57
Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja Sažetak Savremeni procesi mašinske obrade suočavaju se kontinualno sa troškovnim ograničenjima i zahtjevima visoke kvalitete. Da bi kompanija ostala konkurentna, ona mora neprekidno da određuje prilike za smanjenje troškova u proizvodnji, iskoristi ekonomske prilike, i kontinualno poboljšava proizvodni proces. Ključna tehnologija koja predstavlja priliku za uštedu troškova odnosi se na mazivo za hlađenje, dok suho rezanje istovremeno poboljšava cjelokupni radni režim operacije rezanja. Eliminisanje, ili značajno smanjivanje maziva za hlađenje utiče na sve dijelove proizvodnog sistema. Detaljna analiza i prilagođavanje parametara rezanja, reznih alata, alatnih mašina i proizvodnog režima rada su obavezni kako bi osigurali uspješan proces i uspješno omogučili suho rezanje. 1 UVOD Promjena u značaju životne sredine i povečavanje troškovnih ograničenja u industrijskim preduzećima dovelo je do kritičkog razmatranja konvencionalnih maziva za hlađenje korištenih u većini mašinskih operacija. Zavisno od komada koji se obrađuje, proizvodne strukture, i mjesta proizvodnje, troškovi koji se odnose na korištenje maziva za hlađenje imaju opseg od 7-17% od ukupnih troškova proizvodnje radnog komada. Odričući se konvencialnih maziva za hlađenje i koristeći tehnologiju suhog rezanja ili minimalne količine podmazivanja, ovaj dio troškova može biti smanjen značajno. Pored poboljšanja u iskorištavanju proizvodnih procesa, ovakva tehnološka promjena pravi doprinos u zaštiti radne snage i okoline. Bitno smanjenje izlaganja mazivima za

Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Embed Size (px)

DESCRIPTION

mašinska obrada bez podmazivanja, i sa minimalnom količinom podmazivanja, tehnologija, materijali,....

Citation preview

Page 1: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Sažetak

Savremeni procesi mašinske obrade suočavaju se kontinualno sa troškovnim ograničenjima i zahtjevima visoke kvalitete. Da bi kompanija ostala konkurentna, ona mora neprekidno da određuje prilike za smanjenje troškova u proizvodnji, iskoristi ekonomske prilike, i kontinualno poboljšava proizvodni proces. Ključna tehnologija koja predstavlja priliku za uštedu troškova odnosi se na mazivo za hlađenje, dok suho rezanje istovremeno poboljšava cjelokupni radni režim operacije rezanja. Eliminisanje, ili značajno smanjivanje maziva za hlađenje utiče na sve dijelove proizvodnog sistema. Detaljna analiza i prilagođavanje parametara rezanja, reznih alata, alatnih mašina i proizvodnog režima rada su obavezni kako bi osigurali uspješan proces i uspješno omogučili suho rezanje.

1 UVOD

Promjena u značaju životne sredine i povečavanje troškovnih ograničenja u industrijskim preduzećima dovelo je do kritičkog razmatranja konvencionalnih maziva za hlađenje korištenih u većini mašinskih operacija. Zavisno od komada koji se obrađuje, proizvodne strukture, i mjesta proizvodnje, troškovi koji se odnose na korištenje maziva za hlađenje imaju opseg od 7-17% od ukupnih troškova proizvodnje radnog komada. Odričući se konvencialnih maziva za hlađenje i koristeći tehnologiju suhog rezanja ili minimalne količine podmazivanja, ovaj dio troškova može biti smanjen značajno. Pored poboljšanja u iskorištavanju proizvodnih procesa, ovakva tehnološka promjena pravi doprinos u zaštiti radne snage i okoline. Bitno smanjenje izlaganja mazivima za hlađenje na radnom mjestu povečava poslovno zadovoljstvo i poboljšava rezultate rada u isto vrijeme. Nadalje, preduzeće može koristiti ekonomsko-prijateljske proizvodne procese u propagandne svrhe što vodi boljoj slici na tržištu (slika 1.).

Proučavanje i razumjevanje mehanizama procesa rezanja je ključni izlaz u razvijanju ekonomskog i sigurnog procesa suhog rezanja. Pored toga, uvođenje ove nove mašinske tehnologije zahtjeva razmatranje konstrukcije mašinskih alatki i njihove periferne opreme. Industrijski stručnjaci će biti voljni da prihvate tehnologiju suhog rezanja samo

Page 2: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

onda kada postoji potpuno rjšenje. Tako, rezultati za veliki broj različitih obrada i zajednički proizvodni postupak su od suštinske važnosti u dokazivanju superiornosti ove inovativne mašinske tehnologije.Uvođenje suhog rezanja ne može biti izvedeno samo isključivanjem dovoda maziva za hlađenje. Zapravo, mazivo za hlađenje izvršava nekoliko važnih funkcija, koje, u njihovoj suštini, moraju biti preuzete od strane drugih komponenti u procesu mašinske obrade. Mazivo za hlađenje smanjuje trenje, i takođe proizvodnju toplote, i odvodi proizvedenu toplotu. Nadalje, maziva za hlađenje su odogovorna za mnoštvo sporednih funkcija, kao što je odvođenje strugotine isto kao i čišćenje alata, radnog komada i uređaja za stezanje. Oni osiguravaju od kvara, automatizovanu operaciju proizvodnog sistema. Nadalje, maziva za hlađenje pomažu u osiguravanju jednolikog temperaturnog polja unutar radnog komada i mašinskog alata i pomažu u postizanju specificiranih tolerancija.

2 MINIMALNA KOLIČINA PODMAZIVANJA

U mnogim mašinskim operacijama, minimalna količina podmazivanja za hlađenje je ključ za uspješno suho rezanje. Bilo koji pomak prema proizvodnoj funkcionalnosti elemanata u oklonostima suhog rezanja zavisi od razumjevanja (MQCL) minimalne količine podmazivanja za hlađenje kao sistema, čiji su pojedini elementi – tehnologija pomjeranja, sredstvo minimalne količine podmazivanja za hlađenje, podešavanje parametara, alata i mašinskih alata koji uzajamno djeluju na funkcionisanje svih ostalih (slika 2.). Sve komponente u MQCL sistemu moraju biti vrlo pažljivo usklađene da bi postigle željeni rezultat, koji je optimalan i tehnološki i ekonomski.

2.1 Definicija

Primarni zadatak maziva za hlađenje u operacijama rezanja sa podmazivanjem je da hlade, da podmazuju, i da uklanjaju strugotinu. Kao pravilo, generalno se koriste emulzije ili mineralna ulja, zavisno od toga koji se proizvodni proces koristi ili zavisno od postavljenih zahtjeva. Emulzije posjeduju odlične karakteristike prijenosa toplote zbog njihovog visokog sadžaja vode. Mineralna ulja su bolja kada se zahtjeva visok stupanj sposobnosti podmazivanja. Oba sredstva osiguravaju transport strugotine. Kada se koristi kompresovani zrak umjesto maziva za hlađenje, fluid ne posjeduje osobinu podmazivanja. Dejstvo hlađenja je mnogo manje izraženo nego što je slučaj s vodom i uljem. Voda i ulje su takođe superiorniji u odnosu na zrak u smislu karakteristika odvođenja strugotine.

Page 3: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

U operacijama minimalne količine podmazivanja za hlađenje, općenito sredstvo koje se koristi je mineralno ulje, ali neke primjene koriste i emulziju ili vodu. Ova sredstva, fluidi, se dovode do alata i/ili obradnog mjesta u malim količinama. Ovo je urađeno sa ili bez podrške transportnog sredstva npr. zrak. U ranijem slučaju, takozvanom zračnom sistem, pumpa snadbjeva alat medijem, uobičajeno je to ulje, u obliku tačno odrđene veličine kapljica brzim nizanjem. U posljednjem slučaju, medij se atomizira u mlaznici da stvori ekstremno male kapljice, koje se onda dopremaju do obradnog mjesta u obliku prskanja suspenzije disperizovane tečnosti u zraku. Unutar konteksta suhog rezanja, izraz MQCL je uopšteno korišten da bi se opisalo snadbjevanje mazivom za hlađenje u obliku suspenzije disperizovane tečnosti u zraku ili jednostavnije u obliku aerosoli. Zavisno od tipa i glavnih funkcija fluidnog sredstva koje se isporučuje, razlika može biti povućena između minimalne količine podmazivanja (MQL) i minimalne količine hlađenja (MQC), (slika 3.).Kada se koriste ulja kao fluidno sredstvo, akcenat je stavljen na njihovu karakteristiku dobrog podmazivanja. Njihova funkcija je da smanje trenje i adheziju između radnog komada, strugotine i alata. Kao rezultat, količina toplote nastale trenjem je smanjena. Otuda, alat i radni komad su izloženi manjoj količini toplote nego što bi slučaj bio da je operacija rezanja izvršena u potpunosti suho (slika 4.). Neposredni efekat hlađenja mješavine ulje/zrak je manje važnosti ili nevažan usljed malog toplotnog kapaciteta ulja (cp,ulje=1.92 kJ/kgK) i zraka (cp,zrak=1.04 kJ/kgK), i također kada je ukljućena mala količina medija. Dajući vrlo mali efekat hlađenja kod mješavine ulje/zrak, korištenje ulja kao medija se podrazumjeva kao strategija minimalne količine podmazivanja (MQL). Voda i emulzija se koriste mnogo rjeđe nego ulje kao medij u MQCL operacijama. Uopšteno govoreći, oni se koriste samo kada je bitno da se alat ili dio hladi sa većim dejstvom nego što je to moguće sa korištenjem

Page 4: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

ulja. Operacije u kojima se koriste emulzije, voda ili zrak (hladan ili tečni zrak), se odnose na operacije minimalne količine hlađenja (MQC) jer emulzija osigurava prilično manji stepen podmazivanja nego ulje, još manje nego voda i zrak, koji uopšte ne osiguravaju podmazivanje.Za razliku od minimalne količine podmazivanja (MQL), minimalna količina hlađenja (MQC) je do sada rijetko korištena, i zato je velikim dijelom neistražena komponenta tehnike minimalne količine podmazivanja za hlađenja (MQCL) među industrijskim korisnicima. Kakogod, tehnika minimalne količine hlađenja (MQC) može imati veći doprinos u rješenju problema toplote koja djeluje na alat i ili na dio u operacijama suhog rezanja.

2.2 Sistemi dovođenja

Povučena je razlika, u minimalnoj količini podmazivanja, između vanjskog dovođenja preko mlaznica koje su odvojeno postavljene u oblasti rezanja i unutrašnjeg dovođenja medija preko kanala ugrađenih unutar alata (slika 4). Svaki od ovih sistema je specijalizovan za primjenu u zasebnim oblastima.U aplikacijama koje koriste vanjsko dovođenje, aerosol se raspršuje na alat sa vanjske strane preko jedne ili više mlaznica. Broj i smijer mlaznica u vezi sa modelom raspršivanja, koji zavisi od grupisanja mlaznica, igra važnu ulogu u kvalitetu rezultata. Ova tehnika se koristi u testerisanju, završnom i čeonom glodanju, i operacijama struganja. U slučaju operacija mašinske obrade, kao što su bušenje, razvrtanja, urezivanja, vanjsko dovođenje medija je prikladno jedino do omjera dužina/prečnik < 3. Kada je omjer dužina/prečnik veči nego ovaj, alat bi trebao biti uklanjan više puta tako da on može biti kvašen ponovo, rezultujući u značajnom povećanju cjelokupnog vremena mašinske obrade. Vanjsko dovođenje može takođe predstavljati problem u slučaju da proces obrade zahtjeva korištenje višestrukog alata sa velikim varijacijama dužine i prečnika. U operacijama ovakve prirode, orijentacija mlaznica za dovođenje mora biti podešavana ili manuelno ili uz pomoć sistema za pozicioniranje koji je ugrađen u jedinicu kontrole, da pozicionira mlaznice u aksijalnom i radijalnom smjeru, zavisno od dužine i prečnika alata, ili da ih zarotira kroz određeni ugao. Vanjsko dovođenje za minimalnu količinu podmazivanja (MQL) može takođe biti vitalno kada alat koji se koristi u operaciji nema nikakve unutrašnje kanale za hlađenje. Unutrašnje dovođenje medija preko osovine i alata, je korisno u bušenju, razvrtanju i operacijama urezivanja sa velikim odnosom dužina/prečnik, jer ovo osigurava da medij bude neprestano uz reznu ivicu bez obzira na poziciju alata. Zbog istih razloga, ovo se takođe koristi kod alata sa vrlo različitom

Page 5: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

geometrijom. U operacijama bušenja dubokih rupa, veliki odnos dužine i prečnika čini unutrašnje dovođenje za minimalnu količinu podmazivanja (MQL) neophodnim. Postoje dodatne pogodnosti unutrašnjeg dovođenja medija za minimalnu količinu podmazivanja (MQL) u kojima su interesi povezani sa greškom pozicioniranja mlaznice eliminisani, i integracija MQL dovođenja unutar alatne mašine podrazumjeva to da obradni prostor nije ispremetan cijevima za dovođenje.U odnosu na unutrašnje MQL dovođenje, biće napravljena razlika između takozvanog 1-kanala i 2-kanalnog sistema. Kada se koristi opcija 1-kanala, mješavina aerosola je formirana izvan rukavca, i jedini kanal djeluje kao put snadbjevanja za mješavinu. U slučaju 2-kanalnog sistema, ulje i zrak se dovode odvojeno kroz rukavac. Mješavina ulje-zrak se onda proizvodi neposredno iznad alata. Glavni zahtjev u svakoj od varijanti je taj da je dovoljna količina medija dostupna na mjestu obrade kada operacija rezanja počne.

2.3 Medij za minimalnu količinu podmazivanja

U konvencionalnim operacijama mašinske obrade koje koriste dovođenje velike količine sredstva za hlađenje, rezni fluid je do sada bio odabiran uglavnom na osnovu njegove primarne osobine, to jest, njegove uloge utjecanja na karakteristike rezanja. Veliki broj ispitivanja je do sada izvršen na određivaju performansi reznog fluida. Ispitivanja su većeg značaja jer raste interes za okolinski prihvatljivim aplikacijama reznog fluida.U gotovo suhim operacijama mašinske obrade sa MQL-dovođenjem, kakogod, sekundarne osobine kao što su biorazgradljivost, oxidaciona stabilnost, stabilnost skladištenja, su čak više važnije jer mazivo mora biti kompatibilan sa okolinom i hemijski stabilno pod dugotrajnim korištenjem kada postoji vrlo niska količina propadanja. Sa ovim na umu, neki opisi performansi maziva sa obzirom na sekundarne osobine je važan. Ovo če biti pračeno diskusijom obzirom na medij u minimalnoj količini podmazivanja(MQL) u smislu njihovih primarnih osobina.Najvažnija mjera kompatibilnosti maziva sa okolinom je mogučnost razgradnje istog. Uopšteno, osnovni materijali reznih fluida su mineralna ulja ili polialkalni glikol i oni osnovni materijali koji nemaju visoku moć biorazgradnje. Biljna ulja se obično koriste kao medij u MQL aplikacijama, zbog njihove osobine visoke biorazgradljivosti. Sintetički esteri osiguravaju široku oblast biorazgradljivosti zavisno od njihovie kombinovane molekularne strukture kiselina i alkohola. Ako neko uporedi stepen biorazgradljivosti različitih sintetičkih estera, onda mono-ester, di-ester i poli-ester mogu biti smatrani kao biorazgradivi. Budući da poliester vjerovatno može imati odgovarajuću viskoznost za MQL obradu, nekoliko poliestera je ispitano kao mazivo.Kada se koristi sistem minimalne količine podmazivanja to jest MQL sistem, mazivo može da prianja na unutrašnju i vanjsku površinu alatne mašine u obliku tankog filma ulja. Odkako takav tanki film ulja može da lako oksidira i obrazuje ljeplivu supstancu, MQL maziva trebala bi biti stabilna protiv tankog filma oksidacije. Da bi simulirali ovo, tanki film ulja je ostavljen pod atmosferskim okolnostima na 70°C i u trajanju od 168 sati. Nakon ovog toplotnog testa, promjena u molekularnoj težini je mjerena analizom

Page 6: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

hromatografskog prodiranja rastvora. Testna ulja su bila čisti sintetički poli-ester A, B i C, koji imaju redom viskoznost od 19, 25 i 48 mm2/s na 40°C respektivno, i biljna ulja D, čija viskoznost iznosi 36 mm2/s. Sva ova maziva su imala biorazgradljivost veću od 98% prema CEC-L-33-A-93 testu.Slika 6 pokazuje povećanje u molekularnoj težini za ova četiri ulja. Prema ranijim studijama pokazano je da ako se molekularna težina uljnog filma poveća za više od 10%, ono postaje ljepljivo na dodir. U slučaju, biljnog ulja D molekularna težina je povećana za 65% i film je postao vrlo ljepljiv. Za razliku od poliestera A i B gdje ne postoji značajna promjena u molekularnoj težini i poliestera C sa vrlo malom promjenom.Rezervoari sa mazivom su često smješteni napolju, i temperatura u rezervoaru može da se poveća čak i na 70% ili čak više. Zbog toga što sistem minimalne količine podmazivanja troši vrlo malo maziva, mazivo mora ostati stabilno vrlo dugo pod takvim okolnostima. Da bi simulirali ovu okolnost skladištenja, svako ulje je smješteno u staklenu bocu na 70°C u trajanju 4 sedmice. Nakon ovog testa, poli-ester A nije pokazao značajnu promjenu u viskoznosti, ukupnom sadržaju kiseline i mirisu, dok je biljno ulje D pokazalo prilično povečanje viskoznosti i ukupnog sadržaja kiseline: ljepljiv materija je oformljen u blizini čepa i osoben miris je opažen. Zasnovano na izvještaju rezultata testa, opaženo je da su sintetički biorazgradivi poli-esteri superiorniji naspram biljnih ulja. Prema sekundarnim osobinama, biorazgradivi poli-esteri su identifikovani kao poželjna maziva za MQL mašinske obrade.Rezni test (tapping test) je prepoznat kao standardni metod prikazivanja za procjenu reznih performansi fluida, i korisno dejstvo energije rezanja osigurava osjetljivu i preciznu mjeru performansi. Slika 7 pokazuje korsino dejstvo energije rezanja u MQL rezanju sa gore spomenutim poli-esterima i biljnim uljem. Kao poređenje, ovaj graf takođe predstavlja rezultate za slučaj dovođenja konvencionalnim potapanjem, vodom rastvorenog sredstva za hlađenje (emulzija) i vazduhom hlađeno suho rezanje. Performanse MQL-a kod koga je korišten poli-ester A, su skoro jednake onima sa konvencionalnim rezanjem, vrlo mala količina ovog sintetičkog estera osigurava efikasno podmazivanje blizu rezne zone. Slika 8 pokazuje rezultate završne hrapavosti površine čelika rađene na strugu pri brzini od 200 m/min.

Page 7: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Ovi rezultati pokazuju da su performanse rezanja u MQL mašinskoj obradi sa poli-esterom A superiornije nego sa suhim rezanjem. Nadalje, čak upoređen sa dovođenjem konvencionalnim potapanjem određenog tipa ulja (ovo uključuje aditive na bazi sumpora za ekstremne pritiske,tj. EP aditive), sintetički poli-ester osigurava odlične preformanse za oba tipa alata i cementirane karbide i kermete. Sa druge strane, MQL obrade sa biljnim uljima D nisu uvijek povoljne. Zasičeni alkoholi i sintetički esteri (hemijski modifikovana biljna ulja) su mediji koji se uobičajeno koriste u aplikacijama minimalne količine podmazivanja tj. u MQL-u (tabela 1 i 2). Odabir medija zavisi od tipa dovođenja, materijala, mašisnke obrade, narednih finalnih operacija koje zahtjeva dio (na primjer;žarenje, oblaganje, bojenje). Na istom nivou viskoznosti, zasićeni alkoholi imaju nižu tačku paljenja nego sintetički esteri. Iako oni imaju efekat hlađenja, ovaj efekat je vrlo mali, jer oni relativno brzo isparavaju. Za razliku od sintetičkih estera, njihov efekat podamzivanja vrlo umjeren. Zasičeni alkoholi, radi toga, se koriste češće u operacijama mašinske obrade u kojima je efekat hlađenja važniji nego efekat podmazivanja. Operacioni postupci na sivom livu, u kojima naslage grafita unutar materijala pomažu u osiguravanju podmazivanja, su primjeri ovih aplikacija. Zbog njihovog lakog isparavanja, zasičeni alkoholi imaju prednost da dio koji je obrađen ostaje većim djelom suh. Sintetički esteri se često koriste u opearcijama mašinske obrade i s materijalima koji osiguravaju dobro podmazivanje, s primarnim ciljem je da se smanji nivo trenja i adhezije između alata, dijela, i/ili strugotine. Primjeri ovakvih operacija koji se provode nad čelićnim i aluminijskim materijalima su bušenje, fino provrtanje, urezivanje, i narezivanje navoja.Sintetički ester ima visoku temperaturu ključanja i tačku paljenja, i malu viskoznost. Kao rezultat, on isparava mnogo sporije od zasičenog alkohola, i on ostavlja tanki film ulja na radnom komadu koji služi kao zaštita od korozije. U nastavku ovih osobina, sintetički esteri su biorazgradivi i

Page 8: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

klasifikovani su u prvu kategoriju rizičnih po vodu zbog njihovih dobrih toksikoloških osobina

2.4 Dizajn komponenti sistema u MQL-u (minimalna količina podmazivanja)

Strategija unutrašnjeg dovođenje minimalne količine podmazivanja zahtjeva alate sa unutrašnjim kanalima za hlađenje (slika 9). U slučaju alata za bušenje, postoje ograničenja u minimalnom prečniku koji mora biti približno 4 mm da bi bio zagarantovan prilično velik nivo krutosti alata. Zbog ovih razloga, vanjsko dovođenje minimalne količine podmazivanja je obično iskorišteno ondje gdje se zahtjevaju mali prečnici alata. Kakogod, proizvođači alata nude prilagođena rješenja koja dozvoljavju da medij minimalne količine podmazivanja teče kroz osovinu da bi bilo dovedeno vani preko držača alata i onda da bude dovedeno do tačke obrade uz obim alata uzduž alata (slika 10). Mašinski alati pogodni za operacije suhog rezanja trebale bi imati jedno unutarnje i/ili jedno vanjsko dovođenje minimalne količine podmazivanja, zavisno od asortimana proizvoda koji se izrađuje i mašinskih operacija koje se zahtjevaju. Mašinski centri koji primjenjuju alate sa vrlo malim prečnicima trebali bi biti opremljeni sa oba sistema dovođenja. Jer kapljice aerosoli se slježu vrlo sporo i mogu, stoga, da se zadrže unutar radnog prostora veoma dugo. Alatna mašina bi trebala biti hermetički zatvorena, ako je moguće i trebala bi biti opremljena sa jedinicom za izvlačenje magle (ispustom). Minimalna količina podmazivanja je bitna u mnogim operacijama suhe obrade koje uključuju širok spektar kombinacija materijala i procesa (tabela 3). U smislu materijala, ovo se odnosi naročito na operacije suhe obrade koje se izvode na aliminijumu i na vučenim aluminijevim legurama. U smislu procesa koji je uključen, MQL se odnosi na operacije pravljenja rupa praktično bez obzira na dotični materijal. Testerisanje je klasična oblast za primjenu tehnika minimalne količine podmazivanja. Operacije struganja i glodanja uključene na materijalima kao što su čelik i liveno gvožđe mogu biti izvedene potpuno suho na osnovu visoke sposobnosti otpornosti na termalno habanje kod obloženih karbida koji su trenutno dostupni.Djelotvorna i pouzdana proizvodnja rupa u čeiku i aliminijumu i vještina kod narednih operacija bez korištenja maziva za hlađenje je ključ za bilo koji poduhvat ostvarivanja

Page 9: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

uvođenja kompletne strategije suhe obrade. U slučajevima operacija kao što su bušenje, fino provrtanje, razvrtanje, urezivanje, minimalna količina podmazivanja ostaje esencijalna praktično u svim primjenama. Kvalitativna artimetika koja se odnosi na zahtjev za zrakom i MQL medijem u različitim obradnim procesima dati su u tabeli 4. Opasnost da će se vrela i visoko-formabilna strugotina smjestiti u žljebove od bušenja povečava se sa dubinom bušenja, i otuda, oblast trenja između strugotine, zidova rupe, i alata se povečava. Budući da minimalna nivo podmazivanja je obično bitan za proizvodnju rupa u aluminijumu, rupe sa odnosom l/d većim od 3 mogu biti proizvedene u potpunosti na suho u čeličnim materijalima kada su osnova alata, obloga, i geometrija optimizirane u skladu sa specijalnim zahtjevima suhe obrade. Dublje rupe zahtjevaju korištenje MQL medija. Kada se obrada vrši na čeliku sa metodom minimalne količine podmazivanja korištenjem alata koji su pogodni za suhu obradu, rupe sa odnosom l/d od 5 do 7 mogu se proizvesti bez ikakvih problema. Poboljšane performanse u operacijama bušenja potpomognutim minimalnom količinom podmazivanja pouzdaju se na dva važna efekta. Prvo, efekat podmazivanja MQl medija rezultuje u dramatičnom smanjenju nivoa trošenja koji je posljedica trenja i adhezije u oblasti oko vrha zavojne burgije. Drugo, formiranje strugotine i uklanjanje iz žljebova bušenja je poboljšano vrlo suštinski efektom hlađenja i podmazivanja mješavinom zrak-medij. Za razliku od dugačko sabijene spiralne strugotine proizvedene u operacijama

Page 10: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

vršenim isključivo suhom metodom, strugotina koja se formira u operacijama koje se vrše metodom MQL su krača i mogu biti uklonjene iz rupa lahko.Minimalna količina podmazivanja je centralni element u strategijama suhe obrade. Ona je suštinska u mnogim obradnim procesima. Ovo se odnosi naročito na operacije obrade koje se vrše na materijalima kao što su legure aluminijuma, koje su visoko podložne adheziji alata. MQL je bitan u procesima koji uključuju visok nivo trenja i adhezije, kao što je bušenje, fino provrtanje, razvrtanje i takođe je neophodan kada se kvalitet površne mora poklopiti sa iziskivanim zahjevima.

3 TRIBOLOGIJA

Trenje i trošenje reznih alata često definišu granice performansi reznih procesa. Poboljšanje procesa može biti dostignuto razumjevanjem ovih mehanizama. Kompleksnost obradnih procesa otežava sistematične analize mehanizama trenja i trošenja na radnim oblastima alata. Zbog toga, detaljno poznavanje triboloških dejstava u kontaktnoj oblasti je od naročite važnosti ka razumjevanju, kontroli i ekonomičnom dizajnu obradnih procesa.Kada analiziramo procese rezanja, tribološki mehanizmi su određeni dodirnim parom, isto kao okolina i kontrolni parametri. Odgovarajući zajedničkom prikazivanju, tribološki sistem je specificiran kao osnovno tijelo, kao elemenat podvrgnut trošenju, i suprotno tijelo, čije trošenje nije presudno za smjer procesa.Bazirano na ovoj definiciji, rezni alat predstavlja osnovno tijelo i radni komad suprotno tijelo u tribološkom sistemu. Štaviše, elemenat na dodirnoj površini i okolni medij su relevantni za ponašanje tribološkog sistema. Proizvodi međusobnog djelovanja, abrazivni materijali u kontaktnoj zoni, i maziva za hlađenje takođe djeluju na ponašanje sistema. Brzina rezanja i veličina pomaka su dodatne varijable koje djeluju na mehanizme trenja i trošenja sistema (slika 11). Trenje kontaktnog para neizbježno vodi trošenju, koje mjenja oblik osnovnog tijela i suprotnog tijela. Glavni mehanizam trošenja u procesu rezanja predstavlja abrazija, adhezija, tribohemijske reakcije, i površinsko propadanje. Mehanizmi trošenja mogu se pojaviti pojedinačno ili u kombinaciji. Rezultujući oblici trošenja mogu biti brazde, ogrebotine, taloženje materijala, proizvodi međusobnog djelovanja, i površinske pukotine.Da bi osigurali visoke performanse sa zadovoljavajućim pouzdanosti procesa, svi elementi tribološkog sistema trebaju biti prilagođeni određenim zahtjevima s obzirom na procese suhe obrade. Usvajanje se naročito odnosi na rezne materijale i alatne

Page 11: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

obloge (osnovno tijelo), materijal radnog komada (suprotno tijelo), i medij za minimalnu količinu podmazivanja (element na graničnoj površini).3.1 Rezni materijali

Naročito u procesima suhe obrade rezne ivice i vodeće podloge su podvrgnute velikim mehaničkim, toplotnim, i hemijskim opterećenjima. Da bi obezbjedili dobre performanse i dobar otpor trošenju, rezni materijali trebaju da ispune određene zahtjeve u pogledu njihovih fizičkih osobina.Slika 12 ilustrira idelani rezni materijal, kombinacijom osobina kao što su visoka tvrdoća, dobra čvrstoća, i hemijska stabilnost. Kakogod, ovi zahtjevi predstavljaju suprotno destvujuće osobine tako da optimalni i univarzalni rezni materijal nije ostvarljiv sa tehnološke tačke gledišta.

cementirani karbidiCementirani karbidi su rezni materijali koji se najčešće koriste u modernim primenama mašinske obrade. U procesima praškaste metalurgije metaltni tvrdi materijal je sinterovan na visokim pritiscima i temperaturama sa kobaltom kao vezivom. Osobine cementiranih karbida su uglavnom bazirane na udjelu wolframovog karbida napram kobaltovog veziva i veličine zrna mješavine. Uopšteno, što je manje kobalta korišteno to je bolja veličina zrna i materijal poprima veći otpor trošenju.Smanjivanjem veličine zrna praška od wolframovog karbida na submikronsko zrno (0,5 do 0,8 µm) i ultra-fino zrno (0,2 do 0,5 µm), cementirani karbidi za teške obradne operacije kao što je suha obrada visoko legiranih čelika ili visoko otporne materijale postaju dostupni. U jednu ruku, ovi rezni materijali posjeduju visoku otpornost na povišenim temperaturama. U drugu ruku, vrlo fina i homogena sruktura reznog materijala vodi zadovoljavanju zatezne otpornosti. Tako, čak i vrlo mali alati i tanki klinovi mogu biti proizvedeni sa dobrom stabilnosti rezne ivice.Razlike u ponašanju trošenja cementiranih karbida je istraživano kod mašinske obrade nehrđajučeg čelika sa minimalnom količinom podmazivanja. Takav čelik je okarakterizovan sa visokim sadržajem legure i austenitno-

Page 12: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

feritnom strukturom. Rezni materijali korišteni u istraživanju imaju fina zrna, submikronska zrna, i ultra fina zrna cementiranog karbida sa identičnom geometrijom i oblogom od PVD-TiAIN (slika 13). Primjena fino zrnog cementiranog karbida vodi do loma alata nakon renog volumena od 300 cm3. Dodatak na slici pokazuje veliku pukotinu prednjoj površini kao rezultat mehaničkog preopterećivanja. Primjena submikronskog zrna cementiranih karbida osiguravaju kontinuirano povečanje površinskog habanja za značajno manje razmjere trošenja i kraj života alata se postiže na reznom volumenu od 400 cm3. Najbolje performanse su pokazane sa uloškom od mikro zrnog cementiranog karbida. Čak i nakon reznog volumena od 400 cm3, nisu se pojavile pukotine i vrlo mali nivo površinskog habanja je vidljiv. Visoka čvrstoča i vrelo stvrdnjavanje mikrozrnog karbidnog materijala rezultuje u odličnom izvođenju operacija.

kermetiZa neke mašinske operacije primjena cementrianih karbida ne osigurava dovoljne osobine na povišenim temperaturama. U ovakvim slučajevima kermeti mogu bitiprimejeni kao rezni materijal.Mada kermeti imaju sličnu mikrostrukturu sa cementiranim karbidima, tvrde komponente kao što su titan/tantal karbid/nitrat su dodati veznoj matrici od kobalta i nikla.Mikrostruktura kermeta vodi do većeg toplotnog strdnjavnja upoređujuči sa konvencijalnim cementiranim karbidima, tako postižući mogućnost korištenja večih brzina rezanja. Zahvaljujući keramičkoj komponenti, kermeti imaju izrazitu hemijsku stabilnost na oksidaciju i tribohemijsko trošenje isto kao smanjeni afinitet za difuzijom.Glavna kritika kermeta bi bila njihova smanjena čvrstoća, čini ih podložnim na iznenadna pucanja. Sa poboljšanjima u tehnologiji proizvodnje sad je moguće proizvesti kermet kji sarži nitrogen sa čvrstočom uporedljivom sa konvencionalnim karbidima.Ocjena relativnih prednosti kermita, proces brzoreznog bušenja na temperovanom čeliku je ispitano (Vc=225 m/min; f=0,10 mm) sa bušenjem malih rupa i sa unutarnjim dovođenjem minimalne količine podmazivanja.Uložci od konvencionalnog cementiranog karbida dostiže kraj života na izbušenoj dužini od 4 m zahvaljujući velikom površinskom habanju vanjske rezne ivice. Sa kermetima kao reznim materijalima niti vanjska niti unutrašnja rezna ivica ne pokazuju značajno trošenje na ekvivalentnoj izbušenoj dužini. Ove razlike u ponašanju dva rezna materijala može biti obilježje razlike u njihovom toplotnom očvršćavanju. Ovo vodi smanjivanju mehaničkih opterećenja na reznim ivicama zahvaljujuči toplotnom omekšivanju materijala radnog komada u smicajnoj zoni.

keramike

Page 13: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Visoke temperature generirane u suhim mašinskim obradama naročito na velikim brzinama rezanja, iziskuju upotrebu alata koji mogu odoljeti najvišim temperaturama i osiguravaju dug vijek trajanja. Za mašinsku obradu sivog liva i kaljenih čelika podesni su keramički rezni materijali.U biti, keramike za rezne svrhe mogu biti ili aluminijev oksid ili silikon nitrid. Usljed visoke tvrdoće na povišenim temperaturama i umanjenog otpora protiv toplotnog udara, keramike se često koriste bez opskrbljivanja mazivom za hlađenje. Glavni nedostatak keramika je njihova smanjena žilavost, naročito za mašinske operacije sa prekinutim rezom, kao kod glodanja. Ali SiC-viskerom-ojačani keramički kompoziti i submikronske aluminij-oksidne keramike proširuju moguća polja primjene.Sa razvojem keramičkih alata na bazi aluminij-oksida moguće je napraviti poboljšanja u suhom rezanju. Osnovna karakteristika novih reznih materijala je korištenje vrlo čistih (99,99%) i submikronskih (0,22 µm) veličina zrna aluminijevih prašaka. Finiji prašak je sinterovan praktično bez veziva na nižim temperaturama, rezultujući u otporu reznih materijala na trošenje i lom.U testovima struganja i glodanja sivog liva i karbonskih čelika osobine novih keramičkih reznih materijala su procjenjene i upoređene sa konvencionalnim keramičkim materijalima. Novi rezni materijali izazivaju značajno manji nivo trošenja nego konvencionalna aluminijska keramika. Keramike sa velikim zrnima imaju hrapavu površinu izazvanu zbog međukristalnog loma i posledičnog pomjeranja zrna. Za razliku, trošenje novih reznih materijala je bazirana na transkristalnom lomu. U testu struganjem, razlike u pojavi trošenja vode do zaključka da nije samo veća tvrdoća nego i viša granična čvrstoća između zrna razlog boljih osobina novih reznih materijala.Test čeonog glodanja proveden sa novim reznim alatima dopušta značajno veće veličine posmaka. Dok konvencionalna keramika izostaje na veličini posmaka od 0,25 mm po zubu, novi materijal pokazuje dobre osobine i na 0,50 mm po zubu. Istrošena površina je vrlo slična rezultatima sa testa struganja. Pored poboljšanja otpora trošenju, rezultati testa glodanja takođe pokazuju visoku otpornost na lom usljed toplotnih i mehaničkih udara submikronskih keramičkih alata.

kubični boron-nitridiIstovjetno sa keramikom, karakteristična primjena kubičnog boron-nitrida je suho glodanje i fino provrtanje sivog liva i kaljenih čelika. Za proizvodnju reznih alata, osnovni materijal, kubični boron-nitrid (CBN) je kombinovan sa keramikom, ponekad čak i sa metalnim vezivom. Rezultujuća smjesa posjeduje odlične materijalne karakteristike, kao što je vrlo velika tvrdoča i otpor hemijskom trošenju i na ekstremnim temperaturama.U teškim operacijama struganja mehanička energija je skoro u potpunosti prevedena u toplotnu procesima oblikovanja i trenja. Ekstremno visoke temperature u zoni rezanja vode toplotnom omekšivanju materijala radnog komada. Tako, operacije teškog struganja se provode na suho, korištenjem toplotnog otpora reznog materijala kao što je CBN ili keramika.

Page 14: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

dijamantNajtvrđi dostupni rezni materjal je polikristalni dijamant (PCD). Ugljik služi kao osnovni materijal i njegova specifična atomsko-rešetkasta struktura obezbjeđuje tehnički dijamant sa nekoliko izvanrednih osobina. Osobine reznog alata od polikristalnog dijamanta su bazirane na njegovoj visokoj čvrstoći, malom koeficijentu trenja, malom toplotnom širenju, i visokoj otpornosti na hemijsku koroziju. Ali primjena dijamantnih alata je ograničena na temperature manje od 600°C, jer se pojavljuje grafitizacija iznad ove temperature.PCD se uglavnom koristi za obradu laganih metala baziranih na aluminijumu, megnezijumu ili titanijumu. Naročito za primjene u automobilskoj industriji, PCD je dostignuti stepen razvoja reznih materijala za suhu obradu motora i komponenti šasije. Usljed hemijskog afiniteta ugljika i željeza, obrada čeličnih materijala sa dijamantom rezultira visokim iznosom trošenja.

3.2 Obloge

Tribološko ponašanje reznih alata za suhu obradu može biti poboljšano korištenjem savremenih obloga za alate. One pomažu u kompenziranju funkcije maziva za hlađenje tako da dodirne karakteristike i tok trošenja mogu biti poboljšane. Zavisno od očekivanog mehanizma trošenja, obloge moraju ispunjavati različite zahtjeve.Obloge moraju smanjiti odnošenje materijala, kao rezultat abrazivnog trošenja (tvrde obloge) isto kao i adhezivno trošenje, služeći kao barijerni sloj između reznog i radnog materijala. Toplotno opterećenje reznog materijala je smanjeno slojem toplotne barijere sa malim toplotnim konduktivitetom. Klizno ponašanje na slobodnoj površini i površini strugotine može biti poboljšano oblogama sa malom veličinom trenja.

višeslojne oblogeOpčenito, alatne obloge mogu se klasifikovati metodom nanošenja, npr. CVD (nanošenje hemijskim isparenjem) i PVD (nanošenje fizičkim isparenjem), i njihovim sastavom (jednoslojne i višeslojne obloge). Dok jednoslojne obloge sadrže jedan tip obloge, višeslojne obloge su sačinjene od brojnih slojeva iste obloge ili kombinovanjem različitih tipova obloge.Cilj višeslojnih obloga je spajanje pozitivnih osobina različitih obloga. Štaviše, tanki slojevi višeslojnih obloga vode povoljnoj raspodjeli opterečenja. Ako se pojavi pukotina na površini obloge, energija pukotine je rasterečena skretanjem pukotinom i račvanjem. Nasuprot ovome, jednoslojne obloge osiguravaju malu otpornost rastu

Page 15: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

pukotine. Vrhovi pukotine mogu lahko da se prošire na površinu alata i mogu da odpadnu velike površine obloge (slika 15). Sa tehnološke tačke gledišta mogući broj slojeva je skoro neograničen. Kakogod, debljina sistema obloge vodi povečanju radijusa rezne ivice. Odkako su oštre rezne ivice od krucijelne važnosti za mnoge primjene suhe obrade, tanki slojevi su često favoritizirani.

bezslojne oblogeNapredak u tehnologiji obloživanja napravio je mogućim smanjivanje debljine jediničnog sloja. Minimiziranjem mikrostrukture ili prostornih razmjera na nanometarske dimenzije, osobine i karakteristike savremenih alatnih obloga mogu biti značajno poboljšane. Višeslojne nano obloge na alatima od cementiranih karbida mogu biti odabrane iz široke oblasti sistema materijala. Dok je debljina svakog pojedinog sloja u granicama od 2-5 µm. Tako sistem obloge sa nano-slojevima će sadžavati stotine slojeva, npr. jako/čvrstog maziva ili jako/žiliave materijale.Kada se suho obrađuje čelik AISI4140, nanoslojna obloga od 100 pari slojeva 13A B4C/18A W pokazuje dramaično smanjenje trošenja prsne površine poredeči sa bezslojnim i konvencionalnim TiC-Al2O3-TiN i TiAIN obloženim alatima od cementiranih karbida. Nadalje, testovi brzoreznog suhog bušenja su provedeni na teško obradivoj Ti-6Ai-4V leguri sa čvrsto/mazivnom nano oblogom (400 pari slojeva od 80A MoS2/Mo). Nanoslojna obloga vodi do 33% smanjenja torzije i ne pokazuje lom na kraju radnog vijeka alata naspram burgije bez obloge.

supernitridiNedavni razvoj u tehnologiji obloge napravio je mogućim proizvodnju novih i inovativnih sistema obloge. Bazirano na tehnologiji metalizacije špricanjem korištenjem visoko jonizovanih plazmi, razvijene su visoko karakteristične tvrde obloge, nazvane supernitridi. Supernitridi pripadaju grupi nano-kompozita i kombinuju visoku hemijsku stabilnost oksidnih slojeva sa mehaničkim osobinama tvrdih nitridnih obloga. Nasuprot konvencionalnih PVD procesa (nanošenje fizičkim isparenjem), ovi proizvodni procesi čine mogućim proizvodnju provodljive ili izolacione TiAIN obloge sa ekstremno velikim sadržajem aluminijuma.Poboljšane karakteristike trošenja supernitrida upoređene sa PVD-TiAIN oblogama su pokazane u setu testova suhog glodanja na čeliku 42CrMo4V (slika 16). Mada je dobiveni broj rezova smanjen budući da je brzina rezanja povečana za oba materijala, nano struktura i povečan sadržaj AIN-a u oblozi od supernitrida rezultuje u večem broju rezova na svim brzinama rezanja. Donji

Page 16: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

dio slike pokazuje razliku u broju rezova nastao kod korištenja obloge na bazi supernitrida i konvencionalne obloge od TiAIN. Samopodmazujuće oblogeU operacijama suhe obrade funkcija podmazivanja može biti djelomično kompenzirana sa mehkim oblogama, takođe zvanim samopodmazujućim oblogama. Tipične samopodmazujuće obloge su MoS2 ili amorfni WC/C (slika 17). Ove vrste obloge su obično deponovane na vrhu tvrdih obloga, kao što je titan-aluminij-nitrid, Samopodmazujuće obloge poboljšavaju osobine razrađivanja alata i smanjuju trenje između reznog alata i radnog komada. Kao posljedica, rezne sile i toplota generisana procesom mogu biti smanjene.Kod bušenja temperovanog čelika sa MQL dovođenjem, samopodmazujuča gornja obloga od WC/C na TiAIN obloženoj osnovi od kermeta vodi značajnom poboljšanju otpora trošenju. Čak i kad se mehka obloga potroši nakon male dužine bušenja, tvrda podloga koja se nalazi ispod ispoljava dobre osobine razrade. Hrapava površina je izglađena, štiteči rezni alat od adhezivnog trošenja.

CBN oblogePrimjena odgovarajućih reznih materijala jedna je od preduslova za suhu obradu. Kubični boron-nitrid (CBN) je najtvrđi materijal poznato pogodan za obradu feritnih materijala. Današnji razvoj obloge od CBN-a za rezne materijale, kombinuje prednosti obloge i CBN-a, je od velike važnosti za industriju proizvodnje čelika. Upoređen sa široko korištenim sinterovanim polikristalnim kubičnim boron-nitridom (PCBN), obloge od CBN-a nanošene fizičkim isparenjem (PVD) na osnovama od cementiranih karbida imaju brojne prednosti, u pogledu geometrijske fleksibilnosti, oštrih reznih ivica bez zaobljenja i negativnih stražnjih uglova, u troškovnoj efikasnost takođe nema difuzije vezivnog materijala.Nedavni, prvi uspješni rezni testovi sa CBN obloženim reznim pločicama su izvršeni na termički obrađenom CrNiMo čeliku, staklastom livenom gvožđu i očvrsnutom CrV alatnom čeliku. U poređenju sa drugim alatnim oblogama, hrapavost radnog komada koja je generirana sa CBN obloženim alatom je daleko manja. Štaviše, sile rezanja, koje su značajno manje nego one koje proizvode obloge od TiCN nanošene hemijskom maglom (CVD), su istovjetne sa onima od TiAN obloga koje se nanose fizičkim isparenjem (PVD).Kakogod, debljina uljnog filma, adhezija filma, i geometrija osnovnog materijala mogu biti dalje optimizirane. Eksperimenti su izvršeni bez ikojeg fluida za hlađenje zbog toplotne stabilnosti i konduktiviteta, isto kao i mali koeficijent trenja, CBN obloga nanošenih fizičkim isparenjem.

Page 17: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

CVD-dijamantiDijamantni rezni alati su često jedini izbor za obradu materijala kao što su neferitne metalne legure, kompoziti sa metalnom matricom, i vlaknima ojačana plastika. Osim PCD (polikristalni dijamant) čvrstog reznog materijala, koji je proizveden dijamantnom sintezom, dijamantni film proizveden u procesu nanošenja hemijskim isparenjem (CVD) se koristi sve više i više. Nanokristalni i mikrokristalni CVD dijamantni film pomaže u smanjivanju abrazivnog trošenja zahvaljujući njegovoj prirodnoj tvrdoči. Poredeči sa polikristalnim dijamantom, CVD dijamant ne nudi samo izvanredne osobine, nego takođe ima geometrijsku fleksibilnost s obzirom na alat koji će biti obloženi. Baziran na debljini obloge, moguće je uspostaviti razliku između CVD dijamantno tankog filma i debelog filma, koji je uobičajeno nanosi na osnovu od cementiranog karbida.U testovima suhog struganja kod hipereutektičke legure aluminij-silicija CVD dijamantno debela obloga pokazuje izvanredne osobine. Visoka otpornost na abrazivno trošenje i toplotno opterečenje vodi dugom vijeku trajanja alata. Dok neznačajni naljepak može biti detektovan na prednjoj površini, naslage adhezivnog materijala koje mogu biti pronađene na bočnoj površini su karakteristične. Polikristalni dijamantni (PCD) rezni materijali ne posjeduju obim osobina kao CVD dijamantno debele obloge. Zahvaljujuči mehkoj metalnoj vezivnoj matrici, PCD je osjetljiv na abrazivno i toplotno opterečenje. Testovi čeonog glodanja i tribološki testovi, pokazuju potencijal CVD dijamantno tankih obloga tokom suhe obrade hipereutektičke legure alumini-silicijuma. Kakogod, prvi eksperimenti sa CVD dijamantno obloženim urezivanjem pod uslovima suhe obrade i korištenja minimalne količine podmazivanja pokazuju da nedovoljna adhezija filma kod osnovnog materijala i zaobljenosti rezne ivice momentalno ograničava oblast primjene CVD-dijamantno tanko-filmnih alata.

Page 18: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

3.3 Materijali radnih komada

Hemijski sastav i mikrostruktura materijala radnog komada ima značajnog utjecaja na primjenljivost suhe obrade i minimalne količine podmazivanja. Smanjivanje dovođenja maziva za hlađenje ispoljava djelovanje abrazivnog trošenja u pozitivnom smislu. Usljed visokih temperatura, strugotina i materijal radnog komada u reznoj oblasti omekšava plastično, tako olakšavajuči utiskivanje tvrdih čestica u strugotinu ili radni materijal.Kao rezultat, rezna ivica je zaštičena od abrazivnog trošenja uzrokovanog tvrdim česticama. Nasuprot ovog, alat adhezivnog trošenja je od krucijelne važnosti u procesima suhe obrade. Visoke temperature procesa lahko se mehanički zadržavaju i rasipaju usljed duktilnosti materijala radnog komada. Mehanizam rasipanja je podržan temperaturama, isto tako kao i boljim uslovima dodira.Materijali radnih komada koji se obično koriste u današnjim primjenama mašinske obrade pokazuju razlike u njihovoj pogodnosti za suhu obradu s obzirom na adhezivno trošenje. Pogonska sila za tehnologije suhe obrade je automobilska industrija, uključujući i njihove glavne dobavljače. Materijali radnog komada korišteni u preduzečima su uglavnom sivi liv i legura aluminijevog liva, koji proizvodi male sile rezanja, kao i temerature. Ali s obzirom na adheziju materijala radnog komada, kovane legure i visoko legirani nehrđajuči čelici postavljaju najveće zahtjeve na konstrukciju procesa (slika 19).

3.4 Fluidi

Empirijski je prepoznato da dovođenjem nekih fluida u neposredno okruženje dodira između alata i radnog komada može unaprjediti operacije mašinske obrade tako da je funkcija fluida takođe glavni objekat ranih istraživanja. Na višim brzinama rezanja, odkad se alat izlaže trošenju jer je temperatura povečana, važno je da fluid djeluje kao hladilo. Kad su brzine rezanja manje, osobina podmazivanja fluida postaje više istaknuta, olakšavajući tok strugotine do površine za skupljanje. Glavne funkcije reznog fluida su, radi toga, hlađenje na relativno visokim brzinama i podmazivanje na relativno malim brzinama rezanja.Kakogod, razlika između visoke i niske brzine rezanja je dosta dvoznačna i, zapravo u većini slučajeva oboje hlađenje i podmazivanje su, donekle, izvodljivi sa reznim fluidima. Na primjer, dejstvo hlađenja fluida obično se smatra kao sposobnost odvođenja generirane toplote ali takođe može da uključi i mogučnost smanjivanja generisanja toplote uz pomoč osobine fluida da podmazuje.Kada fluid djeluje kao mazivo na međupovršini alat-strugotina, problem je metod dovođenja fluida na tu granicu. Sa fenomenom kapilarne pojave posredstvom mikro-otvora između strugotine i alata, sa razlikom pritiska unutar otvora i atmosferskog ili sa dejstvom pumpanja uzrokovanog relativnim vibracijama između strugotine i alata, fluid može stići u okolinu zone gdje alat iznosi isječke. U svim slučajevima, kakogod, fluid mora penetrirati tj. prodrjeti u međupovršinu između alata i strugotine u smjeru suprotnom od smjera toka strugotine. Sa ovim na umu, prilaz sa strane alata ili sa

Page 19: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

strane bočne površine takođe može biti razmatran. Drugi oblik penetracije koji je predložen je difuzija maziva na međupovršinu između alata i strugotine kroz materijal koji je plastično deformisan unutar primarne smicajne zone ili kroz brazde na strugotini.S druge strane, rezni fluid može imati pristup neposrednoj okolini zone rezanja u fazi isparenja. Sa ove tačke gledišta, pionirski rad Rowe-a i Smart-a ukazuju na manju silu rezanja sa kiseonikom nego što je u vakumu kada se režu feritni materijali, naglašavaju važnu ulogu gasa oksigena kao maziva. Neki eksperimenti u kojima se koristi karbontetrahlorid kao mazivo pokazuju da obje, gasna i tečna faza su više učinkovitije od oksigena, i da je gasna faza učinkovitija na relativno većim brzinama rezanja.Odnedavno, dejstvo različitih maziva u fazi gasa pri obradi aluminijevih legura, za vazduhoplovstvo, se istražuje. Naročito, pokazano je da je stepen kontrolnog koraka kod podmazivanja gasom reakcija, radije nego transport molekula maziva. Ova činjenica je veoma važna jer hemijska reakcija sa svježim rezom, tako visoko aktivnim, metalna površina se smatra da je vrlo brza, ali, uprkos tome, čestice maziva mogu biti transportirane čak i brže nego tako brzi stepen reakcije kroz međupovršinu između alata i strugotine. Ovaj pristup je prihvatljiv i, moguć u praktičnom rezanju, fluidi mogu ispariti usljed visoke temperature rezanja i mogu lahko penetrirati, nasuprot kretanju strugotine, do neke granice, duboko kroz mrežu mikrokapilara koji postoje između alata i strugotine. Nadalje, možda u slučaju obrade sa minimalnom količinom podmazivanja, male čestice maziva mogu ispariti vrlo lahko, poredeći sa reznim fluidima u slučajevima dovođenja fluida plavljenjem.Tribološko ponašanje maziva je demonstrirano dejstvom adsorpcionih karakteristika na svježoj površini nastaloj rezanjem. Ako je viša faza isparenja maziva očekivana u MQL obradi, postoji, prema tome, mogučnost da se tribološka aktivnost maziva u obradi sa minimalnom količinom podmazivanja odnosi na njen fenomen adsorpcije na svježe nastaloj reznoj površini. Da bi ispitali u korjenu osobine adsorpcije sintetičnih estera na svježe nastaloj reznoj površini, aktivnost adsorpcije se mjeri korištenjem obradnih aparata u kontroliranoj atmosferi. U ovom eksperimentu, rezanje metalnog uzorka se provodi u vakumskoj komori i dvije komponente gasa mogu biti individualno dovedene u komoru pod određenim konstantnim pritiskom. Odkako pritisak isparenja čestica maziva sintetičkog estera za minimalnu količinu podmazivanja nije više dovoljno velika za uvođenje u komoru, metilalilen je korišten kao ester model i n-zasičeni uglikovodik je takođe korišten kao model hidrokarbona.Slika 20 poredi adsorpcijsku aktivnost metilalilena sa onim n-zasičenim ugljikovodikom. Metilalilen pokazuje relativno visoku adsorpcijsku aktivnost, dok n-zasičeni ugljikovodik ne pokazuje značajnu adsorpciju. Ovo je očekivani

Page 20: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

rezultat jer hidrokarbonat nema stožerno grupisanje da se adsorpuje na površini metala. Zanimljivo je značajno povečanje adsorpcijske aktivnosti metilalilena ako je oksigen prisutan, namečući da oksigen može da poveča adsorpcionu mogučnost estera. Ova situacija može biti po svojoj prilici vrlo slična ponašanju maziva u MQL-rezanju jer, čak blizu tačke rezanja, čestice maziva su okružene velikom količinom zraka koji sadrži oksigen. Slika 21 ilustrira šematski razlike između (a) konvencionalnog dovođenja potapanje, (b) dovođenje MQL-a. U MQL-rezanju reaktivnost mazivnog estera je uvečana oksigenom iz atmosfere, vodeči do formiranja masivnog i tribološki efektivnog filma za podmazivanje. Modifikovana verzija ovih aparatura je dostupna sada i istraživanja su upravo započeta da bi razumjeli utjecaj aktivnosti adsorpcije maziva na aktuelno ponašanje rezanja.

