Wprowadzenie
Dlaczego chłodziwo do obrabiarki? Ocena się, że podczas procesu skrawania najwięcej energii ulega przetworzeniu na ciepło. Aż 80% ciepła pochłania wiór. Bilans ciepła podczas obróbki skrawaniem przedstawiono na poniższym rysunku.
Wysokie temperatury narzędzia skrawającego mogą być przyczyną jego przyśpieszonego zużycia, a także niekorzystnie wpływać na stan warstwy wierzchniej obrabianej powierzchni. Celem obniżenia temperatury ostrzy narzędzia skrawającego i zwiększenia w ten sposób ich trwałości, a także w celu obniżenia temperatury powierzchni obrabianego materiału i jego ochrony przed korozją stosuje się chłodzenie: noża, obrabianego materiału oraz przestrzeni obróbki. Do chłodzenia najczęściej stosowane są ciecze do obróbki metali zwane też cieczami obróbczymi lub cieczami chłodząco-smarującymi, najczęściej potocznie określane jako chłodziwa do obrabiarki. Poniższy artykuł pozwoli Ci pomóc w doborze odpowiedniego chłodziwa. Jeżeli nie chcesz bądź po prostu nie masz czasu, skontaktuj się bezpośrednio z nami a my pomożemy Ci w doborze odpowiedniego produktu dla Twojej maszyny.
Wytwarzanie ciepła w procesie skrawania
Podczas operacji skrawania ponad 95% energii przetwarzane zostaje na ciepło. Proces ten zachodzi w dwóch etapach. Początkowo narzędzie tnie metal tworząc przy tym odłamek. Utworzony odłamek ocierając się o ostrze skrawające narzędzia wytwarza dodatkowe ciepło. Wraz ze wzrostem prędkości cięcia gwałtownie wzrasta temperatura i ilość wydzielanego ciepła. Przy niskich prędkościach skrawania, odłamek powoduje wysoki nacisk na ostrze co powoduje jego przyspawanie do ostrza tnącego i jego nadbudowę. Efektem procesu jest szybsze zużycie narzędzia skrawającego oraz znaczne pogorszenie obrabianej powierzchni. Wśród czynników wpływających na opisywany proces możemy wyróżnić:
- Prędkość skrawania
- Posuw narzędzia skrawającego
- Głębokość skrawania
- Materiał obrabianej powierzchni
- Materiał narzędzia skrawającego
- Geometria procesu skrawania
Doświadczalnie wykazano że najbardziej istotnym czynnikiem odpowiedzialnym za odprowadzanie ciepła podczas obróbki skrawaniem jest prędkość skrawania. Wraz z jej wzrostem, wzrasta ilość ciepła odprowadzanego w postaci wiórów. Odpowiednio dobrana prędkość skrawania w połączeniu z dobrze dobranym chłodziwem pozwalają na niemalże całkowitą utratę niechcianego ciepła.
Zadania stawiane chłodziwom do obrabiarek
Głównym zadaniem cieczy obróbczych jest schładzanie narzędzia i powierzchni ciętej materiału. Efektem tego zabiegu jest odprowadzenie ciepła będącego głównym produktem ubocznym obróbki skrawaniem. Chłodziwo do obrabiarki podczas cięcia metalu spełniają jeszcze dodatkowe funkcję, do których należą:
- zmniejszanie tarcia pomiędzy narzędziem oraz powierzchnią obrabianą
- zapewnienie skutecznego przepłukiwania celem usunięcia opiłków
- zmniejszenie zużycia narzędzi
- osiągnięcie wymaganej gładkości powierzchni obrabianych
- ochrona antykorozyjna
- zapobieganie wzrostowi bakterii i grzybów
Szczególne wymagania stawiane producentom nowoczesnych chłodziw leżą w zapewnieniu nietoksyczności zarówno dla operatora maszyny jak i środowiska oraz spełnieniu innych restrykcyjnych przepisów. Szczególny nacisk kładziony jest na bezpieczeństwo i higienę pracy jak i utylizację produktu. Wybierając odpowiednie chłodziwo do obrabiarki warto również dokładnie przyjrzeć się jego wydajności celem niskiego kosztu użytkowania produktu.
