Podczas obróbki skrawaniem w strefie skrawania, inaczej w miejscu styku narzędzia skrawającego z powierzchnią przedmiotu obrabianego, wytwarzana jest wysoka temperatura. Za jej generowanie odpowiada siła tarcia, która pojawia się w trakcie mechanicznego usuwania materiału. Bardzo wysokie temperatury są niekorzystne dla przebiegu procesu obróbki skrawaniem, w tym trwałości narzędzia czy jakości wykończeniowej powierzchni. W celu redukcji emisji ciepła stosuje są różne ciecze chłodząco–smarujące (CCS), potocznie określane jako chłodziwa. Poniższy artykuł przedstawia właściwości poszczególnych rodzajów chłodziw. Jakie chłodziwo wybrać? Zapraszamy do lektury.
Odprowadzenie ciepła ze strefy skrawania
Ciepło pojawiające się w strefie skrawania ma istotny wpływ zarówno na trwałość narzędzia jak i dokładność wymiarowo–kształtową przedmiotu obrabianego, w tym chropowatość jego powierzchni. Przykładowymi czynnikami wpływającymi na temperaturę w strefie skrawania są:
– prędkość skrawania,
– rodzaj materiału obrabianego,
– rodzaj materiału z jakiego wykonane jest narzędzie skrawające,
– geometria narzędzia skrawającego (m.in. kąt natarcia, kąt przyłożenia),
– głębokość skrawania,
– prędkość posuwu,
– zastosowanie chłodziwa itd.
Ważnym parametrem wpływającym na odprowadzanie ciepła z powierzchni przedmiotu obrabianego jest prędkość skrawania. Im jest ona większa, tym większa część ciepła odprowadzana jest za pomocą wiórów. Mówiąc inaczej – wióry pochłaniają wydzielane ciepło, przez co między innymi zmniejsza się ryzyko deformacji powierzchni przedmiotu obrabianego czy ryzyko uszkodzenia narzędzia. Przy dużych prędkościach skrawania wióry potrafią prawie całkowicie pochłonąć wydzielane ciepło.
Na wartość temperatury w strefie skrawania ma wpływ również chłodziwo. Należy jednocześnie pamięta, że chłodziwo nigdy nie odprowadzi ciepła ze strefy skrawania w stu procentach.
Wymagania odnośnie chłodziw
Chłodziwem określa się potocznie wszystkie ciecze obróbkowe, zwane także cieczami chłodzący–smarującymi (CCS) stosowane w obrabiarkach. Druga nazwa jest bardziej precyzyjna i nawiązuje do podstawowych wymagań jakie chłodziwo powinno spełniać w czasie skrawania. Przede wszystkim jest to zatem:
– zdolność chłodzenia, czyli przejmowania i odprowadzenie ciepła,
– zdolność smarowania, czyli zmniejszenia tarcia w wysokiej temperaturze i przy dużych naciskach jednostkowych.
Oprócz powyższych dwóch funkcji zadaniem chłodziw jest często także:
– wspomaganie odprowadzania wiórów ze strefy skrawania,
– zabezpieczenie czasowe wyrobu przed korozją.
Poza tym, współczesne chłodziwa muszą spełniać szereg innych wymagań, często trudnych do pogodzenia ze sobą. Mowa tutaj głównie o przepisach związanych z bezpieczeństwem i higieną pracy na stanowisku oraz szeregu regulacji związanych z ochroną środowiska. Brak szkodliwego działania na organizm ludzki, bezwonność lub znośny zapach, nietworzenie dymów i osadów, niepalność, trwałość czy podatność na utylizację, to tylko niektóre z dodatkowych wymagań odnośnie wytwarzania chłodziw.
Olej do obróbki skrawaniem Artesol Super EP 5L
Podział cieczy obróbkowych
Ciecze obróbkowe dzielą się głównie na trzy rodzaje i są to:
– ciecze olejowe
– ciecze wodne, zwane też wodorozcieńczalnymi lub chemicznymi (syntetycznymi),
– ciecze emulsyjne.
Powyższe rodzaje cieczy różnią się między sobą właściwościami chłodzącymi i smarnymi. Ciecze wodne znacznie lepiej spisują się pod względem chłodzenia w porównaniu do cieczy olejowych, które to z kolei wykazują znacznie lepsze właściwości smarne. Ciecze emulsyjne natomiast łączą w sobie dobre właściwości chłodzące wody i smarne oleju. Z tego względu, że stanowią mieszaninę wody z olejem emulgującym to w zależności od procentowej zawartości oleju (stężenia) mogą wykazywać właściwości zbliżone do cieczy wodnych albo do cieczy olejowych.
Ciecze obróbkowe olejowe
Wyróżnia się następujące rodzaje cieczy obróbkowych olejowych:
– oleje mineralne bez dodatków,
– oleje roślinne i ciekłe tłuszcze zwierzęce,
– oleje mineralne z dodatkami polarnymi,
– oleje mineralne z dodatkami EP,
– oleje mineralne z polarnymi i dodatkami EP.
W obróbce skrawaniem dwa pierwsze z wymienionych olejów są raczej rzadko stosowane. Oleje mineralne bez dodatków charakteryzują się słabymi właściwościami smarnymi w wysokich temperaturach oraz przy dużych naciskach powierzchniowych, dlatego głównie stosuje się je do obróbki ręcznej. Z kolei oleje roślinne i ciekłe tłuszcze zwierzęce ulegają szybkiemu utlenianiu, co generuje znaczny koszt spowodowany koniecznością częstej wymiany chłodziwa i jego utylizacją.
Zastosowanie dodatków do olejów mineralnych, zarówno polarnych jak i EP (ang. extrem pressure), pozwala uzyskać mono– lub polimolekularne warstwy smarne na współpracujących powierzchniach narzędzia i materiału obrabianego. Dzięki tym dodatkom powstała warstwa smarna zmniejsza siły tarcia podczas obróbki, nawet w trakcie dużych obciążeń, co świadczy o jej wysokiej wytrzymałości. Większość olejów mineralnych z dodatkami można zatem stosować do obróbki skrawaniem. Obecnie jednak na rynku dostępne są chłodziwa o znacznie lepszych właściwościach od cieczy obróbkowych olejowych, dlatego wybór jednego z tego typu chłodziw nie zawsze będzie najlepszym rozwiązaniem.
W niektórych warunkach skrawania zastosowanie olejów mineralnych będzie właściwe. Przykładem tutaj mogą być oleje mineralne z dodatkami EP, które wykazują dobre właściwości w trakcie obróbki materiałów trudnoskrawalnych oraz przy wysokich prędkościach skrawania.
Ciecze obróbkowe wodne
W większości przypadków ciecze obróbkowe wodne, zwane też wodorozcieńczalnymi, stanowią roztwory różnych syntetycznych związków chemicznych. Zdarzają się jednak wyjątki, tzn. można spotkać się z chłodziwem wodorozcieńczalnym zawierającym niewielką domieszką olejów emulsyjnych.
Tak jak wspomniano na początku artykułu ciecze wodne posiadają bardzo dobre właściwości jeżeli chodzi o chłodzenie, jednak wykazują mierne właściwości smarne. Stosowane w nich dodatki zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, co pozwala intensywniej nawilżać powierzchnie obrobioną i w efekcie przejąć wytwarzane ciepło. Właściwości te pozwalają polepszyć jakość powierzchni wykończeniowych. Z tego względu ciecze wodne stosowane są przede wszystkim do szlifowania, w obróbce wiórowej używa się ich bardzo rzadko.
Ciecze obróbkowe emulsyjne
Najczęściej stosowanym nośnikiem chłodziwa podczas obróbki skrawaniem jest emulsja, czyli mieszanina wody i oleju emulgującego. Ciecze emulsyjne łączą bowiem zalety cieczy wodnych i olejowych.
Zazwyczaj emulsja zawiera od 5% do 10% oleju w wodzie. Używany w cieczy emulsyjnej olej emulgujący stanowi z kolei mieszaninę oleju mineralnego z emulgatorem i innymi dodatkami. Emulgator to substancja powierzchniowo czynna, która zmniejsza napięcie powierzchniowe cieczy na granicy faz olej–woda. To dzięki emulgatorom możliwe jest powstanie emulsji, które wpływają także na jej trwałość
Od ilości emulgatora zależy stopień dyspersji oleju w wodzie, czyli zdolność wytworzenia powłoki ochronnej na powierzchni przedmiotu po odparowaniu wody, a także zdolność przenikania cieczy do miejsc trudno dostępnych. Jak można wywnioskować, większa zawartości emulgatora w oleju polepszy właściwości smarne chłodziwa i jednocześnie pogorszy właściwości chłodzenia. W przypadku mniejszej ilości emulgatora sytuacja będzie analogiczna, tzn. pogorszą się właściwości smarne a polepszy chłodzenie.
Oprócz dodatku w postaci emulgatora, ciecze emulsyjne zawierają również inne dodatki chemiczne, np. wspomniane dodatki polarne czy EP, inhibitory korozji, dodatki przeciw pienieniu się chłodziwa, środki bakterio– i grzybobójcze.
Jakie chłodziwo do obrabiarek?
W większości przypadków do obrabiarek stosuje się ciecze obróbkowe emulsyjne, ponieważ łączą w sobie zalety dwóch pozostałych gatunków cieczy, a także dają możliwość elastycznego dopasowania parametrów chłodziwa do danej obróbki. Parametry chłodziwa emulsyjnego można zmieniać na dwa sposoby, to znaczy poprzez:
– zmianę zawartości procentowej oleju w emulsji (stosunek oleju do wody),
– zmianę stosowanego oleju mineralnego na inny, uwzględniając przede wszystkim ilość emulgatora w jego składzie, a także występowanie pozostałych dodatków.
O ile dobór chłodziwa do pojedynczych, prostych operacji – takich jak na przykład gwintowanie czy wiercenie – jest stosunkowo prosty, o tyle do operacji wielozabiegowych wykonywanych na obrabiarkach CNC wymagane jest stosowanie chłodziw uniwersalnych, które pozwalają uzyskać pewien kompromis w doborze chłodzenia i smarowania dla poszczególnych operacji.
Poniższa tabela przedstawia przykładowe procentowe zastosowanie chłodziw emulsyjnych, wyprodukowanych przez Rafinerię Czechowice.
Tab.1 Przykładowe zastosowania cieczy emulsyjnych do obróbki skrawaniem. Tabela przedstawia zalecaną procentową zawartość oleju emulgującego w emulsji (Rafineria Czechowice)
Należy także pamięta, że przy stosowaniu chłodziwa poza samą cieczą, istotne jest także sposób jego doprowadzenia do strefy skrawania, ciągłość podawania a także odpowiednie ciśnienie.
To czy obróbka powinna przebiegać na sucho czy przy udziale chłodziwa zależy od:
– rodzaju narzędzia skrawającego
– rodzaju materiału obrabianego
Przykładowo narzędzia skrawające ze stali szybkotnącej w zasadzie zawsze wymagają chłodzenia, węgliki spiekane również, z tym że ważne jest, aby strumień chłodzenia był nieprzerwany. W przeciwnym razie może to doprowadzić do szoku termicznego i narzędzie ulegnie pęknięciu.
Wpływ na decyzję czy stosować chłodziwo czy nie, ma także materiał obrabiany. Na przykład patrząc na obróbkę żeliwa stosowanie chłodziwa będzie niekorzystne, ponieważ zawarty w żeliwie grafit spowoduje szybkie zanieczyszczenie cieczy obróbkowej. W innym przypadku stosowanie chłodziwa będzie niezbędne, np. podczas obróbki aluminium, gdzie wymagane jest obfite schładzanie, aby zapobiec zniekształceniom powierzchni czy przyklejaniu wiórów do ostrzy narzędzia.
Informacje dotyczące racjonalnego doboru cieczy chłodzących uzyskać można m.in. ze specjalistycznych katalogów, które udostępniane są zarówno przez wytwórców jak i dystrybutorów.
Doprowadzanie chłodziwa do strefy skrawania
Doprowadzenie chłodziwa do strefy skrawania może odbywać się za pomocą dwóch układów chłodzenia ,tj. układu zewnętrznego lub/i układu wewnętrznego.
Obecnie praktycznie wszystkie obrabiarki, a w szczególności obrabiarki CNC, standardowo wyposaża się w zewnętrzny układ chłodzenia. Taki układ składa się ze zbiornika na chłodziwo, pompy, wężyków doprowadzających i odprowadzających ciecz chłodzącą, giętkich wężyków naprowadzających wypływ chłodziwa, a także samego chłodziwa. Jak sama nazwa wskazuje w zewnętrznym układzie chłodzenia narzędzie jest schładzane za pomocą natryskiwania go od zewnątrz
Opcją dodatkową jest układ wewnętrzny, który pozwala na bezpośrednie doprowadzenie chłodziwa do strefy skrawania. Jest to bardzo dobre rozwiązanie, ponieważ dzięki niemu wióry są znacznie lepiej wypłukiwane z obszaru skrawania, co zapobiega przyklejeniu się ich do narzędzia w trakcie skrawania. Drugą zaletą układu wewnętrznego jest to, że chłodziwo doprowadzane jest tylko w ilości minimalnej, to znaczy w ilości niezbędnej do przeprowadzenia obróbki i tylko do miejsca gdzie jest to konieczne, czyli do strefy skrawania. Używanie wewnętrznego układu chłodzenia ma sens tylko wtedy gdy we wrzecionie czy w supporcie tokarki zamocowane są narzędzia specjalnie dla niego zaprojektowane, czyli takie, które posiadają kanaliki doprowadzające chłodziwo do ich krawędzi skrawających.
Chłodziwo Blasocut 2000 Uni 22l
Podsumowanie
Po pewnym czasie stosowania każdego rodzaju chłodziwa nastąpi zmiana jego właściwości. Głównie należy wziąć tutaj pod uwagę ciecze emulsyjne, składające się z wody i oleju. Podczas wzrostu temperatury w trakcie skrawania część wody oraz oleju zawsze odparowuje, z czego woda znacznie szybciej. Z biegiem czasu zmienią się zatem właściwości chłodząco–smarujące chłodziwa. Poza tym, w zbiorniku z chłodziwem wytworzy się osad, zawierający szkodliwe mikroorganizmy, takie jak pleśń czy grzyby, które nie są obojętne dla higieny osoby wykonującej pracę obróbkowe. Ważne jest zatem, poza stosowaniem cieczy obróbkowych o wysokiej jakości, także okresowe kontrolowanie stanu chłodziwa, jego wymiana i utylizacja na czas.
W kolejnych artykułach opisaliśmy:
– Narzędzia wielozadaniowe do obróbki
Narzędzie skrawające – rodzaje, mocowanie, jak dobrać?
