Snižování výrobních nákladů bez velkých investic (2)

Snižování výrobních nákladů bez velkých investic (2)

 

Efektivní chlazení

 

PROČ CHLADIT

 

Použití chladicí, resp. řezné kapaliny patří k opatřením, která jsou vysoce efektivní a pro řadu obráběcích aplikací nezbytná; v případě nevhodné aplikace však může použití chladicí kapaliny způsobit značný negativní efekt, proto je žádoucí komplexně zhodnotit veškeré dopady jejího nasazení. Od řezné kapaliny požadujeme, aby snížila tření mezi nástrojem, obrobkem a třískou, účinně odváděla vznikající teplo, zajistila odvod třísek z řezné zóny a od obrobené plochy a přispívala tak ke zvýšení životnosti nástroje i kvality obrobeného povrchu. Lepší mazání se vyžaduje při menších řezných rychlostech, při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, při vyšších nárocích na kvalitu obrobeného povrchu, během komplikovaných obráběcích aplikací a při nebezpečí vzniku nárůstku. Požadavek na chladicí účinek převažuje při vyšších řezných rychlostech, při obrábění snadno obrobitelných materiálů, v případě potřeby chladit obrobek k dosažení přesných rozměrů a při jednodušších aplikacích. Zásadní vliv má užití řezné kapaliny na utváření a odvod třísek při práci v hlubokých dutinách či stísněných prostorách a při opracování materiálů, vytvářejících dlouhou třísku. Chladicí efekt kapaliny by neměl neúměrně zvyšovat zatížení nástroje tepelnými rázy, kapalina nesmí poškozovat zdraví obsluhy a nesmí vyvolávat korozi obrobku. Náklady, plynoucí z jejího nasazení (pořizovací cena, cena likvidace, provozní náklady systému chlazení), které dle dlouhodobých šetření dokonce přesahují náklady na řezné nástroje, nemohou převážit ekonomické přínosy. Při volbě řezné kapaliny a způsobu jejího nasazení je nutno věnovat pozornost všem těmto hlediskům.

 

APLIKACE

 

Soustružení ve většině případů nepředstavuje pro použití řezných kapalin velký problém, protože břit nástroje je převážnou dobu v záběru a teplota v řezné zóně je relativně stálá. Zlepšení jakosti povrchu omezením vzniku nárůstků je přínosem, stejně tak jako pozitivní ovlivnění životnosti nástroje. Při vrtání a vystružování platí obdobné poměry a přínosy ze zlepšení povrchu otvoru a usnadněného odchodu třísek jsou nesporné; vrtání zasucha zhoršuje kvalitu otvoru i životnost nástroje. Nabídka polotovarů stopkových nástrojů, opatřených přesnými kanálky pro přívod řezné kapaliny ve šroubovici dovolila vyrábět vrtáky pro otvory až 70 x D již od průměru 5 mm (vrtáky Walter XD), které nevyžadují vyplachovací cyklus, což znamená enormní zvýšení produktivity. Naproti tomu frézování patří k obráběcím operacím nejvíce problematickým z pohledu užití řezných kapalin, proto pokud to lze, je nutno dát přednost práci zasucha. Má-li však být použita řezná kapalina - např. z důvodu nutnosti vyplachování třísek anebo při obrábění těžkoobrobitelného materiálu - je nutno přijmout opatření omezující tepelné šoky na břitu. Je proto zapotřebí užít velké množství kapaliny, anebo se postarat, aby se řezná kapalina dostala do těsné blízkosti břitu. Nabízí se užití tělesa frézy s vnitřním přívodem kapaliny (obr. 1) nebo vhodně řešený upínač stopkového nástroje. V opačném případě, v důsledku vysoké frekvence tepelných šoků, dochází k trhlinám na břitu a jeho následnému vylamování. Takto snížená životnost břitu při frézování eliminuje pozitiva užití řezné kapaliny, proto je nutno volit řezný materiál houževnatý, s tenkým povlakem, který tepelným šokům odolává lépe.

 

OBRÁBĚNÝ MATERIÁL

 

Při soustružení ocelí ze skupiny ISO P je užití řezných kapalin účelné z hlediska kvality obrobeného povrchu, utváření třísky a možnosti zvýšení řezných parametrů; při frézování těchto materiálů řezná kapalina není běžně zapotřebí. Pokud je účelné ji nasadit, např. pro zmenšení tepelných deformací obrobku, doporučuje se snížit řezné parametry o 30 až 50 % proti práci zasucha. Materiály ze skupin ISO M (austenitické a duplexní korozivzdorné oceli) a ISO S (žáruvzdorné slitiny a slitiny titanu) použití řezných kapalin vyžadují. Při opracování litin (ISO K) lze řeznou kapalinu použít, pokud je nutno snížit prašnost. Ke zlepšení kvality opracovaného povrchu materiálů ze skupiny ISO N, především při dokončovacích operacích a k usnadnění odvodu třísek, užití řezných kapalin účinně napomáhá. Tepelně zpracované oceli ISO H se opracovávají bez řezné kapaliny - výjimkou jsou případy, kdy se musí zajistit tepelná stabilita obrobku; v tom případě je nutno užít velké množství kapaliny.

 

METODY

 

Řezné kapaliny nemísitelné s vodou (řezné oleje) se užívají tam, kde se vyžaduje především kvalitní povrch, podmíněný dobrým mazacím účinkem kapaliny; mazací efekt je nejvyšší těsně za břitem. Naproti tomu olejové a jiné emulze jsou účelné v případech, kdy se vyžaduje především chladicí účinek na břitu. Konvenční a běžně známé metody chlazení, mazání a odstranění třísek zahrnují prosté zaplavování řezného nástroje v blízkosti jeho záběru, které je nejjednodušší, ale nejméně efektivní, protože se řezná kapalina těžko dostává k břitu nástroje. Chlazení, resp. mazání pomocí cíleného paprsku řezné kapaliny má proto lepší efekt. Účinnost se zvyšuje užitím nástrojů s přívodem řezné kapaliny vnitřkem nástroje, který ústí v blízkosti břitu a zvyšováním tlaku a rychlosti paprsku řezné kapaliny na hodnoty dříve nemyslitelné - především v případech, kdy je nutno žádoucím způsobem dělit a tvářet vznikající třísku (obr. 2). Kapalina je směrována na čelo nástroje, kde vznikají nejvyšší teploty; v některých případech se používá i výstup kapaliny, směrovaný mezi hřbet nástroje a obrobek s cílem snížit tření v této oblasti a přispět ke kvalitnějšímu povrchu. Chlazení ofukováním stlačeným vzduchem může být koncipováno jen k odstranění třísek z místa řezu nebo mít podstatně komplikovanější podobu, kdy je k nástroji přiváděn vysoce stlačený vzduch o okolní teplotě a sofistikovaným systémem expanze se chladí na teploty pod 0 °C; v tom případě je zajištěno nejen odstranění třísek, ale také intenzivnější chlazení místa řezu. Systémy mazání minimálním množstvím (MMS) potřebují řádově jen 50 cm3 kapaliny za hodinu, dopravované k místu řezu ve formě aerosolu. Tato metoda je šetrná k životnímu prostředí díky nepatrnému množství potřebného maziva, a tím, že prakticky eliminuje náklady na jeho likvidaci, výrazně snižuje i provozní náklady. Extrémní chladicí účinek má kryogenní chlazení, využívající kapalný CO2 (-78 °C) nebo kapalný dusík (-196 °C).

 

NABÍDKA NÁSTROJŮ VYBRANÝCH VÝROBCŮ

 

Snaha přivést řeznou kapalinu do bezprostřední blízkosti břitu přivedla na trh břitové destičky s integrovaným přívodem řezné kapaliny, ústícím na čele destičky (např. zapichovací destičky Iscar DGNC či Paul Horn S100), které se dodávají již od šířky pouhých 3 mm. Jiné řešení zvolila firma Kennametal u svých destiček rodiny BeyondBlast. Ty sestávají z vnějšího pláště a vnitřního těla, které jsou vzájemně slisovány a následně sintrovány (obr. 3). Kapalina vystupuje dělicí plochou mezi oběma komponenty, dostává se bezprostředně k břitu a účinně chladí jak řeznou zónu, tak vlastní destičku. Výrobce uvádí pro frézovací aplikace až 300% zvýšení životnosti nástrojů; další výhodou pro uživatele je, že není nutno užívat vysokotlaký přívod kapaliny. Nástrojový systém Coroturn HP, dodávaný firmou Sandvik Coromant, využívá dvou či více směrovaných trysek ø 0,6 až 1,4 mm, schopných dodávat řeznou kapalinu s tlakem až 275 barů vysokou rychlostí; stejný maximální tlak doporučuje Seco pro svůj systém Jetstream Tooling. V obou případech vystupuje kapalina z příložky fixující břitovou destičku. Iscar v řadě nástrojů JetHP Line zvolil výstup kapaliny z trysky, vyčnívající z příložky daleko nad břitovou destičku upínanou pákou (obr. 4). V případě výměny destičky lze trysku zasunout do přívodního tělesa, tryska nebrání výměně a po opětovném zavedení tlaku se sama opět vysune. Výměna VBD je proto snadná a rychlá. U upichovacích nástrojů vystupuje paprsek přímo z držáku, nebo je dokonce veden vlastní destičkou; toto řešení využívá Iscar u svého systému vysokotlakého chlazení JetHP Line.

 

NABÍDKA EXTERNÍCH JEDNOTEK VYBRANÝCH VÝROBCŮ

 

Pro snazší aplikaci systémů účinného chlazení je na trhu k dispozici řada externích jednotek, které lze fyzicky spojit s obráběcím strojem a integrovat jejich ovládání s řídicím systémem stroje. Jejich výhodou je, že lze relativně jednoduchým způsobem přizpůsobit obráběcí stroj náročnějším obráběcím aplikacím. Externí vysokotlaké jednotky pro tlaky 20 až 60 barů s variabilním dodávaným množstvím a integrovaným chladicím systémem kapaliny nabízí americká firma ChipBLASTER, Inc. Kompaktní modulární jednotky MKS-G k mazání minimálním množstvím má ve svém výrobním programu Microjet GmbH, konkrétní obráběcí úloze je lze operativně přizpůsobit volbou počtu trysek. Externí jednotky Micro Lube k mazání minimálním množstvím firmy Advanced Carbide Tooling Ltd. (obr. 5), skládající se z aplikační jednotky a pneumatického modulu, mohou být dle potřeby přemísťovány k různým obráběcím strojům uživatele.

 

Ing. Petr Borovan