FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 3
ABSTRAKT Tato diplomová práce je zaměřena na analýzu vlastností procesních kapalin. Je zde poukázáno na jejich vliv na řezný proces. Také jsou zde ukázány moderní trendy a vliv procesních kapalin na ekonomiku a ekologii.
Klíčová slova Procesní kapalina, opotřebení, teplota.
ABSTRACT This master‘s thesis is concentred on analyse propertie’s of cutting fluids. Here is pointed on their influence on the cutting process. Also here are shown modern trends and influence cutting fluids on economics and ecology.
Key words Cutting fluid, wear, temperature.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE HOLÝ, J. Řezné kapaliny a jejich použití při obrábění. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 53 s., 2 přílohy. Vedoucí diplomové práce Ing. Karel Osička, Ph.D.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 4
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: Řezné kapaliny a jejich použití při obrábění vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.
Datum:
……………………. Bc. Jan Holý
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 5
Poděkování
Děkuji tímto Ing. Karlu Osičkovi, PhD za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce a Ing. Petru Dobešovi, CSc. za získání potřebných informací a k asistenci při provádění laboratorních zkoušek v brněnské pobočce společnosti Fuchs Oil Corporation.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 6
OBSAH Abstrakt ............................................................................................................. 3 Prohlášení ......................................................................................................... 4 Poděkování ....................................................................................................... 5 Obsah ............................................................................................................... 6 Úvod ................................................................................................................. 7 1 PROCESNÍ KAPALINY .................................................................................. 8 1.1 Vlastnosti procesních kapalin..................................................................... 8 1.1.1 Rozdělení procesních kapalin .............................................................. 11 2 POUŽITÍ PROCESNÍCH KAPALIN .............................................................. 13 3 VLIV KAPALIN NA ŘEZNÝ PROCES .......................................................... 15 3.1 Vliv kapalin na odvod třísky z místa řezu ................................................. 15 3.2 Vliv kapalin na snížení teploty řezného procesu ...................................... 16 3.3 Vliv kapalin na velikost řezné síly ............................................................. 18 3.4 Vliv kapalin na opotřebení nástrojů .......................................................... 20 4 ROZMĚROVÁ PŘESNOST PŘI OBRÁBĚNÍ S KAPALINOU ...................... 23 4.1 Vliv kapalin na jakost povrchu .................................................................. 24 5 DEGRADACE EMULZÍ A JEJICH MONITORING ....................................... 25 5.1 Čištění kapalin ......................................................................................... 28 6 LABORATORNÍ ZKOUŠENÍ EMULZÍ .......................................................... 29 7 ŘEZNÉ OLEJE ............................................................................................ 38 8 MODERNÍ TRENDY V POUŽÍVÁNÍ KAPALIN............................................. 40 9 EKONOMICKÉ HLEDISKO POUŽÍVÁNÍ KAPALIN ..................................... 42 10 EKOLOGIE A LIKVIDACE KAPALIN ......................................................... 47 Závěr ............................................................................................................... 49 Seznam použitých zdrojů ................................................................................ 50 Seznam použitých zkratek a symbolů ............................................................. 52 Seznam příloh ................................................................................................. 53
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 7
ÚVOD Používání procesních kapalin se začalo objevovat v počátcích 20 století. Jako jeden z prvních inženýrů se o to zasloužil pan Taylor pří práci ve Fordových závodech. Použitím sodovky jako chladícího média demonstroval rapidní zvýšení trvanlivosti nástroje až o 40%. To mělo veliký vliv na snížení ekonomických nákladů ve výrobě. Publikování experimentů podobného typu vzbudilo veliké zaujetí v oblasti chlazení řezného procesu. Začaly se objevovat první generace procesních kapalin. Z počátku to byly jednoduché typy emulzí jen na bázi vody a oleje, které sice nebyly nijak dokonalé, ale dostatečně splňovali funkci odvodu tepla a snížení tření nástroje po obrobku. Tyto emulze se velmi rychle ujaly v mnoha oblastech třískového obrábění. Použití procesních kapalin nemělo výrazný vliv jen na snížení ekonomických nákladů, ale také na zkvalitnění obráběcího procesu. Za uplynulých 70 let došlo k výraznému vývoji procesních kapalin. Stále větší nároky ze strany zákazníků na procesní kapaliny donutila výrobce k novému pohledu na jejich složení. Začala se používat aditiva, která výrazně změnila složení a odstranila nežádoucí efekty vzniklé při používání kapalin. Také pohled na monitoring stavu procesních kapalin zaznamenal v posledních několika letech významný krok dopředu. Podniky si začínají uvědomovat nemalé finanční nároky na koupi kapalin. To má zásadní vliv na zvyšování zájmu o průběžný monitoring a úpravu používaných kapalin v provozu. V posledních několika letech byl velký důraz kladen i na zdravotní nezávadnost a ekologickou odbouratelnost procesních kapalin. Prvním významným krokem pro vytváření nových zdravotně nezávadných a ekologicky neškodných kapalin, měla od 1.6 2007 nová chemická politika Evropské unie pod zkratkou (REACH). Ta velmi zpřísnila výslednou chemickou strukturu jednotlivých procesních kapalin tak, aby byly co nejméně zdravotně závadné, a také dobře ekologicky odbouratelné.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 8
1. PROCESNÍ KAPALINY Použití procesních kapalin je velmi důležité pro vytvoření vhodného řezného prostředí. Tím je myšleno vytvoření takových podmínek, které mají příznivý vliv na odvod tepla z místa řezu, prodloužení trvanlivosti řezného nástroje a na zvýšení povrchové a rozměrové jakosti výrobku. Při volbě procesní kapaliny na řezný proces je důležité znát její charakteristiku, která je nezbytná pro určení vhodnosti použití. Základní charakteristika se skládá z těchto vlastností: chladící účinek, mazací účinek, čistící účinek, zdravotní nezávadnost, přiměřené náklady. V poslední době je důležitá i její ekologická nezávadnost a levná likvidovatelnost.
1.1 Vlastnosti procesních kapalin Chladící účinek Základní funkcí chladícího účinku je odvod tepla z místa řezu-obr.1.0. Odvod tepla vzniklého při řezání je způsoben tím, že procesní kapalina obklopuje nástroj, třísky i obrobek a přejímá část vzniklého tepla. Velikost chladícího účinku je závislí na jeho smáčecí schopnosti na výparném teple, na rychlosti vypařování za určitých teplot, na tepelné vodivosti a na měrném teple. Čím budou tyto veličiny větší, tím bude větší chladící účinek.1 Důležitou roli hraje i průtokové množství kapaliny. Výparné teplo zvětšuje chladící účinek kapaliny, ale přílišné odpařování kapaliny není žádoucí. Aby byla procesní kapalina využita hospodárně z hlediska čistoty a zdraví, je nutné vznikající páry odsávat.1
Obr. 1.0 Příklady teplotních polí v místě řezu 2
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 9
Mazací účinek Je to schopnost kapaliny vytvořit na povrchu kovu vrstvu, která brání přímému styku kovových povrchů a snižuje tření-obr.1.1 a obr. 1.2, ke kterému dochází mezi nástrojem a obrobkem. Vzhledem k vysokým tlakům, které vznikají při řezání, nemůže zde dojít ke kapalnému tření. Může ale vzniknout mezní tření. 1) Mazací účinek znamená proto zmenšení řezných sil, zmenšení spotřeby energie a také zlepšení jakosti obrobeného povrchu. Mazací účinek procesní kapaliny se proto vyžaduje u dokončovacích operací obrábění a při provádění náročných operací, jako je protahování, výroba závitů, nebo výroba ozubení.1 Mazací schopnost procesní kapaliny je závislá na její viskozitě a na pevnosti vytvořené mezní vrstvy. S rostoucí viskozitou se ale zhoršuje pronikání kapaliny mezi třecí plochy, její proudění a také odvod tepla. Viskóznější kapaliny ulpívají také více na třískách a tím dochází ke značným ztrátám.1 Při experimentu na obr. 1.1 a obr. 1.2, byl obráběn materiál 100Cr6 (OCEL 14109). Byla použita kapalina Poly-Alpha-Olefin (PAO). Po obrobení byla zjišťována velikost koeficientu tření za pomoci tribometru při zatížení 1N byla 0,05; 0,1; 0,2 m.s-1.
