Obróbka przetłoczno-ścierna (AFM – Abrasive Flow Machining), jest użytecznym sposobem wygładzania trudnodostępnych powierzchni i zaokrąglania krawędzi. W obrabiarkach firmy Extrude Hone, wyposażonych w specjalistyczne oprzyrządowanie, względem powierzchni części przeznaczonych do obróbki przetłaczane są polimerowe pasty ścierne. Urządzenia te pracują w systemach jedno bądź dwukierunkowego przetłaczania. W innowacyjnej odmianie obróbki intensyfikowany jest proces obróbkowy przez roztwarzanie anodowe przy użyciu medium ściernego o właściwościach elektrolitu polimerowego. Zmiana konstrukcji obrabiarki i warunków oddziaływania medium na obrabiane powierzchnie skutkuje skróceniem czasu operacji
RYS. 1. Zasada AFM: przetłaczanie jednokierunkowe (a) i dwukierunkowe (b) medium ściernego przez obrabiane otwory
Obróbka przetłoczno-ścierna znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu maszynowego oraz w przemyśle lotniczym i kosmicznym zapewniając wymaganą dokładność wymiarowo-kształtową i powtarzalność skutków obróbki elementów maszyn i oprzyrządowania technologicznego o przestrzennie złożonych kształtach i trudnodostępnych powierzchniach [1]. Przeznaczone do obróbki powierzchnie zewnętrzne lub/i wewnętrzne są obrabiane przez polimerową pastę ścierną w trakcie jej wielokrotnego przetłaczania jedno bądź dwu kierunkowego (rys. 1a, b) [2].
Na efekty obróbki istotny wpływ mają właściwości tych past, produkowanych na osnowie lepkosprężystego polimeru typu poliborosiloxan o konsystencji półstałej oraz z udział ziaren ściernych Al2O3, SiC, B4C (a także wyjątkowo diament) o numerach 16 do 1000 i koncentracji od 30–80%. Pasty ścierne są produkowane w trzech rodzajach lepkości: HV, MV, LV (high, medium, low). Do specyficznych właściwości fizykochemicznych zalicza się nieadhezyjność oraz charakterystyki płynięcia typu tiksotropowego (ośrodek pseudoplastyczny rozrzedzony ścinaniem) bądź dilatantnego (ośrodek zagęszczany ścinaniem) (rys. 2a, b). Właściwości te zapewniają elastyczne wiązanie ziaren ściernych, wpływają na siły mikroskrawania i skutecznie zapobiegającą powstawaniu martwej warstwy przyściennej w obrabianych obszarach [3].
W każdym przypadku produkcyjnego stosowania AFM jej skuteczność obróbkowa jest zależna także od właściwości fizycznych i geometrycznych obrabianego elementu, zastosowanego oprzyrządowania, oraz czasu obróbki. Zróżnicowanie intensywności oddziaływania ściernego na krawędzie i powierzchnie przewężeń wynika ze sposobu formowania się strumienia pasty przetłaczanej pod ciśnieniem. Właściwości takie wykorzystuje się do ukierunkowywania przepływu strumienia medium ściernego względem fragmentów obrabianych powierzchni lub zróżnicowanych kształtowo i wymiarowo przestrzeni obróbkowych (rys. 3).
W przetłaczanej paście powstają naprężenia ściskające powodujące zwiększenie koncentracji ziaren aktywnych. Ziarna te są dociskane do powierzchni obrabianej, a w wyniku ruchu z prędkością 1 do 1,3 m/s zachodzi proces mikroskrawania. Ciśnienie przetłaczania ma wpływ na praktycznie występujące prędkości strumienia pasty (rys. 4) [4]. Jednakże zwiększane ciśnienie nie powoduje porównywalnego wzrostu prędkości i tym samym jego poziom zazwyczaj nie przekracza w praktyce 20 MPa.
Zagłębienia krawędzi i naroży ziaren ściernych w materiał sięgają od 1 do 3 μm powodując odkształcenia plastyczne, a dzięki temu utworzona przez obróbkę przetłoczno – ścierną warstwa wierzchnia zwiększa wytrzymałość zmęczeniową obrabianych części. Ważnym czynnikiem decydującym o efektywności technologicznej AFM jest konstrukcja obrabiarki i specjalistyczne oprzyrządowanie. Liczne odmiany urządzeń do realizacji tego procesu są dostosowane do konkretnych trudnych zadań technicznych: wygładzania powierzchni wewnętrznych matryc i form, zamków i piór łopatek sprężarek i turbin, wielokątnych i krzyżujących się otworów oraz kanałów o zmiennym przekroju, a także do zaokrąglania trudnodostępnych krawędzi. Układ obróbkowy z rys. 1a pracuje w systemie jednokierunkowego przetłaczania pasty ściernej w kolejnych cyklach ruchu tłoka i cyklicznego załadunku medium ściernego. Pasta wypływa przez otwory w przedmiocie obrabianym i jest powtórnie ładowana do cylindra po wycofaniu tłoka do pozycji wyjściowej. Widoczne na rys. 5a zadziory na obrzeżach wierconych otworów, powstałe przy wychodzeniu wiertła z materiału, są usuwane przez przepływającą pastę ścierną, która jednocześnie zaokrągla ostre krawędzie (rys. 5b).
Wielkość promienia zaokrąglenia regulowana jest czasem obróbki odpowiednio do ustalonego ciśnienia i prędkości płynięcia danego rodzaju pasty ściernej. Kierunek płynięcia medium ściernego kształtuje korzystną kierunkowość struktury stereometrycznej powierzchni obrabianych otworów, przez które przepływa czynnik gazowy lub ciekły.
Szczególnym przykładem skuteczności jednokierunkowej obróbki przetłoczno-ściernej jest wygładzanie otworów i zaokrąglanie krawędzi w korpusie wtryskiwacza silnika wysokoprężnego (rys. 6a). Natężenie przepływu pasty przez newralgiczne obszary oraz panujące ciśnienia są uzależnione od średnic obrabianych otworów. Krawędzie otworu bocznego są dobrze zaokrąglone (rys. 6b), gdyż zwiększone ciśnienie spowodowane oporami przetłaczania pasty ściernej przez małe otwory rozpylające paliwo (rys. 6c) powoduje kierowanie strumienia pasty do otworu bocznego.
Przez otwory rozpylające w korpusie wtryskiwacza przepływa w cyklu obróbkowym zmniejszona objętość pasty – lecz przy zwiększonym ciśnieniu wewnętrznym – co zapewnia wygładzenie ich powierzchni, zaokrąglenie krawędzi wewnętrznych i pozostawienie ostrych zewnętrznych krawędzi na wyjściu. Jest to skuteczne zrealizowanie wymagania technicznego stawianego tym otworom ze względu na konieczność prawidłowego rozpylania paliwa. Obróbka krzyżujących się otworów w rozdzielaczu hydraulicznym (rys. 7) pozwoliła na zmniejszenie oporów przepływu oleju, co korzystnie wpłynęło na dokładność pracy urządzenia sterowanego tym rozdzielaczem.
W przypadku łopatek kierowniczych silnika przepływowego (rys. 8a), powietrze chłodzące jest wtłaczane do wnętrza łopatki i wypływa przez otwory rozmieszczone na krawędzi spływu. Podobnie przepływa pasta ścierna podczas obróbki, przez co uzyskuje się zmniejszenie oporów przepływu powietrza podczas pracy silnika.
W tym samym celu stosuje się przetłaczanie pasty przez kolektory wylotowe silnika spalinowego z rys. 8b. Obróbka tego rodzaju stosowana jest najczęściej w produkcji seryjnej. Operacje załadowczo – rozładowcze, mocowanie oraz oczyszczanie przedmiotów obrabianych realizowane jest przy użyciu oprzyrządowania o prostej konstrukcji. Dzięki temu jednokierunkowa AFM jest procesem szczególnie predystynowanym do zadań, w których stawiane są wysokie wymagania jakościowe obrabianym elementom. Uzyskanie w tym procesie stępienia ostrych krawędzi i ich zaokrąglenie na promienie od 0,1 do 0,4 mm, a także zmniejszenie chropowatości powierzchni otworów z Ra = 1,0 do Ra = 0,1 μm, regulowane jest granulacją ziaren ściernych i czasem obróbki.
Obróbka kanałów między łopatkowych w elemencie z rys. 9 wymaga specjalistycznego oprzyrządowania. Konstrukcja ta zapewnia równomierny rozdział pasty ściernej na poszczególne kanały na całym obwodzie. Opory przepływu pasty przez otwór odprowadzający wymuszają w niej ciśnienie wewnętrzne rzędu 20 MPa i zapewniają intensywne wygładzanie powierzchni. Efektywność AFM charakteryzuje w tym przypadku 6 minutowy czas wykonania operacji, który jest ponad 10-krotnie krótszy w porównaniu do wygładzania realizowanego według technologii konwencjonalnej.
Proces obróbki jednokierunkowej w produkcji wielkoseryjnej realizowany jest w systemach zautomatyzowanych. Zautomatyzowany system obróbkowy stosowany jest również w produkcji części o znacznych wymiarach takich jak korpusy silników samochodowych (rys. 10). Paleta z zamocowanym korpusem silnika wprowadzana jest w obszar obróbki z oprzyrządowaniem zamykającym automatycznie odpowiednie otwory i doprowadzającym pastę ścierną w przestrzenie przeznaczone do wygładzenia i zaokrąglenia krawędzi. Po obróbce paleta z częściami jest przemieszczana pod dyszę sterowaną numerycznie z doprowadzonym sprężonym powietrzem, dla oczyszczenia otworów z resztek pasty ściernej.
Elementy maszyn, w których wykonano otwory bądź kanały przelotowe o niewielkiej zmianie przekroju, są poddawane obróbce przetłoczno – ściernej dwukierunkowej. W realizowanych cyklach obróbkowych używana jest wówczas ograniczona objętość pasty ściernej, zależna od pojemności komory roboczej obrabiarki. Tę samą pastę przetłacza się wielokrotnie, aż do uzyskania wymaganego stanu technicznego powierzchni i/lub krawędzi. Podstawową konstrukcją tej odmiany AFM jest układ dwutłokowy z rys. 11a.
Na rys. 11b zaprezentowano układ czterotłokowy. W tym przypadku ruch każdych dwóch par tłoków umieszczonych naprzeciwko siebie jest przeciwbieżny. Proste oprzyrządowanie dla AFM dwukierunkowej, służące zamocowaniu przedmiotu i skierowania pasty ściernej w obszar obróbki, umożliwia spełnienie warunków technicznych stawianych precyzyjnym narzędziom do kalibracji profili o złożonych kształtach. Warunki te dotyczą zachowania ostrych krawędzi na ich powierzchni czołowej (rys. 12a) i chropowatości Ra = 0,1 μm na powierzchniach profili (rys. 12b). Wszystkie profile w tym narzędziu, wykonane według technologii elektroerozyjnej, obrabiane są jednocześnie w czasie nieprzekraczającym 5min.
c.d.n.
Autor: TEKST I ILUSTRACJE: LUCJAN DĄBROWSKI, MIECZYSŁAW MARCINIAK
