• config

    Ciecze obróbcze

     

     

    Damian Żabicki

     

    W obróbce skrawaniem ważne jest obniżenie temperatury narzędzi skrawających, materiału obrabianego i powierzchni roboczej po to, aby zwiększyć ich trwałość oraz zapewnić ochronę przed korozją. Przy chłodzeniu używa się specjalnych cieczy do obróbki metali nazywanych również cieczami obróbczymi lub cieczami chłodząco-smarującymi.

     

    W praktyce najczęściej wykorzystuje się technologię chłodzenia zewnętrznego, gdzie struga cieczy obróbczej jest kierowana na warstwę poddaną skrawaniu po powierzchnię natarcia i wiór od góry lub na powierzchnię przyłożenia ostrza od dołu. Nieco rzadziej wykorzystuje się chłodzenie wewnętrzne, w którym ciecz obróbcza jest podawana w sposób bezpośredni za pomocą narzędzia skrawającego.

    W praktyce zastosowanie znajduje kilka rodzajów cieczy obróbczych. Przede wszystkim trzeba wspomnieć o olejach obróbczych oraz emulsjach do obróbki metali nazywanych również cieczami chłodząco-smarującymi lub chłodziwami powstającymi poprzez zmieszanie olejów emulgujących i wody. Oprócz tego wykorzystywane są mikroemulsje oraz ciecze syntetyczne, czyli roztwory substancji chemicznych, a także pasty i gazy.

    Oleje obróbkowe można podzielić na emulsyjne i ciecze olejowe. W cieczach obróbkowych emulsyjnych znajduje się ponad 50% oleju mineralnego, który z wodą tworzy mleczną, nieprzezroczystą, lekko opalizującą emulsję. Kropki oleju mineralnego mają wielkość 0,01–0,1 mikrometra. Oleje emulsyjne i mikroemulsje niejednokrotnie zawierają dodatki typu EP (ang. extreme pressure) odpowiedzialne za poprawę własności smarnych.

    Od cieczy emulsyjnych należy odróżnić obróbkowe ciecze olejowe. W porównaniu do emulsji mają one lepsze własności smarne oraz zmniejszają ilość ciepła powstającego w czasie skrawania. Ważne jest zapobieganie zjawisku adhezji polegającym na sczepianiu materiałów ostrza i materiału obrabianego wraz z ich wzajemnym wyrywaniem. Ciecze obróbkowe olejowe zapobiegają również zjawisku dyfuzji, które polega na wzajemnym przenikaniu cząsteczek oraz atomów jednego materiału w drugi. Należy podkreślić, że takie zjawisko powstaje w wysokiej temperaturze oraz przy obecności dużych nacisków podczas obróbki.

    Biorąc pod uwagę lepkość kinematyczną w temperaturze 40°C, oleje klasyfikuje się zgodnie z klasą lepkości. Z kolei uwzględniając skład chemiczny, ciecze obróbkowe można podzielić na oleje mineralne niezawierające dodatków, a także z dodatkami poprawiającymi własności smarne. Dodatki są nieaktywne chemicznie, zatem nie wywołują korozji miedzi oraz jej stopów. Są to najczęściej kwasy tłuszczowe i oleje roślinne.

    Oprócz tego olejowe ciecze obróbcze mogą zawierać dodatki w postaci chemicznie aktywnych środków smarowych EP wywołujących korozję miedzi i jej stopów. Dodatki najczęściej przybierają postać siarki zdyspergowanej w oleju, a także związków siarki, fosforu i chloru. Olejowe ciecze obróbcze mogą zawierać również środki smarowe EP – zarówno chemicznie aktywne, jak i nieaktywne.

     

    Oleje obróbcze

    Lepkość kinematyczna olejów obróbczych w temperaturze 40°C wynosi 10–800 mm2/s. Są to oleje mineralne, zwierzęce (np. olej smalcowy) oraz roślinne (np. olej rzepakowy), przy czym nieco rzadziej stosuje się oleje syntetyczne i ich mieszaniny. Należy odróżnić oleje obróbcze zwykłe, czyli chemicznie bierne, od olejów obróbczych aktywowanych, które powstają w efekcie wprowadzenia do zwykłego oleju substancji o działaniu aktywnym – siarka elementarna, chlor, związki siarki itp. Olej może zawierać związki siarki (tzw. sulfofrezol), natomiast olej z domieszką chloru zazwyczaj w postaci chlorowanych parafin jest nazywany olejem chlorowanym. Oleje o charakterze aktywowanym mają lepsze właściwości przeciwzużyciowe i smarne. Właściwość w tym zakresie jest szczególnie istotna podczas obróbki przebiegającej z dużą prędkością i przy dużych naciskach.

    Niejednokrotnie wykorzystuje się oleje rozpuszczalnikowe (łatwo lotne). Istotną rolę w ich składzie odgrywa lotny rozpuszczalnik, który w czasie obróbki ulega odparowaniu. Zjawisko to przyczynia się do intensyfikacji chłodzenia procesu obróbki. Ważne jest, aby rozpuszczalnik był wychwytywany przez specjalną instalację wyciągową. Rozpuszczalnik niejednokrotnie poddawany jest skraplaniu i może wrócić do obiegu oleju obróbczego.

    Jako wady olejów obróbczych należy wymienić przede wszystkim małą wartość ciepła właściwego. Przyczynia się to do wolniejszego odprowadzania ciepła zarówno przez obrabiany materiał, jak i przez narzędzie obróbcze.

     

    Chłodziwa

    Chłodziwa, inaczej nazywane emulsjami do obróbki metali lub cieczami chłodząco-smarującymi, powstają w efekcie zmieszania olejów emulgujących i wody. Oleje emulgujące są koncentratami emulsji będącymi olejami o lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C mieszczącej się pomiędzy 30–200 mm2/s. Najczęściej przybierają one postać substancji mineralnych, zwierzęcych (olej smalcowy) lub roślinnych (olej rzepakowy). Ilość oleju znajdującego się w koncentracie zazwyczaj nie przekracza 60% (V/V). Typowy olej emulgujący zawiera nie tylko inhibitory korozji i utleniania ale również dodatki EP.

    Warto wspomnieć też o emulsjach olejowych. Po ich zmieszaniu z wodą uzyskuje się stabilną emulsję o barwie mleka. Stosowane w procesach obróbczych emulsje olejowe mają 2–10% (V/V) oleju emulgującego. Z kolei wielkość cząstek oleju znajdujących się w cieczach chłodząco-smarujących mieści się pomiędzy 0,1–20 mikrometrów. Emulsje olejowe są nieodzownym elementem procesów obróbczych, które przebiegają w dużych prędkościach obrotowych i przy niewielkich obciążeniach występujących na styku obrabianego materiału i narzędzia.

    Odpowiednie emulsje wykorzystuje się podczas obróbki większości stopów aluminium, w tym stopów aeronautycznych, stopów miedzi, niklu i tytanu. Oprócz tego do wyboru są emulsje przeznaczone do trudnych obróbek. W takich substancjach przewiduje się więcej dodatków smarnych EP. O odpowiednie chłodziwo warto zadbać podczas szlifowania stali i żeliwa, zwłaszcza przy obróbce wiórowej, również w centrach obróbczych i centralnych układach chłodzenia.

     

    Mikroemulsje

    Kropelki oleju w mikroemulsji osiągają 0,01–0,1 mikrometra. Są one dokładnie zdyspergowane i tworzą mieszaninę o konsystencji roztworu. To właśnie właściwość w tym zakresie zapewnia dobre cechy przeciwkorozyjne, zapobiegając przy tym rozwojowi mikroorganizmów nawet w przypadku znacznego rozcieńczenia roztworu roboczego. W praktyce najczęściej wykorzystuje się roztwór wodny o stężeniu 1,2–4% koncentratu chłodziwa, zatem ilość wody wynosi 96–98,8% roztworu. Należy pamiętać o odpowiedniej jakości wody, która będzie wchodziła w skład mikroemulsji.

    Jako zalety mikroemulsji w porównaniu do emulsji olejowych należy wymienić zwiększenie trwałości narzędzi skrawających w efekcie wyeliminowania zjawiska żywiczenia. Warto przy tym podkreślić możliwość pracy maszyny przy wyższych prędkościach skrawania w odniesieniu do metali kolorowych i żelaznych, co wynika ze zwiększonej zdolności chłodzenia. Ważna jest neutralność dermatologiczna oraz niewydzielanie nieprzyjemnych zapachów i substancji gazowych. Mikroemulsje nie zawierają substancji toksycznych. Oprócz tego substancje tego typu zwiększają trwałość i niezawodność maszyn dzięki właściwościom przeciwzużyciowym i smarnym. Ze względu na biostabilność mikroemulsje nie potrzebują biocydów. Należy podkreślić dobre zwilżanie narzędzi i obrabianego materiału. Mikroemulsje są łatwo rozprowadzane na powierzchni metalu poprzez utworzenie cienkiego filmu smarującego. Zyskuje się więc prawidłową obróbkę przy bardzo małym stężeniu koncentratu.

     

    Pasty chłodzące

    Pasty chłodzące zawierają drobno zdyspergowane substancje smarujące, takie jak grafit, disiarczek molibdenu, azotek boru, a także tlenki metali, czyli wypełniacze. Oprócz tego pasty chłodzące zawierają szereg substancji wiążących w postaci mydeł, parafin, cerezyn itp. Niejednokrotnie pasty znajdują zastosowanie jako mieszaniny z wodą lub są dodawane do innych cieczy chłodząco-smarujących. Jednak takie substancje mają ograniczone zastosowanie, które obejmuje procesy obróbcze przebiegające przy bardzo dużych naciskach, zwłaszcza podczas kształtowania na gorąco.

