WYKŁAD NR 1
1.1. Obróbka skrawaniem – wiadomości ogólne
Def.:
Obróbka skrawaniem zwana również obróbką wiórową jest częścią procesu wytwarzania elementów urządzeń technicznych, w której przedmiot obrabiany, w wyniku usuwania ostrzem narzędzia określonej objętości (naddatku) materiału, uzyskuje wymagane kształty, wymiary i jakość powierzchni. Usuwany materiał zostaje zamieniony na wióry, stąd nazwa – obróbka wiórowa.
Alternatywą dla obróbki skrawaniem są:
· obróbka plastyczna,
· odlewnictwo,
· metalurgia proszków.
We wszystkich tych metodach unika się w zasadzie strat materiału, co jest ich ogromną zaletą w stosunku do obróbki skrawaniem.
Od wielu lat przewidywano więc eliminację obróbki skrawania z procesów technologicznych. Jednak nie udało się to do dnia dzisiejszego. Jest to bowiem jedyna metoda obróbki metali, dająca wymagane chropowatości i dokładności przy stosunkowo niewielkich kosztach.
Obserwuje się natomiast, wraz ze wzrostem dokładności obróbek bezwiórowych, przesunięcie obszaru zastosowania skrawania w kierunku obróbki z małymi naddatkami, a więc obróbki dokładnej (precyzyjnej) i bardzo dokładnej.
Proces skrawania prowadzony jest na obrabiarkach przy użyciu narzędzi skrawających na przedmiotach ustalanych na obrabiarkach uchwytami obróbkowymi (układ OUPN).
Przedmiot obróbka skrawaniem obejmuje więc zagadnienia związane z:
· materiałami obrabianymi w procesie skrawania,
· narzędziami skrawającymi (przede wszystkim z ich konstrukcją i stosowanymi do ich produkcji materiałami)
· kinematyką skrawania,
· zjawiskami występującymi w procesie skrawania,
· uchwytami obróbkowymi,
· obrabiarkami.
1.2. Krótki rys historyczny
Obróbka skrawaniem ma niezbyt długą historię.
XVIII w
obróbka drewna, a obróbka metali na obrabiarkach była rzadko spotykana i wykonywana przez kowala ,
1775 r
John Wilkinson wynalazł precyzyjną wiertarka poziomą napędzana silnikiem parowym
1797 r
Henry Maudslay skonstruował tokarkę: był to pierwszy suport mechaniczny, który zastąpił podtrzymywane ręką narzędzie, a wrzeciono było napędzane silnikiem parowym (niektórzy uważają, że pierwszą tokarkę skonstruował w 1751 Jacques de Vaucanson); ponadto Maudslay wprowadził pomiar za pomocą mikrometru,
pocz. XIX w
dalszy rozwój obrabiarek dzięki nowym źródłom energii (silnikom parowym, a potem elektrycznym) : napęd z wału pędnego był przenoszony przy pomocy pasów bezpośrednio na wrzeciona obrabiarek: pierwszymi obrabiarkami były strugarki wzdłużne, frezarki i tokarki uniwersalne (mogące nacinać gwinty),
1818 r
pierwsza frezarka Eli Whitney (masowa produkcja muszkietów)
1830 r
Joseph Whitworth skonstruował sprawdziany do gwintu, które pozwoliły na bardzo dokładne wykonywanie obrabiarek: strugarek, obrabiarek do kół zębatych i frezarek,
1837 r
Thomas Davenport skonstruował pierwszy w USA pracujący silnik elektryczny i zastosował go do napędu wiertarki i tokarki do drewna
1849-54
Samuel Colt i Elisha Root opracowali głowicę rewolwerową, umożliwiającą szybką zmianę narzędzi oraz skonstruowali tokarki rewolwerowe i automatyczne tokarki do gwintu;
1862 r
Joseph R. Brown skonstruował pierwszą frezarkę uniwersalną, nadającą się do zastosowania w produkcji,
połowa XIX wieku
pojawiły się uniwersalne frezarki i szlifierki, obróbka narzędziami ze stali wysokowęgowych i węglowych stopowych, wprowadzono skrzynki prędkości i posuwu
1890 r
skonstruowano automat tokarski wielowrzecionowy,
1900 rok
wprowadzenie narzędzi ze stali szybkotnących (pokaz Fredricka Taylora na Wystawie Światowej w Paryżu), rozwój teorii skrawania, wprowadzenie cieczy smarująco-chłodzących
lata 20-te i 30-te XX wieku
rozwój produkcji wielkoseryjnej i masowej - budowa wysokowydajnych obrabiarek zespołowych i automatycznych linii obrabiarkowych (pierwszą taką linię zainstalował w 1913 roku Henry Ford rozpoczynając produkcję modelu T)
1926 r
skonstruowanie narzędzi z węglików spiekanych
połowa lat 50-tych
skonstruowano pierwszą uniwersalną obrabiarkę sterowaną numerycznie, a następnie sterowane numerycznie automaty, centra obróbkowe i linie automatyczne;
1945-1980
rozwój techniki komputerowej (1946 r - pierwszy komputer, 1951 r – pierwsze zastosowanie komputera do celów biurowych, 1961 r – mikrochipy, 1969 r – początki Internetu, 1971 r – mikrokomputery, dzięki powstaniu mikroprocesora, 1974 r – kalkulator, 1981 – komputery osobiste firmy IBM
1990-2000
wprowadzenie obrabiarek sterowanych komputerowo, robotyzacja i automatyzacja automatyzacja produkcji; elastyczne systemy produkcyjne, nie wymagające ingerencji ludzi; rozwój napędów: silniki liniowe, krokowe, bezstopniowe; 1993 r - dynamiczny rozwój Internetu, dzięki 30-krotnemu zwiększeniu szybkości przepływu informacji
Podstawowymi materiałami obrabianymi w procesie skrawania są;
· stale i żeliwa (produkcja roczna stali na świecie wynosi 800 mln. ton)
· aluminium i jego stopy (produkcja roczna na świecie wynosi 28 mln. ton)
· stopy ultralekkie
· mosiądz - stop miedzi z cynkiem (miedź - 14 mln. ton, cynk – 8 mln. ton)
· brąz (stop miedzi z cyną),
· drewno i tworzywa drzewne
W budowie maszyn stosowane są również:
· tworzywa sztuczne (180 mln ton w 2002 r przy 1 mln ton w 1948 r)
· kompozyty,
· laminaty.
Stal – stop żelaza z węglem (do 2%) i innymi pierwiastkami chemicznymi, otrzymywany w stanie ciekłym z surówki wielkopiecowej w procesie konwertorowym lub martenowskim. Lepsze gatunki stali otrzymuje się poddając ją dalszej obróbce w piecach elektrycznych lub tyglowych, umożliwiających zastosowanie metod metalurgii próżniowej. Odlaną w postaci wlewków stal poddaje się w hucie obróbce plastycznej w celu nadania jej odpowiedniej postaci (kucie, walcowanie, ciągnienie), a następnie obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej, w wyniku których uzyskuje ona wymagane właściwości.
Zależnie od przeznaczenia stale dzielimy na:
· konstrukcyjne,
· narzędziowe
· specjalne.
Stale konstrukcyjne są przeznaczone na konstrukcje budowlane oraz na części maszyn i urządzeń, pracujące w temperaturach niższych od 300oC i wyższych od –40oC w środowisku nieagresywnym. Rozróżnia się stale konstrukcyjne ogólnego przeznaczenia (produkowane w postaci prętów, blach, kształtowników itp.) oraz szczególnego przeznaczenia, takie m.in. jak stale łożyskowe (przeznaczone na elementy łożysk tocznych) i stale sprężynowe (na sprężyny i resory).
Stale narzędziowe są stosowane do wyrobu różnego rodzaju narzędzi i zostaną omówione w temacie materiały narzędziowe.
Do stali specjalnych zaliczamy:
· stale nierdzewne, co najmniej 13% chromu, wykazujące odporność na korozyjne działanie środowisk utleniających (powietrza, pary wodnej, roztworów zasadowych, słabych kwasów organicznych); stosowane do wyrobu urządzeń dla przemysłu chemicznego, na narzędzia medyczne i narzędzia pomiarowe;
· stale kwasoodporne, zawierające 16-25% chromu i 4-29% niklu, niekiedy molibden, tytan lub niob, odznaczające się odpornością na działanie środowisk utleniających, a także większości kwasów nieorganicznych i organicznych oraz barwników; stosowane do wyrobu urządzeń dla przemysłu chemicznego i spożywczego,
· stale żaroodporne, zawierające chrom (5-27%), krzem, aluminium, molibden, odznaczające się odpornością na utleniające i korodujące działanie gazów w wysokiej temperaturze,
· stale żarowytrzymałe, zawierające chrom (15-30%), nikiel (8-25%), molibden, wolfram i wanad, wykazujące zdolność zachowywania dobrych własności mechanicznych w wysokiej temperaturze;
stale żaroodporne i żarowytrzymałe są stosowane do wyrobu aparatury chemicznej, osłon pirometrów, armatury piecowej, urządzeń energetycznych, silników odrzutowych.
· stale automatowe, zawierające 0.1-0.35% siarki i 0.035-0.8% fosforu, odznaczające się bardzo dobrą skrawalnością, przeznaczane do wyrobu śrub i nakrętek,
· stale o specjalnych właściwościach magnetycznych stosowane do produkcji prądnic, transformatorów i magnesów trwałych,
· stale o specjalnej odporności na zużycie, np. stal Hadfielda, zawierająca 11-14% manganu i 0.3-0.5% krzemu, bardzo odporna na ścieranie, stosowana na elementy rozjazdów kolejowych i tramwajowych, wykładziny młynów kulowych i gąsienice.
Staliwo – stal odlewana do form odlewniczych, nie poddawana obróbce plastycznej, stosowana zwykle po obróbce cieplnej, w zależności od składu, m.in. na podstawy i korpusy maszyn, części taboru kolejowego i samochodów, wały turbin wodnych i parowych oraz armaturę wodną, a także koła łańcuchowe i linowe oraz koła zębate.
Żeliwo stop żelaza z węglem (2.5-4.5%) innymi pierwiastkami chemicznymi jest stopem odlewniczym, otrzymywanym z surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego lub stalowego w piecu szybowym, żeliwiaku. Żeliwa dzielą się na:
- żeliwo szare z węglem w postaci grafitu płatkowego,
- żeliwo szare zmodyfikowane z węglem w postaci bardzo drobnego grafitu płatkowego
- żeliwo szare sferoidalne z węglem w postaci kuleczek,
- żeliwo białe z węglem w postaci cementytu,
- żeliwo ciągliwe, uzyskiwane z żeliwa białego przez długotrwałe wyżarzanie w wysokiej temperaturze i odpowiedniej atmosferze.
Pyszkowska