Maszynoznawstwo wg [1] to dziedzina wiedzy technicznej zajmująca się teorią, konstrukcją, wytwarzaniem maszyn i urządzeń oraz części, z których zostały zbudowane. Maszynoznawstwo to nauka o budowie i zasadach działania maszyn. Dziedzinę tę można traktować jako swoistą encyklopedyczną wiedzę o ściśle określonych obiektach, czyli maszynach i współpracujących z nimi urządzeniach. Maszyny technologiczne, a przede wszystkim obrabiarki skrawające stanowią temat przewodni tego cyklu wykładów.

Ogólna definicja maszyny opisują ją jako urządzenie zawierające mechanizm lub zespół mechanizmów, które służą do przetwarzania energii albo do wykonywania określonej pracy mechanicznej [2]. Inna definicja [1] przedstawia maszynę, nieco bardziej precyzyjnie, jako urządzenie, które wykonuje użyteczną pracę dzięki dostarczonej energii lub dokonuje przetworzenia energii dostarczonej na inną. Dyrektywa UE nr 89/392/EWG określa maszynę jako powiązane ze sobą elementy, spośród których przy najmniej jeden ruchomy. Za jedną maszynę uznaje się również zespół pojedynczych maszyn wzajemnie sprzężonych (połączonych) w taki sposób, że działają jako całość.

W powyższych definicjach występuje słowo urządzenie. Zanim jednak przejdę do wyjaśnienia jak w maszynoznawstwie rozumie się urządzenie należy wyjaśnić pojęcie mechanizmu. Mechanizm to układ pojedynczych części maszyn połączonych (sprzężonych) ze sobą tak by mogły wykonywać określony ruch w konsekwencji działania dostarczonej energii (łańcuch kinematyczny). Zatem za urządzenie uznaje się rodzaj mechanizmu lub zespół części maszyn przeznaczony do realizacji określonych czynności lub zadań.

Z punktu widzenia technik wytwarzania i procesów technologicznych maszyny technologiczne dokonują przekształcenia surowce lub półwyroby w wyroby gotowe. Z punktu widzenia procesu technologicznego wyrób gotowy uzyskany na jednej maszynie technologicznej (np. obrabiarce skrawającej) może stanowić półwyrób dla kolejnej operacji technologicznej. Maszyny te należą do  najważniejszych środków produkcji stosowanych w przemyśle maszynowym. Na ilustracji 1 przedstawiono podział maszyn technologicznych [3].

Ilustracja 1. Schemat przedstawiający umowny podział maszyn technologicznych.

Jak pokazano na powyższej ilustracji 1 w ramach maszynoznawstwa wyróżnia się m.in. obrabiarki skrawające (ilustracja 2) i właśnie im poświęcam ten cykl wykładów w formie artykułów oraz filmów na kanale na YouTube.

Ilustracja 2. Obrabiarka skrawające CNC Harnaś – centrum obróbkowe z polskiej firmy AFM.

Obrabiarki skrawające – zalety i wady

Na ilustracjach 3 i 4 pokazano najpopularniejsze obrabiarki skrawające, odpowiednio, tokarkę i frezarkę. Przedstawiona tokarka (ilustracja 3) jest tokarką konwencjonalną, a na ilustracji 4 ukazano frezarskie centrum obróbkowe VTC-530C od Yamazaki MAZAK. Oprócz tak typowych obrabiarek wyróżnia się inne maszyny technologiczne do obróbki skrawaniem (np. dłutownice – ilustracja 5, przeciągarki, wiertarki). W ramach poszczególnych metod obróbki skrawaniem funkcjonuje wiele konstrukcji maszyn technologicznych.

Obrabiarki skrawające określane mianem obrabiarek to maszyny technologiczne, którą służą do nadawania kształtów przedmiotom za pomocą narzędzi skrawających. Żądany kształt przedmiotu obrabianego uzyskiwany jest w wyniku względnych ruchów narzędzi i przedmiotu obrabianego.

Ilustracja 3. Uniwersalna tokarka konwencjonalna z firmy TOP Poręba.

Ilustracja 4. Pionowe centrum obróbkowe CNC VTC-530C z firmy Yamazaki MAZAK.

Na tle maszyn odlewniczych i do obróbki plastycznej obrabiarki skrawające cechują się przede wszystkim możliwościami uzyskiwania wysoką dokładnością i gładkością powierzchni. Odlewy, czy odkuwki z reguły wykorzystywane są do wytwarzania półfabrykatów do dalszej obróbki w ramach produkcji seryjnej. Każda metoda i rodzaj obróbki skrawaniem cechuje się określonymi możliwościami w zakresie uzyskiwanych dokładności wymiarów geometrycznych i chropowatości powierzchni.

