Odlewy mineralne w oprzyrządowanie technologicznym stanowią innowacje, która wywodzi się z konstrukcji obrabiarek (korpusy z polimerobetonu). Uchwyty obróbkowe mają za zadanie właściwe ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego (półfabrykatu) w celu odpowiedniego przeprowadzanie obróbki. Choć jest to oczywiste, niezwykle rzadko podkreślane jest znaczenie oprzyrządowania technologicznego.

We wpisie Ustalenie i zamocowanie na obrabiarce poruszano już zagadnienia oprzyrządowania technologicznego. W UOPN (Układ Obrabiarka, Przedmiot, Narzędzie) uchwyty obróbkowe należy zaliczać do obrabiarki.  Znacząco wpływają na dokładność obróbki (wymiary geometrycznych oraz chropowatość powierzchni). W ujęciu kosztowym oprzyrządowanie technologiczne waha się od 10 do 20% całościowo ujmowanych kosztów wytwarzania.

40% spośród wszystkich braków wynika z niewłaściwie zaprojektowanych uchwytów obróbkowych.

Szeroka wiedza technologiczna i konstrukcyjna wsparta doświadczeniem są niezbędne do odpowiedniego projektowania oprzyrządowania technologicznego. Projektowanie uchwytów obróbkowych jest procesem wieloczynnikowym.  Uwzględnienia się zarówno przeznaczenia (rodzaj obróbki, wymagania jakość obróbki), stosowane narzędzia. Możliwe jest określenie błędów obróbkowych wynikających z danej konstrukcji. Konstruowanie oprzyrządowania technologicznego należy do najtrudniejszych zadań konstrukcyjnych.

W czasach dominacji produkcji masowej, wielkoseryjnej i seryjna uchwyty obróbkowe projektowano jako konstrukcje specjalizowane lub specjalne do danej operacji technologicznej. Konstrukcje dedykowane umożliwiały pełniejsze wykorzystanie możliwości technologicznych z punktu widzenia dokładności obróbki. Współcześnie dominuje produkcja o charakterze małoseryjnym i jednostkowym. Dziś jedynie przemysł motoryzacyjny można uznać za produkcję masową. W ostatnich latach kastomizacja produktu (wielowariantowość, opcje) staje się istotnym czynnikiem wpływającym zarówno na konstrukcję wyrobów jak i ich wytwarzanie. W takich warunkach wokółprodukcyjnych projektowanie i wykorzystywanie specjalnych uchwytów obróbkowych wymaga odpowiedniego uzasadnienia technologicznego i ekonomicznego.

Uniwersalne uchwyty składane stanowią rozwiązanie w zakresie oprzyrządowania technologicznego, które cechują się rekonfigurowalnością, możliwością dopasowania do części różnych klas (m.in. tuleje, dźwignie, korpusy) i kształtów. Tego typu oprzyrządowanie wydaje się być idealnym dla potrzeb FMS (ang. Flexible Manufacturing System – Elastyczne Systemy Wytwarzania). Składane uchwyty obróbkowe pozwalają na istotne skrócenie czasu potrzebnego do uruchomienia produkcji. Korzystną cechą jest możliwość kontrolowania kosztów ze względu na konkretną ofertę w ramach składanych uchwytów obróbkowych (znaczna liczba dostępnych opcji konfiguracyjnych i niezbędnych do ich zestawienia zestandaryzowanych komponentów).

Uchwyty składane posiadają również ograniczenia. Liczba dostępnych komponentów w ramach składanych uchwytów obróbkowych nie jest w stanie zapewnić wszystkich potrzebnych kombinacji. Nieregularna, czy bardzo skomplikowana budowa przedmiotu obrabianego pomimo pewnej elastyczności dopasowania również nie może być w pełni zaspokoić potrzeb.

Takie cechy jak dokładności montażu komponentów, sztywność, stabilność, dopuszczalne obciążenia powodują, iż uniwersalne uchwyty składane nie zapewniają zawsze pożądanej dokładności obróbki.

W ramach elementów wchodzących w skład uniwersalnych uchwytów obróbkowych wyróżnia się:

• podstawy,
• elementy ustalające,
• elementy mocujące,
• elementy złączne,
• podzespoły.

Ilustracja 1. Przykład stalowego bloku – podstawy – firma Kipp.

W ramach uniwersalnych uchwytów składane podstawy posiadają siatkę (macierz) dokładnie rozstawionych otworów, które stosuje się zarówno do ustalania komponentów systemu oraz ich mocowania. Niektóre konstrukcje posiadają krzyżujące się rowki teowe. Stal chromowo-niklowa cechująca się podatnością na obróbkę plastyczną kuciem, dobrą skrawalnością stanowi podstawowy materiał do budowy bloków (podstaw). Twardości komponentów systemu wynoszą od 60 do 64 HRC. Wysoka twardość powierzchni użytkowych wydłuża okres trwałości poszczególnych elementów. Konstrukcje poszczególnych elementów uchwytów składanych ze względu na ich zastosowanie wymagają odpowiedniego wykonania poszczególnych komponentów (chropowatość powierzchni, dokładność geometryczna). Dotyczy to szczególnie elementów z otworami oraz rowkami teowymi (rozstaw otworów oraz rowków określono na 0,02 mm). Powierzchnie wykorzystywane do ustalania komponentów wykonane powinny być wykonane w 6 lub 7 klasie dokładności.

W ramach podstaw stosowane są m.in. bloki w kształcie graniastosłupa o podstawie kwadratu (ilustracja 1). W przypadku tego typu konstrukcji na dwóch lub na wszystkich czterech ścianach znajdują się otwory dla ustalania i mocowania komponentów systemu uchwytów składanych.

Postęp technologiczny nie omija oprzyrządowania technologicznego. Jednym z przykładów jest stosowanie nowych materiałów. Ilustracja 2 pokazuje blok w kształcie graniastosłupa o podstawie kwadratu wykonany jako odlew mineralny (dwuskładnikowy), produkcji firmy Kipp. Odlewy mineralne (polimerobeton) stosuje się w konstrukcjach obrabiarek na ich korpusy. Polimerobeton posiada bardzo korzystne cechy (mniejsza rozszerzalność cieplna, dobre tłumienie drgań).

Ilustracja 2. Kippblock jako odlew mineralny – dzięki uprzejmości firmy Kipp Polska Sp. z o.o.

Odlew mineralny dwuskładnikowy to materiał mineralny z żywicą epoksydową jako środkiem wiążącym. Zaletami tego typu konstrukcji są:

• obniżona masa bloku co oznacza obniżenie masy całego uchwytu obróbkowego (mniejsza niż tej samej konstrukcji uchwyt wykonany z aluminium);
• niska przewodność cieplna;
• odporność na korozję;
• zwiększona chemiczna odporność na oddziaływanie substancji agresywnych;
• zwiększona odporność na mechaniczne uszkodzenia;
• zwiększony o 30% okres trwałości narzędzi skrawających;
• korzystne właściwości tłumienia drgań (od 6 do 10 razy lepszy niż w przypadku żeliwa szarego).

Zmniejszona masa uchwytu obróbkowego istotnie wpływa na możliwości technologicznego, szczególnie w przypadku kiedy to stół roboczy wraz z uchwytem wykonuje ruchy robocze. Ma to znaczenie w przypadku obróbek szybkościowych. Niska przewodność cieplna umożliwia minimalizowanie wpływu odkształceń termicznych na dokładność obróbki. Niezwykle ważna jest zdolność tłumienia drgań co m.in. w obróbkach szybkościowych ma ogromne znaczenie.

Poniżej w tabeli 1 pokazano zestawienie właściwości różnych materiałów stosowanych w konstrukcjach obrabiarek i oprzyrządowania technologicznego.

Odlewy mineralne uzyskuje się na bazie cząstek nieorganicznych (m.in. bazalt, spodumen, popiół lotny, żwir rzeki, piasek, kreda), które połączone są żywicą (z reguły epoksydową). Stosunek wypełniacza do żywicy wynosi około 9:1. Odlewy mineralne, jak powyżej wspomniano, są stosowane już w przemyśle obrabiarkowym do budowy korpusów obrabiarek (polimerobeton). Niezależnie od typu żywicy stosunek wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie wynosi 9:1. Najważniejszą cechą odlewu mineralnego jest jego niższa gęstość, która jest 3 razy niższa w porównaniu z żeliwem. Pozwala na ich stosowanie na lekkie elementy konstrukcyjne.

Odlewy mineralne – ich własności mechaniczne zależą z temperatury.

Wytrzymałość na ściskanie maleje o połowę przy wzroście temperatury z 20ºC do 80ºC. Wartość wytrzymałości zmęczeniowej odlewu mineralnego, przy której nie ma żadnych uszkodzeń przedmiotu (graniczna liczba cyklów obciążenia) jest o 50% mniejsza niż w przypadku obciążeń statycznych. Przewodność cieplna odlewów mineralnych jest o rząd wielkości mniejsza niż żeliwa, a pojemność cieplna jest dwukrotnie większa, Rozszerzalność cieplna jest na zbliżonym poziomie. W tym obszarze odlewy mineralne pozwalające na tworzenie zamkniętych struktur o grubych ścianach cechują się lepszymi właściwościami tłumienia drgań.

Zastosowanie odlewów mineralnych w konstrukcji podstaw w ramach uniwersalnych uchwytów obróbkowych wydaje się naturalne i jak najbardziej właściwe.

1. Wang H., Rong Y., Li H., Shaun P., Computer aided fixture: Recent research and trends, Computer-Adided Design 42 (2010) str. 1085-1094
2. Feld M., Uchwyty obróbkowe, WNT 2002
3. Materiały handlowe firmy Kipp.
4. Kępczak N., Pawłowski W., Application of Mineral Casting for Machine Tools Beds, Mechanics and Mechanical Engineering Vol. 17, No. 4 (2013) str. 285–289
5. Erbe T., Król J., Theska R., Mineral Casting as Material for Machine Base-Frames of Precision Machines, FG Feinwerktechnik/ Precision Engineering Fakultät für Maschinenbau Technische Universität Ilmenau, Thuringia, Germany, 2008