PL249410B1 - Elastyczny pierścień z elastomeru do mocowania materiału ściernego na kole polerskim - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób mocowania papieru ściernego (1) na kole szlifierskim (4) za pomocą naprężonego elastycznego pierścienia (3). Cienki, lekki i o odpowiednim kształcie gumowy pierścień został silnie naciągnięty na dużo większe od niego koło. Pierścień mocujący został wykonany z wysokiej klasy elastomeru metodą prasowania i wulkanizacji. Opasujący koło pierścień ma kształt w przekroju litery E. Trzy symetrycznie wykonane wargi tworzą dwie przestrzenie - jedna opasuje koło i ma kanciaste kształty, druga z łagodnie wychodzącą wargą służy do zamocowania papieru. Naciąg opasującego pierścienia może dochodzić do 100% jednak ze względów wytrzymałościowych i możliwościami technicznych montażu za standard należy uznać 70 ÷ 80%. W wyniku naciągu obwodowego proporcjonalnie maleją wymiary promieniowe pierścienia. Zarys koła, na którym będzie opasany pierścień musi być dopasowany do wymiarów pierścienia po naciągnięciu na daną średnicę. Ograniczeniem, z którym trzeba się liczyć jest prędkość obrotowa koła z takim pierścieniem. Graniczna prędkość zależy od pierścienia, jego masy, właściwości, kształtu; ponadto zarysu koła, na którym pierścień jest zamontowany, a przede wszystkim średnicy koła, naciągu i w konsekwencji siły opasania. Część tych zależności można odczytać z wykresu. Istotą pomysłu i gwarancją powodzenia jest lekki pierścień, optymalny naciąg i ostatecznie praca z prędkością niższą od granicznej. Mocowanie papieru ściernego za pomocą zaproponowanego tu sposobu jest alternatywą głównie dla obecnie stosowanej metody na rzep. Metoda na rzep jest droga i nieekologiczna, szczególnie dla dużych kół szlifierskich.

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki.

Wynalazek dotyczy elastycznego pierścienia z elastomeru, przeznaczonego do mocowania materiału ściernego na kole polerskim. Rozwiązanie należy do dziedziny techniki obróbki powierzchniowej, w szczególności do urządzeń szlifierskich. Symbol MKP: B24D9/08.

Opis stanu techniki.

Urządzenia do obróbki powierzchni papierem lub płótnem ściernym są znane w wielu odmianach konstrukcyjnych i w różnych rozwiązaniach technologicznych obróbki. Do najczęściej stosowanych należą:

• Koła polerskie, zwane także: szlifierkami tarczowymi, czołowymi, stolarskimi, dyskowymi, talerzowymi, kołami szlifierskimi lub kołami stolarskimi - w języku warsztatowym skrótowo określane po prostu jako „koło”. W tych urządzeniach krążek papieru lub płótna ściernego jest mocowany na czołowej powierzchni obracającej się tarczy.

Powszechnie stosowane są trzy podstawowe metody mocowania:

- mocowanie na rzep,

- przyklejanie krążka do podkładu filcowego lub bezpośrednio do tarczy,

- mocowanie za pomocą pierścieni metalowych przykręcanych do tarczy.

Rzepy zapewniają dobrą przyczepność, lecz są wrażliwe na zabrudzenie pyłem i z czasem tracą część właściwości; klejenie spowalnia wymianę papieru i zanieczyszcza podkład; pierścienie metalowe zwiększają masę wirującego zespołu i w razie awarii mogą stwarzać ryzyko dla obsługi.

• Polerki oscylacyjne, w których krążek papieru jest standardowo mocowany na rzep. Technologia ta jest wygodna przy niewielkich średnicach krążków i przy typowych siłach docisku, ale nie jest stosowana do bardzo dużych tarcz, gdzie koszty i wymiary rzepów stają się niepraktyczne.

• Urządzenia walcowe, w tym popularne cykliniarki, w których pas papieru ściernego jest rozpięty i napędzany na walcach. Takie szlifowanie jest szczególnie wydajne na dużych powierzchniach płaskich. Umożliwia stosowanie znacznych docisków, jednak wymaga od operatora równomiernego prowadzenia - w przeciwnym wypadku powierzchnia może być gładka, ale nierówna.

