Tribotechnické listy

 

 

Súčasné trendy v oblasti kvapalín pre obrábanie kovov

Pri obrábaní kovov v priemysle sú ako technologické kvapaliny používané rezné oleje nebo emulzie. Pretože pri ich používaní často dochádza ich styku s obsluhujúcimi pracovníkmi a ich únikom do okolia, je použitie reznej kvapaliny regulované stále prísnejšími bezpečnostnými a hygienickými predpismi. Reakciou na ne sú zmeny zloženia kvapalín, vznik nových typov kvapalín, presuny preferencií používateľov medzi typmi kvapalín a v neposlednom rade tiež odklon od používania klasických rezných kvapalín k „mikromazaniu" alebo obrábaniu za sucha. Príspevok sa zaoberá východiskami i dôsledkami týchto zmien.


Na život každého organizmu vplýva okolité prostredie, ale aj naopak. Človek, ktorý dnes disponuje veľkým technickým a chemickým potenciálom, môže svojimi konštruktívnymi aktivitami vnášať do oblastí prírody zásadné zmeny. Na prelome tisícročí ľudstvo musí venovať z existenčných dôvodov veľkú pozornosť ekológii vo všetkých oblastiach priemyslu a poľnohospodárstva.

 

 

Nie inak je tomu aj v strojárskom priemysle, kde sa kladie takisto dôraz na vytváranie a zlepšovanie životného a pracovného prostredia. Svetový vývoj vo vede a výskume smeruje k ekologizácii výroby a výrobkov. Ekológia nemôže byť nikomu ľahostajná, dotýka sa každého, kto chce prežiť plnohodnotný a dôstojný život. Bez ekológie sotva môže spoločnosť riešiť problémy svojho prírodného prostredia, ale aj sociálne, ekonomické a etické problémy. Jedným zo základných ľudských práv je aj právo na ochranu života a zdravia pri práci ako aj právo na priaznivé životné prostredie. Konkrétnym výrazom záruky týchto práv je právny poriadok, ktorý právnymi normami zaručuje zúčastneným osobám práva a určuje povinnosti pre bezpečnú a zdraviu neškodnú prácu ako aj ekologické prostredie. Právna úprava ochrany človeka je tvorená sústavou právnych noriem upravujúcich požiadavky na pracovné prostredie, bezpečnosť práce vrátane bezpečného správania sa človeka na pracovisku. V súčasnosti v rámci Európskej platí legislatíva REACH, v rámci ktorej prebieha registrácia, hodnotenie a autorizácia používaných i nových chemických látok. Ako hlavný cieľ REACH sa deklaruje zvýšenie bezpečnosti chemických látok pre občanov únie a životné prostredie.
Veľký význam v strojárskom odvetví zohráva trieskové obrábanie materiálu, pri ktorom je kladený súbor požiadaviek z hľadiska ekonomiky ale i ekológie, pracovnej hygieny a bezpečnosti pri práci na používané rezné chladiace kvapaliny.
Produktivita práce, jej efektívnosť a kvalita v strojárskej výrobe závisí od prostriedkov, metód a parametrov, ktorými sa menia vlastnosti obrábaného materiálu na nové vo vzťahu na požadovaný výrobok. Samotný proces výroby pozostáva z rôznych druhov činností, ktoré vedú od návrhu k dosiahnutiu reálnej podoby výrobku. Neustálym aplikovaním nových vedeckých poznatkov do procesu obrábania sa kontinuálne zvyšuje kvalita tohto procesu. Tak ako i v iných technológiách, nastalo i tu spojenie niekoľkých vedných odborov k spolupráci a následného transferu získaných poznatkov do priemyselnej praxe.
Pri obrábaní kovov v priemysle sú ako technologické kvapaliny používané rezné oleje alebo emulzie. V posledných rokoch bol ich vývoj a aplikácia výrazne ovplyvňovaná stále rastúcimi požiadavkami legislatívy. Zmeny v zákonoch viedli k výrazným zmenám v zložení chladiacomazacích kvapalín a tým aj k zmenám technických a aplikačných vlastností. Sumarizujúc trendy môžeme dospieť k štyrom smerom, ako odpovedi na nové výzvy :
· Obrábanie na sucho
· Zmena receptúr vodoumiešateľných kvapalín
· Mazanie malým resp. minimálnym množstvom maziva
· Použitie olejov namiesto vodoumiešateľných chladiacomazacích kvapalín