    Jako zalety past chłodzących należy wymienić wyeliminowanie zjawiska niszczenia metali i korozji przy wydłużonej trwałości narzędzi. Oprócz tego ważna jest poprawa gładzi wykończeniowej oraz możliwość pracy przy zwiększonej prędkości obróbki.

     

    Gazy obróbcze

    Niejednokrotnie jako chłodziwo wykorzystuje się suchy lód, czyli dwutlenek w stanie stałym, lub ciekły azot. Zaletą używania gazu jest przede wszystkim krótki czas realizowania chłodzenia, które odbywa się za pomocą dwutlenku węgla lub może być stosowane w połączeniu z natryskiem cieplnym.

    Warto wspomnieć o gotowych do użycia, niemieszalnych z wodą aerozolach, które znajdują zastosowanie w trudnych procesach obróbczych. Substancje tego typu tworzą film olejowy, który jest odporny na ścinanie i zapewnia wysoki poziom ochrony narzędzi roboczych, zapobiegając zespawaniu się narzędzi z materiałem poddawanym obróbce. Aerozole nie zawierają szkodliwych substancji, takich jak kwas borny, aminy, azot i chlor. Warto podkreślić bardzo dobrą stabilność, ochronę antykorozyjną oraz możliwość pracy przy dużych ciśnieniach. Podczas pracy z takim chłodziwem nie dochodzi do dymienia, parowanie jest niewielkie, a oprócz tego gaz nie rozchlapuje się. Aerozole chłodzące bardzo często są używane przy frezowaniu, szlifowaniu, w procesach średniej trudności, a także podczas głębokiego wiercenia oraz w ciężkich operacjach gwintowania i walcowania gwintów, zwłaszcza w odniesieniu do materiałów, takich jak tytan i stopy tytanu, stal austeniczna, inox oraz materiały kwasoodporne.

     

    Pielęgnacja chłodziw

    W fabrykach, gdzie chłodziwa wykorzystuje się na mniejszą skalę, podczas analizy ich stanu zastosowanie znajdują refraktometry i pH-metry. Ręczne refraktometry wykorzystują światło przechodzące przez próbkę chłodziwa i pryzmat, dzięki czemu można wyznaczyć stężenie emulsji. Wraz ze zwiększeniem stężenia emulsji rośnie odczyt na refraktometrze. Karta charakterystyki chłodziwa powinna zawierać wykres stężenia w funkcji odczytu na refraktometrze lub współczynnik refraktometryczny przypisany do konkretnego produktu. Oleje pochodzenia obcego, które przedostają się do emulsji w czasie eksploatacji, są przyczyną zawyżania odczytu z refraktometru. W efekcie zmniejsza się stężenie innych składników chłodziwa niezbędnych w prawidłowej pracy. Z kolei zakres pomiaru pH wynosi 1–14. W przypadku niższych wartości odczyn jest bardzo kwaśny, wartość 7 oznacza odczyn obojętny, z kolei możliwie najwyższe wartości wskazują na odczyn zasadowy. Zakłada się, że pH emulsji obróbczej nie może być niższe od 8,5 i wyższe niż 9,5.

    Na przykład wzrost odczytu na refraktometrze może wynikać ze wspomnianej już obecności olejów obcych w chłodziwie lub odparowania wody. Z kolei spadek pH może wskazywać na zbyt małe stężenie amin będących składnikiem chłodziwa lub korozji detali i narzędzi.

     

    Podsumowanie

    Wśród najważniejszych funkcji cieczy obróbczych należy wymienić chłodzenie obrabianego materiału i narzędzia skrawającego. Oprócz tego ważne jest smarowanie w obrębie styku narzędzia skrawającego z obrabianym materiałem i wiórem. Warto wspomnieć o zmniejszeniu współczynnika tarcia oraz o poprawie jakości powierzchni obrabianej, co w dużej mierze wynika z właściwości smarnych cieczy obróbczej. Dzięki cieczom obróbczym usuwane są wióry z miejsca obróbki, natomiast obrabiana powierzchnia ma zapewnioną ochronę przed korozją. Kluczowe miejsce w procesie obróbki odgrywa możliwość zwiększenia wydajności maszyn stosowanych w obróbce metali, dzięki poprawie jakości obrabianych powierzchni, zwiększeniu prędkości obróbki, wydłużeniu trwałości narzędzia skrawającego, skutecznemu odprowadzaniu ciepła oraz zmniejszeniu tarcia, a co za tym idzie – mniejszego zapotrzebowania na energię.

     

    Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

    Background Image

    Header Color

    :

    Content Color

    :