W procesie obróbki narzędzie i element obrabiany poddawane są dużym obciążeniom mechanicznym. Natomiast energia mechaniczna potrzebna do skrawania jest prawie całkowicie zamieniana na ciepło w strefie ścinania i tarcia (ilustracja 1). Około 75% ciepła, które powstaje w tym procesie, jest odprowadzane wraz z wiórami. Pozostałe 25% jest przekazywane na narzędzie lub przedmiot obrabiany.

Ilustracja 1. Konwersja energii i wytwarzanego ciepła podczas obróbki.

Źródło: Fraunhofer IPA

To obciążenie termiczne prowadzi do silnego nagrzewania się obrabianych elementów, co wiąże się z odpowiednim ich rozszerzaniem. Ponadto wysokie temperatury przyspieszają ścieranie mechaniczne i powodują powstawanie procesów dyfuzyjnych lub zgorzelin. Efekty te negatywnie wpływają na jakość i dokładność obróbki przedmiotów, a także na trwałość narzędzi skrawających.

Typowe techniki chłodzenia w obróbce skrawaniem

W celu uniknięcia lub zmniejszenia obciążenia termicznego w procesie obróbki stosuje się środki chłodzące (chłodziwa), zwykle w postaci emulsji olejowo-wodnej. Ta technika chłodzenia – zwana obróbką na mokro – pozwala nie tylko na odprowadzenie ciepła procesowego z miejsca styku narzędzia z obrabianym elementem. Umożliwia także zmniejszenie ilości wydzielanego ciepła wskutek tarcia poprzez efekt smarowania. W ten sposób smary chłodzące przyczyniają się do wysokiej wydajności w wielu procesach produkcyjnych, które wiążą się z obróbką metali.

Smary chłodzące oprócz zalet technicznych, które wiążą się z ich stosowaniem, stwarzają jednak pewne zagrożenie dla ludzi i środowiska. Na przykład takie składniki smarów chłodzących, jak środki bakteriobójcze i grzybobójcze, mogą wywoływać choroby w przypadku kontaktu z nimi. Ponadto straty związane z wyciekami chłodziw, woda wykorzystywana do mycia lub utylizacja zużytych środków chłodzących mogą prowadzić do zanieczyszczenia gleby, wody i powietrza.
 
Ustawodawcy narzucili więc surowe przepisy, które dotyczą postępowania ze smarami chłodzącymi i ich utylizacji. Dla firm przestrzeganie przepisów oznacza zarówno wysoki poziom odpowiedzialności wobec pracowników, jak i duże obciążenie finansowe.

Jednym z podejść do całkowitego uniknięcia stosowania środków chłodzących jest tzw. obróbka na sucho. Stosuje się w niej albo ograniczone chłodzenie powietrzem, albo całkowicie rezygnuje się z chłodzenia. W obróbce na sucho szczególne znaczenie mają więc powłoki stosowanych narzędzi skrawających, za których pomocą należy zmniejszyć obciążenie termiczne materiałów skrawających, a także ograniczyć procesy adhezji i tarcia między narzędziem skrawającym a elementem obrabianym. 

Do wad obróbki na sucho należy zaliczyć większe wydzielanie ciepła podczas procesu, co może negatywnie wpływać na dokładność wymiarową elementu. Kolejnym minusem jest brak możliwości usuwania skrawków ze względu na efekt spłukiwania środków chłodzących.

Jeśli nie można całkowicie zrezygnować z chłodzących środków smarnych, do obróbki skrawaniem zaleca się tzw. smarowanie mgłą olejową (minimum quality lubrication – MQL). W tym przypadku w miejsce skrawania podawany jest aerozol powietrza i środka smarnego.

Chłodzenie kriogeniczne przynosi korzyści podczas obróbki skrawaniem

Kriogeniczne chłodzenie procesowe jest alternatywą dla konwencjonalnych koncepcji smarowania chłodzącego. Stosuje się tutaj czynniki chłodzące w ekstremalnie niskich temperaturach. Typowymi czynnikami niskotemperaturowymi są skroplone gazy, takie jak wodór (punkt wrzenia 20,28 K = –252,9°C) i azot (punkt wrzenia 77,35 K = –195,8°C), ale także suchy lód (punkt sublimacji 194,5 K = –78,5°C).

Główne wady stosowania wodoru i azotu do obróbki skrawaniem leżą w skomplikowanej technologii ich przechowywania, dostarczania i izolowania. Na przykład ciekły azot wrze w ciśnieniu atmosferycznym, dlatego do jego przechowywania muszą być używane pojemniki izolowane próżniowo.

Dla porównania: znacznie łatwiejszy w zastosowaniu jako czynnik chłodzący jest CO₂. Dwutlenek węgla bowiem występuje w postaci ciekłej w temperaturze pokojowej i pod wysokim ciśnieniem. Ta właściwość pozwala na doprowadzenie ciekłego CO₂ przewodem do miejsca skrawania pod ciśnieniem 6 MPa, nawet bez stosowania izolacji.

W momencie uwolnienia następuje gwałtowny spadek ciśnienia, które działa na ciekły CO₂, powodując jego rozprężenie w mieszaninę skupisk stałych (45%) i gazowych (55%). Faza stała mieszaniny określana jest również jako suchy lód i ma znacznie większą zdolność chłodzenia w porównaniu z fazą gazową.

Dwutlenek węgla nie tworzy żadnych szkodliwych oparów ani mgieł, więc nie stanowi zagrożenia dla zdrowia operatora. Łatwe jest również czyszczenie obrabianych przedmiotów lub usuwanie skrawków. Wynika to z tego, że obrabiane elementy pozostają suche i nie są zanieczyszczone olejami ani smarami – co oznacza, że czyszczenie końcowe jest w dużej mierze zbędne.

Możliwe strategi podawania czynników do chłodzenia kriogenicznego

W przypadku kriogenicznych technologii podawania można dokonać podstawowego rozróżnienia między kriogenicznym chłodzeniem zalewowym a kriogenicznym chłodzeniem wewnętrznym (ilustracja 2). Przy kriogenicznym chłodzeniu zalewowym miejsce skrawania jest polewane z zewnątrz kriogenicznym czynnikiem chłodzącym.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Produkcja mechaniczna

Chłodzenie kriogeniczne CO2 zmniejsza zużycie narzędzi

Przy użyciu chłodzenia CO₂ można znacznie udoskonalić skrawanie tworzyw odpornych na wysoką temperaturę, zwłaszcza obróbkę zgrubną. Mniejsze zużycie narzędzi oznacza zwiększenie trwałości i parametrów skrawania w porównaniu do tradycyjnych metod w zakresie smarowania chłodzącego.

Produkty

Bardziej wydajna obróbka dzięki wysokoobrotowym wrzecionom

Gama wysokowydajnych wrzecion Speedmaster firmy DMG Mori w tym roku powiększyła się o wariant zdolny do ciągłej pracy z prędkością obrotową do 30 000 obr./min.

Ilustracja 2. Strategie dostarczania mediów chłodzących w chłodzeniu kriogenicznym w procesie obróbki skrawaniem

Źródło: Fraunhofer IPA

Choć ta strategia podawania jest prosta w realizacji, wiąże się z pewnymi wadami. Z jednej strony czynnik chłodzący nie dociera w wystarczającym stopniu do krawędzi skrawającej narzędzia. Z drugiej strony zużycie stosowanego czynnika chłodzącego jest duże.

Dla porównania: kriogeniczne chłodzenie wewnętrzne osiąga znacznie wyższą wydajność chłodzenia, ponieważ czynnik chłodzący jest doprowadzany bezpośrednio do miejsca skrawania. Ponadto przy tej strategii podawania można znacznie zmniejszyć zużycie czynnika chłodzącego.

Dostępne obecnie na rynku systemy do kriogenicznego chłodzenia wewnętrznego wykorzystują tzw. przepust obrotowy poprzez wrzeciono silnika do podania czynnika chłodzącego do miejsca obróbki. Koncepcja ta wiąże się jednak ze zwiększonym ryzykiem niepożądanego chłodzenia elementów maszyn. To z kolei może prowadzić do niedokładności w produkcji. Ponadto konieczna przebudowa wrzeciona silnika jest skomplikowana i kosztowna. Obecnie pojawiła się jednak alternatywa, którą opisano poniżej.

Nowe urządzenie doposażające w system chłodzenia kriogenicznego

Ze względu na istniejące niedogodności, które wiążą się z doprowadzeniem czynnika chłodzącego przez wrzeciono silnika, w ramach wspólnego projektu firmy MHT Merz & Haag i Instytutu Fraunhofera Inżynierii Produkcji i Automatyki zbadano zastosowanie dystrybutora czynnika chłodzącego IKZ firmy MHT do obróbki kriogenicznej z wykorzystaniem CO₂.

Dystrybutor czynnika jest niezależnym systemem chłodzenia wewnętrznego, składającym się z elementów: mocowania wrzeciona, korpusu pierścieniowego oraz uchwytu narzędziowego IKM (ilustracja 3). System charakteryzuje się tym, że może być montowany w istniejących maszynach niewielkim kosztem i bez większego wysiłku.

lustracja 3. Innowacyjny rozdzielacz medium chłodzącego, który można wykorzystać jako jednostkę modernizacyjną do chłodzenia kriogenicznego w obrabiarkach

Źródło: Fraunhofer IPA

1. Mocowanie wrzeciona
2. Korpus pierścieniowy
3. Uchwyt narzędziowy
4. Połączenie rozdzielacza medium z czynnikiem chłodzącym

W ramach projektu ciekły CO₂ był dostarczany z butli z rurką zanurzeniową przez wrzeciono za pomocą węża wysokociśnieniowego. Przy tym podawanie odbywało się poprzez zawór elektromagnetyczny, który znajdował się bezpośrednio przed wrzecionem i mógł być kontrolowany.

Po otwarciu zaworu elektromagnetycznego ciekły CO₂ przedostawał się do wewnętrznie chłodzonego narzędzia poprzez interfejsy na korpusie pierścienia i mocowaniu narzędzia. Następnie rozprężał się do postaci suchego lodu CO₂, kiedy opuszczał kanał chłodzący.

Do uruchamiania zaworu elektromagnetycznego opracowano specjalny system sterowania. Za jego pomocą podawanie może odbywać się poprzez dowolnie definiowane parametry maszyny. Dane o parametrach maszyny są dostarczane przez układ sterowania maszyny (Siemens CNC Sinumerik 840d) poprzez serwer OPC UA, przesyłane za pomocą narzędzia programistycznego Node-RED i przekazywane jako sygnał wyzwalający do przemysłowego, dowolnie programowalnego sterownika PLC typu Controllino.

Sterownik PLC wykorzystuje sygnały wyzwalające do otwarcia lub zamknięcia zaworu elektromagnetycznego, żeby płynny CO2₂mógł być podawany do punktu skrawania przez kanał chłodzący narzędzia skrawającego. W przyszłości system sterowania będzie umożliwiał stosowanie chłodziwa w zależności od prędkości, narzędzia lub materiału.

Podsumowanie i perspektywy

W ramach wspólnego projektu opracowano i pomyślnie przetestowano urządzenie doposażające, które opiera się na dystrybucji czynnika MHT do chłodzenia procesów kriogenicznych. Konieczne są dalsze badania, które pozwolą na obserwację wpływu czynnika chłodzącego CO₂ na szczelność na połączeniach w dłuższym okresie czasu.

Ponadto należy przeprowadzić dalsze szeroko zakrojone badania nad obróbką kriogeniczną. Należy skupić się na ocenie trwałości narzędzi i jakości powierzchni w warunkach zmienności narzędzi skrawających, materiałów, szerokości skrawania, prędkości i przepływu objętościowego CO₂. Zdobyta dzięki temu wiedza powinna zostać wykorzystana do implementacji inteligentnego systemu sterowania.

Autorzy: Thomas Götz i Andreas Gebhardt