Jetstream Tooling®

Od današnjih sistemov orodij za dovajanje hladilnega sredstva* pričakujejo uporabniki veliko več kot le omogočanje hladnega odrezovanja kovin. Ko za delo izberete ali ste celo prisiljeni izbrati hladilno sredstvo, bi morala biti funkcionalna učinkovitost na čim višji ravni, poleg tega pa bi morala nuditi veliko priložnosti za izkoriščanje skrite produktivnosti. Prav tako je pomembno, da novodobni sistemi orodij za dovajanje hladilne tekočine omogočajo učinkovito odvajanje odrezkov, kar še posebej velja za struženje.

Prednosti uporabe hladilnega sredstva za zniževanje temperature in mazanje (za zmanjšanje trenja) so dobro znane; hladilno sredstvo se po navadi nanese s poplavljanjem območja obdelave. Hladilno sredstvo pa je resnično učinkovito takrat, ko hitro niža temperaturo na območju rezanja, za kar najbolje poskrbi visokotlačni tok hladilnega sredstva, ki hladilno sredstvo natančno nanese na pravo mesto.

Izzivi hlajenja med obdelavo kovin

Nanašanje hladilnega sredstva in zahteva po produktivnosti v panogah strojne obdelave sta pogosto v navzkrižju, kar proizvajalcem postavlja številne izzive, od katerih lahko izpostavimo materiale, ki jih uporabljajo v letalski industriji, npr. titanovo zlitino Ti6Al-4V. Zlitina Ti6Al-4V ima nizko toplotno prevodnost in nizek elastičnostni modul, zaradi česar je to primeren material za močne, toplotno odporne in lahke dele reaktivnih motorjev. Po drugi strani pa zlitina slovi po dragi strojni obdelavi zaradi nizkih hitrosti rezanja, nemogočega nadzora odvajanja odrezkov in razmeroma kratke obstojnosti rezalnega orodja. Odrezki, ki se ne lomijo, so predolgi in se lahko zagozdijo, kar povzroči okvaro orodja, v najslabšem primeru pa celo poškoduje drag material. Lahko se celo zgodi, da odrezki opraskajo površino drage komponente.

Če se v procesu odrezovanja kovin odrezki zapletejo v veliko gmoto, pride v nadzorovani proizvodnji do precejšnjih izgub v produktivnosti, zaradi česar je nenadzorovano delovanje strojev skoraj nemogoče. To še posebej velja za strojno obdelavo z držali orodij ali vpenjalnimi orodji z običajnimi šobami za dovajanje hladilnega sredstva, ki so bolj oddaljene od rezalnega roba.

Čeprav je pri razvoju visokotlačnih sistemov prišlo do velikega napredka, se večina proizvajalcev še vedno zanaša na sisteme hladilnih sredstev s poplavljanjem, ki prelijejo rezalno orodje in obdelovano komponento s hladilnim sredstvom za zmanjševanje segrevanja. Hladilne šobe, ki so bolj gibljive, se poleg tega pogosto premikajo in onemogočajo natančno dovajanje hladilnega sredstva na območje rezanja. Takim sistemom tudi primanjkuje ustreznega nadzora za ustvarjanje zadostnega tlaka.

Hladilno sredstvo, ki se preprosto vlije čez območje rezanja, se lahko na posameznem mestu tako segreje, da začne izparevati, in ustvari oviro iz hlapov. Hlapi tako pravzaprav izolirajo območje rezanja in preprečujejo odvajanje toplote. Visokotlačni sistemi pa toploto odvajajo dovolj hitro in pod dovolj velikim tlakom, da preprečijo nastanek takih ovir.

Proizvajalci se morajo zavedati, da obstajajo tudi razlike med posameznimi sistemi orodij za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva. Najpogostejše razlike so v oddaljenosti območja rezanja oziroma v razdalji med izhodom hladilnega sredstva in obdelovancem/vmesnikom rezalnega orodja. V nekaterih sistemih je izhod preveč oddaljen, da bi učinkovito in natančno dosegel optimalno točko na območju rezanja ter tako omogočil najboljši rezultat. Sistemi, v katerih so izhodi nameščeni preveč oddaljeno od območja rezanja, morajo delovati z večjim tlakom, ki odtehta večjo razdaljo.

V nekaterih primerih potrebujejo celo dodatne črpalke. To seveda pomeni višje stroške za doseganje rezultatov, enakih sistemom z izhodi bliže območju rezanja. Ko se hladilo dovaja skozi držala in induktorje, tako kot pri Secovih sistemih Jetstream Tooling®, so lahko izhodi za hlajenje nameščeni zelo blizu območja rezanja, kar omogoča boljše rezultate v kombinaciji s tlakom, ki ga ustvarja standardna črpalka za hladilni sistem v stroju. Sistem tako ne potrebuje dodatne visokotlačne črpalke.

Prednosti usmerjenega visokotlačnega hlajenja

V želji po izboljšanju nekaterih lastnosti obstoječih sistemov za dovajanje hladilnega sredstva skušajo razvijalci sistemov, kot je Seco, optimizirati njihove zmogljivosti tako, da povečujejo tlak in natančnost, s katero se curek hladilnega sredstva usmeri na območje rezanja.

Sistemi, kot je Jetstream Tooling®, imajo strateško nameščene izhodne izvrtine, vdelane v vrtljiva zgornja vpenjala (induktorje) na držalih ploščic. Tlak in tok hladilnega sredstva ter izvrtine z majhnih premerom omogočajo, da oster in hiter curek hladilnega sredstva zlahka predre in namaže primarno območje segrevanja tik za rezalnim robom.

Pri Secu smo odkrili, da je omogočanje hladilnega »klina« blizu rezalnega roba najbolj učinkovito. To pomeni, da izhodne izvrtine usmerijo hiter curek hladilnega sredstva med cepilno ploskev in odrezek, zaradi česar se odrezek odmakne od ploskve in odlomi.

Najnovejša generacija orodij Jetstream Tooling® za struženje, grezenje in odrezovanje omogoča usmerjanje držal z izvrtinami za hlajenje proti cepilnim ploskvam in proti razmikom med ploščicami, kjer je sekundarno območje segrevanja. Šoba za hlajenje pod tem območjem omogoča optimalno hlajenje tik pod rezalnim robom. Ta dodatna šoba za hlajenje, usmerjena v razmik med ploščicami, podaljša obstojnost orodja za dodatnih 10 odstotkov, poleg tega pa izboljša končno kakovost površine.

Če sistemi orodij za dovajanje hladilnega sredstva poleg hlajenja omogočajo tudi optimizirano odvajanje odrezkov, proizvajalci ne bodo imeli več težav z izpadom dela, saj bo strojna obdelava potekala brez težav in brez potrebne nadzorovane obdelave. Dodatne prednosti so tudi večje hitrosti struženja, hitrejše podajanje, daljša obstojnost rezalnega orodja in boljša končna kakovost površine komponent – vse to zahvaljujoč naprednemu odvajanju odrezkov. V nekaterih primerih se hitrost in podajanje lahko podvojita ali potrojita, obstojnost orodja pa je dvakrat daljša. Zaradi strojne obdelave, s katero hitreje obdelamo več kosov, se povečata produktivnost in donosnost.

Na laboratorijskih testih, ki smo jih izvedli v Secu, smo za obdelavo obdelovanca iz titana ob hitrosti rezanja 40 m/min, hitrosti podajanja 0,25 mm/vrt in globini reza 2 mm ter s poplavljanjem hladilnega sredstva potrebovali petminutni cikel. Raziskovalci so nato uporabili sistem za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva in uspeli povečati hitrost rezanja na 80 m/min, prepoloviti čas cikla in povečati obstojnost orodja za 100 odstotkov.

Današnje črpalke hladilnih sredstev po navadi omogočajo delo z od 20–70 bari, kar je več kot primerno za sisteme za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva, kot je Secov Jetstream Tooling®. Secov sistem ponuja vsestranskost delovanja – od nizkih tlakov, ki segajo do 5 barov in sicer vplivajo na produktivnost, do visokih tlakov (70 barov) in izjemno visokih tlakov (350 barov) – vse z istim sistemom.

Pri uporabi Secovega sistema Jetstream Tooling® pod tlakom od 20–40 barov lahko pri številnih načinih uporabe in materialih obdelovancev opazimo velik poskok v produktivnosti, pa tudi izboljšano odvajanje odrezkov. Zmogljivost se poveča ob povečanem tlaku in toku (l/min). Vredno je omeniti, da je 70 barov povsem primeren tlak za lomljenje celo najzahtevnejšihodrezkov, ki nastajajo pri lepljivih komercialnih materialih, za katere so značilni dolgi odrezki.

Uporaba in ciljne panoge

Visokotlačni hladilni sistemi so najbolj dobrodošli pri struženju, odrezovanju in grezenju. Pri teh postopkih traja stik med rezalnim robom in delom obdelovanca pogosto nekaj sekund ali več in se imenuje neprekinjen rez. Neprekinjeni rezi ustvarjajo visoke temperature na območju rezanja, zato je treba parametre odrezovanja prilagoditi, da preprečimo hitro obrabo proste ploskve in plastične deformacije. Kombinacija neprekinjenega reza in gumijastega, duktilnega materiala lahko povzroči zelo dolg in neobvladljiv odrezek, ki je nadvse nezaželen.

Visokotlačni hladilni sistem lahko koristi številnim panogam, po navadi pa ga najbolj uporabljajo v sektorjih proizvodnje energije, letalstva in medicine, saj pogosto delajo z različnimi eksotičnimi materiali, ki zahtevajo intenzivno posvečanje oblikovanju odrezkov.

Titan, ki ga na primer pogosto uporabljajo v letalstvu in medicini, je slab prevodnik toplote, zaradi česar se v območju rezanja zadržuje visoka temperatura. To lahko vodi v varjenje, drgnjenje in mazanje, ki lahko hitro uničijo rezalne robove orodja. Poleg tega pa pri strojni obdelavi titana nastajajo tanki odrezki visoke hitrosti, ki jih je težko prelomiti na bolj obvladljivo dolžino. Skupaj z odrezki se z območja rezanja odstrani tudi izjemno pomembno hladilno sredstvo, kar povzroči toplotne poškodbe na površinah komponent.

Običajna orodja z visokimi pozitivnimi cepilnimi koti in ostrimi robovi lahko povsem zmanjšajo škodljive učinke, ki nastajajo pri strojni obdelavi titana, visokotlačno orodje za dovajanje hladilnega sredstva pa je učinkovito pri odvajanju odrezkov in optimizaciji celotnega postopka strojne obdelave. Univerzitetni poskusi in raziskave potrjujejo, da hitro zmanjšanje temperature odrezka, ki se pomika čez rezalni rob, povzroči otrditev, in sicer na podoben način kot hitra pogasitev vročega kosa kovine. Trdota titanovega odrezka se tako poveča. Zaradi kombinacije usmerjanja toka, učinka klina in tlaka hladilnega sredstva, ki deluje na odrezek s povečano trdnostjo, se odrezek lomi v majhne, lahko obvladljive delce.

Na splošno je pri odrezovanju zahtevnejših vrst materialov bolje dovajati hladilno sredstvo. Naj še enkrat poudarimo, da je bilo nekaj najvidnejših napredkov strojne obdelave, ki so posledica sistemov orodij za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva, zabeleženih pri uporabi novodobnih eksotičnih materialov, kot so titan ter zlitine na osnovi niklja in kobalta, kot so Nimonic C263, Inconel 718, Udimet 720 in Waspaloy. Ti materiali so zelo gumijasti in duktilni, zato zahtevajo visoko izpopolnjeno odvajanje odrezkov, ki ga lahko dosežemo s sistemi orodij za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva.

Eksotične zlitine pa niso edini materiali, ki pričajo o izboljšavah ob uporabi sistemov orodij za visokotlačno dovajanje hladilnega sredstva. Tudi v avtomobilski, pomorski, jedrski in prehrambni panogi uporabljajo duktilne materiale, za katere so značilni dolgi odrezki in slaba obdelovalnost. Avstenitno in dupleks nerjavno jeklo, nizka karbonska jekla in aluminijeve zlitine kažejo znatno višje stopnje odvajanja kovinskih delcev, izboljšane rezalne parametre, izboljšano odvajanje odrezkov in končno kakovost površine, pa tudi krajši čas proizvodnje.

Secov sistem Jetstream Tooling® odpravi vse težave odvoda odrezkov, zato operaterju ni treba posredovati, proizvodnja pa posledično ni motena. Čas odstranjevanja odrezkov ni več razširjen na obsežno preračunavanje po stopnjah. Tečaji induktorja hladilnega sredstva v sistemu Seco poleg tega omogočajo, da operaterji zelo hitro zabeležijo novi rezalni rob, zaradi česar bo hladilno sredstvo točno tam, kjer je bilo prej – na pravem mestu.

Hladiti ali ne hladiti

Poudariti velja, da je za nekatere operacije struženja bolje, če potekajo na suho, tj. brez poplavljanja ali usmerjenega visokotlačnega hlajenja. Uporaba v prekinjenih rezalnih pogojih pogosto privede do toplotnega šoka, zato je takrat bolje odrezovati na suho, saj bi hladilno sredstvo še povečalo negativne učinke toplotnega šoka. V takih primerih bi visokotlačna rešitev hlajenja mogoče preprečila negativne učinke uporabe hladilnega sredstva.

V neprekinjenih rezalnih pogojih pa je na splošno najbolje delati s hladilnim sredstvom. Če se srečujete z okoljevarstvenimi vprašanji ali delate na odprtih stružnicah ali z določenimi vrstami jekla, lahko stružite na suho in tudi dosegate dobre rezultate. Secove ploščice Duratomic® s prevleko CVD odlikuje učinkovita toplotna odpornost, zato so zelo primerne za tako delo. Postopki, kot so grezenje in odrezovanje, pa so teže izvedljivi brez hladilnega sredstva, in sicer predvsem zaradi kopičenja odrezkov. V teh postopkih lahko hladilno sredstvo ali, natančneje, usmerjeno visokotlačno hladilno sredstvo, bistveno izboljša zmogljivost.

Hladilno sredstvo je pogosto treba uporabiti tudi med končno obdelavo. V nasprotnem primeru lahko v obratu pride do težav zaradi nenatančne izdelave komponent in slabe končne kakovosti površine. Medtem ko večina obratov uporablja hladilno sredstvo v 80 odstotkih strojnih obdelav, pa nekateri vse postopke izvajajo na suho, na primer zaradi okoljevarstvenih razlogov. Tako delo zahteva natančno spremljanje in prilagajanje strojnih orodij za primere segrevanja, nato pa stalno preverjanje natančne izdelave komponent (ustrezne velikosti in končne kakovosti površine). To je zagotovo velik izziv in v takih primerih je brez dvoma smiselna nova razprava o uporabi orodij, a je dandanes tudi tako delo popolnoma izvedljivo. Če primerjamo strojno obdelavo na suho in strojno obdelavo s hladilnim sredstvom, so razlike v produktivnosti in obstojnosti orodja velike.

Idealni sistem

Proizvajalci, ki razmišljajo o uporabi sistemov orodij z visokotlačnim dovajanjem hladilnega sredstva, naj ne ovrednotijo sistemov le na podlagi zmogljivosti, ampak naj pomislijo tudi na vsestranskost in preprostost uporabe, ki pokriva vse razpoložljive stopnje hlajenja pod tlakom, ki jih omogočajo stroji. Sestavljanje in nameščanje sistemov na stružnice mora biti preprosto.

Idealni sistemi ponujajo tudi možnost izbire zunanjega ali notranjega dovajanja hladilnega mazila v držalo orodja za struženje ali grezenje. Za zunanje dovajanje uporabljajo sistemi, kot so Secovi, za vpenjalno orodje cevi, pritrjene ob strani ali pod držali. Proizvajalci lahko izbirajo med širokim naborom kompletov cevi za preprosto priključitev dovajanja hladilnega sredstva v skoraj vsakem položaju na izmenjevalcu orodij ali vpenjalnem orodju. Če uporabnik ne želi več uporabljati sistema, ga zlahka odstrani in stroj se ponastavi na izvirno nastavitev hlajenja. Za notranje dovajanje ima sistem kanale z držali, kot na primer pri dovajanju hladilnega sredstva skozi konusni vmesnik za držala vrste Seco Capto.

Proizvajalci lahko izbirajo med različnimi dolžinami cevi, ki jih priključijo na dovod hladilnega sredstva v skoraj vsakem položaju na izmenjevalcu orodij ali vpenjalnem orodju. Če uporabnik ne želi več uporabljati sistema, ga zlahka odstrani in stroj se ponastavi na izvirno nastavitev hlajenja.

Zaključek

Ne glede na vrsto hladilnega sistema je skrivnost učinkovitega odvajanja odrezkov, optimizacije obstojnosti orodja in povečane proizvodnje približanje curka hladilnega sredstva čim bliže k območju rezanja in usmeritev curka na pravo mesto na območju rezanja. Držala orodij Jetstream Tooling® predstavljajo zelo majhen del investicije v stroj, če znesek primerjamo s prihranki, ki jih omogočajo nižji stroški na posamezni obdelovalni kos. Stroški, ki se jim boste izognili ob nakupu nekoliko cenejšega nizkotlačnega hladilnega sistema in orodij, bodo neznatni v primerjavi s kratko obstojnostjo orodja in izgub v produktivnosti zaradi okvar stroja, ki jih povzroči kopičenje odrezkov. *Izrazi »mazalna tekočina«, »sistem orodij za dovajanje hladilnega sredstva« in »hladilno sredstvo«, uporabljeni v tem članku, se nanašajo na sam postopek odrezovanja kovin, ne na druge funkcije mazanja orodja.

Sestavil:

Tommy Pitkänen, Product Manager Turning, Seco Tools

Orodje Jetstream.jpg

Enojni dolgi odrezek, ki je nastal med klasičnim dovajanjem hladilnega sredstva pod tlakom(spredaj) in razbiti krajši odrezki za lažje odvajanje odrezkov (zadaj), ki nastanejo po uporabi visokotlačne usmerjene šobe Seco Jetstream Tooling®.

Odrezek.jpg

http://www.youtube.com/watch?v=UhHKofDWZ2I&list=PLF482823169F8FF61