Szacuje się, że stosowanie cieczy obróbkowych generuje 16,8% ogółu kosztów wytwarzania, jednak równie ważne są aspekty ekologiczne i konieczność dostosowania się do coraz bardziej rygorystycznych przepisów związanych z ochroną środowiska i BHP.

Składowanie i utylizacja zużytych cieczy obróbkowych to potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego. Dlatego też ze względów ekonomicznych, ekologicznych, technologicznych i ochrony zdrowia na znaczeniu zyskuje obróbka na sucho – bez stosowania cieczy chłodząco-smarującej. Sprzyja jej też rozwój w dziedzinie obróbki – doskonalenie właściwości użytkowych nowych materiałów narzędziowych i powłok oraz zmiana konstrukcji obrabiarek i narzędzi.

Odprowadzanie ciepła

Podczas obróbki na sucho powstające ciepło gromadzi się w narzędziu oraz w materiale obrabianym i wiórach. Część tego ciepła bezpośrednio odprowadzana jest do otoczenia, a pozostała powinna być jak najszybciej usunięta ze strefy skrawania. W konwencjonalnych metodach chłodzenia (na mokro) ciepło to usuwane jest wraz z cieczą chłodząco-smarującą, natomiast w obróbce na sucho następuje to poprzez zastosowanie narzędzia o odpowiednim kształcie, które w ten sposób częściowo przejmuje dotychczasowe funkcje cieczy chłodząco-smarującej.

W obróbce na sucho funkcje realizowane przez ciecz chłodząco-smarującą oprócz narzędzia przejmuje również obrabiarka. Jej konstrukcja (szczególnie układ przestrzeni roboczej) powinna przeciwdziałać wpływowi ciepła zawartego w wiórach na dokładność obrobionego przedmiotu.

Tego rodzaju obróbka ma wiele zalet: redukuje szoki termiczne, obniża koszty związane z zakupem i eksploatacją cieczy obróbkowych, redukuje koszty systemu zasilania, wytwarzania i oczyszczania wiórów, zmniejsza koszty materiałowe, ogranicza zagrożenia zdrowotne obsługujących pracowników oraz zmniejsza zanieczyszczenie otoczenia stanowiska pracy i środowiska naturalnego. Jednak z uwagi na warunki skrawania – w których często występuje duża adhezja wióra do narzędzia, intensywne zużycie ostrza oraz deformacje cieplne przedmiotu obrabianego wykraczające poza tolerancje wymiarowo-kształtowe – możliwości całkowitego wyeliminowania cieczy obróbkowych ze wszystkich procesów technologicznych są ograniczone.

Rozwój dziedziny

Obróbkę na sucho stosuje się przede wszystkim podczas toczenia oraz frezowania stali wysoko-stopowych i konstrukcyjnych oraz żeliwa. Technologia ta pozwala na zwiększenie konkurencyjności przedsiębiorstw, w których została wdrożona i opanowana technicznie. Wynika to z możliwości znacznego zredukowania kosztów dotyczących eksploatacji cieczy chłodząco-smarujących i ograniczenia zagrożeń zdrowotnych.

Ze względu na potencjał rozwojowy i korzyści możliwe do uzyskania w wyniku wyeliminowania cieczy chłodząco-smarującej obróbka na sucho jest przedmiotem badań wielu ośrodków naukowych, w tym także zagranicznych. Podwaliny dla przemysłowego stosowania obróbki na sucho stworzono na początku lat 90. ubiegłego stulecia w wyniku rozwoju nowych materiałów narzędziowych i powłok zwiększających wytrzymałość narzędzi i odporność na zużycie w wysokich temperaturach. Do rozwoju tej technologii przyczyniły się także modyfikacje geometrii ostrza skrawającego oraz konstrukcji obrabiarek i składu chemicznego materiałów obrabianych.

Skutki braku chłodzenia

Brak cieczy chłodząco-smarującej podczas skrawania na sucho powoduje, że nie są realizowane jej podstawowe funkcje: chłodzenia, smarowania i odprowadzania wiórów z przestrzeni roboczej obrabiarki. Wynikają z tego podstawowe wady tej metody i niekorzystne zmiany warunków skrawania. Wyeliminowanie chłodzenia i smarowania wpływa na podniesienie temperatury skrawania, przyspiesza zużycie ostrza oraz zmienia strukturę i zwiększa naprężenia własne w warstwie wierzchniej narzędzia i przedmiotu obrabianego. Ponadto zmniejsza dokładność wymiarowo-kształtową obrabianego przedmiotu, pogarsza chropowatość obrobionej powierzchni, zmienia warunki kształtowania i postać tworzącego się wióra, powoduje też problemy związane z gorącymi wiórami i pomiarem rozgrzanych przedmiotów.

Wysoka temperatura przyczynia się też do nadtapiania wiórów, które przywierają do ostrza i przedmiotu. Zanik funkcji smarowania powoduje ponadto wzrost pracy tarcia na powierzchni natarcia i przyłożenia oraz zwiększa adhezję wióra do narzędzia, co powoduje przywieranie i zapychanie przestrzeni wiórowej i utrudnia odprowadzenie wiórów. Wióry w dużych temperaturach skrawania stają się bardziej podatne na odkształcenia – wykazują skłonność do przyjmowania postaci wstęgowej i splątanej.

Kolejne skutki braku cieczy chłodząco-smarującej to miejscowe nagrzewanie się elementów obrabiarki przez gorące wióry, a w konsekwencji odkształcenia termiczne całego układu OUPN (obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie). Jej wyeliminowanie ma więc też negatywne konsekwencje ekologiczne w postaci zwiększonego zanieczyszczenia obrabiarki i jej otoczenia pyłem i drobnymi wiórami.

Wymienione czynniki to główne wady skrawania na sucho, które stanowią znaczącą przeszkodę w praktycznym stosowaniu tej metody. Zrekompensowanie podstawowych funkcji cieczy chłodząco-smarującej wymaga poznania i analizy złożonych zależności występujących w procesie skrawania, uwarunkowanych właściwościami i doborem różnych czynników procesowych (przedstawia je rys. 1).

Dobór materiału narzędziowego

Jednym z kluczowych problemów w skrawaniu na sucho jest kwestia doboru materiału podłoża ostrza skrawającego i odpowiedniej powłoki. Zależy to przede wszystkim od materiału obrabianego, sposobu skrawania i wymaganego stanu warstwy wierzchniej. Zalecanym materiałem narzędziowym są węgliki spiekane, szczególnie te o submikronowej (0,5–0,8 μm) i ultradrobnej (0,2–0,5 μm) wielkości ziarna.

Cermetale ze względu na wyższą stabilność chemiczną, odporność na utlenianie w wysokich temperaturach skrawania i ograniczone zużycie tribochemiczne umożliwiają skrawanie z dużymi prędkościami. Ceramika narzędziowa tlenkowa i krzemowa zalecana jest do pracy w warunkach dużych temperatur skrawania, z dużymi prędkościami, w obróbce na sucho stali w stanie twardym lub żeliwa. Jednak ze względu na małą odporność na obciążenia dynamiczne i wytrzymałość na zginanie przydatność tych materiałów narzędziowych uzależniona jest od występujących warunków skrawania.

Ceramika mieszana, tlenkowa i cermetale stosowane są z powodzeniem do toczenia ciągłego, kiedy wymagania dotyczące odporności dynamicznej są małe. Duży współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki tlenkowej może ograniczać jej zastosowanie w warunkach obróbki z dużymi prędkościami, kiedy wymagana jest znaczna dokładność kształtowo-wymiarowa. Do obróbki przerywanej bardziej przydatna jest ceramika krzemowa oraz węgliki spiekane i cermety. Podobny zakres zastosowania mają ostrza z regularnego azotku boru ze względu na zachowanie dużej twardości i odporności na zużycie chemiczne, ścierne i odkształcenia plastyczne w bardzo wysokich temperaturach skrawania.

Ostrza diamentowe z kolei przeznaczone są głownie do skrawania metali lekkich na bazie aluminium, magnezu i tytanu oraz kompozytów metalowych i wzmocnionych tworzyw sztucznych.

Przydatność materiałów narzędziowych zalecanych do obróbki na sucho zwiększają żaroodporne powłoki nanoszone na powierzchnię ostrza. Stosuje je się w celu stworzenia bariery cieplnej między materiałem narzędziowym a materiałem obrabianym, przez co zmniejsza się: obciążenie cieplne podłoża ostrza, zużycie ostrza, tarcie oraz skłonność do adhezji. Przydatność poszczególnych powłok zależy od ich twardości, przewodności cieplnej, naprężeń własnych, odporności na utlenianie w wysokich temperaturach oraz właściwości tribologicznych.

Dobór płytki skrawającej

Duże znaczenie w skrawaniu na sucho ma również odpowiednio dobrany kształt płytki skrawającej i stereometria ostrza, w tym głównie ukształtowanie po wierzchni natarcia i krawędzi skrawającej. Wpływają one na wielkość powierzchni styku wióra z powierzchnią natarcia, a tym samym na pracę tarcia i ilość ciepła wnikającego do narzędzia. Dobór kształtu płytki i stereometrii ostrza powinien również uwzględniać rodzaj i kształt powstających wiórów, które w sytuacji braku czynnika spłukującego powinny być usuwane z obszaru skrawania samoistnie pod wpływem grawitacji. Zalecane do skrawania na sucho płytki skrawające charakteryzują się powierzchnią natarcia o złożonym kształcie oraz zwiększonymi kątami natarcia i przyłożenia.

Z kolei obrabiarki stosowane do skrawania na sucho powinny być wyposażone w obudowę uszczelniającą i wyciszającą obszar pracy narzędzi oraz wyciąg powstającego pyłu i zanieczyszczeń powietrza. Maszyna powinna też mieć przewidziany system usuwania wiórów z obszaru skrawania i obrabiarki. Wióry zbierające się na elementach konstrukcyjnych i łożu obrabiarki powodują odkształcenia cieplne, które przekładają się na uzyskiwaną dokładność kształtowo-wymiarową obrabianych przedmiotów.

W celu przyspieszenia usuwania wiórów stosuje się sprężone powietrze i rozwiązania konstrukcyjne obrabiarki umożliwiające samoistne ich przemieszczanie pod wpływem sił grawitacji bezpośrednio do transportera wiórów, a następnie poza obrabiarkę. Do tego celu wykorzystuje się pionowe ściany i duże pochylenia powierzchni, na których mogą zatrzymywać się wióry, a elementy konstrukcyjne obrabiarki wykonuje się z polerowanej stali nierdzewnej. W dolnej części łożaobrabiarki wykonuje się duże przestrzenie otwarte w celu przeciwdziałania gromadzeniu się wiórów. Pod otworami znajdują się transportery wiórów, które ułatwiają dalsze ich odprowadzanie. Podobną funkcję spełnia zamocowanie przedmiotu w pozycji podwieszonej i obróbka od dołu lub mocowanie i odmocowanie przedmiotu przez wrzeciono.

Kompensacja odkształceń cieplnych jest możliwa poprzez zastosowanie konstrukcji symetrycznych i pomiarów przeprowadzanych okresowo lub bezpośrednio w trakcie skrawania w celu wprowadzenia korekcji wymiaru przez układ sterowania obrabiarki. Konieczną w skrawaniu na sucho, szczególnie przy dużych prędkościach, redukcję ilości ciepła przenikającego do przedmiotu obrabianego i narzędzia uzyskuje się, stosując pośrednie sposoby obniżenia skrawania, takie jak:

• chłodzenie narzędzia poniżej płytki skrawającej bez bezpośredniego dopływu cieczy do strefy skrawania,

• chłodzenie wewnętrzne poprzez system odparowania doprowadzający ciecz o odpowiednich właściwościach, która ulega odparowaniu poniżej płytki skrawającej (woda),

• wykorzystanie systemów kriogenicznych z chłodziwem kriogenicznym wewnątrz narzędzia, np. azotem,

• chłodzenie termoelektryczne,

• stosowanie narzędzi i materiałów generujących mniejsze temperatury skrawania.

Metody te są szczególnie zalecane, kiedy dominującym rodzajem zużycia jest zużycie dyfuzyjne. Badania i doświadczenia wykazują, że całkowite wyeliminowanie płynów obróbkowych w obróbce niektórych materiałów jest obecnie niemożliwe bez obniżenia trwałości ostrza, jakości i wydajności obróbki oraz warunków odprowadzenia wiórów.

 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

LITERATURA

Marzec S., Pytko S., 1999, Tribologia procesów skrawania metali, Wydawnictwa Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom.

Grzesik W., 1998, Podstawy skrawania materiałów metalowych, WNT, Warszawa.

Leppert T., 2011, Kształtowanie toczeniem warstwy wierzchniej w warunkach na sucho lub z minimalnym chłodzeniem i smarowaniem ostrza, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, Bydgoszcz.

Oczoś K.E., Lubimov W., 2003, Struktura geometryczna powierzchni, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów.

---------------------------------------------

* Dr hab. inż. Maciej Matuszewski, prof. UTP, jest pracownikiem Instytutu Automatyzacji i Transportu na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy