Новости при технологичните течности в металообработката

Инструменти, материалиСп. Инженеринг ревю - брой 6/2019 • 16.09.2019

Новости при технологичните течности в металообработката

Смазочните, охлаждащи и други течности играят жизненоважна роля в процеса на механична обработка на метали. Понятието “течности за металообработка” обхваща гама от масла и други течности, които се използват за охлаждане и/или смазване на метални детайли, подложени на механична обработка, шлифоване, фрезоване и др. Поради разработването на нови инженерни материали и технологии за високоскоростно рязане, течностите за металорязане са от изключителна важност.

Обикновено в процеса на отнемане на метал се изразходва значително количество от тези течности – между 4 и 20 л/сек. Те осигуряват охлаждане и защита на инструментите, улесняват стружкоотделянето от детайлите и временно предпазват от корозия. В повечето случаи течността за металорязане понижава температурата, намалява триенето между инструмента и детайла, удължава живота на инструмента, подобрява ефективността на механична обработка и качеството на повърхността.

Маслата за металорязане намират приложение в няколко индустриални сектора, включително автомобилостроенето, производството на високоточни машини, електрооборудване, метални продукти и др. Очаква се през следващото десетилетие повишеното търсене на продуктите на тези отрасли да доведе до увеличено търсене на масла за металорязане. С еволюирането на технологиите производителите разработват нови формули, които не само допринасят за подобряване на разходната ефективност чрез редуциране на разходите и понижаване на енергопотреблението, но са и безопасни за околната среда и човешкото здраве.

 

Пазарно развитие и тенденции

Съставът на маслата за рязане варира в широки граници в зависимост от типа процес на механична обработка, за който се прилагат. Те съдържат основно естествени/синтетични базови масла и различни добавки, регулиращи свойствата им спрямо изискванията на конкретното приложение. Благодарение на това маслата за рязане повишават производителността на машините и процеса на металообработка. Въпреки важната си роля обаче маслата за рязане оказват съществено въздействие върху околната среда.

Съществуват множество различни компоненти и добавки за течностите за металорязане, които могат да бъдат класифицирани в четири основни класа – масла за рязане, разтворими масла, полусинтетични и синтетични течности.

През 2014 г. стойността на пазара на течности за металообработка е оценена на 8,3 млрд. щ. д. Доклад, публикуван през 2016 г. от MarketsandMarkets, прогнозира разширяване на пазара до 9,74 млрд. щ. д. до 2020 г. с годишен темп на растеж от 3,2%. Водещ фактор за този прогнозен ръст е бързо разрастващият се сектор на автомобилостроенето и увеличаващата се в световен мащаб индустриализация.

Базовите масла, използвани в маслата за рязане, се извличат от суров петрол. Непрекъснатите колебания в цените на суровия петрол могат да окажат влияние върху търсенето на масла за рязане, както и да забавят разрастването на пазара. Освен това маслата за рязане са опасни за някои метали и могат да окажат вредно въздействие върху хората в случай, че с тях не се работи по подходящ начин. Обезвреждането на маслата за рязане и другите течности за металообработка също е голям проблем, тъй като те са неразтворими и могат да доведат до замърсяване на почвата и други негативни екологични последствия.

Бързото развитие и увеличаващите се иновации в областта на оборудването за няколко индустриални сектора доведе до все по-тежки процеси на металообработка. От друга страна, търсенето от различни производители допринесе за разработването на редица видове масла за рязане в зависимост от изискванията на процеса/оборудването. Затова производителите на течности за металообработка да съсредоточени върху научноизследователска и развойна дейност с фокус върху разнообразието. Поради проблемите с обезвреждането на маслата за рязане все повече се търсят био-базирани продукти. Същевременно производителите на масла за рязане инвестират и в развойна дейност, насочена към разработването на методи за повторна употреба и намаляване на общите разходи.

 

Смазване с минимални количества и суха обработка

Преходът към минимум смазване или дори суха механична обработка е важна тенденция, оказваща влияние върху приложението на течности за металообработка в глобален мащаб. Повишената загриженост по отношение на екологичното въздействие на смазочните материали, съчетана с успешната суха обработка при температури до 980°C, са основните движещи сили за тази тенденция.

Появата на усъвършенствани керамични, диамантени и кубичен бор-нитридни инструменти позволи високотемпературна механична обработка с ограничено или нулево смазване, без стигане до прекомерно износване. Минималното смазване типично включва използването на спрейове със сгъстен въздух и малко количество масло, осигуряващи функцията на течност за металообработка, без да се генерират големи обеми отпадъчни води.

Въздухът обаче е неефективен в охлаждането и затова съвременните решения за минимално смазване са подходящи само за лека механична обработка, която не изисква значително отнемане на топлината. Поради това изследователската дейност в момента е насочена към разработването на нови подходи, които да разширят обхвата на системите за минимално смазване до по-интензивни процеси на обработка. Дори при прилагането на минимално смазване обаче необходимостта от почистване и поддръжка на оборудването може да е значителна.

Сухата механична обработка дава възможност за по-чиста и безопасна работна среда. Производителите използват вакуум за отстраняване на стружките и въздух за почистване на съоръженията, елиминирайки генерирането на маслена мъгла или отпадъци за обезвреждане.

За да функционират добре в различни приложения, течностите за металообработка обикновено съдържат повече добавки, отколкото други смазочни материали. Те предоставят смазване и охлаждане, но и подпомагат стружкоотделянето. При много от процесите по металообработка се откриват нови повърхности, които се спояват с инструмента, ако не бъдат покрити веднага със смазочно вещество. Това определя критичната роля на течностите за металообработка в предпазването както на детайла, така и на инструмента.

Въпреки че сухата механична обработка е подходяща в някои приложения, в повечето случаи липсата на смазочно-охлаждащи материали води до по-бързо износване на инструмента, остатъчно напрежение и дефекти в детайлите. За съвременните предизвикателства в областта на металообработката, например фрезоването на стомани със свръхвисока якост, употребата на смазочно-охлаждащи течности е от критично значение.

 

От водна към въздушна основа

Ползите от преминаването от системи за минимално смазване на водна основа към такива на въздушна основа по отношение на околната среда, здравето на работниците, производителността и разходите са доказани в индустрията. Финансовите спестявания са резултат предимно от елиминирането на основни инфраструктурни компоненти в завода, които отговарят за съществен дял от разходите за смазочно-охлаждаща система на водна основа.

Това е важно, тъй като тези разходи могат да достигнат дял от 10-17% от общите производствени разходи. Използването на минимални количества смазочни материали намалява капиталовите и оперативните разходи, като същевременно редуцира в значителна степен и енергопотреблението.

Експерти твърдят, че системите за минимално смазване повишават и безопасността на машинните оператори благодарение на елиминирането на мъглата и другите маслени отпадъци, свързани с употребата на продукти за металообработка на водна основа. Понастоящем обаче системите за минимално смазване не са толкова широко разпространени, тъй като повечето служители не са достатъчно добре запознати с проектирането и внедряването им. На дневен ред остават и техническите въпроси, свързани с осигуряването на достатъчно охлаждане в предизвикателните процеси по механична обработка на усъвършенствани материали.

 

Ръст на био-базираните смазочни материали

С влизането в сила на все по-строго законодателство в областта на опазването на околната среда в Европа, производителите, използващи металорежещи процеси, вече не могат да си позволят да пренебрегнат нарастващата значимост на екологичните аспекти на маслата за рязане. Условията на пазара налагат необходимостта от предлагането на екологосъобразни решения за рязане на метал.

Основните категории добавки за течности за металообработка включват серни или хлорирани съединения, корозионни инхибитори, емулгатори, биоциди, стабилизатори, антипенни агенти, оцветители/пигменти, ароматизатори и др. Няколко добавки са забранени за употреба в тези продукти например нитрити и хлорирани парафини с къса верига. Съществува нарастващ натиск за елиминирането на още добавки, които са потенциално вредни за работниците или околната среда. Други добавки, като хлорираните парафини със средни по дължина вериги, са обект на преразглеждане и някои експерти вярват, че употребата им може да бъде забранена скоро.

Био-базираните смазочни материали без добавки превъзхождат еквивалентните продукти на нефтена основа в повечето стандартни тестове. Отличната мажеща способност, възобновяемостта и липсата на емисии на летливи органични съединения подпомагат нарастването на популярността на био-базираните алтернативи. Био-базираните смазочни материали се синтезират предимно от растителни масла.

Въпреки големия брой масла за рязане на растителна основа на пазара устойчивостта на производството им е под въпрос заради фактори като използването на земя, на която могат да бъдат отглеждани хранителни култури, изчерпването на почвеното плодородие и др. Обикновено, за да се оцени устойчивостта на био-базираните продукти, се провежда цялостен анализ на жизнения цикъл. От значение е и идентифицирането на надеждни опции за обезвреждането им.

Податливостта на течностите за металообработка към биологично замърсяване и потенциалът това да създаде здравни рискове, свързани с биоаерозоли и инфекции от опасни микробни видове, обуславя необходимостта от нова технология за засичане на микробиалния растеж в реално време.
Тези предизвикателства подтикват изследователите към разработването на по-устойчиви био-базирани продукти. Едно от възможните решения е разработването на течност за рязане от масло от микроводорасли. Използването на биосмазочни вещества от трето поколение на базата на водорасли също така позволява ефективното оползотворяване на производствените отпадъчни води и утайките от пречистването им.

 

Засилено рециклиране

Нарастващата необходимост от редуциране на разходите и повишаване на производителността създава безпрецедентно търсене на масла за рязане с по-добри характеристики и по-висока устойчивост. Крайните потребители непрекъснато инвестират в начини за понижаване на разходите чрез внедряване на стратегии като техники на рециклиране за повторна употреба на охлаждащите агенти и намаляване на отпадъците, елиминирайки нуждата от обезвреждането им.

Чисти (неразредени) масла за рязане се използват широко в металообработващата индустрия за приложения, при които продуктите на водна основа обикновено са неефективни и е необходима висока степен на смазване за намаляване на триенето между движещи се машинни части и редуциране на отделяната топлина.

Спестяванията в резултат на рециклиране на течностите могат да бъдат значителни, като обемното понижение спрямо система без рецикъл може да достигне 8%. По този начин няма нужда от използването на нови количества продукт, което ограничава образуването на отпадъци и носи други екологични ползи. Технологията и химията на рециклиране са обект на непрекъснати проучвания, като възвръщаемостта на най-новите решения е доста задоволителна. Много от доставчиците на течности за металообработка подпомагат клиентите си във внедряването на технология, подкрепяща инициативите им по рециклиране.

В системите за рецикъл почти винаги се осъществява някаква форма на контрол на замърсяването и добавяне на химикали. В идеалния случай с помощта на тези системи течността за металообработка се връща в началното й състояние. Само по себе си обаче, отстраняването на замърсители не може да се справи с акумулирането на йони, повишаващи твърдостта, изпарението, понижаването на pH заради микробиален растеж и загубата на повърхностно активни вещества. Затова за удължаване на живота на течностите за металообработка са необходими директна химическа поддръжка и биологичен контрол.

 

Микрофилтрация

Това е основаваща се на мембранно разделяне технология, чрез която могат да се отстранят не само микроорганизми, но и частици замърсители, за да се получи висококачествена рециклирана фракция. Основната разлика между конвенционалната и мембранната филтрация е това, че при първата филтрите работят, като улавят частиците в матрицата си, след което не могат да бъдат регенерирани.

Мембранната филтрация обикновено се осъществява тангенциално на основния поток течност. Този режим на кръстосан поток ограничава натрупването на частици във филтърната матрица и разделянето протича на повърхността. Мембраните могат да бъдат почистени и използвани повторно за дълги периоди от време, а керамичните мембрани – на практика до безкрай. Вместо запушване на филтрите със замърсители, основното ограничение на високите дебити в микро- и ултрафилтрацията е физикохимичното взаимодействие между съставките на течността за металообработка и повърхността на мембраната.

Мембранните процеси на филтрация, макар и трудни за изпълнение, доказано възстановяват продуктите за металообработка до началното им състояние. Сред основните ограничения на технологията е чувствителността на мембраната към състава на течностите, особено по отношение на някои масла и повърхностно активни вещества и техните концентрации.

 

Тенденции при чистите масла за рязане

Водещите тенденции, наблюдавани при чистите масла за рязане, са няколко. Най-важното за производствените предприятия е оптималното оползотворяване на капацитета и постигане на разходна ефективност. Висококачествените чисти масла са от съществено значение за безпроблемното функциониране на машинните части. По-добрата производителност на машините спомага за понижаване на оперативните разходи чрез намаляване на износването на съоръженията, редуциране на енергоконсумацията и разходите по регулярни ремонтни дейности и поддръжка.

Крайните потребители са склонни да платят повече за качествено масло за рязане, което оказва благоприятно въздействие върху издръжливостта на машините и намалява общите разходи за експлоатацията им.

Компаниите са съсредоточени върху предлагането на решение, което удължава живота на машинните части. Тази тенденция стимулира производителите за иновации и разработване на масла с подобрени характеристики, например несъдържащи хлор масла за рязане, които защитават от корозия и по този начин удължават живота на машинните части.

Разтворителите на водна основа изискват допълнителен етап на сушене, който отнема време и се отразява на производствените графици. Поради тази причина бързо изпаряващите се чисти масла за рязане набират популярност в редица индустриални отрасли. Компаниите предпочитат решение, което изсъхва бързо, оставя по-малки остатъчни количества и отстранява стружките по по-добър начин.

Top