 

Obrábanie na sucho
Rezné kvapaliny sa používajú pri obrábaní pre chladenie a mazanie v oblasti rezu. Súčiastka a nástroj sa neustále preplachujú kvapalinou a výsledkom je nižšia teplota ako by bola ak by kvapalina nebola nasadená. Teplota je dôležitá najmä preto, že ovplyvňuje životnosť nástroja. Uvádza sa, že znížením teploty o 25 °C sa jeho životnosť predĺži až trojnásobne. Teplota významne ovplyvňuje i hodnoty merania behom obrábania. Keďže požadovaná presnosť je vysoká, rozdiel desiatich až dvadsiatich stupňov obvykle znamená, že meradlá sa musia nastavovať podľa príslušnej teploty. Samozrejme teplota ovplyvňuje i ďalšie parametre procesu. Ďalšími dôvodmi nasadenia kvapalín sú odstraňovanie triesok a zlepšenie ich lámavosti.

Argumenty zástancov obrábania bez rezných kvapalín možno zhrnúť nasledovne :

 

 

Zdravie: Problémy sú hlavne s alergiami osôb, ochoreniami pokožky a absenciou takto postihnutého kvalifikovaného personálu.

Prostredie: Rezné kvapaliny znečisťujú okolité prostredie, Znečistenie zasahuje okolitú atmosféru a pracovné prostredie, vodu a triesky z procesu obrábania. Legislatívou sú požadované nákladné opatrenia na elimináciu znečisťovania, skladovanie a likvidáciu opotrebovaných obrábacích kvapalín.

Náklady: Uvádza sa, že v priemere náklady na nákup a likvidáciu kvapalín v strojárenstve v Nemecku tvoria 15 % výrobných nákladov na obrábané súčiastky.
Výrobcovia nástrojov v spolupráci s užívateľmi už dokázali uspokojivo vyriešiť v prípade niektorých typov obrábacích operácii (sústruženie, frézovanie) problémy spojené s týmto technologickým smerom. Napriek tomu ešte stále zostáva mnoho otázok otvorených pri jednotlivých typoch operácii napr. odvod triesok pri hĺbkovom vŕtaní, chladenie nástrojov a obrobkov ako aj obrábacích strojov apod.

 

Zmena receptúr vodoumiešateľných kvapalín
Druhý trend spočívajúci v zmene receptúr sa snaží v maximálnej miere minimalizovať spomenuté negatívne vplyvy cestou zmeny receptúr vodoumiešateľných kvapalín.
Maximálna výkonnosť pri maximálne možnej znášanlivosti s životným prostredím a minimálnom negatívnom vplyve na obsluhu obrábacích strojov: to sú aktuálne požiadavky na produkty prinášajúce inováciu.
Používanie vodoumiešateľných chladiacomazacích kvapalín s alkalickým pH a obsahom povrchovoaktívnych látok môžu spôsobiť výskyt kožných ochorení. Firmy zaoberajúce sa vývojom a predajom chladiacomazacích kvapalín si preto položili otázku : Ako má vyzerať vodoumiešateľná chladiacomazacia kvapalina, ktorá podľa možnosti skoro vôbec nezaťažuje ľudskú pokožku a napriek tomu ponúka najvyššiu kvalitu a bezpečnosť pri obrábaní? Bežné chladiacomazacie prostriedky majú pH-hodnoty medzi 8,8 až 9,2, produkty neobsahujúce bór a amíny 8,2 až 8,6.

 


Jednou z odpovedí na túto výzvu sú nové vodoumiešateľné kvapaliny s nízkou hodnotou pH. Tieto vodoumiešateľné kvapaliny majú oproti tomu hodnoty medzi 7,0 až 5,5. Prostredníctvom pH, blízkemu pokožke sa znižuje relatívna koncentrácia aktívnej zásady na menej ako 5 percent. Takisto aj čisté koncentráty boli zaradené ako „látka neškodná". Táto skutočnosť je podložená skúškou podľa testu TEWL (Trans Epidermal Water Loss). Pri tomto teste sa meria, koľko vody difunduje cez pokožku za časovú jednotku a plochu zvnútra smerom von. Vysoké TEWL- hodnoty poukazujú na vysokú stratu vody a tým aj na vyššie poškodenie bariérovej funkcie pokožky, nízke hodnoty na správnu funkciu bariéry. Ako referenčné látky sa používajú voda a veľmi agresívny dodecylsíran sodný. Pri tomto teste aj pri najvyšších koncentráciách novokoncipované kvapaliny nepreukázali neznášanlivosť s pokožkou. Viacmesačné praktické nasadenie pri obrábaní na moderných CNC strojoch dokázalo v praxi, že pri takto koncipovaných kvapalinách sa dosiahla dobrá znášanlivosť s pokožkou, pričom sa zároveň zlepšil rezný a mazací účinok. Ďalší ich plus je multifunkčné nasadenie. Tieto kvapaliny sú vhodné pre širokú škálu materiálov a to od bežnej liatiny a oceľových zliatin až po hliníkové zliatiny používané v letectve a farebné kovy.
Tým sa tieto nové produkty spájajúc minimálnu pH -hodnotu s maximálnou ochranou proti korózii a dobrou chladiacomazacou účinnosťou pri obrábaní stávajú ukazovateľom smeru vývoja novej generácie chladiacomazacích kvapalín.

 

Mazanie malým množstvom a mazanie minimálnym množstvom maziva
Podľa definície sa mazanie malým množstvom maziva odlišuje od mazania minimálnym množstvom spotrebovaným množstvom chladiacomazacieho prostriedku za hodinu. O mazaní malým množstvom maziva hovoríme vtedy, keď prúdiaci objem kvapaliny neprekročí 2 litre/min., pri mazaní minimálnym množstvom maziva sa spotreba chladiacomazacej kvapaliny ohraničí na 50 ml/min. Pri tomto mazaní odpadá chladenie ako aj odvod triesok prostredníctvom média. Keďže prostredníctvom triesok sa odvádza cca. 80 % obrábacieho tepla, je aj pri týchto technologických postupoch potrebné prostredníctvom inej mechanickej metódy odstrániť triesky z pracovného priestoru, aby sa zabránilo prehriatiu obrábacieho stroja.
Všetky systémy pre mazanie minimálnym množstvom majú spoločné, že sa chladiacomazací prostriedok rozpráši na veľké množstvo veľmi jemných kvapôčiek, ktoré sa na miesta účinku dostávajú v podobe aerosólu. Tu vzniká prvý problém týkajúca sa toxikológie a pracovnej hygieny.
Pokým je pri používaní bežných chladiacomazacích kvapalín snaha novými technológiami a novými typmi chladiacomazacích prostriedkov minimalizovať na pracovisku tvorbu aerosólov, vytvorí sa pri minimálnom mazaní naschvál aerosól, ktorý sa využíva v tejto technológii. Veľké množstvo systémov vedie v kombinácii s veľmi rozdielnymi mazivami ku diferencovaným spektrám kvapôčiek, ktorých vplyv na dýchacie orgány pracovníkov sa musí starostlivo testovať najmä vo vzťahu na ich koncentráciu a rozdelenie veľkostí častíc. Výber vhodných chladiacomazacích prostriedkov má preto významnú až rozhodujúcu úlohu.
V praxi sa popri bežných minerálnych olejoch a vodou miešateľných chladiacomazacích prostriedkoch pri obrábaní používajú prírodné mazivá a oleje ako aj estery a mastné alkoholy. Pri mazaní minimálnym množstvom sa jedná o čisté stratové mazanie, chladiacomazací prostriedok sa spotrebováva kompletne vo forme hmly a aerosólov na pracovnom mieste, preto sa kladie dôraz na toxikologickú nezávadnosť. Z tohto dôvodu sa osvedčili esterové oleje a mastné alkoholy so toxikologicky nezávadným podielom aditív. Prírodné oleje a mazivá majú totiž nevýhodu, že sú oxidačne veľmi nestabilné. Pri procesoch so vznikom vysokých teplôt je preto potrebné použiť esterové oleje a mastné alkoholy, aby sa zabránilo tvorbe živíc na nástrojoch a strojoch.
Mastné alkoholy majú pri rovnakej viskozite nižší bod vzplanutia ako esterové oleje. Odparia sa relatívne rýchlo, pričom sa dosiahne chladiaci účinok. Oproti esterovým olejom je ich mazací účinok relatívne nízky. Preto sa pri trieskových obrábacích procesoch prednostne používajú mastné alkoholy, tam kde je nízka požiadavka na mazací účinok v porovnaní s požiadavkou na chladiaci účinok.
Ako príklad je tu možné uviesť obrábanie sivej zliatiny, kde grafit v materiále preberá úlohu zabezpečiť potrebný mazací účinok, alebo tiež pílenie zliatiny, hliníka a ocele. Esterové oleje sa prednostne používajú pri všetkých trieskových obrábacích procesoch, pri ktorých stojí v popredí mazací účinok medzi obrobkom a nástrojom a odchádzajúcimi trieskami. Príkladom môžu byť operácie rezania závitov, vŕtanie a sústruženie.

 


Esterové oleje majú prednosť, že majú popri nízkej viskozite vysoký destilačný rozsah a bod vzplanutia. Týmto sa zabezpečí, že na pracovnom mieste bude podstatne menej výparov. Zostávajúci tenký film na obrobkoch má zároveň protikorózny účinok. Popri týchto vlastnostiach sú esterové oleje biologicky dobre rozložiteľné.
Z doteraz uvedeného vyplýva, že popri výhodách mazania minimálnym množstvom sa ukazuje aj celý rad nových problémov.

Potreba starostlivého výskumu je otvorená najmä pri nasledovných problémoch:
· Vznik aerosólov a výparov
· Protipožiarna ochrana
· Odvod triesok/konštrukčné zmeny na obrábacích strojoch
· Optimalizovanie mazív na jednotlivé typy obrábacích procesov.

 

Použitie olejov namiesto vodoumiešateľných chladiacomazacích kvapalín
Tento trend sa začal presadzovať na začiatku 90-tych rokov minulého storočia ako stratégia popredných nemeckých automobilových výrobcov, ktorou sa snažili eliminovať prudký rast prevádzkových nákladov vplyvom nových legislatívnych požiadaviek pri používaní klasických vodoumiešateľných kvapalín.
Boli formulované požiadavky smerom k výrobcom obrábacích kvapalín, ktoré zneli :
· Vodou nemiešateľné chladiacomazacie prostriedky pre všetky trieskové obrábacie procesy a všetky používané materiály v automobilovom priemysle
· nízka viskozita, aby sa redukovali straty výnosom na trieskach a na obrábaných súčiastkach
· nízka tvorba hmly a nízka odparivosť do pracovného prostredia.
· Minimálne nebezpečenstvo pre vodu
· Multifunkčnosť - napr. použiteľnosť aj ako hydraulického oleja, kaliaceho oleja a pod.
Tieto požiadavky vyzerali byť v tomto čase viac ako rozporuplné, avšak v pomerne krátkom čase sa dospelo k akceptovateľnému kompromisu medzi výrobcami chladiacomazacích prostriedkov, užívateľmi ako i výrobcami hydraulických komponentov. Prvým krokom na tejto ceste boli kvapaliny predstavujúce tzv. rodinu kvapalín pre obrábacie stroje.
Užívateľ môže všetky mazané miesta na obrábacom stroji vrátanie chladenia obrobku a mazania nástroja obslúžiť jednou rodinou produktov. Kvapaliny sa vyznačovali rovnakou aditiváciou základových olejov ale mali rozdielne viskozity. V prípade ich zmiešavania nedochádzalo k nežiaducim javom vzniku rozličných reakčných produktov, ktoré mali negatívny vplyv na prevádzkové vlastnosti týchto kvapalín. Rozdielne viskozity pre existujúci strojový park boli nevyhnutné, pretože dnešný technický stav v strojárenstve požaduje pre jednotlivé mazacie miesta ako hydraulika, klzné plochy, prevodovky a vretená určitú minimálnu viskozitu. Užívateľom sa otvorili racionalizačné možnosti týkajúci sa šírky sortimentu chladiacomazacích prostriedkov, keďže takáto rodina kvapalín neplní len všetky požiadavky na mazanie obrábacích strojov, ale je aj vhodná pre rôzne trieskové obrábacie procesy a materiály. Prvýkrát bola táto filozofia uskutočnená v roku 1994 pri výrobe motorov nákladných automobilov firmy DaimlerChrysler AG Mannheim. Presadenie tejto filozofie viedlo k významným úsporám, pretože netesnosti v hydraulike nemali negatívny vplyv na kvalitu používaného rezného oleja. Vzhľadom na rozdielne viskozity nebol však ešte vyriešený problém vnútropodnikovej recyklácie.
Požiadavku redukcie počtu používaných mazacích kvapalín spolu s ostatnými formulovanými požiadavkami bolo možné splniť len v úzkej súčinnosti s výrobcami obrábacích strojov (najmä s výrobcami hydraulických komponentov). Trend ku nízkoviskóznym rezným olejom vyžadoval zmenu v oblasti hydrauliky, ktorá je dnes prevažne prevádzkovaná kvapalinami viskozitnej triedy ISO VG 46. Pre užívateľa optimálne mazanie obrábacích strojov by mohlo potom vyzerať napr. takto: jeden nízkoviskózny multifunkčný olej pre hydrauliku, vreteno a chladiacomazací prostriedok a kompatibilné mazivo pre lineárne vedenie a valivé ložiská
Univerzálny olej pre obrábacie stroje vedie ku výraznému odľahčeniu životného prostredia drastickou redukciou likvidovaných množstiev a posiľňuje kokurencieschopnosť užívateľa znížením výrobných nákladov.
V priebehu spomínaného projektu bola vyvinutá univerzálna kvapalina s nízkou viskozitou, ktorá sa mohla nasadiť ako chladiacomazacia kvapalina skoro pre 80 % trieskových obrábacích procesov a zároveň aj ako hydraulický olej v obrábacom stroji.
Pri vývoji takejto univerzálnej kvapaliny sa museli spojiť rozličné požiadavky na hydraulické oleje podľa DIN 51524 a VDMA 24568 a na rezné oleje podľa požiadaviek zákazníkov. Zároveň sa vzhľadom na znášanlivosť so životným prostredím a pracovnou hygienou kládol maximálny dôraz na toxikologickú a ekotoxikologickú nezávadnosť
Použitie esterových olejov pri tomto vývoji bolo z pohľadu ochrany prostredia a zdravia najvýhodnejšie pretože majú výrazne nižšiu odparivosť ako ekvivalentné viskózne minerálne oleje. Ich použitím je pracovník na pracovisku menej exponovaný a prostredie je viac chránené pred emisiami.
Záverom teda možno konštatovať, že existuje viacero ciest na dosiahnutie cieľa. O tom, ktorá je najvhodnejšia rozhoduje prax u jednotlivého užívateľa.

 


Text: Ing. Miroslav Kačmár, Ing. Petr Dobeš,CSc., Fuchs Oil Corporation

 

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 6 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd