Błędny dobór metody lub warunków obróbki prowadzi do strat materialnych oraz niespełnienia założeń jakościowych i konstrukcyjnych. W związku z tym przed przystąpieniem do procesu wytwarzania należy przeanalizować jego uwarunkowania. Właściwy dobór technologii wytwarzania wpływa na takie własności procesu jak: energochłonność, jakość i dokładność powierzchni wytworzonych elementów, trwałość używanych narzędzi, ochrona antykorozyjna, zwiększenie wydajności, zmniejszenie kosztów wytworzenia pojedynczego elementu oraz liczebność potrzebnego personelu.

Odpowiednio zaprojektowany proces technologiczny, przy uwzględnieniu kryteriów tribologicznych, powinien umożliwić uzyskanie pożądanych cech użytkowych kształtowanej warstwy wierzchniej (WW). Dodatkowo tak uzyskane cechy powinny zapewnić podczas eksploatacji możliwie małe i wolne zmiany WW, a tym samym jak najdłuższy okres pracy z niezmienionymi, założonymi konstrukcyjnie cechami pary trącej. 

Cechy warstwy wierzchniej

Warstwa wierzchnia po procesie wytwarzania – w stanie gotowości do współpracy – jest opisywana zbiorem cech potencjalnych, które można utożsamić z parametrami ogólnie zakwalifikowanymi jako: stereometryczne, stereometryczno-fizykochemiczne i fizykochemiczne.

Cechy opisane parametrami stereometrycznymi i stereometryczno-fizykochemicznymi dotyczą fizycznej powierzchni WW, natomiast parametry fizykochemiczne i stereometryczno-fizykochemiczne – tworzywa konstrukcyjnego WW. O własnościach i właściwościach WW w znacznym stopniu decydują parametry stereometryczne, które opisują strukturę stereometryczną powierzchni, nazywaną częściej strukturą geometryczną powierzchni (SGP). To one są najpowszechniej stosowane do opisu zmian zachodzących w WW. Charakteryzują się ciągłymi modyfikacjami w trakcie procesu wytwarzania i eksploatowania, a więc dobrze opisują bieżący stan WW.

Wielkości fizykochemiczne i stereometryczno-fizykochemiczne zmieniają się w zróżnicowanym stopniu i nie w każdych warunkach tak samo. Niektóre z tych parametrów w ogóle nie ulegają zmianom, szczególnie podczas eksploatacji.

Do grupy wielkości opisujących stereometryczne ukształtowanie powierzchni, które charakteryzują stan WW, zalicza się: chropowatość, kierunkowość, izotropowość, okresowość i falistość.

W charakterystykach tribologicznych do najistotniejszych wielkości opisujących stan WW pod względem cech stereometrycznych należy zaliczyć chropowatość i kierunkowość powierzchni, a spośród fizykochemicznych – rodzaj tworzywa konstrukcyjnego i jego budowę, naprężenia własne oraz twardość i kruchość. Wymienione cechy opisywane są parametrycznie bądź funkcyjnie.

Rola cieczy obróbkowej

Spośród warunków obróbki, które mają istotny wpływ na konstytuowanie cech SGP, można wyróżnić oddziaływanie cieczy obróbkowej. Chłodzenie i smarowanie są podstawowymi funkcjami cieczy obróbkowych podczas kształtowania powierzchni: ułatwiają tworzenie wiórów, zmniejszają zużycie energii i opory skrawania, zapewniają ochronę antykorozyjną materiału obrabianego oraz zwiększają trwałość narzędzi. Wpływają w ten sposób na jakość i dokładność otrzymanych powierzchni.

Podstawową zaletą chłodzenia jest obniżenie temperatury w procesach obróbki, co ma wpływ np. na wydłużenie okresu użytkowania narzędzi skrawających czy polepszenie stanu powierzchni obrabianej. Dodatkowo chłodzenie wpływa na ochronę przed korozją. 

Choć jednak stosowanie cieczy chłodząco-smarujących ma wiele zalet, to coraz częściej są one uznawane za czynnik niepożądany w procesie skrawania. Wynika to z jednej strony ze względów ekonomicznych – szacuje się, że stosowanie cieczy obróbkowych stanowi około 17% ogółu kosztów wytwarzania – z drugiej zaś jest związane z coraz powszechniejszym podejściem proekologicznym i koniecznością dostosowania się do rygorystycznych przepisów związanych z ochroną środowiska i BHP. Składowanie i utylizacja zużytych cieczy obróbkowych to potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego. 

Obróbka na sucho

Coraz większe znaczenie zyskuje wobec tego obróbka na sucho – bez stosowania cieczy chłodząco-smarującej. Jest to możliwe dzięki doskonaleniu właściwości użytkowych nowych materiałów narzędziowych i powłok oraz zmianie konstrukcji obrabiarek i narzędzi. Podczas obróbki na sucho bowiem powstające ciepło gromadzi się w narzędziu, w materiale obrabianym i wiórach. Część tego ciepła bezpośrednio odprowadzana jest do otoczenia, a pozostała część jak najszybciej powinna być usunięta ze strefy skrawania.

W konwencjonalnych metodach chłodzenia (na mokro) ciepło usuwane jest wraz z cieczą chłodząco-smarującą. W obróbce na sucho następuje to poprzez zastosowanie narzędzia o odpowiednim kształcie, które w ten sposób częściowo przejmuje dotychczasowe funkcje cieczy chłodząco-smarującej. Ponadto w obróbce na sucho funkcje realizowane przez ciecz chłodząco-smarującą oprócz narzędzia przejmuje również obrabiarka. Konstrukcja obrabiarki, a szczególnie układ przestrzeni roboczej, powinna przeciwdziałać oddziaływaniu ciepła zawartego w wiórach na dokładność obrobionego przedmiotu.

Badania

W celu weryfikacji wpływu warunków chłodzenia i smarowania podczas obróbki – tj. oddziaływania cieczy obróbkowej i jej braku – na konstytuowane cechy struktury geometrycznej powierzchni przeprowadzono badania doświadczalne. Wykorzystano w nich próbki o średnicy 20 mm, wykonane z mosiądzu CuZn39Pb3 i stali konstrukcyjnej ogólnego przeznaczenia St0S, obrobione toczeniem – przy następujących parametrach: głębokość skrawania 0,1 mm, prędkość obrotowa 1000 i 1500 obr/min. Mosiądz z uwagi na obecność miedzi charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję i duże naciski, ma też własności redukujące tarcie i przeciwdziałające ścieraniu. Próbki były obrabiane z konwencjonalnym chłodzeniem i smarowaniem 5-procentową emulsją przy wydatku 4 l/min oraz bez udziału cieczy obróbkowej – na sucho.

Kontrolowanymi wielkościami wyjściowymi były czynniki opisujące uzyskaną strukturę geometryczną powierzchni. Do czynników tych przyjęto parametry chropowatości Ra i Rq – wykazują one przydatność w analizie SGP z uwagi na całą topografię powierzchni, co z kolei ma znaczenie przy współpracy elementów par kinematycznych z rozłożonym stykiem. Parametr Rq, który jest średnią kwadratową rzędnych profilu, jest funkcjonalnie powiązany z parametrem Ra (średnią arytmetyczną rzędnych profilu) powszechnie stosowanym w praktyce przemysłowej z uwagi na względną powtarzalność i stabilność. Do analiz naukowych lepszym parametrem jest jednak Rq z powodu własności statystycznych. Jest to bowiem odchylenie średniokwadratowe, czyli odpowiednik odchylenia standardowego σ powszechnie stosowanego w statystyce. Rq jest więc równy statystycznie odchyleniu standardowemu rzędnych profilu.

W tabeli 1 przedstawiono uzyskane rezultaty dla obróbki z konwencjonalnym chłodzeniem i smarowaniem cieczą obróbkową oraz bez udziału cieczy obróbkowej – na sucho.

Na rys. 2 i 3 przedstawiono graficznie rezultaty uzyskanych wyników z przeprowadzonych badań.

Z przedstawionych rezultatów badań wynika, że sposób chłodzenia i smarowania oddziałuje na konstytuowaną strukturę geometryczną, a więc również na cechy użytkowe pary kinematycznej. W przypadku obróbki z konwencjonalnym chłodzeniem i smarowaniem cieczą obróbkową uzyskuje się najmniejsze wartości parametrów opisujących ukonstytuowaną strukturę powierzchni niezależnie od rodzaju materiału. Największe wartości występują natomiast w przypadku obróbki bez udziału cieczy chłodzącej – obróbki na sucho. Taki charakter zmian wartości zaobserwowano zarówno dla parametru Ra, jak i Rq. 

Z wykresów wynika również, że różnice wartości ocenianych wielkości w przypadku obróbki na sucho dla prędkości obrotowej 1500 obr/min są mniejsze niż w pozostałych przypadkach. Występują wówczas – co jest zgodne z oczekiwaniami – korzystniejsze warunki odprowadzania ciepła ze strefy obróbczej. 

Na podstawie wyników można również stwierdzić, że ze względu na kryteria tribologiczne (małe wartości parametrów chropowatości) całkowite wyeliminowanie cieczy chłodząco-smarującej podczas obróbki jest niewskazane.

Ponieważ badania eksperymentalne zweryfikowały ogólnie wpływ ilości płynu chłodzaco-smarującego na konstytuowanie struktury powierzchni, należałoby przeprowadzić bardziej szczegółowe badania doświadczalne, w których zarówno zbiór, jak i zakres zmiennych niezależnych i zależnych byłby rozszerzony.

Literatura:
Grzesik W., Podstawy skrawania materiałów metalowych, WNT, Warszawa 1998.
Marzec S., Pytko S., Tribologia procesów skrawania metali, Wydawnictwa Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 1999.
Oczoś K.E., Lubimov W., Struktura geometryczna powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2003.