Obróbka - Machining

Nowa Gwinea w 1943 roku. Mobilna ciężarówka warsztatowa armii amerykańskiej z mechanikami pracującymi przy częściach samochodowych

Obróbka skrawaniem to proces, w którym materiał (często metal) jest cięty do pożądanego ostatecznego kształtu i rozmiaru w kontrolowanym procesie usuwania materiału. Procesy, które mają ten wspólny temat, są zbiorczo nazywane wytwarzaniem subtraktywnym , w przeciwieństwie do wytwarzania addytywnego , które wykorzystuje kontrolowane dodawanie materiału. Dokładnie to, co oznacza „kontrolowana” część definicji, może się różnić, ale zwykle oznacza użycie obrabiarek .

Obróbka skrawaniem jest częścią produkcji wielu wyrobów metalowych , ale można ją również stosować na innych materiałach, takich jak drewno , tworzywa sztuczne , ceramika i materiały kompozytowe . Osoba specjalizująca się w obróbce skrawaniem nazywana jest maszynistą . Pomieszczenie, budynek lub firma, w której odbywa się obróbka, nazywa się warsztatem maszynowym . Znaczna część współczesnej obróbki skrawaniem odbywa się za pomocą komputerowego sterowania numerycznego (CNC), w którym komputery służą do sterowania ruchem i działaniem frezarek, tokarek i innych maszyn tnących. Zwiększa to wydajność, ponieważ maszyna CNC działa bezobsługowo, co zmniejsza koszty pracy w warsztatach mechanicznych.

Historia i terminologia

Dokładne znaczenie terminu obróbka skrawaniem ewoluowało w ciągu ostatnich półtora wieku wraz z rozwojem technologii. W XVIII wieku słowo maszynista oznaczało po prostu osobę, która budowała lub naprawiała maszyny . Praca tej osoby została wykonana głównie ręcznie, za pomocą procesów, takich jak rzeźba z drewna i ręczne kucie i ręczne zgłoszenia metalu. W owym czasie do definicji pasowaliby ślusarze i konstruktorzy nowych rodzajów silników (czyli mniej więcej wszelkiego rodzaju maszyny), tacy jak James Watt czy John Wilkinson . Rzeczownik maszyna i czasownik to machine ( machined, obróbka ) jeszcze nie istniały.

Mniej więcej w połowie XX wieku ukuto te ostatnie słowa, gdy opisane przez nie pojęcia przekształciły się w powszechne istnienie. Dlatego podczas Maszyn Age , obróbce , o którym mowa (co dziś może nazwać) „tradycyjnych” procesów obróbki skrawaniem, takich jak toczenie , wytaczanie , wiercenie , frezowanie , przeciąganie , cięcie , formowanie , struganie , rozwiercania i gwintowania . W tych „tradycyjnych” lub „konwencjonalnych” procesach obróbki, obrabiarki , takie jak tokarki , frezarki , wiertarki lub inne, są używane z ostrym narzędziem skrawającym do usuwania materiału w celu uzyskania pożądanej geometrii.

Ponieważ z nadejściem nowych technologii w dobie II wojnie światowej, takich jak elektrycznego obróbki tłocznej , obróbki elektrochemicznej , obróbki wiązką elektronów , obróbki fotochemicznej i obróbki ultradźwiękowej The retronim „konwencjonalna obróbka” może być używany w celu odróżnienia tych klasycznych technologii z nowsze. W obecnym użyciu termin „obróbka skrawaniem” bez określenia oznacza zwykle tradycyjne procesy obróbki.

W latach 2000 i 2010, kiedy produkcja addytywna (AM) wyszła poza swoje wcześniejsze konteksty laboratoryjne i szybkie prototypowanie i zaczęła się upowszechniać we wszystkich fazach produkcji, termin produkcja subtraktywna stał się powszechny retronimicznie w logicznym przeciwieństwie do AM, obejmując zasadniczo wszelkie procesy usuwania również wcześniej objęte terminem obróbka . Te dwa terminy są właściwie synonimami , chociaż od dawna używa się terminu obróbka skrawaniem . Można to porównać do poglądu, że czasownikowe poczucie kontaktu ewoluowało z powodu mnożenia się sposobów kontaktowania się z kimś (telefon, e-mail, IM, SMS itd.), ale nie zastąpiło całkowicie wcześniejszych terminów, takich jak zadzwoń , porozmawiaj z , lub napisz do .

Operacje obróbkowe

Trzy główne procesy obróbki to toczenie , wiercenie i frezowanie . Inne operacje należące do różnych kategorii obejmują kształtowanie, struganie, wytaczanie, przeciąganie i piłowanie.

  • Operacje toczenia to operacje, które obracają obrabiany przedmiot jako podstawową metodę przesuwania metalu względem narzędzia skrawającego. Tokarki są podstawowymi obrabiarkami używanymi do toczenia.
  • Operacje frezowania to operacje, w których narzędzie skrawające obraca się, aby docisnąć krawędzie skrawające do przedmiotu obrabianego. Frezarki są podstawową obrabiarką stosowaną we frezowaniu.
  • Operacje wiercenia to operacje, w których otwory są wytwarzane lub poprawiane poprzez doprowadzenie do kontaktu obrotowego frezu z krawędziami tnącymi na dolnym końcu z przedmiotem obrabianym. Operacje wiercenia wykonywane są głównie w wiertarkach, ale czasami na tokarkach lub frezarkach.
  • Różne operacje to operacje, które ściśle mówiąc mogą nie być operacjami obróbkowymi, ponieważ mogą nie być operacjami wytwarzającymi wióry, ale operacje te są wykonywane na typowej obrabiarce. Nagniatanie jest przykładem innej operacji. Nagniatanie nie powoduje powstawania wiórów, ale można je wykonać na tokarce, frezarce lub wiertarce.

Niewykończony przedmiot wymagający obróbki będzie musiał zostać odcięty, aby utworzyć gotowy produkt. Gotowy produkt to przedmiot, który spełnia specyfikacje określone dla tego przedmiotu w rysunkach technicznych lub planach . Na przykład może być wymagane, aby przedmiot obrabiany miał określoną średnicę zewnętrzną. Tokarka to obrabiarka, której można użyć do uzyskania tej średnicy, obracając metalowy przedmiot obrabiany, tak aby narzędzie tnące mogło odciąć metal, tworząc gładką, okrągłą powierzchnię o wymaganej średnicy i wykończeniu powierzchni. Do usuwania metalu w kształcie cylindrycznego otworu można użyć wiertła. Inne narzędzia, które mogą być używane do różnego rodzaju usuwania metalu to frezarki, piły i szlifierki . Wiele z tych samych technik jest stosowanych w obróbce drewna .

Nowsze, zaawansowane techniki obróbki obejmują precyzyjną obróbkę CNC , obróbkę elektroerozyjną (EDM), obróbkę elektrochemiczną (ECM), cięcie laserowe lub cięcie strumieniem wody w celu kształtowania elementów metalowych.

Jako przedsięwzięcie komercyjne obróbka jest zwykle wykonywana w warsztacie obróbczym , który składa się z jednego lub więcej pomieszczeń roboczych zawierających główne obrabiarki. Chociaż warsztat mechaniczny może być samodzielną działalnością, wiele firm prowadzi wewnętrzne warsztaty mechaniczne, które wspierają wyspecjalizowane potrzeby firmy.

Obróbka wymaga zwrócenia uwagi na wiele szczegółów, aby obrabiany przedmiot spełniał specyfikacje określone na rysunkach inżynierskich lub planach. Oprócz oczywistych problemów związanych z prawidłowymi wymiarami, pojawia się problem z uzyskaniem prawidłowego wykończenia lub gładkości powierzchni na obrabianym przedmiocie. Gorsze wykończenie powierzchni obrabianej przedmiotu może być spowodowane nieprawidłowym mocowaniem , tępym narzędziem lub niewłaściwą prezentacją narzędzia. Często to słabe wykończenie powierzchni, znane jako drganie, jest widoczne przez faliste lub nieregularne wykończenie oraz pojawienie się fal na obrabianych powierzchniach przedmiotu obrabianego.

Podstawowy proces obróbki.

Przegląd technologii obróbki

Obróbka skrawaniem to dowolny proces, w którym narzędzie skrawające jest używane do usuwania małych wiórów materiału z przedmiotu obrabianego (element obrabiany jest często nazywany „pracą”). Aby wykonać operację, wymagany jest ruch względny między narzędziem a przedmiotem. Ten ruch względny jest osiągany w większości operacji obróbki za pomocą ruchu pierwotnego, zwanego „prędkością skrawania” i ruchu wtórnego, zwanego „posuwem”. Kształt narzędzia i jego penetracja w powierzchnię roboczą w połączeniu z tymi ruchami dają pożądany kształt powstałej powierzchni roboczej.

Operacje obróbkowe

Istnieje wiele rodzajów operacji obróbkowych, z których każda może wygenerować określoną geometrię części i teksturę powierzchni.

W toczeniu narzędzie skrawające z pojedynczą krawędzią skrawającą służy do usuwania materiału z obracającego się przedmiotu obrabianego w celu uzyskania cylindrycznego kształtu. Ruch pierwotny jest realizowany przez obracanie przedmiotu obrabianego, a ruch posuwu uzyskuje się poprzez powolne przesuwanie narzędzia skrawającego w kierunku równoległym do osi obrotu przedmiotu obrabianego.

Wiercenie służy do wykonania okrągłego otworu. Odbywa się to za pomocą obracającego się narzędzia, które zwykle ma dwie lub cztery spiralne krawędzie skrawające. Narzędzie jest wprowadzane do przedmiotu obrabianego w kierunku równoległym do jego osi obrotu, tworząc okrągły otwór.

Podczas wytaczania narzędzie z pojedynczą zagiętą, spiczastą końcówką jest wprowadzane do zgrubnie wykonanego otworu w obracającym się przedmiocie obrabianym, aby nieznacznie powiększyć otwór i poprawić jego dokładność. Jest to precyzyjna operacja wykańczająca stosowana w końcowych etapach wytwarzania produktu.

Rozwiercanie jest jedną z operacji wymiarowania, która usuwa niewielką ilość metalu z już wywierconego otworu.

Podczas frezowania obracające się narzędzie z wieloma krawędziami skrawającymi przesuwa się powoli względem materiału, aby wygenerować płaską lub prostą powierzchnię. Kierunek ruchu posuwu jest prostopadły do ​​osi obrotu narzędzia. Ruch prędkości zapewnia obracający się frez. Dwie podstawowe formy frezowania to:

  • Frezowanie obwodowe
  • Frezowanie czołowe.

Inne konwencjonalne operacje obróbki obejmują kształtowanie, struganie, przeciąganie i piłowanie. Również szlifowanie i podobne operacje ścierne są często zaliczane do kategorii obróbki skrawaniem.

Narzędzie tnące

„Kontrolowany numerycznie operator gniazda obróbki” monitoruje produkowaną część samolotu B-1B .

Narzędzie tnące ma jedną lub więcej ostrych krawędzi tnących i jest wykonane z materiału twardszego niż materiał obrabiany. Krawędź skrawająca służy do oddzielania wiórów od materiału macierzystego. Z krawędzią tnącą połączone są dwie powierzchnie narzędzia:

  • Twarz prowizji; oraz
  • Bok.

Powierzchnia natarcia, która kieruje przepływem nowo formowanego wióra, zorientowana pod pewnym kątem, nazywana jest kątem natarcia „α”. Jest mierzony względem płaszczyzny prostopadłej do powierzchni roboczej. Kąt natarcia może być dodatni lub ujemny. Bok narzędzia zapewnia luz pomiędzy narzędziem a nowo uformowaną powierzchnią roboczą, chroniąc w ten sposób powierzchnię przed ścieraniem, które mogłoby degradować wykończenie. Ten kąt pomiędzy powierzchnią roboczą a powierzchnią boczną nazywany jest kątem przyłożenia. Istnieją dwa podstawowe typy narzędzi skrawających:

  • Narzędzie punktowe; oraz
  • Wieloostrzowe narzędzie

Jednoostrzowe narzędzie ma jedną krawędź skrawającą i służy do toczenia, wytaczania i strugania. Podczas obróbki ostrze narzędzia wnika poniżej pierwotnej powierzchni roboczej przedmiotu obrabianego. Punkt jest czasami zaokrąglony do pewnego promienia, zwanego promieniem nosa.

Narzędzia z wieloma krawędziami skrawającymi mają więcej niż jedną krawędź skrawającą i zwykle osiągają swój ruch względem przedmiotu obrabianego przez obracanie. Do wiercenia i frezowania używa się obrotowych narzędzi o wielu krawędziach skrawających. Chociaż kształty tych narzędzi różnią się od narzędzi jednopunktowych, wiele elementów geometrii narzędzia jest podobnych.

Warunki cięcia

Do wykonania operacji obróbki wymagany jest ruch względny między narzędziem a pracą. Główny ruch jest wykonywany przy określonej prędkości cięcia . Ponadto narzędzie musi być przesuwane w poprzek pracy. Jest to znacznie wolniejszy ruch, zwany posuwem. Pozostały wymiar cięcia to penetracja narzędzia tnącego poniżej pierwotnej powierzchni roboczej, nazywana głębokością cięcia. Łącznie prędkość, posuw i głębokość skrawania są nazywane warunkami skrawania. Tworzą one trzy wymiary procesu obróbki, a dla niektórych operacji ich produkt może być wykorzystany do uzyskania szybkości usuwania materiału dla procesu:

gdzie

  • – szybkość usuwania materiału w mm 3 /s , ( w 3 /s ),
  • – prędkość cięcia w mm/s , ( in/min ),
  • – posuw w mm , ( w ),
  • – głębokość cięcia w mm , ( in ).
Uwaga: Wszystkie jednostki należy przekonwertować na odpowiednie jednostki dziesiętne (lub USCU ).

Etapy cięcia metalu

Operacje obróbkowe zwykle dzielą się na dwie kategorie, różniące się przeznaczeniem i warunkami skrawania :

  • Cięcia zgrubne
  • Cięcia wykończeniowe

Cięcia zgrubne są używane do jak najszybszego usunięcia dużej ilości materiału z początkowej części, tj. z dużą szybkością usuwania materiału (MRR), w celu uzyskania kształtu zbliżonego do pożądanego kształtu, ale pozostawiając trochę materiału na elemencie dla kolejna operacja wykańczająca. Nacięcia wykończeniowe służą do ukończenia części i uzyskania ostatecznego wymiaru, tolerancji i wykończenia powierzchni. W zadaniach obróbki produkcyjnej zazwyczaj wykonuje się jedno lub więcej skrawów zgrubnych, a następnie jedno lub dwa skrawania wykańczające. Operacje obróbki zgrubnej są wykonywane przy wysokich posuwach i głębokościach – posuwy 0,4–1,25 mm/obr (0,015–0,050 cala/obr) i głębokości 2,5–20 mm (0,100–0,750 cala) są typowe, ale rzeczywiste wartości zależą od materiałów obrabianego przedmiotu . Operacje wykańczające są wykonywane przy niskich posuwach i głębokościach – typowe są posuwy 0,0125–0,04 mm/obr (0,005–0,0015 cala/obr) i głębokości 0,75–2,0 mm (0,030–0,075 cala). Prędkości skrawania są niższe przy obróbce zgrubnej niż przy wykańczaniu.

Chłodziwo jest często stosowana do obróbki w celu chłodzenia i smarowania narzędzia tnącego. Ustalenie, czy należy użyć płynu obróbkowego, a jeśli tak, wybór właściwego płynu obróbkowego, zwykle wchodzi w zakres warunków skrawania.

Obecnie coraz popularniejsze stają się inne formy cięcia metalu. Przykładem tego jest cięcie strumieniem wody. Cięcie strumieniem wody wymaga użycia wody pod ciśnieniem przekraczającym 620 MPa (90 000 psi) i umożliwia cięcie metalu i uzyskanie gotowego produktu. Proces ten nazywany jest cięciem na zimno, które eliminuje uszkodzenia spowodowane strefą wpływu ciepła, w przeciwieństwie do cięcia laserowego i plazmowego .

Związek technik subtraktywnych i addytywnych

Wraz z niedawnym rozpowszechnieniem się technologii wytwarzania przyrostowego , konwencjonalna obróbka została w myślach i języku retronimicznie sklasyfikowana jako metoda wytwarzania subtraktywnego . W wąskich kontekstach metody addytywne i subtraktywne mogą ze sobą konkurować. W szerokim kontekście całych branż ich relacja jest komplementarna. Każda metoda ma swoje zalety w stosunku do drugiej. Chociaż metody wytwarzania addytywnego mogą tworzyć bardzo skomplikowane projekty prototypów, których nie można powielić przez obróbkę skrawaniem, wytrzymałość i wybór materiałów mogą być ograniczone.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Groover, Mikell P. (2007), "Teoria obróbki metalu", Podstawy nowoczesnej produkcji (3rd ed.), John Wiley & Sons, Inc., s. 491-504, ISBN 0-471-74485-9
  • Oberga, Eryka; Jones, Franklin D.; McCauley, Christopher J.; Heald, Ricardo M. (2004), Podręcznik maszynowy (27th ed.), Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2700-8.
  • „Praktyki obrabiarek”, wydanie 6, RR; Kibbe, JE; Neely, RO; Meyera i WT; Biały, ISBN  0-13-270232-0 , drugi druk, prawa autorskie 1999, 1995, 1991, 1987, 1982 i 1979, Prentice Hall.

Zewnętrzne linki