Gratowanie, czyli gładko i bez zadziorów
Raven MediaW wyniku procesów obróbczych powstają zadziory, zwane także gratami, czyli niewielkie ostre fragmenty, które niebezpiecznie wystają poza krawędzie. Pozbycie się ich z detalu jest konieczne ze względów technologicznych i eksploatacyjnych, a także z powodów bezpieczeństwa. Gratowanie, czyli proces usuwania zadziorów, decyduje o ostatecznym kształcie i powierzchni detalu otrzymywanego w wyniku obróbki metalu lub tworzyw sztucznych.
- Gratowanie jest procesem, w którym wygładza się ostre krawędzie i usuwa zadziory oraz nierówności
- Gratowanie ręczne jest mało skuteczną metodą, którą stosuje się np. do elementów o skomplikowanym kształcie
- Do popularnych technik gratowania należy m.in. obróbka ścierna, np. gratowanie wibrościerne, przetłoczno-ścierne czy magneto-ścierne
- Zadziory mogą być usuwane również przy użyciu technik gratowania chemicznego, elektrochemicznego lub elektroerozyjnego
- Do skutecznego usuwania zadziorów z trudno dostępnych miejscach stosuje się często gratowanie termiczne
- W przypadku zadziorów w otworach mogą być stosowane różne techniki obróbki skrawaniem
Co to jest gratowanie?
Gratowanie polega na wygładzaniu (tępieniu) ostrych krawędzi oraz usuwaniu zadziorów i nierówności, które powstają w następstwie procesów obróbczych. Pozostawione zadziory mogą utrudniać wykonanie kolejnych operacji technologicznych lub dopasowanie elementów do siebie. Aby pracujące w maszynie połączone detale działały prawidłowo, ich krawędzie muszą mieć odpowiednią grubość i wykończenie, czyli zaokrąglenie, stępienie lub sfazowanie. Ze względu na usytuowanie zadziorów na krawędziach operacja gratowania może być połączona z jednoczesnym wyoblaniem krawędzi albo jej fazowaniem, czyli ścinaniem pod kątem. Nadanie jej określonej fazy ma istotne znaczenie także z punktu widzenia procesu montażu elementów w urządzeniu – bez faz wewnętrznych i zewnętrznych zamontowanie dwóch komponentów o współpracujących powierzchniach mogłoby być bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe.
Oczywiście usuwanie zadziorów, oprócz aspektów związanych z dokładnością i jakością, istotne jest także ze względów bezpieczeństwa użytkowania maszyn i urządzeń. Nieusunięty może oderwać się podczas pracy urządzenia, a nawet mała cząstka potrafi uszkodzić mechanizm lub np. utrudnić przepływ płynów eksploatacyjnych. O tym, jak istotne jest gratowanie w całym procesie obróbczym, może świadczyć analiza ekonomiczna, która wykazała, że koszt operacji technologicznych usuwania zadziorów stanowi aż 20% całkowitych kosztów obróbki.
Gratowanie ręczne
Kształt i miejsce powstawania zadziorów zależą od wielu czynników, takich jak: właściwości materiału, rodzaj, odmiana i parametry obróbki, zużycie narzędzia, zastosowanie cieczy obróbkowych itp. Także sposób usuwania gratów wynika z ich cech, np. połączenia z podłożem, sposobu obróbki i stosowanego narzędzia, miejsca pojawienia się zadzioru (brzeg detalu lub jego środek) oraz jego wielkości/wysokości.
Najprostszą, ale jednocześnie najbardziej żmudną i w gruncie rzeczy niedoskonałą metodą likwidacji zadziorów jest obróbka ręczna. Stosuje się ją głównie w produkcji jednostkowej, wyjątkowo w produkcji seryjnej, np. przy wytwarzaniu elementów o skomplikowanym kształcie i dużych gabarytach. Zadziory ręcznie usuwa się pilnikami i gratownikami, a efekt końcowy w dużej mierze zależy od doświadczenia pracowników – w ten sposób trudno jest uzyskać precyzyjne i powtarzalne parametry.
Nieco bardziej wydajna i dokładna jest metoda gratowania ręczno-maszynowa, do której stosuje się szlifierki taśmowe lub narzędzia szybkoobrotowe typu ściernice, frezy pilnikowe, szczotki trzpieniowe. Tego rodzaju obróbka także występuje głównie w produkcji jednostkowej i również obarczona jest ryzykiem niedoskonałości i braku powtarzalności. Dlatego powszechniejszymi sposobami usuwania zadziorów są metody mechaniczne, termiczne i elektrochemiczne.
Gratowanie zautomatyzowane – obróbka wibrościerna, przetłoczno-ścierna i magneto-ścierna
Gratowanie zautomatyzowane jest wydajniejsze, tańsze i bardziej precyzyjne. Obecnie technologia oferuje ponad 120 technik gratowania.
