KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA
I AUTOMATYZACJI
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Przedmiot:
OBRÓBKA SKRAWANIEM I NARZĘDZIA
Nr ćwiczenia : 6
Temat:
Szlifowanie cz. I.
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z materiałami ściernymi oraz spoiwami, rodzajami ściernic,
ogólną budową ściernicy, oznakowaniem ściernicy oraz przygotowaniem ściernicy do pracy.
2. Wyposażenie stanowiska
- Ściernice
- Zestaw do wyważania statycznego ściernicy
- Narzędzia do ostrzenia ściernic (obciągacze)
- Instrukcja do ćwiczenia
3. Przebieg ćwiczenia
- Zapoznanie się z materiałami stosowanymi na ściernice.
- Zapoznanie się z rodzajem spoiw stosowanych w ściernicach.
- Zapoznanie się z oznakowaniem ściernicy.
- Przeprowadzenie wyrównoważenia statycznego ściernicy.
- Przeprowadzenie obciągania ściernicy.
Literatura:
- Poradnik inżyniera „Obróbka skrawaniem tom I” WNT Warszawa 1991 r.
- Dul – Korzyńska B. „ Obróbka skrawaniem i narzędzia” OWPR Rzeszów
- Cichosz P. „Techniki wytwarzania obróbka ubytkowa” OWPW Wrocław 2002 r.
Opracował:
Uwagi: Załącznikiem jest instrukcja szczegółowa
1. Wprowadzenie.
Szlifowanie należy do obróbki ostrzem o nieokreślonej geometrii i polega na
mikroskrawaniu materiału obrabianego przez ziarna ścierne związane ze spoiwem.
Narzędziem jest ściernica, która wykonuje ruch główny obrotowy, a ruch posuwowy
wykonuje zazwyczaj przedmiot obrabiany ewentualnie ściernica. Szlifowanie jest
przeważnie ostatnią operacją wykonywaną w całym procesie technologicznym, ma na
celu poprawę dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni, po operacjach
wcześniejszych, takich jak toczenie, frezowanie itp.
2. Charakterystyka materiałów ściernych i spoiw.
Uwzględniając charakter pracy ściernicy, materiał ścierny powinien charakteryzować
się następującymi właściwościami:
Odpornością na ścieranie,
Dużą twardością,
Dużą wytrzymałością na zginanie i ściskanie,
Ostrymi krawędziami i narożami ziaren,
Dobrą łupliwością,
Dobrą przewodnością cieplną,
Odpornością na wysoką temperaturę.
Do najczęściej stosowanych i używanych materiałów ściernych zalicza się:
Elektrokorund – jest materiałem sztucznym otrzymywanym z elektrokorundu
naturalnego. W zależności od zawartości tlenku glinu (Al
2
O
3
) elektrokorund ma różne
zabarwienie, strukturę i właściwości. W przemyśle najczęściej stosowanymi
odmianami elektrokorundu są:
Elektrokorund zwykły (zawiera poniżej 90% Al
2
O
3
) – używany tylko do wyrobu
narzędzi do zgrubnych i mało dokładnych operacji – oznaczenie 95A.
Elektrokorund półszlachetny (91 – 96% Al
2
O
3
) o barwie ciemnoczerwonej lub
brunatnej – oznaczenie 97A.
Elektrokorund szlachetny (97 – 99% Al
2
O
3
) o barwie białej lub lekko różowej. Dzięki
wysokiej twardości, wytrzymałości i ostrym krawędziom ziarna elektrokorundu
białego są bardzo dobrym materiałem ściernym - oznaczenie 99A.
Elektrokorund chromowy (minimum 97% Al
2
O
3
). Dodanie w procesie wytwarzania
tlenku chromu powoduje znaczny wzrost właściwości mechanicznych.
Elektrokorund cyrkonowy (o zawartości do 40% ZrO
2
) - ściernice tego typu ze
spoiwem żywicznym stosowane są do szlifowania zgrubnego przy dużych naciskach,
ze
zwiększonymi
prędkościami oraz do obróbki stali nierdzewnych i
wysokostopowych.
Twardość elektrokorundu wg. Skali Mohsa wynosi 9, a wg. Metody Knoopa HK =
16.35 – 21.5 GPa
Węglik krzemu SiC (karborund) jest kolejnym powszechnie stosowanym
materiałem ściernym o twardości 9,5 wg Mohsa, a wg. Knoopa HK=24,5 GPa.
Wyróżnia się węglik krzemu zielony i czarny oznaczone kolejno 99C i 98C. Węglik
krzemu zielony zawiera minimum 98% SiC, posiada większą twardość od czarnego,
ale jest bardzo kruchy i łupliwy. Zdolność ścierna zielonego jest o około 20 razy
większa niż czarnego. Pod względem twardości ustępuje tylko diamentowi i CBN.
Ściernice z zielonego SiC stosowane są do szlifowania narzędzi ze stali szybkotnącej,
węglików spiekanych, ceramiki i do obciągania ściernic.
Węglik krzemu czarny zawiera 95% SiC jest o mniejszej twardości i większej
udarności. Narzędzia z czarnego węglika krzemu stosowane są do szlifowania żeliwa
szarego, niemetali, szkła, tworzyw sztucznych, gumy i skóry.
Diament jest jedną z alotropowych postaci węgla o twardości wg. Mohsa 10, a wg.
Knoopa HK=70 GPa. Charakteryzuje się niezwykle wysoką odpornością na ścieranie,
a jego ostre krawędzie długo zachowują swoje własności skrawne. Możemy wyróżnić
diament w postaci naturalnej bądź syntetycznej. Diament stosowany jest do
szlifowania węglików spiekanych, ceramiki, szkła, krzemu. Granica odporności
cieplnej diamentu wynosi 800
o
C, co jest jego wadą.
Regularny azotek boru (CBN) jest to związek chemiczny boru i azotu o
właściwościach fizycznych zbliżonych do właściwości diamentu, lecz o większej
odporności na wysoką temperaturę. Jego twardość jest nico mniejsza od diamentu i
wynosi wg. Knoopa HK=47GPa. Stosowany jest na ściernice do szlifowania stali
szybkotnącej i innych materiałów narzędziowych, nie nadaje się do obróbki twardych i
kruchych materiałów jak WC, szkło, ceramika. Do zalet CBN można zaliczyć dużą
odporność na zużycie i dużą wydajność oraz niską temperaturę szlifowania.
Spoiwo jest składnikiem ściernic a jego zadaniem jest powiązanie poszczególnych ziaren
ściernych w porowate ciało stałe. Spoiwo powinno cechować się:
Odpowiednią wytrzymałością w zależności od zastosowanego materiału ściernego
Odpornością na wpływy chemiczne i wilgoć,
Zdolnością do tworzenia porów spełniających rolę rowków wiórowych.
Do najczęściej stosowanych spoiw zalicza się:
Ceramiczne
Magnezowe
Krzemianowe
Żywice naturalne
Żywice sztuczne
Gumowe
Metalowe spiekane
Metalowe galwaniczne
Klejowe
Klejowo żywiczne
Spoiwa ceramiczne są odporne na zmiany temperatur i na działanie ługów i olejów.
Są niewrażliwe na wilgoć, co pozwala stosować przy szlifowaniu z obfitym
chłodzeniem. Stosowane są do wszystkich materiałów ściernych.
Spoiwa żywiczne mają dużą wytrzymałość, elastyczność oraz właściwości
polerowania powierzchni szlifowanej. Wadą spoiw żywicznych jest wrażliwość na
działanie chłodziw zawierających zasady oraz na temperaturę (200 – 250 °C). Mają
zastosowanie w ściernicach konwencjonalnych i diamentowych w obróbce zgrubnej, a
także w operacjach związanych z wygładzaniem powierzchni.
Spoiwa gumowe wykazują dużą elastyczność oraz dużą wytrzymałość na rozciąganie
i zginanie, co pozwala wykonywać ściernice grubości do 0,1 mm. Spoiwa tego typu są
mało odporne na działanie ciepła, gdyż miękną już powyżej 150°C. Stosowane są do
wyrobu ściernic przeznaczonych do cięcia, szlifowania powierzchni kształtowych,
gwintów, oraz bardzo gładkiego wykończenia powierzchni.
Spoiwa metalowe stosowane są do wyrobu ściernic z materiałów supertwardych i
wykazują dużą wytrzymałością na obciążenia mechaniczne, cieplne i chemiczne.
Spoiwa metalowe mogą być spiekane lub nanoszone w wyniku elektrolizy – spoiwa
galwaniczne.
3. Struktura ściernicy.
Ponieważ metodą ścierną obrabia się części o różnych kształtach i wymiarach, a przy
tym takie same powierzchnie w takich samych przedmiotach mogą być kształtowane z
zastosowaniem różnych odmian kinematycznych, więc i narzędzia do obróbki ściernej
są bardzo zróżnicowane pod względem kształtów i wymiarów.
Ściernicą nazywamy bryłę o ustalonym kształcie i wymiarach, w której ziarna ścierne
są związane w sposób dostatecznie trwały za pomocą spoiwa.
Strukturą narzędzia nazywamy procentowy udział ziaren ściernych w objętości całej
ściernicy. W zależności od frakcji ziarna oraz udziału ścierniwa możemy wyróżnić
strukturę ściernic: zwartą, średnią, otwartą. Ściernice o równej twardości i różnej
strukturze mają jednakową względną objętość porów, różnią się jednak ilością i
wielkością komórek porowych. Ściernice o strukturze zwartej mają dużą liczbę
małych porów, a o strukturze otwartej - małą liczbę dużych porów. Klasyfikacje
struktury ściernic przedstawiono na rys. 2.
Rys. 1. Struktura ściernicy.
4. Twardość ściernicy.
Twardością ściernicy nazywamy opór, który stawia spoiwo wiążące ziarna ścierne w
masę ściernicy, przeciw wykruszaniu ziaren pod działaniem sił zewnętrznych.
Twardość ściernicy nie zależy od twardości materiału ściernego, lecz od spoiwa, tzn.
od siły, z jaką utrzymuje ono w sobie ziarna materiału ściernego. Im mocniej ziarna są
osadzone w spoiwie, tym większa siła jest potrzebna by je stamtąd wyrwać. Spoiwo
powinno dopóty utrzymywać ziarno, dopóki jest ono ostre.
Twardość ściernic oznacza się za pomocą symboli literowych (rys. 2). Twardość
ściernicy zależy od właściwości wytrzymałościowych spoiwa i od grubości warstewek
wiązania łączącego poszczególne ziarna. Im większa jest zawartość spoiwa w
objętości ściernicy, tym większa jest jej twardość. Przy większej zawartości spoiwa
objętość porów jest mniejsza. Można więc powiedzieć, że twardość ściernicy jest tym
większa, im mniejsza jest objętość porów w stosunku do objętości całego narzędzia.
Twardość
Oznaczenie
Wskaźnik t
Objętość porów V
p
%
bardzo miękkie
E
F
G
0
1
2
49,5
48,0
46,5
miękkie
H
I
J
K
3
4
5
6
45,0
43,5
42,0
40,5
średnie
L
M
7
8
39,0
37,5
N
O
9
10
36,0
34,5
twarde
P
Q
R
S
11
12
13
14
33,0
31,5
30,0
28,5
bardzo twarde
T
U
W
Z
15
16
17
18
27,0
25,5
24,0
22,5
Rys. 2. Twardość ściernicy.
5. Wielkość ziarna ściernicy.
Materiał ścierny po zmieleniu sortuje się według wielkości ziaren. Ziarna oznacza się
numerami według charakterystycznych wymiarów (długości l, szerokości a i
wysokości h) najmniejszego prostopadłościanu opisanego na ziarnie.
Wielkość ziaren o szerokości a
53
m określa się metodą przesiewania przez
standardowe sita o znormalizowanej grubości drutu i wielkości oczek. Liczba
określająca wielkość ziarna ściernego oznacza w przybliżeniu liczbę oczek na 1 cal
bieżący sita, przez które przechodziło ziarno, a zatrzymywało się na kolejnym sicie o
drobniejszych oczkach. Wielkość mikroziaren o szerokości a
m określa się metodą
sedymentacji (sedymentacja jest to oddzielanie ciał stałych od cieczy przez
wykorzystanie opadania cząstek ciała stałego pod działaniem siły ciężkości).
6. Kształt i wymiary ściernicy.
Sposób oznaczania kształtu ściernicy i wszystkich pozostałych cech jest ściśle
określony w polskich normach.
Rys. 3. Przykłady kształtów ściernic.
7. Oznaczenie ściernic.
Typowe kodowanie ściernicy składa się z następujących informacji:
Typ ściernicy (talerzowa, garnkowa, trzpieniowa, płaskie)
Geometrii ściernicy
Rodzaju ścierniwa
Wielkości ziarna
Twardości ściernicy
Struktury
Rodzaju spoiwa
Na rys. 4 przedstawiono oznaczenie ściernicy konwencjonalnej a na rys. 5 oznaczenie
ściernicy z materiału supertwardego.
Rys. 4. Oznaczenie ściernicy konwencjonalnej.
Rys. 5. Oznaczenie ściernicy z materiału supertwardego.
8. Przygotowanie ściernicy do pracy.
Wyrównoważenie statyczne
Wyrównoważenie statyczne ściernicy jest stanem równowagi ściernicy, w którym jej
środek ciężkości leży na osi obrotu. Niewyrównoważenie statyczne oznacza, że środek
masy ściernicy jest przesunięty o odległość e, zwaną mimośrodowością środka masy.
Miarą niewyrównoważenia jest iloczyn masy M ściernicy oraz mimośrodowości e
(rys. 6). W praktyce jako miarę niewyrównoważenia przyjmuje się masę zastępczą m,
której środek leży na okręgu o promieniu R w płaszczyźnie przechodzącej przez
środek masy ściernicy S i oś obrotu O tak dobraną, aby był spełniony warunek:
Niewyrównoważenie ściernicy powoduje powstawanie drgań, zużywania się łożysk
szlifierki oraz wpływa niekorzystnie na dokładność wymiarową i chropowatość
powierzchni. Do wyważania stosuje się wyważarki, przyrządy pryzmowe i krążkowe
oraz wagi.
Rys. 6. Niewyrównoważenie ściernicy.
Wyrównoważenie dynamiczne
Ściernice o szerokości większej niż 126 mm, ściernice pracujące z zwiększonymi
prędkościami oraz ściernice do szlifowania precyzyjnego powinno się poddawać
wyrównoważeniu dynamicznemu. Przy wyrównoważaniu dynamicznym należy
spowodować przesuniecie się głównej osi bezwładności ściernicy na oś obrotu.
Dokonuje się tego za pomocą urządzeń specjalnych do wyrównoważenia
dynamicznego. Proces wyrównoważenia polega na ręcznym przemieszczaniu masy
wyrównoważającej za pomocą pokręteł zespołu napędowego urządzenia, w celu
uzyskania minimalnej amplitudy drgań wrzeciona ściernicy rejestrowanej na mierniku.
Amplituda drgań ściernicy wyrównoważonej dynamicznie jest 4 razy mniejsza niż po
wyważaniu statycznym.
Obciąganie ściernicy
Obciąganie ściernicy ma na celu wytworzenie odpowiedniego profilu czynnej
powierzchni ściernicy oraz przywrócenie zdolności skrawnych. Uzyskanie wymaganej
makrogeometrii ściernicy nazywa się profilowaniem, zaś odpowiedniej
mikrogeometrii ściernicy ostrzeniem.
Profilowanie ściernicy
Profilowanie czynnej powierzchni ściernicy dotyczy jej makrogeometrii i wiąże się z
geometrycznym kształtem odwzorowania na przedmiocie szlifowanym. Profilowanie
ściernicy wykonuje się dwiema metodami. Pierwsza z nich zakłada geometryczne
odwzorowanie kształtu obciągacza w ściernicy, natomiast druga metoda wykorzystuje
krążki diamentowe o różnych profilach
Ostrzenie ściernic
Profil i topografia czynnej powierzchni ściernicy ulegają zmianom podczas procesu
szlifowania, w skutek zużywania się ściernicy. Zużycie wpływa wzrost sił szlifowania,
co powoduje wzrost ilości wytwarzanego ciepła, co prowadzi do powstanie przypaleń
powierzchni oraz zmian wymiaru i kształtu przedmiotu. Ostrzenie ściernicy ma na
celu przywrócenie zdolności skrawnej czynnej powierzchni ściernicy przez
wytworzenie nowych ostrzy na ziarnach ściernych w skutek wykruszenia lub
rozłupywania stępionych ziaren i cząstek spoiwa oraz usuwanie zalepień.
9. Rodzaje obciągaczy.
Narzędzia do profilowania i ostrzenia nazywa się obciągaczami i w zależności od
budowy możemy wyróżnić obciągacze jednoziarniste i wieloziarniste oraz rolki bądź
krążki.
Obciągacze jednoziarniste. Jednoziarniste obciągacze diamentowe znajdują
zastosowanie w procesach profilowania i ostrzenia ściernic z elektrokorundu i węglika
krzemu o spoiwie ceramicznym. Nie należy ich stosować do obciągania ściernic z
materiałów supertwardych (diament, borazon). Obciągacz składa się z oprawki oraz
osadzonego w niej kryształu diamentu technicznego w kształcie ośmio- lub dwu-
nastościanu. Kryształ diamentu jest wlutowany do oprawki ze stali konstrukcyjnej za
pomocą spoiwa srebrnego.
Rys. 7. Budowa obciągacza jednoziarnistego.
Obciągacze diamentowe wieloziarniste wykazują się licznymi zaletami w stosunku
do obciągaczy jednoziarnistych. Z uwagi na zastosowanie mniejszych kryształów
diamentów o bardziej ostrych krawędziach umożliwiają osiągnięcie powierzchni
ściernicy o wyższej zdolności ściernej. Ponadto ryzyko uszkodzenia jest znacznie
mniejsze, przez co ich użytkowanie jest bardziej ekonomiczne. Obciągacze
wieloziarniste można stosować do obciągania ściernic z materiałów supertwardych
(diament, borazon).Wymaga to jednak znacznego (o około 5 razy) zmniejszenia
zarówno posuwu wzdłużnego jak i głębokości obciągania. Obciągacz składa się z
oprawki oraz osadzonej w niej wkładki zawierającej kryształy diamentu. Wkładka
wykonana jest ze spoiwa metalowego (spiekane proszki metali).
Rys. 8. Budowa obciągacza wieloziarnistego.
Rolki obciągajcie profilowe - diamentowe rolki kształtowe stosowane są na
szlifierkach sterowanych numerycznie do obciągania ściernic. Obciąganie tych
ściernic nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych narzędzi do obciągania. Na
rys. 9 przedstawiono diamentowe roli do obciągania kształtowego.
Rys. 9. Diamentowe rolki profilowe.
Rolki kształtowe są narzędziami wysokiej precyzji. Tolerancje zawierają się w
wąskim mikrometrycznym zakresie. Rolki profilowe posiadają kształt szlifowanego
przedmiotu, który przekazują na ściernicę poprzez stały i kontrolowany dosuw do niej.
Rolki obciągajcie - diamentowe rolki stosuje się do obciągania konwencjonalnych
ściernic płaskich i profilowych w maszynach sterowanych numerycznie. Sterowanie
numeryczne umożliwia sterowanie kątem pochylenia rolki, co w połączeniu z
przemieszczeniem ściernicy pozwala na kształtowanie dowolnego profilu ściernicy.
Na rys. 10 przedstawiono rolki obciągające.
Rys. 10. Diamentowe rolki obciągające.
Rys. 11. Proces obciągania rolką sterowana CNC.
10. Pytania kontrolne.
Wyjaśnić pojęcie twardości ściernicy
Wyjaśnić pojęcie struktury ściernicy
Wyjaśnić pojęcie wielkości ziarna ściernicy
Wymienić i scharakteryzować spoiwa
Przedstawić charakterystykę materiałów supertwardych
Przedstawić charakterystykę karborundu
Przedstawić charakterystykę elektrokorundu
Opisać przygotowanie ściernicy do pracy
Wymienić rodzaje obciągaczy