Obróbka skrawaniem oraz obróbka plastyczna metali i ich stopów wymaga, z wyjątkiem szczególnych przypadków, stosowania środków smarnych, których głównym zadaniem jest zmniejszanie tarcia, odprowadzanie ciepła powstającego podczas obróbki, odprowadzenie wiórów, dobre zmywanie powierzchni obrabianej, zmniejszenie zużycia narzędzi, ochrona międzyoperacyjna obrabianych elementów, zapewnienie odpowiedniej gładkości obrabianych powierzchni.
Środki smarne stosuje się przy prędkościach skrawania poniżej 100 m/s. Przy wyższych obróbki dokonuje się bez stosowania cieczy obróbkowych lub chłodzi się strefę skrawania strumieniem sprężonego powietrza, aerozolem, gazami. W procesach głębokiego wiercenia podaje się ciecz obróbkową pod ciśnieniem.
W obróbce skrawaniem stosuje się oleje nieemulgujące z wodą, oleje emulgujące konwencjonalne i mikroemulsje oraz chłodziwa syntetyczne wodorozcieńczalne.
Dobór środków smarnych do operacji obróbki skrawaniem wymaga analizy warunków skrawania: rodzaju materiału, rodzaju obróbki, szybkości skrawania, ilości wydzielanego ciepła oraz przewidywalnego okresu składowania międzyoperacyjnego obrabianych detali.
W przypadku gdy proces obróbki przebiega z dużą prędkością skrawania, podczas której wydziela się duża ilość ciepła, stosuje się oleje emulgujące o odpowiednim stężeniu lub wodorozcieńczalne ciecze obróbkowe. Gdy w procesie obróbki skrawaniem występują ciężkie warunki, takie jak duże głębokości skrawania, wymagane są dobre własności smarne. Stosuje się wówczas oleje obróbkowe nieemulgujące.
Olej obróbkowy często pełni również rolę oleju smarującego dla ruchomych podzespołów obrabiarek, np. w automatach tokarskich. Konieczność stosowania oleju obróbkowego może wynikać także z możliwości dostawania się cieczy obróbkowej do obiegu smarującego lub hydraulicznego obrabiarki.
Ciecze obróbkowe emulsyjne
Oleje obróbkowe emulsyjne zawierające w swoim składzie ponad 50% oleju mineralnego tworzą z wodą nieprzezroczyste, mleczne emulsje. Wielkość kropelek oleju w tego typu emulsji wynosi kilka mikrometrów.
Oleje obróbkowe mikroemulsyjne zawierają poniżej 50% oleju mineralnego. Sporządzone z nich mikroemulsje są przezroczyste, lekko opalizujące, a wielkość kropelek oleju mineralnego wynosi 0,01 0,1 mikrometra.
Mikroemulsje charakteryzują się mniejszym napięciem powierzchniowym, lepiej zwilżają obrabiane elementy oraz narzędzia skrawające, dzięki czemu lepiej odbierają ciepło ze strefy skrawania. Mają ponadto dobre własności zmywające i wykazują dłuższą trwałość eksploatacyjną ze względu na większą odporność na rozkład bakteryjny.
Zarówno oleje emulsyjne, jak i mikroemulsyjne mogą zawierać dodatki poprawiające własności smarne typu EP (ang. extreme pressure).
Do obróbki skrawaniem używa się również wodorozcieńczalnych cieczy obróbkowych tworzących z wodą roztwory. Stosuje się je głównie przy szlifowaniu.
Udział procentowy wody w sporządzanych w zakładzie cieczach obróbkowych emulsyjnych, mikroemulsyjnych i wodorozcieńczalnych wynosi 9098%. Jakość stosowanej wody ma więc ogromne znaczenie dla jakości otrzymywanych emulsji. Woda używana do sporządzania chłodziw powinna mieć twardość 415 stopni niemieckich (woda miękka do średnio twardej). Emulsje sporządzone na wodzie bardzo miękkiej będą miały skłonność do pienienia, natomiast sporządzone na wodzie twardej będą słabiej chronić przed korozją, a także będą wydzielać nierozpuszczalne mydła. Odczyn pH stosowanej wody powinien być powyżej 6.
Woda nie powinna zawierać jonów chlorkowych, siarczanowych i węglanowych w ilości powyżej dopuszczalnych norm dla wody pitnej. Duża zawartość tych jonów powoduje słabszą ochronę przeciwkorozyjną emulsji. Korzystne jest stosowanie kondensatu wodnego w tych zakładach, które mają go do dyspozycji, a następnie częściowe utwardzenie go octanem wapnia. Należy zwrócić uwagę, że w trakcie obróbki z wydzielaniem szczególnie dużej ilości ciepła odparowuje woda, natomiast rozpuszczone w niej jony pozostają w emulsji i stopniowo się zatężają, co powoduje pogorszenie ochrony przeciwkorozyjnej, mimo utrzymywania prawidłowego stężenia emulsji obróbkowej.
Woda powinna mieć czystość mikrobiologiczną jak woda pitna, czyli ilość bakterii powinna być nie wyższa niż 102/ml.
Dobre chłodziwo obróbkowe powinno zapewniać, oprócz właściwego smarowania, stabilny odczyn pH w długim czasie, dobrą ochronę przeciwkorozyjną obrabianych elementów, a także dużą odporność na rozkład bakteryjny. Oczywiście brak działania szkodliwego dla pracowników obsługujących obrabiarki to sprawa podstawowa.
Dobrej jakości chłodziwa emulgujące nie wymagają specjalnych zabiegów pielęgnacyjnych. Utrzymywanie zalecanego stężenia chłodziwa oraz usuwanie oleju obcego z emulsji zapewnia im długi okres eksploatacyjny. Obniżenie zalecanego stężenia spowodowane brakiem właściwej kontroli eksploatowanej emulsji powoduje niedostateczne stężenie środków biobójczych w chłodziwie i gwałtowny rozwój mikroorganizmów. Wówczas niezbędne jest dodanie, pod kontrolą nadzoru, właściwej dawki środka biobójczego i podwyższenie stężenia emulsji roboczej.
Dobierając ciecz emulgującą należy mieć na uwadze:
- zapewnienie dobrych parametrów obróbki
- dobrą ochronę przeciwkorozyjną i możliwość pracy przy niskich stężeniach
- odporność emulsji na tworzenie mydeł
- odporność emulsji na pienienie, szczególnie gdy jest ona podawana pod dużym ciśnieniem
- brak przykrych zapachów spowodowanych rozwojem mikroorganizmów w emulsji w trakcie eksploatacji
- dobrą filtrowalność emulsji
- długi czas pracy i związane z tym oszczędności w kosztach wymiany i utylizacji zużytej emulsji.
Ciecze obróbkowe olejowe
Ciecze obróbkowe olejowe mają przewagę własności smarujących, które zmniejszają ilość ciepła powstającego podczas skrawania, zapobiegają powstawaniu zjawiska adhezji, czyli szczepiania materiałów ostrza i materiału obrabianego i wzajemnemu ich wyrywaniu. Zapobiegają również zjawisku dyfuzji, czyli wzajemnemu przenikaniu cząsteczek i atomów jednego materiału w drugi, co ma miejsce przy dużych naciskach powierzchniowych i wysokiej temperaturze.
Ze względu na lepkość kinematyczną w temperaturze 40°C oleje dzieli się na klasy lepkości (tabela).
Pod względem składu chemicznego ciecze obróbkowe olejowe dzieli się na oleje mineralne:
- bez dodatków
- z dodatkami poprawiającymi własności smarne – chemicznie nieaktywnymi (niewywołującymi korozji miedzi i jej stopów); jako dodatki nieaktywne chemicznie stosowane są m.in. oleje roślinne i kwasy tłuszczowe
- z dodatkami środków smarowych EP – chemicznie aktywnymi (wywołującymi korozję miedzi i jej stopów); dodatki EP to najczęściej siarka zdyspergowana w oleju oraz związki siarki, chloru i fosforu
- z dodatkiem środków smarowych EP – chemicznie nieaktywnych i aktywnych.
Oleje ze środkami smarowymi chemicznie nieaktywnymi stosuje się przy niższych temperaturach występujących w strefie skrawania oraz przy obróbce miedzi, aluminium i ich stopów.
Oleje z dodatkami EP chemicznie aktywnymi stosuje się przy wyższych temperaturach w strefie skrawania i występowaniu dużych nacisków powierzchniowych. Dodatki EP wchodzą w reakcję z metalami i w efekcie tworzą na powierzchni film smarujący, charakteryzujący się niewielką twardością i niską wytrzymałością na ścinanie. Oleje te stosuje się do obróbki stali trudnoskrawalnych.
Stosowanie olejów ze zbyt aktywnymi środkami smarowymi EP może powodować nadmierne tępienie narzędzi skrawających w wyniku erozji chemicznej. Natomiast oleje o zbyt małej aktywności chemicznej mogą powodować tępienie ostrzy w wyniku erozji adhezyjnej.
Olejów zawierających aktywne związki siarki nie należy stosować do obróbki miedzi i jej stopów.
Przy trudniejszej obróbce stopów miedzi i aluminium stosuje się oleje z dodatkami chlorowymi.
Toczenie i wytaczanie
Do toczenia zgrubnego i średnio dokładnego stali stosuje się emulsje lub mikroemulsje o stężeniu 45%.
Przy toczeniu i wytaczaniu wykańczającym, które charakteryzuje się małymi przekrojami warstwy skrawanej i większymi prędkościami, stosuje się emulsje lub mikroemulsje z dodatkami EP o stężeniu 710%. Dzięki wzmocnionym własnościom smarnym uzyskuje się również zwiększoną gładkość obrabianej powierzchni.
Obróbka na automatach tokarskich stali zwykłych wymaga olejów o lepkości w temperaturze 40°C od 13,5 do 25 mm2/s, niezawierających dodatków smarnych lub z dodatkami smarnymi chemicznie nieaktywnymi.
Obróbka na automatach tokarskich stali stopowych i austenitycznych wymaga olejów o lepkości w temperaturze 40°C od 13,5 do 25 mm2/s, z dodatkami smarnymi chemicznie aktywnymi (EP).
Należy zaznaczyć, że im większy jest przekrój warstwy skrawanej, tym wyższe własności smarne EP powinien mieć olej stosowany do obróbki.
Przy bardzo trudnej obróbce używane są oleje posiadające własności smarne na poziomie 785 daN, mierzone na aparacie czterokulowym.
Podczas obróbki przy zastosowaniu olejów jako środków smarnych powstaje mgła olejowa powodująca podrażnienie skóry i dróg oddechowych pracowników obsługujących obrabiarki, szczególnie przy niewydolnej instalacji wentylacyjnej. W ofercie producentów olejów znajdują się oleje obróbkowe z dodatkami wydatnie zmniejszającymi mgłę olejową.
Frezowanie
Przy frezowaniu średnio dokładnymi narzędziami ze stali szybkotnącej stosuje się emulsje olejowe bez dodatków EP o stężeniu 5%. Przy obróbce dokładnej zalecane są emulsje z dodatkami EP o stężeniu 810% lub oleje z dodatkami EP.
Przy niewielkich prędkościach frezowania głowicami ze stali żaroodpornych, kwasoodpornych i austenitycznych stosuje się oleje z dodatkami EP o klasie lepkości 46 w temperaturze 40°C.
Frezowanie, dłutowanie i przeciąganie (nacinanie uzębień) kół zębatych wykonuje się wyłącznie przy zastosowaniu olejów z dodatkami EP o klasie lepkości 22 lub 32, rzadziej 46.
Przy wiórkowaniu kół zębatych stosuje się oleje EP o klasie lepkości 22.
Wiercenie
Przy wierceniu stosuje się emulsje wodnoolejowe przy mniejszych wydajnościach skrawania (niższa temperatura, mniejsze ilości wiórów ) i w materiałach niewykazujących skłonności do występowania zjawisk adhezyjnych. Wiercenie zgrubne prowadzi się przy stężeniu ok. 5%. Wiercenie dokładne wymaga stosowania stężenia 810%.
Przy wierceniu dokładnym stosuje się również oleje z dodatkami EP o klasie lepkości 7 lub 10.
Przy wierceniu głębokich otworów stosuje się oleje ze szczególnie wysokimi własnościami smarnymi EP w klasie lepkości od 15 do 46.
Przy głębokim wierceniu wymagane jest dokładne filtrowanie oleju, a olej zawracany do obróbki powinien być dobrze schłodzony.
Przy wierceniu stali trudnoskrawalnych – ciągliwych lub twardych – zaleca się oleje z aktywnymi dodatkami EP.
Szlifowanie
Ciecze obróbkowe stosowane przy szlifowaniu mają za zadanie odprowadzanie ciepła wydzielającego się intensywnie podczas tej obróbki oraz smarowanie i dobre wymywanie ściernicy. Powinny mieć też dobre własności sedymentacyjne. W tej roli sprawdzają się najlepiej oleje o niskiej lepkości z dodatkami EP zawierającymi związki chloru.
Przy szlifowaniu wgłębnym stosuje się oleje z dodatkami EP zawierającymi siarkę i dodatki polarne typu tłuszczowego.
Stosowanie tych olejów pozwala na uzyskanie lepszej gładkości obrabianych powierzchni oraz zmniejszenie zużycia ściernic w porównaniu ze stosowaniem emulsji.
Zaletą stosowania emulsji olejowych i oraz syntetycznych cieczy obróbkowych są ich niższe koszty w porównaniu z olejami oraz bardzo dobre własności chłodzące, co jest ważne ze względu na dokonywanie pomiarów. Z tych względów oleje stosuje się przy szlifowaniu kół zębatych, narzędzi, bieżni łożysk tocznych, gwintów. Dzięki utrzymywaniu przez nie trwałości profilu ściernicy zapewniają wysoką dokładność kształtu oraz wysoką gładkość.
Emulsyjne ciecze do szlifowania stosuje się przy niskich stężeniach – do 3%. Przy większych stężeniach następuje „zabijanie się” ściernic oraz pogarszają się własności sedymentacyjne.
W procesach szlifowania stosowane są emulsje olejowe, mikroemulsje, a także ciecze obróbkowe syntetyczne. W grupie cieczy syntetycznych znajdują się preparaty dające przezroczyste roztwory, które pozwalają na obserwację strefy skrawania.
Mikroemulsje oraz roztwory cieczy obróbkowych syntetycznych stosuje się również przy szlifowaniu stali i węglików spiekanych ściernicami diamentowymi.
Dogładzanie
Do dogładzania stosuje się oleje o niskiej lepkości – poniżej 10 mm2/s w temperaturze 20°C.
Do obróbki stopów twardych należy używać olejów z dodatkami chemicznie nieaktywnymi, natomiast do obróbki materiałów ciągliwych stosuje się oleje z dodatkami EP chemicznie aktywnymi.
Przy dogładzaniu żeliwa należy używać olejów z dodatkami chemicznie nieaktywnymi.
Obróbka plastyczna na zimno
Do obróbki plastycznej, takiej jak tłoczenie, wykrawanie, walcowanie blach, walcowanie gwintów, ciągnienie, trzpieniowe gięcie rur, stosuje się, w zależności od procesu, jedną z następujących cieczy obróbkowych:
- oleje emulgujące tworzące z wodą emulsje – stosowane w stężeniach 10% i wyższych, dobranych do danego procesu – stosuje się do tłoczenia
- oleje bez dodatków smarowych stosowane przy łatwej obróbce plastycznej
- oleje z dodatkami smarnymi typu EP o zróżnicowanych składach chemicznych oraz o zróżnicowanych lepkościach i własnościach smarnych. Oleje o najwyższych własnościach smarnych do bardzo trudnej obróbki, przy skomplikowanej geometrii, mają własności smarne na poziomie powyżej 785 daN, mierzone na aparacie czterokulowym. Są to oleje klasy lepkości od 100 do 220.
Do obróbki plastycznej stosowane są również oleje z dodatkami EP o klasach lepkości 320 i 460.
Podsumowanie
Dobór optymalnego środka do obróbki plastycznej jest trudnym problemem i wymaga dużego doświadczenia. Należy uwzględnić stopień trudności danej obróbki, przewidywany czas i warunki składowania elementów po obróbce w celu zagwarantowania ochrony przed korozją oraz stosowany w danym zakładzie sposób mycia elementów po obróbce w celu usunięcia środka smarnego. Niezbędne jest przeprowadzenie prób technologicznych.
Właściwy dobór środka smarnego do obróbki skrawaniem i obróbki plastycznej zapewnia:
- uzyskanie oczekiwanych parametrów obrabianej powierzchni
- małe zużycie narzędzi skrawających stosowanych do obróbki
- wysoką wydajność procesu obróbki,
- bezpieczne środowisko pracy do obsługi obrabiarek
- efekty ekonomiczne wynikające z wysokiej jakości gotowego wyrobu.
Należy podkreślić, że dobór cieczy obróbkowej do danego rodzaju obróbki na podstawie analizy parametrów obróbki jest doborem wstępnym. O zastosowaniu środka smarnego w praktyce decydują pozytywne wyniki prób z wybranym środkiem.
Autor: Małgorzata Pałacka jest głównym technologiem w firmie PDP Naftochem.