4 PROCESI MAŠINSKE OBRADE

Različiti mašinski procesi postavljaju različite zahtjeve na količinu maziva za hlađenje potrebnog da osigura i zadovolji rezultate obrade. Primjena suhe obrade, s gledišta generirane toplote, čiščenja strugotine, i kinematskih uslova treba biti razmotrena kada se dizajnira proces.Klasične operacije suhe obrade su testerisanje i glodanje. Slika 22 pokazuje utjecaj procesa obrade sa dovođenjem maziva za hlađenje. Prekinuti rez jamči kratku prekinutu strugotinu, dobro čišćenje strugotine i hlađenje reznih ivica. Usljed obično dobre dostupnosti zoni rezanja, operacije struganja su takođe pogodne za smanjenje maziva za hlađenje. Jer neprekinuto rezanje duktilnog materijala može voditi dugoj i nepovoljnoj strugotini, geometriji reznih uložaka, npr., lomač strugotine, i geometrijski parametri igraju važnu ulogu. Za procese sa defenisanom geometrijom reznog alata, operacije pravljenja rupa kao što je bušenje, urezivanje i razvrtanje su često teški za izvršiti bez bar nekog maziva za hlađenje. Usljed prikrivene zone rezanja visoka toplota procesa može biti generisana i uklanjanje strugotine van rupe je od krucijelne važnosti. Nadalje, brzina rezanja opada sa prečnikom bušene rupe, što vodi do različitog opterećivanja vanjskih ivica i sredine alata. Visoki zahtjevi na kvalitetu rupe i različito opterećenje na reznim ivicama i šinama vođicama u operacijama razvrtanja zahtjeva tačnu analizu i usvajanje procesa mašinske obrade. Velika gustoća energije, u nepristupačnoj zoni rezanja i zahtjevi za ekstremno visokim kvalitetom površine, čini veoma teškim smanjivanje napajanja konvencionalnim

Page 21: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

mazivom za hlađenje u procesima mašinske obrade sa geometrijski nedefinisanim reznim ivicama. Kakogod, neka istraživanja su pokazala mogučnost i potencijal MQL napajanja u operacijama brušenja.

4.1 Geometrijski definisana rezna ivica

GlodanjeBazirano na kinematskim uslovima, suho glodanje može biti smatrano kao dostignuti stepen razvoja tehnologije obrade za široki spektar materijala radnih komada. Kakogod, u nekim primjenama materijal radnog komada ili naročiti obradni procesi zahtjevaju detaljnu analizu i adaptaciju svih komponenti procesa i parametara da bi se postigla ekonomična suha obrada.Suho glodanje sa trapezoidnim otvorima unutar držača kod bušilice za kamen napravljene od 34CrNiMo6 (AISI4340) predstavlja tako izazovnu primjenu (slika 23). Usljed malih otvora širine 2.55 mm, sve modifikacije alata trebaju da se dese unutar malih razmjera. Opšti problemi mašinske obrade se pojavljuju u obliku radnog materijala koji prianja na rezne ivice i grube površine na zidovima otvora obrađenih konvencionalnim glodanjem, vodeći do smanjenja radnog vijeka alata. Submikronski i ultra-fini cementirani karbidi kombinovani sa TiAIN višeslojnom oblogam rezultuje u obliku rezača koji može izdržati velika mehanička opterećenja koja se mogu pojaviti u procesu. Treba biti korištena tvrda osnova, naročito kada se povečava pomak po zubu na veličinu ≥0.03mm.Imajući u vidu geometrijski dizajn oblika rezača, povečanje u broju zubaca sa 2 na 3 rezultuje u značajno dužem radnom vijeku. Za bezbjedne procese glodanja veličina žljeb za strugotinu mora biti dovoljno velika, što ograničuje maksimalni broj zuba. Daljne modifikacije se odnose na prilagodljivi dizajn reznih ivica opterečenjem, korištenjem simulacije metodom konačnih elemenata.

StruganjeU današnjoj industrijskoj praksi, mnoge operacije struganja mogu se izvoditi suho ili sa minimalnom količinom podmazivanja. Pored klasičnih polja teškog struganja ležišta i steznih komponenti, pogonske osovine i djelovi rotirajučih simetričnih otkovaka takođe mogu biti obrađivani bez sredstva za hlađenja u velikoserijskoj proizvodnji. Odkako moderni rezni alati osiguravaju visoku tvrdoču na povišenim temperaturama i oblogama sa visokim osobinama, rezni materijali za primjenu suhog rezanja mogu biti razmatrani kao standardni alati.

Page 22: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Nedavni razvoj u proizvodnji cementiranih karbida i obloga dozvoljava struganje visoko-legiranih nehrđajućih čelika sa MQL-om. Dizajniranje procesa obrade za podešene vijke napravljene od sastava čelika (SAE329), zahtjeva modifikaciju reznih uložaka i reznih parametara kao odgovor na promjenjene uslove rezanja (slika 24).

Podešavanje standardnih reznih alata, sa visokim mehaničkim i toplotnim opterećenjima procesa suhe obrade rezultuje u lomu alata nakon 3 podešena vijka koja su obrađena. Toplota i visoki pritisak na kraju rezne ivice tokom grube obrade naročito ograničava performanse procesa.Uzimajući u račun primječene probleme, rezni materijal je zamjenjen sa submikronskim cementiranim karbidom sa nanoslojem obloge, tvrde i otporne na temperaturu, bazirane na AIN/TiN. Nadalje, dubina reza na glavi vijka je smanjena i brzina rezanja i veličina posmaka su povečane da bi osigurali nepromjenljivo vrijeme obrade. Rezultati pokazuju da modifikacije reznog materijala i strategije obrade omogučavaju ekonomičnu obradu struganjem visoko-legiranih čelika sa dovođenjem minimalne količine podmazivanja (slika 25). Kod struganja podešenih vijaka korištenjem MQL-a, sve osobine kvaliteta u potpunosti zadovoljavaju tehničke zahtjeve konvencionalnog procesa obrade. Sa iznimkom prva dva dijela zbog podešavanja, svi podešeni vijci su unutar polja tolerancije prečnika od 25j8. U pogledu površinske hrapavosti, svi obrađeni vijci imaju značajno manju od

Page 23: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

maksimalno dopuštene od 16 µm. Dejstvo podmazivanja medija minimalne količine podmazivanja čini mogućim proizvodnju vrlo dobre završne površin (Rz=6.3 µm) sa malim rasipanjem.Drugi primjer teškoća, rješavanja operacije struganja, je proizvodnja kućišta od kovane legure aluminija. Zadatak je naročito izazovan jer se velika količina osnovnog materijala odstranjuje (oko 90%). Slika 26 pokazuje oblik polaznog materijala i oblik završenog dijela. Podešavanjem strandardnih alata i reznih parametara prema konvencionalnom procesu obrade rezultuje u značajnim problemima koji se odnose na ekstremno dug tok strugotine i tešku adheziju. Velika količina unutrašnje obrade rezultuje u lošem kvalitetu površine i značajnom povečanju temperature radnog komada.Rješenje ovih problema obrade se pronalaze kroz više koraka. U prvom koraku modifikovano napajanje MQL-om je primjenjeno tako da dopušta korištenje pojedinih podešenja za svaki alat. Kao rezni materijal, cementirani karbid sa adaptiranom geometrijom i TiB2 oblogom je primjenjen da smanji adheziju. Nadalje, rezni parametri su povečani značajno (vc ≤ 950 m/min, f ≤ 0.5 mm, ap ≤ 5 mm) da poboljšaju lomljenje strugotine i smanje grijanje radnog komada. Držači alata su modifikovani glodanjem kanala za hlađenje unutar njih da osiguraju optimalno MQL dovođenje i dodatni kanali za napajanje kompresovanim zrakom. Kompresovani zrak i konična pred obrada unutarnje konture osigurava bezbjedno uklanjanje vrele strugotine.Modifikacije čine pouzdan proces sposobnim za obradu aluminijevih kučišta. Svi adaptirani alati proizvode samo kratko lomljenje strugotine. Adhezija materijala na alat je minimizirana korištenjem glatkih obloga i optimiziranog napajanja MQL-om (minimalnom količinom podmazivanja). Kompresovani zrak i karakteristična strategija obrade rezultuje efektivnom odvođenju strugotine.

BušenjeCementirani karbidi su povoljni rezni materijali u proizvodnji visoko performansnih svrdla. Bazirani na kontinuiranom trendu primjene suog HSC-a i HSP-a, sve više i više proizvođača alata modificira alate da odgovore izazovnim zahtjevima suhe obrade. Predstavljene modifikacije uključujući oštre i čvrste rezne ivice da bi se ostvarile male rezne sile, i

Page 24: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

adaptirani dizajn kanala za hlađenje koji če dozvolit bezbjedan transport aerosoli za MQL, široke žljebove koji če osigurati pouzdano odvođenje strugotine, i glatku površinu alata koja če smanjiti trenje i adhezivno trošenje (slika 27).Modifikacije alata i povečanje parametara rezanja uzrokuju značajno veču brzinu toka strugotine. Tako, dodirno vrijeme između alata i radnog komada može biti smanjeno i performanse procesa unapređene. U primjenama HPC-a, brzina posmaka može biti dva do tri puta veća od one u konvencionalnom obradnom procesu. Mjerenja torzije i sila rezanja ističe potencijal ovih vrsta burgija (slika 28). Niti sila posmaka niti torzija pokazuju visoko dinamičko ponašanje. Sila i torzija su blizu konstantne za cijelu dubinu bušenja. Tako, nastajane strugotine i uklanjanje iste može biti kontrolirano da bi se osigurala visoka pouzdanost procesa. Povečanje brzine rezanja vodi blagom povečanju u sili rezanja.Slično ponašanje može biti primječeno za torziju bušenja. Usljed večeg nivoa temperature, rezni procesi napredujumnogo lakše. Tako, energija potrebna za formiranje i separaciju materijala se jedino povečava do malih količina. Kao mana, dinamičko ponašanje mjerenja sila i torzije se povečava. U serijskoj proizvodnji korištenjem suhog rezanja visoko performansne burgije mogu ponuditi mogučnost smanjenja vremena proizvodnje ili povečanje radnog vijeka alata. Slika 29 ilustrira rezultate eksperimentalnog istraživanja bušenja prirubnica napravljenih kaljenog čelika bez ikakvog napajanja sredstvom za hlađenje. Podešavanje dvokoračne zavojne burgije sa osnovom od submikronskog cementiranog karbida i TiAIN obloge bez ikakvog sredstva za hlađenje, radni vijek alata može biti produžen značajno čak za 150 % poredeći sa konvencionalnim procesom sa konstantnim reznim parametrima. Poboljšane performanse alata mogu biti u osnovi pripisane smanjenom nivou toplotnog udara.

Bušenje dubokih rupaČak i operacije bušenja dubokih rupa sa odnosom dužina/prečnik mnogo većim od tri mogu biti sprovedene korištenjem napajanja kompresovanim zrakom ili MQL-om kroz kanale za hlađenje unutar alata. Primjeri ovakvih primjena mogu biti pronađeni u automobilskoj industriji, i uključuje obradu sistema bušotina unutar bloka motora napravljenog od

Page 25: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

sivog liva ili livenog aluminija korištenjem pojedinih ivica revolvera burgija, isto kao obrada koljenastih vratila napravljenih od kaljenog čelika sa zavojnom burgijom.Sa obzirom na duboko bušenje sivog liva, izbor reznih parametara i dizajna alata je suštinska za zadovoljavajuće rezultate obrade (slika 30). Istraživanje vijeka trajanja alata otkriva da je tehnologija ekonomične suhe obrada moguća. Pri renoj brzini od 80 m/min. trošenje kanala vođica pokazuje različit minimum. Nadalje, ponašanje trošenja može biti poboljšano zaobljavanjem i poliranjem prelaza sa zakošenih ivica na kanal vođice. Za razliku naspram rezultata spomenutih gore, reznih materijali otporni na trošenje i obloga isto kao i unutarnje dovođenja minimalne količine podmazivanja tj. MQL-a je obavezno za obradu livenih legura aluminija i čeličnih materijala. Tvrde obloge od TiAIN sa MoS2 podmazivačkim gornjim slojem vodi dobrim rezultatima obrade. U pogledu dovođenja MQL-a, efikasnost MQL fluida je od naročite važnosti. Sintetički esteri su osobito dobri u osiguravanju adhezije materijala na reznom alatu i pobojšavaju kvalitet rupe.

RazvrtanjeOperacije razvrtanja koje se oslanjaju na asistenciju šina vođica, jedne ili dvije ili višereznih ivica razvrtača nude odlične mogučnosti za MQL (slika 31). Kada se koriste alati sa asistencijom šina vođica, šine vođice utiču na sile rezanja i osiguravaju potporu bušenim rupama, tako ograničavajući skretanje tj. odstupanje. Frikcioni par, šine vođice i zid rupe, moraju biti podmazivanji i strugotina mora biti pouzdano odvođena iz rupe. Tako, generisanje toplote, nivo trošenja podržan šinama vođicama i štetni efekat na formiranje površine može biti minimiziran. Važno je da medij MQL-a (minimalne količine podmazivanja) bude napajan unutar alata preko internih kanala. Model izlaznih otvora za MQL medij je odlučujući faktor za osiguravanje kontinuiranog podmazivanja šina vođica i pouzdanog odvođenja strugotine. Ogroman potencijal suhe obrade je ilustrovan vrlo jasno u razvrtanju. Tehnologija finog bušenja je optimizirana tokom dugog perioda vremena sa jedinim objektom postizanja vrlo visokog nivoa preciznosti i površinske kvalitete. U konvencionalnoj obradi provrtanja sa podmazivanjem/hlađenjem, većina reznih parametara je zbog toga postavljena na male veličine.Novi alati za provrtanje dizajnirani su kao dio razvoja suhog rezanja i HPC čine mogućim da postigne brzine rezanja nekoliko puta veće nego one postignute za konvencionalno operacije obrade sa podmazivanjem/hlađenjem. Kao što je demonstrirano primjerom visoko performansne tehnike provrtanja ili je već

Page 26: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

primjenjena u serijskoj proizvodnji ili projektovana, suha obrada i obrada sa minimalnom količinom podmazivanja nudi ogromni potencijal za povečavanje efikasnosti i smanjenja troškova.

Narezivanje (pravljenje navoja)Obje, proizvodnja navoja i bušenje su ekstremno važne operacije. Alati su izloženi ekstremno visokim nivoima mehaničkih i toplotnih opterećenja u ovim operacijama kao rezultat rezanja, trenja i adhezije. Brojni obloženi, geometrijski optimizirani, brzorezni alati su dostupni na tržštu za operacije suhog urezivanje navoja na materijalimakao što su liveno željezo, čelik i aluminij. Esencijalno je da se ispuni strategija minimalnog podmazivanja kada se ovi alati koriste. Isto se dovodi u vezu sa operacijama valjanja navoja. Primjena ove tehnike je standardna industrijska praksa u većini operacija proizvodnje navoja u aluminijumu.Istraživanja pokazuju da je ova tehnika takođe pogodna za operacije urezivanja navoja primjenjene na duktilnim čeličnim materijalima. Suha obrada sa minimalnim podmazivanjem je pogodna, takođe. Operacije urezivanja i valjanja navoja moraju biti izvođene na razmjerno malim brzinama rezanja usljed ograničenja u odnosu na materijal i u odnosu na proces (slika 32). Glodanje navoja je korisna alternativa. Ne samo da se karbidni alati koriste u ovim operacijama koji osiguravaju veće rezne iznose sa ogromnim smanjenjem u vremenu proizvodnje, nego takođe eliminiraju potrebu za minimalnom količinom podmazivanja, Nadalje, kombiniranjem alata i procesa kao što je trilovanje (bušenje, zakošivanje i glodanje navoja sa jednim alatom) ili kružno trilovanje (rupa za navoj, navoj i zakošenje sa jednim alatom u isto vrijeme) dopušta smanjenje u korištenju velikog broja alata i, analogno, u broju promjena alata u neproizvodnom vremenu. U svakom od procesa ili odabira alat, isti alat proizvodi rupu za navoj i navoj. Ovo znači da jedan manje alat i jedna manje promjena alata su potrebne nego što je to u operaciji glodanja navoja gdje su potrebna dva različita alata.Strategija zamjene konvencionalnih procesa sa kružnim procesima, otvara nove oblasti primjene suhe obrade. Značajno vrijeme je ušteđeno. Brzina rezanja alata je raspregnuto od posmaka kod urezivanja ili valjanja navoja je zamjenjeno sa glodanjem navoja. Brzina rezanja i posmak postaju nezavisni na odabiru. Oni mogu biti optimizirani odvojeno da budu podesni za primjenu pri ruci. Prekinuti dodir u

Page 27: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

operaciji glodanja navoja ima prednost naspram neprekidnog kontakta između alata i radnog komada kod urezivanja i valjanja navoja. Ovo je značajan pomak u smijeru prelaska na suhu obradu.Legure aluminijuma su među najinteresantnijim materijalima u smislu suhe obrade. Visok nivo toplotne vodljivosti povezan sa ovim legurama dopušta apsorbciju značajne količine toplote. Kombinovani sa njihovom istaknutom toplotnom osobinom ekspanzije, rezultuje u značajnim promjenama oblika dijela i u povečavanju problema koji se odnose na nastajanje strugotine kao rezultat njihove niske tačke topljenja i spajanja. Mnoge legure aluminijuma su sklone ljepljenju za alat, zabušivanju prostora za strugotinu, i formiraranju očigledno zavisne strugotine od temperature obrade. Kada se ove operacije izvode pod okolnostima cjelokupne strategije suhe obrade, ove karakteristike često rezultuju u značajnom gubljenju vrijednosti kvaliteta dijela, eventualno čak ide tako daleko da uzrokuje oštećenje alata usljed loma. Uspješno suho struganje, bušenje, razvrtanje, bušenje navoja ili operacija završnog glodanja primjenjene na legurama aluminijuma se, prema tome, oslanjaju na implementaciju strategije minimalne količine podmazivanja, isto tako kao na alate sa pogodnim sistemom višeslojnih obloga.

ProvlačenjeProvlačenje je visoko efikasni obradni proces često upotrebljavan u visoko-količinskoj proizvodnji visoko-preciznih komponenti sa kompleksnom geometrijom. Kratko vrijeme procesa i metode otpornih alatnih mašina čini proces vrlo atraktivnim za odabrane operacije rezanja kao što je sistem unutrašnjih zuba ili nosač ležaja. Negativno odličje procesa uključuje njegova ograničena fleksibilnost i veliki troškovi alata.U operacijama provlačenja, gotovo svi tehnološki procesi i povezane karakteristike su definisane alatom. Zbog ovog razloga alati igraju odlučujuću ulogu u cjelokupnom procesu. Naročito u slučaju suhe obrde, dizajn alata postaje vrlo značajan, sa specijalnim naglaskom baziranom na poboljšanju reznih materijala i specifičnih obloga alata.Primjena standardnih alata dizajniranih za procese konvencionalne obrade uzrokuju probleme kada se obrada vrši pod suhim okolnostima (slika 33). Naročito nedovoljna postojanost reznih ivica vodi do razaranja reznog materijala. Ova činjenica je istaknuta značajnim

Page 28: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

povečanjem trošenja alata na grudnoj površini, čiji iznos je i do tri puta viši nego trošenje alata koje se pojavljuje u istovjetnim procesima koji koriste konvencionalno dovođenje sredstva za hlađenje. Nadalje, odsustvo hladila i neprilagođena geometrija alata vode do povečanja termomehaničke interakcije sa radnim komadom, Kao rezultat, pojavljuje se naljepak i povečava se površinska hrapavost. Bazirano na rezultatima koji su opisani, alat za suho provlačenje sa visoko kvalitetnim osnovnim materijalom i višeslojnom oblogom kombiniran sa uvečanim uglom za strugotinu i prostorom za istu, su razvijeni. Testiranje prilagođenog alata ispoljava rezno valovito odstupanje, poboljšano formiranje strugotine i smanjenje u emisiji buke. Poboljšane karakteristike alata za suho provlačenje može biti u osnovi karakteristika dizajna grudnog i leđnog ugla, isto kao i smanjenje trenja povezanog sa alatnom oblogom (više toplote ide sa strugotinom). Štaviše, brzorezni čelici praškaste metalurgije obezbjeđuju visoko postojane rezne ivice i obloge koje odoljevaju adheziji. Slika 34 ilustrira utjecaj brzine rezanja na karakteristike alata za suho provlačenje. Može se vidjeti da bolja površinska hrapavost i manje rezne sile mogu biti postignute večim brzinama rezanja.Ovo ponašanje uglavnom je bazirano na poboljšanju reznih uslova na visokim brzinama provlačenja, pomoću čega je trenje na grudnoj površini smanjeno. Štaviše, visoke brzine rezanja osiguravaju kratko vrijeme dodira i više temperature u zoni rezanja, tako poboljšavajući obradni proces. Količina strugotine raste i boja strugotine se mjenja iz metalno srebrene u plavu. Ali nedavni rezultati testa su otkrili da maksimalno površinsko trošenje je udvostručeno na oko 38 µm kako je brzina rezanja povečana sa 30 na 80 m/min. I pored toga granica od 40 µm nije dostignuta, čak i na dužini rezanja od 150 m.

Oblikovanje zubčanikaOblikovanje zupčanika je neprekidan proces u proizvodnji zupčanika rezanjem metala. U osnovi tri nezavisne kretnje karakterišu proces obrade. Ovo su rezne kretnje alata, rotaciono kretanje rezača i radnog komada, i radijalno kretanje rezača.Bez obzira na to kako je operacija definisana, postoje tri osnovna procesa zadiranja alata u radni komad, koji mogu biti razlikovani na osnovu radijalnog kretanja. Kada se zadire bez kretanja kotrljanja, radijalno zadiranje djeluje bez rotacionog kretanja alata i radnog komada. U slučaju zadiranja sa kotrljanjem, iznos zadiranja alata i iznos dubine zadiranja je postignut sa istovremenim obrtanjem alata i radnog komada, pri čemu ugao kotrljanja tipično iznosi manje od 180°. Helikoidni tj. zavojni proces sa

Page 29: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

opadajućim upravljanim radijalnim posmakom istovjetan je sa okolnostima u kojima se iznos zadiranja i dubina zadiranja mjenju neprekidno preko broja i broja obrtaja.Za oblikovanje zupčanika, mjerenje reznih sila pomaže u analizi opterečenja koja se pojavljuju na rezaču za jednake odnose proizvodnje, ali pod različitim uslovima obrade (slika 35). U konvencionalnim procesima rezanja zupčanika (zadiranje sa/bez obrtanja), povečanje opterećenja u suhoj obradi je između 15% i 25%, zavisno na reznim parametrima koji su korišteni. Za zavojno-radijalno-opadajući zadiranje, suho rezanje znači da povečanje u brzini rezanja uzrokuje značajno manje povečanje u glavnoj reznoj sili (približno 5%). Ovo se dešava usljed velikih obrtnih posmaka, sa kratkim vremenom dodira između alata i strugotine. Nadalje, razmjera rada trenja u formiranju strugotine je mala. Funkcija podmazivanja fluida je minorna usljed ovih okolnosti dodira. Mjerenje sile rezanja otkriva da tehnika zavojno-radijalno-opadajućeg zadiranja je više pogodna za suhu obradu nego konvencionalni proces zadiranja. Ova tehnika je, zbog toga, korištena u kasnijim istraživanjima. Za standardni alat obložen titan-nitridom (TiN) povečanjem brzine rezanja sa 60 na 75 m/min (25%) povečava se dubina kratera, zavisno od uslova podmazivanja (slika 36). Interpoliranjem vrijednosti za dubinu kratera od 100 µm, brzina rezanja se povečava služeći smanjenjem radnog vijeka na 30% od orginalnog nivoa, Takođe je jasno da, za iste brzine rezanja, postoje vrlo male razlike između radnog vijeka alata postignutog suhom obradom i primjenom konvencionalnog fluida. Za određeni radni vijek, suha obrada rezultuje uvijek u dubini kratera manjim od onih koji se pojavljuju u obradi sa podmazivanjem. Nedavni razvoj u tehnologiji obloga je izazvao glavne koristi u otporu rezača na trošenje. Inovativni sistemi slojeva {komercijalni standardni tvrdi slojevi (CrN,(Ti,Al)N,Ti(C,N)gradijent) i novi tipovi obloga (Ti(C,N)višeslojni, MoS2 i TiN+ MoS2 obloge)} su ispitani da bi se odredile pogodnosti za određene zahtjeve procesa oblikovanja zupčanika. Cilj eksperimentalnih ispitivanja bio je da se postigne glavno povečanje u vijeku trajanja rezača.Za identične uslove rezanja, različite standardne obloge (Ti(C,N)gradijent, (Ti,Al)N, TiN, CrN) rezultuju jedino u minornim razlikama u radnom vijeku alata. Porstoje samo beznačajne razlike u dubini kratera između ovih materijala obloga za radni vijek alata od 450 rezova šupljina međuzublja. Pozitivna karakteristika trošenja TiN+MoS2 kombiniranog sloja je uporedljiva sa onom od Ti(C,N) višeslojno obloženog alata. Poboljšanje ili napredak u metodama oblaganja znači da suha obrada rezultuje u udvostručavanju radnog vijeka alata, poredeći sa korištenjem standardnih slojeva.

Page 30: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

4.2 Geometrijski nedefinisana rezna ivica

BrušenjeMnoga istraživanja otkrivaju da čak i procesi brušenja imaju potencijala za značajno smanjenje u potrošnji konvencionalnih maziva za hlađenje. Čisti primjer je površinsko brušenje kaljenog čelika sa minimalnom količinom podmazivanja tj. MQL-om.U istraživanju je korišten kaljeni čelik 16MnCr5 (SAE 5115), koji se često koristi u visoko opterečenim djelovima, kao što su zupčanici ili vratila. Za okruglo brušenje slika 37 pokazuje rezultujuče normalne sile kao funkciju dubine reza i odnosa specifičnog odnošenja materijala za različite uslove hlađenja. Da bi dobili pouzdane informacije o procesu brušenja, svaki ekperiment je ponovljen osam puta i rezultati koji su prezentirani su prosjek ovih testova. Rezultati pokazuju da se normalna sila povečava degresivno kao funkcija iznosa specifičnog odnošenja materijala (veča dubina reza) za konvencionalno dovođenje sredstva za hlađenje. Maksimalna sila veča od Fn = 900 N je primječena na specifičnoj količini odnošenja materijala od Q'w = 14 mm3/(mm·s)., koja odgovara dubini reza od ae= 140 µm. Smolom (kalafonijum) spojeni korundni točak je karakterizovan gustom strukturom i visokovezivnom izdržljivošću koja rezultuje u brzom opterečivanju topografije točka metalnom piljevinom to jest strugotinom. Ovo dejstvo vodi do toplotnog oštećenja radnog komada, kao što su pukotine ili svjetlo i tamno nagrižena mjesta, s obzirom na kratkotrajni metalurški dodir na površinskom sloju. Kao što je očito, kada se primjenjuje MQL pod istim okolnostima brušenja oštečenje se pojavljuje na manjim specifičnim količinama odstranjivanja za Q'w < 1 mm3/(mm·s). U poređenju sa konvencionalnim dovođenjem sredstva za hlađenje, normalna sila se povečava mnogo brže kod korištenja MQL-a. Daljnja istraživanja suhog brušenja u slučaju kaljenih čelika za iste okolnosti brušenja kod eksperimenta pokazuje toplotno

Page 31: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

oštečenje isto kao i veče rezne sile; hrapavost radnog komada dobijena je na čak manjim specifičnim količinama odnošenja materijala od Q'w < 0.5 mm3/(mm·s). Razlog ovakvog ponašanja procesa postaje evidentan kroz elektro-mikroskopsko skeniranje strugotine. U obradi sa podmazivanjem, relativno duga strugotina sa različitim širinom i debljinom se pojavljuje, nagovještavajući dobro odnošenje strugotine i dovoljnu poroznost u prednjim dejstvujućim zrnima. Sa MQL i suhim brušenjem, oblici strugotine su promjenjeni značajno i okarakterizovani su velikim količinama strugotine u komadima, označavajući istrošenost smanjenje vrijednosti odnošenja strugotine zbog opterečenja točka. Na slici 38, normalna sila u odnosu na radnu brzinu je pokazana. Sa primjenom konvencionalne emulzije za hlađenje u zoni dodira, normalna sila ostaje približno konstantna i nije opaženo nikakvo toplotno oštečenje. U poređenju, korištenje MQL-a vodi kontinualnom povečanju u u normalnim silama sa velikom devijacijom to jest odstupanjem u rezultatima, eventualno usljed smanjene stabilnosti procesa sa ovim napajanjem sredstvom za hlađenje. U isto vrijeme, toplotno oštećenje se pojavljuje pri malim količinama odnošenja materijala od Q'w < 0.5 mm3/(mm·s).Poredeći rezultate postaje očigledno da je normalna sila više osjetljiva na dubinu reza nego što je to sa brzinom rezanja, i, prema tome, smanjenje u dubini rezanja je više efikasnija strategija za postizanje površine obradka bez oštečenja nego smanjenje brzine rezanja. U oba slučaja. Količina odnošenja materijala, ekvivalentna debljina strugotine, isto kao i sile, su smanjene. Manja brzina rezanja takođe uzrokuje povečanje u vremenu djelovanja generacije toplote, zbog čega bilo koji smanjeni nivo generacije toplote je djelomično izjednačen. Sve u svemu u kružnom brušenju sa MQL-om količina maksimalnog odnošenja materijala od Q'w = 0.5 mm3/(mm·s) ili Q'w = 0.25 mm3/(mm·s) je postignuta bez toplotnog oštečenja na površinskom sloju radnog komada.

5 ALATNE MAŠINE I PERIFERNA OPREMA

Suha obrada ne zahtjeva samo tehnološka podešavanja procesa obrade nego i također nove standarde za alatne mašine i opremu koja podržava alatnu mašinu. Izostanak funkcije maziva za hlađenje, kao hlađenje, kontrola temperature, čiščenje strugotine, transport strugotine, čiščenje, i čuvanje, zahtjeva alternativna rješenja, koja jedino mogu biti postignuta kroz odgovarajući dizajn alatnih mašina.Adaptacija alatnih mašina u ispunjenju zahtjeva suhe obrade mora biti posmatrano odvojeno za stare i nove sisteme. Na postoječoj opremi, konstrukcione promjene obično zahtjevaju više truda i više troškove. Ako su troškovi obnove ekonomski ne izvodljivi, često aplikacija sistema sa MQL dovođenjem i kučište za radni prostor predstavlja razumne i neophodne modifikacije. Sa razvojem novih alatnih mašina, mogućnost izrade bitnih promjena dizajna je veča, odkad zahtjevi za suhu obradu ili MQL mogu biti razmatrani od početka. Kakogod, granični uslovi proizvodne strukture koji postoje u praksi imaju mnogo različitosti u pronalaženju jedinstvenih potpunih rješenja. Zbog toga, neophodno je razmotriti liniju prenošenja, mašinske centre, i mašine za specijalne svrhe odvojeno (slika 39).

Page 32: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Zahtjevi postavljeni za alatne mašine opremljene za suhu obradu u masovnoj proizvodnji i fleksibilni sistemi proizvodnje mogu biti podjeljeni u različite kategorije. Jedan od najvažnijih problema je uklanjanje strugotine iz obradnog prostora da bi se izbjeglo nagomilavanje strugotine i da bi se smanjila toplota nastala u komponentama alatne mašine. Nadalje, kompenzacija temperature, integracija MQL-a, isto kao i mjere sigurnosti, su važni aspekti koji trebaju biti razmotreni.

5.1 Dizajn alatnih mašina

S obzirom na uklanjanje strugotine, važno je da vrela strugotina ne razmjenjuje kinetičku i toplotnu energiju sa radnim komadom, instalacijama, i komponente alatne mašine. Osnovni zahtjevi su da postoji kosina u dizajnu radnog prostora i efikasno uklanjanje strugotine iz radnog prostora. Da bi postigli veliku proizvodnost manuelno uklanjanje strugotine treba biti izbjegnuto. Adaptirana radna zona trebala bi imati zaštitne ploče, nagnute površine i koso pozicioniranje metalnih limova. Nadalje, zaštitne ploče sa glatkim i otpornim površinama na trošenje i visečim ili nagnutim radnim komadima sprječavajuči nagomilavanje strugotine. Upravljanje strugotinom i premještanje strugotine unaprjeđeno je potpuno ograđenim radnim prostorom i automatizovanim konvejerom za strugotinu (slika 40). Ako vertikalne površine ne mogu biti realizovane u alatnoj mašini, automatizovano čišćenje i sistem izvlačenja pomaže pri izbjegavanju akumulacije strugotine. Međutim, postoje mnogi različiti ispusni sistemi za uklanjanje strugotine što je brže moguće.Promjene potrebne za prilagođavanje procesa suhe obrade nema efekat samo na dizajn unutrašnjosti alatne mašine. Ostale komponente sistema proizvodnje moraju biti modificirane i periferna oprema mora biti adaptirana za specifične

Page 33: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

potrebe. Slika 42 pokazuje neke primjere dizajna elemenata da bi se izbjegla akumulacija strugotine i toka toplote prema komponentama alatne mašine.Osim kučišta radnog prostora i vađenja strugotine, prašine, i čestica, upravljanje zagađivanjem atmosfere takođe mora biti razmotreno. Filteri i sistem za separaciju su potrebni iz razloga čiščenja i odvajanja. Idealno, ove komponente upravljane su sa potpuno regerativnim materijalima. Razmatrajući zaštitu zdravlja radne snage to jest ljudi, kučište bi trebalo da ograniči buku na 75 jedinica railways (A). Odabir odgovarajučih konstrukcionih materijala za visoko-djelotvorne alatne mašine je od suštinske važnosti. Potoji povečano korištenje reakcionih smola kao alternativni konstrukcioni materijal. Kao odgovor na veča toplotna opterečenja i veću gustinu energije pogonskog motora i osovina, kompozitna ležišta često se koriste za alatne mašine za završnu i teško-strugarske operacije i primjenu suhe obrade.Neke komercijalne alatnih mašine su razvijene koje su adaptirane za potrebe suhe obrade. Tipične osobine su automatsko rukovanje radnim komadom i integracija internog sistema doveđenja minimalne količine podmazivanja to jest MQL-a (slika 43).

5.2 Integracija MQL sistema (integracija sistema minimalne količine podmazivanja)

Sa obzirom na napajanje MQL-om, integracija i kontrola MQL sistema je osnovni zahtjev za alatne mašine pogodne za suhu obradu. Količine doziranja zraka i fluida, isto kao i alatom povezani podaci, trebaju biti pohranjeni u numerički kontroliranu jedinicu. Zbog učestalog mjenjanja alata u automatizovanom sistemu proizvodnje neophodno je osigurati kratko vrijeme odziva jedinice MQL-a. Curenje maziva i puštanje zračnog pritiska tokom zamjene alata treba biti izbjegnuto. Kratko vrijeme odziva, prebacivanjem na impuls za mjerenje jedinica, i izbacivanjem aerosli iz cjevovoda za hađenje je fundamentalno.Opčenito, vanjsko dovođenje MQL-a može biti smatrano kao zavisnost u cjelini od mjerene jedinice. Ograničenja dovođenja MQL-a opčenito je povezano sa niskom dostupnošću reznoj zoni, koja je, u struganju, u zavisnosti od pozicije mlaznica u odnosu na rezni alat. Za večinu automatizovanih aplikacija reznja, interno dovođenja MQL-a kroz alat je najbolje. Usljed mnogih interfejsa u lancu između sistema MQL dovođenja i izlaznih otvora na alatu, neophodna je adaptacija cjelokupnog sistema.

Page 34: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Jedna od glavnih poteškoča je centrifugalna sila usljed rotacije alata na mješavinu aulje-zrak. Aerosol se može izdvojiti i akumulirati unutar alata ili osovine. Neujednačen poprečni presjek i veliki broj obrtaja narušava efektivan transport mješavine. Nadalje, poprečni presjek kanala za hlađenje utiče na brzinu toka.Za MQL sistem određeno i efektivno podmazivanje je od suštinske važnosti. Potrebni su sitemi koji mogu osigurati dobru raspršivost, fine kapljice na izlazu iz alata. Sistem sa jednim kanalom dovođenja aerosoli pokriva veliki put, i komponente aerosoli mogu biti izdvojene ili kapljice mogu zgusnuti. Sistem sa dvokanalnim dovođenjem dopušta regulisanje preko varijabli veličinu kapljica, siguran transport mješavine, i kratko vrijeme odziva.MQL sistem obično treba da napaja mnogo rezličitih alata, koji zahtjevaju različite količine ulja i zraka. Bazirano na ovoj činjenici, budući zahtjevi su kompletna integracija MQL sistema u numerički kontroliranu alatnu mašinu.

5.3 Uklanjanje strugotine

U operacijama struganja strugotina obično pada na konvejer strugotine zbog pristupačnosti reznoj zoni. Nasuprot ovog, operacije glodanja mogu voditi oštroj strugotini ili kontaminacji čestica u radnoj zoni. Zbog prekinutog reza, mali komadići strugotine su generisani i rastureni obrtajem alata. Kao rezultat, strugotina se može lako nataložiti na platformama, steznim uređajima, ili radnim komadima. U ovim slučajevima, usisni sistem može biti primjenjen, koji uklanja strugotinu blizu rezne zone. Neka istraživanja su fokusirana na skupljanju strugotine u aplikacijama bušenja. Predstavljeni koncepti u osnovi se razlikuju u smislu međuprostora između alata i radnog komada i strategije odvođenja strugotine. Neki usisni poklopci izbacuju strugotinu pod određenim uglom u radnu zonu, dok drugi koncepti usisavaju strugotinu preko crjeva, direktno izvan alatne mašine. Kakogod, konstrukcija svih usisnih crijeva mora da se suoči sa osnovnim problemom da strugotina mora biti smanjena i ispuštena sabirnim elementom, zbog čega proces ne bi trebao biti ometan njom. Ovo zahtjeva vrlo pažljivu konstrukciju i realizaciju sabirnog elementa isto kao njegovog odnosa upravljanja zrakom i strugotinom, kao i optimizirani alat za skupljanje strugotine.Relevantni kriterij za definisaje konstrukcionih parametara izduvnog crijeva je bazirana na neophodnim tehničkim zahtjevima. Osnovni zahtjevi su međuprostor

Page 35: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

između mašine i alata, mali konstrukcioni volumen, kompatibilnost sa izmjenjivačem alata, sistem sastavnog bloka (interfejsi), i snaga usisavanja pogodna za mašinski proces. Slika 45 ilustrira različita današnja rješenja sistema usisnika. Nedavno, razvijen je sistem koji sakuplja i ispušta strugotinu sa oprugom sa spiralnom trakom. Sistem ne samo da smanjuje pouzdano strugotinu, nego također i izlučuje MQL aerosol. Slika 46 pokazuje MQL aplikaciju sa formiranjem ekstremne magle. Primjenjivanjem identičnih parametara obrade, opruga sa spiralnom trakom vodi do čišćenja obradne okoline, bez dodirivanja komponenti alatne mašine.Da bi implementirali automatske operacije na mašinskim centrima, alat i crijevo za odvođenje su integrisani zajedno u alatu. Ispuno crijevo treba ispuniti različite zahtjeve naspram alata da osigura efikasnu i ekonomičnu operaciju. Crijevo mora biti prčvrščeno torzionim suportom na alatu odkako ne smije da rotira tokom procesa obrade. Dalje, crijevo mora biti vezano sa držačem alata sa uređajem protiv odvrtanja, budući da crijevo mora biti u potpunosti nevezano sa držačem alata tokom obrade. Da bi se koristila opruga sa spiralnom trakom u mašinskim centrima, modularna konstrukcija je napravljena od nekoliko inžinjerskih komponenata. Važna je brza i jednostavna izmjena sistema kao i pouzdana operacija.Slika 47 pokazuje djelove sistema usisnika u mašinskom centru sa teleskopskim alatom. Tokom procedure mjenjanja u magacinu alata, odvodno crijevo čuvaju tri sferna kuglična dijela izvedeni u prstenu na držaču alata. Sa promjenom opruge kuglice su oslobođene od držača alata i torzioni suport preuzima podešavanje usisnog crijeva. Kada je usisni sistem uklonjen od alata, usisno crijevo je ponovo oslobođeno torzioni suportom i sada fiksiranje pozicije crijeva preuzimaju oblikovani sferni kuglični dijelovi na držaču alata. Tokom procesa obrade ne postoji kontakt između rotirajučeg držača alata i ne rotirajučeg izduvnog crijeva. Trenutna istraživanja sistema skupljanja strugotine su fokusirana na razvoju pouzdanih sistema izdvajanja koja se lahko održavaju. Ova istraživanja ističu da se jedinstveno moraju uzeti u obračun tehničkih zahtjeva, kao što je identificiranje uzroka mogućih kvarova i poboljšanje upravljanja strugotinom i pouzdanost operacije, da bi se postigao industrijsko-koristan dizajn.Poređeno sa aluminijem ili sivim livom, mnogi rizici su povezani sa suhim, ili čak MQL, rezanjem magnezijuma. Ako se procesne temperature veće od 450°C pojave, strugotina može da se zapali. Plamen strugotine od magnezijuma ili prašina mogu

Page 36: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

dostiči približno 3000°C. Štaviše, pomjeranje strugotine ili prašine dalje od alatne mašine može da proširi vatru i na druga mjesta. Nadalje, čestice magnezijuma manje od 500 µm predstavljaju predstoječu opasnost od eksplozije.Važan zadatak u suhoj obradi magnezijuma je smanjivanje količine strugotine koja postoji unutar radnog prostora alatne mašine. Odnoseči se na ovu mjeru, nastala strugotina mora biti odstranjena iz alatne mašine što je moguće brže i pouzdanije. Postizanje ovog cilja smanjuje toplotu unutar radnog prostora, i povečava preciznost radnog komada. Rizik od oštećenja mašine također će biti smanjena, odkako će količina strugotine magnezijuma u radnom prostoru biti mala i potencijalna vatra će imati manje djelovanje.Jedan koncept uklanjanja strugotine je baziran na siklonskom separatoru, koji izdvaja strugotinu i prašinu iz alatne mašine. Presa za pravljenje briketa je spojena sa sistemom uklanjanja strugotine zbijuči izdvojeni materijal tek kad dovoljna količina strugotine bude skupljena (slika 48). Da smanjimo ljepljenje strugotine na komponente sistema, zidovi i lijevci su napravljeni od čisto nehrđajučeg čelika. Sa ovim mjerama, količina toplote pohranjene u strugotini koja se prenosi prema alatnoj mašini je smanjena. Nadalje, od pomoći pri skupljanju strugotine je, radni prostor koji bi trebao imati nagnuto oblikovane zidove i oblik bi trebao pratiti obim kretanji mašine.Mjerenja emisije prašine su izvođena na izlaznoj cijevi od strane certificirane asocijacije tokom glodanja i bušenja legure magnezijuma AZ91HP. Parametri rezanja su odabrani da proizvedu veliki nivo prašine naspram tipičnih uslova obrade; prosječna koncentracija mase prašine po kubičnom metru zraka koja je izmjerena iznosi 1.5 mg/m3, sa maksimumom od 3.1 mg/m3. Obje vrijednosti su ispod maksimalne dozvoljene vrijednosti za lokalno primjenljivim profesionalno-sigurnim standardom (10 mg/m3). Slika 49 daje pregled sklopljenog prototipa mašine. Briket proizveden korištenjem procesa iznad ponaša se kao masivni dio od magnezija, što znači da strugotina nije zapaljiva u presovanom obliku. Jednom, strugotina koja napusti sistem predstavlja malu, bilo kojoj, opasnosti od vatre. Usljed kontinuirane operacije sistema usisavanja ne postoji akumulacija strugotine u alatnoj mašini ili okolini proizvodnje. Nadalje, ciklonski separator premošćuje problem fine i eksplozivne prašine odkako nije potreban filter za separaciju. Briketi takođe zahtjevaju manji prostor skladištenja nego odgovarajuča ne presovana strugotina jer je vrlo veliki faktor kompresije do 11.

Page 37: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

Brojni obradni testovi su izvođeni sa prototipom alatne mašine koji je razvijen. Tokom testova je verifikovana sigurnost sistema za obradu magnezijuma pod okolnostima suhog rezanja.

5.4 Kontrola temperature

Kao što je spomenuto prethodno, uklanjanje vrele strugotine, koja sadrži oko 90% nastale toplote u procesu rezanja, je ključno izdanje sa obzirom na izbjegavanje značajnog zagrijavanja radnog komada i komponenti alatne mašine. Kakogod, ako prijenos toplote ne može biti izbjegnut, važno je poznavati količinu generisane toplote tokom procesa obrade. Značajno toplotno širenje radnog komada i alata mora biti detektovano, na primjer; integrirani sistem laserskog mjerenja, i momentalno kompenziranje implementirano preko sistema numeričke kontrole. Ipak, ovaj problem i izmjene udruženog sistema se ne odnose na suho rezanje; oni se primjenjuju približno praktično na sve sisteme obrade.Ostala mjere koja služe da toplotne devijacije radnog komada čuvaju na malom nivou su toplotna stabilizacija prije i poslije procesa obrade, i adaptirana strategija obrade. Modificirana strategija ili plan procesa koji je fokusiran na izbjegavanje prenošenja toplotnog deformisanja sa jednog procesa na drugi će učiniti mogućim procese obrade sa velikim volumenima rezanja, dugim vremenom dodira, ili velikim iznosima trenja na kraju plana procesa obrade. Ako je moguće, visoka preciznost procesa trebala bi biti smještena na početku (slika 50).

5.5 Zaštita od vatre i eksplozije

Izostavljanjem sredstva za hlađenje u suhoj obradi meže zahtjevati određene sigurnosne mjere predostrožnosti. Tokom obrade legura lahkih metala sa MQL-om, eksplozivna mješavina prašine i finih čestica može nastati. Zbog visokih temperatura procesa izvor paljenja se može pojaviti, naročito pod uslovima agresivne obrade. Čak iaoko paljenje mješavine aerosoli raspršene u zraku nije vjerovatna, mjerenja bi trebala biti preduzeta da bi se zaštitila alatna mašina i ostala kapitalna oprema, ali i zdravlje radnika.Tehnologija dostignutog stepena razvoja za obradu legura magnezijuma u konvencionalnim procesima obrade koristi sistem zaštite protiv vatre i eksplozije. U osnovi, komponente ovog sistema mogu biti prenesene u aplikacije sa MQL-om. Usljed opasnosti od eksplozije, obuhvačeni prostor treba da podnese pritisak nastao eksplozijom. Da bi spriječili katastrofalnu eksploziju alatne mašine, klapne za

Page 38: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

ispuštanje pritiska su integrisane unutar radne zone. Aktivna mjerenja zaštite mogu biti realizovana pogodnim sistemom gašenja požara. Optički i toplotni senzori kontrolišu proces obrade i automatski aktiviraju sistem za gašenje požara. U isto vrijeme, oglašava se alarm najavljujuči vatru osoblju održavanja.Nadalje samostalna zaštita alatna mašina , perifernih komponenti, kao što je sistem za izdvajanje i spremnici strugotine, takođe mora biti razmotrena, odkad strugotina i prašina nisu vezani medijem. U obradi magnezijuma, na primjer, suha strugotina trebala bi biti smještena u zatvorenim spremnicima strugotine da bi se spriječilo paljenje. Ili, kao što je opisano prethodno, proces briketiranja može biti korišten da smanji rizik povezan sa gorenjem strugotine i eksplozijom.

6 BUDUĆA NASTOJANJA I RAZVOJ

Rezni alati i oblogeModerne tehnologije obrade kao što su suha obrada i obrada sa minimalnom količinom podmazivanja, isto kao brzorezne keramike (HSC) i keramike visokog pritiska (HPC), pokreču ogroman razvoj reznih alata tokom zadnje decenije. Rezni materijali otpor na toplotu i trošenje kao i obloge su, i dalje, ključ visoko-performansnih obrada. Može biti očekivano da će trend primjene finih i ultrafinih cementiranih karbida biti nastavljen. Trenutačno, poboljšanja su ograničena tehnologijom procesa sinterovanja. I pored toga, istraživanja na labaratorijskom nivou su fokusirana na razvoju reznih materijala sa nano-strukturom, čije će osobine premašiti one osobine koje posjeduju trenutno dostupni cementirani karbidi.Praškasta metalurgija proizvodi rezne materijale, kao što su cementirani karbidi, kermeti, kubični-boron-nitrid (CBN) i polikristalni dijamant (PCD), dajući njihove osobine procesom sinterovanja. Odkad obradne performanse zavise od ovih osobina, optimizacija proizvodnje reznih materijala predstavlja prostor od ogromne važnosti za istraživanje. Kao primjer, proizvodnja gradijentne ili tekstrurne strukture treba biti spomenuta; ove strukture dopuštaju dizajn alata adaptiranih za određena opterečenja.Daljnji razvoj treba očekivat u smislu obloga alata. Pored optimizacije nanoslojnih obloga i supernitrida, CVD-dijamant i CBN obloge će dobiti na važnosti. Kakogod, mnogi proizvođaći alata napuštaju debele i kompleksne višeslojne obloge i umjesto toga fokusiraju se na tanjim i više moćnijim filmovima.Variranje graničnih uslova procesa obrade i primjena novih teško obradivih materijala radnih komada često zahtjeva rješenja među specijalnim alatima. Usljed izazovnih zadataka, trend napravljenih alata prilagođavanjem če se nastaviti. Ovo je naročito istinito u masovnoj proizvodnji, gdje je često manje od 10% proivodnje standardnih alata.

MQL-dovođenjeS obzirom na neke probleme koji trebaju biti izučeni kod MQL dovođenja. Izvjesno, MQL tehnologija nudi ogromni potencijal u smislu unaprjeđenja performansi

Page 39: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

cjelokupnog procesa. Do sada, zahtjevi ka MQL fluidnim medijem, osiguranje odličnog podmazivanja, neprekidnog prskanja, i češćenja alatne mašine, nisu dovršeni. Štaviše, sistem dovođenja MQL-a treba biti dalje razvijen da se smanje nepotrebne količine maziva. Ovaj zahtjev se direktno odnosi na potrebi za optimizacijom i standardizacijom interfejsa alat-držač alata-rezni alat.Drugo važno unaprjeđenje se fokusira na pračenju MQL aerosoli. Istraživanja toka aerosoli pokazuje da, povečanje brzine rotiranja ima utjecaj na smjer toka i formiranje vrtloga. Bazirano na ovim rezultatima, dizajn alata i, naročito, pozicija izlaza kanala za hlađenje mora biti modifikovano.Mjerenje i razumjevanje dvokomponentnog toka aerosoli u procesu MQL je neophodan za buduće i široke primjene ove tehnike. Pouzdano i postojano podmazivanje treba biti postignuto pod bilo kojim procesom da bi se odigurao uspješan proces suhe obrade. Odabir primjenljivog tipa izvođenja, dizajna kanala hlađenja, i kontrola procesa zahtjeva poznavanje vremenskog i kvantitativnog ponašanja aerosoli na rotirajučem vrhu alata (slika 51). Rezltati vizualizacije laserskim svjetlom na ploči i odgovarjaučeg tribološkog eksperimenta pomaže u razumjevanju i kontroli djelovanja često provjerenih kod korištenja sistema MQL. Daljnje osiguranje važnih uvida u dizajn procesa, rezultati istraživanja će biti od koristi pri razvoju senzora aerosoli koji će biti integrisani u alatnu mašinu.

Dizajn alatne mašineRazmatrajući razvoj tokom zadnjih godina, suha obrada i MQL su tehnologije koje trebaju biti razmotrene u dizajnu novih sistema alatnih mašina. Dok su veliko razmerni prozvodni sistemi fokusirani na pojednim radnim komadima, materijalima i obradnim procesima, malo i srednje razmjerne industrije su naročito izazovne sa velikim mnoštvom obradnih zadataka. Tako, materijali koji su teško obradivi i visoko-precizne obradne operacije mogu i dalje zahtjevati konvencionalno dovođenje sredstva za hlađenje. Kakogod, buduća poboljšanja u polju reznih alata će pomoči povečanju udjela obradnih alata specifično podešenih za suhu obradu (slika 52).U današnjici, alatne mašine koje susreču zahtjeve suhe obrade su komercijalno dostupne. Mada ovi koncepti alatnih mašina osiguravaju dobro čišćenje strugotine,

Page 40: Suho rezanje i minimalna količina podmazivanja

čistoča radnog prostora je i dalje glavni problem u suhoj obradi i primjeni MQL-a. Tako, razvoj treba biti fokusiran na poboljšanom izdvajanu strugotine i prašine, isto kao i adaptirane tehnike čiščenja. Moguča generacija visokih procesnih temperatura zahtjeva monitornig temperature komponenti alatne mašine i radnog komada. Toplotne deformacije trebaju biti otkrivene, izračunate i kompenzirane preko sistema numeričke kontrole.Povečanje proizvodnosti proizvodnog procesa može uzrokovati da konvencijalne alatne mašine postignu svoja fizička ograničenja. Moderni koncepti alatnih mašina fokusirani na prostorno više-osnim kinematike ili kombinirana konstrukcija poluga kinematike i konvencijalnog kartezijanskog koncepta. Usljed poboljšanog dinamičkog ponašanja i više brzine ove vrste alatnih mašina su dobro podešene za primjenu suhe obrade.

7 REKAPITULACIJA

Smanjenje maziva za hlađenje u modernim reznim tehnologijama suhe obrade i MQL-a vodi do značajnog unapređenja u mašinskim tehnologijama. Danas, mnogi mašinski procesi i materijali radnih komada se proizvode primjenom modernih reznih alata i obloga, adaptirani dizajn alata i strategija obrade, isto kao i optimizirane alatne mašine. Ove visoko-performansne komponente sistema osiguravaju ekonomične i visoko proizvodne procese, malim smanjivanjem vremena proizvodnje obradnih procesa sa podmazivanjem i značajnim poboljšanjem kvaliteta radnog komada.Operacije suhe obrade, većinom korištene u visoko-količinskim, veliko-razmjernim industrijama, kao što je automobilska proizvodnja, i dalje zahtjeva specijalna rješenja. Kakogod, predviđeno je povečanje broja industrijskih primjena i istraživačke aktivnosti koje su u toku u polju suhe obrade i MQL-a će podržati i najzad rezultirati u ekspanziji ovih modernih visoko-performansnih tehnologija na maloserijsku i srednjeserijsku proivodnju.