Soluţie ecologică de prelucrare. Prelucrarea în mediu uscat elimină utilizarea lichidelor de răcire

Scule

de Iscar Tools

Soluţie ecologică de prelucrare. Prelucrarea în mediu uscat elimină utilizarea lichidelor de răcire
Lichidele de răcire utilizate în prelucrările metalelor au constituit subiectul unei intense activităţi de cercetare, pe perioada ultimelor două decenii. În mod deosebit, această activitate a luat amploare în Statele Unite ale Americii, la initiaţiva Sindicatului Auto ,,United Auto Workers" care a solicitat în acest sens OSHA (Ocupational Safety and Health Administration). Scopul acestora a fost să reducă limita permisă a expunerii lucrătorului de la 5.0mg, vapori de lichid de răcire pe metrul cub de aer respirabil, la 0.5mg pe metru cub. În consecinţă, OSHA a creat un organism numit ,,Metalworking Fluid Standards Advisory Committee (MWFSAC), în 1997, care a dezvoltat standarde specifice şi reguli clare referitoare la utilizarea lichidelor de răcire.
 
În raportul său final din 1999, MWFSAC a recomandat ca expunerea limită menţionată anterior să fie de 0.5mg/m cub şi că în acelaşi timp sunt necesare permanent supravegherea medicală, monitorizarea expunerii, implementarea unui sistem de management şi activitate organizată de informare şi instruire a personalului, referitoare la utilizarea lichidelor de răcire. În situaţia actuală, de competiţie ridicată în domeniul prelucrărilor mecanice, utilizatorii lichidelor de răcire caută permanent să micşoreze costurile şi să mărească productivitatea. Costurile de menţinere, de eventuală depozitare a fluidelor de răcire, combinate cu problemele suplimentare de sănătate a personalului şi, în final, de siguranţă a activităţii au condus la apariţia unui interes extrem de ridicat pentru reducerea volumelor lichidelor utilizate sau chiar eliminarea acestora din procesul aşchietor. Astfel s-au născut două concepte: MQL (Minimum Quantity Lubrication) şi prelucrarea uscată. În timpul prelucrării, 70% din căldura degajată rezultă din deformarea plastică a piesei, iar 30% este generată de frecările apărute între aşchie şi sculă sau între sculă şi piesă.
Fără utilizarea lichidului de răcire în acest proces, uzura excesivă a sculei poate apărea foarte repede şi calitatea inferioară a suprafeţei obţinute este o consecinţă imediată. Ambele rezultate nu duc decât la creşterea costurilor de producţie şi la reducerea productivităţii.
 
Utilizarea lichidului de răcire are câteva scopuri:
  • lubrifierea bună;
  • miscşoarea temperaturii în zona interfeţelor sculă-piesă;
  • eliminarea eficientă a şpanului din zona de aşchiere.
Spre exemplu, eliminarea defectuoasă a şpanului duce la apariţia fenomenului de re-tăiere, când aşchiile sunt presate pe suprafaţa rezultată din aşchiere şi o parte se sudează pe aceasta. În consecinţă, calitatea suprafeţelor se diminuează.
Pe de altă parte, lichidele de răcire reprezintă medii propice de dezvoltare a bacteriilor şi sunt generatoare de mirosuri neplăcute, ducând în multe cazuri la afectarea gravă a stării de sănătate a operatorilor. După cum menţionam, se asociază acestor dezavantaje şi costuri suplimentare de achiziţie, mentenanţă, depozitare şi muncă suplimentară. Mai pot apărea, de asemenea, pete de rugină sau zone puternic contaminate pe suprafaţa piesei prelucrate. Din motive de eliminare eficientă a aşchiilor, operaţiile de găurire, spre exemplu, trebuie să fie neapărat însoţite de răcire/lubrifiere în zona de contact a vârfului cu piesa. Scopul este de a împinge aşchia din acea zonă, în exteriorul găurii create. Lipsa lichidului face ca aşchia să adere la pereţii găurii, iar rugozitatea obţinută să fie dublă sau mai mare, comparativ cu situaţia prelucrării cu lichid. De asemenea, subliniem importanţa prezenţei agentului lubrifiant în zona de contact dintre capul burghiului şi pereţii găurii, care are ca efect micşorarea considerabilă a momentului generat în timpul
prelucrării.
 
În ceea ce priveşte frezarea şi strunjirea, transferul căldurii generate către aşchiile rezultate reprezintă un indicator de aşchiere corectă. Proiectarea corectă a sculei, care duce la crearea unei aşchii optime, asigură transferul a aproximativ 85% din căldură către aşchii, în timp ce diferenţa de 15% se disipează către piesa prelucrată sau către sculă. Fenomenul de creştere a temperaturii are efect negativ asupra durabilităţii muchiei aşchietoare. În cazul frezării, spre exemplu, muchiile aşchietoare au tendinţa să se încălzească şi să se răcească succesiv, la intrarea şi la ieşirea din materialul prelucrat. Aceste fluctuaţii de temperatură creează secvenţe de dilatări şi contracţii care duc la oboseala materialului sculei şi, în final, la apariţia fisurilor termice. De multe ori, utilizarea lichidului de răcire chiar înrăutaţeşte situaţia. O problemă îndelung dezbătută de inginerii cercetători din domeniu a fost aceea a prezenţei lichidului de răcire în zona de contact dintre muchia aşchietoare şi zona inferioară a aşchiei desprinse. Dacă răspunsul este da, atunci efectul produs de lichid este limitat, răcirea producându-se într-o mică vecinătate a acestei zone. Interacţiunea care se naşte între cele două zone, fierbinte/
rece, nu face altceva decât să intensifice stresul termic. În ceea ce priveşte aspectele economice putem afirma că, acum douăzeci de ani, costurile legate de cumpărarea în sine, logistica şi depozitarea lichidelor de răcire, reprezentau mai puţin de 3% din costul de producţie. Astăzi, costurile referitoare la aceleaşi activităţi menţionate anterior reprezintă 16% din costurile de producţie ale unei piese cu complexitate medie.
 
În consecinţă, luând în considerare această tendinţă de evoluţie a costurilor cu lichidele de răcire şi ţinând seama şi de faptul că sculele aşchietoare produc costuri care se ridică la aproximativ 3% din cele de producţie, utilizatorii încep încet-încet să accepte durabilităţi mai scăzute ale sculelor prin eliminarea lichidelor de răcire din procesul de aşchiere.
În consecinţă, numărul utilizatorilor de scule adaptate prelucrărilor ,,uscate” sau ,,aproape uscate” este în continuă creştere. Prin prelucrarea ,,uscată” înţelegem aşchierea realizată fără utilizarea lichidelor de răcire, în timp ce soluţia ,,aproape uscată” sau aşa-numita prelucrare MQL(Minimum Quantity Lubrication) presupune utilizarea unei cantităţi infime de fluid, aplicate direct pe muchia aşchietoare-fie interior sau exterior sculei aşchietoare. Metoda ,,aproape-uscată” induce totodată vaporizarea lichidului în timpul procesului, ceea ce înseamnă că şpanul se obţine uscat. Practica a dovedit în timp că şi în cazul acestor metode de aşchiere (uscată sau MQL) regimurile intensive pot fi aplicate cu succes.
 
Prelucrările uscate presupun utilizarea unor substraturi şi a unor acoperiri dedicate
ISCAR a acordat atenţie deosebită acestor metode în ultimii ani, investind cu succes în adoptarea soluţiilor ecologice de prelucrare prin aşchiere şi furnizând în acelaşi timp clienţilor săi beneficiile aduse de reduceri de costuri şi creşteri de productivitate. În consecinţă, ISCAR a dezvoltat cele mai moderne tehnologii de realizare a soluţiilor capabile să prelucreze în aceste noi condiţii şi ne referim aici la carburi noi acoperite, material ceramic, cermet, nitrură cubică de bor (CBN), diamant policristalin (PCD).
Substratul realizat din pulberi fine, cu grăunţi submicronici, asigură păstrarea muchiei aşchietoare nealterate, intacte, chiar la dezvoltarea unor temperaturi extrem de ridicate. În acelaşi timp, tehnologiile moderne reuşesc să furnizeze muchiei elasticitatea necesară contracarării deformaţiilor şi implicit, se previne astfel formarea craterelor.
Temperaturile înalte rezultate în procesul de aşchiere uscată tind să micşoreze duritatea structurii carburii. În strunjire, aceasta poate avea un efect benefic, prevenind smulgerile şi mărind astfel durabilitatea sculei. O bună alternativă pentru prelucrarea uscată o reprezintă şi utilizarea nitrurii cubice de bor. Avem acum la dispoziţie scule destinate operaţiilor de strunjire, alezare, frezare, fie prevăzute cu plăcuţe CBN brazate, pe suport de carbură, fie chiar plăcuţe realizate din CBN monobloc. Duritatea CBN este foarte apropiată de cea a diamantului policristalin, iar rezistenţa sa la abraziune este excepţională, combinând optim tenacitatea foarte ridicată cu duritatea mare la temperaturi ridicate. Aceste calităţi excepţionale ne îndreptăţesc să afirmăm că CBN este materialul cel mai indicat pentru realizarea sculelor destinate prelucrării oţelurilor dure, a fontelor şi a super-aliajelor. În ceea ce priveşte acoperirile, ultimele dezvoltări le includ pe acelea bazate pe nitrura de titan (TiN), carbonitrura de titan (TiAlN) şi nitrura de titan şi aliminiu (TiAlCN), realizate pentru a face faţă celor mai vitrege condiţii de prelucrare.
În mod special, TiAlN s-a dovedit acoperirea care conferă stabilitate excepţională până la temperaturi de 900°C. De asemenea, acest tip de acoperire are un coeficient de frecare extrem de redus, ceea ce o face utilizabilă în aproape toate tipurile de prelucrări uscate.
 
Limitele prelucrărilor uscate
Chiar dacă tehnologiile de prelucrare uscată au fost îmbunătăţite substanţial în ultima perioadă, lichidele de răcire rămân totuşi indispensabile atunci când vitezele şi avansurile ridicate sunt o necesitate, iar calităţile de suprafaţă obţinute trebuie să se conformeze unor cerinţe ridicate.
Anumite încercări în domeniul prelucrărilor uscate au indicat că noile acoperiri dezvoltate sunt extrem de utile. Totuşi, în anumite situaţii, absenţa lichidelor de răcire face imposibilă atingerea unor ţeluri de productivitate înaltă. În concluzie, putem spune ca nu am perceput creşteri impresionante ale prelucrărilor uscate, în afara celor utilizate în mod curent în domeniul fontelor. Deocamdată, prelucrările uscate nu pot surmonta beneficiile pe care le aduce utilizarea lichidelor de răcire. Utilizatorul va face în final un compromis între o investiţie mai ridicată ( incluzând costurile aferente utilizării lichidelor) şi atingerea unei productivităţi ridicate.
 
Prelucrări ,,aproape uscate”
Acestea presupun utilizarea unei cantităţi mici de lubrifiant, în zona de interfaţă sculă-piesă. Cheia reuşitei în acest caz o reprezintă pulverizarea lichidului, prin utilizarea aerului sub presiune şi transformarea lui în aerosol. Lubrifianţii utilizaţi sunt produse bazate pe uleiuri vegetale, cu preţuri relativ scăzute, comparativ cu cele convenţionale bazate pe uleiuri sintetice. Mai mult, consumurile sunt extrem de reduse. În cazul acestor prelucrări, o condiţie necesară este direcţionarea fluidului direct către muchia aşchietoare, printr-o duză practicată în corpul sculei. Condiţia nu este şi suficientă, trimiterea fluidului sub formă pur lichidă nefiind eficientă. Astfel a fost dezvoltat conceptul ,,Minimum Quantity Lubrication”, un sistem care trimite în zona de aşchiere un compus de aer şi ulei, cât mai aproape posibil de muchia aşchietoare. Testările au evidenţiat că acest tip de prelucrare este foarte performant în cazul pieselor turnate din aliaj de aluminiu, al celor din oţeluri aliate, atât în cazul strunjirilor, cât şi al frezărilor şi găuririlor.
 
Viitorul prelucrărilor uscate
Chiar dacă prelucrările uscate şi cele ,,aproape uscate” nu le vor înlocui pe cele cu răcire abundentă în viitorul apropiat, aceste două metode vor aduce reduceri de costuri imediate în prelucrări de nişă. În acelaşi timp, aditivi speciali sau formule speciale, neconvenţionale, de lichid pot fie extrem de utile în mărirea durabilităţii straturilor de acoperire.
 
Răcirea la presiune ridicată
Lichidul sub presiune ridicată (HPC) este cea mai nouă tehnologie, utilizată în mod special la prelucrarea aliajelor exotice şi a oţelurilor inoxidabile. Presiunea ridicată creează un jet focalizat de lichid, care anulează posibilitatea formării vaporilor şi contribuie substanţial la fragmentarea aşchiei, în segmente scurte. Combinaţia de lichid şi presiune ridicată (70-140 bar) creează jetul concentrat în zona de aşchiere şi aduce avantaje care nu pot fi atinse prin răcirea clasică.
Lichidul este proiectat cu suficientă forţă astfel încât să atingă ţinta (zona de aşchiere) sub forma de lichid şi nu de vapori. În faza lichidă, lubrifiază procesul şi în acelaşi timp căleşte aşchia, care devine mai casantă şi mai uşor fragmentabilă. De asemenea, datorită traseului utilizat, HPC păstrează temperatura joasă în întreg sistemul ,,ax maşină-sculă-plăcuţă-piesă”, mărind substanţial durabilitatea sculei şi amânând uzurile. Practic, lucrează similar sistemului de răcire cu care este prevăzut motorul cu combustie internă.
Un alt avantaj este acela că lichidul sub presiune îmbunătăţeşte prelucrabilitatea materialului din zona imediat învecinată muchiei aşchietoare, uşurând procesul şi permiţând utilizarea unor regimuri intensive. Cu cât este mai mare presiunea lichidului şi direcţionarea jetului mai precisă, cu atât se obţine un control mai bun asupra aşchiei care se fragmentează bine, chiar dacă materialul de prelucrat este titan, inconel sau oţel. Repetăm, cheia succesului o reprezintă direcţionarea precisă a jetului. Este efectul de laser, comparat cu cel al unei lumini difuze. Linia ISCAR ,,JETHP LINE” de scule HPC, include suporţi de canelare CUT-GRIP, ISOTURN şi HELITURN strunjiri longitudinale şi frontale, suporţi de debitare şi canelare TANG-GRIP şi PENTACUT. Pot fi realizate operaţii variate de strunjiri exterioare şi interioare în titan şi inconel, în piese complexe din industria auto sau aeronautică sau în piese miniaturale dintr-o mare varietate de oţeluri inoxidabile. Presiunile lichidelor au crescut, ajungând în anumite cazuri la 400 bari, dar majoritatea prelucrărilor se realizează în intervalul 70-100 bari. Având în vedere că regimurile de aşchiere intensive devin din ce în ce mai frecvente, strunjirea HPC devine şi ea o parte integrantă a procesului. În afara prevenirii supraîncălzirii şi a eliminării şocurilor termice din zona de aşchiere, lichidul amplifică practic procesul de desprindere a materialului şi formarea aşchiei. O ultimă menţiune: deoarece sculele HPC sunt proiectate să funţioneze la presiuni şi regimuri extrem de ridicate, au în componenţă piese specifice, fără de care performanţele nu pot fi atinse.
 
Beneficiile aduse de HPC:
  • productivitate ridicată – presiunea ridicată menţine un regim termic scăzut, îndepărtează uşor aşchiile de pe suprafaţa prelucrată, permiţând utilizarea avansurilor şi a vitezelor ridicate.
  • calitate superioară - eliminarea eficientă a aşchiilor, vitezele mai ridicate şi uzura mai redusă induc calitate superioară suprafeţelor obţinute
  • durabilitate superioară - presiunea ridicată amână apariţia uzurii, prin reducerea temperaturii şi îndepărtarea eficientă a aşchiei
 
Concluzie
În ciuda creşterii vertiginoase a popularităţii prelucrărilor uscate şi a soluţiei MQL, prelucrarea anumitor materiale nu se poate realiza fără utilizarea lichidelor de răcire. Prelucrarea aluminiului trebuie să fie realizată cu lichid sub presiune ridicată, pentru prevenirea formării muchiei false. De asemenea, prelucrarea aliajelor rezistente la temperaturi înalte şi a celor pe bază de nichel reclamă utilizarea răcirilor abundente, pentru prevenirea durificării stratului imediat inferior celui aşchiat. Deficienţe de genul obţinerii aşchiilor nefragmentate - apărute în cazul prelucrării oţelurilor inoxidabile - pot fi rezolvate cu ajutorul jeturilor concentrate de lichid sub presiune. Cu scopul implementării prelucrărilor uscate, ISCAR a introdus de curând sitemul de carburi 3P SUMOTEC, care include o varietate mare de carburi noi pentru găuriri, frezări, strunjiri şi canelări. Noile carburi măresc durabilitatea plăcuţei şi a suportului, ca urmare a inovaţiilor introduse în realizarea substratului cât şi a acoperirilor CVD şi PVD.
_____________________________________________________

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord