbki wykańczającej (fazowanie lub wyoblenie krawędzi).

Ilustracja 4. Przykład obróbki narzędziami XEBEC Back Burr Cutter and Path™ (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Na ilustracji 5 przedstawiono przykład aplikacji okrawarek XEBEC Back Burr Cutter and Path™. Firma XEBEC dostarcza także aplikację do określania przebiegu ścieżki narzędzia.

Ilustracja 5. Przykład aplikacji XEBEC Back Burr Cutter and Path™ (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Zagadnienie gratowania na obrabiarkach CNC zaczyna być uwzględniane w systemach CAM. Przykładem jest system NX, którego nowa wersja będzie posiadała moduł gratowania, w tym gratowanie 5-osiowe (ilustracja 6).

Ilustracja 6. 5-osiowe gratowanie – system NX (grafika dzięki uprzejmości CAMdivision).

Szczotki przemysłowe

Ilustracja 7. Przykład przemysłowych szczotek ceramicznych firmy XEBEC (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Przemysłowe szczotki ceramiczne różnego rodzaju wykorzystują włókna ceramiczne lub nylon ścierny (w tym 50% węglika krzemu). Na ilustracji 7 pokazano przykłady przemysłowych szczotek ceramicznych firmy XEBEC (pierwsza od prawej szczotka typu kubełkowego, a druga od prawej to szczotka do skrzyżowanych otworów).

Firma XEBEC opracowała innowacyjne włoka ceramiczne, które stanowią podstawę do budowy ich szczotek przemysłowych.

W przypadku przemysłowej szczotki ceramicznej do skrzyżowanych otworów siła odśrodkowa wirującej szczotki powoduje rozłożenie włókien ceramicznych. Dzięki temu możliwe jest całkowite i precyzyjne usuwanie zadziorów, których grubość bazowa wynosi ok. 0,1 mm. Obróbka tymi szczotkami nie wpływa na średnice otworu. Przemysłowe szczotki ceramiczne umożliwiają także polerowanie powierzchni oraz do usuwanie warstw obcych na wewnętrznych powierzchniach ścianek cylindrów.

Na ilustracji 8 pokazano szczotkę czołową NAMPOWER firmy BRM (Brush Research Manufacturing z USA), która dedykowana jest do obróbki powierzchni, w tym niezbyt głębokich kieszeni. Szczotki NAMPOWER stosowane są przede wszystkich na obrabiarkach, w tym CNC.

Ta sama firma (BRM) oferuje również szczotki Flex-Hone (ilustracja 9). Przemysłowe szczotki Flex-Hone stosuje się w obróbce wykańczającej otworów (bardzo dobra gładkość i faktura powierzchni typu plateau) i niejako przy okazji do usuwania zadziorów z jednoczesnym wyobleniem krawędzi (ilustracja 10). Szczotki Flex-Hone to samocentrujące elastyczne i sprężyste narzędzia. Dużą zaletą szczotek Flex-Hone jest możliwość ich zastosowania w różnych maszynach technologicznych, w tym obrabiarkach CNC, tokarkach, frezarkach, wiertarkach, wiertarkach i wkrętarkach ręcznych. Szczotki te w maszynie technologicznej montuje się z zastosowaniem uchwytu wiertarskiego (ilustracja 10).

Ilustracja 8. Szczotka NAMPOWER firmy BRM (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Ilustracja 8. Szczotka Flex-Hone firmy BRM.

Ilustracja 9. Efekt obróbki z wykorzystaniem szczotki Flex-Hone (fot. dzięki uprzejmości S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.).

Ilustracja 10 przedstawia mocowanie szczotki Flex-Hone na obrabiarce CNC. W ramach pracy dyplomowej student ma za zadanie ocenę wpływu parametrów obróbkowych (liczba przejść, czas obróbki, prędkość obrotowa) na stan powierzchni obrobionej (chropowatość powierzchni). W wielu przypadkach obróbek niekonwencjonalnych (m.in. przepychanie oscylacyjne) brak jest dostępnych jednoznacznych zaleceń lub są one zbyt ogólne.

Ilustracja 10. Mocowanie przemysłowej szczotki Flex-Hone na pionowym centrum obróbkowym CNC.

Ścierne obróbki powierzchniowe

W warunkach przemysłowych oraz produkcji seryjnej, szczególnie w przypadku niedużych przedmiotów, sprawdza się ścierna obróbka powierzchniowa z wykorzystaniem wygładzarek odśrodkowych i wibratorów kołowe z medium ściernym. Obróbka powierzchni w wygładzarkach pojemnikowych określana jest mianem obróbki roto-wibracyjnej lub wibrościernej. W obróbce tej narzędziami są luźne kształtki z materiału ściernego (ilustracja 11). W trakcie obróbki następuje ścieranie, zgniatanie nierówności na powierzchniach obrabianych oraz usuwanie cienkich zadziorów (ilustracje 12 i 13).

Obrabiane przedmioty razem z kształtkami oraz roztworem płynów wspomagających stanowią wsad roboczy do pojemnika.

Obróbka polega na wzajemnych niczym nieskrępowanych ruchach komponentów wsadu roboczego w pojemniku wygładzarki. Przy czym jednocześnie występują pulsacyjne naciski pomiędzy stykającymi się komponentami wsadu roboczego. Obróbka z wykorzystaniem luźnych kształtek jest kinematycznie swobodna. Podczas obróbki mamy do czynienia z ciągłym kontaktem narzędzi pomiędzy sobą oraz z przedmiotami obrabianymi. Wzajemny styk narzędzi zapewnia zachowanie zdolności skrawnych w wyniku zjawiska samoostrzenia oraz samoczynnego oczyszczania się kształtek.

Obróbka pojemnikowa to nie tylko usuwanie zadziorów ale także oczyszczanie i wygładzanie, usuwanie śladów poprzedzających obróbek skrawaniem, nadawanie żądanego stopnia gładkości powierzchni oraz właściwości refleksyjnych.

Obróbka powierzchniowa wykorzystuje następujące procesy:

• ścieranie mechaniczne;
• mikroskrawanie;
• docieranie;
• reakcje chemiczne;
• odkształcenia plastyczne.

Ilustracja 11. Wnętrze pojemnika wygładzarki z kształtkami ściernymi – stoisko firmy ZMM AVALON Wojciech Gibuła podczas targów STOM 2019.

Ilustracja 12. Przykład obróbki powierzchniowej z użyciem wygładzarki. Przedmiot po cięciu laserem- stoisko firmy ZMM AVALON Wojciech Gibuła podczas targów STOM 2019.

Proces technologiczny

Gratowanie (usuwanie zadziorów) w procesie technologicznym powinno być zlokalizowane z uwzględnieniem etapu obróbki, późniejszych operacji technologicznych. W klasycznym podejściu do procesów technologicznych z wykorzystaniem obrabiarek konwencjonalnych gratowanie to przede wszystkim samodzielna operacja technologiczna. W ramowym procesie technologicznym części klasy tuleja i tarcza obróbka końcowa (wykańczająca otworu) stanowi przedostatnią operację technologiczną obróbki. Takie podejście było konieczne w przypadku występowania:

• rowków wpustowych i wielowypustów wewnątrz otworu;
• zewnętrznych rowków przecinających otwór głównych;
• otworów poprzecznych.

Nie bez znaczenia ma rodzaj obrabianego materiału i wykorzystane techniki wytwarzania.

Współczesne metody usuwania zadziorów umożliwiają przeprowadzanie względnie niskokosztowych zabiegów gratowania. Dziś zastosowanie szczotki Flex-Hone umożliwia nie tylko usunięcie zadziorów i wyoblenie krawędzi ale także obróbkę wykańczającą powierzchni otworu głównego. Dzięki temu można w niektórych przypadkach zmniejszyć liczbę operacji, a więc obniżyć koszty. Wykorzystanie obrabiarek CNC znacząco zmieniło przebieg procesów technologicznych, a rozwój narzędzi do gratowania poszerzył zdolności technologiczne i optymalizację procesów technologicznych.

Stwierdzenie konieczności zabiegów usuwania zadziorów, dobór metod gratowania to każdorazowo indywidualne zadanie dla technologa. Gratowanie to nie stereotypowa obróbka ręczna na stanowisku ślusarskim ale istotny zabieg technologicznych wpływający na przebieg samego procesu technologicznego jak i właściwości użytkowych wyrobu. Wszędzie tam gdzie w wyniku obróbki powstają przecinające się powierzchnie (krawędzie) należy rozważyć wdrożenie gratowania.

Źródła

• Materiały informacyjne firm: S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o., CAMdivision, ZMM AVALON Wojciech Gibuła
• Woźniak K., Wincenciak M., Zakres zastosowań obróbki powierzchni detali metalowych w wygładzarkach pojemnikowych, Obróbka Metalu Nr 3/2015