Essentiële bewerkingsprocessen: Slijpen, Draaien, Boren en Frezen

Dit artikel belicht de typen bewerkingsprocessen. De typen zijn: 1. Slijpen en Plannen, 2. Draaien en Boren, 3. Boren en 4. Frezen. Het is nodig om enige kennis te hebben van de daadwerkelijke bewerkingsoperaties en hun analyses. In dit artikel gaan we niet in op extreme technologische details en alle mogelijke operatietypes, maar we behandelen alleen de meest basale en algemene bewerkingsoperaties.

Type bewerkingsproces #1: Slijpen en Plannen

De basisnatuur van het materiaalverwijderingsproces is in beide gevallen hetzelfde. Het grootste verschil is dat bij slijpen de primaire (snij)beweging aan het gereedschap wordt gegeven en de voeding aan het werkstuk, terwijl bij plannen het precies omgekeerde is.

De snijoperatie is van aard intermittierend en vindt plaats tijdens de vooruitsteek. Tijdens de terugkeer van het gereedschap (of het werkstuk, naar gelang het geval) wordt de voedingsbeweging gegeven wanneer er geen snijactie is. Figuur 4.34 toont enkele details van de snijzone.

Bij een daadwerkelijke snijoperatie zijn de belangrijkste parameters de hubs per eenheidstijd (N), hublengte (S), snelle-terugkeer verhouding (R) (verplaatsing/hub), snijdiepte (d), en de gereedschaphockes. Om deze parameters om te zetten in de basale bewerkingsparameters, is het voldoende Figuur 4.34 te bestuderen die een doorsnedeweergave toont.

Het moet onthouden worden dat de voorwaarde van orthogonale bewerking doorgaans niet wordt voldaan, maar we zullen het proces behandelen door aan te nemen dat de mechanica van orthogonale bewerking toepasbaar is. Wat de energieverbruik betreft, zijn de resultaten niet erg onnauwkeurig. De ongesneden dikte en de snijbreedte worden gegeven door de relaties –

Waar Ψ de primaire hoek van de hoofdsnijrand is. De hoek van de rake (haakhoek) blijkt α te zijn (ook wel normale rake genoemd) uit het doorsnedegezicht (Fig. 4.34). Figuur 4.35 toont de snij- en duwcomponenten van de kracht.

De snijcomponent F_C werkt tegen v en F_T loodrecht op het tijdelijke oppervlak. F_T kan weer in twee componenten worden ontbonden: F_f (voedingscomponent) en F_n (component normaal op het bewerkte oppervlak), als –

De materiaalverwijderingssnelheid wordt gegeven door LdƒN, waar L de lengte van het werkstuk is en N het aantal snijhubs per eenheidstijd. De snijtijd kan ook worden bepaald als de breedte (B) van het werkstuk, de totale diepte waarmee de werkoppervlakte moet worden verlaagd (H), de snijdiepte (d), de voeding (ƒ), en de snijhub per eenheidstijd (N) gegeven zijn. De totale tijd –

Type bewerkingsproces #2: Draaien en Boren

Draaien is een van de meest voorkomende operaties. Omwentelingsoppervlakken worden doorgaans door deze operatie geproduceerd, hoewel vlakke oppervlakken worden geproduceerd door plandraaien. Alle draaioperaties worden op draaibanken uitgevoerd. De belangrijkste typen draaioperaties zijn – (i) draaien van cilindrische en getrapte cilindrische oppervlakken, (ii) draaien van getapte en gebogen omwentelingsoppervlakken, (iii) draaien van schroefdraaden, en (iv) plandraaien en afsteken. Wanneer een binnenoppervlak bewerkt wordt, heet de operatie doorgaans boren.

Booroperaties kunnen ook worden uitgevoerd voor het produceren van verschillende typen binnenomwentelingsoppervlakken. We bespreken hier de mechanica van een eenvoudige draaioperatie. Deze kan vervolgens uitgebreid worden naar de diverse speciale operaties wanneer nodig. Figuur 4.37a toont een eenvoudige draaioperatie. Het gereedschap dat voor zo'n operatie wordt gebruikt, wordt doorgaans een enkelpuntsgereedschap genoemd.

De gedetailleerde geometrie van deze operatie is geïllustreerd in Fig. 4.37b. Figuur 4.38 toont de verschillende gezichten en hoeken van een enkelpuntsdraaigereedschap. De parameters in de corresponderende basale bewerkingsoperatie kunnen als volgt worden gevonden –

Waar Ψ de zijaardsnijrandhoek is. De normale rake-hoek α kan worden gevonden wanneer de gereedschaphockes gespecificeerd zijn. In het algemeen wordt de voorwaarde van orthogonaliteit niet voldaan, maar om de discussie binnen de scope van deze tekst te houden, zullen we orthogonale bewerking aannemen. De snijsnelheid wordt gegeven als –

Waar N het aantal werkstukomwentelingen per eenheidstijd is en D de werkstukdiameter. Aangezien de snijdiepte d zeer klein is vergeleken met D, kan de snijsnelheid aangenomen worden als constant over de snijbreedte en gelijk aan de waarde gegeven door vergelijking (4.41). Om de voorwaarde van orthogonale bewerking te voldoen, moet de snijrand loodrecht staan op de snelheidsvector, en kan eenvoudig worden aangetoond dat de voorwaarde die moet worden voldaan door de gereedschaphockes is –

Type #3: Boren

De meest voorkomende gatmakerijoperatie is boren en wordt doorgaans uitgevoerd met een draaiboor. In tegenstelling tot slijpen en draaien, omvat dit twee hoofdsnijranden. Figuur 4.41 toont een booroperatie.

Als de totale vooruitgang van de boor per omwenteling (de voersnelheid) ƒ is, dan is het aandeel van elke snijrand ƒ/2 omdat elke lip de ongesnede laag krijgt waarvan het bovoppervlak is afgewerkt door de andere lip 180° vooruit (tijdens 180° rotatie is de verticale verplaatsing van de boor ƒ/2). De ongesneden dikte t₁ en de snijbreedte w zijn gegeven als –

Waar r de straal is van het punt op de snijrand waar de normale rake wordt geëvalueerd, D de nominale diameter van de boor, β de halve punthoek (Fig. 4.41b), en Ψ de spiraalhoek (Fig. 4.42).

Tabel 4.12 geeft typische waarden van de boorhoeken en parameters.

Het moet opgemerkt worden dat bij de booroperatie de variaties in snijsnelheid en andere parameters langs de snijrand aanzienlijk zijn en het hele fenomeen zeer complex is. Alle berekeningen zijn echter gebaseerd op het middenpunt van elke snijrand. Het effect van alle krachten die op de boor werken (Fig. 4.43) kan worden voorgesteld door een weerstandsmoment M en een duwkracht F. De actie aan de meizelrand is geen echte snijactie; het is eerder een indrukken in het materiaal als een wig. Maar het effect van de meizelrand op het moment is verwaarloosbaar omdat het op de rotatieas ligt.

De bijdrage van de meizelrand aan de ontwikkeling van de duwkracht is aanzienlijk. De totale duwkracht F kan worden uitgedrukt als –

Type bewerkingsproces #4: Frezen

Frezen is wellicht de meest veelzijdige bewerkingsoperatie en de meeste vormen kunnen hierdoor gegenereerd worden. Het is onmisbaar voor het bewerken van delen zonder rotatiesymmetrie. In tegenstelling tot draai-, slijp- en boorgereedschappen, bezit het freesgereedschap een groot aantal snijranden. De as waarop de frees gemonteerd is, wordt doorgaans de freesas genoemd.

De freesoperaties kunnen in twee hoofdcategorieën worden ingedeeld: (i) horizontaal frezen, en (ii) verticaal frezen. Bij de horizontale freesoperatie is de freesas horizontaal. Figuur 4.44 toont enkele algemene horizontale freesoperaties. Horizontaal frezen kan weer in twee groepen worden verdeeld, afhankelijk van de relatieve richtingen van snij- en voedingsbeweging. Wanneer de indeling is zoals getoond in Fig. 4.45a, heet de operatie opfrezen.

Wanneer de snij- en voedingsbeweging in dezelfde richting zijn (Fig. 4.45b), heet de operatie afvriezen. Aangezien bij afvriezen de neiging bestaat dat het werkstuk in de frees wordt getrokken, is opfrezen veiliger en wordt het algemeen toegepast. Echter, afvriezen levert een betere oppervlakteafwerking en langere gereedschapslevensduur. Wanneer de snijranden helicaal zijn, is de snijoperatie soepeler en wordt een betere afwerking verkregen. Dit is te danken aan de geleidelijke inwerking van de snijrand.

De freesas is verticaal en (doorgaans) loodrecht op het werkoppervlak bij verticaal frezen. Het schema van spanvorming tijdens gewoon vlakfrezen met een rechte frees wordt uitgelegd in Fig. 4.47a. De frees heeft een diameter D en de aangebrachte snijdiepte is d. Wanneer gefreest wordt met een rechte snijrand, is de operatie orthogonaal en de kinematica van spanvorming is als getoond in Fig. 4.47b.

Aangezien alle snijranden meedoen aan de bewerking, wordt een studie van het proces vergemakkelijkt door de actie van slechts een enkele tand te overwegen. Als ƒ de voedsnelheid van de tafel is in mm/min, dan is de effectieve voeding per tand in mm ƒ/(NZ), waar N de frees toer/min is en Z het aantal tanden in de frees.

De materiaalverwijderingssnelheid per eenheidsbreedte van het werkstuk wordt gegeven door ƒd. Uit Fig. 4.47b is duidelijk te zien dat de dikte van het ongesneden materiaal voor de snijrand geleidelijk toeneemt, een maximum bereikt vlakbij het oppervlak, en daarna snel weer naar nul daalt. Als de voedsnelheid klein is vergeleken met de omtreksnelheid van de frees, dan –

Dus veranderen de snijkrachtcomponenten F_C en F_T (getoond in Fig. 4.48) niet alleen in richting maar ook in grootte naarmate de snijrand langs het gesneden oppervlak beweegt.

Het is duidelijk dat bij snijden met een rechte frees geen component van de snijkracht langs de freesas bestaat. De gemiddelde ongesneden dikte kan als de helft van de maximumwaarde worden genomen. Dus –

De gemiddelde waarden van F_C en F_T kunnen benaderend worden gevonden met deze waarde van ongesneden dikte. Aangezien F_T in radiale richting werkt, produceert het geen moment en is het freesasmoment alleen te danken aan de component F_C. Dus is het moment M door één snijtand F_C(d/2) en varieert ongeveer als F_C. Figuur 4.49 toont de variatie van het freesasmoment (M) met de freesasrotatie voor de actie van slechts één tand.

Nu, om het totale moment (M̅) te verkrijgen, moeten de momenten door alle tanden correct worden opgevoegd. Dit leidt tot drie verschillende mogelijkheden: (i) β < 2π/Z, (ii) β = 2π/Z, en (iii) β > 2π/Z. Figuur 4.50a toont de drie verschillende mogelijkheden; het freesasmoment corresponderend met elk van deze is getoond in Fig. 4.50b. Uit Fig. 4.50 is duidelijk dat met een rechtgetande frees de kracht en het freesasmoment scherpe variaties vertonen die trillingsproblemen kunnen veroorzaken.

Wanneer een helicale frees wordt gebruikt, begint en eindigt het contact tussen de snijrand en het werkstuk geleidelijk. Hier zijn het freesasmoment door één tand en het totale moment van het type getoond in Fig. 4.51a en 4.51b respectievelijk. De bewerkingsvermogen kan worden berekend door het product te nemen van de freesasnelheid en het gemiddelde totale freesasmoment. De gemiddelde duwkracht kan worden beschouwd als werkzaam langs de middelste radiale lijn van de werkstuk-frees contactboog.