Artykuł naukowy

POWSTAWANIE I USUWANIE ZADZIORÓW W OBRÓBCE
SKRAWANIEM
BURR FORMATION AND REMOVAL IN MACHINING
PROCESS
Jakub Matuszak
Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji
Wydział Mechaniczny
Politechnika Lubelska
Słowa kluczowe: obróbka skrawaniem, powstawanie zadziorów, szczotkowanie
Keywords: machining, burr formation, wire brushing
Streszczenie
W procesie obróbki skrawaniem występuje szereg zjawisk takich jak: wzrost
temperatury, odkształcenia sprężyste, odkształcenia plastyczne, tarcie itp. Jednym z
niekorzystnych zjawisk związanych z procesem obróbki skrawaniem jest zjawisko
formowania się zadziorów na krawędziach przedmiotów. W artykule opisano
mechanizm formowania się zadziorów powstających po obróbce frezowaniem.
Ponadto scharakteryzowano metody usuwania zadziorów.
Abstract
During machining process there are many types of phenomena, such as:
temperature rise, elastic deformation, plastic deformation, friction, etc. Burr formation
on machined edges is one of the negative effects associated with machining process.
In this paper the mechanism of the burr formation on machined edges after milling
was described. In addition, the deburring methods were characterized.
1. Wprowadzenie
Obróbka skrawaniem jest jednym z wiodących sposobów kształtowania wyrobów.
Obróbka frezowaniem, jedna z odmian obróbki skrawaniem, z racji ciągłego rozwoju,
możliwości kształtowania skomplikowanych geometrycznie kształtów oraz wydajności
obróbkowej, jest jedną z najbardziej rozwiniętych i często stosowanych w wielu
gałęziach przemysłu. Stale rosnące wymagania co do jakości (przy zachowaniu
relatywnie niskich kosztów wytwarzania), zmuszają producentów do produkowania
coraz lepszych narzędzi, spełniających oczekiwania klientów. W momencie wyjścia
Rys. 1. Stany krawędzi wg ISO 13715. (opis w tekście).
narzędzia ze strefy skrawania powstaje niepożądane zjawisko formowania się
zadziorów, jako rezultat odkształcenia plastycznego materiału. W leksykonie zadzior
definiowany jest jako ostry występ na powierzchni materiału powstały po obróbce
skrawaniem lub szlifowaniem. Norma ISO 13715 podaje bardziej wyczerpującą
definicje. Zgodnie z ISO 13715 zadzior to zewnętrzna odchyłka materiału od
nominalnego kształtu zewnętrznej krawędzi [5]. Na rysunku 1 obszar oznaczony
cyfrą 1 oznacza podcięcie. Podcięcie z reguły powstaje w dodatkowej operacji w celu
zmiany niekorzystnych stanów oznaczonych cyfrą 2 i 3. Obszar 2 to ostra krawędź
natomiast numer 3 oznacza zadzior.
2. Proces formowania się zadziorów
Proces formowania się zadziorów można podzielić na kilka etapów [4]. Na
rysunku 2. Przedstawiono etapy, w których krawędź skrawająca narzędzia usuwając
materiał zbliża się do krawędzi przedmiotu. W momencie oddzielania się warstwy
skrawanej i przekształcania jej w wiór zachodzą silne odkształcenia sprężyste oraz
plastyczne (1. Skrawanie ciągłe). W chwili gdy narzędzie zbliża się do krawędzi
próbki odkształcenia sprężyste osiągają krawędź próbki (2. Faza wzrostu
odkształceń).
Rys. 2. Zjawiska zachodzące przed procesem formowania się zadzioru (opis w tekście).
Następnie odkształcenia plastyczne pojawiają się na krawędzi próbki (3. Inicjacja)
rozpoczynając proces silnej deformacji materiału w punkcie obrotu (4. Obrót). Kolejny
Rys. 3. Zjawiska zachodzące podczas procesu formowania się zadziorów: a) materiały
plastyczne, b) materiały kruche (opis w tekście) [4].
etap związany jest z powstawaniem zadzioru (5. Formowanie zadzioru). Na rysunku
3a przedstawione są etapy formowania się zadzioru w przypadku materiałów
plastycznych (Rys. 3a) oraz materiałów kruchych (Rys. 3b). W przypadku materiałów
plastycznych pojawia się pęknięcie wzdłuż linii, którą przemieszcza się narzędzie
skrawające (6-I Pojawienie się pęknięcia). Pęknięcie to rozwija się aż do momentu
osiągnięcia krawędzi materiału skrawanego (7-I Rozwój pęknięcia), po czym
następuje separacja warstwy skrawanej i przekształcenie jej w wiór (8-1 Dodatni
zadzior). W przypadku materiałów kruchych (Rys. 3b) pęknięcie pojawia się wzdłuż
dodatkowej strefy naprężeń stycznych (6-II Pojawienie się pęknięcia), poniżej linii
ścinania. Pęknięcie to rozwija się aż do momentu osiągnięcia krawędzi materiału (7-II
Rozwój pęknięcia). Ostatnim etapem jest oddzielenie się wióra wzdłuż dodatkowej
strefy naprężeń stycznych (8-II Ujemny zadzior).
W literaturze można spotkać teoretyczne rozważania dotyczące pracochłonności
usuwania zadziorów [1]. Na rysunku 4 przedstawiono widok zadzioru w przekroju. Im
większa jest podstawa zadzioru stanowiąca i sile jego utwierdzenia do materiału
Rys. 4 Widok zadzioru w przekroju
rodzimego, tym trudniej go usunąć. Znając wszystkie parametry charakterystyczne
można wyznaczyć współczynnik zadzioru z zależności:
[1]
gdzie:
- grubość podstawy bf (burr root thickness) grubość podstawy zadzioru mierzona w
przekroju poprzecznym,
- wysokość zadzioru ho (burr height) zdefiniowana jako odległość pomiędzy
krawędzią nominalną i najdalej odsuniętym punktem mierzona w przekroju
poprzecznym ,
- promień podstawy rf (burr root radius), który oreśla pozycje okręgu stycznego do
podstawy zadzioru,
- grubość zadzioru bg (burr thickness) opisuje grubość zadzioru mierzoną w kierunku
równoległym do podstawy zadzioru w przekroju poprzecznym.
Podczas obróbki frezowaniem zadziory mogą pojawiać się w różnych
miejscach. Na rysunku 5 przedstawiono typowe zadziory powstałe po obróbce
frezowaniem. Krawędzie takie poddawane są dalszej obróbce mającej na celu
usunięcie zadziorów.
Rys. 5. Typowe zadziory powstałe po obróbce frezowaniem: a) widok z góry, b) widok z boku
3. Proces usuwania zadziorów
W literaturze spotkać można wyniki analiz kosztów związanych z występowaniem
i usuwaniem zadziorów, na które wpływ mają takie czynniki jak: zaangażowanie
dodatkowych zasobów ludzkich, czas związany z procesem usuwania zadziorów,
wydzielenie
gniazda
w
zakładzie
produkcyjnym
na
dodatkową
operację
technologiczną, wadliwe egzemplarze, których wymiary nie mieszczą się w
przedziale dopuszczalnej tolerancji, a także uszkodzenie finalnych wyrobów. Łączne
koszty, związane z procesem usuwania zadziorów mogą wzrosnąć nawet do 30%
kosztów wytwarzania. Usuwanie zadziorów, oprócz aspektów związanych z
dokładnością i jakością, istotne jest także ze względów bezpieczeństwa użytkowania
wyrobów (skaleczenia, zadrapania).
Istnieje wiele metod usuwania zadziorów. Do najczęściej stosowanych możemy
zaliczyć gratowanie ręczne, szlifowanie, frezowanie frezami pilnikowymi. Spotyka się
także usuwanie zadziorów z przedmiotów umieszczonych w medium ściernym.
Zalicza się do nich obróbkę rotacyjno – ścierną, przetłoczno – ścierną, magneto –
ścierną czy też strumieniowo – ścierną [2, 3, 6].
Z uwagi na stopień zautomatyzowania, proces usuwania zadziorów można
podzielić na ręczny, ręczno – maszynowy i maszynowy. Na rysunku 6 przedstawiono
typowe narzędzia do ręcznego usuwania zadziorów takie jak gratownik (rys. 6a),
Rys. 6. Narzędzia do ręcznego usuwania zadziorów.
narzędzie do wykonywania fazek wewnętrznych i zewnętrznych rur (rys. 6b) oraz
przykładowe pilniki (Rys. 6c).
Obróbka ręczna, jest żmudnym i kosztownym
procesem. Bardziej wydajnym procesem jest obróbka ręczno – maszynowa przy
użyciu narzędzi szybkoobrotowych przedstawionych na rysunku 7. Część roboczą
tych narzędzi mogą stanowić ściernice, frezy pilnikowe, szczotki trzpieniowe itp.
Rys. 7. Narzędzia szybkoobrotowe do usuwania zadziorów.
Obróbka krawędzi w większości przypadków jest kosztownym, żmudnym, ręcznym
procesem. Biorąc pod uwagę aspekty ekonomiczne, najbardziej pożądana jest
obróbka zautomatyzowana. Jedną z metod zautomatyzowanego procesu usuwania
zadziorów jest szczotkowanie na obrabiarkach sterowanych numerycznie za pomocą
wirujących szczotek o ostrzach sprężystych, poprzez planowanie ścieżki narzędzia.
Na rysunku 8 przedstawione są przykładowe zastosowania obróbki szczotkowaniem.
Rys. 8. Przykładowe zastosowania obróbki szczotkowaniem
Zautomatyzowanie procesu usuwania zadziorów, za pomocą szczotki skraca czas
obróbki krawędzi przedmiotów wytwarzanych poprzez obróbkę skrawaniem.
Szczególnie istotne jest to w przypadku dużych elementów stosowanych w
przemyśle
lotniczym,
dla
których
inne
metody
usuwania
zadziorów
są
nieekonomiczne lub technicznie nie jest możliwe ich zastosowanie (np. obróbka
wibracyjno – ścierna).
LITERATURA
[1] AURICH J.C., DORNFELD D., ARRAZOLA P.J., FRANKE V., LEITZ L., MIN S., Burrs - Analysis,
control and Removal, CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 519–542.
[2] CICHOSZ P., KUZINOVSKI M., Metody wykonywania fazek i gratowania krawędzi, Cz. 1.
Mechanik 7/2011, s.553-559.
[3] CICHOSZ P., KUZINOVSKI M., Metody wykonywania fazek i gratowania krawędzi, Cz. 2.
Mechanik 8-9/2011, s.674-681.
[4] Hashimura M, Hassamontr J, Dornfeld DA, Effect of In-plane Exit Angle and Rake Angles on Burr
Height and Thickness in Face Milling Operation, Transactions of the ASME Journal of
Manufacturing Science and Engineering 121(1):13–19.
[5] International Standard ISO 13715:2000, Technical drawings – Edges of undefined shape –
Vocabulary and indications.
[6] MATUSZAK J., ZALESKI K., Badania stanu krawędzi przedmiotów ze stopów aluminium po
procesie usuwania zadziorów, Mechanik Nr 8-9/2012 s.661