• Tarcze i walce listkowe - narzędzia złożone z wielu małych, sklejanych segmentów ściernych. Są to narzędzia, jednorazowego użytku, których eksploatacja jest stosunkowo kosztowna i ograniczona do mniejszych rozmiarów, lecz w wielu zastosowaniach stanowią skuteczną alternatywę.

• Szlifierki taśmowe, obecnie najpowszechniejsze w produkcji i rzemiośle. W taśmach ściernych papier lub płótno jest rozpięte w postaci pasa pomiędzy rolkami. Zasadniczą wadą tej technologii jest brak możliwości stosowania dużych sił docisku: siła tarcia, zgodnie z prawem tarcia (iloczyn siły nacisku i współczynnika tarcia), jest wprost proporcjonalna do nacisku. Ograniczenie docisku powoduje mniejszą efektywność obróbki i często wymusza przedwczesną wymianę taśmy, mimo że warstwa ścierna jest jeszcze użyteczna.

Szlifowanie papierem i płótnem ściernym stosowane jest przede wszystkim w rzemiośle i w małoseryjnej produkcji. Obrabiane są niemal wszystkie materiały stałe - od drewna, poprzez tworzywa sztuczne i metale, aż po szkło i kamień. Spośród wymienionych technologii koło polerskie jest konstrukcyjnie najprostsze i umożliwia - w przeciwieństwie do polerek taśmowych - pracę z dużymi dociskami, co zwiększa efektywność szlifowania. Jednak dotychczasowe sposoby mocowania krążków ściernych na kole (rzep, klej, pierścienie metalowe) nie zapewniają połączenia cech pożądanych: niskiego kosztu, bezpieczeństwa i wygody eksploatacji, szczególnie w przypadku dużych średnic kół. Dlatego potrzebne jest rozwiązanie umożliwiające szybkie i pewne mocowanie krążków papieru lub płótna ściernego na dużych kołach polerskich, zapewniające jednocześnie wysoki poziom bezpieczeństwa i korzystną ekonomię pracy. W praktyce rzepy stosuje się głównie do krążków o średnicy do około 220 mm; przy większych średnicach rosną koszty i trudniej utrzymać czystość powierzchni mocujących.

Problem techniczny.

Należy stworzyć sposób mocowania, krążków papieru lub płótna ściernego na kołach polerskich o dużych średnicach, przy których stosowanie rzepów staje się niepraktyczne ze względów ekonomicznych lub eksploatacyjnych, który:

• eliminuje kosztowne i kłopotliwe w utylizacji rzepy, • jest bezpieczny w eksploatacji, • pozwala na szybki montaż i demontaż papieru, • utrzymuje pewne mocowanie przy typowych prędkościach obrotowych polerowania.

Ujawnienie wynalazku.

Przedmiotem wynalazku jest elastyczny pierścień z elastomeru, przeznaczony do mocowania krążków papieru lub płótna ściernego na kole polerskim. W stanie roboczym pierścień jest obwodowo rozciągnięty co najmniej o 50% w stosunku do średnicy pierwotnej, dzięki czemu własnym naprężeniem opasuje koło i pewnie przytrzymuje krążek materiału ściernego.

W przekroju poprzecznym pierścień ma kształt zbliżony do litery „E”: trzy wargi - dwie zewnętrzne i jedna środkowa - tworzą dwie odrębne przestrzenie.

• Pierwsza z nich, o wyprofilowanym kształcie, służy do opasania obwodu koła (4) i stanowi główny punkt podparcia.

• Druga, z łagodnie wyprowadzoną wargą, umożliwia wsunięcie i przytrzymanie krawędzi krążka ściernego (1).

* Wymiary profilu pierścienia należy ustalać w odniesieniu do jego rozciągniętego stanu, aby zapewnić odpowiedni docisk w miejscu osadzenia. Środkowa warga pierścienia powinna w tym stanie wyraźnie opierać się na przygotowanym zarysie koła, a zewnętrzna część profilu pozostać możliwie równoległa do osi obrotu. W części przeznaczonej do mocowania papieru, po naciągnięciu pierścienia, następuje zwiększenie załamania profilu - zależne również od grubości podkładu i samego papieru. Siła opasania wytwarzana przez naciąg pierścienia rośnie liniowo z jego rozciągnięciem, podczas gdy siła odśrodkowa rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości kątowej ω. Wynika stad istnienie granicznej prędkości obrotowej, powyżej której wargi pierścienia mogą osłabiać docisk, a w skrajnych przypadkach pierścień może się zsunąć z koła. Dla zachowania pełnej skuteczności mocowania zaleca się prowadzenie obróbki w zakresie prędkości liniowych 12-24 m/s, typowych dla pracy papierem lub płótnem ściernym. Do uzyskania trwałej siły opasania niezbędny jest odpowiednio lekki pierścień, którego masa pozostaje bliska granicy wytrzymałości na rozciąganie. Zbyt gruby i ciężki pierścień utrudniałby montaż z wymaganym naciągiem i generowałby większe, niepożądane siły odśrodkowe. Optymalny naciąg - nie mniejszy niż 50% - kompensuje także tzw. efekt Mullinsa (trwałe wydłużenie gumy pod wpływem długotrwałego obciążenia), co pozwala utrzymać wymaganą siłę docisku w całym okresie eksploatacji. Ze względów bezpieczeństwa (BHP) pierścień z elastomeru stanowi korzystną alternatywę dla dotychczas stosowanych pierścieni metalowych. W razie awarii gumowy pierścień, kurcząc się, spada w kierunku osi napędowej, co daje efekt kontrolowanej implozji i eliminuje ryzyko wyrzutu ciężkiego elementu metalowego.

Korzystne skutki wynalazku.

Zastosowanie elastycznego pierścienia z elastomeru do mocowania krążków papieru lub płótna ściernego na kole polerskim daje następujące efekty techniczne i eksploatacyjne:

• Zwiększone bezpieczeństwo pracy - w razie awarii pierścień z elastomeru, kurcząc się, spada do wnętrza urządzenia i nie stwarza zagrożenia wyrzutem ciężkich elementów, jakie mogą powstać przy stosowaniu pierścieni metalowych.

• Łatwy i szybki montaż - wsunięty pod pierścień krążek papieru jest natychmiast utrzymywany siłą naciągu; wymiana pierścienia lub podkładu nie wymaga specjalnych narzędzi i trwa kilkakilkanaście minut.

• Możliwość pracy z dużymi siłami docisku obrabianego materiału, co - zgodnie z prawem tarcia - pozwala na efektywniejsze szlifowanie niż w przypadku technologii taśmowych, w których duże punktowe dociski są ograniczone.

• Odporność na zabrudzenia - pył, wióry i trociny nie wpływają na siłę mocowania w takim stopniu, jak w systemach rzepowych, gdzie zabrudzenie powoduje stopniową utratę przyczepności.

• Niższe koszty eksploatacji i łatwiejsza utylizacja - stosuje się zwykłe krążki papieru ściernego bez dodatkowych warstw rzepowych; zużyty papier podlega standardowej utylizacji.

• Prosta budowa koła - wystarczy przygotować zarys, przykleić podkład i naciągnąć pierścień; dokładność wykonania elementów nośnych może być mniejsza niż w rozwiązaniach z pierścieniami metalowymi.

* Elastyczny pierścień wykonany jest z elastomeru o twardości nieprzekraczającej 55 Shore A oraz rozciągliwości co najmniej 100%, z zachowaniem odporności na trwałe odkształcenie, w tym efekt Mul linsa.

• Możliwość renowacji i długotrwale użytkowanie - zużyty pierścień i podkład można łatwo wymienić, a koło ponownie wyważyć, co wydłuża okres eksploatacji całego zespołu.

• Elastyczność w doborze materiałów - możliwe jest stosowanie różnych rodzajów i grubości podkładu (np. filcu) oraz krążków ściernych o dowolnej granulacji dostępnych na rynku:

Objaśnienia figur rysunku.

Fig. 1 - kompletne koło polerskie.

Fig. 2 - elastyczny pierścień z elastomeru.

Fig. 3 - wycinek przekroju pierścienia z elastomeru przed montażem.

Fig. 4 - wycinek przekroju pierścienia z elastomeru po naciągnięciu.

Fig. 5 - wycinek zarysu koła przeznaczonego do montażu pierścienia.

Przykład realizacji.

Elastyczny pierścień 3 wykonano z mieszanki elastomerowej, np. NR/SBR 80 ZMK1, NBR 75 Z4 lub NBR 90 Z1, o twardości nieprzekraczające] 55 Shore A, zdolnej do rozciągnięcia do około 100% bez utraty sprężystego powrotu i odpornej na zjawisko Mullinsa (trwałe „płynięcie” pod wpływem długotrwałego obciążenia). Zbyt miękki i nadmiernie rozciągliwy elastomer nie zapewniłby wymaganej siły opasania i - wnosząc własną, masę - zwiększałby siłę odśrodkową działającą na pierścień podczas pracy.

Elastyczny pierścień 3 wytwarza się metodą prasowania i wulkanizacji w odpowiedniej formie. Po wyjęciu z formy jego wymiary są o ok. 2-5% mniejsze wskutek skurczu materiału. W przykładzie wykonania elastyczny pierścień 3 ma średnicę formy φ 380 mm (Fig. 3). Przed montażem jego wymiary odpowiadają wymiarom nominalnym z formy. Po naciągnięciu na koło 4 o średnicy φ 640 mm (Fig. 4 i Fig. 5) uzyskano naciąg 68%, przy czym przyrost długości obwodowej elastycznego pierścienia 3 następuje kosztem jego przekroju poprzecznego, co prowadzi do widocznej zmiany kształtu profilu. W stanie roboczym środkowa warga pierścienia opiera się o wewnętrzną średnicę na przygotowanym zarysie koła 4 (Fig. 5), a zewnętrzna część profilu w strefie osadzenia pozostaje zasadniczo równoległa do osi obrotu. W części przeznaczonej do mocowania papieru, po naciągnięciu, pierścień zwiększa załamanie profilu - efekt ten zależy również od grubości podkładu i użytego krążka materiału ściernego 1 np. papieru ściernego. Koło 4 polerskie, na którym osadza się elastyczny pierścień 3, wykonano z lekkiej i stabilnej sklejki wodoodpornej o grubości ok. 18 mm (Fig. 1). Przygotowano jedynie obwodowy kształt oraz miejsce montażu elastycznego pierścienia 3 z niewielkim, optymalnym wciskiem osiowym, ustalonym doświadczalnie. Przy ustalaniu wymiarów koła dla danego pierścienia należy również zadbać o to, by elastyczny pierścień 3 był optymalnie schowany za płaszczyzną aktywnego materiału ściernego 1 np. papieru ściernego.

Podczas pracy zasadnicze znaczenie mają dwie przeciwstawne siły:

• siła napięcia gumy Fn = k χ x, rosnąca liniowo wraz z rozciągnięciem, • siła odśrodkowa Fb = m χ ω² χ r, rosnąca z kwadratem prędkości kątowej ω.

Przekroczenie prędkości, przy której siła odśrodkowa przewyższy siłę naciągu, prowadzi do osłabienia mocowania warg elastycznego pierścienia 3, a w skrajnych przypadkach do jego zsunięcia. Optymalna prędkość pracy mieści się w typowym zakresie 12-24 m/s dla obróbki ściernej. Z praktycznych badań wynika, że minimalny, wstępny naciąg pierścienia powinien wynosić co najmniej 50%, aby zrekompensować długotrwałe obciążenia i zapobiec spadkowi napięcia wskutek efektu Mullinsa. Lekka konstrukcja pierścienia, bliska granicy jego wytrzymałości na rozciąganie, gwarantuje utrzymanie wymaganej siły opasania i jednocześnie ogranicza powstawanie niszczących sił odśrodkowych.

Możliwość przemysłowego stosowania.

