Od wielu lat trwają działania zmierzające do ograniczenia lub rezygnacji ze stosowania chłodziw (obróbka na sucho) w przemysłowych procesach obróbczych, głównie ze względu na ochronę środowiska naturalnego i zdrowia pracowników. Jednak nadal w wielu typach obróbki uzyskanie określonej tolerancji wykonania i jakości powierzchni wymaga korzystania z odpowiednich cieczy wspomagających obróbkę metalu – głównie chłodziw. Proekologicznym rozwiązaniem jest w takim wypadku maksymalizacja właściwości i pełne wykorzystanie potencjału chłodziwa, również w celu ograniczenia jego zużycia.

Zadania chłodziw

Jak wiadomo, w miejscu usuwania metalu w trakcie obróbki elementów występuje intensywne tarcie i lokalnie rośnie temperatura, co ma negatywny wpływ na kontrolę rozmiaru części, uzyskanie pożądanego kształtu i wykończenie powierzchni detalu. Obecnie od maszyn i narzędzi wykorzystywanych do obróbki skrawaniem oczekuje się dużej wydajności przy zachowaniu jakości i precyzji. Wiąże się to m.in. z większą szybkością wykonywania operacji, co generuje wysokie temperatury w miejscu styku narzędzia z obrabianym materiałem. Dlatego też do podstawowych zadań chłodziwa należy smarowanie i chłodzenie.

Tarcie zewnętrzne lub na styku metalu z metalem odpowiada za ok. 1/3 ciepła wytwarzanego w trakcie cięcia, natomiast tarcie wewnętrzne występujące w strefie ścinania, w której metal jest odkształcany, generuje pozostałą część ciepła powstającego w trakcie obróbki. Jeśli więc strefa cięcia jest odpowiednio nasmarowana, to proces jest wydajniejszy, zmniejsza się tarcie zewnętrzne, a także – częściowo, choć w mniejszym stopniu – tarcie wewnętrzne.

Poza tymi podstawowymi funkcjami chłodziwo ma też wpływ na jakość obrabianego przedmiotu dzięki stałemu usuwaniu drobin metalu i ścinków ze strefy cięcia. Ponadto wydłuża żywotność narzędzia, zapobiegając przekroczeniu punktu krytycznego w zakresie temperatury pracy. Z kolei w procesach, w których powstaje dużo wiórów, opiłków i innych zanieczyszczeń (np. podczas szlifowania), chłodziwo pełni też funkcję środka myjącego – tym bardziej że wiele wykonywanych dziś elementów, np. bloki silników, skrzynie przekładniowe itp., po obróbce skrawaniem nie jest poddawanych dalszej obróbce wykończeniowej.

Pod ciśnieniem

Obecnie coraz powszechniej korzysta się z wysokociśnieniowych systemów chłodzących, zwłaszcza przy obróbce takich materiałów jak różnego rodzaju nadstopy, tytan i stale nierdzewne. Chłodziwo podawane jest wtedy pod wysokim ciśnieniem – zwykle 1000 psi (ok. 70 barów) lub wyższym – w celu zapobiegania tworzeniu się pary. W efekcie uzyskuje się lepsze smarowanie i chłodzenie, mniejsze zużycie narzędzi, wyższe prędkości skrawania i lepszą kontrolę wiórów, co pozwala ograniczyć przestoje i zwiększyć produktywność.

Jednak efektem ubocznym występującym w układach wysokociśnieniowych jest pienienie się chłodziwa, co prowadzi do znacznego spadku jego wydajności. Piana bowiem nie chłodzi już i nie smaruje skutecznie narzędzia. Specjaliści doradzają korzystanie z chłodziw, które nie opierają się tylko na dodatku środków przeciwpieniących, ale zawierają też inne składniki zapewniające stabilność cieczy chłodzącej.

Stosowanie chłodzenia wysokociśnieniowego w obrabiarkach CNC nie stanowi problemu, ponieważ strefa obróbkowa znajduje się w zamkniętej obudowie i chłodziwo nie wydostaje się poza urządzenie. Natomiast w obrabiarkach konwencjonalnych stosuje się głównie chłodzenie niskociśnieniowe.

Dokładnie do celu

Jednym ze sposobów na efektywne wykorzystanie chłodziwa jest jego precyzyjne podawanie dokładnie w miejsce obróbki. W marcu 2018 r. firma Sandvik Coromant poinformowała, że narzędzia do toczenia gwintów serii CoroThread 266 wyposażone są w funkcję precyzyjnego podawania chłodziwa na powierzchnię natarcia (od góry krawędzi skrawającej) i na powierzchnię przyłożenia (od dołu), co – jak podano – w znacznym stopniu poprawia bezpieczeństwo procesu skrawania i maksymalnie zwiększa jego wydajność. Chłodziwo podawane od góry na powierzchnię natarcia usprawnia formowanie się wiórów, zapewniając bezpieczniejszą obróbkę, podczas gdy podawanie chłodziwa od dołu na powierzchnię przyłożenia pomaga kontrolować temperaturę, przedłużając tym samym przewidywalną trwałość narzędzia. Precyzyjne podawanie chłodziwa ma również wpływ na wykończenie powierzchni obrobionej i uzyskanie gwintów wysokiej jakości. Warto dodać, że narzędzia CoroThread 266 mają opatentowane złącze iLock między oprawką i płytką, które zapobiega niekorzystnemu działaniu sił wywieranych na ostrze w procesie skrawania powodujących mikroruchy płytki w gnieździe.

Także izraelska firma Noga Engineering & Technology oferuje rozwiązania do stosowania w operacjach obróbki metali, w których występuje tarcie między narzędziem a obrabianym przedmiotem. Systemy Noga Cooling wprowadzają chłodziwo w punktach styku pomiędzy narzędziem a detalem. Płyn chłodzący może być tłoczony przez elastyczny wąż do dyszy kierowanej na preferowane miejsce, można też rozpylać strumień zimnego powietrza zmieszanego z małymi kroplami płynu chłodzącego w kierunku punktów kontaktu. Dysza jest regulowana, co pozwala kontrolować ilość rozpylanej cieczy dostarczanej do obrabianego przedmiotu. Kolejny system to Noga Cobra, stosowany tam, gdzie nie jest wymagany efekt chłodzenia, tylko smarowanie. Krople środka chłodząco-smarującego o regulowanej objętości są w tym wypadku wystrzeliwane na obrabiany przedmiot. Jak podaje producent, system sprawdza się w sytuacji, gdy wymagane jest stosowanie małych ilości specjalnych smarów. Firma oferuje też opracowane przez siebie rozwiązanie umożliwiające podawanie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem – do 1000 psi.

Do skutecznego odprowadzania ciepła w strefie skrawania i usuwania wiórów można wykorzystywać również autonomiczne pompy chłodziwa. Specjaliści firmy S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne, która jest dystrybutorem niezależnych pomp chłodziwa HIPRUN, zwracają uwagę na to, że zastosowanie wysokociśnieniowego podawania chłodziwa do strefy skrawania jest szczególnie istotne w przypadku wiercenia, w tym tzw. otworów długich. Przy standardowym podawaniu chłodziwa na wiertło z zewnątrz środek ten dociera tylko na głębokość do 30 mm. Wióry i inne elementy powstające w trakcie skrawania blokują możliwość dalszej skutecznej penetracji, co oznacza, że część procesu wiercenia odbywa się bez udziału chłodziwa i odbija na jakości obróbki. Tylko zastosowanie wierteł z wewnętrznymi kanałami doprowadzającymi chłodziwo bezpośrednio do strefy obróbkowej pod wysokim ciśnieniem (25–100 barów) zapewnia efektywne usuwanie wiórów rowkami narzędzia.

Chłodziwa na bazie wody

Ciepło wytwarzane podczas obróbki ma znaczący wpływ na zużycie narzędzi tnących, dlatego nawet niewielkie obniżenie temperatury może wydłużyć ich żywotność. Co istotne, żaden płyn nie ma właściwości chłodzących i smarujących odpowiednich do każdego zastosowania w obróbce metali. Oleje zapewniają bardzo dobre smarowanie, ale niską wydajność chłodzenia. Woda z kolei usuwa ciepło 2,5 razy szybciej niż olej, jednak ma słabe właściwości smarne i powoduje rdzewienie. Jednak poprzez dodanie do niej specjalnych dodatków można zamienić ją w dobry płyn chłodzący do maszyn.

Stosowane obecnie w przetwórstwie metali chłodziwa można podzielić na mieszalne i niemieszalne z wodą. Wśród tych pierwszych wyróżnia się bezolejowe oraz zawierające oleje mineralne i estrowe. Jak podaje firma Oemeta, producent chłodziw, ciecze chłodzące oparte na oleju mineralnym lub estrowym mają największy udział w rynku.

Chłodziwa mieszalne z wodą i zawierające olej określane są jako emulsje oleju w wodzie, natomiast bezolejowe mieszalne z wodą – jako roztwory chłodzące. Specjaliści z firmy Oemeta podkreślają, że charakterystyka działania emulsji chłodzących wynika z właściwości wody, a przy określaniu skuteczności chłodzenia trzeba brać pod uwagę takie aspekty jak szybkość przepływu emulsji oraz kształt i kierunek strumienia chłodziwa wobec położenia roboczego.

Aby chłodziwa spełniały również funkcje smarowania, wykorzystuje się dwa rodzaje dodatków: EP (dodatki do ekstremalnych ciśnień) i AW (dodatki przeciwzużyciowe). Dodatkowe wymagania, jakie powinna dziś spełniać emulsja chłodząca, to m.in.: stabilność w trakcie magazynowania i po zmieszaniu z wodą, możliwość mieszania z wodą o różnej jakości, dobra ochrona przed korozją, dobre właściwości płuczące, zwilżające i antypienne. Chłodziwo nie powinno mieć negatywnego wpływu na takie elementy maszyny jak uszczelki czy powłoki ochronne. Coraz większe znaczenie ma też ochrona środowiska naturalnego i zdrowia pracowników, którzy mają kontakt z chłodziwem.

Innowacyjne rozwiązania

Precyzyjne podawanie chłodziwa w miejsce obróbki pod odpowiednim ciśnieniem wydaje się dziś równie ważne jak przechodzenie na nowoczesne, bezpieczne dla otoczenia ciecze, które zawierają w swym składzie wodę oraz bezpieczne oleje spożywcze. Na rynku pojawiają się również nowoczesne systemy dysz pozwalające w taki sposób modelować strumień chłodziwa pod ciśnieniem, by wytworzony został klin hydrauliczny, który nie tylko lepiej schładza strefę skrawania, ale też ułatwia formowanie się wiórów. Dzięki temu poprawia się jakość obróbki i efektywność procesu.

Warto wspomnieć, że cały czas trwają prace rozwojowe nad systemami chłodzenia bez udziału chłodziw lub przy wykorzystaniu olejów jadalnych. Angażuje się w nie Unia Europejska, wspierając programy badawcze. W 2000 r. był to np. program Cool Tech, koncentrujący się na nowych technologiach chłodzenia podczas obróbki metalu, w których obrabiane elementy miały być chłodzone i smarowane mgłą z dwutlenku węgla i oleju roślinnego. Alternatywnie proponowano wykorzystanie przyjaznego dla środowiska i nadającego się do recyklingu oleju, w którym w celu zmniejszenia użycia środków konserwujących zastosowano mikrofiltrowanie.