Do zalet obrabiarek skrawających można zaliczyć:

• obróbka przedmiotów o parametrach jakościowych (dokładność wymiarowo-kształtowa, chropowatość powierzchni) spełniających wymagania konstrukcyjne;
• obróbka powierzchni o złożonych kształtach w wyniku sprzężenia ruchu względnego narzędzia i przedmiotu.

Do wad obrabiarek skrawających zaliczamy:

• w wielu przypadkach zachodzi konieczność usunięcia znacznej objętości materiału z przedmiotu obrabianego;
• energochłonność procesu skrawania;
• mniejsza wydajność w porównaniu do odlewnictwa i obróbki plastycznej.

Co do wad, czy to faktycznie są wady? Skrawanie jako ubytkowa technika wytwarzania z racji swoich właściwości polega na usuwaniu materiału z przedmiotu obrabianego. W takim ujęciu konieczność usuwania dużej ilości materiału można uznać za niekorzystną cechę w kontekście obniżania kosztów i ochrony środowiska. Z kolei energochłonność odgrywa istotną rolę nie tylko w obróbce skrawaniem. W przypadku obróbki plastycznej na prasach energochłonność jest równie ważna jak nie ważniejsza. Wydajność obróbki skrawającej jest również dyskusyjna. Porównując skrawanie z takimi technikami jak odlewanie czy obróbka plastyczna to faktycznie uogólniając wydajność obróbki ubytkowej jest niższa. Kiedy jednak przeanalizujemy niektóre przykłady to mamy do czynienia z wydajnością 20, 30 szt./min. Rozpatrywanie czy coś jest zaletą, wadą czy cechą, szczególnie w maszynach technologicznych wymaga precyzyjnego określania kryteriów i kontekstu.

Układ funkcjonalny obrabiarki skrawającej (maszyny technologicznej)

Na ilustracji 5 przedstawiono schemat układu funkcjonalnego obrabiarki, który uwzględnia przepływ informacji, energii i materiałów w maszynie technologicznej.

Ilustracja 5. Schemat układu funkcjonalnego obrabiarki (przepływ danych, materiałów i energii).

Co wpływa na budowę maszyn technologiczny

Proces projektowy maszyny technologicznej wymaga uwzględnienia kilku czynników pokazanych na ilustracji 6. Pośród nich można wyróżnić m.in. czynniki jakościowe, a konkretnie stan techniki. To właśnie kwestie jakościowe postępu technologicznego mają bardzo istotny wpływ na to jaka jest budowa maszyny technologicznej. To, że dziś możemy mówić o obrabiarkach konwencjonalnych oraz CNC jest efektem postępu jakościowego. W ujęciu jakościowym duża znaczenie odgrywają m.in.  materiałoznawstwo, napędy, łożyskowanie, prowadnice, przekładnie.

Ilustracja 6. Czynniki wpływające na budowę maszyn technologicznych.

Natomiast w zasadzie niezmienne pozostają podstawy technologiczne, które są bezpośrednio związane z daną metodą określonej techniki wytwarzania – np. toczenie w obróbce skrawaniem. Nikt na nowo obróbki toczeniem nie wynajdzie. W ujęciu technologicznym zdefiniowane są takie aspekty jak ruchy kształtujące, ruchy pomocnicze oraz parametry obróbkowe różne dla różnych metod. Na ilustracji 7 przedstawiono klasyfikację ruchów zespołów w maszynach technologicznych używanych w ubytkowych technikach wytwarzania.

Ilustracja 7. Schemat klasyfikacji ruchów w maszynach technologicznych kształtujących metodami ubytkowymi.

Maszyny technologiczne, także w ich przypadku kwestie ekonomiczne odgrywają bardzo ważną rolę. Koszt środków produkcji wpływa na koszt produkcji, a więc na cenę usługi, produkty oraz silnie oddziałuje na konkurencyjność przedsiębiorstwa.  Niektóre obrabiarki projektowane są pod kątem pracy ciągłej, inne dla tzw. pracy przerywanej. Zatem to jaka obrabiarka zostanie wybrana zależy również od skali produkcji. Koszt samej maszyny technologicznej to jedno i wiele w tym zakresie zależy od jakościowych aspektów w obszarze stanu techniki. Planując pozyskanie nowej maszyny technologicznej nie można zapomnieć o kosztach eksploatacji. Wysoka bezawaryjność plus wsparcie serwisowe na wysokim poziomie to czynniki silnie wpływające na koszt zakupu ale jednocześnie przyczyniającej się do maksymalizacji stabilności procesu produkcyjnego.

Obrabiarka uniwersalna, specjalizowana czy specjalna

W zależności od przeznaczenia produkcyjnego maszyny technologiczne dzielimy na:

• Uniwersalne – tzw. ogólnego przeznaczenia, które cechują się zdolnością do realizacji wysoce zróżnicowanych zabiegów i operacji technologicznych. Obrabiarki uniwersalne znajdują zastosowanie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej.
• Specjalizowane (produkcyjnej), które z racji swojej budowy predysponowane są do produkcji seryjnej (ilustracja 8). Obrabiarki specjalizowane powinny cechować się wysoką wydajnością, większą sztywnością, większą dostępną mocą oraz uproszczoną obsługą.
• Specjalne, które charakteryzują się zawężonymi możliwościami technologicznymi co wynika z faktu, że mogą być dedykowane do określonego zabiegu lub operacji technologicznej w ramach ściśle określonej branży (np. tokarka do wałów korbowych, centra obróbkowe Liechti z GF Machining Solutions przeznaczone wyłącznie do obróbki łopatek).

Ilustracja 8. Specjalizowane (produkcyjne) tokarskie wielowrzecionowe centrum obróbkowe CNC Shimada HS4200.

Wydajność maszyn technologicznych

Niezależnie o jakiej konkretnie wydajności będzie się mówić zależy ona przede wszystkim od dwóch czynników, a mianowicie:

1. Parametry pracy maszyny, w tym parametry obróbkowe – m.in. prędkość przesuwu liniowego roboczego i szybkiego, liczba obrotów zespołu maszyny, czas wymiany narzędzia.
2. Czas postoju maszyny technologicznej – w normie technologicznej jest to czas przygotowawczo-zakończeniowe t_pz związany przede wszystkim z przezbrojeniem obrabiarki. Do czasów postoju maszyny zalicza się czas niezbędny na czynności naprawcze (naprawa awarii). W takim wypadku struktura maszyny powinna zapewniać jak najprostszą obsługę.

W ramach obróbki mechanicznej wyróżnia się następujące rodzaje wydajności:

• Wydajność jednostkową – jest to liczba sztuk obrobionych przedmiotów w jednostce czasu (min., godz., zmiana). Przykładem tu są wtryskarki, prasy, obrabiarki skrawające, szczególnie te specjalizowane.
• Wydajność objętościowa – jest to objętość lub masa przetworzonego w danej jednostce czasu materiału przedmiotu obrabianego. Wydajność objętościową wykorzystuje się w odlewnictwie oraz skrawaniu (szczególnie w przypadku obróbki wysokowydajnej – ang. HPM – High Performance Machining).
• Wydajność powierzchniowa – jest to pole obrobionej powierzchni w jednostce czasu (np. piaskowanie laserowe, szlifowanie, obróbka elektroerozyjna i elektrochemiczna).

Co wpływa na dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotu obrabianego

Obrabiarka z technologicznego punktu widzenia rozpatrywana jest jako układ obrabiarka, przedmiot, narzędzie (UOPN) i każdy z tych elementów ma wpływ na dokładności obróbki. Do czynników wpływających w obrabiarkach na dokładność wymiarowo-kształtową przedmiotu obrabianego zaliczamy:

• błędy geometryczne – poszczególne części, z których zbudowana jest obrabiarka wykonany jest w określonej tolerancji, a do tego dochodzi jeszcze jakość montażu maszyny technologicznej;
• błędy kinematyczne – ten rodzaj błędów szczególnie jest zauważalny w obrabiarkach konwencjonalnych, w których przeniesienie napędu następuje poprzez szereg przekładni mechanicznych;
• błędy termiczne – energia cieplna oddziałująca na korpusy obrabiarki powodując odkształcenia pochodzi od nagrzewających się napędów, w tym napędu głównego oraz z samego procesu skrawania;
• błędy wymuszone procesem obróbki;

Powyżej wymienione rodzaje błędów są charakterystyczne dla wszystkich rodzajów obrabiarek ze szczególnym podkreśleniem konwencjonalnych. Rodzaje błędów wymienione poniżej są typowe dla obrabiarek NC i CNC.

• błędy napędów i regulatorów – w połączeniu z innymi błędami przyczyniają się do sytuacji, w której konieczne jest indywidualne dopracowanie programu obróbkowego NC na każdej z kilku albo kilkunastu obrabiarkach CNC tego samego modelu;
• błędy układów pomiarowych – liniały pomiarowe jak każdy przyrząd metrologiczny i jak każde inne urządzenie wykonany z przyjętą dokładnością co ma wpływa m.in. na dokładność pozycjonowania.

W tabeli 1 przedstawiono przykładowe wartości dla wybranych błędów w UOPN.

Kolejny drugi wykład MASZT, wykład 2. Kształtowanie powierzchni poświęcony jest podstawom metod kształtowania powierzchni w obróbce skrawaniem.

Źródła

1. Biały W., Podstawy maszynoznawstwa, WNT (PWN) 2017
2. Szymczak M. (red. naukowy), Słownik języka polskiego, PWN 1988
3. Chrzanowski J., materiały edukacyjne – WMT PW 2001-2021

Grafika

Na ilustracji 5 wykorzystano dwie ikony symbolizujące operatora oraz robot przemysłowy:

• Construction worker icons created by Freepik – Flaticon
• Robot arm icons created by Freepik – Flaticon