Obr. 1.1 Velikost koeficientu tření po obrábění zasucha 3
Obr. 1.2 Velikost koeficientu tření po obrábění s použitím kapaliny 3
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 10
Čistící účinek Odstraňuje třísky z místa řezání a např. u broušení zlepšuje vlastnosti brousícího kotouče tím, že vyplavuje zanesené póry. Procesní kapalina má také bránit slepování částic, které vznikají při řezání, ale má dovolit jejich usazování.1 Jakost čištění závisí i na čistotě kapaliny, to znamená na odstraňování nečistot, které kapalina odplavila. Větší nečistoty se sice usadí v nádrži, ale menší mohou být proudem vody odnášeny zpět do místa řezání, kde mohou způsobit i zhoršení jakosti obrobeného povrchu. Velký význam má účinek čištění pro broušení a u těch operací, kdy procesní kapalina musí odnášet třísky z místa řezu např. při řezání závitů nebo vrtání hlubokých děr.1 Provozní stálost Je to doba výměny procesní kapaliny. Dlouhodobost výměny kapaliny je podmíněná zárukou, že se její vlastnosti nebudou po tuto dobu měnit.1 Stárnutí kapaliny olejového typu se projevuje tvořením pryskyřičnatých usazenin, které mohou způsobit i poruchu stroje. Produkty stárnutí mají vliv i na zhoršování funkčních vlastností procesní kapaliny, její rozklad, zmenšení mazacího účinku, ztrátě ochranných schopností, korozi a hnilobný rozklad. Provozní stálost kapaliny závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech a na teplotě.1 Ochranný účinek Je to schopnost nenapadat kovy a nezpůsobovat korozi. Toto je důležitý požadavek proto, aby nebylo nutné výrobky mezi operacemi konzervovat, aby se také stroje chránily před korozí. Pro vytvoření dokonalého antikorozního účinku jsou do procesní kapaliny přidávány přísady, které pasivují kovy proti nežádoucím účinkům. Dalším důležitým požadavkem je to, aby kapalina nerozpouštěla nátěry obráběcích strojů a nebyla agresivní vůči gumovým těsněním.1 Zdravotní nezávadnost Procesní kapaliny vycházejí z toho, že při práci na obráběcích strojích obsluha přichází do styku s procesní kapalinou. Proto procesní kapalina nesmí být zdraví škodlivá, nesmí obsahovat látky dráždící sliznici a pokožku a nesmí být jedovatá. Kapaliny také nesmí zamořovat ovzduší nepříjemným zápachem. Zdravotní nezávadnost procesních kapalin závisí také na jejich provozní stálosti a čistotě. Přitom je nutné v provozu dbát na to, aby byla zajištěna základní hygienická opatření, jako je větrání, umývání, preventivní ochrana pokožky.1 Přiměřené náklady Souvisí především se spotřebou procesní kapaliny. Při rozboru nákladů na procesní kapaliny je nutné nejdříve posoudit jejich vliv na proces obrábění, tj. na trvanlivosti nástroje, ostření, jakost obrobku a spotřebě energie. Po tomto rozboru
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 11
musí následovat hodnocení procesní kapaliny s ohledem na její provozní stálost, spotřebu a výměnu. Je třeba zvážit i náklady na likvidaci procesní kapaliny.1
1.1.1 Rozdělení procesních kapalin Procesní kapaliny se dělí do 2 skupin: - chladicí kapaliny -s převažujícím chladícím účinkem - řezné oleje-s převažujícím mazacím účinkem1 Do skupiny procesních kapalin s převažujícím chladicím účinkem patří kapaliny na vodní bázi a do skupiny procesních kapalin s převažujícím mazacím účinkem patří kapaliny na bázi oleje.1 Základní skupiny procesních kapalin: - vodné roztoky, - emulzní kapaliny - řezné oleje -mastné látky, -organické sloučeniny, -pevná maziva, - syntetické a polysyntetické kapaliny.
Vodné roztoky Jsou to nejjednodušší procesní kapaliny, ale mají málo výhod. Voda, jako jejich základ, vyžaduje řadu úprav, jako je její změkčování, přidávání přísad proti korozi, pro zlepšení sočivosti a proti pěnivosti. Vodný roztok musí být vždy alkalický. U těchto kapalin vzniká nebezpečí rozmnožování anaerobních bakterií, které způsobují tvorbu kalů a nepříjemný zápach. Vodné roztoky mají velmi dobré chladící a čistící účinky.4 Emulzní kapaliny Emulzní kapaliny tvoří disperzní soustavu dvou vzájemně nerozpustných kapalin, z nichž jedna tvoří mikroskopické kapky, rozptýlené v kapalině druhé. Obvykle se jedná o olej ve vodě. Přitom je třeba využít další složky, tzv. emulgátory, které zabrání koagulaci jemně rozptýlených částic ve vodě. Tyto látky zmenšují mezipovrchové napětí emulgovaných kapalin a stabilizují emulzi. Emulzní kapaliny spojují do určité míry přednosti vody a mazacích olejů. Chladící účinek emulzní kapaliny závisí na koncentraci emulze.4 S rostoucí koncentrací emulgačního prostředku ubývá chladícího účinku. To je dáno také koncentrací a vlastnostmi emulgačního prostředku. Schopnost ochrany proti korozi závisí převážně na hodnotě pH emulze, ale v daleko menší míře než u vodních roztoků. Emulze o hodnotě pH=8 až 9 poskytuje již dostatečnou ochranu proti korozi slitin železa. Emulzní kapaliny zahrnují asi 80% všech používaných kapalin.4
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 12
Řezné oleje Řezné oleje jsou zušlechtěné minerální oleje. Přísady, které se používají, zvyšují tlakovou únosnost a mazací vlastnosti. Jako přísady, které zlepšují mazací schopnosti řezných olejů, se používají mastné látky, organické sloučeniny a pevná maziva.4 Mastné látky jsou zmýdelnitelné mastné oleje, mastné kapaliny nebo syntetické estery. Tyto přísady zvětšují přilnavost oleje ke kovu a zlepšují mazací schopnosti, ale ne za extrémních tlaků.4 Organické sloučeniny jsou sloučeniny určitých prvků, jako je síra, chlor, fosfor. Všechny tyto látky se osvědčily jako vysokotlaké přísady. Na povrchu vytvářejí vrstvičku kovových mýdel, která zabraňují kovovým svarům a usnadňují kluzný pohyb troucích se ploch. Sloučeniny s chlorem zmenšují tření, ale jeho účinnost klesá při teplotách nad 400°C. Slou čeniny s fosforem jsou proto účinnější a jako nejúčinnější se projevily kombinace sloučenin síry, chloru a fosforu.4 Pevná maziva, která se používají jako přísady do řezných olejů, působí při řezání mechanickým účinkem. Svou afinitou ke kovu vytvářejí mezní vrstvu, odolnost proti tlakům a zlepšují mazací schopnosti oleje. Mezi pevná maziva patří grafit sirník molybdenu. Jejich nevýhodou je, že se v kapalinách nerozpouští a musí se proto udržovat v rozptýleném stavu.4 Syntetické a polysyntetické kapaliny Tento druh procesních kapalin se vyznačuje velkou provozní stálostí. Většinou jsou rozpustné ve vodě a mají dobré chladící, mazací a ochranné účinky. Syntetické procesní kapaliny neobsahují minerální oleje, ale jsou složeny z rozpouštědel – glykolů, které ve vodě emulgují, nebo se rozpustí. Glykoly jsou průsvitné, takže umožňují sledovat průběh obráběcího procesu. Postupně se vyvinuly syntetické procesní kapaliny se zlepšenými mazacími a antikorozními vlastnostmi.4 Aplikace syntetických procesních kapalin má proti kapalinám na bázi oleje ekonomické výhody a navíc zajišťuje rychlé odvádění tepla, má dobré čisticí vlastnosti a jednoduchou přípravu. V syntetických procesních kapalinách je rovněž možné rozptýlit oleje, čímž vznikají polysyntetické procesní kapaliny, které mají příznivější mazací schopnosti. V polysyntetických kapalinách jsou olejové částice mnohem menší než v emulzích.4
FSI VUT
2
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 13
POUŽITÍ PROCESNÍCH KAPALIN
Vhodné zvolení procesní kapaliny pro danou technologii obrábění je velmi těžké, protože je závislé na mnoha vlivech, se kterými je nutné počítat. V praxi se většinou můžeme setkat se dvěma možnými skupinami, které udávají hlavní zásady pro optimální výběr. První z nich je skupina, které má přímý vliv na opotřebení nástroje, rozměrovou jakost výrobku a finanční náklady. Druhá skupina je skupina, která nemá přímý vliv na výrobu ale spíše na provozní stálost kapaliny, její údržbu a cenu. Při soustružení půjde o dodržení trvanlivosti nástroje a tomuto požadavku nejlépe vyhovuje emulze. Při tvarovém soustružení, kdy tvarový nůž má vedle tvaru zabezpečit i dokonalou jakost obrobené plochy, je vhodné volit řeznou kapalinu s dobrými mazacími účinky, tj. řezný olej nebo emulze o vyšší koncentraci, případně emulze s přísadami.1 Při vrtání se využívá účinku procesní kapaliny jednak k prodloužení trvanlivosti vrtáků především u běžného vrtání a k vyplavování třísek po vrtání hlubokých děr. Pro tyto operace se používá řezný olej.1 Při frézování půjde především o prodloužení trvanlivosti fréz a zmenšení tření. Doporučují se proto emulze.1 Při protahování je nástroj silně namáhán a navíc se požaduje dokonalá jakost opracované plochy. Při malých rychlostech se vystačí s emulzí o koncentraci 510%, ale většinou se používají řezné oleje.1 Řezání závitů je náročná operace, při které se vyžaduje dodržení profilu závitu i jakost povrchu. Proto je volba procesní kapaliny velmi důležitá. U běžných materiálů se dá použít emulze s přísadou aktivních látek, nebo řezný olej. Při řezání závitů do nesnadno obrobitelných materiálů se používají oleje s přísadami, nebo řezné oleje.1 Při broušení vzniká vysoká teplota, která přechází do obrobku. Proto procesní kapalina použitá při broušení musí mít dobrý chladící účinek. Pro běžné broušení se používají emulze o koncentraci do 5%. Pro broušení speciálních tvarů, jako jsou závity nebo ozubená kola, se jako procesní kapalina používají řezné oleje.1 Při honování má procesní kapalina dvě funkce. Jednak odvádět teplo, které vzniká při pohybu honovací hlavy, jednak vyplachovat z brousících kamenů částečky obráběného materiálu. Při honování oceli se doporučuje směs oleje, nebo také emulze o koncentraci 5až 10%.1 Pro superfinišování se používá směs oleje. Snahou je její náhrada vodnými roztoky vhodně upravenými pro superfinišování.1 Náročnost chladícího a mazacího účinku kapalin, která je různá pro různé druhy obrábění je zobrazena na obr. 2.1
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 14
Obr. 2.1 Náročnost na chladící a mazací účinek při obrábění 5
Tab. 2.0 Přehled použití procesních kapalin 6
FSI VUT
3
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 15
VLIV KAPALIN NA ŘEZNÝ PROCES
Použití procesních kapalin při obrábění má pozitivní účinek na ovlivnění mnoha složek řezného procesu. Napomáhá ke snížení teploty, k odvodu třísky z místa řezu, zvyšuje trvanlivost nástrojů, snižuje velikost řezných sil a ovlivňuje geometrickou a povrchovou jakost hotového výrobku.
3.1
VLIV KAPALIN NA ODVOD TŘÍSKY Z MÍSTA ŘEZU
Použití procesních kapalin má veliký význam na stáčení-obr.3.1 a odvod třísky z místa řezu. Správný odvod třísky nám napomáhá k zabránění možného hromadění třísky v místě styku nástroje a obrobku. Hromadění má hlavní vliv na tepelné ovlivnění součásti a nástroje, protože tříska odvádí největší mírou vzniklé teplo řezného procesu. To může vést ke zhoršení povrchové a geometrické přesnosti součásti. Hromadění navíc napomáhá ke snížení trvanlivosti řezných nástrojů.
Obr. 3.1 Vliv procesních kapalin na stáčení třísky 7
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 16
3.2 VLIV KAPALIN NA SNÍŽENÍ TEPLOTY ŘEZNÉHO PROCESU Při řezném procesu dochází k velkému vzniku tepla na čele nástroje, na hřbetě nástroje a v neposlední řadě i v rovině maximálních smykových napětí-obr.1.0. Teplota, která se při řezném procesu vytváří, může narůst až na velikost 1200°C. To má velmi negativní vliv na zm ěnu mechanických vlastnosti řezných materiálů a tím i snížení životnosti nástrojů. Použití procesních kapalin vede k velkému odvodu tepla z místa řezu a tím i snížení náchylnosti materiálu na snížení svých mechanických vlastností. Na obr. 3.2 jsou vyobrazeny maximální pracovní teploty jednotlivých řezných materiálů.
Obr. 3.2 Hodnoty vybraných vlastností řezných materiálů 8 Na obr. 3.2.1 je vyhodnocení závislosti použití procesních kapalin pro snížení teploty řezání při soustružení oceli AISI 4340(ocel 16341), 46HRC( Ø75mm a délky 320mm). Při hrubování byl použit nůž SNMG 120408 se substrátem P30 a povrchovou úpravou TiCN od firmy SANDVIK. Ke chlazení byl použit běžně dostupný minerální olej. Při použití chlazení za minimálního množství kapaliny byly zvoleny tyto vstupní hodnoty: tlak z trysky 20MPa, 600 pulsů za minutu, množství 2ml za minutu. Další vyhodnocení vlivu kapaliny na teplotu řezání je na obr. 3.2.2, kde dochází k soustružení oceli AISI 1040(ocel 12041), ( Ø125mm a délky 760mm). Byl použit nástroj SNMM 120408 se substrátem P-30. K chlazení byl buď použit vzduch o tlaku 8 barů, nebo chlazení za minimálního množství kapaliny. Dalším důležitým přínosem kapalin je i u dokončovacích operací jako je např. broušení-obr. 3.2.3, kde je kladen velký důraz na snížení teploty v místě styku brousícího kotouče a obráběného materiálu. Správným zvolením kapaliny je zde možné velmi snížit množství tření a tím i teploty dotyku. Snížení teploty je v tomto případě nezbytné pro dodržení předepsané tolerance jakosti obrobku, jakož je rozměrová přesnost a drsnost povrchu.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Obr. 3.2.1 Vliv použití kapalin na teplotu řezání 7
Obr. 3.2.2 Vliv použití kapalin na teplotu řezání 9
List 17
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 18
Obr. 3.2.3 Vysokorychlostní broušení materiálu ocel 12023 kotoučem z CNB 5
3.3 VLIV KAPALIN NA VELIKOST ŘEZNÉ SÍLY Vliv kapalin na řeznou sílu je velmi individuální. Velmi záleží na množství použití procesní kapaliny. Dalšími ovlivňujícími činiteli, které mají velký vliv na velikost řezné síly při použití kapaliny při řezném procesu, mají i řezné podmínky a to hlavně řezná rychlost a posuv. Na obr. 3.3.1 a obr. 3.3.2 je výsledek působení kapalin na velikost řezné síly při různých řezných rychlostech, posuvech a různých množstvích použité kapaliny. Experiment na obr. 3.3.1 a obr. 3.3.2 byl zhotoven při soustružení oceli AISI 4340 (ocel 16341), 46HRC( Ø75mm a délky 320mm). Při hrubování byl použit nůž SNMG 120408 se substrátem P30 a povrchovou úpravou TiCN od firmy SANDVIK. Ke chlazení byl použit běžně dostupný minerální olej. Při použití chlazení za minimálního množství kapaliny byly zvoleny tyto vstupní hodnoty: tlak z trysky 20MPa, 600 pulsů za minutu, množství 2ml za minutu. Je zde patrné, že množství kapaliny může velmi výrazně ovlivnit velikost řezné síly, ale při určitých řezných podmínkách se jejich rozdíly zmenšují nebo i dokonce splývají. Proto je v určitých případech nezbytné zhodnotit vhodnost použití při daném množství a řezných podmínkách.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 19
Obr. 3.3.1 Vliv množství kapaliny na velikost řezné síly 7
Obr. 3.3.2 Vliv množství kapaliny na velikost řezné síly 7
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 20
3.4 VLIV KAPALIN NA OPOTŘEBENÍ NÁSTROJŮ Jednou z nejdůležitějších vlastností při používání kapalin je právě jejich schopnost zpomalovat rychlost vzniku opotřebení a tím i prodlužovat trvanlivost nástroje. Jak už bylo zmíněno v kapitole 3.2, je použití kapalin hlavně důležité z hlediska snížení teploty řezného procesu, která velkou mírou ovlivňuje mechanické vlastnosti nástroje. Na obr. 3.4.1 je znázorněna závislost teploty na velikosti opotřebení nástroje.
Obr. 3.4.1 Vliv teploty na jednotlivé mechanismy opotřebení 8 Na obr. 3.4.2 - obr. 3.4.4 jsou ukázány výsledky experimentu, který měl zhodnotit velikost opotřebení nástroje při obrábění zasucha, při chlazení kyslíkem, při chlazení oxidem uhličitým a při použití vodní mlhy. Soustružil se materiál ANSI 1045(ocel 12050) nástrojem ze slinutého karbidu P10. Geometrie nástroje byla zvolena κr =75◦, γ0 = l4◦, α0 =6◦. Řezné podmínky byly zvoleny tyto: f = 0.1 mm, ap = 1.0mm, Vc = (60–117.6) m.min-1. Hodnoty chladících médií jsou v tabulce 3.4. U vodní mlhy byla použita emulze o koncentraci 5%. Tab. 3.4. Pracovní hodnoty chladících médií 10 Chladící médium vodní mlha
Teplota v trysce Tt [°C ] 115-120
Tlak v trysce Pt [MPa] 0.10-0.15
CO2
13-16
0.30-0.36
O2
17-19
0.20-0.30
Při tomto experimentu byla měřena velikost opotřebení na hřbetě nástroje VB a to po dobu 40 minut. Celkový stav opotřebení hřbetu můžeme vidět na obr. 3.4.5. Na tomto obrázku je patrný velký vliv kapalin na velikost opotřebení při různých metodách chlazení.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 21
Obr. 3.4.2 Velikost opotřebení při různých metodách chlazení 10
Obr. 3.4.3 Velikost opotřebení při různých metodách chlazení 10
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 22
Obr. 3.4.4 Velikost opotřebení při různých metodách chlazení 10
Obr. 3.4.5 Stav opotřebení hřbetu nástroje při různých metodách chlazení 10
FSI VUT
4
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 23
ROZMĚROVÁ PŘESNOST PŘI OBRÁBĚNÍ S KAPALINOU
Dalším důležitým faktorem při rozhodování o použití kapaliny je i rozměrová přesnost vyráběného výrobku. Ta se rapidně mění podle aplikace obrábění zasucha nebo s procesní kapalinou. To by mělo být bráno v potaz, jestliže dochází k rozhodnutí mezi obráběním za použití kapalin nebo obráběním zasucha. Při experimentu na obr. 4.1 bylo zjištěno, že i při malém rozdílu teplot na obrobku dochází na určité dráze obrábění ke značným rozměrovým úchylkám. Při použití chlazení je tato úchylka skoro nulová. Díky tomu lze dosahovat přesností, které se pohybují i kolem (0,3-0,5) µm. Tím je zřejmé, že kapaliny mají velký vliv na rozměrovou přesnost výrobku. Díky použití kapalin je možné dosahovat tolerančních stupňů IT 00 a IT 01. Používání kapalin je tedy nezbytné při výrobě velmi přesných součástí např. v jemné mechanice či optice, kde je kladen velký důraz na rozměrovou přesnost výroby.
Obr. 4.1 Rozdíl velikosti rozměrových úchylek při použití kapalin 11
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 24
4.1 Vliv kapalin na jakost povrchu V minulé kapitole bylo poukázáno na rozměrovou přesnost výrobku při obrábění zasucha nebo při použití chlazení. Dalším velkým vlivem kapaliny je i její ovlivnění výsledné jakosti povrchu výrobku. Při dokončovacích operací je dbáno na výslednou kvalitu obrobené plochy, která se může pohybovat i ve velmi malých tolerancí. To může být problém dodržet v případě obrábění měkčích materiálu, které neměli před dokončovací operací žádné tepelné zpracování, jako je např. kalení či nauhličování. Jednou z možností je buď snížení řezných podmínek, jako je např. rychlost posuvu nebo obrábění za pomoci chlazení. Na obr. 4.1.0 a obr. 4.1.1 jsou vyobrazeny výsledky experimentu, který měl za úkol zjistit vliv různých způsobů chlazení na jakost povrchu při rovinném broušení. Měření probíhalo na dvou různých materiálech. První materiál byla tepelně nezpracovaná ocel 42CrMo4 (ocel 15142) o tvrdosti 80HRB a velikosti polotovaru 58x6,3x29. Druhý materiál byla kalená ocel 100Cr6 (ocel 14109) o tvrdosti 50±2 HRC a velikosti polotovaru 60x8x13,8. K broušení byl použit brousicí kotouč Al2O3 (22A46I8V300). Při chlazení standardním způsobem byl použit vodou-ředitelný lubrikant Castrol Syntilo 2000 s 5% koncentrací. Při chlazení za pomoci řezné mlhy byl použit olej LB 8000. Přiváděné množství řezné mlhy bylo 66 ml za hodinu. Z výsledných grafů na 4.1.0 a obr. 4.1.1 je patrný vliv kapalin na velikost dosažené jakosti broušeného materiálu. Je zde vidět, že v případě broušení nekaleného povrchu, dochází k větším rozdílům při obrábění zasucha nebo při obrábění za pomocí kapaliny než v případě kaleného materiálu.
Obr. 4.1.0 Velikost Ra a Rz při různých způsobech chlazení 12
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 25
Obr. 4.1.1 Velikost Ra a Rz při různých způsobech chlazení 12
5
DEGRADACE EMULZÍ A JEJICH MONITORING
Při používání emulzí dochází ke znečištění, které má velmi negativní vliv na snížení životnost, ale také na změnu jejich mazacích a chladících schopností. To se může velmi výrazně projevit nejenom na špatném působení kapaliny při řezném procesu, ale hlavně na zvýšení nákladů na koupi kapaliny. Proto je velmi důležité pravidelné sledování emulze a úprava její vlastností. V praxi bývá znečištění hlavně způsobeno těmito základními vlivy: - kapalné znečištění (cizí oleje), - pevné nečistoty (prach, třísky), - biologické znečištění (bakterie).
Pro prodloužení životnosti emulzí je velmi důležitá jejich pravidelná kontrola (monitoring)-obr. 5.0 a obr. 5.1. Pravidelnou kontrolou a úpravou emulze můžeme velmi výrazně zvýšit životnost až na desetinásobek. Navíc samotné náklady na emulzi mohou klesnout až na polovinu. Pravidelné sledování stavu kapaliny by se mělo hlavně zaměřit na parametry, které mají nejvýraznější vliv na celkový stav používané kapaliny. Jedná se hlavně o: - odstraňování nečistot, - udržování hodnoty pH, - udržování stálé koncentrace, - provzdušňování, - chlazení emulze, - boj proti mikroorganismům.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Obr. 5.0 Pravidelná denní kontrola emulze 14
Obr. 5.1 Pravidelná týdenní kontrola emulze 14
List 26
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 27
V tab. 5.2 a tab. 5.3 jsou ukázány možné nápravy kapalin, které nesplňují požadovaný stav v provozu. Tab. 5.2 Úprava vodou mísitelných kapalin v provozu 15
Tab. 5.2 Úprava vodou nemísitelných kapalin v provozu 15
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 28
5.1 Čištění kapalin Čištění procesních kapalin patří mezí nedílnou součást v péči o kapalinu. Její hlavní význam spočívá v odstranění pevných částic, které se do kapaliny dostaly během obráběcích operací. Tyto částice mají negativní vliv na provoz kapaliny. Největší mírou snižují kvalitu obrobené plochy. Dále pak snižují i trvanlivost řezných nástrojů, protože mají charakter abrazivních částic, které působí na nástroj. Problémy, které jsou vztaženy na nečištěné kapaliny, nespadají jen na řezný proces, ale i na ostatní zařízení s tím spojená. Nečistoty v kapalinách mohou způsobit ucpání hadiček a trysek chladícího zařízení a tím snížit množství přiváděné kapaliny do místa řezu. Další nebezpečí s tím spojené je i ucpání kanálků nástrojů s vnitřním chlazením nebo v případě vnitřního chlazení brousicích kotoučů ucpání pórů a špatného odvádění třísek. Mezi základní metody čištění patří sedimentace (usazování), flotace (čištění za pomocí bublinek vzduchu), filtrace, odstředění a magnetická separace. V první fázi se odstraňuje kovové nečistoty za pomocí odstředivek nebo magnetických separátorů. V další fázi dochází k jemnému čištění buď usazování, filtrací nebo čištění flotací. Na obr. 6.0 jsou ukázány metody čištění kapalin v provozu.
Obr. 6.0 Metody čištění procesních kapalin 5
FSI VUT
6
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 29
LABORATORNÍ ZKOUŠENÍ EMULZÍ
Za asistence Ing. Petra Dobeše, CSc. hlavního technika brněnské pobočky společnosti Fuchs Oil Corporation, bylo prováděno zkoušení tří vzorků chladících emulzí. Tyto emulze byly používány firmou TRW se sídlem v Jablonci. Emulze byly součástí chladicího systému obráběcích center značky VIGEL- obr. 6.0. Na těchto strojích byly obráběny odlitky pro automobil Ford Mazda- obr. 6.1.
Obr. 6.0 Obráběcí centrum Vigel 1
Obr. 6.1 Obrobené odlitky pro automobil Ford Mazda
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 30
K obrábění byly použity chladící emulze značky Fuchs - obr. 6.2. Na prvním stroji byla použita emulze č.1(EC.GRINDSTAR), na druhém emulze č.2 (CIMSTAR 501) a na třetím emulze č.3 (EC. HCM-W). Zkouška byla provedena po týdenním zatížení v provozu. Ke zkoušce byla použita testovací sada firmy FUCHS-obr. 6.3.
Obr. 6.2 Měřené vzorky
Obr. 6.3 Testovací sada společnosti FUCHS Průběh měření: 1.) stanovení hodnoty pH, 2.) stanovení dusitanů a dusičnanů, 3.) stanovení koncentrace emulze ručním refraktometrem, 4.) stanovení elektrické vodivosti, 5.) zkouška koroze dle DIN 51 360, 6.) stanovení bakterií.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 31
1.)Stanovení hodnoty pH V první fázi laboratorního měření bylo zjištění hodnot pH jednotlivých vzorků. K měření byly použity pH proužky na emulze typu 405-60-88-TE7/120.Do každého vzorku byl na několik málo vteřin ponořen pH papírek-obr.6.4. Ten během chvíle změnil svou barvu. Podle dané barvy byla dle příslušné stupnice určena velikost pH-obr. 6.5.
Obr. 6.4 Aktivace pH proužků pro jednotlivé chladící emulze
Obr. 6.5 Vyhodnocování velikosti pH vzorků dle dané stupnice Vyhodnocení testu pH Všechny měřené emulze mají své běžné pH 9,6. Po měření bylo zjištěné pH v hodnotě 9,5 pro všechny vzorky. Tato hodnota je zcela přijatelná. Zaručuje velmi pomalý růst bakterií.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 32
2.)Stanovení dusitanů a dusičnanů Dalším důležitým faktorem bylo zjištění dusitanů a dusičnanů. Tyto prvky mohou vytvářet tzv. nitrosaminy, které jsou velmi rakovinotvorné. V emulzích jde hlavně o zjištění jejich množství. Maximální hodnoty NO2 by neměli překročit množství 20mg/l. A u NO3 je dovolené množství do 100mg/l. K měření byly použity indikátorové proužky Nitrit Merck. č. 10007 a Nitrat Merck. č. 10020. Po ponoření a několika vteřinách působení na dané proužky došlo ke změně zabarvení indikační části-obr.6.6. Potom následovalo srovnání s převodní stupnicí-obr. 6.7.
Obr. 6.6 Aplikace indikátorových proužků pro zjištění množství NO2 a NO3
Obr. 6.7 Převodní stupnice pro stanovení množství NO2 a NO3 Vyhodnocení testu NO2 a NO3 Všechny emulze měli změřené množství NO2 a NO3 pod kritickou hodnotou a proto jsou zcela zdravotně nezávadné. Výsledné hodnoty jsou zaneseny v tab. 6.0.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 33
Tab. 6.0 výsledné hodnoty měření Emulze NO2[mg/l] NO3[mg/l] č.1 5 10 č.2 5 25 č.3 10 50 3.)Stanovení koncentrace emulze ručním refraktometrem K zjištění koncentrace byl použit ruční refraktometr-obr.6.8. Toto zařízení pracuje na principu lomu světla. Na sklíčko refraktometru se ukápne malé množství emulze. Velikost koncentrace emulze ovlivní lom světla. Čím je větší koncentrace, tím je i větší lom. Poté dochází k odečtení hodnoty na stupnici refraktometru-obr. 6.9. Výsledná hodnota koncentrace je stanovena součinem hodnoty na stupnici a daného koeficientu emulze.
Obr. 6.8 Ruční refraktometr 14
Obr. 6.9 Měrná stupnice refraktometru 14 Vyhodnocení testu koncentrace ručním refraktometrem Všechny vzorky emulzí, které byly měřeny, měli stanovenou ideální koncentraci v rozmezí 5 až 10%. Po měření byly zjištěny skutečné hodnoty koncentrací emulzí tab. 6.1. U první emulze byla naměřená hodnota koncentrace 5,6%. Tato hodnota je stále v ideálním pásmu, a proto není nutná úprava. U druhé emulze, byla zjištěna hodnota koncentrace 10,4 %. To už přesahuje dovolenou mez. Proto by tato emulze měla být zředěna jinou emulzí o nižší koncentraci (cca2%). U třetí
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 34
emulze byla naměřena hodnota 4,1%. Tato hodnota je pod minimální hodnotou ideální koncentrace. Emulze by měla být zředěna emulzí o vyšší koncentraci (cca 20%). Při měření refraktometru je možné zjistit i přítomnost cizího oleje v emulzi. To se dá stanovit podle ostrosti sledované hladiny refraktometru-obr.6.9. Při pozorování hladiny byla zjištěna malá přítomnost oleje u první a třetí emulze. U druhé emulze byla přítomnost cizího oleje ve značné míře. Tab. 6.1 Naměřené hodnoty koncentrací emulzí Emulze č.1 č.2 č.3
Naměřená hodnota refraktometru [-] 3,7 6,5 2,4
Převodový koeficient[-] 1,5 1,6 1,7
Koncentrace [%] 5,6 10,4 4,1
4.)Stanovení elektrické vodivosti Pro zjištění elektrické vodivosti byl použit konduktometr LF 318 – obr. 6.10. Toto zařízení je používáno pro zjištění elektrické vodivosti disperzního prostředí. To je velký ukazatel nežádoucího procesu zasolování vody. To může zhoršovat stabilitu emulze, dráždit pokožku, způsobovat korozi. Optimální hodnota vodivosti měřených emulzí by měla dosahovat hodnot okolo 5mS/cm. Výsledné naměřené hodnoty můžeme vidět v tab. 6.2.
Obr. 6.10 Konduktometr LF 318
Vyhodnocení testu vodivosti Tab. 6.2 Naměřené hodnoty konduktometru Emulze
č.1 č.2 č.3
Naměřená hodnota konduktometru [mS/cm] 2,70 3,81 4,17
Naměřené hodnoty jsou pod mezní hranicí. Není nutná úprava emulze.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 35
5.)Zkouška koroze dle DIN 51 360 Tato zkouška je prováděna z důvodu určení antikorozních vlastností emulze. Čím jsou antikorozní vlastností vyšší, tím je menší riziko vzniku nežádoucí koroze na výrobku nebo na stroji. Při této zkoušce se na Petriho misky položil filtrační papír Ø 70mm. Potom došlo k nasypání 2g šedé litiny GG25 a pokapání 2ml emulze-obr. 6.11. Takto připravené vzorky se nechaly 2 hodiny odstát při teplotě 18°C. Po této dob ě došlo k vyhodnocení. Vyhodnocení vzorků se provádělo za pomoci posuzovací stupniceobr. 6.12. Výsledné hodnoty jsou vyneseny v tab. 6.3.
Obr. 6.11 Příprava vzorku testu koroze dle DIN 51 360
Obr. 6.12 Posuzovací stupnice testu koroze Tab. 6.3 Vyhodnocovací tabulka koroze Stupeň Význam Popis (povrch kruhového filtru) koroze 0 1 2 3 4
Žádná koroze Stopy koroze Lehká koroze Mírná koroze Silná koroze
nezměněn nejvýše 3 stopy koroze, z nichž žádná nemá v průměru víc než 1mm ne více jak 1% povrchu je zbarveno, více či větší stopy koroze než u příkladu 1 více než 1% povrchu, ale zbarvení nepřekročí 5% zbarveno přes 5% povrchu
Vyhodnocení testu koroze Tab. 6.4 Vyhodnocení testu koroze Emulze č.1 č.2 č.3
Stupeň koroze 0 0 0
Vyhodnocení není nutná úprava emulze není nutná úprava emulze není nutná úprava emulze
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 36
6.)Stanovení bakterií Stanovení bakterií se v praxi provádí za pomoci živné půdy-obr. 6.13. Na živnou půdu se nanese emulze. Živná půda se dá do zkumavky a zapečetí. Pak následuje inkubace. U ní je velmi důležitá teplota. Čím je vyšší, tím je rychlejší růst. V teplotních podmínkách od 27°C až 30°C je inku bační doba 24-48 hodin. Při nižších se tato doba zdvojnásobuje. Vyhodnocení se provádí za pomoci vzorkovníků-obr. 6.14. V případě našich emulzí k této zkoušce nedošlo. Samotná hodnota vysokého pH zabraňuje nebo ve velké míře zmenšuje riziko vzniku mikroorganismů v emulzích. Navíc při vizuální a čichové kontrole nebyly zjištěny žádné náznaky vzniku těchto mikroorganismů. Vyhodnocení testu bakterií Emulze mají velmi malé či nulové množství mikroorganismů.
Obr. 6.13 Živná půda pro vyhodnocování přítomnosti mikroorganismů
Obr. 6.14 Srovnávací vzorkovník mikroorganismů
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 37
Celkové vyhodnocení testu emulzí: Emulze č.1 (EC. GRINDSTAR) Typ testu Výsledná hodnota Stanovení hodnoty pH Stanovení NO2 a NO3 Stanovení koncentrace Test vodivosti Zkouška koroze Stanovení bakterií Celkové zhodnocení emulze
Emulze č.2 (CIMSTAR 501) Typ testu Stanovení hodnoty pH Stanovení NO2 a NO3 Stanovení koncentrace Test vodivosti Zkouška koroze Stanovení bakterií Celkové zhodnocení emulze
Emulze č.3 (EC.HCM-W) Typ testu Stanovení hodnoty pH Stanovení NO2 a NO3 Stanovení koncentrace Test vodivosti Zkouška koroze Stanovení bakterií Celkové zhodnocení emulze
Úprava emulze
pH>9,5 není nutná NO2= 5mg/l;NO3=10mg/l není nutná 5,6% není nutná není nutná 2,70mS/cm 0 = bez koroze není nutná velmi malý obsah bakterií není nutná Není nutná jakákoliv úprava emulze. Emulze je schopna dalšího provozu.
Výsledná hodnota
Úprava emulze
pH>9,5 není nutná není nutná NO2= 5mg/l;NO3=25mg/l 10,4% je nutná není nutná 3,81mS/cm 0 = bez koroze není nutná velmi malý obsah bakterií není nutná Je nutné zředění emulze jinou emulzí o nižší koncentraci (cca2%).
Výsledná hodnota
Úprava emulze
pH>9,5 není nutná není nutná NO2= 10mg/l;NO3=50mg/l 4,1% je nutná není nutná 4,14mS/cm 0 = bez koroze není nutná velmi malý obsah bakterií není nutná Je nutné zředění emulze jinou emulzí o vyšší koncentraci (cca20%).
FSI VUT
7
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 38
ŘEZNÉ OLEJE
Používání řezných olejů má veliký rozsah uplatnění. Jejich zaměření je hlavně v oblasti dokončovacích operací, kde jsou vyžity jejich přednosti, jako je např. vynikající mazací schopnost. Ve srovnání s chladícími emulzemi mají i větší životnost, která může být i několikanásobně větší. Další výhodou jejich použití je i zvýšení trvanlivosti řezných nástrojů. Stejně jako emulze i u řezných olejů dochází ke znečištění. To je v dnešní době řešeno použitím multifunkčních olejů. Tím je myšleno použití oleje, který je schopen zajistit všechny funkce cele sorty strojních olejů. V případě kontaminace s jiným oleji nedochází ke snížení životnosti. Nevýhodou jejich použití jsou vysoké pořizovací náklady a špatný odvod tepla při vyšších viskositách. Na obr. 7.0 jsou znázorněné vlastnosti řezných olejů a kapalin na bázi vody. Aplikace použití: 1. Operace s vyššími tlaky a nižšími rychlostmi 2. Dokončovací operace 3. Typické operace soustružení automatové, tvarové frézování, frézování ozubení, protahování, vyhrubování, vystružování, závitování, hluboké vrtání, broušení, honování, lapování. Parametry řezných olejů: 1. Viskozita: VG 46, VG 32, VG 22, VG 15, VG 10, VG 5 2. Výkonnost: základní (antioxidant), - automatové soustružení, frézování, honování, - materiály: ocel, barevné kovy, hliník. zvýšená (+ mírně AW / EP ), - broušení, vystružování, hluboké vrtání, ozubárna, - materiály: ocel, legovaná, žáruvzdorná. vysoká (+ vysoce AW / EP ), - protahování, závitování, broušení, ozubárna, - materiály: vysoce legované oceli, Ni / Ti slitiny. Výhody řezných olejů: - delší životnost, - výborné mazání, - menší požadavky na péči. Nevýhody řezných olejů: - vyšší pořizovací náklady, - horší odvod tepla (při vyšší viskozitě).
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 39
OBRÁBĚCÍ KAPALINY NA BÁZI VODY VLASTNOSTI
OLEJE EMULZE
MIKROEMULZE SYNTETICKÉ
Chladicí vlastnosti
Měrné teplo
nízké
dobré/výborné
dobré/výborné
výborné
Tepelná vodivost
nízká
střední
střední/dobrá
dobrá/výborná
Povrchové napětí a smáčivost
dobrá
nízká/střední
střední/výborné
dobré/výborné
Chladicí schopnost
nízká
střední
dobrá
výborná
Tloušťka filmu
výborná
střední
střední
nízká/střední
Mazací vlastnosti při mezním
nízké/ výborné
střední/ výborné
střední/výborné
dobré/výborné
střední/
střední/
střední/výborná
střední/ výborná
výborná
výborná
Velikost rozptýlených částic
dobrá
nízká
nízká/dobrá
dobrá/výborná
Rychlost vytvoření
nízká/dobrá
střední/dobrá
střední/dobrá
dobrá/výborná
Mazací vlastnosti
mazání Ochrana proti opotřebení
filmu oleje (rychlost chemické reakce)
Obr. 7.0 Vlastnosti procesních kapaliny 14
FSI VUT
8
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 40
MODERNÍ TRENDY V POUŽÍVÁNÍ KAPALIN
Současný pohled na používání kapalin při obrábění, je stále více zaměřen na odstranění či snížení jejich nežádoucích vlastností. Jde hlavně o snížení ekonomických nákladů, vyřešení problémů s ekologickou likvidací a v poslední řadě i odstranění zdravotních problémů. V posledních letech se vytvořily tyto moderní trendy v řešení těchto problematik: - obrábění zasucha, - obrábění s minimálním množstvím kapaliny (MQL), - změna receptur emulzí, - použití multifunkčních kapalin. Obrábění zasucha Obrábění bez přívodu chlazení je v posledních několika letech velmi oblíbený způsob hlavně z pohledu odstranění veškerých nákladů, které se pohybují okolo 17% z celkových nákladů na jeden výrobek. Dalším pozitivním přínosem je i odstranění ekologických a zdravotních rizik při kontaktu s kapalinou. Mezi zdravotní rizika spadají např. různé alergické a dýchací potíže personálu. Z pohledu ekologie odpadají náklady na likvidaci kapalin a možné riziko kontaminace životního prostředí. Velkým nedostatkem obrábění zasucha je nechlazení řezného procesu což má rapidní vliv na snížení životnosti nástroje. Proto jsou velmi často používány speciální povlakované nástroje, které jsou dražší než konveční typy. Objevují se i problémy s dilatací obrobku a tím i snížení rozměrové přesnosti. Dalším problémem je i odstranění vzniklé třísky např. při vrtání. Proto je obrábění zasucha hlavně praktikováno při soustružení nebo frézování. Obrábění s minimálním množstvím kapaliny (MQL) Tato metoda spočívá v rozprašování velmi malých kapiček oleje tlakem vzduchu – obr. 8.0. Olej se do místa řezného procesu dostává ve formě aerosolů. Stejně jako u obrábění zasucha jsou i zde velmi sníženy náklady na kapalinu. Snížení je způsobeno velmi malým přívodem kapaliny. Hodnoty nepřekračují množství 2 litry za minutu. V praxi bývá průměrné množství přiváděné kapaliny okolo 50 ml za minutu. Použití řezné mlhy má hlavní funkci mazání. Snižuje velikost tření, ale už není schopna odstranit vzniklou třísku, která pohlcuje cca 80% vzniklého tepla. Aby nedošlo k hromadění třísky a tepelnému působení třísky na výrobek, musí být místo odvodu třísky kapalinou použita jiná technologie. Dalším problémem je i vznik aerosolů a výparů, které mohou být zdraví škodlivé. Proto by měli být nejvhodněji použity esterové oleje a mastné alkoholy s toxikologicky nezávadnými přísadami. U této metody mazaní je i velké riziko vznícení použitých kapalin. V místě použití řezné mlhy by měly být splněny základní protipožární opatření. Vhodnost použití řezné mlhy a obrábění zasucha je vyobrazena na obr. 8.1.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 41
Obr. 8.0 Schémata principu řezné mlhy 13
Obr. 8.1 Vhodnost použití řezné mlhy ( MQL) a obrábění zasucha 13
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 42
Změna receptur emulzí Touto problematikou je hlavně myšleno snížení veškerých nežádoucích účinků na zdraví personálu. Ať už odstranění nežádoucích výparů, ale také odstranění vzniku různých vyrážek či ekzémů při styku kapaliny s pokožkou personálu. To je v dnešní době řešeno snížením pH emulze. Snížení se provádí např. přidáním vápenného mléka. Běžně dostupné emulze mají pH od 8,8 po 9,2. To může mít za následek podráždění. Nové typy emulzí mají své pH snížené na hodnoty od 7,0 až 5,5. Takové kyselosti jsou už lépe snášeny pokožkou. Další výhodou těchto nových produktů je i jejich dobrý antikorozní účinek a velká škála použití pro různé druhy materiálů. Použití multifunkčních kapalin Při používání emulze může dojít ke smíšení s jinými oleji použitými ve stroji. Jedná se buď o převodový, hydraulický olej nebo o maziva použita na kluzné vedení. Takto zasažená emulze mění své chemické a fyzikální vlastnosti. To je nežádoucí z důvodu zhoršení jejich mazacích a chladících schopností. Tímto se zvyšují náklady na čištění a úpravu kapaliny do vhodného stavu. Jednou z možných variant řešení je používání tzv. multifunkčních kapalin. Jde o používání řezných olejů, které mají podobné chemické složení jako ostatní strojní oleje. Při kontaminaci řezného oleje už nemusí být řešena problematika nákladů na čištění nebo jinou úpravu.
9
EKONOMICKÉ HLEDISKO POUŽÍVÁNÍ KAPALIN
Jednou z negativních vlastností používání kapalin je jejich ekonomické zatížení podniku. Toto zatížení se průměrně pohybuje okolo 17% celkových nákladů na výrobu-obr. 9.1. Samotná koupě kapaliny zabírá v celkových nákladech pouhých 5%-obr. 9.2. Zbytky těchto nákladů jsou nezbytné pro prodloužení životnosti kapalin. Skládají se ze dvou základních skupin. První skupina je ta, kde jsou náklady vztaženy přímo na změnu charakteru kapaliny př. (viskozita, kyselost). Druhá skupina udává náklady na používání nezbytných zařízení. V praxi bychom měli zahrnout tyto základní body: - energetické náklady, - náklady na koupi kapalin a aditiv, - náklady na sledování kapalin, - náklady na pomocné zařízení, - náklady na odlučování a likvidaci. Energetické náklady Jsou všechny energetické náklady, které jsou nezbytné pro funkci všech potřebných zařízení. Tím je myšlena spotřeba elektrické energie. Náklady na koupi kapalin a aditiv Jsou zde zahrnuty náklady na koupi kapalin a náklady na koupi potřebných aditiv k zvýšení provozuschopnosti.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 43
Náklady na sledování kapalin Tyto náklady jsou vztažené na laboratorní analysu kapaliny, pravidelnou kontrolu v provozu (vizuální a čichovou). Náklady na pomocné zařízení Zde jsou zahrnuty náklady na filtrační materiály. Náklady na odlučování a likvidaci Jsou to veškeré náklady na odlučování vodou mísitelných produktů a likvidace olejové a vodní fáze kapaliny.
Obr. 9.1 Náklady na provoz kapalin ve výrobě 5
Obr. 9.2 Související náklady kapalin 5
9.1 Stanovení nákladů závislých na počtu výměn za rok Stanovení nákladů závislých na počtu výměn za rok je velmi důležité a to hlavně z hlediska stanovení celkových nákladů na kapalinu. Pro stanovení celkových nákladů během roku, je velmi důležité znát několik pomocných faktorů. Je to hlavně cirkulační koeficient a koeficient výměny kapaliny.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 44
9.1.1 Cirkulační koeficient F Cirkulační koeficient F udává, kolikrát se přečerpá celé množství kapaliny skrz systém během jedné hodiny. Množství kapaliny v systému ovlivňuje velikost cirkulačního koeficientu. Když bude malý objem kapaliny v systému, bude cirkulační koeficient velký. V případě velkého objemu kapaliny, bude cirkulační koeficient malý. Je tedy patrné, že kapaliny v systému s vysokým cirkulačním koeficientem vícekrát projdou systémem a tím je jejich ztráta množství vyšší než v systému s malým cirkulačním koeficientem. Pro stanovení cirkulačního koeficientu je nutné znát 2 faktory: - objem kapaliny v systému (V [m3]), - minimální množství kapaliny nutné pro chlazení nástroje (B[l.min-1]). Výpočet cirkulačního koeficientu (5): F=0,06*B/V (h-1)
(9.1)
9.1.2 Koeficient výměny α Koeficient výměny α je číslo, které udává četnost výměny celého množství kapaliny během jednoho měsíce. Jestliže je α=1, tak jde o výměnu, která se provádí jednou za měsíc. Jestliže je α=4 je výměna každý týden a v případě, že je α=0,25, tak je výměna jednou za 4 měsíce. Na obr. 9.1.2 je nejvhodnější pracovní oblast kapaliny v systému v závislosti na cirkulačním koeficientu a koeficientu výměny.
Obr. 9.1.2.1 Pracovní oblast kapaliny v systému v závislosti na F a α 5
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 45
Vysoké náklady jsou způsobeny samotnou kapalinou a vysokým koeficientem výměny α. V případě nízkého koeficientu α jsou náklady nižší, ale náklady na údržbu kapaliny jsou vyšší z důvodu rostoucí koncentrace nežádoucích substancí. V systému s vysokým koeficientem výměny je častější výměna, ale za to nižší množství nežádoucích substancí. Mezi nejvíce nežádoucí substance patří hlavně jiné uniklé oleje, zbytky jiných kapalin v systému, ochranné činitele proti korozi ze strojních částí, soli, kontaminace z okolí, voda obohacená solí, degradace substancí kapalin a mikroorganismy. Vysoká koncentrace nežádoucích substancí zvyšuje náklady na péči o kapalinu s použitím malého koeficientu výměny nebo při použití stabilnějších, ale za to dražších produktů. Na obr. 9.1.2.1 jsou ukázány údržbové náklady na kilo vodou mísitelné kapaliny závislé na koeficientu výměny. Křivka ukazuje průměrnou hodnotu měřenou v sériové výrobě během několik let studií.
Obr. 9.1.2.1 Závislost koeficientu výměny na nákladech údržby kapaliny 5
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 46
9.1.3 Celkové náklady Celkové náklady K dané na jeden m3, během jednoho roku jsou složeny z: - nákladů na výměnu kapaliny (k1), - nákladů způsobené ztrátami (k2), - nákladů na údržbu kapaliny (k3). k1 náklady na výměnu kapaliny Náklady v sobě zahrnují náklady na tvorbu nové kapaliny, tedy smíchání koncentrátu a vody. Jsou zde i započítány náklady na likvidaci použité kapaliny, práce potřebná pro naplnění systému a potřebná energie, čištění systému. Většina výměn se provádí, když je podnik v nečinnosti. V případě výměny během provozu, je nutné započítat i náklady související s prostojem. k2 náklady způsobené ztrátami Tyto náklady jsou způsobeny odpařováním a rozprašováním kapaliny. Jsou zde započítány i ulpívající zbytky kapalin na třísce. k3 náklady na údržbu kapaliny Zde jsou náklady na aditiva, laboratorní monitoring a mikrobiologické testy. Náklady na údržbu kapaliny jsou zjišťovány individuálně podle možností podniku. Náklady na výměnu kapaliny 5: k1=w*(10cP+E+N+WA)
(9.1.3.1)
Náklady způsobené ztrátami 5: k2=12α * (10cP+E+ WA)
(9.1.3.2)
Celkové náklady K 5: K=(12 α+w) * ( 10cP+E+WA)+ w*N + k3
(9.1.3.3)
3
P-cena koncentrátu na 1 m , 3 WA-cena vody na 1 m , 3 E-náklady na likvidaci 1 m , 3 N-náklady na prostoj strojů během výměny 1 m , α-koeficient výměny v 1 měsíci, c-koncentrace kapaliny v %, w-počet výměn během roku.
Na obr. 9.1.3 je grafická závislost jednotlivých druhů nákladů závislých na počtu výměn kapaliny v systému během jednoho roku. V horní části grafu je zoptimalizovaná křivka minimálních nákladů, která navzájem vyvažuje všechny náklady spojené s provozem kapaliny v systému.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 47
Obr. 9.1.3 Grafická závislost nákladů na počtu výměn kapaliny během roku 5
10
EKOLOGIE A LIKVIDACE KAPALIN
Ekologie kapalin je v dnešní době velmi sledovaná problematika. Velký tlak je kladen hlavně ze strany Evropské unie. Ta od 1.6 2007 vytvořila novou chemickou politiku pod oficiálním názvem REACH (Registrace, Evaluace, Autorizace Chemických látek). Tato směrnice velmi přísně určuje chemické složení procesních kapalin, skladování a likvidaci. Zavedení REACH mělo velký vliv na výrobu nových zdravotně nezávadných produktů, které jsou snadno recyklovatelné. Prvotní impuls byl hlavně z důvodů vysokých likvidačních nákladů na kapalinu. Z tohoto důvodu je i většina procesních kapalin na bázi vody. Ta se dá snadno oddělit od olejové fáze. Výrobci jsou nuceni se řídit i podle norem TRGS 611, které udávají maximální množství nebezpečných látek (dusitanů, dusičnanů) obsažených v emulzích. Norma určuje i metody měření těchto látek. Likvidaci emulzí můžeme rozdělit do 3 základních typů: - vakuová separace, - ultrafiltrace, - rozrážení. Vakuová separace Tato metoda je založena na vypařování vody. Emulze vstupuje do zařízení (vakuová výparka) obr. 10.0. Tam dochází k oddělení vody od olejové části. V dalším kroku už dochází ke zpracování zbylého oleje. Buď dochází ke spalování, nebo se zbylý olej může použít pro opětovnou tvorbu emulze. Další možností využití je použití oleje v jiné oblasti strojírenství.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 48
Obr. 10.0 Vakuová výparka 16 Ultrafiltrace Princip ultrafiltrace je založen na velikostech molekul vody. Dochází zde k filtraci, kde voda je za pomoci velmi jemných filtrů oddělena od oleje. Na obr. 10.1 můžeme vidět příklad ultrafiltračního zařízení. Další zpracování oleje je stejné jako v předchozí metodě.
Obr. 10.1 Ultrafiltrační zařízení 16 Rozrážení Rozrazovací technologie je stejně jako u předchozích metod založena na oddělení vody od olejové složky. Rozrážení se provádí za pomoci kyseliny chlorovodíkové. Do nádoby s emulzí se nalije určité množství kyseliny chlorovodíkové o koncentraci 30-37 %. Emulze se zamíchá. Po chvíli dojde k oddělení vody od olejové složky. Tato metoda není běžně používaná. V praxi se používá spíše pro laboratorní měření koncentrací emulzí.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 49
ZÁVĚR Tato diplomová práce byla zaměřena na procesní kapaliny a jejich použití při obrábění. Z poznatků při studia teoretických částí a praktických zkoušek, které jsou obsaženy v této práci a charakterizují chování procesních kapalin, byly zjištěny tyto závěry: • použití procesních kapalin má veliký vliv na rozměrovou přesnost a jakost obráběných součástí, proto je jejich aplikace nezbytná v případě výroby v oblastech velmi přesných součástí jako je např. jemná optika, • aplikace procesních kapalin má příznivý vliv na odvod třísky z místa řezného procesu, to hlavně zlepšuje jakost povrchu a odvod tepelného zatížení nástroje způsobené hromaděním žhavé třísky v místě řezu, • výrazně snižují teplotu řezného procesu a velikost řezných sil, jenž má za následek zvýšení trvanlivosti řezných nástrojů a tím i snížení nákladů na jejich koupi, • správná volba procesní kapaliny zvyšuje výkonnost obrábění. • pravidelný monitoring a průběžná péče o emulzi má výrazný vliv na zvýšení životnosti, která se může zvýšit až na desetinásobek, • dalším řešením při snižování nákladů je použití multifunkčních kapalin nebo obrábění zasucha.
Velmi diskutabilním tématem posledních let je snaha snižování nákladů při používání procesní kapalin, které se zpravidla pohybují kolem 17% celkových nákladů na jeden výrobek. Jednou z možných řešení je obrábění zasucha. Tato metoda sice snižuje ekonomické náklady, ale je zde nutné řešit celou řadu problému, které vznikají právě v důsledku nechlazení řezného procesu. Celkové porovnání z pohledu používání procesních kapalin by mělo být bráno v potaz v případě rozhodnutí volby aplikace obrábění zasucha nebo s použitím procesní kapaliny.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 50
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 1. KOCMAN, K a kol.. Aktuální příručka pro technický úsek : Obrábění. 2001. Praha : Verlag Dashofer, 2001. 700 s. ISBN 80-90224-2-5. 2. BEŇO, J. Teória rezania kovov. Strojnícka fakulta TU Košice - edícia: Monografie. Tisk: Vienala, vydavateľstvo a tlačiareň Košice, 1999, 255s., ISBN 80-7099-429-0 3. SEDLACEK, M; PODGORNIK, B; VIZINTIN, J. Influence of surface preparation on roughness parameters, friction and wear. Wear. 5.2. 2009, 266(3-4),s.482-487. Dostupný také z WWW:
. [citováno 2010-03-02] 4. KOCMAN, K; PROKOP, J. Technologie obrábění. 2.vydání. Brno : AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM, s.r. Brno, 2005. 270 s. ISBN 80-214-3068. … 5. MANG, T; DRESEL, W. Lubricant and lubrication. 2007. Weinheim : Wiley-vch, january 2007. 848 s. ISBN 978-3-527-31497-3. 6. BUMBÁLEK, B. Fyzikální podstata řezání. Brno, 2005. 125 s. Studijní opora. VUT Brno, FSI-Ústav strojírenské technologie. Dostupné také z WWW: . 7. VARADARAJAN, A.S.; PHILIP, P.K. ; RAMAMOORTHY, B. Investigations on hard turning with minimal cutting fluid application (HTMF) and its comparison with dry and wet turning. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2002, 42, s. 193-200.Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-03-02] 8. HUMÁR, A. Technologie 1 : Technologie obrábění-1. část. Brno, 2003. 138 s. Studijní opory pro magisterskou formu studia. VUT Brno, FSI-Ústav strojírenské technologie. Dostupné z WWW: . 9. DHAR, N.R.; AHMED, M.T.; ISLAM, S. An experimental investigation on effect of minimum quantity lubrication in machining AISI 1040 steel. International Journal of Machine Tools and Manufacture. April 2007, Issue 5, Volume 47, s. 748-753. Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-03-06] 10. LIU, Junyan; HAN, Rongdi ; ZHANG, Li . Study on lubricating characteristic and tool wear with water vapor as coolant and lubricant in green cutting. Wear. 4 February 2007, Volume 262, Issues 3-4, s. 442-452. Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-03-06]
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 51
11. TÖNSHOFF, H.K.; ARENDT, C.; BEN AMOR, R. Cutting of Hardened Steel. CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2000, Issue 2, Volume 49, s. 547-566. Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-02-15] 12. TAWAKOLI, T, et al. An experimental investigation of the effects of workpieceand grinding parameters on minimum quantity lubrication—MQL grinding. International Journal of Machine Tools and Manufacture. October 2009, Volume 49, Issues 12-13, s. 924-932. Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-02-12] 13. WEINERT, K, et al. Dry Machining and Minimum Quantity Lubrication. CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2004, Volume 53, Issue 2, s. 511-537. Dostupný také z WWW: . [citováno 2010-02-12] 14. DOBEŠ, P. Prezentace:Moderní procesní kapaliny a jejich správná volba. Nástavbový kurz Tribotechnika : Kutná Hora, hotel Mědínek. 25. 3. 2010 15. FUCHS Oil Corporation. Technické informace pro zákazníky:Nasazení a péče o chladící mazací látky nemísitelné a mísitelné s vodou. s.7 16. KOMÁREK,R. Recyklace – ekologie i ekonomika. MM Průmyslové spektrum. Duben 2004, 4., s. 62-63. 17. SHAW, M. C. Metal Cutting Principles. Second Edition . Oxford University : [s.n.], January 2004. 672 s. ISBN 978-0-19-514206-8.
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
List 52
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka/Symbol
Jednotka
Popis
ap c f k1 k2 k3 t w AW B Di Do E EP F Fc IT K KE L N P PT Ra Rz Tc Tmax TT V VB VBc Vc Vft WA α α0 γ0 κr µ
[mm] [%] [mm] [Kč] [Kč] [Kč] [min] [-] [-] [L.min-1] [mm] [mm [Kč/m3] [-] [h-1 [N] [µm] [Kč] [Kč] [mm] [Kč/m3] [Kč/m3] [MPa] [µm] [µm] [°C] [°C] [°C] [m3] [mm] [mm] [m.min-1] [m.min-1] [Kč/m3] [-] [°] [°] [°] [-]
šířka záběru ostří koncentrace kapaliny posuv náklady na výměnu kapaliny náklady způsobené ztrátami náklady na údržbu kapaliny doba obrábění počet výměn během roku přísady proti opotřebení min. kapaliny nutné pro chlazení nástroje konečný rozměr obrobku počátečný rozměr obrobku náklady na likvidaci 1m3 vysokotlaké přísady cirkulační koeficient řezná síla stupeň přesnosti celkové náklady na kapalinu kalkulační jednice délka obrobku náklady na prostoj strojů při výměně 1m3 cena koncentrátu na 1m3 tlak v trysce průměrná aritmetická úchylka největší výška profilu teplota řezání maximální teplota teplota v trysce objem kapaliny v chladicím systému opotřebení hřbetu průměrné opotřebení hřbetu v oblasti špičky řezná rychlost tangenciální rychlost posuvu stolu cena vody na 1m3 koeficient výměny úhel hřbetu nástroje úhel čela nástroje úhel hlavního ostří nástroje koeficient tření
FSI VUT
DIPLOMOVÁ PRÁCE
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2
Koeficient tření organických sloučenin Protokol o sledování řezné emulze
List 53
