Tribotechnické listy

 

 

Suché alebo mokré obrábanie?

Vo svete obrábania rezonuje neustále otázka; obrábať za "mokra" - s prívodom reznej kvapaliny, alebo "za sucha" - bez prívodu chladiacej kvapaliny. Táto skutočnosť je určujúca hlavne pri frézovacom obrábaní. Voľbu: za sucha - za mokra, ďalej komplikuje, existencia MQL (Minimum Quantity Lubrication ) -  minimálne množstvo maziva. Nové technológie obrábania môžu predstavovať úspešný kompromis, a preto poskytujú efektívne a účinné odpovede na tieto problémové otázky. V mnohých oblastiach obrábania, menovite pri HSM - vysokorýchlostnom obrábaní, nie sú tieto rozhodnutia jednoznačné, a preto si tento dôverne známy problém, na základe potrebných informácií, vyžaduje starostlivé zváženie.

 

Mokré chladenie
Chladiace kvapaliny, chladiace zmesi, rezné kvapaliny a rezné tekutiny - tak sa všeobecne zvyknú nazývať médiá pre spôsoby nesuchého obrábania. Mokré chladenie zahŕňa v sebe prostriedky, ktoré sa používajú naprieč akýmkoľvek procesom kovoobrábania na chladenie a mazanie.
V každom procese kovoobrábania vzniká nežiaduce trenie v kontakte medzi obrobenou plochou a chrbtovou časťou povrchu nástroja. Prítomnosť reznej kvapaliny zaisťuje, že trenie medzi  kontaktnými povrchmi sa, vplyvom mazacieho účinku kvapaliny zníži, čoho dôsledkom je bezproblémový kovový sklz kontaktných plôch.
V priebehu procesu obrábania, je teplota v reznej zóne extrémne vysoká. Použitie reznej kvapaliny znižuje teplotu v mieste rezu a tak sa vplyvom chladenia znižuje aj tepelné namáhanie nástroja. Okrem toho, použitie dynamického účinku reznej kvapaliny prispieva k lepšiemu odvádzaniu triesok z miesta rezu a tiež znižuje koncentráciu kovového prachu v priestore výrobného zariadenia. Preto aplikácia reznej kvapaliny priamo ovplyvňuje niektoré významné aspekty :
-    vyššia kvalita procesu obrábania (presnosť  a  kvalita obrobenej plochy)
-    zvyšovanie ekonomickej efektívnosti (zvýšenie produktivity, zvýšenie životnosti nástroja a zníženie spotreby nástrojov),
-    životné prostredie (ekológiu).

 

Samotné frézovanie je v podstate prerušované obrábanie. Rezná hrana nástroja je neustále cyklicky tepelne namáhaná - teplota okolitého prostredia sa dramaticky mení v dôsledku interakcie rezného klina  pri vstupe a výstupe z obrábaného materiálu. Rezný klin je neustále okrem mechanického aj cyklicky a tepelne dynamicky zaťažovaný a vystavovaný opakovaným teplotným šokom.
Spekaný karbid, hlavný rezný nástrojový materiál, je v podstate spekaný produkt práškovej metalurgie a je značne citlivý na tepelné cyklickému namáhanie. Dôsledkom aplikácie reznej kvapaliny priamo na klin, môže dôjsť k jeho fatálnemu poškodeniu.
Extrémne vysoké teploty v mieste rezu môžu viesť k plastickej deformácii reznej hrany, zatiaľ čo prítomnosť cyklického tepelného namáhania spôsobuje mikrotrhliny. Tento efekt je markantnejší pri frézovaní ťažko obrobitelných materiálov, alebo pri veľkých hrubovacích prídavkoch.
Ako už bolo vysvetlené, napriek tomu, že využitie reznej kvapaliny prináša nesporné výhody, spôsobuje vo výrobnom procese frézovania aj niekoľko zásadných  nevýhod .
Zároveň je v mnohých prípadoch použitie účinného prívodu reznej kvapaliny nielen racionálne, ale aj nevyhnutné - bez chladiacej kvapaliny by vo väčšine prípadov produktívne frézovanie nebolo možné. Napríklad pri obrábaní materiálov, ako titán a vysokoteplotné superzliatiny, austenitické a duplexné (austeniticko-feritické) nerezové ocele, alebo dokonca kalené ocele špeciálneho určenia je trenie a vznik tepla markantný. Tiež vyplachovací a dynamický účinok prívodu chladiacej kvapaliny, najmä pri frézovaní hlbokých dutín alebo úzkych štrbín, výrazne zlepšuje odvod triesky a znižuje návrat už odobraných triesok do miesta rezu.

 

 

V porovnaní s tradičným nízkotlakovým chladením, bežne dodávaným pri tlaku cca 20 barov, bolo vítaným prínosom nedávno vyvinuté a nasadené vysokotlakové chladenie (HPC - High Pressure Cooling), kde prúd chladiacej kvapaliny normálne dosahuje tlaky cca 80 barov a viac (Ultra HPC).
Pri tradičnom „mokrom" chladení, sa teplo generované v mieste rezu, premieňa na paru, ktorá ešte zintenzívňuje prenos tepla. Pri HPC je prúd chladiacej kvapaliny smerovaný priamo do miesta rez, kde intenzívne odvádza vyvinuté teplo. Efekt vysokotlakového prúdu reznej kvapaliny tiež zlepšuje podmienky rezu, nakoľko napomáha tvarovaniu triesky výsledkom čoho je trieska lepšie fragmentovaná. Využiteľnosť techniky HPC je možné iba na vhodných obrábacích strojoch, alebo na strojoch, ktoré prešli istou modernizáciou.

Suché obrábanie a ďalšie možnosti
Existujú prípady kedy je použitie mokrého chladenia nevhodné a dokonca kontaproduktívne.
V týchto prípadoch ponúka suché obrábanie sľubné príležitosti. Ako už bolo vysvetlené, v procese hrubovacieho frézovania je pri oddeľovaní triesky nutné počítať s enormným vznikom tepla.
Tu môže byť prívod mokrého chladiva, priamo na reznú hranu, kritické a spôsobiť  tak, v dôsledku tepelného namáhania, jej deštrukciu. Naproti tomu, pri suchom obrábaní a korektnom nastavení rezných parametrov, bude síce teplota reznej doštičky v mieste rezu naďalej vysoká, avšak jej zmena bude v relatívne úzkom rozmedzí, ktoré nebude viesť k tepelnému šoku.
Pokiaľ ide o vysokorýchlostné frézovanie - HSM  (High Speed Machining) s malými prídavkami, najmä pri obrobkoch s hodnotami tvrdosti 45 HRC a vyššími, sa dôrazne odporúča chladenie vzduchom. V týchto príkladoch absencia mokrého chladenia značne zvyšuje životnosť nástroja.
Ďalšími dôležitými faktormi, pri úvahe o nasadení mokrého chladenia, sú: ekonomika, ekológia a bezpečnosť práce. Ak je cenový podiel rezného nástroja na obrobku približne 3 %, podiel spojený s mokrým chladením (nákup, údržbu, filtrácia, likvidácia, atď.) môže, podľa rôznych zdrojov, dosiahnuť hodnôt až (16  - 17) %.
Tiež dlhodobé vystavenie priameho kontaktu chladiacej kvapaliny s pomocným a obslužným personálom, môže spôsobiť zdravotné problémy a „priemyselné" ochorenia. Mnoho národných a medzinárodných noriem a publikované poradenstvo, týkajúce sa riadenia bezpečnosti práce a ochrany životného prostredia, vyžadujú stále prísnejšie požiadavky pre rezné kvapaliny.
Tam, kde nie je rezná kvapalina, nie je potrebné čerpadlo, systém recyklácie chladiacej kvapaliny a ďalšie drahé príslušenstvo obrábacieho stroja, čo všetko ešte viac znižuje celkové výrobné náklady. Vyššie uvedené skutočnosti sú dôvodom, prečo informovaní výrobcovia neustále hľadajú alternatívy chladenia pre tradičné obrábanie s konvenčným prívodom chladiacej kvapaliny.

MQL (minimum quantity lubrication) niekedy tiež nazývané „polosuché" obrábanie je ďalšou z možností chladenia - mazania pri frézovaní. Pri použití tejto techniky, sú rezné hrany nástroja v prostredí, kde je olejová hmla spolu so stlačeným vzduchom vháňaná priamo do miesta rezu. V závislosti od konštrukcie obrábacieho stroja a frézy, môže byť „tlaková hmla"  privedená externe - z trysky stroja,  alebo interne - cez otvory v nástroji.
Hlavnou funkciou MQL je mazanie reznej hrany v zóne tvorby triesky počas jej oddeľovania, a preto sa pri obrábaní spotrebuje iba potrebné množstvo oleja pri zvýšenej účinnosti chladenia a mazania. Navyše, obrobená plocha a triesky sú takmer suché, a teda ich čistenie po obrábaní je oveľa jednoduchšie a rýchlejšie. MQL zvyšuje životnosť nástroja. Navyše pracovná plocha a okolie obrábacieho stroja zostávajú relatívne suché, čo prispieva k vyššej životnosti jednotlivých dielcov a v neposlednom rade prispieva k lepším pracovným podmienkam.

Kryogénne obrábanie je ďalší spôsob. Tu je použitá chladiaca kvapalina pri extrémne nízkych - kryogénnych teplotách, čo výrazne znižuje možnosť prehriatia v mieste rezu a umožňuje lepší výkon a predĺženie životnosti nástroja. Kombináciou tohoto spôsobu s MQL rezultuje v účinnejšom chladení a potrebe najmenšieho množstva kryogénneho média. Ako nízkoteplotné chladivo sa využíva kvapalný dusík, ktorý sa dodáva interne - priamo do miesta rezu prostredníctvom otvorov v nástroji.
Pri niektorých aplikáciách sa alternatívne odporúča použitie kysličníka uhličitého (CO2), ktorý je pod tlakom dodávaný priamo do zóny rezu. V každom  z týchto spôsobov sa častice kryogénneho chladiva odparujú na reznej hrane nástroja a tak v mieste rezu účinne odoberajú teplo .
Z uvedeného je zrejmé, že napriek jasným výhodám, kryogénne chladenie nie je lacné, keďže vyžaduje použitie špeciálne navrhnutých obrábacích strojov.

Takže - suché alebo mokré? Správna odpoveď závisí od konkrétnej aplikácie (materiálu obrobku, operácie, atď.) a možnosti použitia disponibilného nástrojového vybavenia. Výrobcovia rezných nástrojov však chcú brať do úvahy požiadavky zákazníkov a poskytnúť im nástroje, ktoré zabezpečia produktívne obrábanie aj s použitím rôznych metód chladenia.
Drvivá väčšina moderných frézovacích nástrojov s vymeniteľnými reznými doštičkami má vnútorné kanáliky, ktoré umožňujú prívod chladiacej kvapaliny priamo cez teleso nástroja. To umožňuje efektívnejšiu dodávku chladiacej kvapaliny priamo do miesta rezu. Pre čelné frézy a aj frézy generácií bez otvorov pre chladiace médium, ISCAR ponúka upínaciu skrutku s nastaviteľnou tryskou pre chladiace médium. V mnohých prípadoch to nielen zlepšuje prívod chladiacej kvapaliny, ale tiež prispieva k lepšiemu odvodu triesok z miesta rezu.

 


Frézy určené pre HPC a kryogénne obrábanie, musia byť zodpovedajúco navrhnuté. Tvar vnútorných chladiacich kanálikov, ich veľkosť  a  tesniace prvky, by mali zabezpečiť maximálne voľný tok chladiacej kvapaliny bez akýchkoľvek ťažkostí. Najdôležitejšími prvkami sú trysky, ktoré sú umiestnené v ústí kanálikov, pretože musia optimalizovať účinok chladiaceho lúča s vysokou rýchlosťou a nasmerovať ho presne do zóny tvorby triesky.

a. rozšírená drážka frézy. Konštrukcia frézy umožňuje montáž trysiek v ústí otvorov pre prívod chladiacej kvapaliny.
b. Dýza namontovaná v otvore pre prívod chladiacej kvapaliny v blízkosti reznej doštičky.

 

V neposlednom rade musí byť zabezpečená vymeniteľnosť reznej doštičky.
Rezná hrana vymeniteľnej doštičky vykonáva úber materiálu. Aká je teda jej súvislosť s chladením? Kľúčom k pochopeniu tohto vzťahu je druh karbidu reznej doštičky - konkrétne jej povlak, ktorý je bariérou prestupu tepla. Povlak musí byť odolný voči tepelnému šoku, ktorý spôsobí deštruktívny účinok.
Neexistuje žiadny "univerzálny" povlak rovnako vhodný pre produktívne frézovanie s chladením a bez chladenia. Niektoré povlaky sú účinnejšie pre „mokré" obrábanie, zatiaľ čo iné pre „suché".
Aj keď sú vymeniteľné rezné doštičky navrhnuté tak, aby boli použiteľné  pre najširšie aplikácie, rozsah   druhov povlakov je natoľko obsiahly a zložitý, že stojí  za úplne samostatnú diskusiu.

 

 

Text: ISCAR SR

info@iscar.sk

www.iscar.sk

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
7 + 9 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd