Kształtowanie powierzchni w obróbce ubytkowej, jako technice wytwarzania, stanowi temat przewodni drugiego wykładu o maszynach technologicznych. Obróbka skrawaniem polega na usuwaniu nadmiaru materiału, tzw. naddatku obróbkowego. Dobór naddatku obróbkowego uzależniony jest od metody jaką wytworzony zostanie półfabrykat (półwyrób), rodzaju materiału, a także wymaganych dokładności wymiarów geometrycznych oraz chropowatości powierzchni. Nie bez znaczenia jest sama metoda obróbki skrawaniem, gdyż każda cechuje się określonymi możliwymi do uzyskania dokładnościami oraz chropowatościami powierzchni obrobionej. Nawet zestawiając ze sobą frezowanie oraz obróbkę szybkościową, również frezowanie, mamy do czynienia z istotnie odmiennymi parametrami obróbkowymi. W przypadku obróbki szybkościowej (ang. HSM – High Speed Machining) stosujemy bardzo małe naddatki obróbkowej przy jednoczesnym zachowaniu bardzo wysokich posuwów roboczych oraz prędkości obrotowej wrzeciona. W obróbce skrawaniem wyróżniamy trzy główne sposoby kształtowania powierzchni (ilustracja 1):

1. obróbka kształtowa (ilustracja 2);
2. obróbka punktowa (ilustracja 3);
3. obróbka obwiedniowa (ilustracja 4).

Na ilustracji 2 przedstawiono przykład obróbki kształtowej – uzębienie wewnętrzne wykonane za pomocą dłutowania dłutem kształtowym.

Ilustracja 2. Przykład dłutowania kształtowego narzędziami firmy REVTOOLS – S.T.M Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.

Toczenie jest typowym przykładem obróbki punktowej. Ilustracja 3 pokazuje przykład toczenia wzdłużnego. W przypadku tokarskich centrów obróbkowych nóż może obrabiać określony kształt realizując ruch po ścieżce względem przedmiotu obrabianego.

Ilustracja 3. Toczenie wzdłużne na tokarce konwencjonalnej nożem tokarskim.

Obróbki obwiedniowe stanowią najbardziej złożone pod kątem kinematycznym metody skrawania. Wykorzystywane są przede wszystkim do obróbki kół zębatych. Na zdjęciu 4 przedstawiono przykład obróbki obwiedniowej jedną z metod firmy GLEASON. W obróbce obwiedniowej zarówno narzędzie (np. frez ślimakowy) jak i przedmiot obrabiany wykonują ruchy robocze składające się na względny ruch między nimi – frez ślimakowy, dłuto względem półfabrykatu.

Ilustracja 4. Zdjęcie dzięki uprzejmości firmy GLEASON. Przykład obróbki obwiedniowej uzębienia.

Podział na równe części

Wielokrotnie zabiegi w ramach operacji technologicznej wymagają realizacji podziału na równe części (patrz również Ustalenie kątowe w procesie technologicznym). Podział na równe części przy obróbkach na obrabiarkach konwencjonalnych wymaga stosowania dedykowanych mechanizmów – podzielnic. Na ilustracjach 5, 6 i 7 przedstawiono przykłady uniwersalnych podzielnic tarczowych, które stosowane są na frezarkach. Tak jak obrabiarki konwencjonalne nie zapewniają bezstopniowej zmiany wartości prędkości napędu głównego i posuwu roboczego tak i podzielnice nie są w stanie zapewnić tego samego. Podzielnica uniwersalna posiada najczęściej trzy wymienne tarcze z otworami wykonanymi na współśrodkowych okręgach. Każda z tarcz posiada określoną, różną liczbę otworów. Przy obracaniu za pomocą korbki ruch wałka przenoszony jest na wrzeciono podzielnicy poprzez przekładnię ślimakową. Taki podział określamy mianem podziału pośredniego. Podział obwodu koła na równe części można zrealizować jako dzielenie zwykłe lub jako dzielenie różnicowe.

Ilustracja 5. Uniwersalna podzielnica tarczowa.

Ilustracja 6. Uniwersalna podzielnica tarczowa.

Ilustracja 7. Uniwersalna podzielnica tarczowa.

W przypadku obróbki na obrabiarkach CNC podział na równe części polega na odpowiednim opracowaniu programu obróbkowego NC z wykorzystaniem zdolności dokładnego śledzenia względnego położenia między narzędziem a przedmiotem obrabianym.

Klasyfikacja metod kształtowania powierzchni – I i II linia charakterystyczna

Na ilustracji 8 pokazano przykłady powierzchni obrabianych jako zbiór linii charakterystycznych. Linie charakterystyczne I i II tworzone są przez krawędź skrawającą narzędzia: I – tworząca (przesuwana po) i II – tzw. kierownica (nieruchoma). W tabeli 1 przedstawiono przykłady obróbek w zależności od sposobów tworzenia linii charakterystycznych przez krawędź skrawającą narzędzia. Wyróżnia się dwa przypadki, pierwszy – sposób ciągły i drugi – ślad przerywany.

Ilustracja 8. Przykłady przebiegu linii charakterystycznych I i II – a.) toczenie; b.) obróbka obwiedniowa; c.) toczenie stożka.

Metody obróbkowe

Jeżeli za kryterium przyjmiemy sposoby realizacji I i II linii charakterystycznej przez zespoły robocze obrabiarki wyróżniamy następujące metody obróbkowe:

• metoda geometryczna;
• metoda ruchów prostych;
• metoda kopiowa;
• metoda kinematyczna;
• metoda numeryczna.

Metody geometryczne

W metodach geometrycznych tory ruchów punktów odtwarzających linie charakterystyczne powierzchni obrabianych są określane jednoznacznie przez kształt i wzajemne położenie prowadnic, łożysk tych zespołów roboczych obrabiarki lub określonego przyrządu obróbkowego, które odpowiadają za tor ruchu głównego i posuwowego narzędzia i przedmiotu obrabianego. W przypadku toczenia wzdłużnego i poprzecznego, a także strugania i dłutowania mamy do czynienia z metodami ruchów prostych.

Metody kopiowe

Kształtowanie za pomocą metody kopiowych umożliwiają odtworzenie na przedmiocie obrabianym jednej linii charakterystycznej (przeważnie II linii charakterystycznej, jedynie bardzo rzadko obydwóch – ilustracja 5). Na przedmiocie obrabianym odtwarzana jest powierzchnia z analogicznego zarysu wzorcowego (wzornika) – w skali 1:1 lub w innej, określonej skali.

Metody kinematyczne

Kształtowanie powierzchni opisanych II linią charakterystyczną innych niż opisanych za pomocą prostych lub okręgów wymaga zastosowania metod kinematycznych. II linia charakterystyczna powstaje poprzez dokładne złożenie dwóch lub więcej elementarnych ruchów (prostoliniowych, obrotowych).  Ruchy elementarne są powiązane na podstawie określonej zależności matematycznej, która realizowana jest z wykorzystaniem sprzężeń kinematycznych (łańcuchy kinematyczne, mechanizmy, serwonapędy). Na ilustracji 9 pokazano uproszczony schemat łańcucha kinematycznego

Przykłady:

• obróbka krzywek (spirala Archimedesa – II linia charakterystyczna) z wykorzystaniem frezowania, toczenia, szlifowania;
• obróbka gwintu (linia śrubowa jako II linia charakterystyczna) – toczenie na tokarce kłowej, pociągowej, frezowanie, szlifowanie.

Ilustracja 9. Uproszczony schemat kinematyczny tokarki.

Metody numeryczne

Metody numeryczne podobnie jak metody kinematyczne wykorzystują złożenie ruchów elementarnych do kształtowania powierzchni obrabianych (II linii charakterystycznej). Jednak w odróżnieniu od metod kinematycznych w metodach numerycznych stosuje się numeryczne sterowanie składowymi ruchami kształtowania. Poszczególne elementarne ruchy kształtowania realizowane są jednocześnie przez określone zespoły robocze maszyny technologicznej. Łańcuch kinematyczny zastąpiony zastąpiony jest układem sterowania numerycznego. Wykorzystanie w obrabiarkach konwencjonalnych łańcuchów kinematycznych mechanizmów i przekładni powoduje, że w zakresie prędkości obrotowych napędu głównego, posuwów roboczych mamy określone wartości z szeregu R20 lub R40 w określonym zakresie. W przypadku sterowania numerycznego mamy bezstopniową zmianę wartości parametrów obróbkowych.

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