Podział chłodziw do obrabiarek
Ciecze obróbcze możemy w zasadzie podzielić w następujący sposób:
- oleje obróbcze
- ciecze emulsyjne do obróbki metali
- ciecze syntetyczne
Oleje obróbcze są wytwarzane i sprzedawane w stanie gotowym do użycia. Ciecze emulsyjne najczęściej sprzedawane są w postaci koncentratów, zawierających obok substancji emulgujących także: dodatki smarne, dodatki EP(z ang. extreme pressure), przeciwkorozyjne oraz liczne dodatki antybakteryjne celem przedłużenia żywotności chłodziwa. Stosuje się je jako emulsje, mikroemulsje lub roztwory wodne o stężeniu koncentratu najczęściej na poziomie 2-10%. Ciecze emulsyjne do obróbki metali łączą w sobie cechy cieczy syntetycznej oraz oleju obróbczego co pozwala na zapewnieniu doskonałych własności smarnych przy optymalnej gęstości pozwalającej na idealne pokrywanie strefy skrawania materiału.
Oleje obróbkowe
Oleje obróbcze można podzielić w zależności od ich składu na:
- oleje uzyskiwane z tłuszczy zwierzęcych
- oleje roślinne
- oleje mineralne
- oleje mineralne wzbogacane dodatkami(oleje aktywowane)
Rozróżniamy oleje obróbcze zwykłe oraz oleje obróbcze aktywowane. Oleje aktywowane uzyskiwane są przez wprowadzenie do oleju substancji aktywnych. Oleje te wykazują lepsze własności smarne i ochronne narzędzia, istotne zwłaszcza przy dużych prędkościach obrabiania metalu i dużych naciskach. Ogólna dostępność i powszechność stosowania olejów mineralnych prostych oraz wzbogacanych licznymi dodatkami w zasadzie wyparła stosowanie olei pochodzenia roślinnego oraz zwierzęcego we współczesnej obróbce skrawaniem. Oleje te charakteryzowały się krótkim terminem przydatności ze względu na procesy utleniania w nich zachodzące, co powodowało częstą konieczność ich wymiany.
Wadą olejów obróbczych jest przede wszystkim ich niskie ciepło właściwe, co powoduje powolniejsze odprowadzanie ciepła z narzędzia i obrabianego materiału. Pomimo to, proste oleje mineralne nadal znajdują czasem zastosowanie w przypadku konieczności uzyskania dużej dokładności zarysu narzędzi skrawających. Oleje obróbcze aktywowane znajdują natomiast zastosowanie w przypadku obróbki materiałów trudno obrabialnych lub gdy występują bardzo duże naciski między narzędziem i obrabianym materiałem. Najczęściej wzbogacane są one dodatkami antykorozyjnymi, zapobiegającymi utlenianiu oraz dodatkami EP.
W wielu przypadkach obróbki skrawaniem stosowane oleje obróbcze zastępuje chłodziwo do obrabiarki, charakteryzujące się lepszymi właściwościami w zakresie odprowadzania ciepła i o wiele większą wydajnością.
Ciecze syntetyczne
Woda będąca ich głównym składnikiem ma doskonałe własności odprowadzania ciepła, natomiast znikome właściwości smarne. Tworząc roztwór wody z licznymi dodatkami syntetycznymi uzyskujemy chłodziwa syntetyczne, bądź w przypadku niewielkiej ilości olejów emulsyjnych – chłodziwa półsyntetyczne. Podobnie jak w przypadku emulsji, dodatki syntetyczne zapewniają zmniejszanie napięcia powierzchniowego, poprawiając przyleganie cieczy do obrabianej powierzchni co powoduje wydajne odprowadzanie ciepła. Dzięki doskonałym właściwościom odprowadzania, ciepła chłodziwa syntetyczne znajdują najczęściej zastosowanie w przypadku szlifowania i są przy tym bardzo wydajne. W przypadku obróbki wiórowej czasem stosowane są chłodziwa półsyntetyczne.
Ciecze emulsyjne
Ciecze emulsyjne czyli chłodziwo do obrabiarki zwane również emulsją chłodząco-smarującą powstaje poprzez zmieszanie olejów emulgujących z wodą. Wielkość kropelek oleju w emulsji jest niemalże niewidoczna, ponieważ wynosi zaledwie kilka mikrometrów. Oleje mieszają się z wodą w dowolnym stosunku tworząc stabilne emulsje o opalizującym kolorze. Zawartość oleju w koncentracie najczęściej nie przekracza 50%.
Obecność emulgatora powoduje zmniejszanie napięcia powierzchniowego emulsji, przez co lepiej nawilżane są narzędzia skrawające oraz obrabiane elementy, przy bardzo dobrym odprowadzaniu ciepła ze strefy skrawania. Wraz ze wzrostem ilości emulgatora w chłodziwie zwiększają się własności smarne chłodziwa. Oprócz emulgatora, nowoczesne chłodziwo zawiera szereg dodatków poprawiających jego właściwości takich jak: inhibitory korozji i utleniania, dodatki EP oraz dodatki antybakteryjne pozwalające na wydłużenie żywotnośći produktu.
Jak dobrać chłodziwo do obrabiarki?
W celu doboru odpowiedniego chłodziwa do stosowanej maszyny należy rozpatrzyć kilka zasadniczych parametrów dotyczących samej obróbki. Spośród nich najbardziej istotnymi są:
- Typ obróbki(np. frezowanie, gwintowanie, wiercenie)
- Rodzaj oraz materiał narzędzia skrawającego
- Rodzaj materiału obrabianego
W przypadku maszyn konwencjonalnych na których wykonywana jest jedna czynność np. wiercenie wybór jest dość prosty. Sprawa komplikuje się w przypadku centrów obróbczych CNC, gdzie stosując wiele narzędzi i operacji mamy do dyspozycji tylko jeden rodzaj chłodziwa. W większości przypadków sprawę tę rozwiązują uniwersalne chłodziwa emulsyjne które charakteryzują się przede wszystkim świetną zdolnością do przylegania do przedmiotu obrabianego oraz dzięki licznym dodatkom syntetycznym, doskonałymi właściwościami smarnymi. Dobierając chłodziwo do obrabiarki powinniśmy sugerować się również następującymi informacjami które możemy uzyskać z kart technicznych:
- Ilość oleju mineralnego
- Dodatki syntetyczne
- Zalecane stężenia robocze
- Zalecenia dotyczące BHP
Dystrybucja chłodziwa do strefy skrawania
Chłodziwa są powszechnie stosowanym środkiem smarnym wszędzie tam gdzie prędkości skrawania nie przekraczają 100 m/s. W przypadku wyższych prędkości, ciecze obróbkowe schodzą na drugi plan a ich miejsce zastępują środki lotne takie jak sprężone powietrze, aerozole bądź gazy wspomagające obróbkę.
W większości przypadków obróbki skrawaniem stosowane jest natomiast chłodzenie zewnętrzne polegające na kierowaniu strugi cieczy obróbczej na skrawaną warstwę, powierzchnie natarcia i wiór lub na powierzchnie przyłożenia ostrza. W niektórych szczególnych przypadkach stosowane jest chłodzenie wewnętrzne, polegające na podawaniu cieczy obróbczej bezpośrednio przez narzędzie skrawające.
Zdecydowana większość współczesnych maszyn do obróbki skrawaniem posiada zewnętrzny układ chłodzenia w którego budowie wyszczególnić możemy następujące elementy:
- zbiornika cieczy obróbczej
- pompy
- systemu filtracyjnego
- systemu przewodów
Chłodziwo pobierane za pomocą pompy ze zbiornika, podawane jest przez systemem przewodów do strefy skrawania. Gdzie za pomocą elastycznych wężyków chłodziwo najpierw zrasza strefę skrawania, a następnie część cieczy spływa do kanałów odpływowych. Zanieczyszczona ciecz obróbcza przepływa przez sitka oddzielające wióry, a następnie przez system filtracyjny skąd wraca z powrotem do zbiornika.
W dużych zakładach stosujących obróbkę skrawaniem stosowane są również systemy chłodzące z centralnym zbiornikiem. W takim systemie ciecz obróbcza podawana jest do strefy skrawania poszczególnych maszyn wspólną pompą, skąd wraca do wspólnego systemu filtracji zabudowanego w pobliżu zbiornika.
Podsumowanie
Wybór odpowiedniego środka smarnego jest dość problematycznym zadaniem i wymaga sporego doświadczenia. Podczas doboru odpowiedniego produktu należy wziąć pod uwagę wiele różnych czynników zaczynając od najważniejszych jak np. rodzaj materiału obrabianego czy rodzaj operacji obróbki a kończąc na czynnikach pobocznych jak rodzaj dystrybucji chłodziwa do strefy skrawania czy żywotność produktu. Dobór odpowiedniego produktu pozwala na zapewnienie:
- Uzyskania wymaganych parametrów obróbki powierzchni
- Niskie zużycie narzędzia skrawającego
- Brak przestojów w procesie produkcyjnym
- Zapewnienie bezpiecznego środowiska pracy operatora
- Korzyści ekonomiczne w przypadku produktów wysokiej jakości
Powyższe zalecenia dotyczące wyboru środka smarnego są tylko wstępnymi kryteriami doboru danego produktu. Najlepsze rezultaty jesteśmy w stanie uzyskać na podstawie pozytywnie przeprowadzonych prób technologicznych chłodziwa. Jeśli nadal nie wiesz jakie chłodziwo do obrabiarki wybrać, bądź chcesz przetestować nasze produkty – skontaktuj się z nami!
Satysfakcja naszego klienta jest dla nas priorytetem.