Powszechnie stosowanym sposobem usuwania zadziorów i wygładzania krawędzi jest obróbka wibrościerna, w której zadanie gratowania wykonuje medium ścierne. Elementy obrabiane umieszczane są w wygładzarkach wibracyjnych kołowych lub korytowych wypełnionych luźnym ścierniwem o dużej twardości (zawsze większej niż materiał elementu obrabianego) – najczęściej są to kształtki ceramiczne, żywiczne i porcelanowe o różnej wielkości i formie. Producenci oferują także kształtki stalowe, miedziane, szklane oraz drewniane. Urządzenie wykonuje ruchy wibracyjne o zadanej częstotliwości i amplitudzie, dodatkowo detal i kształtki przemieszczają się wspólnie w kierunku obrotowym komory wibracyjnej oraz wykonują ruch obrotowy od zewnętrznej do wewnętrznej krawędzi komory. Z reguły obróbka jest prowadzona na mokro z udziałem płynu wspomagającego, którego zadaniem jest wypłukiwanie jej produktów. Dodawane środki chemiczne mogą mieć też właściwości antykorozyjne.
Wadą obróbki wibrościernej są odpady poszlifierskie, poza tym specyfika tego procesu powoduje, że intensywny proces ścierny zachodzi nie tylko na granicy medium ścierne–przedmiot obrabiany, ale też – przede wszystkim – pomiędzy kształtkami ściernymi lub polerskimi. Kształtki te stopniowo zmniejszają swoje wymiary, aż do osiągnięcia parametrów granicznych, po uzyskaniu których są wymieniane na nowe. Z ekonomicznego punktu widzenia obróbka ta zalecana jest do niewielkich przedmiotów. W przypadku dużych elementów (np. w przemyśle lotniczym) metoda wibrościerna jest nieekonomiczna lub wręcz niemożliwa do zastosowania.
Zadziory mogą być także usuwane metodą przetłoczno-ścierną (ang. AFM – Abrasive Flow Machining) wykorzystującą pasty ścierne, które przemieszcza się pod ciśnieniem względem trudno dostępnych powierzchni lub krawędzi obrabianych. Na efektywność procesu wpływają właściwości past, które składają się z osnowy (np. polimeru) oraz ziaren ściernych. Ziarna ścierne wytwarza się z węglików krzemu, boru, tlenku glinu lub diamentu. Ważnymi parametrami past jest ich lepkość i nieadhezyjność. Poza cechami past na skuteczność tej metody wpływ ma także stopień skomplikowania geometrycznego przedmiotu i materiał, z którego jest wykonany.
Wymagane parametry związane z obrabianym detalem (chropowatość powierzchni, stępienie krawędzi) uzyskuje się poprzez zastosowanie właściwego rodzaju pasty ściernej oraz zapewnienie odpowiedniego ciśnienia wywieranego przez tłok, prędkości przepływu pasty i czasu obróbki.
Kolejną metodą wykorzystującą medium ścierne do usuwania gratów jest obróbka magneto-ścierna (ang. MAF – Magnetic Abrasive Finishing). Polega ona na wzajemnym ruchu między medium ściernym a przedmiotem obrabianym. Istnieją dwie jej odmiany – w jednej medium ścierne o właściwościach magnetycznych znajduje się w stałym polu magnetycznym, a przedmiot obrabiany może wykonywać ruch obrotowy lub posuwisto-zwrotny (najczęściej zaś kombinację tych dwóch ruchów). Drugi sposób polega na tym, że przedmiot obrabiany jest nieruchomy, a ziarna ścierne o właściwościach magnetycznych są wprowadzane w ruch przez wirujące pole magnetyczne. Ziarna te, omiatając przedmiot obrabiany, usuwają z niego zadziory i dodatkowo go polerują. Obróbka taka charakteryzuje się niewielkimi siłami, stąd też ubytek materiału jest niewielki – nie przekracza z reguły kilkunastu mikrometrów. Metoda często wykorzystywana jest do wykańczania trudno dostępnych wewnętrznych powierzchni. Stosowana jest też do miniaturowych części, których ścianki mogłyby ulec uszkodzeniu podczas usuwania zadziorów bardziej inwazyjnymi sposobami.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Gratowanie chemiczne, elektrochemiczne i elektroerozyjne
Zadziory mogą być usuwane również metodą chemiczną, która polega na zanurzeniu elementów w roztworach trawiących. Ich skład i temperaturę dobiera się w zależności od rodzaju materiału, z jakiego wytworzone są detale wymagające obróbki. Mocuje się je pojedynczo lub partiami w koszach, bębnach bądź na specjalnych stojakach i zanurza w pojemnikach z roztworem trawiącym, a następnie myjącym. Chemiczne gratowanie stosowane jest do elementów o skomplikowanych kształtach mających wewnętrzne zadziory, które trudno jest usunąć innymi sposobami. Metoda zanurzeniowa pozwala na szybki dostęp płynnego medium do miejsc trudno dostępnych. Przedmiot dodatkowo może wykonywać ruch obrotowy w celu równomiernego rozprowadzenia czynnika trawiącego. Dodatkowym efektem takiej obróbki może być zmniejszenie chropowatości powierzchni, usunięcie z niej niewidocznych mikropęknięć oraz nadanie połysku przedmiotom obrabianym.
Bardziej wydajnym sposobem jest obróbka elektrochemiczna (ang. ECD – Electrochemical Deburring), w której wykorzystuje się zjawisko elektrolizy. Elektroda podłączona do źródła prądu stałego działa jak katoda, a przedmiot obrabiany stanowi drugą elektrodę, spolaryzowaną jako anoda. W wodnym roztworze elektrolitu pomiędzy katodą i przedmiotem obrabianym następuje wymiana ładunku, co obrabia przedmiot bezstykowo w wybranym punkcie. Ilość usuniętego materiału jest proporcjonalna do czasu i natężenia prądu elektrycznego płynącego między elektrodami, a usunięty materiał jest odseparowywany z roztworu elektrolitu jako wodorotlenek metalu. Obróbka następuje niezależnie od mikrostruktury metalu (czy jest on twardy, czy miękki). Przedmioty nie są tu narażone na temperaturowe lub mechaniczne naprężenia. Przy tym sposobie gratowania należy wziąć pod uwagę wiele czynników, aby uzyskać pożądany efekt: gęstość prądu, szczelinę międzyelektrodową, temperaturę, rodzaj materiału, wielkość zadziorów, koncentrację, ciśnienie i prędkość przepływu elektrolitu.
Kontrola tych wszystkich parametrów jest skomplikowana, stąd dużym ułatwieniem dla producentów są precyzyjne urządzenia w znacznym stopniu umożliwiające automatyzację procesu. Gratowanie elektrochemiczne znajduje zastosowanie w obróbce materiałów trudno obrabialnych oraz przy skomplikowanych kształtach przedmiotów, których krawędzi nie da się wygładzić innymi metodami (elementy turbosprężarek, wysokowydajnych pomp, narzędzia chirurgiczne itp.).
Wymagany stan krawędzi można też uzyskać metodą elektroerozyjną. Różni się ona od elektrochemicznej miejscową intensyfikacją procesu, co nie powoduje usuwania materiału w miejscach, gdzie nie jest to potrzebne czy wręcz jest niepożądane. Obróbkę tę stosuje się w elektronice, medycynie i w odniesieniu do bardzo małych elementów. W dobie miniaturyzacji problem usuwania zadziorów staje się trudniejszy do rozwiązania, mniejsza jest bowiem tolerancja zaokrąglenia lub sfazowania krawędzi. Pozytywne rezultaty, bez względu na twardość materiału, daje właśnie obróbka elektroerozyjna przy odpowiednio dobranych parametrach procesu. Niska energia wyładowań i mała średnica narzędzia pozwalają uniknąć usuwania materiału poza krawędziami, na których występują zadziory.
Gratowanie termiczne
Kolejną metodą obróbki krawędzi, o której warto wspomnieć, jest obróbka termiczna (ang. Thermal Energy Method, TEM). W odróżnieniu od wcześniej wymienionych metod jedynym zadaniem gratowania termicznego jest usunięcie niepożądanych zadziorów (bez wygładzania powierzchni). Do tego celu wykorzystywana jest energia cieplna. Przedmioty przed takim procesem gratowania powinny być odpowiednio przygotowane, wolne od płynów obróbkowych, inhibitorów korozji itp. Zamykane są w specjalnych komorach o grubych stalowych ściankach, do których następnie wprowadzany jest gaz wybuchowy – zwykle mieszanina metanu i tlenu. Iskra powoduje zapłon mieszaniny, tworząc silny wybuch w ciągu kilkudziesięciu milisekund. Wysoka temperatura, sięgająca kilku tysięcy stopni Celsjusza, powoduje spalenie i odparowanie zadziorów, a jednocześnie krótki czas oddziaływania energii cieplnej nie wywołuje zmian w strukturze materiału. W takich warunkach zadzior ulega szybkiemu procesowi utleniania, pozostawiając gładką krawędź. Przy dopracowanym procesie gratowanie termiczne jest stosunkowo wydajne i skutecznie usuwa graty w trudno dostępnych miejscach. Ze względu na oddziaływanie wysokiej temperatury metody tej nie można stosować do niektórych materiałów, np. stopów aluminium czy magnezu.
Poza wymienionymi sposobami gratowania za pomocą ścierniw, roztworów chemicznych i ciepła stosuje się także typowe metody obróbki mechanicznej, jak np. frezowanie. Obróbka skrawaniem stosowana jest zazwyczaj w odniesieniu do otworów – do usuwania zadziorów wykorzystuje się toczenie, pogłębianie, powiercanie i wytaczanie, w zależności od sposobu powstania otworu, miejsca jego występowania oraz materiału, w jakim go wykonano.
O Autorze
