Obróbka skrawaniem jest obecnie główną techniką wytwarzania części do maszyn i urządzeń. Polega na nadawaniu przedmiotowi obrabianemu żądanego kształtu, wymiarów i właściwości warstwy wierzchniej poprzez usunięcie części materiału za pomocą narzędzia skrawającego. Dzięki temu, że przeważnie wykonywana jest na urządzeniach sterowanych komputerowo, pozwala na uzyskanie dokładnie zaplanowanego kształtu. Właściwy efekt końcowy zależy jednak nie tylko od precyzyjnego sterowania, ale też od harmonijnie współpracujących elementów biorących udział w procesie obróbki, wśród których kluczową rolę odgrywa system mocowania obrabianego przedmiotu. Ma on za zadanie stabilne utrzymanie detalu i skrócenie czasu potrzebnego do wykonania czynności.

Obrabiane przedmioty mogą być połączone z maszyną bezpośrednio lub za pomocą dodatkowych urządzeń – w postaci uchwytów obróbkowych, elementów mocujących detale w uchwytach czy też przyrządów obrabiarkowych.

Przyrządy obrabiarkowe i uchwyty obróbcze

Urządzenia, które stanowią przedłużenie łańcucha kinematycznego obrabiarki i są przeznaczone do rozszerzania jej możliwości poprzez dodatkowe ruchy przy obróbce, to tzw. przyrządy obrabiarkowe [1]. Zalicza się do nich np. stoły obrotowe, które pozwalają na obróbkę kolejnych przedmiotów ustawianych i mocowanych w uchwytach, głowice wielowrzecionowe, pochylne przyrządy podziałowe czy podzielnice.

Uchwyty z kolei to urządzenia, które służą do ustawienia przedmiotu obrabianego (nadania określonego położenia) na obrabiarce lub zamocowania go na niej, ewentualnie mogą one spełniać obie te funkcje jednocześnie. Można je również wyposażyć w elementy realizujące dodatkowe zadania, np. w mechanizmy podziałowe. Uchwyty obróbkowe w zależności od zastosowania dzieli się na uniwersalne, specjalne i specjalizowane [1].

Uchwyty uniwersalne służą do obróbki przedmiotów o różnych kształtach i wymiarach. To m.in. uchwyty tokarskie samocentrujące dwu- i trójszczękowe oraz imadła maszynowe. Uchwyty specjalne są przystosowane do łączenia z obrabiarką tylko określonego przedmiotu lub kilku przedmiotów o zbliżonych kształtach – do jednej operacji wykonywanej na tym przedmiocie (wyjątkowo kilku).

Uchwyty specjalizowane natomiast to uchwyty uniwersalne w odpowiedni sposób przerobione lub doposażone w celu ich dostosowania do przedmiotu bądź operacji skrawania. Biorąc pod uwagę właściwości przyrządów i uchwytów obróbkowych oraz stawiane im wymogi, wyróżnić można cały szereg tego typu urządzeń, których konstrukcja uzależniona jest m.in. od sposobu obróbki, materiału obrabianego i rodzaju obrabiarki.

Ustalenie

Przed rozpoczęciem operacji skrawania przedmiot obrabiany musi być ustawiony na obrabiarce. Prowadzą do tego dwie czynności: ustalenie i zamocowanie.

Każdy przedmiot w przestrzeni ma sześć stopni swobody. Jeżeli odniesiemy go do układu trzech wzajemnie prostopadłych osi współrzędnych, to może on przesuwać się w jednym z trzech kierunków: X, Y, Z (lub w dowolnym kierunku wypadkowym) bądź obracać się dookoła osi równoległych do tych kierunków.

Ustalenie przedmiotu przy obróbce lub montażu wiąże się z pozbawieniem go jednego, kilku lub wszystkich stopni swobody. Aby pozbawić przedmiot jednego (lub kilku) z sześciu stopni swobody, należy go docisnąć do odpowiednich punktów obrabiarki, uchwytu lub przyrządu. Każdy z tych punktów pozbawia jednego stopnia swobody. Chcąc pozbawić przedmiot np. wszystkich stopni swobody, należy go oprzeć w sześciu punktach.

Elementy ustalające można podzielić na trzy główne grupy: stałe, nastawne i ruchome. Do pierwszej należą płaszczyzny korpusów uchwytów, kołki ustalające stałe i płytki ustalające. Elementy stałe są najpewniejsze w działaniu, bo nie zmieniają położenia w uchwycie, mogą być jednak mało dokładne w ustalaniu, ponieważ między nimi a przedmiotem obrabianym mogą powstawać luzy. Elementy nastawne stosowane są głównie do ustalania przedmiotów powierzchniami nieobrobionymi. To przeważnie śruby i wkręty dociskowe. Elementy ustalające ruchome pozwalają z kolei na ich dokładanie lub odejmowanie albo dostosowywanie ich położenia do kolejnych obrabianych przedmiotów. Do tej grupy zalicza się mechanizmy samoustalające i samocentrujące. Zazwyczaj służą one także do zamocowania przedmiotu.

Rodzaj ustalenia przedmiotu obrabianego w uchwycie zależy od sposobu obróbki, kształtu, wymiarów i żądanej dokładności obróbki powierzchni, a także od kształtu i wymiarów powierzchni ustalających oraz ich położenia względem powierzchni obrabianych [1].

Mocowania

Drugą z głównych funkcji uchwytów obróbkowych – obok ustalania – jest zamocowywanie przedmiotów obrabianych. Ma ono zapewnić im niezmienność położenia, określonego przez elementy ustalające i oporowe uchwytu. Siły zamocowania muszą być na tyle duże, aby przedmiot w czasie obróbki nie zmienił położenia i ulegał jak najmniejszym drganiom. Nie mogą jednak być na tyle duże, by powodować odkształcenia czy uszkodzenia przedmiotu. Poza tym istotne jest także, aby zamocowanie i zwolnienie przedmiotu następowało łatwo i szybko, a elementy służące do obsługi zamocowania były wygodne i bezpieczne w użytkowaniu.

Urządzenia służące do mocowania przedmiotów obrabianych można podzielić na dwie główne grupy: zamocowania sztywne i elastyczne. W przypadku zamocowania sztywnego przedmiot obrabiany tworzy z uchwytem sztywną całość, co sprawia, że ugięcie lub poruszenie przedmiotu w czasie obróbki może zmienić siłę zamocowania lub nawet odmocować przedmiot. Przy elastycznym siła zamocowania jest stała lub zmienia się w niewielkim stopniu, nawet gdy przedmiot się poruszy czy ugnie. Oznacza to, że przy zamocowaniu sztywnym siła zamocowania musi być kilka razy większa niż przy elastycznym.

Ponadto, gdy w trakcie obróbki dochodzi do zmiany wymiarów przedmiotu pod wpływem temperatury, w przypadku mocowania elastycznego automatycznie zmienia się położenie elementów mocujących, dzięki czemu nie występują odkształcenia lub uszkodzenia przedmiotów. Dodatkowo wielkość siły mocowania nie zależy od siły osoby obsługującej uchwyt, co sprawia, że zamocowywanie i odmocowywanie przedmiotu trwa krótko i nie wymaga wysiłku fizycznego operatora. Zamocowanie elastyczne wymaga jednak dodatkowych instalacji, np. hydraulicznej, pneumatycznej, próżniowej lub magnetycznej (przez co zamocowania te nazywane są mechanicznymi), za to mocowanie sztywne można stosować w każdych warunkach, a uchwyt nie jest związany z żadną instalacją i można go przenosić na inną obrabiarkę.

Ustalające i montażowe

Na rynku dostępna jest szeroka oferta elementów mocujących, które można zaliczyć do mocowań sztywnych (nazywanych też ręcznymi). Spora ich część znajduje zastosowanie nie tylko przy obróbce skrawaniem, ale też przy innych czynnościach, które wymagają stabilnego i pewnego zamocowania przedmiotów w uchwytach, przyrządach lub na stołach montażowych (np. przy spawaniu, cięciu, malowaniu).

Do najprostszych elementów montażowych, zarówno pod względem budowy, jak i obsługi, należą trzpienie ustalające i trzpienie montażowe. Są one szeroko stosowane, gdy konieczna jest częsta zmiana położenia i liczy się szybkość oraz precyzja w ustawianiu urządzenia. Dodatkowe atuty tych elementów to niska cena i prostota obsługi.

Trzpienie ustalające znajdują zastosowanie tam, gdzie trzeba zapobiec przesuwaniu się części z powodu sił poprzecznych. Producenci oferują całą gamę różnych trzpieni tego rodzaju, np. z uchwytami (typu T lub jednoskrzydłowymi), pokrętłem, z blokadą lub bez niej, z dźwigniami przestawnymi, sprężynowe, z oznaczeniem pozycji blokady, z zatrzaskiem, płytką ustalającą.

Trzpienie montażowe służą do szybkiego, prostego łączenia części i przedmiotów obrabianych. Także te elementy dostępne są na rynku w wielu rodzajach, wykonane z różnych materiałów. Wśród nich można znaleźć m.in. trzpienie montażowe z blokadą kulkową, płetwową, osiową, z uchwytami, z magnesem neodymowym. W celu ułatwienia obsługi konstruktorzy wyposażają trzpienie np. w przycisk umieszczony w osi części chwytnej, który powoduje schowanie się blokad płetw zainstalowanych w części roboczej. Pozwala to na łatwe i szybkie wsunięcie/wysunięcie trzpienia do lub z otworu.

Dociskacze szybkomocujące

Kolejną grupą powszechnie stosowanych elementów mocujących są dociskacze (zaciski) szybkomocujące. Stosuje się je w celu przytrzymywania i mocowania elementów obrabianych. Duża różnorodność zastosowań i warunków pracy spowodowała powstanie wielu rodzajów dociskaczy, dopasowanych do wymagań konkretnych aplikacji. Przy konstruowaniu tego rodzaju urządzeń pod uwagę bierze się szereg parametrów, w tym położenie płaszczyzny docisku mocowanego detalu względem powierzchni montażu dociskacza, masę, gabaryty oraz wymaganą siłę docisku/przytrzymania detalu, częstotliwość zamykania (liczba cykli pracy) i środowisko pracy. Budowa docisku musi także gwarantować brak kolizji między elementami ruchomymi przyrządu czy maszyny z zamkniętym dociskaczem.

Dzięki zastosowaniu odpowiedniego mechanizmu dźwigniowego (tzw. mechanizmu kolanowego) zaciski szybkomocujące charakteryzują się kilkoma zaletami, które wpływają na solidne mocowanie i łatwość obsługi urządzenia:

- mechanizm dźwigniowy blokuje się samoczynnie w pozycji zamkniętej, przeciwdziałając siłom wywieranym na ramię dociskowe,

- układ kinematyczny mechanizmu dźwigniowego umożliwia zwielokrotnienie siły działania ramienia dociskowego względem siły przyłożonej do dźwigni z rękojeścią,

- ramię zaciskowe cofa się do takiego stopnia, że przedmiot obrabiany można wsuwać i wysuwać całkowicie bez przeszkód,

- nacisk na rękojeść wywołuje dynamiczny przechył ramienia dociskowego w kierunku elementu, który ma zostać przytrzymany.

Siła zaciskowa wywierana na mocowany przedmiot zależy głównie od siły wejściowej przykładanej do rękojeści i położenia śruby dociskowej na ramieniu dociskowym. Siła ta zwiększa się również, kiedy powierzchnia dociskowa śruby styka się z dociskanym przedmiotem przed osiągnięciem martwego punktu przez mechanizm dźwigniowy.

W zależności od kierunku ruchu ramienia dociskowego dociskacze szybkozamykające można podzielić na takie, w których ruch ramienia dociskowego odbywa się po łuku, i napinacze (dociskacze ciągnąco-pchające), gdzie ruch ramienia dociskowego odbywa się w jednej osi. Biorąc pod uwagę położenie rękojeści w pozycji zamkniętej, dociskacze można też podzielić na poziome i pionowe. Z kolei takie, w których ruch wahadłowy dźwigni jest przekształcany na ruch osiowy, powodując pchanie lub ciągnięcie popychacza, nazywane są napinaczami suwakowymi. Blokują się one zazwyczaj w obu skrajnych położeniach, dzięki czemu nadają się do pracy zarówno w funkcji dociskania, jak i naciągu.

Podobnie jak w przypadku trzpieni producenci oferują wiele modeli dociskaczy i w różnych rozmiarach, co pozwala na optymalne dobranie urządzenia do konkretnej potrzeby i warunków pracy.

_________________________________________________________________________________________________

LITERATURA

[1] T. Dobrzański, Uchwyty obróbkowe. Poradnik konstruktora, Warszawa 1987.

[2] Informacje handlowe na stronach producentów i dystrybutorów elementów mocujących, w tym www.kipp.pl, www.elesa-ganter.pl, www.rais.pl, www.enemac.de.