Bardzo popularnym przedmiotem w procesie edukacji technologicznej jest wałek. Wyróżnia się samodzielną klasę wałków jako klasę części w kontekście technologicznym. Części tej klasy są bardzo powszechnie stosowanymi komponentami. Wałki należą do najprostszych technologicznie przedmiotów do obróbki. Ramowe procesy technologiczne części klasy wałków przedstawiłem w artykule pt. Wałki – ramowe procesy technologiczne. W innym artykule/wpisie, a mianowicie Toczenie powierzchni walcowych – wałki przedstawiłem zagadnienia związane z obróbką skrawaniem (toczeniem) walcowych powierzchni zewnętrznych. Technologia wałków stanowi temat cyklu tego i kolejnych kilku artykułów, w których przedstawiony będzie przykładowy wielowariantowy proces technologiczny opisanego poniżej wałka (ilustracja 2).

Technologia wałków to przede wszystkim  operacje toczenia i szlifowania [1]. Mniejszy udział mają takie operacje jak obróbka rowków wpustowych i wielowypustów, a także wykonywanie gwintów oraz otworów poprzecznych. Podczas targów TOOLEX 2018 miałem okazję zobaczyć specjalne narzędzia do obróbki obwiedniowej wałów na fragmencie powierzchni współpracującej z uszczelnieniem (ilustracja 1).

Ilustracja 1. Specjalne narzędzia do obwiedniowej obróki wałów – EMAG – targi TOOLEX 2018.

Wał wykonuje ruch obrotowy, a narzędzi swój ruch. Efektem jest powierzchnia, która nie ma charakterystycznego spiralnego śladu narzędzia (toczenie). Dzięki temu uszczelnienie uzyskuje znacznie większą efektywność. Narzędzia (noże) zostały opracowane w odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysłu samochodowego.

Projekt wałka

Na ilustracji 2 przedstawiono rysunek, szkic techniczny konstrukcyjny wałka, którego wielowariantowy proces technologiczny jest przedmiotem tego i kolejnych kilku artykułów. Wałek ma być wykonany ze stali konstrukcyjnej. Technologia wałków cechuje się swoistą prostotą oraz możliwością wariantowania procesu technologicznego.

Ilustracja 2. Rysunek techniczny konstrukcyjny wybranego wałka.

Półfabrykat

Dobór półfabrykatu zależy od zastosowanego materiału. W przypadku przyjętej stali konstrukcyjnej należy zauważyć, że konieczne jest precyzyjne określenie gatunku. Wynika to z faktu, iż w ramach kategoryzacji stali konstrukcyjnych można wyróżnić następujące rodzaje:

• stal ogólnego przeznaczenia (konstrukcje i części maszyn),
• stal konstrukcyjna wyższej jakości (ma niski poziom zanieczyszczeń; dedykowana dla obróbki cieplnej),
• stal konstrukcyjna niskostopowa (zawiera maksymalnie do 0,22% węgla; wykorzystywana do budowy mostów, wagonów kolejowych, masztów),
• stal do nawęglania (po obróbce cieplno-chemicznej cechuje się dużą twardością powierzchni i ciągliwością),
• stal do azotowania (po obróbce cieplno-chemicznej cechuje się wysoką odpornością na ścieranie),
• stal do ulepszania cieplnego  (części maszyn),
• stal sprężynowa (zwiększona zawartość krzemu i zgodnie z nazwą jest używana do produkcji sprężyn, resorów),
• stal automatowa (dodatek dodatek siarki do 0,35% i fosforu do 0,15%; śruby, podkładki, nakrętki itp.),
• stal na łożyska toczne (wymagana precyzyjna kontrola składu, produkowana w ścisłym reżimie technologicznym).

Oznaczenie stali składa się z litery i trzycyfrowej liczby (minimalna granica plastyczności R_e [MPa] lub minimalna wytrzymałość na rozciąganie R_m [MPa] dla stali na szyny R i na struny sprężające Y). Po części liczbowej mogą występować litery. W przypadku stali konstrukcyjnych stosuje się literę S. Przedstawiony na ilustracji 1 wałek jest wykonany ze stali S235J2G3, która m.in. jest dedykowana dla:

• wykonywania z niej konstrukcji spawanych w budowie maszyn i budownictwie stalowym;
• dźwigni;
• trzpienie;
• osi;
• wałów poddawanych niewielkiemu obciążeniu;

Wracając do oznaczenia przyjętej stali konstrukcyjnej S235J2G3 to oznaczenie J2 oznacza w jakiej temperaturze (tu -20°C) następuje udarowe złamanie próbki (praca łamania KV=27 [J] – karb typu V). G wraz z cyfrą to stan stali (1 – stal nieuspokojona, 2- stal uspokojona, 3 – stal normalizowana, 4 – stan określany przez wytwórcę). Według danych Konsorcjum Stali S.A. dostępne są pręty okrągłe gładkie o średnicy ø70±1 – masa 1 mb wynosi 30,2 kg. Standardowa długość pręta waha się od 3000 do 6200 z tolerancją ±100. W zależności od wielkości produkcji tego typu informacja pozwala na oszacowanie niezbędnej masy prętów, a zatem i kosztów zakupu materiału.

Proces doboru materiału wymaga dokładnie tej samej postawy od technologa jak od  konstruktora w kontekście technologii wykonania. Rynek stali oferuje określony asortyment pomimo pozornie szerokiego możliwego asortymentu. Szczególnie w początkowym okresie projektowania konieczne jest dokonywanie analizy dostępności materiałów jeszcze na etapie projektowania. Umożliwi to szybsze wdrożenie do produkcji.

Proces technologiczny

Technologia wałków by była przedstawiona w najlepszy sposób wymaga by podstawowy proces technologiczny wałka został opracowany z wykorzystaniem konwencjonalnych obrabiarek (zalety edukacyjne). Takie podejście, jak wielokrotnie wspominałem, umożliwia przedstawienie pełni technologicznych zależności. Podstawowy proces technologiczny składa się z 6. głównych operacji technologicznych, uwzględniając w tym operację kontroli technicznej ostatecznej oraz operację mycia, konserwacji i pakowania.

W przypadku zastosowania centrów tokarskich CNC z opcją frezowania to liczba operacji technologicznych ulegnie zmniejszeniu.

Następny artykuł: Technologia wałków – proces technologiczny – operacja 10

Źródła

1. Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych części maszyn, WNT 2000
2. Puff T., technologia budowy maszyn, PWN 1985
3. dr inż. Maciej Horczyczak – wiedza i konsultacje
4. Materiały informacyjne firmy POLMET
5. Materiały informacyjne firmy ZWCAD
6. Materiały informacyjne firmy AKROSTAL
7. Materiały informacyjne firmy PS LOGISTYKA
8. Materiały informacyjne firmy Cognor S.A. oddział HSJ w Stalowej Woli