Спомагателно оборудване и материали в металорязането и металообработката

• Смазочните биоматериали без добавки превъзхождат еквивалентните смазки на петролна основа при преобладаващата част от стандартните тестове
  
  
• Процесите на суха обработка се прилагат за рязане на няколко вида материали, от меки до твърди, с различни инструменти
  
  
• Металорежещите и металообработващите машини трябва да са снабдени със спомагателна система за стружкоотвеждане, която да работи при непрекъснат режим

В съвременните производствени процеси металообработващите машини интегрират най-новите технологии в микроелектрониката, автоматичното управление, прецизното измерване и други функции, поставящи определени изисквания към средата и начина на работа. С развитието на индустрията металообработващите машини се усъвършенстват едновременно в редица посоки. За осигуряване на оптимална функционалност се разработват и интегрират системи, грижещи се за охлаждането, контрола на температурата и вибрациите в машината, почистването и др.

Течности за металообработващи машини

Флуидите, използвани при металообработване, служат за намаляване или елиминиране на топлинната деформация, локалните напрежения, противодействат на образуването на корозия и почистват отстранения материал.

Топлинната деформация е явление, характерно за машинните операции, дължащо се на ефекта на пластичните изменения под въздействието на топлината, генерирана при триенето на инструмента и детайла. Охлаждащите флуиди противодействат на тези проблеми, като намаляват коефициента на триене и отвеждат топлината чрез конвекция, като по този начин увеличават температурния градиент в мястото на обработка.

Локално напрежение възниква, когато има нарушение в режима на смазване и охлаждане. В локалните области, подложени на контакт на твърд материал в твърд материал, възниква повишаване на триенето. Това може да доведе до известно натоварване на материала, което може да повреди или инструмента, или детайла. Течностите за металообработване са предназначени за ефективно смазване на детайла, като при производството им се предвиждат температурата и налягането, които ще възникнат при дадена операция по формоване или рязане на метал.

Корозията е естествен процес, при който повърхността на метала се окислява и губи своите свойства. В малки концентрации се добавят вещества, които контролират степента или напълно предотвратяват образуването на корозия. Те се добавят за защита на необработената, открита повърхност, експонирана по време на машинната обработка.

Влаганите смазочни материали, охлаждащи течности и флуиди при обработката на метал зависят от конкретното предназначение.

При електроерозийната обработка (EDM) флуидите, които се използват, са диелектрични течности, осигуряващи специфични характеристики на напрежението и силата на тока при EDM операции. Те изпълняват две функции – стабилизират йонизационен потенциал и – почистват отпадъчния материал от ерозията.

Охлаждащите течности служат за разсейване на топлината, генерирана в местата на съприкосновение между инструмента и материала. Те позволяват по-дълбоки и продължителни срезове, по-високи скорости на рязане и подобряват качеството на повърхностната обработка при почти всички видове операции.

Течностите за шлифоване са охлаждащи течности, които също могат да се характеризират с екстремно налягане или химически активни добавки. Те се използват за подобряване и защита на повърхностните покрития и могат да се прилагат и за разпръскване на абразивни частици.
Течностите, използвани при рязане на метал, удължават живота на инструмента, като намаляват износването му, подобряват смазването, ограничават термичната деформация на детайла. Те също така спомагат за повърхностната обработка и отмиват отделените стружки.

Маслата, смазките и флуидите за формоване са предназначени за подобряване на смазването по време на екструзия, щамповане, огъване, шлифоване, валцуване и други деформационни процеси.

Има три основни типа продукти за обслужване на спомагателни функции на машините. Това са течности, греси и твърди смазочни материали или сухи филми. Течностите могат да бъдат на водна основа, масла или емулсии. Гресите, геловете и смазващите пасти са плътни продукти с висок вискозитет, които не се оттичат от повърхностите. Гресите много често са съставени от масла и сгъстители. Твърдите смазочни материали или сухите смазващи филми са съединения като хексагонален люспест графит, борен нитрид (BN), молибден дисулфид или прахове от политетрафлуоретилен (PTFE).

Смазочните материали и охлаждащите течности, използвани при металообработка, играят съществена роля в процеса на охлаждането, защитата на инструмента, отмиването на стружките и защитата от корозия. При обработката на метални изделия се използва значителен поток флуид – между 4 и 20 литра в минута.

Някои експерти в областта прогнозират, че тенденциите ще се развиват все повече в посока към намаляване на количеството охлаждаща течност, т.е. че сухата обработка ще става все по-популярен метод. Една от причините е нарастващите опасения относно въздействието на смазочно-охлаждащите материали върху околната среда.

Опасенията относно въздействието на смазващите вещества върху околната среда, съчетани с успешното прилагане на суха обработка при температури до 980°C, дават тласък на тези тенденции. Появата на усъвършенствани инструменти с керамика, диамантено покритие и покритие от кубичен борен нитрид позволяват високотемпературна обработка с ограничено или без никакво прилагане на охлаждащ флуид, без това да генерира прекомерно износване.

Сухата обработка е предпоставка за по-чиста работна среда и безпроблемна работа. Производителите на оборудване внедряват системи с вакуум за отстраняване на стружките и въздушна струя за почистване на манипулиращите инструменти, без да се образува маслена мъгла или замърсяване от охлаждащата течност. Дори когато се използва минимално количество смазочен материал, това може да осигури качествено почистване и поддръжка на оборудването.

Екологични материали

Все по-актуален проблем стават емисиите, произтичащи от операции, свързани с металообработка, а с това и мерките за контрол на емисиите – все по-строги и ограничаващи.

Изискванията включват извършване на всички операции в напълно изолирано пространство, което свежда до минимум отделянето на метален прах и фини частици. Тези изолирани пространства трябва да са свързани със система за екстракция и контрол на емисиите.

Смазочните биоматериали без добавки превъзхождат еквивалентните смазки на петролна основа при преобладаващата част от стандартните тестове. Отличната им смазваща способност, наред с възобновяемия им произход и отсъствието на емисии на летливи органични съединения насърчават широкото възприемане на биоалтернативите.

Сухата металообработка не включва използването на флуиди за металорязане, които оказват вредно въздействие на околната среда и имат висока цена. При рязане с висока скорост на твърди материали обработващата зона може да достигне температура над 1000°C.

Обикновени високоскоростни стоманени инструменти, алуминиеви керамични инструменти, такива от кубичен борен нитрид (CBN) и керамика могат да се използват за обработка на различни видове материали без присъствие на охлаждаща течност. Инструментите с покритие обикновено имат по-дълъг живот от инструментите без покритие, ако покритието е направено правилно, за да бъде ефективно. Покритието осигурява изолация и смазване при рязане. Материалите, използвани за покритие на режещи инструменти включват TiAlN (титанов алуминиев нитрид), TiN и диамант.

Инструментите с диамантено покритие обикновено превъзхождат инструменти с друг тип покритие. Многослойното покритие комбинира множество функции. Дебелината на един слой е няколко нанометра. Всеки слой осигурява специфична функция, например топлоизолация, устойчивост на износване или смазване. Процесите на суха обработка се прилагат за рязане на няколко вида материали, от меки до твърди, с различни инструменти. CBN и керамичните инструменти могат да режат чугун без охлаждаща течност, инструментите с покритие от TiN се използват за сухо рязане на стомана, като по този начин се избягва задръстването със стружки, особено при процеси на пробиване. Като цяло е трудно да се режат суперсплави и титан без охлаждаща течност. Тенденциите в обработката на твърди метали включват висока скорост, малка дълбочина на рязане и криогенна обработка.

Поради сложния характер на сухата обработка е необходимо да се разработят нови софтуерни инструменти, които да помогнат на инженерите да планират процеса на суха обработка на база на конструкцията на продукта.

Устройства за стружкоотвеждане

Задържането на стружки върху работната маса, шейните и базовите корпусни елементи след тяхното отделяне е проблем, който не бива да се подценява. Металорежещите и металообработващите машини трябва да са снабдени със спомагателна система за стружкоотвеждане, която да работи при непрекъснат режим, за да предотврати натрупване на материал върху заготовката или части на машината. Такива системи са стружковите транспортьори. Добре подбраната компановка създава условия отделената стружка по естествен път да се насочи и попадне в стружковия транспортьор.

Трябва да се избягва задържането на стружки както по външните, така и по вътрешните повърхнини на заготовката. Стружките се отстраняват механично след ръчна или автоматична команда без нарушаване на установката.

Когато стружките не може да се отведат по естествен път, тогава стружкоотвеждането се осигурява чрез спомагателни движения на работните органи.

Транспортиращите системи за събиране и отвеждане на стружки са проектирани за прецизно и ефикасно прехвърляне на големи количества материал по време на взискателни операции с металорежещи машини.
На пазара се предлагат широка гама от решения, подходящи за всякакъв тип обработка и размери стружки. Пластинчатият транспортьор е подходящ за отвеждане на стружки, образувани при обработка на стомана и чугун. За да не се допусне попадане на материал между частите на транспортьора и задвижването, от двете страни се монтират предпазители, които задържат стружките.

Верижните транспортьори служат за предотвратяване на натрупване на стружки, когато те са по-малки от 30 мм. Транспортирането се осъществява в долната част на корпуса, задвижван от две странични ролкови вериги.

Спиралните модели са много ефективни при транспортиране на малки по размер стружки, за по-малки количества и при производства, където пространството е по-ограничено. В края на процеса обикновено е включен и пластинчат транспортьор.
Филтриращите транспортьори предлагат възможност за филтриране на охлаждаща течност, постъпила с металния материал. След преминаване през филтрите, които могат да бъдат от различен тип в зависимост от размера на стружките, тя се връща към охлаждащата система на металорежещата машина.

За да се избегне засядане на стружки и да се подобри производителността, при настройването на машината трябва да се вземат предвид няколко фактора като дълбочина на рязане, скорост на подаване и геометрия на вложката. При най-благоприятна конфигурация стружката трябва да се счупи, като се измени посоката й или се извие. Най-ефективното решение са пластините, вградени в режещата повърхност на инструмента. Специализираните вложки имат геометрия, която предполага по-добро счупване и отнемане на стружката. Също така ефикасен способ е оборудване на машината със система за охлаждане с голям дебит и голям капацитет с вградено промиване на стружки и транспортьори. Фактор, който не бива да се подценява, е високата стабилност на инструмента, тъй като това пряко способства за лесното отнемане на стружките.

Почистване и подготовка за повърхностна обработка

Две са основните опции за почистване на части и детайли – почистване на водна основа и почистване на базата на разтворители и обезмаслители. И двата метода могат да осигурят качествени резултати. Всеки от тях обаче има своите недостатъци и предимства.

Почистването с вода е процес, който използва вода и химически добавки, за да отстрани замърсявания и наслагвания. Водата се пречиства с препарати или повърхностно активни вещества, емулсии, сапуни, и различни други съединения, за да се повиши ефективността на почистване. Използвайки тристепенен процес, частите се измиват в поредица от машини, след което се изплакват, за да се отстранят всички остатъци от препарати. Изсушават се с горещ въздух или изопропилов алкохол. Водното почистване работи с комбинация от препарати, висока температура и разбъркване, което може да е ултразвуково, за разграждане на замърсителите и отстраняването им от повърхностите на частите.

В зависимост от активните добавки към водния разтвор, почистващият агент може да бъде с много слабо или много силно действие и може да варира от нетоксичен до опасен. Някои от добавките могат да бъдат много агресивни към различни метали, пластмаси или мастила, така че всички материали на частите трябва да бъдат тествани за съвместимост преди почистване. Освен това частите трябва да бъдат проверени след почистване, за да се гарантира, че след процеса на изплакване не е останало активно вещество. След почистване отпадъчните води се филтрират, дестилират и подготвят за отвеждане.

Почистването с вода работи добре и е особено полезно, когато процесът се комбинира с други процедури, като например нанасяне на предпазни покрития срещу корозия.

Разтворителите почистват, изплакват и изсушават частите само в една стъпка в една машина. Частите се поставят в машина за обезмасляване с пара, пълна с почистваща течност на основата на разтворител. Повечето почистващи течности на основата на разтворители включват съединения, като въглеводороди, изопропанол и етанол. Начинът на комбиниране на съединенията определя ефективността на почистващата течност и нейната съвместимост с материалите.

Частите се потапят в непрекъснато филтрираната течност, за да се разтворят замърсяванията от повърхността им. В някои случаи се използва ултразвук за допълнително почистване. Тъй като частите се отстраняват от почистващата течност, те преминават през кратък процес на изплакване и изсушаване с пара. Почистващата течност се кондензира и попада обратно в обезмаслителната вана, за да се използва повторно. Това помага да се намалят разходите за отстраняване на опасни отпадъци. Частите излизат чисти, изплакнати, изсушени и готови за следващия етап на производство.

Тъй като почистването, изплакването и сушенето се извършват в една машина, обезмаслителят с пара се справя бързо с голям обем части (около 6 – 20 минути). Също така се изисква по-кратко време за сушене, което означава по-малко енергопотребление. Почистването на базата на разтворители също не оставя следи след изсъхване.

За да се определи дали почистването на водна основа или с разтворител е по-подходящо за конкретно приложение, важно е да не се взема решение само на база разходи. Даденото приложение трябва да се разгледа комплексно и да се вземат предвид всички фактори. Три са основните, които се открояват сред останалите – типът замърсяване на частите, формата на почистваните части и изискванията към крайния резултат от почистването.

Спомагателно оборудване за обезопасяване

Металообработващите машини крият различни механични опасности, включително захващане, премазване и порязване с инструменти. Опасност от захващане или премазване също може да възникне от непреднамерено или неконтролирано движение на детайла, а макар и рядко, възникват и наранявания от изхвърлянето на счупен инструмент.

Много от злополуките, които се случват при този тип машини, водят до много сериозни наранявания на ръцете на оператора, включително ампутации. Значителен брой наранявания са свързани със задачи, които включват малки детайли. Важно е рисковете на тези машини да бъдат осъзнати както от работодателите, така и от операторите. Препоръките на производителя във връзка с ограниченията за размера и геометрията на детайла трябва да се спазват и, когато това се изисква, трябва да се работи със специални или високоякостни стомани.

Предпазителите, използвани с металообработващи машини, трябва да бъдат конструирани и монтирани така, че всяко работно място да може да се използва независимо, без друго работно място да представлява опасност за оператора или друго лице. Конфигурациите се изпълняват съобразно конкретните условия. Подвижните предпазители за стружки и охлаждаща течност например защитават оператора и поддържат работното място чисто, като те могат да включват и светлинни завеси като допълнителна мярка. Светлинните завеси спират работата на машината, ако операторът навлезе в опасна близост до нея.

При повечето случаи е възможно работните станции да бъдат ефективно защитени с помощта на фиксирани, регулируеми или самозатварящи се предпазители. Възможно е също така да бъдат елиминирани опасностите чрез уплътняване и покриване на пролуките на потенциални точки на захващане. Когато производството го позволява, следва да се използват инструменти от затворен тип. При необходимост от видимост на детайла или инструмента за целите на подравняване в предпазители може да се предвидят подходящи отвори. Направляващите шейни са друг елемент свързан с безопасността, който осигурява коректно подравняване и фиксиране на заготовките.