Стратегии за охлаждане при металообработка

• Преди появата на течностите за металообработка, най-разпространеният процес е сухото отнемане на материал, което дава възможност за спестяване на разходи чрез елиминирането на течностите
  
  
• Други методи за охлаждане включват струйно охлаждане, използване на твърди охлаждащи агенти, криогенно охлаждане, охлаждане с флуид под високо налягане и др.
  
  
• През последните няколко години се провеждат многобройни проучвания, фокусирани върху подобряване на механичната обработка на метал при прилагане на MQL и използване на течности за металообработка на растителна основа

При механичната обработка на метали и сплави температурата се увеличава в зависимост от скоростта на рязане и дълбочината на среза, което е свързано с намаляване на якостта на инструмента и повишаване на степента му на износване. По-високите скорости на механична обработка се препоръчват за постигане на по-добро качество на продукта, но те водят и до по-високи температури. За тази цел се използват течности за металообработка, които не само охлаждат зоната на рязане, контролирайки температурата на инструмента и детайла, но и осигуряват необходимото смазване между тях. Износването на режещия инструмент може да бъде редуцирано, когато се предотврати прегряването, което допринася за поддържането на остротата на инструмента и получаването на по-добър повърхностен финиш. По този начин се подобрява и процесът на стружкоотделяне от повърхността между инструмента и детайла и се ограничава натрупването на материал по ръба на режещия инструмент. Преди появата на течностите за металообработка, най-разпространеният процес е сухото отнемане на материал, което дава възможност за спестяване на разходи чрез елиминирането на течностите. Други методи за охлаждане включват струйно охлаждане, използване на твърди охлаждащи агенти, криогенно охлаждане, охлаждане с флуид под високо налягане и други.

Прекомерната употреба на течности за металообработка обаче води до редица рискове за околната среда и здравето и безопасността, които, от своя страна, са свързани с увеличаване на общите производствени разходи. Поради тази причина се появява техниката на мазане с минимално количество смазка (minimum quantity lubrication, MQL). През последните няколко години се провеждат многобройни проучвания, фокусирани върху подобряване на механичната обработка на метал при прилагане на MQL и използване на течности за металообработка на растителна основа за трудни за обработка материали като титанови сплави.

Суха механична обработка

Тук процесът на отнемане на материал се осъществява без да се използват течности за металообработка. При суха обработка с по-ниски скорости на рязане, висока скорост на подаване и малък преден ъгъл, върху ръба на инструмента се натрупва материал. Достигането на по-високи температури при високи скорости на рязане често води до лош повърхностен финиш и скъсяване на експлоатационния срок на инструмента в резултат на топлинното натоварване. В допълнение, високите температури при рязане водят до редуциране на якостта на материала, от който е изработен детайлът, а това намалява режещите сили в зоната на рязане.

В някои случаи обаче сухата механична обработка се предпочита заради спестяването на разходи и устойчивостта на метода по отношение на опазването на околната среда. Механичната обработка в отсъствието на смазочно-охлаждащи течности започва да взема превес при фрезоването. При пробиване охлаждащите течности са необходими, защото инструментът е в контакт с материала за продължителен период от време и течността е от съществено значение за стружкоотвеждането.

Прилагането на суха обработка при струговане е рядкост, тъй като режещият ръб е в постоянен контакт с детайла и ако няма никакво охлаждане, в един момент той ще се повреди. При фрезоването обаче отнемането на материал винаги се извършва с прекъсвания и рискът от поява на пукнатини вследствие на употребата на охлаждаща течност е висок. Затова при този процес сухата обработка е най-предпочитана за удължаване на експлоатационния срок на инструмента, особено когато се обработват стомани, чугун и някои неръждаеми материали.

Струйно охлаждане

При този метод охлаждащата течност се разпространява чрез дюзи под формата на струи, които обливат цялата зона на рязане. Голям обем охлаждаща течност се разпръсква с висок дебит, покривайки цялата повърхност между инструмента и детайла. Обикновено при струйното охлаждане дебитът варира между 0,5 и 10 l/min в зависимост от типа на металообработката.

Големите количества охлаждаща течност, прилагани към зоната на рязане, позволяват отнемане на излишната топлина и предоставят нужната степен на мазане. Едно от предимствата на струйното охлаждане в сравнение със сухата механична обработка е това, че при него се получава по-добър повърхностен финиш и се оптимизира експлоатационният живот на инструмента.

Методът обаче има и своите недостатъци. Сред тях е трудното намиране на устойчиви начини за обезвреждане на замърсените с метални стружки течности за металообработка. За да се подобри устойчивостта на струйното охлаждане при механична обработка, е нужно да се обърне внимание на разходите за обезвреждане на течностите и на експозицията на машинните оператори на тях.

Охлаждане с течност под високо налягане

В много случаи охлаждащата течност се разпространява под сравнително ниски налягания до зоната на рязане, където просто облива детайла и режещия инструмент. Системите за охлаждане под високо налягане обаче изпомпват охлаждащата течност при налягания между 20 и 70 bar, което подобрява проникването й към повърхността между инструмента и детайла и предоставя по-качествено охлаждане и мазане. Охлаждането с течност под високо налягане може да се прилага успешно при процеси на струговане, в които течността се разпространява през специални вложки на режещия инструмент с вградени дюзи.

По време на процеса на механична обработка върху повърхността на режещия инструмент и детайла се формира слой от пара, който играе ролята на топлинен изолатор и не дава възможност за качествено охлаждане и мазане. В резултат стружките не се отвеждат ефективно и биват срязвани отново, което ускорява износването на инструмента и може да доведе до увреждане на детайла. Когато обаче охлаждащата течност е под високо налягане, допълнителната сила повишава локалното налягане, което елиминира формирането на слоя от пара. По този начин охлаждащата течност успешно достига до върха на инструмента и предотвратява преждевременното му увреждане в резултат на топлинно натоварване.
Освен това, тъй като генерираните стружки се поддържат при по-ниска температура, те се отчупват много по-лесно и се отвеждат от зоната на рязане много по-бързо.

Причината за отчупването на стружките не е силата на охлаждащата течност под високо налягане, а ефектът от охлаждащата течност, благодарение на който се скъсява основната зона на срязване. Поради това се формират по-къси стружки, а не дългите, нишковидни стружки, които са характерни за охлаждането с течност под ниско налягане.

В допълнение, при този метод на охлаждане режещият инструмент се износва с много по-предвидима скорост, което прави подмяната му много по-ефективна.

Твърди смазочно-охлаждащи материали

Те са под формата на твърди органични или неорганични съединения или метални люспи. Съществуват множество материали с присъща възможност за мазане, които могат да се използват като твърд смазочно-охлаждащ материал. Такива са например молибденовият дисулфид, графитът и политетрафлуороетиленът. Твърдият смазочно-охлаждащ материал обикновено се прилага под формата на суха пудра, която съдържа добавки с мажещи свойства, резултат от естеството на структурата на кристалните им решетки. Така се подобряват условията на триене и се минимизира износването на инструмента при екстремни параметри на механичната обработка. Твърдите смазочно-охлаждащи материали могат да издържат на екстремно високи температури благодарение на високата си химична инертност и ниска летливост.

Криогенно охлаждане

През 2011 г. криогенната механична обработка е представена на изложението EMO в Хановер. Емулсията е заменена от течен азот при температури около -190°C. Същественият потенциал за охлаждане със сигурност е огромно предимство, когато се обработват топлоустойчиви материали, където температурите могат да достигнат 1000°C.

За целта може да се използва и въглероден диоксид, като охлаждането протича по по-различен начин. Газът се намира в два цилиндъра под високо налягане (до 50 bar) и веднага щом се разшири и напусне дюзата или канала на инструмента, температурата му спада драстично.

Минимално количество смазка

При механичната обработка с минимално количество смазка (MQL) количеството на смазочно-охлаждащата течност е редуцирано значително и достига до зоната на рязане с носител сгъстен въздух. Смазочно-охлаждащите течности обикновено се впръскват към зоната на рязане под формата на мъгла. Редуцирането на количеството охлаждаща течност позволява минимизиране на общото енергопотребление и на производствените разходи. Разходите за течности за металообработка представляват около 20% от общите производствени разходи и поради това оптималното им потребление се превърна в основен приоритет, насочен към максимално увеличаване на приходите.

Прилагането на MQL бива външно и вътрешно. При външното прилагане течността се впръсква към повърхността между детайла и инструмента, което изисква ръчно регулиране на ъгъла и позицията на дюзата. За вътрешното прилагане е нужно да се използват специални инструменти с интегрирани канали, по които преминава охлаждащата течност. При процес на пробиване вътрешното прилагане на MQL може да подобри ефективността на стружкоотвеждане.