Podczas zajęć projektowych zaobserwowałem, iż analiza rysunku konstrukcyjnego pod kątem technologicznym stanowi wyzwanie. Umiejętność tę uznaję za kluczową z punktu widzenia technologicznego przygotowania produkcji. Rysunek konstrukcyjny umożliwia rozpoznanie powierzchni funkcjonalnych. Współczesne zasady zapisu m.in. chropowatości są rozbudowane i umożliwiają bezpośrednie wskazanie metody obróbkowej, a także szerokości naddatku obróbkowego.

Dziękuję czujnemu Panu Filipowi, który wskazał na bardzo ważny aspekt dotyczący rysunków konstrukcyjnych i wykonawczych. Zasady opracowywanie rysunków technicznych pozornie jedynie są niezmienne. To powoduje, że dokumentacje konstrukcyjne i technologiczne, które powstały w różnych okresach mogą stosować m.in. odmienne opisy chropowatości powierzchni.

Powierzchnie funkcjonalne to przede wszystkim powierzchnie obrabiane w ramach procesu technologicznego oraz pełniące rolę baz technologicznych. W przypadku pierwszej operacji technologicznej ustalenie przedmiotu obrabianego następuje z wykorzystaniem powierzchni surowej półfabrykatu (odlew, odkuwka, pręty o różnych przekrojach, rura). Jeżeli są powierzchnie nieobrabiane to jedna z tych powierzchni powinna posłużyć jak główna technologiczna baza stykowa w pierwszej operacji technologicznej.

Na ilustracji 1 przedstawiono przykładowy rysunek konstrukcyjny części klasy tuleja, który został opracowany na podstawie obecnie zalecanej i ważnej normy PN-EN ISO 21920-1. Poprzedni rysunek konstrukcyjny i wykonawczy zarazem został opracowany na podstawie nieważnej już normy PN-58/M-04252 z 2022. Wyróżnikiem najnowszej normy jest pozioma linia nad trójkątem w symbolu chropowatości. Ta krótka pozioma linia w symbolu chropowatości oznacza wyłącznie, że jest to na podstawie tej nowej normy.

Obserwując zmiany w zapisie symboli opisujących chropowatość powierzchni można odnieść wrażenie, że w każdej kolejnej normie stają się one coraz dłuższe. W konsekwencji coraz trudniej usytuować je na rysunku technicznym.

Oznaczenie rodzaju materiału niejako wskazuje bezpośrednio i pośrednio na technikę wytwarzania jaka powinna być użyta do wytworzenia półfabrykatu. W przypadku tulei na ilustracji mamy określoną stal. W produkcji seryjnej można wykorzystać odkuwkę, a w produkcji jednostkowej pręt o odpowiednio dobranej średnicy. Odlew w produkcji seryjnej stosujemy dla materiałów predysponowanych swoimi właściwościami do tej techniki wytwarzania, np. żeliwo. Jednak w produkcji jednostkowej stosowanie żeliwa nie jest zalecane ze względu ekonomiczne uwarunkowania. W takiej sytuacji należy w porozumieniu ze zleceniodawcą albo konstruktorem dobrać inny materiał (stal).

Analiza rysunku konstrukcyjnego jest ważna na etapie doboru i opracowywania projektu półfabrykatu. Konieczne jest rozpoznanie powierzchni funkcjonalnych (istotnych), które będą obrabiane. W zależności od rodzaju półfabrykatu (odlew, odkuwka, kształtownik) dobiera się naddatki obróbkowe.

Chropowatość powierzchni

W pierwszej kolejności zwracamy uwagę na ogólne informacje dotyczące chropowatości powierzchni, które powinny być w prawym górnym rogu rysunku konstrukcyjnego (ilustracja 2a i 2b) lub w dolnej części rysunku w pobliżu tabelki rysunkowej (ilustracja 2c). Ogólny opis chropowatości wykorzystywany jest do opisania wszystkich zastosowanych chropowatości na rysunku.

Oznaczenia chropowatości ujęte w nawiasach (ilustracja 2, 3, 4) to wartości, które powinny być naniesione na właściwym rysunku konstrukcyjnym. Na ilustracji 2a przed wartością chropowatości brak jest oznaczenia parametru chropowatości gdyż domyślnie według tamtej normy jest to parametr Ra (PN-M-01146:1971). W późniejszym okresie wprowadzono obowiązkowe podawanie rodzaju parametru chropowatości. Na ilustracji 2c przedstawiono przykład symboli chropowatości z ilustracji 1 wg aktualnej normy PN-EN ISO 21920-1:2022.

Na ilustracji 4 przedstawiono kolejny przykład współczesnego ogólnego opisu chropowatości na rysunku konstrukcyjnym lub wykonawczym. Moim zdaniem symbole opisujące chropowatość ulegają nadmiernemu rozrostowi. W konsekwencji coraz trudniej umieścić je na samym rysunku. Problem ten rozwiązane poprzez możliwość stosowania symboli uproszczonych jak to pokazano na ilustracji 4. Symbol uproszczony pod górną poziomą kreską ma umowną kolejną literą alfabetu. Właśnie symbol uproszczony jest umieszczany na rysunku technicznym.

Na rysunku konstrukcyjnym są również powierzchnie, które nie posiadają żadnego przypisanego oznaczenia chropowatości. W takim przypadku chropowatość takich powierzchni określa znak chropowatości poprzedzający nawias w prawy górnym rogu (ilustracja 5.a, b i c).

Symbol przed nawiasem w opisie ogólnym chropowatości dotyczy wszystkich tych powierzchni na rysunku technicznym, przy których nie ma symbolu chropowatości. Symbole na ilustracji 5.a i 5.b oznaczają, że wszystkie powierzchnie, przy których na rysunku nie ma symbolu chropowatości ostatecznie mają mieć chropowatość odpowiednio Ra5 i Ra3,2. Powierzchnie te będą poddawane obróbce. Symbol na ilustracji 5.c oznacza, iż dana powierzchnia zachowuje swoje właściwości, w tym chropowatość z poprzedzającego etapu produkcji danego procesu produkcyjnego. W samym procesie technologicznym taka powierzchnia nie jest obrabiana. Jeżeli na takiej powierzchni wprowadzone zostanie np. pochylenie odlewnicze na etapie opracowywania konstrukcji odlewu jako półfabrykatu w finalnym produkcie pozostanie niezmienione. W przypadku produkcji seryjnej omawianej tulei będzie to proces wytwarzania półfabrykatu. Dla produkcji seryjnej będą to odlew lub odkuwka. Dla produkcji jednostkowej np. pręt lub wydruk 3D z metali.

W przypadku zalecanej aktualnie normy PN-EN ISO 21920-1:2022 oraz poprzedniej PN-EN ISO 1302:2004 oznaczenie chropowatości jest już nieco inne, a sama lokalizacja ogólnej informacji (ilustracja 2) została przeniesiona bliżej tabelki rysunkowej. W normie PN-EN ISO 1302:2004 i PN-EN ISO 21920-1:2022 m.in. można spotkać się z następującymi oznaczeniami chropowatości (ilustracja 6).

W odniesieniu do ilustracji 6 poszczególne symbole chropowatości przedstawione powyżej są zgodne z zapisami wskazanych norm i oznaczają:

a.) powierzchnia nie może być obrabiana metodami ubytkowymi ani poddawana innym obróbkom (teksturowanie laserowe, druk 3D);

b.) powierzchnia nie powinna być obrabiana, lecz wcześniejsze operacje powinny zapewnić określoną chropowatość powierzchni, w tym przypadku Ra12,5;

c.) powierzchnia powinna być obrabiana, a chropowatość po obróbce powinna wynosić Ra5;

d.) powierzchnia powinna być obrabiana, szlifowaniem, a chropowatość po obróbce powinna wynosić Ra 5 – wskazana jest ściśle określona metoda obróbki;

e.) przykład ogólnej informacji o chropowatościach powierzchni przedmiotu w ramach rysunku konstrukcyjnego
oraz wykonawczego zgodny z normą PN-EN 1302:2004 – powierzchnie bez przypisanego symbolu chropowatości mają mieć finalnie po obróbce chropowatość Ra5;

f.) przykład ogólnej informacji o chropowatościach powierzchni przedmiotu w ramach rysunku konstrukcyjnego
oraz wykonawczego zgodny z normą PN-EN 21920:2022 – powierzchnie bez przypisanego symbolu chropowatości mają pozostać nieobrabiane;

g.) przykład ogólnej informacji o chropowatościach powierzchni przedmiotu w ramach rysunku konstrukcyjnego
oraz wykonawczego zgodny z normą PN-EN 21920:2022 – powierzchnie bez przypisanego symbolu chropowatości mają mieć finalnie po obróbce chropowatość Ra5.

Jeżeli jakaś powierzchnia na rysunku nie ma przypisanego indywidualnie oznaczenia chropowatości obowiązuje oznaczenie poprzedzające nawias. Oznaczenia chropowatości umieszczone w nawiasie są tymi jakie można odszukać na samym rysunku. Ogólny opis chropowatości umieszcza się w pobliżu tabelki rysunkowej.

Dokładność wymiarów geometrycznych

Chropowatość i dokładność wymiarowa są skorelowane ze sobą technologicznie. Z użytkowego punktu widzenia mogą być wymagania bardzo małej chropowatości (duża gładkość) danej powierzchni przy jednoczesnym braku wymagania co do dokładności obróbki. Jeżeli na rysunku konstrukcyjnym jest wymiar o wartości pozbawionej odchyłek (ilustracja 7) to w takim przypadku zastosowania ma klasa dokładności IT14÷15. W przemyśle metalowym i maszynowym klasy te określane są mianem klasy warsztatowe. Duże odchyłki powodują, że nie uznaje się jej za dokładną.

Zwróćmy uwagę na samo ocechowanie wymiaru wartością bez odchyłek. W rzeczywistości technologicznej każda technika wytwarzania umożliwia osiągnięcie określonych chropowatości i dokładności geometrycznych. W konsekwencji nie istnieje możliwość uzyskania powtarzalnej jednej i tylko jednej wartości danego wymiaru. Wartość wymiaru pozbawiona odchyłek niejako podkreśla niskie wymagania dokładnościowe. W przypadku części klasy tulei wymiary takie dotyczą bardzo często powierzchni, które nie są obrabiane.

W przypadku ilustracji 6 wymiar Ø44 dotyczy rowka technologicznego, który zapewnia nam możliwość obróbki otworu na wymiar Ø40H8. Rowek zapewnia nam warunki dla wyjścia narzędzia bez styku z inną powierzchnią. Bez tego rowka nie byłaby możliwa obróbka otworu na żądany wymiar z określoną chropowatością (obróbka wykańczająca). Z kolei wymiar Ø46 dotyczy rowka technologicznego lub podcięcia technologicznego, które ma to samo zadanie, czyli umożliwienie obróbki zewnętrznej powierzchni cylindrycznej na wymiar Ø50h6. Tu również dzięki temu narzędzie ma zapewnione wyjście i odejście od przedmiotu obrabianego.

Istotnym technologicznie jest tolerancja złożona położenia i kształtu – tolerancja bicia wzdłużnego (osiowego), dla którego bazą jest powierzchnia oznaczona literą A (Ø40H8). Obróbki wykańczające powierzchni bazowej A (powierzchni otworu głównego tulei) oraz wskazanej (zależnej) powierzchni zewnętrznej (Ø50h6) są ze sobą powiązane. Ramowy proces technologiczny tulei z bazowaniem na otworze z użyciem obrabiarek konwencjonalnych wskazuje, że obróbka wykańczająca otworu jest operacja przedostatnią. Takie umiejscowienie tej operacji wynika z istnienia z tolerancji złożonej położenia i kształtu, a także od zewnętrznych rowków wpustowych i otworów poprzecznych. Precyzyjna obróbka zewnętrznych powierzchni tulei to ostatnia operacja technologiczna. Powodem tego jest także minimalizowanie powstawania uszkodzeń powierzchni zewnętrznej.

Wymiar, którego wartość jest uzupełniona o alfanumeryczny opis np. H9 lub g6 umożliwia rozpoznanie powierzchni funkcjonalnych, które finalnie w maszynie lub urządzeniu współpracują z powierzchniami innej części. W ten sposób określany jest rodzaj pasowania. Nie oznacza to jednak wysokiej dokładności wykonania (wąskiego pola tolerancji).

Otwory poprzeczne, rowki wpustowe

Otwory poprzeczne (ilustracja 8) oraz różnego rodzaju rowki wpustowe lub wielowypusty wpływają m.in. na to czy będzie możliwe w przypadku części klasy tuleja wykonanie otworu głównego (w osi przedmiotu) na gotowo (finalnie) w pierwszej operacji. Wszelkiego rodzaje przecięcia powierzchni (rowki, otwory poprzeczne) z reguły oznaczają wprowadzenia operacji gratowania czyli usuwania zadziorów. Usuwanie zadziorów może być przeprowadzane zarówno na stanowisku ślusarskim za pomocą okrawarek, z użyciem elektronarzędzia jak również na obrabiarkach CNC.

Rysunek konstrukcyjny stanowi nie tylko graficzne opisanie konstrukcji (ang. GPS – Geometrical Product Specification) ale jednocześnie stanowi najważniejsze źródło dla technologa odpowiedzialnego za technologiczne przygotowanie produkcji.

Zależności kątowe między powierzchniami

Zależności kątowe między powierzchniami obrabianego przedmiotu odgrywają istotną rolę gdyż wymagają uwzględnienia ustalenia kątowego. W takim przypadku swoistym zwycięzcą jest produkcja seryjna, w której stosuje się specjalne oprzyrządowanie technologiczne – specjalne uchwyty obróbkowe. Przy tym nie ma znaczenia, czy dominują obrabiarki CNC, czy konwencjonalne. Uchwyt specjalny zapewnia jednoznaczne położenie przedmiotu umożliwiając obróbkę takich zależnych kątowo od siebie powierzchni. Trzeba zaznaczyć, że często zależności kątowe nie są przedstawione bezpośrednio, lecz opisane za pomocą osi przedmiotu.

Na ilustracji 9 przedstawiono ponownie przedmiot (ilustracja 4) z zaznaczonymi powierzchniami o kątowej wzajemnej relacji.

Na ilustracji 9 rowek wpustowy jest w ściśle określonym położeniu względem sześciokąta. Ta zależność nie jest opisana, a wynika z rzutów pomocniczych i orientacji osi głównych przedmiotu. W powyższym przykładzie sześciokąt i rowek wpustowy są po dwóch stronach przedmiotu. Taki układ oznacza, że nie ma możliwości obróbki wszystkich tych powierzchni w jednym ustaleniu i zamocowaniu. Konieczne jest zapewnienie ustalenia kątowego na jednej a tych powierzchni by móc obrobić drugą.

W sytuacji kiedy takie powierzchnie znajdują się po jednej stronie przedmiotu to możliwa jest ich obróbka w jednym ustaleniu i zamocowaniu na obrabiarce CNC. Zaletą obrabiarek CNC jest indeksowanie położenia w każdej sterowanej osi. Zagadnienia kątowych zależności między powierzchniami opisałem w artykule Ustalenie kątowe w procesie technologicznym.

Pod tym adresem znajdziecie pierwszą część opisu przykładowego procesu technologicznego części klasy tuleja i tarcza.

Źródła

• Notatki własne autora.
• Konsultacje i wiedza dr inż. Tadeusza Rudasia oraz dr inż. Macieja Horczyczaka – PW WIP ITW
• Informatory firmy Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.