Témata
Reklama

Možnosti řízení kvality obráběcí emulze

Vodou mísitelné chladicí a mazací kapaliny pro obrábění nazýváme tradičně, avšak nepřesně emulzní obráběcí kapaliny, zkráceně pak emulze. Technologie výroby těchto kapalin již dávno překročila hranice jednoduchých emulzí připravovaných "vařením" vody s olejem a v současné době jsou mnohdy "obráběcí emulzí" označovány i pravé roztoky kapalin.

K základním složkám emulze, které stále tvoří voda a základový olej, přibyla celá plejáda různých přísad. Běžné emulze tak obsahují i více než padesát složek. Ty přinášejí výsledné kapalině vylepšení požadovaných vlastností. Můžeme rozlišovat, které přísady svými vlastnostmi zvyšují stabilitu a životnost samotné kapaliny a naproti tomu, které přísady podporují vlastní obráběcí proces. Tak mluvíme například o emulgátorech usnadňujících mísení koncentrátu s vodou a stabilizujících výslednou emulzi, o antibakteriálních přísadách bránících množení mikroorganismů v emulzi či protipěnicích přísadách, antioxidačních a protikorozních přísadách, stabilizátorech hodnoty pH (alkality) nebo o přísadách omezujících vývin dýmu či aerosolu.
Z hlediska principu vlastního obráběcího procesu se dobré mazání obvykle zajišťuje vysokou přilnavostí olejové složky kapaliny ke kovovým plochám. Zaměříme-li se pouze na základový olej v emulzi, ten sám obvykle smáčí téměř stejnou měrou celý kovový povrch obrobku, nástroje i okolních částí stroje, přičemž tloušťka vrstvy je ovlivněna řadou faktorů, například viskozitou, teplotou, obsahem pryskyřičnatých látek a jemných nečistot, polaritou molekul apod. Často je přilnavost emulzního oleje zvyšována speciálními přísadami - obvykle mastnými nebo chemicky aktivními látkami. Naproti tomu přilnavost čisté vody je sama o sobě malá a olejovou vrstvou je odpuzována. To však platí pouze za předpokladu, že emulzní soustava oleje a vody, stabilizovaná emulgačními přísadami, je natolik vratně labilní, že umožňuje lokální a dočasné oddělování oleje a jeho přilnutí ke kovu a vzápětí opětovné smývání a emulgaci.
Přitom čím rychleji dochází k výměně kapalné vrstvy emulze na povrchu nástroje a obrobku, tím lépe probíhá přenos a odvod tepla. Úspěšné završení odvodu tepla je nemyslitelné, pokud by teplo pohlcené do emulze nebylo na jiném místě emulzi opět odnímáno. To musí být zajištěno účinným chlazením cirkulující emulze.
Analýzou tohoto procesu dospějeme k mnoha optimalizačním řešením. Jedním z nich je také částečné oddělení mazací a chladicí funkce emulze. Nástroj tak lze efektivněji chladit médiem s vyššími chladicími schopnostmi, nechá-li se cirkulovat v uzavřeném okruhu, odděleně od mazací složky emulze. Tím se dosahuje upřednostnění nároků na mazací schopnost emulze nad jejími chladicími schopnostmi v místě řezu nástroje, což výrazně zvýší efektivitu provozu. Zvláště pak při vysokorychlostním obrábění. Vzhledem k tomu, že oddělení obou funkcí je obtížně realizovatelné a ještě hůře udržitelné, lze o takových systémech uvažovat pouze pro nejnáročnější podmínky obrábění či pro obrábění zvláštních materiálů nebo zvláštními nástroji. U běžných operací se proto preferuje klasický způsob chlazení a mazání nástroje toutéž emulzí.
Reklama
Reklama
Reklama

Složky emulze

Vyváženost poměru jednotlivých přísad v emulzi je dána požadavkem na vlastnosti obráběcího procesu - co je podstatné a co podřadné. Z hlediska vlastního obráběcího procesu, tedy pro místo styku nástroje s obrobkem, je například životnost emulze v podstatě jen jedním z parametrů ovlivňujících ekonomičnost procesu. Naproti tomu má emulze zajistit optimální mazání třecích ploch mezi nástrojem a obrobkem. Za samozřejmé se považuje odplavování třísek. Emulze nesmí zalepovat vodicí plochy, a nesmí pronikat do ložiskových a převodových skříní, nebo korozivně působit na stroj nebo obrobky, ba nejlépe vše konzervovat. Stále více se do popředí dostávají přísady, které umožňují dosažení vyšší jakosti povrchu obrobků, obrábění hůře obrobitelných materiálů, obrábění vyššími řeznými rychlostmi nebo s většími posuvy. Míra potřebné účinnosti jednotlivých přísad v emulzi je pro různé operace dána jejich požadavkem na intenzitu jednotlivých vlastností emulze.
Univerzální emulze, která by byla použitelná pro každou operaci, vždy s optimální kombinací vlastností, by musela mít tyto vlastnosti proměnné, pružně přizpůsobitelné. Vnitřní struktura takové emulze by se měnila v návaznosti na právě probíhající obráběcí proces, podle konkrétních podmínek charakteristických pro operaci a současně pro lokální okamžité podmínky v místě řezu. Byť se tato myšlenka zdá být za hranicí reálného světa, lze říci, že prvním krokem k tomuto řešení bylo zavedení chemicky aktivních přísad, které na povrchu kovů vytvářejí (při zvýšeném tření a jím vyvolané zvýšené teplotě) dočasný povlak solí tohoto kovu, a tím zvyšují odolnost povrchu kovu (nástroje) proti zadírání. Dalším, ještě nedávno fantaskním postupem je naočkování emulze určitými mikroorganismy, které při provozu omezují vývoj jiných mikroorganismů.
Výrobcem dodaný výrobek, koncentrát pro přípravu emulze, je obvykle vybaven určitou dávkou přísad potřebných pro budoucí spektrum aplikací. Objem přísad však nemůže být libovolný. Mohou být obsaženy pouze v množství, které dovolí snadnou přípravu emulze a zaručí stabilitu jejích vlastností po předpokládanou dobu používání. Tyto přísady tak tvoří zásobu "vlastností" a je jen otázkou podmínek konkrétního použití emulze, jak rychle a do jaké míry budou tyto látky spotřebovány, tedy efektivně využity. Obvykle při použití emulze dochází k jejich postupnému avšak nerovnoměrnému úbytku a jejich účinnost se tím snižuje. Zatímco na počátku použití je emulze, co do nejpotřebnějších vlastností, doslova marnivá, v průběhu procesu se obvykle právě tyto nejžádanější vlastnosti nejrychleji ztrácejí. Při obráběcím procesu tatáž emulze proto ztrácí jednu schopnost rychleji, jinou pomaleji. Ani stejné stroje se shodnými operacemi nejsou zárukou, že se v nich bude opotřebení emulze vyvíjet stejně.
Umění výroby stabilních emulzí tak spočívá především ve spolupráci vývojových týmů a technologů obrábění. Pro konečný výběr té nejvhodnější emulze k dané aplikaci v provozu, je vodítkem spektrum informací získaných jak ze srovnání dosahovaných parametrů emulzí za obdobných technologických podmínek jinde, tak ze zkoušek provedených na konkrétním stroji. Přístup k hodnocení parametrů je však mnohdy a do značné míry dán "výřečností" hodnotitele. Jedinými ukazateli pro vyhodnocení tak nakonec zůstávají efektivita a přínos nasazení dané emulze do konkrétního procesu.

A zase ekonomie...

Jak však do ekonomických úvah začlenit otázku kvality emulze, tedy její mohutnost, co do vybavení přísadami? Volit emulzi s maximální výbavou a spoléhat, že její životnost bude dostatečně dlouhá, aby se přísady zcela využily, anebo volit emulzi chudší a častěji ji střídat, což bývá náročnější na obsluhu? Nutně se naskýtá otázka, zda by tedy nebylo efektivnější tyto potřebné látky do emulze přidávat postupně, dávkovat je průběžně během procesu obrábění, stále na optimální úroveň. Odpověď je jednoznačná, realizace je však obtížná. Sice i při běžném doplňování emulzí tam, kde dochází k relativně přiměřeným ztrátám, provádíme doplněním čerstvé emulze v podstatě "oživení" náplně opotřebené emulze novou dávkou přísad. Bohužel tak nezřídka prohlubujeme "nedostatek" rychle spotřebovávaných přísad a naproti tomu zvyšujeme "nadbytek" nespotřebovávaných přísad. Nezapomínejme, že s vodou v takovém případě dodáváme také další soli, jejichž úbytek výnosem je velmi malý, oproti odpařování samotné vody. Pokud bychom tedy chtěli zajistit řízené dávkování jednotlivých "čistých" přísad do emulze v průběhu provozu, bylo by nutné provádět opakovaně, v relativně krátkých intervalech, zjištění parametrů emulze, a to nejen základními rozbory, ale i laboratorními metodami, nejlépe však automatickými čidly. To však lze z ekonomických důvodů prozatím provádět pouze u velkých oběhových systémů, vybavených důmyslným zařízením na udržování čistoty emulze, na odstraňování nadbytečných solí, průběžnými snímači základních parametrů apod. Nové metody poznávání struktury látek a především miniaturizace těchto snímacích zařízení (používaných v kosmickém výzkumu) nabízí již nyní mnohá řešení k průběžnému hodnocení emulzí, zvláště ve spojení s řídicími počítači NC strojů a v propojení do počítačové sítě provozu.
Zjištění stavu emulze je u těchto systémů prvním krokem. Následuje rozhodnutí, které přísady a v jakých dávkách přidat. Provede se dávkování ze zásobníků a znovu následuje kontrola stavu parametrů emulze. Pokud zvládneme průběžné vyhodnocování stavu emulze, zbývá otázka, které přísady, v jaké formě a jakým způsobem dávkovat. Protože změna stavu emulze po dávce téže přísady je současně závislá na řadě dalších podmínek.

Aditivace s rozumem

Představy, že k přesné úpravě nějaké vlastnosti emulze stačí nalít, nebo nechat kapat nějaký koncentrát, k cíli nevedou. Účinek jednotlivých přísad dodaných do používané emulze není vždy stejný. Paradoxně tím může nastat nejen narušení jiných vlastností, ale i zhoršení původně vylepšované vlastnosti. Rozpoznání kombinace přísad a jejich vzájemného poměru se však může daný řídící systém docela rychle naučit. Takový počítačový systém řízení tohoto procesu úpravy emulze je založen na "umělé inteligenci", na metodě vlastní výuky systému z předchozích provedených úkonů a dosažených stavů. Za předpokladu, že je vybaven anebo napojen na vhodný software. Systém řízení kvality emulze tak krůček za krůčkem za pomocí čidel vyhodnocuje její stav, provádí dávkování přísad ze zásobníků a z následného vyhodnocování dosaženého účinku vyvozuje závěry pro další své rozhodování. Ve své databázi úkonů a stavů statisticky vyhodnocuje úspěšnost svých rozhodnutí a získává tím "zkušenosti", vylepšuje své řídicí postupy, eliminuje nesprávná nebo neefektivní rozhodnutí a předává získané "návyky" do sítě k dispozici řídicím systémům ostatních strojů. Tím systém získává potřebné informace platné pro konkrétní aplikaci emulze. Ještě dokonalejší pak je vzájemné automatizované propojení těchto lokálních inteligentních systémů, mezi nimiž pak probíhá průběžná "výměna zkušeností". Řídicí jednotky vzájemně sdílí po síti informace o účinku přísad, tedy o vazbách mezi stavem emulze před a po dávkování.
Takový inteligentní systém řízení kvality není utopií. A pokud si uvědomíme, že jeho propojení se systémem organizace hospodaření s mazivy a ostatními technologickými kapalinami přináší další významné úspory nákladů, pak vynaložené prostředky k jeho pořízení a provozu jsou velmi efektivní. Snad nejdůležitějším důvodem je přece dosahování optimálních podmínek obrábění a tím docílení vysoké kvality a stability výroby. Účinným systémem řízení tak snížíme náklady na provozování a ošetřování emulzí, pokud do systému začleníme i automatizované odstraňování nežádoucích složek. Nesmíme totiž zapomínat, že dávkováním přísad a samozřejmě i doplňováním vody a základního koncentrátu emulze dochází ke zvyšování koncentrace anebo k usazování nežádoucích látek. Musí být proto zajištěna periodická, nebo ještě lépe průběžná, automatická, údržba emulze - ošetření emulze od jemných nečistot, případně solí odstředěním nebo mikrofiltrací, odčerpávání nebo mechanické vynášení hrubých nečistot, kalů a produktů rozkladu mikroorganismů. Začlenění periodického systému ošetřování v systému řízení bývá nejvhodnější na první pozici časové osy. To znamená, že provádíme čištění emulze ještě před vlastním měřením jejího stavu a úpravou. Pokud bychom prováděli čištění až po úpravě parametrů emulze, nutně bychom odstraňovali i určitou část dodaných přísad. Ani toto doporučení však neplatí zcela univerzálně, protože určitými postupy můžeme uvolnit z třísek a nečistot zpět do emulze část ještě aktivních látek, které bychom prostým vynesením nečistot a třísek ztratili. Pro některé systémy je také výhodná regenerace, kdy spolu s částí emulze nejprve odčerpáme nečistoty, kaly a třísky, tedy v zahuštěném stavu, do regeneračního zařízení a k oddělení emulze s účinnými látkami od prostých nečistot pak mohou být použity fyzikálně-chemické metody, které by nebylo možné aplikovat přímo v oběhovém systému stroje. Tyto regenerační systémy jsou však poměrně náročné na obsluhu. Pouze u velkých oběhových systémů rozsáhlých výrobních linek lze takové systémy efektivně implementovat a automatizovat. Proto se obvykle neprovádí regenerace samostatných dávek z jednotlivých strojů, ale až nasbíraných větších objemů z více strojů. Zde je však důležité a v běžném provozu značně problematické zajištění vzájemného nesmísení rozdílných emulzí, stejně tak jako následné posouzení vlastností a rozhodnutí o dalším využití regenerátu.

Závěrem

Uplatnění metody průběžného dávkování přísad vyžaduje hlubokou a intenzivní spolupráci ze strany výrobce (vývojového týmu) emulzního koncentrátu a přísad. Nezanedbatelná je přitom otázka ochrany know-how technologie mísení emulze, otázka záruky za aplikaci dodávaných komponent emulze i otázka zajištění ekologické a hygienické bezpečnosti takového mísení emulzí a přísad. Je pravdou, že dosud jsou k přípravě a stabilizaci emulzí používány určité přísady, které mohou v koncentrovaném stavu nebo při nesprávném postupu zpracování vyvolat nežádoucí reakce nebo účinky. Přes tyto nesnáze lze řízené chlazení a mazání pokládat za vysoce perspektivní, jako alternativu mezi klasickými emulzními systémy a mezi obráběním za sucha. Dokladem toho je i efektivnost obdobného systému mikrodávkování chladicí-mazací kapaliny do místa řezu, který lze s úspěchem aplikovat v řadě obráběcích procesů.
Rozhodnutí, kterou cestou se dát, jaký systém bude pro daný stroj, seskupení strojů či linku nejvhodnější, není snadné. Jen příprava informací o podmínkách jednotlivých operací vyžaduje mnoho pečlivého měření. Požadovaná flexibilita výroby a tím průběžné změny podmínek jsou přitom zdánlivě nepřekonatelnou překážkou. Až do doby, kdy průběžné vyhodnocování předáme samotným strojům, automatickým snímačům a počítačovému zpracování od analýzy získávaných dat až po rozhodnutí a provedení "zákroku", tedy úpravu emulze podle potřeb operace. Neexistuje jediné a nejvýhodnější řešení. Jsou různá řešení vhodná pro rozdílné uplatnění. Uvedené poznatky mohou být alespoň vodítkem pro rozhodování, posouvajícím systémy k vyšší efektivitě, k systému řízení kvality obráběcí kapaliny.
Ing. Vratislav Perna
soudní znalec, obor strojírenství, specializace tribotechnika
Reklama
Vydání #4
Kód článku: 40489
Datum: 14. 04. 2004
Rubrika: Trendy / Průmyslové kapaliny
Autor:
Firmy
Související články
Maziva pro potravinářský průmysl

Společnost Fuchs vyrábí oleje a maziva už více než 85 let – pro téměř všechny aplikace a odvětví. S více než sto tisíci zákazníky a padesáti společnostmi po celém světě je Fuchs předním světovým nezávislým výrobcem olejů a maziv.

Výzvy při lisování hliníku

Vzhledem k neustále se zvyšujícím požadavkům na snižování spotřeby paliv automobilovém průmyslu, musí výrobci hledat cesty ke snižování hmotnosti automobilů všech produktových řad. Vedle používání ocelí AHSS a UHSS jsou hliníkové slitiny velmi atraktivní a životaschopnou možností pro výrobce. Novější typy oceli mohou být zpracovány podobným způsobem původně používaným po generace. Hliníkové materiály mají mnoho výhod i nevýhod oproti oceli, které musí být pečlivě zváženy.

Nanoaditivace lubrikantů

Využití nanomaziv v moderních technologiích zaznamenává výrazný pokrok. Nanomazivo je nový prostředek skládající se z částic o velikosti nanometrů rozptýlených v základním mazivu. Použití nanoaditiv ve formě nanočástic má vysokou účinnost z důvodu jejich vysoké chemické a biologické aktivity. Aditivace maziv nanočásticemi je jednou z možných cest k řešení problémů s likvidací bakterií a tím zlepšení biologické, chemické a technologické stability procesních kapalin. V článku je sledován vliv aditivace lubrikantů nanočásticemi oxidu křemičitého (SiO2) na součinitel tření a opotřebení.

Související články
Vlastnosti moderních plastických maziv

Průmyslová odvětví neustále vyhledávají plastická maziva, jež nabízejí nejkvalitnější technické parametry mazání – lepší mechanickou stabilitu, zvýšenou odolnost vůči smyku a vodě, účinnější ochranu proti korozi a stálý výkon jak při vysokých, tak nízkých teplotách.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
MKU_Maziva pro obrábění ozubených kol

Ještě před několika lety se musela k dosažení optimálního obrobení ozubených kol použít velká paleta různých obráběcích kapalin, situaci navíc komplikovaly různorodé povrchy a tepelné zatížení. Dnes je situace přehlednější. Vhodným výběrem pokročilých obráběcích kapalin lze výrobu ozubených kol významně zefektivnit.

Vynález bezolejového technologického maziva

Před 35 lety v klidné ulici v Evanstonu (USA) vyvinul Art Dampts vůbec první vysoce výkonné bezolejové mazivo pro lisování kovů. Pan Dampts strávil většinu své kariéry ve výzkumném centru IRMCO, které nyní nese jeho jméno.

Čistící síla pro hydraulické systémy

Majitelé podniků a provozovatelé strojů neustále hledají nové způsoby, jak zefektivnit produktivitu výroby a zvýšit svou konkurenceschopnost. Údržba hydraulických zařízení se však stále více potýká se znečištěním hydraulického systému kaly a usazeninami. Tyto usazeniny snižují efektivitu práce strojů, způsobují zbytečné prostoje a snižují celkovou produktivitu práce a navyšují celkové náklady.

Filtrace kapalin odstředivou silou

Firma technology-support, s. r. o., výhradní zástupce renomovaného výrobce vysokotlakých chladicích systémů ChipBlaster, nyní nabízí pod obchodním názvem CentraBlast filtrační čerpadla na bázi odstředivky.

Plastické mazivo pro vysoce zatížená ložiska

Plastická maziva typu Total Ceran využívají moderní typ zpevňovadla na bázi modifikovaného kalciumsulfonátového komplexu.

Oleje pro operace lisování

Lze i dnes výrazně snížit náklady a zvýšit produktivitu při tváření kovů za studena? Proces tváření za studena je doprovázen třením, proto je nutné použít mazivo, které zabraňuje zadírání nástrojů. Tím se sníží deformační odpor a zvýší kvalita povrchu tvářeného dílu. Srovnáme-li spotřebu klasických olejů při lisování s ekologickými oleji, pak oleje řady Luba a Solester na bázi rostlinných esterů a polymerů, vyvinuté společností Molydal, vykazují nižší množství spotřebovaného oleje na vylisování stejného výlisku, prodlužují životnost lisovacích nástrojů, neobsahují žádné nebezpečné látky a jsou snadno odstranitelné. Při jejich výrobě se používají látky z obnovitelných přírodních zdrojů.

Servisní zásah zabránil odstávce kulového mlýnu

I při poruše klíčového zařízení pro zpracování suroviny lze díky použití opravného mazání zabránit přerušení výroby a s tím spojeným ztrátám.

Mycí stůl pro biologické čištění součástí

Pro ekologické čištění strojních dílů jsou nabízeny mycí stoly, které čistí na biologické bázi. V jakých případech jsou tyto stoly na mytí součástek vhodné? Co dokážou? A co nedokážou?

Elektroizolační oleje

Elektroizolační oleje nebo též transformátorové oleje se používají do výkonných transformátorů, kde plní chladicí a izolační funkci. Můžeme se tedy setkat s transformátory, které jsou chlazeny vzduchem (malé transformátory), s velkými transformátory chlazenými olejem nebo s transformátory bez olejové náplně (vinutí je zalito v izolační pryskyřici).

Kompaktní trubkový výměník tepla s lamelami

Trubkový výměník s lamelami na straně oleje je optimální pro chlazení oleje v mazacích nebo hydraulických agregátech. Je velmi kompaktní, vysoce účinný, spolehlivý a s výborným poměrem výkonu a ceny.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit