/lab1.djvu

			Politechnika Lubelska 


Kazimierz Zaleski 
Marian Łozak 


Laboratorium obróbki wiórowej, 
, . . . .. 
SClernej l erozYjnej 


Lublin 1998 



OPINIODAWCA: 
Prof.dr hab. inż. Eugeniusz Górski 


Wydano za zgodą Rektora Politechniki Lubelskiej 


ISBN 83-87270-24-5 


@ Copyright by Politechnika Lubelska 1998 


WYDAWNICTWO POLITECHNIKI LUBELSKIEJ 
ul. Bernardyńska 13, 20-950 LUblin 


Nakład 300 egz., Ark. wyd. 5,48. 


Druk i oprawa: Drukarnia Politechniki Lubelskiej 
ul. Bernardyńska 13, 20-950 Lublin 



Spis treści 


Przedmowa........................................................................................................... 5 
l. Badania odkształceń plastycznych w obszarze skrawania 
(oprac. K. Zaleski)......................................................................................... 7 
2. Pomiar sił skrawania przy toczeniu (oprac. M. Lozak)...............................13 
3. Badania wpływu parametrów technologicznych na opory skrawania 
przy wierceniu (oprac. K. Zaleski).............................................................. 23 
4. Badanie ciepła skrawania metodą kalorymetryczną 
(oprac. M. Lozak) ...................... ...... ............................................................ 31 
,,5. Badanie temperatury skrawania metodą naturalnego termoelementu 
(oprac. K. Zaleski)....................................................................................... 39 
6. Badania trwałości ostrza narzędzi punktowych (oprac. K. Zaleski)........... 47 
7. Obróbka materiałów trudno skrawalnych (oprac. K. Zaleski) .................... 59 
8. Badanie zużycia ściernic (oprac. K. Zaleski) .............................................. 67 
9. Pomiar sił występujących w procesie szlifowania taśmami ściernymi 
(oprac. K. Zaleski)............ .......... ............. .................................................... 75 
10. Technologia drążenia elektroerozyjnego (oprac. K. Zaleski) ..................... 83 
Literatura............................................................................................................93 



Spis treści 


Przedmowa........................................................................................................... 5 
l. Badania odkształceń plastycznych w obszarze skrawania 
(oprac. K. Zaleski)......................................................................................... 7 
2. Pomiar sił skrawania przy toczeniu (oprac. M. Lozak)...............................13 
3. Badania wpływu parametrów technologicznych na opory skrawania 
przy wierceniu (oprac. K. Zaleski).............................................................. 23 
4. Badanie ciepła skrawania metodą kalorymetryczną 
(oprac. M. Lozak) ...................... ...... ............................................................ 31 
,,5. Badanie temperatury skrawania metodą naturalnego termoelementu 
(oprac. K. Zaleski)....................................................................................... 39 
6. Badania trwałości ostrza narzędzi punktowych (oprac. K. Zaleski)........... 47 
7. Obróbka materiałów trudno skrawalnych (oprac. K. Zaleski) .................... 59 
8. Badanie zużycia ściernic (oprac. K. Zaleski) .............................................. 67 
9. Pomiar sił występujących w procesie szlifowania taśmami ściernymi 
(oprac. K. Zaleski)............ .......... ............. .................................................... 75 
10. Technologia drążenia elektroerozyjnego (oprac. K. Zaleski) ..................... 83 
Literatura............................................................................................................93 



PRZEDMOWA 


Skrypt przeznaczony jest dla studentów kierunku Mechanika i Budowa 
Maszyn, specjalizujących się w technologii maszyn, jako pomoc dydaktyczna 
do ćwiczeń laboratoryjnych z obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. Może być 
on przydatny również dla studentów innych specjalności, interesujących się 
wytwarzaniem elementów maszyn. 
Zadania dla studentów odrabiających poszczególne ćwiczenia zostały tak 
opracowane, aby można było je wykonać na stanowiskach laboratoryjnych 
znajdujących się w Katedrze Obróbki Ubytkowej Politechniki Lubelskiej. 
Opisy wykonania ćwiczeń poprzedzone zostały wiadomościami ogólnymi, 
które ułatwiają studentom przygotowanie się do zajęć (ćwiczenia laboratoryjne 
prowadzone są w tym samym semestrze co wykłady). 



PRZEDMOWA 


Skrypt przeznaczony jest dla studentów kierunku Mechanika i Budowa 
Maszyn, specjalizujących się w technologii maszyn, jako pomoc dydaktyczna 
do ćwiczeń laboratoryjnych z obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. Może być 
on przydatny również dla studentów innych specjalności, interesujących się 
wytwarzaniem elementów maszyn. 
Zadania dla studentów odrabiających poszczególne ćwiczenia zostały tak 
opracowane, aby można było je wykonać na stanowiskach laboratoryjnych 
znajdujących się w Katedrze Obróbki Ubytkowej Politechniki Lubelskiej. 
Opisy wykonania ćwiczeń poprzedzone zostały wiadomościami ogólnymi, 
które ułatwiają studentom przygotowanie się do zajęć (ćwiczenia laboratoryjne 
prowadzone są w tym samym semestrze co wykłady). 



Ćwiczenie 1 


BADANIA ODKSZTAŁCEŃ PLASTYCZNYCH 
W OBSZARZE SKRAWANIA 


1.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami wyznaczania współczyn- 
nika spęczenia wióra i kąta pochylenia umownej płaszczyzny ścinania oraz 
sposobami badań rozkładu mikrotwardości materiału w obszarze skrawania. 


1.2. Wiadomości ogólne 


Oddzielaniu warstwy skrawanej i przekształcaniu jej w wiór towarzyszą 
odkształcenia sprężyste i plastyczne skrawanego materiału, wzrost temperatury 
w obszarze skrawania, tarcie zewnętrzne i wewnętrzne, spęczanie i utwardzanie 
wióra, zmiany twardości warstwy wierzchniej obrabianego przedmiotu, wystę- 
powanie narostu na ostrzu narzędzia itp. Odkształcenia plastyczne w obszarze 
powstawania wióra wygodniej jest rozpatrywać w przypadku skrawania swo- 
bodnego, tzn. takiego skrawania, w którym udział bierze tylko główna krawędź 
skrawająca a szerokość warstwy skrawanej jest znacznie większa od jej grubo- 
ści. Jeżeli skrawanie swobodne prowadzone jest przy kącie przystawienia Kc = 
90° i kącie pochylenia As = O, to skrawanie takie nazywane jest swobodnym 
prostokątnym (ortogonalnym). 


1.2.1. Metody badań obszaru powstawania wióra 


Do ważniejszych metod badań doświadczalnych zmian zachodzących 
w obszarze powstawania wióra należy zaliczyć: 
1. Metodę obserwacji bezpośredniej, polegającą na obserwacji powierzchni 
bocznej swobodnie skrawanych próbek. Powierzchnie te poleruje się lub 
nanosi się na nie równomierną siatkę. W pierwszym przypadku odkształce- 
nia uwidaczniają się w postaci zmatowień , w drugim - poprzez zmianę 
ksztahu kwadratów siatki. 


7 



2. Metodę filmowania powierzchni bocznej swobodnie skrawanej próbki 
(z naniesioną siatką). 
3. Metodę metalograficzną, polegającą na obserwacji pod mikroskopem zgła- 
du metalograficznego próbki "obszaru skrawania" (nasady wióra i przyle- 
gającego do niej materiału obrabianego) uzyskanej w wyniku gwahownego 
przerwania procesu skrawania. 
4. Metodę badania rozkładu mikrotwardości w "obszarze skrawania". 
5. Metodę elastooptyczną, opartą na badaniu w świetle spolaryzowanym na- 
prężeń w skrawanym modelu. Ograniczeniem tej metody są różne właści- 
wości materiałów stosowanych na modele elastooptyczne i materiałów naj- 
częściej obrabianych skrawaniem. 


1.2.2. Strefy w obszarze powstawania wióra 


Obszar materiału obrabianego znajdujący się pod wpływem ostrza skra- 
wającego można podzielić na strefy (rys. 1.1): 


Rys.l.l. Strefy materiału obrabianego odkształconego plastycznie pod wpływem 
działania ostrza [21] 


strefa I obejmuje materiał ograniczony linią początkowych odkształceń 
plastycznych OP i umowną płaszczyzną ścinania P sh ; W płaszczyźnie P sh , 
pochylonej pod kątem ścinania  zależnością: 


A 
ctg«1> = h tgy" 
cosy" 


(1.4) 


gdzie: Yn - kąt natarcia. 


9 


L- 



1.2.4. Mikrotwardość materiału w obszarze skrawania 


Na podstawie rozkładu mikrotwardości wióra i warstwy wierzchniej moż- 
na sądzić o wytężeniu materiału podczas skrawania. Aby przeprowadzić pomia- 
ry mikrotwardości w obszarze skrawania należy wykonać próbkę charaktery- 
zującą się tym, iż wiór jest połączony z materiałem obrabianym. Do tego celu 
wykorzystuje się urządzenia umożliwiające gwahowne przerwanie procesu 
skrawania. Następnie próbkę taką inkluduje się w żywicy i wykonuje zgład 
metalograficzny. Zgłady te powinny być polerowane elektrolitycznie, 
gdyż polerowanie mechaniczne powoduje utworzenie warstwy wierzchniej 
zgładu, co wpływa na wyniki pomiarów mikrotwardości. 
Mikrotwardość mierzy się różnymi sposobami, które różnią się głównie 
ksztahem penetratora. Najczęściej stosowane są metody Vickersa (penetrator 
w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratowej) i Knoopa (penetrator 
w kształcie ostrosłupa o podstawie rombowej). 


1.2.5. Pomiary mikrotwardości metodą Vickersa 


Pomiar mikrotwardości metodą Vickersa polega na tym, że w badany ma- 
teriał wciskany jest diamentowy penetrator w kształcie ostrosłupa o kącie 
wierzchołkowym 136° z określoną siłą F
9,8N (rys. 1.2). Czas działania obcią- 
żenia powinien wynosić 15 sekund. Po dokonaniu odcisku mierzy się wartość 
jego przekątnej. 


! F
g.8N 
ol= 136 


Rys. 1.2. Pomiar mikrotwardości sposobem Vickersa [7]. 


10 



Wartość mikrotwardości HV oblicza się jako stosunek siły obciążającej 
penetrator do pola powierzchni bocznej odcisku (zakłada się, że kąty odcisku są 
równe kątom penetratora). Wzór na obliczanie mikrotwardości ma postać [7]: 


, F 
HV = 0,189 2 
d 


(1.5) 


gdzie: F[N] - siła obciążająca penetrator, 
d[ mm] - przekątna odcisku. 


1.3. Pytania kontrolne 


W oparciu o wiadomości zawarte w punkcie 1.2 oraz literaturę [4, 7, 9, 
11,21] należy przygotować się do omówienia następujących zagadnień: 
l. Skrawanie swobodne i nieswobodne. 
2. Metody badań obszaru tworzenia się wióra. 
3. Odkształcenia plastyczne w obszarze tworzenia się wióra. 
4. Zjawisko narostu. 
5. Definicja współczynnika spęczenia wióra. 
6. Metody pomiaru współczynnika spęczenia wióra. 
7. Wpływ warunków technologicznych obróbki na współczynnik spęczenia 
wióra. 
8. Związki między współczynnikiem spęczenia wióra a kątem ścinania. 
9. Przygotowanie próbek do badań mikrotwardości obszaru powstawania 
wióra. 
10. Metody pomiaru mikrotwardości. 


1.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a. Tokarka kłowa uniwersalna. 
b. Wałki z różnych materiałów. 
c. Noże tokarskie o różnej geometrii. 
d. Kątomierz KN3. 
e. Waga laboratoryjna. 
f. Próbki do pomiaru mikrotwardości obszaru skrawania. 
g. Mikrotwardościomierz PMT3. 


11 



1.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Przeprowadzić próby toczenia wybranych materiałów (głębokość skrawania 
a p , posuw f oraz prędkość skrawania V c poda prowadzący ćwiczenia), gro- 
madząc wióry z poszczególnych prób. 
2. Zmierzyć kąty przystawienia i natarcia noży użytych do badań. 
3. Zważyć i zmierzyć długość zebranych wiórów (po 5 dla każdej próby). 
4. Obliczyć masę warstwy skrawanej o długości równej długości poszczegól- 
nych wiórów. 
5. Obliczyć współczynnik spęczenia wióra według wzoru (1.3). 
6. Obliczyć kąt pochylenia umownej płaszczyzny ścinania według zależności 
(l.4). 
7. Zmierzyć mikrotwardość materiału w obszarze powstawania wióra zgodnie 
ze schematem pokazanym na rys. 1.3 (kółeczkami zaznaczono miejsca, 
w których należy dokonać pomiarów). 
8. Opracować sprawozdanie, które powinno zawierać: 
wyniki pomiarów i obliczeń, 
wykresy współczynnika spęczenia wióra Ah oraz kąta pochylenia 
umownej płaszczyzny ścinania cI> w funkcji posuwu f, prędkości skrawa- 
nia v c, kąta natarcia Yo oraz kąta przystawienia K" 
szkic przedstawiający rozkład mikrotwardości w obszarze powstawania 
wióra, 
uwagi i wnioski. 


II 


U'I 
o 


e 


c 


b c o CI c 


o o 


d 


o o 


o o c c o 


U'I 
o 
o' 


0 0 00010 0 


86'21357 


Rys. 1.3. Schemat pomiarów mikrotwardości w obszarze powstawania wióra. 


12 



Ćwiczenie 2 


POMIAR SIŁ SKRAWANIA PRZY TOCZENIU 


2.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą pomiaru sił skrawania podczas 
toczenia za pomocą siłomierza elektrooporowego. 


2.2. Wiadomości ogólne 


2.2.1. Podstawy teoretyczne 


Aby zaistniał proces skrawania, konieczne jest wywarcie odpowiednio 
dużej siły do ostrza narzędzia dla pokonania oporów odkształceń sprężystych, 
plastycznych i oporów tarcia materiału skrawanego. Siłę taką nazywamy siłą 
skrawania. Wypadkowa siła skrawania F jest równa co do wartości i zgodna 
co do kierunku działania, lecz o zwrocie przeciwnym wypadkowemu oporowi 
materiału skrawanego. 
Przy toczeniu wypadkową siłę skrawania F (opór skrawania) można rozło- 
żyć na trzy siły składowe działające w kierunku trzech osi współrzędnych ukła- 
du prostokątnego (rys. 2.1). 


Rys. 2.1. Rozkład wypadkowej siły skrawania przy toczeniu 


13 



Składowe siły noszą nazwy: 
Fe - główna siła skrawania, działająca w kierunku zgodnym z wektorem 
prędkości ruchu głównego V e ; 
F f - siła posuwowa, działająca w kierunku zgodnym z wektorem ruchu posu- 
wowego; 
Fp - siła odporowa, działająca w kierunku prostopadłym do powierzchni ob- 
robionej. 
Największą składową siłą skrawania przy toczeniu jest siła Fe . Przy przecięt- 
nych warunkach skrawania pozostałe siły skrawania można określić w przybli- 
żeniu z następujących zależności: 
przy toczeniu stali: 
Fp = (0,4 - 0,6) Fe; F f = (0,2 - 0,4) Fe (2.1) 
przy toczeniu żeliwa: 
Fp = (0,3 - 0,6) Fe; F f = (0,1 - 0,4) Fe (2.2) 


Poniżej podane są wzory empiryczne do obliczania sił skrawania łącznie 
ze współczynnikami poprawkowymi: 


główna siła skrawania: 
Fe = CFea;Fe IUFe KmeKKrKreKJCKee[N] 
siła posuwowa: 
Ff =CFfae;f luFf KmfK1ifKifKpKcf[N] 
siła odporowa: 
Fp = C Fpae;P luFf K mp K1 
OJ 


T, 


T2 T3 T4 


Ts 


Tcs czas t 


Rys.6.2. Krzywe zużycia ostrza dla różnych wartości badanego parametru v e . 


ostrza od pozostałych parametrów skrawania. Metoda ta może być stosowana 
również do oceny wpływu innych czynników na trwałość ostrza (np. kąta przy- 
stawienia, kąta natarcia itp.). Wadą tej metody jest długotrwałość i duże koszty 
przeprowadzenia badań. 
Powyższa metoda nosi nazwę klasycznej. Pewną jej modyfikację stanowi 
tzw. metoda analizy stałej wartości zużycia [14]. Metoda ta charakteryzuje 
się tym, że tylko dla jednej wartości parametru zmiennego yrowadzi się próbę 
50 



skrawania do osiągnięcia przez ostrze okresu przyspieszonego zużycia, ustala- 
jąc w ten sposób dopuszczalne zużycie ostrza VB dop ' Tak ustaloną wartość 
VB dop przyjmuje się jako obowiązującą dla pozostałych prób skrawania 
(dla wszystkich prób trwałość ostrza T odpowiada wartości zużycia równej 
VB dop ). 


B. Metoda matematycznego planowania doświadczeń 


Matematyczne planowanie doświadczeń umożliwia określenie szukanej 
zależności między czynnikami badanymi a czynnikiem wynikowym na podsta- 
wie minimalnej liczby doświadczeń. 
Rozróżnia się programy statyczne i dynamiczne. Programy statyczne cha- 
rakteryzują się tym, że wartości wszystkich układów czynników badanych, 
dla których mierzona jest wartość czynnika wynikowego, określane są przed 
rozpoczęciem badań. W przypadku stosowania programów dynamicznych, 
przed rozpoczęciem pomiarów określa się tylko wartość jednego układu czyn- 
ników badanych, natomiast wartości pozostałych czynników badanych określa- 
ne są według pewnej procedury w trakcie badań z uwzględnieniem wyników 
wcześniej szych pomiarów. 


C. Wyznaczanie zależności T = f(ve) metodą toczenia promieniowego 


Tarczę z otworem toczy się poprzecznie od średnicy Do (rys.6.3) 
przy ustalonej głębokości skrawania, posuwie i prędkości obrotowej. Parametry 


/'r-- 


N 1/1 o 
C c c 


Vcs 


Rys.6.3. Kinematyka metody toczenia promieniowego. 


te dobiera się w taki sposób, żeby stępienie ostrza nastąpiło zanim nóż osiągnie 
średnicę zewnętrzną tarczy Dz. Średnicę, przy której następuje stępienie ostrza, 
oznacza się Ds. W czasie toczenia prędkość skrawania rośnie od wartości v co 
(odpowiadającej średnicy Do) do wartości V cs (odpowiadającej średnicy Ds). 
Zakładając, że trwałość ostrza w przypadku toczenia ze zmienną prędko- 
ścią skrawania zależy od wartości średniej v c s , znaną zależność na trwałość 
ostrza T w funkcji prędkości skrawania V c można zapisać: 


51 



T= C T 
(v: ) śr 
gdzie: C T , s - stałe wyznaczane doświadczalnie. 


(6.1) 


Z wykresu v c s = f(v c ) widać (rys. 6.4), że wartość średnia v c s jest równa wyso- 
kości prostokąta ABEF, którego pole jest równe polu figury ABCD. 


v
 


E 


... 
;!! 
LII U 
> 


Vco 


A 
V c 


8 Vc 


dVc 


Vcs 


Rys.6.4. Wykres funkcji v c s = fCv c ). 


V cs s+1 s+1 
f v-v 
poleABCD = V S dv = es co 
c c s+l 
V co 


(6.2) 


poleABEF = (v cs - V co Xv: tr 


(6.3) 


Po porównaniu (6.2) i (6.3) otrzymuje się: 


. s+1 s+1 
(s) = V cs -V co 
V c śr (s + lXv cs - V co ) 


(6.4) 


Trwałość ostrza narzędzia (czas skrawania w trakcie próby) można określić 
jako: 


T = Ds - Do 
2fn 


(6.5) 


Uwzględniając, że 


D _ 1000v cs 
s- 
1m 


oraz 


Do = 1000v co 
1m 


52 



wzór (6.5) można zapisać: 
T = 1000(v es - veJ 
2;ifn 2 


(6.6) 


Po podstawieniu do wzoru (6.1) danych z zależności (6.4) i (6.6) oraz po wyko- 
naniu przekształceń otrzymuje się: 


V.<+I _ vHI = 2;ifn 2 CAs + 1) 
es co 1000 


(6.7) 


Wymiary tarczy oraz parametry skrawania należy dobierać w taki sposób, 
aby Ds ;;:: 2Do, a tym samym V es ;;:: V eo . Jeżeli powyższy warunek jest spełniony 
oraz wykładnik s ;;:: 5 , to w zależności (6.7) można pominąć składnik veos+1 
(błąd spowodowany tym pominięciem jest niewielki). Wówczas równanie (6.7) 
można zapisać: 


HI 2;ifn 2 C T (s + 1) 
v = 
es 1000 


(6.8) 


Przeprowadzając dwie próby toczenia promieniowego przy różnych pręd- 
kościach obrotowych nI i n2 (takimi samymi nożami oraz przy zachowaniu sta- 
łej głębokości skrawania i posuwu) uzyskuje się stępienie ostrza na różnych 
średnicach DSI i D s2 , którym odpowiadają prędkości skrawania VesI i V es 2. Pod- 
stawiając do wwru (6.8) odpowiednio n] i VesI oraz n2 i V es 2 otrzymuje się dwa 
równania, które dzieli się stronami aby otrzymać zależność: 
( vesI J S+I ( n. J 2 (6.9) 
v es2 = n 2 


Po obustronnym zlogarytmowaniu zależności (6.9) i wykonaniu przekształceń 
otrzymuje się wzór na wykładnik s: 


6) 21g
 
s = n 2 -1 
19 v esI 
v es2 


(6.10) 


Zapisując wzór (6.8) w postaci: 


s 2;ifn 2 cAs + 1) 
v v = 
es es 1000 


53 



i uwzględniając, że 


;rDsn 
V - . 
-- 
es 1 000 


(6.11) 


można zapisać zależność na stałą C T w postaci 


.J 



I 


c - Dsv;s 
T - 2fn{s+1) 


(6.12) 


Przedstawiony powyżej sposób wyznaczania wartości C T i s oparty jest 
tylko na dwóch próbach, dlatego też obarczony jest znacznym błędem. Aby 
zwiększyć dokładność wyliczonych wartości C T i s należy zwiększyć ilość prób 
[12, 13, 14]. 


D. Wyznaczanie zależności T = f(v c ) metodą toczenia stożków 


Przedmiot obrabiany w kształcie stożka o długości L i średnicach skraj- 
nych DA i D B toczony jest od średnicy najmniejszej do największej przy zacho- 
waniu stałej głębokości skrawania a p , posuwu f oraz prędkości obrotowej 
n (prędkość skrawania rośnie proporcjonalnie do czasu skrawania). Kinematykę 
tej metody przedstawiono na rys. 6.5. 


L 


a} 


c 


< 
CI 


tO 
c 


f 


t 
bl .J 
-4 u 
u > 
> 
dt t 


TL 


Vc 


Rys.6.5. Kinematyka toczenia stożka: a) schemat obróbki, 
b) wykres prędkości skrawania. 


54 



Metoda oparta jest na założeniu, że stosunek elementarnej trwałości ostrza 
dt do całkowitej jego trwałości T jest równy stosunkowi jego elementarnego 
zużycia, które nastąpiło w czasie dt, do wartości przyjętego kryterium stępienia 
VB, co można zapisać: 


dt 
T 


dVB 
= 
VB 


(6.13) 


Znaną zależność 


T= C T 
s 
V c 


(6.14) 


można przedstawić jako 


T
( 
 J 


(6.15) 


Po uwzględnieniu (6.15) można napisać: 



 
( 
r dl 


(6.16) 


Po obustronnym scałkowaniu w granicach od O do T L równanie (6.16) przyj- 
muje postać: 


T f( ) s TL l T 
V c dt = J-=-at = -1:.. = w 
o C oT T 


(6.17) 


gdzie: T L - trwałość ostrza (czas skrawania) przypadająca na jedno przejście 
noża 


L 
T L =- 
In 


(6.18) 


w - stosunek trwałości T L do trwałości T odpowiadającej dopuszczalne- 
mu stępieniu ostrza VB. 


Chwilowa prędkość skrawania V c może być obliczona w oparciu o rys. 6.5 b: 


V c = v cB + (V CA -VCB)
 
T L 
Po uwzględnieniu (6.18) oraz znanych zależności: 


(6.19) 


;r[) An 
v -- 
cA - 1000 


1 


JrDBn 
v =- 
cB 1000 


(6.20) 


55 



równanie (6.19) można zapisać: 


v =
 [ DB+(DA-DB) fn t ] 
c 1000 L 


(6.21) 


Podstawiając (6.21) do (6.17) otrzymuje się: 


w = ( 1m ) STrr DB + (DA _ D B ) f n t ] "'dt 
1000C lL L 


(6.22) 


Po wykonaniu całkowania 
( ) l L Ds+ 1 _Ds+ 1 
W 
 lO:C ' HI jh 
A -D: 


(6.23) 


W celu wyznaczenia stałej C T i wykładnika s we wwrze (6.14) należy 
przeprowadzić dwie próby skrawania dwóch stożków z tego samego materiału 
i o takich samych wymiarach przy różnych prędkościach obrotowych nI i n2 
(pozostałe parametry skrawania - jednakowe).. Następnie mierzy się szerokość 
pasma zużycia na powierzchni przyłożenia używanych do skrawania noży VB I 
i VB 2 . Zakładając liniową zależność między szerokością pasma zużycia na po- 
wierzchni przyłożenia ostrza i czasem skrawania oraz przyjmując kryterium 
stępienia VB można wyliczyć wartości Wl i W2 z zależności: 


VB 1 
W =- oraz 
l i1VB 
gdzie: ił, h -liczby przejść noża. 


VB 2 
w-- 
2 - i 2 VB 


(6.24) 


Uwzględniając wzór (6.23) można napisać równania: 


( ) s 1 L D s + 1 _D s + 1 
w- 
 A B 
1- 1000C s+lA DA -D B 


(6.25) 


_ ( 
 ) s l L D
+l - D
+I 
w 2 - 
1000C s+l fn 2 DA -D B 


(6.26) 


Po podzieleniu powyższych równań stronami, a następnie przekształceniu 
i obustronnym zlogarytmowaniu otrzymuje się zależność, według której liczy 
się wykładnik s: 


56 



w 
log -L 
w 
s = 2 +1 (6.27) 
n 
log-ł-- 
n 2 
Mając wyliczoną wartość s możemy wyznaczyć stałą C przekształcając 
odpowiednio wzór (6.25) lub (6.26); na przykład zależność (6.25) można zapi- 
sać jako: 


I 
-
 ( 1 L Ds+ 1 - D s + 1 J 
 
C- 
 ws A B 
- 1000 I S + 1 fn] DA - D B 


(6.28) 


Z porównania wzorów (6.14) i (6.15) wynika: 
C -Cs 
T- 


(6.29) 


Wzrost dokładności obliczonych wartości s oraz C T można uzyskać po- 
przez zwiększenie liczby prób toczenia stożka [12, 14]. 


6.3. Pytania kontrolne 


l. Określenie trwałości ostrza. 
2. Rodzaje zużycia ostrza. 
3. Przyczyny zużycia ostrza. 
4. Parametry geometryczne zużycia ostrza. 
5. Kryteria stępienia ostrza. 
6. Przebieg zużycia ostrza w czasie. 
7. Wpływ różnych czynników na zużycie ostrza. 
8. Metody badań trwałości ostrza. 
Literatura uzupełniająca: [4, 9,11,12,14,21]. 


6.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego. 


a. tokarka uniwersalna, 
b. noże tokarskie o jednakowej geometrii ostrza, 
c. kątomierz do sprawdzania geometrii ostrza noży tokarskich, 
d. próbka w kształcie tarczy o średnicy zewnętrznej około 400 mm z otworem 
o średnicy około 40 mm, 
e. dwie próbki w kształcie stożka Gednakowe), 
f. suwmiarka, 
g. mikroskop warsztatowy. 


57 



6.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


1. Wyznaczyć zależność T = f(v c ) metodą toczenia promieniowego: 
a) zamocować przedmiot obrabiany w uchwycie tokarki, 
b) zmierzyć geometrię ostrza noży tokarskich, 
c) przeprowadzić dwie próby toczenia promieniowego przy stałej głębokości 
skrawania i posuwie a różnych prędkościach obrotowych, dwoma nożami 
o jednakowej geometrii ostrza do momentu stępienia narzędzi (parametry 
skrawania poda prowadzący ćwiczenia), 
d) zmierzyć średnice, na jakich nastąpiło stępienie ostrzy, 
e) obliczyć wykładnik potęgowy s oraz stałą C T według zależności (6.10) 
i (6.12). 
2. Wyznaczyć zależność T = f( v c) metodą toczenia stożków: 
a) sprawdzić geometrię ostrza noży tokarskich, 
b) zmierzyć długość oraz średnicę najmniejszą i największą badanych próbek, 
c) przeprowadzić dwie próby toczenia wzdłużnego przedmiotów w kształcie 
stożka przy stałej głębokości skrawania i posuwie a różnych prędkościach 
obrotowych, nożami o jednakowej geometrii ostrza (parametry skrawania 
poda prowadzący ćwiczenia), 
d) korzystając z mikroskopu warsztatowego zmierzyć szerokość pasma zuży- 
cia na powierzchni przyłożenia stosowanych noży, 
e) obliczyć wykładnik potęgowy s oraz stałą C T według wzorów (6.27) 
i (6.29). 
3. Opracować sprawozdanie, które powinno zawierać: 
opis przeprowadzenia pomiarów, 
wyniki pomiarów (protokoły), 
obliczenia wykładnika s oraz stałej C T , 
szkice przedstawiające wygląd zużytych ostrzy, 
wnioski końcowe. 


58 


/ 



Ćwiczenie 7 


OBRÓBKA MATERIAŁÓW TRUDNO SKRAWALNYCH 


7.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z możliwością poprawy skrawalności 
metali poprzez zastosowanie podgrzewania przedmiotu obrabianego oraz po- 
przez wyprzedzające nagniatanie warstwy skrawanej. 


7.2. Wiadomości ogólne 


Wzrost trwałości maszyn osiągany jest między innymi poprzez stosowanie 
materiałów o specjalnych właściwościach (np. bardzo wysoka wytrzymałość, 
odporność na korozję, odporność na zużycie ścierne). Materiały te na ogół 
trudno poddają się obróbce skrawaniem. Do metod poprawy skrawalności ma- 
teriałów o specjalnych właściwościach można zaliczyć podgrzewanie przed- 
miotu obrabianego oraz wyprzedzające nagniatanie warstwy skrawanej. 


7.2.1. Skrawanie z podgrzewaniem przedmiotu obrabianego 


Wzrost temperatury przedmiotu obrabianego powoduje zmniejszenie twar- 
dości jego materiału. Podczas podgrzewania przedmiotu obrabianego następuje 
także zwiększenie temperatury ostrza. Należy zatem tak dobierać warunki 
obróbki z podgrzewaniem, aby uzyskać jak największą różnicę twardości ostrza 
-(materiału obrabianego. 
Podgrzewanie przedmiotu obrabianego może obejmować cały przedmiot 
lub tylko obszar w pobliżu strefy skrawania. 
Podgrzewanie całego przedmiotu obrabianego najczęściej prowadzone jest 
w piecach elektrycznych lub gazowych. Może też być wykorzystane ciepło 
operacji poprzedzającej skrawanie (np. obróbki plastycznej na gorąco). Do wad 
takiego sposobu podgrzewania przedmiotu obrabianego należy zaliczyć utrud- 
nione mocowanie przedmiotu, mniej szą dokładność obróbki oraz utlenianie się 
powierzchni obrobionej. 


59 



 



Lokalne podgrzewanie strefy skrawania realizowane jest najczęściej 
za pomocą palników gazowych i plazmowych, za pomocą łuku elektrycznego, 
indukcyjnie, elektrostykowo oraz laserowo. 
Podgrzewanie przedmiotu obrabianego płomieniem gazowym (np. z palni- 
ka spawalniczego przemieszczającego się przed narzędziem) jest sposobem 
łatwym do wdrożenia ze względu na prostotę i niską cenę stosowanych urzą- 
dzeń. Jednakże przy takim podgrzewaniu istnieje niebezpieczeństwo uszkodze- 
nia płomieniem powierzchni obrobionej lub zanieczyszczenia jej produktami 
spalania, a także są trudności z utrzymaniem stałej temperatury strefy podgrze- 
wanej. 
Skrawanie z plazmowym podgrzewaniem materiału obrabianego jest bar- 
dzo wydajne i ekonomiczne przy obróbce materiałów wysokostopowych (stali 
manganowych, nierdzewnych, stopów tytanu, stali czy żeliw żaroodpornych), 
zwłaszcza przy dużych przekrojach warstwy skrawanej, przy skórowaniu czy 
usuwaniu bardzo twardych warstw zewnętrznych [16]. Obróbka ta prowadzona 
jest w taki sposób, że wypływający z dyszy palnika łuk plazmowy kierowany 
jest na powierzchnię skrawania przed ostrze narzędzia. Efektem oddziaływania 
łuku plazmowego jest oprócz nagrzewania powierzchni przedmiotu 
(wywołującego obniżenie wytrzymałości, przemiany strukturalne, naprężenia 
cieplne i częściowe roztopienie materiału warstw powierzchniowych oraz 
zmianę warunków tarcia między ostrzem a materiałem obrabianym) także nasy- 
cenie gazami utrzymującymi się w łuku plazmowym (szczególnie wodorem) 
powierzchni przedmiotu, co przyczynia się do zwiększenia kruchości metalu 
i zmniejszenia pracy odkształcenia plastycznego przy skrawaniu. 
Metoda ta umożliwia osiąganie dużej gęstości strumienia cieplnego, 
co umożliwia podgrzanie obrabianego materiału do bardzo wysokiej temperatu- 
ry przy znacznej prędkości skrawania. Podgrzewanie plazmowe znajduje zasto- 
sowanie przy toczeniu, struganiu, frezowaniu. Do minusów takiego sposobu 
obróbki trzeba zaliczyć oślepiający blask plazmy (konieczność stosowania 
osłon) oraz wysoki koszt urządzeń. 
Dobrą koncentracją ciepła charakteryzuje się podgrzewanie warstwy skra- 
wanej za pomocą łuku elektrycznego. W celu zapobieżenia utlenianiu się mate- 
riału obrabianego stosuje się nietopliwe elektrody wolframowe oraz atmosfery 
ochronne (rys. 7.1). Korzystne wyniki (znaczne zwiększenie trwałości ostrza) 
uzyskuje się stosując podgrzewanie łukiem elektrycznym podczas skrawania 
staliwa Hadfielda [10]. Utrudnienia w stosowaniu tej metody wiążą się z ko- 
niecznością budowy ścian osłonowych i wentylacji stanowiska, a także z do- 
kładnością wymiarowo - ksztahową półfabrykatów (w przypadku dużych od- 
chyłek ksztahu oraz nieciągłości powierzchni następuje gaśnięcie łuku, co po- 
wodować może wykruszenie ostrza). 
Podgrzewanie indukcyjne prądami wysokiej częstotliwości umożliwia 
szybkie nagrzewanie przedmiotu obrabianego, przy czym wydzielające się cie- 
pło koncentruje się głównie na powierzchni. Na rys. 7.2 przedstawiono toczenie 


60 



z indukcyjnym podgrzewaniem przedmiotu obrabianego. Metoda ta znajduje 
zastosowanie przy obróbce materiałów magnetycznych, a najbardziej efektyw- 
na jest przy obróbce przedmiotów o dużych rozmiarach. 
Argon 


& 


Rys. 7 .1. Schemat skrawania z podgrzewaniem za pomocą łuku elektrycznego w osłonie 
z argonu: 1- narzędzie, 2 - przedmiot obrabiany, 3 - nietopliwa elektroda 
wolframowa, 4 - szczotkowy zbieracz prądu [10]. 


Rys.7.2. Schemat toczenia z indukc)jnym podgrzewaniem warstwy skrawanej: 
l - przedmiot obrabiany, 2 - narzędzie, 3 - induktor [14]. 


Podgrzewanie elektrostykowe polega na wykorzystaniu ciepła wydzielają- 
cego się podczas przepływu prądu elektrycznego przez przedmiot obrabiany 
i będącą z nim w kontakcie elektrodę. Ilość wydzielającego się ciepła jest pro- 
porcjonalna do oporu elektrycznego i kwadratu natężenia przepływającego 
prądu. Ponieważ największym oporem charakteryzuje się miejsce styku przed- 
miotu obrabianego i elektrody, toteż w tym miejscu wydziela się najwięcej 
ciepła. Podgrzewanie elektrostykowe może być prowadzone przy wykorzysta- 
niu specjalnych elektrod prętowych (ślizganie się po przedmiocie obrabianym) 
lub rolkowych (toczących się po przedmiocie) albo stosuje się układ, w którym 
prąd przepływa przez styk przedmiotu obrabianego i narzędzia. 


61 



Lokalne podgrzewanie przedmiotu skrawanego za pomocą elektrod pręto- 
wych pokazano na rys. 7.3. Prąd elektryczny o bardzo dużym natężeniu dopro- 
wadzony do elektrod ślizgających się po powierzchni skrawania powoduje na- 
grzewanie się tej powierzchni. Metoda ta umożliwia obróbkę z podgrzewaniem 
za pomocą narzędzi z materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego 
(np. płytki ceramiczne). Mankamentem stosowania elektrod ślizgających się po 
przedmiocie obrabianym jest ich szybkie zużywanie się. Większą trwałość mają 
elektrody rolkowe. 


.0 0 , 
\: 


Rys.7.3. Schemat toczenia z podgrzewaniem elektrostykowym: l - elektroda, 
2 - przedmiot obrabiany, 3 - narzędzie, 4 - transformator. 


Metoda umożliwiająca bezpośrednie podgrzewanie strefy skrawania pole- 
ga na wykorzystaniu ciepła wydzielającego się przy przepływie prądu o dużym 
natężeniu i małym napięciu (rzędu 2 - 6 V) między narzędziem a przedmiotem 
obrabianym (rys. 7.4). Zaletą takiego rozwiązania jest zwiększenie temperatury 
tylko w strefie tworzenia się wióra bez podgrzewania pozostałej części przed- 
miotu obrabianego, natomiast wadą - nagrzewanie się ostrza narzędzia i nie- 
bezpieczeństwo zniszczenia ostrza w przypadku nieprawidłowego kontaktu 
narzędzia z przedmiotem obrabianym. 


5 


ł. 

 
[......
 N 1 0V 
Rys. 7.4. Schemat toczenia z podgrzewaniem strefy skrawania prądem przepływającym 
przez narzędzie: l - przedmiot obrabiany, 2 - nóż, 3 - izolacja, 
4 - transformator, 5 - szczotka. 


62 



Skrawanie z laserowym podgrzewaniem materiału obrabianego pokazane 
zostało na rys. 7.5. Wiązka laserowa, ślizgając się po powierzchni przedmiotu 


Rys.7.5. Schemat toczenia z podgrzewaniem laserowym: l - przedmiot obrabiany, 
2 - narzędzie, 3 - laser, 4 - soczewka, 5 - zwierciadło, 
6 - ogniskowanie promienia laserowanego w plamce na powierzchi przedmiotu [15]. 


obrabianego, nagrzewa ją. W miarę oddalania się od powierzchni w głąb mate- 
riału, temperatura spada. Do głównych zalet nagrzewania laserowego należy 
zaliczyć [15]: 
możliwość koncentracji znacznej energii w małej objętości materiału, 
łatwość zmian energetycznych i charakterystyk przestrzennych wiązki lase- 
roweJ, 
możliwość doprowadzenia wiązki laserowej do miejsc trudno dostępnych, 
możliwość nagrzewania materiału skrawanego z dużymi prędkościami, 
duża stabilność procesu. 
Poza opisanymi powyżej sposobami podgrzewania materiału podczas 
skrawania znane są jeszcze (chociaż rzadziej stosowane) wykorzystujące pro- 
mieniowanie świetlne, tarcie, przepływający elektrolit [14]. 


7.2.2. Obróbka z wyprzedzającym nagniataniem warstwy skrawanej 


W procesie obróbki skrawaniem oddzielanie warstwy materiału obrabia- 
nego poprzedzone jest intensywnymi odkształceniami plastycznymi tej warstwy 
oraz warstwy znajdującej się pod powierzchnią obrobioną. Skrawalność mate- 
riałów charakteryzujących się dużą podatnością do umocnienia odkształcenio- 
wego (np. stale kwasoodporne) można poprawić poprzez zastosowanie wyprze- 
dzającego nagniatania warstwy skrawanej. Nagniatanie to powoduje korzystne 
zmiany stosunku granicy plastyczności Re do doraźnej wytrzymałości na roz- 
63 



ciąganie 
n obrabianego materiału. W ten sposób część pracy odkształceń ma- 
teriału w procesie tworzenia się wióra jest zrealizowana w trakcie nagniatania 
warstwy skrawanej. 
Schemat obróbki skrawaniem z wyprzedzającym nagniataniem warstwy 
skrawanej (na przykładzie toczenia) pokazano na rys. 7.6. Rolka nagniatająca 3 
dociskana jest siłą FN do powierzchni skrawanej i tocząc się po tej powierzchni 
powoduje umocnienie warstwy skrawanej. 


Rys.7.6. Schemat toczenia z wyprzedzającym nagniataniem warstwy skrawanej: 
l - narzędzie, 2 - przedmiot obrabiany, 3 - rolka nagniatająca. 


W wyniku zastosowania wyprzedzającego nagniatania warstwy skrawanej 
uzyskuje się zmniejszenie siły i temperatury skrawania oraz zwiększenie trwa- 
łości ostrza narzędzi skrawających [2,20]. W zależności od rodzaju materiału 
obrabianego, grubości warstwy skrawanej i długości styku roboczego dobiera 
się wymiary rolki roboczej oraz siłę nagniatania FN. 


7.3. Pytania kontrolne 


l. Zużycie i trwałość ostrza narzędzi skrawających. 
2. Wpływ właściwości materiału na jego skrawalność. 
3. Metody skrawania z podgrzewaniem przedmiotu obrabianego. 
4. Skrawanie z wyprzedzającym nagniataniem warstwy skrawanej. 
Literatura uzupełniająca: [2,4,8, 10,20,21]. 


64 



7.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a) tokarka przystosowana do toczenia z podgrzewaniem strefy skrawania, 
b) wałki z materiału trudno skrawalnego, 
c) noże tokarskie, 
d) transformator, 
e) przyrząd do nagniatania warstwy skrawanej, 
f) mikroskop warsztatowy. 


7.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Zmontować układ do toczenia z podgrzewaniem strefy skrawania prądem 
przepływającym przez narzędzie i przedmiot obrabiany (zgodnie z rys. 7.4). 
2. Przeprowadzić próby toczenia jednakowych wałków z materiału trudno 
skrawalnego dwoma nożami o jednakowej geometrii ostrza (geometrię 
ostrza sprawdzić) z podgrzewaniem strefy skrawania oraz bez podgrzewa- 
nia, przy stałych parametrach obróbki (wartości parametrów poda prowa- 
dzący ćwiczenia). 
3. Korzystając z mikroskopu warsztatowego zmierzyć szerokość pasma zuży- 
cia na powierzchni przyłożenia używanych noży tokarskich. 
4. Zamontować na tokarce przyrząd do wyprzedzającego nagniatania warstwy 
skrawanej. 
5. Przeprowadzić próby toczenia stali kwasoodpornej dwoma jednakowymi 
nożami, przy zachowaniu jednakowych warunków obróbki (warunki te 
określi prowadzący ćwiczenia), stosując w jednej z prób wyprzedzające na- 
gniatanie warstwy skrawanej. 
6. Zmierzyć szerokość pasma zużycia na powierzchni przyłożenia noży, 
za pomocą których przeprowadzono próby toczenia. 
7. Opracować sprawozdanie, które powinno zawierać: 
opis przeprowadzonych prób skrawania, 
wyniki pomiarów (protokoły), 
wnioski. 


65 



7.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a) tokarka przystosowana do toczenia z podgrzewaniem strefy skrawania, 
b) wałki z materiału trudno skrawalnego, 
c) noże tokarskie, 
d) transformator, 
e) przyrząd do nagniatania warstwy skrawanej, 
f) mikroskop warsztatowy. 


7.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Zmontować układ do toczenia z podgrzewaniem strefy skrawania prądem 
przepływającym przez narzędzie i przedmiot obrabiany (zgodnie z rys. 7.4). 
2. Przeprowadzić próby toczenia jednakowych wałków z materiału trudno 
skrawalnego dwoma nożami o jednakowej geometrii ostrza (geometrię 
ostrza sprawdzić) z podgrzewaniem strefy skrawania oraz bez podgrzewa- 
nia, przy stałych parametrach obróbki (wartości parametrów poda prowa- 
dzący ćwiczenia). 
3. Korzystając z mikroskopu warsztatowego zmierzyć szerokość pasma zuży- 
cia na powierzchni przyłożenia używanych noży tokarskich. 
4. Zamontować na tokarce przyrząd do wyprzedzającego nagniatania warstwy 
skrawanej. 
5. Przeprowadzić próby toczenia stali kwasoodpornej dwoma jednakowymi 
nożami, przy zachowaniu jednakowych warunków obróbki (warunki te 
określi prowadzący ćwiczenia), stosując w jednej z prób wyprzedzające na- 
gniatanie warstwy skrawanej. 
6. Zmierzyć szerokość pasma zużycia na powierzchni przyłożenia noży, 
za pomocą których przeprowadzono próby toczenia. 
7. Opracować sprawozdanie, które powinno zawierać: 
opis przeprowadzonych prób skrawania, 
wyniki pomiarów (protokoły), 
wnioski. 


65 



Ćwiczenie 8 


BADANIE ZUŻYCIA ŚCIERNIC 


8.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z wpływem warunków skra- 
wania na zużycie ściernic oraz metodami oceny tego zużycia. 


8.2. Wiadomości ogólne 


Narzędzia ścierne pracują w bardzo trudnych warunkach. Podczas szlifo- 
wania wierzchołki poszczególnych ziarn ściernych obciążone są siłą rzędu 5 - 
10 N, a temperatura na tych wierzchołkach zwykle jest równa a nierzadko na- 
wet wyższa od temperatury topnienia obrabianego materiału [3]. Warunki te 
powodują zużywanie się narzędzi ściernych, co wpływa na dokładność wymia- 
rowo - ksztahową obrabianych przedmiotów oraz na stan ich warstwy wierzch- 
mej. 


8.2.1. Zużycie ściernic 


Zużywanie się ściernic jest procesem bardzo złożonym. W wyniku od- 
działywania czynników natury fizykalnej jak i chemicznej następuje ścieranie 
i wykruszanie się zarówno ziarn ściernych jak i spoiwa. Typowe rodzaje zuży- 
cia ziarn ściernych i spoiwa pokazano na rys. 8.1. 
Zużycie ściernic jest rezultatem występowania w procesie szlifowania nastę- 
pujących zjawisk (zjawiska te mogą występować równocześnie) [17]: 


l) tępienie się ziarn, 
2) wykruszanie i pękanie ziarn, 
3) wyrywanie ziarn i erozja spoiwa, 
4) zalepianie ściernicy. 


67 



Tępienie ziarn ściernych - jest to proces stopniowego usuwania materiału 
wierzchołków skrawających. Do podstawowych przyczyn tępienia należy zali- 
czyć: 
ścieranie mechaniczne, 
plastyczne płynięcie materiału ściernego, 
zużycie adhezyjne, 
zużycie dyfuzyjne. 


Ziarno 


ChemiCZne 
i C iep(ne 
zużycie spoiwo 


Płyni
ie plQstyczne ) 
zużycie chemiczne 
mechOnłcZnegeronle :\ 
 _ 

 Materiał Obrabian 


Rys. 8.1. Charakterystyczne objawy zużycia ziarn ściernych i spoiwa [17]. 


Mechaniczne ścieranie wierzchołków skrawających ziarn polega na tym, 
że twarde wtrącenia materiału obrabianego wciskają się w powierzchnię ziarn 
ściernych (uplastycznioną pod wpływem ciepła) i usuwają cząsteczki materiału 
ściernego. Na skutek oddziaływania bardzo dużych obciążeń mechanicznych 
i cieplnych wystąpić może plastyczne płynięcie materiału ściernego. 
Zużycie adhezyjne następuje w wyniku wyrywania spojeń adhezyjnych 
występujących na powierzchni styku ziarn ściernych z materiałem obrabianym. 
Zwiększenie zużycia adhezyjnego następuje wraz ze wzrostem nacisków jed- 
nostkowych. Natomiast wzrost temperatury powoduje zmniejszenie zużycia 
adhezyjnego, co tłumaczone jest wytwarzaniem się na powierzchni styku war- 
stewek tlenków łagodzących warunki tarcia. Ponadto intensywność zużycia 
adhezyjnego zależy od powinowactwa chemicznego ziarn ściernych i materiału 
obrabianego oraz wzajemnej relacji ich twardości. 
Zużycie dyfuzyjne związane jest z ruchem cząsteczek na styku ziarn ścier- 
nych z materiałem obrabianym zachodzącym w bardzo wysokich temperaturach 
panujących w strefie skrawania. Procesy dyfuzyjne pociągają za sobą zmiany 
właściwości materiału ziarn ściernych (np. zmniejszenie wytrzymałości, twar- 
dości), co czyni je bardziej podatnymi na inne rodzaje zużycia. 
68 



Na skutek tępienia ziarn ściernych następuje wzrost sił skrawania, 
co z kolei prowadzi do zwiększenia ilości wydzielającego się ciepła i wzrostu 
temperatury skrawania. Nadmierny wzrost temperatury prowadzić może do 
pojawienia się wad powierzchniowych, głównie w postaci przypaleń szlifier- 
skich i mikropęknięć. 
Wykruszanie cząstek materiału z ziarn ściernych oraz całkowite pękanie 
tych ziarn i wypadanie ich z narzędzia ściernego spojonego ma miejsce wów- 
czas, gdy w ziarnach powstają naprężenia przekraczające wytrzymałość mate- 
riału ściernego. Istotny wpływ na intensywność wykruszania się mają właści- 
wości fizyczne ziarn ściernych. Prawdopodobieństwo wykruszeń jest większe 
dla ziarn z materiałów charakteryzujących się mniejszą ciągliwością. Zużycie 
wytrzymałościowe ziarn ściernych może wystąpić w postaci zużycia doraźnego, 
zmęczeniowego lub termozmęczeniowego. Pozytywnym skutkiem wykruszania 
ziarn ściernych jest odsłanianie nowych krawędzi skrawających (tzw. samo- 
ostrzenie ściernicy), co umożliwia wydłużenie czasu pracy ściernicy między 
kolejnymi obciąganiami. 
Niekorzystną (na ogół) formą zużycia ściernic z uwagi na bezproduktywną 
utratę ścierniwa jest wyrywanie z powierzchni roboczej narzędzia ściernego 
całych ziarn na skutek uszkodzenia mostków spoiwa. Głównymi przyczynami 
pękania mostków spoiwa są oddziaływania mechaniczne na poszczególne ziar- 
na ścierne. Pęknięcia spoiwa mogą mieć charakter doraźny lub zmęczeniowy. 
Ocenia się, że przykładowo dla ściernicy o twardości G pękanie spoiwa 
jest przyczyną około 85% ogólnego zużycia, a dla ściernicy o twardości K 
udział ten spada do około 55% [3]. Przyczyną wykruszeń ziarn może też być 
erozja spoiwa, w wyniku czego następuje osłabienie utwierdzenia ziarna. 
Zalepianie ściernicy polega na wypełnianiu jej porów drobnymi wiórami 
oraz produktami zużycia ściernicy. Wpływa to niekorzystnie na proces szlifo- 
wania, zwiększa tarcie, czego konsekwencjąjest wzrost temperatury skrawania. 
Przy dużej grubości warstwy zalepiającej pojawia się niebezpieczeństwo wy- 
rywania ze ściernicy całych bloków ziarn ściernych. W takim przypadku ko- 
nieczne jest usunięcie znacznej objętości ściernicy podczas jej obciągania. 


8.2.2. Czynniki wpływające na zużycie ściernic 


Do czynników mających największy wpływ na zużywanie Się ściernic 
należy zaliczyć [3, 17]: 
charakterystykę narzędzia ściernego, 
sposób obciągania ściernicy, 
rodzaj materiału obrabianego, 
warunki obróbki. 


69 



A. Wpływ charakterystyki ściernicy 


Zużycie ściernic w dużym stopniu zależy od rodzaju materiału ściernego. 
Najczęściej stosowane materiały ścierne można uszeregować w następującej 
kolejności ze względu na malejącą odporność na zużycie [17]: diament, regu- 
larny azotek boru, elektrokorund, węglik krzemu. Większą odporność na zuży- 
cie wykazują ściernice, w których zastosowano spoiwo ceramiczne w stosunku 
do ściernic ze spoiwem żywicznym. 
Zużycie ściernic zwiększa się w miarę wzrostu wielkości ziarn ściernych, 
zmniejszania się twardości ściernic (określanej poprzez siłę potrzebną do wy- 
rwania ziarna ściernego z otaczającego je spoiwa), a także, w nieznacznym 
stopniu, wraz ze wzrostem zwartości struktury ściernic. 
Na zużycie ściernic mają wpływ również ich wymiary. Dla ściernic pra- 
cujących obwodem zużycie promieniowe zmniejsza się w miarę wzrostu ich 
średnicy jak i szerokości. Przy czym zużycie to zmienia się wzdłuż tworzącej 
walca (najmniej sza jest w środku szerokości ściernicy). 


B. Wpływ sposobu obciągania ściernicy 


Zabieg obciągania ma bardzo znaczący wpływ na zużycie ściernic. Szcze- 
gólne znaczenie tego czynnika wynika stąd, że duży ubytek objętości ściernicy 
wiąże się z samym procesem obciągania (ocenia się, że udział ten stanowi 50- 
90% całkowitego ubytku ściernicy), jak i z wpływem sposobu obciągania ścier- 
nicy na intensywność jej zużywania się w procesie szlifowania. 
Zużycie ściernicy uzależnione jest od materiału i ksztahu obciągacza oraz 
od parametrów technologicznych obciągania. 


C. Wpływ materiału obrabianego 


Zużycie ściernicy zależy od składu chemicznego oraz struktury szlifowa- 
nego materiału (czynniki te decydują o właściwościach fizycznych materiału). 
Niektóre domieszki (np. chrom, nikiel) utrudniają tworzenie i usuwanie 
wiórów, przez co zwiększają zużycie ściernicy. Do wzrostu zużycia ściernicy 
przyczyniają się też dodatki takich pierwiastków jak wanad, bor, wolfram, ko- 
balt, które tworzą bardzo twarde węgliki. Korzystnie na zużycie ściernicy może 
wpływać obecność siarki [3]. 
Składnikiem strukturalnym niekorzystnie wpływającym na zużycie ścier- 
nic jest austenit, co tłumaczone jest jego małą przewodnością cieplną oraz dużą 
plastycznością. 


70 



D. Wpływ warunków obróbki 


Wzrost wartości takich parametrów szlifowania jak posuw wzdłużny, 
dosuw wgłębny oraz prędkość przedmiotu obrabianego, a więc parametrów 
bezpośrednio wpływających na wydajność obróbki, powoduje zwiększenie 
zużycia ściernicy, co może być tłumaczone rosnącymi siłami skrawania. 
Natomiast zużycie ściernicy zmniejsza się w miarę wzrostu prędkości szli- 
fowania. Wprawdzie wzrost prędkości szlifowania wiąże się ze wzrostem pręd- 
kości tarcia (przy mniejszych przekrojach warstwy skrawanej wzrasta udział 
zużycia ściernego ostrzy ziarn), zwiększeniem częstości styku ziarn z materia- 
łem obrabianym a także wzrostem plastyczności materiału obrabianego, 
co sprzyja zalepianiu powierzchni roboczej ściernicy, jednakże okazuje się, 
iż dominujący wpływ na zużycie ściernicy ma zmniejszenie sił działających 
na ziarna ścierne (mniejszy przekrój warstwy skrawanej), a także krótszy czas 
styku. 
Korzystnie na zużywanie się ściernic wpływa stosowanie cieczy obróbko- 
wych. Zmniejszenie zużycia narzędzi ściernych tłumaczy się pozytywnym od- 
działywaniem cieczy na warunki tarcia w strefie skrawania oraz mniej szą inten- 
sywnością zalepiania powierzchni roboczej ściernic. 


8.2.3. Wskaźniki zużycia ściernicy 


Zużycie ściernicy może być rozpatrywane jako zmiany w obrębie poszcze- 
gólnych ziarn ściernych i ich otoczenia, zwane mikrozużyciem, albo zmiany 
wymiarów i ksztahu ściernicy, które określane jest mianem makrozużycia. 
Makrozużycie ściernicy oceniane jest za pomocą wskaźników, z których naj- 
częściej używanymi są: 
zużycie promieniowe 
R [mm] (rys. 8.2 a), 
zużycie krawędziowe 

 [mm] (rys. 8.2 b), 
zużycie całkowite L\Rc [mm] (rys. 8.2 c), 
szybkość zużycia promieniowego ściernicy, rozumiana jako wartość zuży- 
cia promieniowego przypadająca na jednostkę czasu: 


M? = d(M) [ mm ] 
dt s 


(8.1) 


zużycie objętościowe (ubytek objętości materiału ściernicy) V s [mm 3 ], 
szybkość zużycia objętościowego, czyli wartość zużycia objętościowego 
przypadająca na jednostkę czasu: 
Zs 
 i [",;,'] (8.2) 


71 



powierzchnia zużycia promieniowego (rys. 8.2 a): 


ASR = HM [mm 2 ] 


(8.3) 


powierzchnia zużycia krawędziowego A SK (rys. 8.2 b), 
całkowita powierzchnia zużycia ściernicy: 


AS = ASR + A SK [mm 2 ] 


(8.4) 


powierzchnia ubytku ściernicy na skutek obciągania ASd (rys. 8.2 c), 
zużycie względne ściernicy q, wyrażające stosunek zużycia objętościowego 
ściernicy V s do objętości zeszlifowanego w tym samym czasie materiału 
V m (niekiedy wskaźnikiem tym określa się stosunek ubytku masy ściernicy 
i materiału obrabianego). 
a) H 


(l
-

i[
;

;

lJ 


D 


llR 


b] 


ASR 
( H -li H ] 


r
 
1-
f
Jti
%;;
1
; 


f.R k 


ci 




;i?:

)
i




}

l 


 .. ..... .-.. ......'. 
I ł ... ......"... .,...., ..ł"ł-.......... :....." ,....: 

Rc 

k


tB 


As Asd 


Rys.8.2. Wskaźniki zużycia ściernicy. 


Do oceny procesu szlifowania często używa się wskaźnika szlifowania G, 
który jest odwrotnością wskaźnika q: 
G= V m 
V s 


(8.5) 


72 



8.2.4. Trwałość ściernicy 


Trwałość ściernicy defmiowana jest jako czas jej użytkowania między 
kolejnymi obciąganiami. O konieczności obciągania ściernicy decyduje utrata 
zdolności skrawnej lub osiągnięcie dopuszczalnej wartości zmiany ksztahu 
ściernicy. 
Wartości normatywnych okresów trwałości ściernic w zależności od mate- 
riału obrabianego, charakterystyki ściernicy i rodzaju szlifowania wahają się 
w dość szerokim zakresie (od kilku do kilkudziesięciu minut) [3]. 
Okres trwałości ściernic może być określany w oparciu o następujące kry- 
teria zużycia: 
przekroczenie dopuszczalnej chropowatości obrobionej powierzchni, 
zmiana ksztahu ściernicy w stopniu uniemożliwiającym utrzymanie w gra- 
nicach tolerancji wymiarów i ksztahu przedmiotu obrabianego, 
wzrost sił skrawania i amplitudy drgań, 
wyraźne zwiększenie temperatury skrawania, 
zmiany dźwięków towarzyszących procesowi szlifowania. 
Powyższe kryteria wykorzystywane są w systemach nadzorujących proces 
szlifowania. 


8.3. Pytania kontrolne 


l. Charakterystyka narzędzi ściernych spojonych. 
2. Przygotowanie ściernic do pracy. 
3. Obciąganie ściernic. 
4. Rodzaje zużycia ściernic. 
5. Wpływ różnych czynników na zużycie narzędzi ściernych. 
6. Mikrozużycie i makrozużycie narzędzi ściernych; wskaźniki stosowane do 
oceny makrozużycia. 
7. Trwałość ściernicy. 
8. Kryteria zużycia ściernic. 
Literatura uzupełniaj ąca [3, 4 , 17, 21]. 


8.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a. Szlifierka do płaszczyzn. 
b. Zestaw ściernic o różnej twardości. 
c. Próbki materiału szlifowanego (w kształcie prostopadłościanu). 
d. Przyrząd specjalny do pomiaru zużycia ściernicy. 
e. Suwmiarka. 
f. Mikrometr. 


73 



8.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Obciągnąć ściernicę: 
2. Ustawić przyrząd do pomiaru zużycia ściernicy. 
3. Zmierzyć wymiary przeznaczonej do szlifowania próbki. 
4. Przeprowadzić próbę szlifowania (parametry technologiczne poda prowa- 
dzący ćwiczenia), mierząc czas trwania obróbki. 
5. Korzystając ze specjalnego przyrządu, zmierzyć zużycie promieniowe 
 
oraz krawędziowe 

 ściernicy. 
6. Zmierzyć grubość szlifowanej próbki. 
7. Korzystając z zależności podanych w punkcie 8.3.3 obliczyć: 
zużycie całkowite L\Rc, 
szybkość zużycia promieniowego, 
zużycie objętościowe ściernicy V s, 
powierzchnię zużycia promieniowego ASR, 
zużycie względne ściernicy q. 
8. Czynności podane w punktach l -7 powtórzyć dla różnych ściernic i róż- 
nych materiałów obrabianych. 
9. Opracować sprawozdanie, które powinno zawierać: 
charakterystykę ściernic użytych w ćwiczeniu, 
opis przebiegu ćwiczenia, 
wyniki pomiarów i obliczeń, 
wnioski. 


74 



Ćwiczenie 9 


POMIAR SIŁ WYSTĘPUJĄCYCH W PROCESIE 
SZLIFOWANIA TAŚMAMI ŚCIERNYMI 


9.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest poznanie procesu szlifowania taśmami ściernymi 
oraz sposobu pomiaru sił występujących w tym procesie. 


9.2. Wiadomości ogólne 


Obróbka ścierna może być prowadzona za pomocą narzędzi ściernych 
spojonych lub za pomocą luźnego ścierniwa. Spośród narzędzi spojonych wy- 
odrębnić można narzędzia ścierne nasypowe. Najczęściej stosowanymi narzę- 
dziami ściernymi nasypowymi są taśmy ścierne oraz tarcze Listkowe. 
Rosnące zainteresowanie przemysłu szlifowaniem taśmami ściernymi wią- 
że się z zaletami tego procesu, takimi jak: 
prosta budowa obrabiarek do szlifowania taśmami ściernymi, 
możliwość szybkiej wymiany narzędzi, 
zapewnienie stałej prędkości skrawania, 
brak konieczności wyrównoważania narzędzia, 
duża wydajność w porównaniu ze szlifowaniem ściernicowym, 
lepsze wykorzystanie ziaren śc
ernych niż w ściernicach, 
możliwość ksztahowania powierzchni złożonych dzięki elastyczności 
narzędzia, 
dobre odprowadzanie ciepła w czasie szlifowania, 
większe bezpieczeństwo pracy w porównaniu ze szlifowaniem ściernico- 
wym (zerwanie taśmy nie stanowi takiego zagrożenia jak rozerwanie się 
ściernicy) 


75 



9.2.1. Budowa narzędzi ściernych nasypowych 


Narzędzia ścierne nasypowe zbudowane są z podłoża, ziarn ściernych 
i spoiwa. Na podłoże nakładana jest warstwa spoiwa podkładowego, następnie 
w warstwie tej osadzane są ziarna ścierne (grawitacyjnie lub w polu elektro- 
statycznym), po czym ziarna ścierne utwierdzane są warstwą spoiwa zalewo- 
wego. 
Podłoża najczęściej wykonuje się z papieru, tkanin lub dzianin (dzianiny 
charakteryzują się tym, że nici wątka leżą na niciach osnowy i powiązane są 
szwami w punktach przecięć). Tkaniny wykonywane są z włókien naturalnych 
lub sztucznych (bardziej wytrzymałe). 
Ziarna ścierne stosowane w narzędziach nasypowych mogą być z mate- 
riałów naturalnych (korund, szmergiel, granat, krzemień) lub sztucznych 
(elektrokorund, węglik krzemu, borazon, diament syntetyczny). Ziarna ścierne 
winny charakteryzować się znaczną wytrzymałością i twardością a także trwa- 
łością cieplną i chemiczną. 
Stosowane spoiwa mogą być: klejowe, klejowo - żywiczne oraz żywiczne. 
W celu poprawienia warunków pracy narzędzi nasypowych do spoiw dodawane 
są wypełniacze (np. kreda, kryolit, parafina chlorowana). 
Ze względu na budowę wyroby ścierne nasypowe podzielić można na: 
jednowarstwowe, 
wielowarstwowe (kilka warstw ścierniwa - większa trwałość), 
przestrzenne (np. pęcherzykowate - cząstki ścierne tworzą przestrzenną 
strukturę, w której ziarna ścierne znajdują się na zewnątrz powłoki sfe- 
rycznej utworzonej przez spoiwo). 
Przykłady budowy wyrobów ściernych nasypowych pokazano na rys. 9.1. 


ol 


Ziarno 5cierne 
Spoiwo zalewowe 


Spoiwo podkładowe 
podłoże 


Spoiwo ziarno pęcherzykowate ziarno 
; sferycznego ./ sferyczne 
, / Spoiwo zalewowe 
/' ' 
Spoiwo podktadowe 
podłoże 


Rys.9.1. Budowa wyrobu ściernego nasypowego: a)jednowarstwowego, 
b) z zastosowaniem pęcherzykowatych ziarn sferycznych [22]. 


76 



9.2.2. Odmiany szlifowania taśmami ściernymi 


Klasyfikacja odmian szlifowania taśmowego może być prowadzona przy 
uwzględnieniu różnych kryteriów. Niektóre rozwiązania praktyczne szlifowania 
taśmami bezkońcowymi powierzchni płaskich, walcowych i ksztahowych 
przedstawiono na rys. 9.2. 


dl 


91 


2 


c) 


f) 


, 


Rys.9.2. Odmiany szlifowania taśmami ściernymi bezkońcowymi: 
l - przedmiot obrabiany, 2 - narzędzie, 3 - element dociskowy. 


e) 


Ze względu na ksztah powierzchni obrabianej rozróżnia się: 
szlifowanie płaszczyzn (rys. 9.2 a, b, c), 
szlifowanie powierzchni walcowych zewnętrznych (rys. 9.2 d, e) l we- 
wnętrznych (rys. 9.2f), 
szlifowanie powierzchni ksztahowych (rys. 9.2 g, h), 
szlifowanie profilowe (rys. 9.2 i). 


W zależności od sposobu wywierania nacisku narzędzia na przedmiot ob- 
rabiany szlifowanie dzieli się na: 
swobodne (rys. 9.2g), 
podporowe (rys. 9.2 a, b). 


77 



Biorąc pod uwagę wzajemne ruchy narzędzia i przedmiotu obrabianego 
rozróżnia się: 
szlifowanie wzdłużne (np. rys. 9.2 b), 
szlifowanie poprzeczne (np. rys. 9.2 c). 
Szlifowanie taśmowe może być prowadzone: 
ze stałą siłą docisku, 
ze stałym dosuwem. 
Kolejnym kryterium podziału jest ośrodek, w którym prowadzony jest 
proces obróbki. Szlifowanie taśmami ściernymi może być realizowane: 
na sucho, 
na mokro. 
W zależności od naddatku obróbkowego oraz wymagań odnośnie dokład- 
ności przedmiotu obrabianego i chropowatości powierzchni po obróbce, szli- 
fowanie może być prowadzone jako: 
zgrubne, 
ksztahujące, 
wykańczające. 


Dalsza klasyfIkacja szlifowania taśmami ściernymi wiąże się z ruchami 
wykonywanymi przez przedmiot obrabiany i narzędzie oraz ze stopniem me- 
chanizacji i automatyzacji obróbki [22]. 


9.2.3. Siły skrawania w procesie szlifowania taśmami ściernymi 


Siły skrawania występujące w procesie szlifowania taśmowego są ważnym 
wskaźnikiem szlifowalności obrabianego materiału. Znajomość wartości tych 
sił umożliwia określenie mocy silnika obrabiarki, obciążenia taśmy ściernej, 
nacisków w strefie skrawania, a także ilości wydzielającego się ciepła i tempe- 
ratury skrawania. 
Wypadkową siłę skrawania rozkłada się na dwie składowe: normalną Fn 
oraz styczną Ft. Rozkład nacisków podczas szlifowania podporowego pokazano 
na rys. 9.3 [22]. Widoczne jest przesunięcie siły Fn o wartość x w stosunku do 
osi tarczy dociskowej, które powoduje występowanie dodatkowego momentu 
oporu ruchu taśmy ściernej. Przesunięcie to jest efektem niesymetrycznego 
rozkładu nacisków spowodowanego tarciem wewnętrznym w układzie taśma - 
tarcza dociskowa. 
W literaturze [5,22] podawane są zależności empiryczne na obliczanie sił 
skrawania przy szlifowaniu taśmowym,. We wwrach tych uwzględniony jest 
wpływ takich czynników jak: materiał obrabiany, posuw wzdłużny, posuw po- 
przeczny, siła napięcia taśmy, szerokość szlifowania, prędkość skrawania, głę- 
bokość skrawania. 


78 



Właściwości fizyczne materiału obrabianego mają istotny wpływ na siły 
skrawania. Ze wzrostem twardości obrabianej stali stwierdzono zwiększanie się 
obydwu składowych sił skrawania, przy czym w większym stopniu wzrasta 
wartość składowej normalnej. 


z 


I,; 


x 


Rys.9.3. Rozkład nacisków podczas szlifowania taśmowego podporowego [22]. 


Siły skrawania zależą też od kierunku posuwu. Podczas szlifowania 
współbieżnego powierzchni płaskich siły skrawania są o 15 - 18% mniej sze niż 
przy szlifowaniu przeciwbieżnym. 
Siły skrawania rosną w miarę zwiększania głębokości skrawania, przy 
czym wzrost ten jest wyraźniejszy w przypadku obróbki stali i żeliwa niż przy 
obróbce stopu PA 7 [5]. 
Opory skrawania w dużym stopniu zależą też od prędkości taśmy ściernej 
VI' Krzywe obrazujące zależność oporu właściwego skrawania od prędkości VI 
charakteryzują się występowaniem punktu minimalnego w przedziale VI = 30 - 
38 m/s. Złożony charakter wpływu prędkości taśmy na opory skrawania tłuma- 
czony jest zmianami właściwości fizykomechanicznych materiału obrabianego 
powodowanymi rosnącą temperaturą szlifowania, zmianami adhezyjnej siły 
tarcia, zmniejszeniem głębokości skrawania oddzielnymi ziarnami, zwiększe- 
niem liczby ziarn w strefie obróbki [22]. Wyraźniejszy wpływ prędkości taśmy 
na opory skrawania zauważa się podczas szlifowania materiałów plastycznych. 
Wzrost sił skrawania następuje też w miarę zwiększania szerokości szlifowania 
oraz wzrostu siły napięcia taśmy. 
Siły skrawania przy szlifowaniu taśmą ścierną są o 20 - 25% niższe od sił 
skrawania przy szlifowaniu ściernicowym. Jest to tłumaczone tym, że spoiwa 
stosowane do produkcji narzędzi ściernych nasypowych charakteryzują się 
małym współczynnikiem tarcia. Wartość współczynnika tarcia spoiwa klejowe- 
go po metalu waha się w granicach 0,18 - 0,25 [22], natomiast dla spoiwa ce- 
ramicznego wartość tego współczynnika wynosi 0,61 - 0,72 [5]. 


79 



9.2.4. Budowa szlifierki taśmowej 


Budowa szlifierki taśmowej, na której przeprowadzane jest ćwiczenie, 
przedstawiona została schematycznie na rys. 9.4. Szlifierka ta wyposażona jest 
w siłomierz tensometryczny umożliwiający pomiar sił skrawania Fn i FI' 


ł 


( 


Rys.9.4. Schemat kinematyczny szlifierki taśmowej [13]. 


Przedmiot obrabiany 2 mocuje się za pomocą elementów mocujących 3 
w specjalnej oprawce 4. Do połączenia oprawki 4 ze stołem szlifierki zastoso- 
wane zostały elementy sprężyste l, na których naklejono tensometry 5, służące 
do pomiaru składowej Fn . Siła FI mierzona jest za pomocą tensometrów nakle- 
jonych na belce 6. Stół szlifierki wykonuje ruch posuwowy Vf. 
Taśma ścierna 11, napięta na rolkach 8, 12 i 13 porusza się z prędkością VI' 
Pokrętło 9 służy do zmiany napięcia taśmy za pomocą układu napinającego. 
Głębokość skrawania nastawiana jest za pomocą pokrętła 10. 
Wzorcowanie układu pomiarowego ze względu na składową Fn przepro- 
wadzane jest za pomocą ciężarków ustawianych na stole szlifierki.l\J"atomiast 
ze względu na składową FI układ wzorcowany jest za pomocą cięzarków 7, 
zawieszanych na lince przerzuconej przez ułożyskowaną rolkę. 
80 



9.3. Pytania kontrolne 


l. Charakterystyka obróbki narzędziami ściernymi nasypowymi. 
2. Zalety szlifowania taśmami ściernymi. 
3. Budowa narzędzi ściernych nasypowych. 
4. Klasyfikacja szlifowania taśmami ściernymi. 
5. Siły występujące w procesie szlifowania taśmowego. 
6. Czynniki wpływające na siły skrawania przy szlifowaniu taśmowym. 
7. Budowa szlifierki taśmowej. 
Literatura uzupełniająca [5, 13,21,22]. 


9.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a. Szlifierka taśmowa. 
b. Wzmacniacz tensometryczny. 
c. Rejestrator. 
d. Taśmy ścierne. 
e. Próbki materiału obrabianego. 
f. Komplet ciężarków do wzorcowania układu pomiarowego. 


9.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Zamocować badaną próbkę w oprawce stołu szlifierki taśmowej. 
2. Przeprowadzić wzorcowanie układu ze względu na siłę normalną i styczną. 
3. Zamontować taśmę ścierną. 
4. Przeprowadzić pomiary sił skrawania Fn i FI podczas szlifowania taśmą 
ścierną, zmieniają
 posuw i,głębokość skrawania. 
5. Opracować sprawozdanie', które powinno zawierać: 
opis stanowiska badawczego, 
opis wzorcowania układu i przeprowadzenia pomiarów, 
wyniki pomiarów, 
wykresy siły normalnej i stycznej w funkcji głębokości skrawania i po- 
suwu, 
wnioski. 


81 



" 



Ćwiczenie 10 


TECHNOLOGIA DRĄŻENIA ELEKTROEROZYJNEGO 


10.1. Cel ćwiczenia 


Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów ze wskaźnikami technologicz- 
nymi oraz zasadami doboru parametrów technologicznych drążenia elektroero- 
zyjnego. 


10.2. Wiadomości ogólne 


Obróbką elektroerozyjną nazywane są sposoby usuwania zewnętrznych 
warstw materiału obrabianego poprzez zastosowanie erozji elektrycznej. Erozja 
ta następuje w wyniku krótkotrwałych wyładowań elektrycznych pomiędzy 
dwiema elektrodami, znajdującymi się w pewnej odległości względem siebie, 
z których jedną jest przedmiot obrabiany, a drugą - narzędzie (elektroda robo- 
cza). Obie elektrody zanurzone są w cieczy dielektrycznej. W otoczeniu wyła- 
dowań temperatura wzrasta do bardzo dużych wartości (tysiące, dziesiątki ty- 
sięcy kelwinów), w rezultacie czego następuje topienie a nawet parowanie ma- 
teriału elektrod. Usuwanię materiału następuje też na skutek rozrywania spo- 
wodowanego naprężeniami pochodzącymi od wysokiego gradientu tempe- 
ratury. 


10.2.1. Obróbka elektroiskrowa i elektroimpulsowa 


W zależności od przebiegu wyładowań elektrycznych obróbkę elektroero- 
zyjną dzieli się na elektroiskrową i elektroimpulsową. 
Obróbka elektroiskrowa realizowana jest za pomocą generatorów relaksa- 
cyjnych (zależnych). Najstarszym układem relaksacyjnym jest układ typu RC 
(rys. 10.1). W układzie tym wyróżnia się obwód ładowania i obwód wyładowa- 
nia. Ze źródła prądu stałego Z poprzez rezystor R następuje ładowanie konden- 
satora C, przez co narasta napięcie między elektrodami w obwodzie wyładowa- 
nia. Napięcie to wzrasta w czasie te, zwanym czasem ładowania, do osiągnięcia 
napięcia granicznego U g (rys. 10.2). Rosnące napięcie umożliwia zjonizowanie 
83 



szczeliny między elektrodą roboczą l a przedmiotem obrabianym 2. Po osią- 
gnięciu wartości napięcia równej U g następuje wyładowanie iskrowe w szczeli- 
nie, prowadzące do gwahownego spadku napięcia w obwodzie wyładowania. 
Obwód ładowa" ia Obwód wyładowania 


z 


c 


R 


+ 


Rys.10.1. Schemat generatora typu RC. 


o 


t 


Rys. 10.2. Przebieg zmian napięcia w obwodzie RC [II]. 


Czas spadku napięcia t w nazywany jest czasem wyładowania, natomiast czas, 
który upływa od zakończenia wyładowania do zdejonizowania szczeliny robo- 
czej nazywa się czasem dejonizacji td. 
Wartość napięcia na kondensatorze zmienia się według zależności: 


U=U{l-ex p 

 ) 


(10.1) 


gdzie: 


U o - 
t 
C 
R 


napięcie źródła prądu, 
czas ładowania, 
pojemność kondensatora, 
rezystancja w obwodzie ładowania. 


84 



Natomiast zależność na wa:t0ść prądu w obwodzie ładowania ma postać: 


. U o -t 
l = -exp- 
R RC 


(10.2) 


Oprócz generatorów RC stosowane są generatory zależne z indukcyjnością 
w obwodzie ładowania, oznaczane RLC, a także z indukcyjnością oraz rezy- 
stancją w obwodzie ładowania i wyładowania- RLCLR [1]. 
Obróbka elektroimpulsowa charakteryzuje się tym, że wyładowania elek- 
tryczne powodujące usuwanie materiału obrabianego są wyładowaniami sta- 
cjonarnymi (napięcie i natężenie prądu mają wartości stałe lub w przybliżeniu 
stałe). 
W obróbce elektroimpulsowej stosowane są generatory niezależne 
(częstotliwość wyładowań nie zależy od stanu szczeliny iskrowej). 
Schemat generatora niezależnego z wielobiegunową prądnicą prądu stałe- 
go l pokazano na rys. 10.3 [6]. W obwodzie tym występują wyłączniki elek- 
tryczne długości impulsu 2 i częstości impulsu 3 oraz element wzmacniający 4. 


R 


2 


J 


Rys. 10.3. Schemat generatora impulsowego (niezależnego) [6]. 


'- 


Przebieg zmian napięcia i natężenia prądu dla generatora niezależnego pokaza- 
no na rys. 10.4. Generator impulsowy umożliwia ustalanie czasu trwania impul- 
su te oraz czasu przerwy t p . W początkowej fazie wyładowania napięcie obniża 
się od wartości UD do wartości granicznej U g . Czas przerwy t p należy tak do- 
brać, aby umożliwić dejonizację dielektryka. 
Ze względu na swoje zalety coraz częściej stosowane są generatory tranzy- 
_ storowe (rys. 10.5). W stanie przewodzenia prąd ze źródła nap ięci a U z pr ze- 
pływa przez tranzystor mocy T, rezystory zabezpieczające Rz, elektrodę robo- 
czą, szczelinę międzyelektrodową i przedmiot obrabiany. Generatory te umoż- 
liwiają nastawianie czasu impulsu i czasu przerwy w bardzo szerokich grani- 
cach, pozwalają też na zwiększenie dokładności obróbki [1]. 


85 



.2 
c 
j 
-8 
£! 
>. 

 
aJ U o 
'0 
.9r U g 
Q. 
a 
z 
.fi2 
c 

 
"C 
S 
tJw 

 

 


u 


t 


CZQ5 


t 


CZQS 
Rys. 10.4. Przebieg wyładowania dla generatora niezaleŻllego [6]. 


tuz 


T 


Rys. 10.5. Schemat generatora tranzystorowego [l]. 


10.2.2. Wskaźniki technologiczne drążenia elektroerozyjnego 


Przebieg procesu drążenia elektroerozyjnego oraz uzyskiwane rezultaty 
charakteryzowane są za pomocą wskaźników technologicznych. Definicje oraz 
zakres stosowania tych wskaźników szczegółowo omawia M. Siwczyk [23]. 
Do najważniejszych wskaźników drążenia elektroerozyjnego należy zali- 
czyć: 


l. Objętościową wydajność drążenia 
Qv = V m = 1000 mp -m k [ mrr: 3 ] 
t Pmt mm 


(10.3) 


86 



gdzie: 
V m 
t 


mp 
mk 
pm 


objętość wyerodowanego materiału w mm 3 , 
czas drążenia w minutach, 
masa materiału przed drążeniem w g, 
masa materiału po drążeniu w g, 
masa właściwa materiału obrabianego w g/cm 3 . 


2. Prędkość drążenia 
_ gw [ mm ] 
v d -- --:- 
t mm 


(10.4) 


gdzie: gw - grubość wyerodowanej warstwy materiału w mm. 


3. Wskaźnik objętościowego, względnego zużywania się elektrod roboczych: 


gdzie: 
V E - 

mm- 

mE- 
{JE 


V, 
m ----1i. 
v- 
V m 


l:1m E Pm 
= 

mmPE 


(10.5) 


objętościowy ubytek elektrody roboczej w mm 3 , 
masa wyerodowanego materiału w g , 
masowy ubytek elektrody roboczej w g , 
masa właściwa materiału elektrody roboczej w gtcm 3 . 


4. Wskaźnik liniowego, względnego zużywania się elektrod roboczych 
ME 
mi = - (10.6) 
gw 
gdzie: 
IE - liniowy ubytek elektrody roboczej w mm. 


5. Boczna szczelina międzyelektrodowa (rys. 10.6): 
Dw 
dE' Sw 


E 



 
co 
II 


Rys. 10.6. Boczne szczeliny międzyelektrodowe przy elektroerozyjnym drążeniu 
wgłębień: E - elektroda robocza, W - przedmiot obrabiany [23]. 


87 



s = Dw - dE 
W 2 


(10.7) 


gdzie: 
Dw - 


średnica wydrążonego wgłębienia przy wejściu elektrody roboczej 
w materiał obrabiany, 
średnica elektrody roboczej. 


dE 


6. Zbieżność drążonych otworów: 
Z - Dl - Do 
0- 
lo 


(10.8) 


gdzie: 
Dl - średnica otworu przy wejściu elektrody roboczej, 
Do- średnica otworu przy wyjściu elektrody roboczej, 
lo - głębokość wydrążonego otworu. 


7. Chropowatość i falistość powierzchni (określenia podstawowych wskaźni- 
ków chropowatości i falistości powierzchni podane są np. w pracy [18]). 
8. Grubość warstwy wierzchniej (to jest warstwy, której właściwości zostały 
zmienione na skutek przeprowadzonej obróbki elektroerozyjnej). 


10.2.3. Budowa drążarki elektroerozyjnej 


Efekty obróbki elektroerozyjnej w dużym stopniu uzależnione są od jako- 
ści obrabiarek, na których obróbka ta jest realizowana. Do najbardziej rozpo- 
wszechnionych obrabiarek elektroerozyjnych należą drążarki. Drążarka 
elektroerozyjna składa się z zespołów mechanicznych, elektrycznych i hydrau- 
licznych. Główne zespoły obrabiarki elektroerozyjnej pokazane zostały 
na rys. 10.7. 
Zespół mechaniczny drążarki składa się z korpusu 12, stołu roboczego 8 
i głowicy 3. Korpus powinien charakteryzować się znaczną sztywnością i dużą 
odpornością na działanie cieplne. Może on być monolityczny lub składany. 
Na pionowych prowadnicach korpusu umieszczona jest głowica 3, w której 
umiejscowione są urządzenia sterujące ruchami elektrody roboczej 5, mocowa- 
nej do płyty narzędziowej 4. Przedmiot obrabiany 7 mocowany jest na stole 
roboczym 8, znajdującym się w wannie roboczej 6. W czasie drążenia wanna 6 
napełniana jest cieczą dielektryczną, pompowaną ze zbiornika 11. W celu 
oczyszczenia ciecz przechodzi przez układ filtrowania. Pozycjonowanie przed- 
miotu obrabianego względem elektrody roboczej odbywa się za pomocą po- 
kręteł 9 i 10. 
Realizacja obróbki elektroerozyjnej wymaga doprowadzania do szczeliny 
iskrowej impulsów napięcia. Wytwarzanie impulsów odbywa się w generato- 


88 



rach l. Drążarka, na której wykonywane jest ćwiczenie, wyposażona jest 
w generator zasobnikowy (relaksacyjny) i tranzystorowy. Do sterowania pracą 
obrabiarki służy szafa sterownicza 2. 


1 


3 
4 
5 . 
6 """'.""'" 


DD 


Rys. 10.7. Widok ogólny drążarki elektroerozyjnej. 


10.2.4. Ogólne zasady doboru parametrów drążenia otworów 


Parametry technologiczne drążenia elektroerozyjnego winny być dobierane 
w taki sposób, aby zapewniona była wymagana dokładność wymiarowo - 
ksztahowa i chropowatość powierzchni obrabianego otworu przy możliwie 
najmniej szych kosztach jednostkowych. Rozróżnia się obróbkę ksztahującą 
i wykańczającą. 
Drążenie ksztahujące powinno być prowadzone przy parametrach techno- 
logicznych zapewniających minimalny czas obróbki. Drążarki elektroerozyjne 
mają skokową regulację parametrów obróbki (tzw. stopnie robocze, których 
zwykle jest kilkanaście). W dokumentacji technicznej drążarki podana jest mi- 
nimalna powierzchnia drążenia Amin oraz wydajność objętościowa obróbki Qv 
dla poszczególnych stopni roboczych. Przy ustalaniu parametrów drążenia 
ksztahującego należy obliczyć powierzchnię drążonego otworu, a następnie 
dobrać taki stopień roboczy, dla którego powierzchnia drążenia jest większa od 
powierzchni Amin a wydajność Qv możliwie największa. 
W przypadku gdy drążarka, mimo prawidłowo ustawionych parametrów, 
pracuje nierównomiernie (np. występują częste zwarcia elektrod), należy prze- 
prowadzić korektę warunków obróbki. 


89 



Proces drążenia ksztahującego powinien być poprzedzony fazą wstępną, 
prowadzoną przy znacznie "łagodniejszych" parametrach. Podyktowane jest 
to koniecznością niedopuszczenia do nadmiernego zwiększenia gęstości prądu 
w początkowej fazie obróbki, kiedy elektroda robocza pracuje częścią swojej 
powierzchni z powodu błędów ksztahu elektrody jak i błędów ustawienia elek- 
trody względem powierzchni przedmiotu. 
Obróbka wykańczająca powinna zapewnić wymaganą chropowatość po- 
wierzchni oraz dokładność drążonego otworu. Ważny jest też czas maszynowy, 
gdyż często czas drążenia wykańczającego jest większy od czasu drążenia 
ksztahującego. Aby zminimalizować czas maszynowy należy prowadzić obrób- 
kę przy maksymalnych prędkościach drążenia [23]. 
Dobór parametrów ze względu na wymaganą chropowatość powierzchni 
sprowadza się do wybrania odpowiedniego stopnia roboczego na podstawie 
dokumentacji technicznej drążarki (podane są chropowatości powierzchni uzy- 
skiwane przy stosowaniu poszczególnych stopni roboczych). Należy też pa- 
miętać, że chropowatość elektrody roboczej powinna być mniejsza od chropo- 
watości powierzchni obrabianej. 
Dokładność wymiarowo - ksztahowa drążonych otworów zależy od wielu 
czynników, z których ważniejsze to: 
tolerancja elektrod roboczych, 
dokładność drążarki, 
zużycie elektrod roboczych, 
sposób podawania cieczy dielektrycznej, 
zanieczyszczenie cieczy dielektrycznej. 


10.3. Pytania kontrolne 


l. Podstawy procesu erozji elektrycznej. 
2. Źródła impulsów elektrycznych w obróbce elektroerozyjnej. 
3. Definicje wskaźników technologicznych drążenia elektroerozyjnego. 
4. Uproszczony schemat drążarki elektroerozyjnej. 
5. Zadania poszczególnych zespołów drążarki. 
6. Zasady doboru parametrów drążenia ksztahującego i wykańczającego. 
Literatura uzupełniająca [1, 11, 19,23]. 


10.4. Wyposażenie stanowiska laboratoryjnego 


a. Drążarka elektroerozyjna. 
b. Elektrody robocze. 
c. Próbki materiału drążonego. 
d. Waga laboratoryjna. 
90 



e. Profilometr. 
f. Czasomierz. 
g. Głębokościomierz mikrometryczny. 
h. Mikrometr. 


10.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Obliczyć powierzchnię drążenia podczas obróbki ksztahującej (wymiary 
elektrody roboczej zmierzyć za pomocą mikrometru). 
2. Korzystając z dokumentacji technicznej drążarki i uwzględniając po- 
wierzchnię drążenia dobrać parametry technologiczne drążenia ksztahują- 
cego. 
3. Uwzględniając chropowatość powierzchni po drążeniu (wartość tej chro- 
powatości poda prowadzący zajęcia) dobrać w oparciu o dokumentację 
techniczną drążarki parametry technologiczne obróbki wykańczającej. 
4. Zważyć próbki oraz elektrody do drążenia ksztahującego i wykańczającego. 
5. Przeprowadzić próbę drążenia ksztahującego i wykańczającego mierząc 
czas drążenia. 
6. Ponownie zważyć próbki oraz elektrody robocze. 
7. Zmierzyć głębokość otworu wydrążonego przy parametrach dla obróbki 
ksztahującej. 
8. Zmierzyć chropowatość powierzchni po drążeniu wykańczającym. 
9. Obliczyć, korzystając ze wzorów (10.3), (10.4) i (10.5): 
objętościową wydajność drążenia, 
prędkość drążenia, 
wskaźnik objętościowego, względnego zużywania się elektrod roboczych. 
10. Opracować sprawozdanie, które winno zawierać: 
opis przeprowadzonych pomiarów 
wyniki pomiarów i obliczeń, 
uwagi i wnioski. 


---:::-- 
.-....
EK.A OLej'.' 

/' '-0 Itr 
(
v t 
 
l;; . p-.
.K
 r
. .
) 
\ A '1 ....0/ 
\. ''/,o 

 

leChniki L
 e:/ 


91 



e. Profilometr. 
f. Czasomierz. 
g. Głębokościomierz mikrometryczny. 
h. Mikrometr. 


10.5. Przeprowadzenie ćwiczenia 


l. Obliczyć powierzchnię drążenia podczas obróbki ksztahującej (wymiary 
elektrody roboczej zmierzyć za pomocą mikrometru). 
2. Korzystając z dokumentacji technicznej drążarki i uwzględniając po- 
wierzchnię drążenia dobrać parametry technologiczne drążenia ksztahują- 
cego. 
3. Uwzględniając chropowatość powierzchni po drążeniu (wartość tej chro- 
powatości poda prowadzący zajęcia) dobrać w oparciu o dokumentację 
techniczną drążarki parametry technologiczne obróbki wykańczającej. 
4. Zważyć próbki oraz elektrody do drążenia ksztahującego i wykańczającego. 
5. Przeprowadzić próbę drążenia ksztahującego i wykańczającego mierząc 
czas drążenia. 
6. Ponownie zważyć próbki oraz elektrody robocze. 
7. Zmierzyć głębokość otworu wydrążonego przy parametrach dla obróbki 
ksztahującej. 
8. Zmierzyć chropowatość powierzchni po drążeniu wykańczającym. 
9. Obliczyć, korzystając ze wzorów (10.3), (10.4) i (10.5): 
objętościową wydajność drążenia, 
prędkość drążenia, 
wskaźnik objętościowego, względnego zużywania się elektrod roboczych. 
10. Opracować sprawozdanie, które winno zawierać: 
opis przeprowadzonych pomiarów 
wyniki pomiarów i obliczeń, 
uwagi i wnioski. 


---:::-- 
.-....
EK.A OLej'.' 

/' '-0 Itr 
(
v t 
 
l;; . p-.
.K
 r
. .
) 
\ A '1 ....0/ 
\. ''/,o 

 

leChniki L
 e:/ 


91 



LITERATURA 


l. Albiński K, Miemikiewicz A., Ruszaj A., Zimny l.: Laboratorium obróbki 
erozyjnej. PWN Warszawa 1980. 
2. Bielski l.: Optymalizacja parametrów nagniatania i skrawania materiału 
z umocnioną nagniataniem warstwą skrawaną. Mechanik Nr 9/1983. 
3. Borkowski l.: Zużycie i trwałość ściernic. PWN Warszawa 1990. 
4. Dmochowski l.: Podstawy obróbki skrawaniem. PWN Warszawa 1978. 
5. Feld M., Szpunar A.: Szlifowanie materiałów konstrukcyjnych taśmami 
ściernymi. WNT Warszawa 1977. 
6. Filipowski R., Marciniak M.: Technologia maszyn i obrabiarki. Wyd. Poli- 
techniki Warszawskiej. Warszawa 1989. 
7. Górecka R., Polański Z.: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT Warszawa 
1983. 
8. Górski E.: Poradnik narzędziowca. WNT Warszawa 1989. 
9. Górski E.: Technologia maszyn. Podstawy skrawania. Wyd. Politechniki 
Warszawskiej. Warszawa 1970 
10. Grzesik T.: Skrawanie staliwa Hadfielda z podgrzewaniem za pomocą łuku 
elektrycznego. Mechanik Nr 7/1984. 
11. Kaczmarek l.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i erozyjnej. WNT 
Warszawa 1970. 
12. Kawalec M., Kodym l., lankowiak M.: Laboratorium z podstaw skrawania. 
Wyd. Politechniki Poznańskiej. Poznań 1984. 
13. Kądziołka B., Parol A., Stefaniuk A.: Laboratorium obróbki mechanicznej. 
Wyd. Politechniki Lubelskiej. Lublin 1980. 
14. Kiepuszewski B., Legutko S., Wieczorowski K: Skrawanie metali. Wyd. 
Politechniki Poznańskiej. Poznań 1980. 
15. Oczoś K: Ksztahowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami 
energii. Rzeszów 1988. 
16. Oczoś K: Skrawanie z plazmowym nagrzewaniem materiału. Mechanik 
Nr 5/1988. 
17. Oczoś K, Porzycki l.: Szlifowanie. Podstawy i technika. WNT Warszawa 
1986. 
18. Parol A., Zaleski K: Laboratorium obróbki skrawaniem i obrabiarek. Cz. I. 
Wyd. Politechniki Lubelskiej. Lublin 1990. 
19. Parol A., Zaleski K: Laboratorium obróbki elektroerozyjnej. Wyd. WSlnż. 
Lublin 1977. 


93 



20. Podurajew W.N., Jarosławcew W.M., Jarosławcewa N.A.: Effiektiwnost 
obrabotki riezanijem s opiereżajuszczim płasticzeskim dieformirowanijem. 
Vestnik Maszinostrojenije Nr 12/1972. 
21. Praca zbiorowa. Poradnik inżyniera. Obróbka skrawaniem. Tom 1. WNT 
Warszawa 1991. 
22. Pszczołowski W., Rosienkiewicz P.: Obróbka ścierna narzędziami nasypo- 
wymi. WNT Warszawa 1995. 
23. Siwczyk M.: Obróbka elektroerozyjna. Technologia i zastosowanie. WNT 
Warszawa 1981. 
24. Żuczkov N.S. i in.: Powyszenije effiektiwnosti obrabotki riezanijem zago- 
towok iż titanowych spławowo Maszinostrojenije. Moskwa 1989. 


94