Wynalazek może być wykorzystywany w polerkach i szlifierkach tarczowych przeznaczonych do obróbki różnorodnych materiałów - w szczególności drewna, tworzyw sztucznych, metali, szkła czy kamienia - zarówno w warsztatach rzemieślniczych, jak i w małoseryjnej produkcji przemysłowej. Elastyczny pierścień z elastomeru, wytwarzany metodą prasowania i wulkanizacji w formach, zapewnia powtarzalność wymiarów i może być produkowany w wielu średnicach kół. Rozwiązanie pozwala zastąpić dotychczasowe technologie mocowania krążków ściernych - klejenie, rzepy czy pierścienie metalowe - oferując łatwy montaż i demontaż materiału ściernego, niskie koszty eksploatacji oraz bezpieczną pracę także przy dużych siłach docisku. Dzięki uniwersalności i prostocie konstrukcji pierścień może być wytwarzany zarówno w małych zakładach produkcyjnych, jak i w przemysłowych wytwórniach narzędzi, bez konieczności stosowania specjalistycznych urządzeń poza standardowym oprzyrządowaniem do formowania i wulkanizacji elastomerów.

Podsumowanie - wnioski i uwagi eksploatacyjne.

Najistotniejszym parametrem eksploatacyjnym pozostaje obwodowe rozciągnięcie pierścienia, ustalone minimalnie na poziomie 50% w stosunku do średnicy pierwotnej. Takie rozciągnięcie zapewnia:

• przeciwdziałanie sile odśrodkowej, która rośnie z kwadratem prędkości kątowej, • rezerwę siły opasania niezbędną do kompensacji tzw. efektu Mullinsa (trwałego wydłużenia gumy pod wpływem długotrwałego obciążenia), • utrzymanie funkcji mocowania krążka ściernego w całym okresie eksploatacji.

Zbyt duży naciąg (powyżej 90%) wymaga znacznych sił montażowych i może zniechęcać do stosowania rozwiązania.

Wymiary wargi trzymającej papier również powinny być dobierane kompromisowo:

• większa szerokość ułatwia pewne zamocowanie krążka, nawet przy niedokładnym jego wycięciu, • jednak zwiększa masę w strefie mniej stabilnej dynamicznie i zmniejsza czynną powierzchnię roboczą koła.

Parametry pierścienia należy więc dobierać tak, aby zachować kompromis pomiędzy:

• bezpieczeństwem pracy (rezerwa siły opasania), • długotrwałą żywotnością (odporność na trwałe wydłużenie), • a łatwością montażu.

Niejednoznaczność niektórych wartości jest w dużej mierze konsekwencją konieczności zachowania balansu między właściwościami elastomeru a ograniczeniem masy pierścienia, która generuje siłę odśrodkową. Wynika to z samej specyfiki technologii i nie wpływa na istotę wynalazku.

Spis oznaczeń:

(1) - materiał ścierny np. papier lub płótno ścierne (2) - podkład z filcu o grubości ok. 4 mm i gęstości ok. 400 g/m² (3) - elastyczny pierścień mocujący z elastomeru, naciągnięty z wstępnym napięciem powyżej 50% (4) - koło z lekkiego, stabilnego materiału (np. sklejki wodoodpornej) (5) - śruby mocujące koło do tarczy napędowej (6) - wał napędowy z przyspawaną lub osadzoną na wpust tarczą

Claims (1)

1. Elastyczny pierścień z elastomeru do mocowania materiału ściernego na kole polerskim, znamienny tym, że w przekroju poprzecznym ma kształt zbliżony do litery „E”, a trzy wargi - dwie zewnętrzne i jedna środkowa - tworzą dwie przestrzenie: pierwszą przeznaczoną do opasania obwodu koła (4), drugą przeznaczoną do przytrzymywania krawędzi krążka materiału ściernego (1), przy czym elastyczny pierścień (3) w stanie roboczym jest obwodowo rozciągnięty o co najmniej 50% w stosunku do średnicy pierwotnej, jednocześnie elastyczny pierścień (3) wykonany jest z elastomeru o twardości nieprzekraczającej 55 Shore A oraz o rozciągliwości co najmniej 100%, z zachowaniem odporności na trwałe odkształcenie, w tym efekt Mullinsa.