Nástroje se směrovaným přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem

Od systémů chlazení nástrojů dnes očekáváme více než jen proces chlazení při obrábění kovů. Pokud jste se rozhodli nebo dokonce musíte použít chladicí kapalinu, musí být funkční účinnost systému co možná nejvyšší a systém musí být schopen ve významné míře nabídnout využití skrytých možností zvýšení produktivity. Stejně důležité, zejména při soustružení, ovšem je, aby moderní systémy přívodu chladicí kapaliny k nástrojům zajišťovaly efektivní řízení utváření a odvodu třísek.

Výhody používání chladicí kapaliny k odvádění tepla a mazání (omezení tření) jsou všeobecně známy, přičemž je obvykle používán jednoduchý systém přívodu chladicí kapaliny do prostoru obrábění. Aby však byla chladicí kapalina skutečně účinná, musí odvádět teplo z řezné zóny rychle, proto je mnohem účinnější směrovaný proud chladicí kapaliny pod vysokým tlakem, který přivádí chladicí kapalinu přesně tam, kde je zapotřebí.

Mezi různými způsoby použití chladicí kapaliny a požadavky na produktivitu při obrábění lze nalézt hned několik příkladů problémů; jeden z nejnápadnějších se vyskytuje u materiálů pro letecký průmysl, jako je například slitina titanu Ti6Al-4V. Slitina Ti6Al-4V má nízkou tepelnou vodivost a nízký modul pružnosti, což ji činí vhodným materiálem pro výrobu velmi pevných, tepelně odolných a lehkých částí tryskových motorů. Je však dobře známo, že obrábění této slitiny je drahé, protože typicky vyžaduje nízké řezné rychlosti, není u ní možné řízení utváření a odvodu třísek a životnost řezného nástroje je velmi nízká. Nedělené a dlouhé třísky mohou způsobovat ucpávání s následným selháním nástroje a v nejhorším případě i poškozením drahých součástí. Mohou se rovněž stát příčinou poškrábání povrchu drahých obrobků s následnou nutností jejich sešrotování.

Propletence třísek připomínající ptačí hnízda, které se vytvářejí při obrábění, významně zvyšují ztráty produktivity při výrobě s obsluhou a téměř znemožňují provoz strojů bez dozoru. To platí zvláště při obrábění s nástrojovými držáky nebo upínači s konvenčními tryskami chladicí kapaliny, které nejsou umístěny v blízkosti břitu.

I když bylo u vysokotlakých systémů dosaženo významného pokroku, mnoho výrobců stále spoléhá na systém přívodu chladicí kapaliny, který zaplavuje řezný nástroj i obráběnou součást chladicí kapalinou za účelem snížení jejich teploty. Pružné trysky chladicí kapaliny se navíc často pohybují, což snižuje jejich přesnost, pokud jde o směrování chladicí kapaliny do řezné zóny. Takové systémy rovněž trpí nedostatkem možností přiměřeného řízení vhodného tlaku.

Pokud chladicí kapalina pouze omývá řeznou zónu, může také způsobovat její lokální zahřívání v místě, kde se vytváří bariéra z odpařované mlhy. Tato mlha pak ve skutečnosti řeznou zónu izoluje a brání odvádění tepla. Aby se této situaci předešlo, mohou systémy s přívodem chladicí kapalinou pod vysokým tlakem odebírat teplo dostatečně rychle a s dostatečným tlakem tak, aby zabránily vzniku takových mlžných bariér.

Výrobci musí rovněž brát v úvahu, že mezi systémy s vysokotlakým přívodem chladicí kapaliny existují rozdíly. Mezi nejběžnější z nich patří vzdálenost od řezné zóny nebo to, jak daleko je výstup přívodu chladicí kapaliny od místa kontaktu obrobku a řezného nástroje. Výstupy některých systémů nemusí být dostatečně blízko na to, aby účinně a přesně dosáhly optimálního bodu s nejvyšší účinností pro řeznou zónu. Systémy, které mají výstupy chladicí kapaliny umístěné dále od řezné zóny, musí ke kompenzaci této větší vzdálenosti využívat vyšší tlak.

Pokud jsou výstupy chladicí kapaliny příliš vzdálené od řezné zóny, může být nutné použití dalších čerpadel. To má za následek vyšší náklady k dosažení stejných výsledků, jakých dosahuje systém s výstupy blíže k řezné zóně. Pokud je chladicí kapalina vedena kanálky v držácích a poté induktory, jako je tomu u systému Seco Tools Jetstream Tooling, mohou být výstupy chladicí kapaliny umístěny velmi blízko u řezné zóny, což umožňuje dosahování lepších výsledků s tlakem vytvářeným běžným čerpadlem chladicí kapaliny stroje. Je tak eliminována nutnost použití sekundárního vysokotlakého čerpadla.

Výhody přívodu chladicí kapaliny pod vysokým tlakem do místa řezu Společnosti vyvíjející systémy přívodu chladicí kapaliny k nástrojům, jako je například společnost Seco, pracují na optimalizaci výkonu systému zvýšením tlaku a přesnosti s cílem překonat nevýhody stávajících systémů chlazení, přičemž jsou proudy chladicí kapaliny směrovány do řezných zón.

Systémy, jako je například systém Seco Jetstream Tooling, zahrnují strategicky rozmístěné otvory výstupu chladicí kapaliny vyvrtané do otočných horních upínek (induktorů) na držácích břitových destiček. Tlak chladicí kapaliny ve spojitosti s průtokem a malým průměrem otvorů umožňuje dosažení přesně směrovaného proudu chladicí kapaliny s vysokou rychlostí, který snadno proniká do oblasti s nejvyšší koncentrací tepla hned za řeznou hranou a zajišťuje její mazání.

Společnost Seco zjistila, že nasměrování „klínu“ pro přívod chladicí kapaliny do těsné blízkosti řezné hrany je velmi účinné. Znamená to, že umístění výstupů chladicí kapaliny mezi řeznou zónu čela břitové destičky a třísku přispívá ke zvedání a odlamování třísky.

Poslední generace držáků se systémem Jetstream Tooling pro soustružení, zapichování a upichování je vybavena výstupními otvory chladicí kapaliny směrovanými přímo na čelo břitové destičky, ale také směrem k hřbetu destičky – do zóny sekundárního ohřevu. Spodní proud chladicí kapaliny zajišťuje optimální chlazení přímo pod řeznou hranou. Tento přídavný proud chladicí kapaliny směrovaný na hřbet břitové destičky zvyšuje životnost nástroje o dalších deset procent a zlepšuje jakost povrchu obrobku.

Pokud systémy přívodu chladicí kapaliny k nástrojům zajišťují chlazení i optimalizované řízené utváření a odvod třísek, mohou výrobci eliminovat prostoje a dosáhnout bezproblémového provozu s bezobslužným obráběním. Stejně přínosné je ovšem to, že mohou navíc zvýšit rychlosti obrábění i posuvu, prodloužit životnost řezného nástroje a zlepšit jakost povrchu – vše díky zlepšenému utváření a odvodu třísek. V některých případech lze rychlosti i posuv zdvojnásobit nebo dokonce ztrojnásobit a životnost nástroje lze často prodloužit také až dvojnásobně. To zvyšuje produktivitu a ziskovost díky rychlejšímu obrábění více dílů.

Laboratorní testy provedené společností Seco s titanovým obrobkem při řezné rychlosti 40 m.min-1 (130 ft.min-1), rychlostí posuvu 0,25 mm.ot-1. (0,01 ipr) a hloubkou řezu 2 mm (0,08 in) s přívodem chladicí kapaliny prokázaly pětiminutovou dobu cyklu. Poté pracovníci vývoje použili systém chlazení s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem a byli schopni zvýšit řeznou rychlost na 80 m.min-1 (260 ft.min-1), zkrátit dobu cyklu o polovinu a prodloužit životnost nástroje o 100 %.

Čerpadla chladicí kapaliny dnešních strojů zajišťují obvykle tlak od 20 bar (290 psi) do 70 bar (1 000 psi), což je tlakové rozpětí pro systémy přívodu chladicí kapaliny k nástrojům pod vysokým tlakem, jako je například systém Seco Jetstream Tooling, více než dostatečné.

Systém společnosti Seco například umožňuje univerzálnost provozu od nízkých tlaků 5 bar (70 psi) jen s poměrně malým vlivem na produktivitu až po tlaky vysoké 70 bar (1 000 psi) a ultra vysoké 350 bar (5 000 psi), a to v rámci jediného systému.

Při tlaku od 20 bar (290 psi) do 40 bar (580 psi) lze se systémem Seco Jetstream Tooling dosáhnout výrazného zvýšení produktivity i zlepšení řízení utváření a odvodu třísek ve většině aplikací i v různých materiálech. Výkon se zvyšuje s rostoucím tlakem a průtokem (l.min-1). Tlak 70 bar (1 000 psi) je pak dostatečný k odlamování třísek z těch nejnáročnějších přilnavých materiálů vytvářejících dlouhé třísky.
Aplikace a odvětví

Výhody použití chladicí kapaliny pod vysokým tlakem se nejvíce projeví u soustružení, zapichování a upichování. Při těchto činnostech je doba kontaktu mezi řeznou hranou a dílem často několik sekund nebo déle a tyto činnosti jsou označovány jako „nepřerušovaný řez“. Při nepřerušovaném řezu se v řezné zóně vytváří vysoká teplota, a je proto nutné přizpůsobit parametry řezu tak, aby se zabránilo rychlému opotřebení na hřbetě nástroje a plastické deformaci. Kombinace nepřerušovaného řezu a lepivého, tvárného materiálu může vést k vytváření velmi dlouhých třísek bez možnosti řízení jejich odlamování, což je velmi nežádoucí stav.

Výhod použití chladicí kapaliny pod vysokým tlakem lze využívat ve většině odvětví, tato metoda je však tradičně nejvýhodnější v oblasti energetiky, leteckého průmyslu a zdravotnictví, kde se využívá mnoho exotických materiálů, u nichž je vyžadováno intenzivní řízení vytváření třísek.

Například titan, který se často používá v leteckém průmyslu a ve zdravotnictví, je špatným vodičem tepla, což má za následek vznik vysokých teplot v řezné zóně. To může vést až k efektům návarů, oděru a praskání, což přispívá k rychlé zkáze řezných hran nástroje. Situaci dále zhoršuje skutečnost, že se při obrábění titanu rychle vytvářejí tenké třísky, které se těžko odlamují na kontrolovatelnou délku. Tyto třísky také odvádějí kriticky důležitou chladicí kapalinu z řezné oblasti, což způsobuje tepelné poškozování povrchu obrobku.

Konvenční nástroje s vysokým kladným úhlem čela a ostrými hranami mohou škodlivé vlivy při obrábění titanu do jisté míry minimalizovat, použití nástrojů s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem je však nezbytné pro zajištění řízeného utváření a odlamování třísek a celkové optimalizaci obráběcích operací. Experimenty a studie prováděné na vysokých školách potvrzují, že rychlé snížení teploty v třísce při jejím průchodu přes řeznou hranu vyvolává efekt tvrzení, prakticky stejný jako při rychlém zakalení kusu kovu. Zvyšuje se tak tvrdost titanové třísky. Kombinace směrovaného proudu a tlaku chladicí kapaliny proti třísce společně s její zvýšenou tvrdostí zajišťuje odlamování třísky na malé, snadno kontrolovatelné části.

Obecně je při obrábění některého z náročných typů materiálů obrobku lepší používat chladicí kapalinu. A opět platí, že nejlepších zdokumentovaných zlepšení obrábění při použití systému s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem bylo dosaženo v aplikacích zahrnujících dnešní náročné materiály, jako jsou například slitiny na bázi titanu a niklu nebo kobaltu, například slitiny Nimonic C263, Inconel 718, Udimet 720 a Waspaloy. Tyto materiály jsou velmi lepivé a tvárné, a vyžadují proto vyšší úroveň řízeného utváření a odlamování třísek, které je možné dosáhnout právě použitím systému s vysokotlakým přívodem chladicí kapaliny.

Exotické slitiny však nejsou jedinými materiály, které vykazují zlepšení při použití systému s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem. I v automobilovém, loďařském, jaderném a potravinářském/nápojovém průmyslu se používají tvárné materiály vytvářející dlouhé třísky se spíše špatnou obrobitelností. Austenitická a duplexní nerezová ocel, měkké uhlíkové oceli i hliníkové slitiny vykazují obrovská zvýšení rychlosti úběru materiálu a zlepšení řezných parametrů, řízení utváření a odlamování třísek a jakosti povrchu, stejně jako zkrácení výrobní doby.

Jelikož systém Seco Jetstream Tooling eliminuje problémy s odvodem třísek, není nutný žádný zásah obsluhy, a tedy ani přerušení výroby. Doba na odstraňování třísek již není součástí výpočtu celkového operačního času. Navíc zajišťovací šrouby induktoru přívodu chladicí kapaliny systému Seco umožňují obsluze stroje rychlou výměnu a správnou polohu břitové destičky, což zaručuje, že chladicí kapalina bude tam, kde byla před výměnou – přesně na správném místě.
Chladit či nechladit

Je třeba říci, že některé soustružnické operace je lépe provádět za sucha, bez přívodu chladicí kapaliny. Například aplikace se střídavým nebo přerušovaným řezem často vytvářejí tepelný šok a je lépe je provádět za sucha, protože chladicí kapalina může negativní účinky tepelného šoku ještě více zhoršovat. I v těchto případech však může řešení s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem negativní účinky použití chladicí kapaliny do jisté míry eliminovat.

Nepřerušovaný řez je obecně nejlépe provádět s použitím chladicí kapaliny. Tam, kde existují problémy spojené s ochranou životního prostředí, u soustruhů s otevřenou konstrukcí nebo u určitých typů oceli, lze obrábění provádět s dobrými výsledky i za sucha. Břitové destičky s povlakem Seco Duratomic CVD se svými charakteristikami účinné tepelné odolnosti jsou pro takové případy velmi vhodným řešením. Operace, jako je například zapichování a upichování, jsou však při obrábění za sucha mnohem obtížnější, zejména z důvodu vytváření nárůstků. Při těchto operacích může chladicí kapalina – a konkrétněji chladicí kapalina směrovaná pod vysokým tlakem – významně zvýšit výkon.

Dokončovací operace by měly být často prováděny s chladicí kapalinou. V opačném případě se lze v provozu setkat s problémy souvisejícími s přesností obrobků, stejně jako s jakostí jejich povrchu. Zatímco je ve většině provozů chladicí kapalina používána až u 80 % jejich obráběcích aplikací, v jiných jsou všechny operace prováděny za sucha, například z důvodů ochrany životního prostředí. To ovšem vyžaduje přesné monitorování a regulaci vytváření tepla u nástrojů a jeho další sledování za účelem zajištění přesnosti obrobků z hlediska rozměru i jakosti povrchu. To je bezpochyby náročné a vyplatí se v takových případech další rozvažování o použitém nástrojovém vybavení, je to však dnes plně řešitelné. Snížení produktivity a životnosti nástrojů je však při obrábění za sucha v porovnání s obráběním s chladicí kapalinou vždy významné.

Při zvažování použití systémů s přívodem chladicí kapaliny pod vysokým tlakem by výrobci měli hodnotit systémy chlazení nejen na základě jejich výkonu, ale také univerzálnosti a jednoduchosti při pokrývání celého rozsahu dostupných úrovní tlaků chladicí kapaliny u strojů. Systémy by měly umožňovat snadné sestavení i montáž do obráběcích strojů.

Ideální systémy budou rovněž nabízet výběr mezi vnějším nebo vnitřním přívodem chladicí kapaliny u držáku pro soustružení nebo zapichování. Při použití externího přívodu chladicí kapaliny využívají systémy pro držáky se stopkou, jako je například systém Seco, hadice připevněné ze strany nebo pod držáky. Výrobci mohou získat širokou řadu hadicových sad pro snadné připojení přívodu chladicí kapaliny v prakticky jakékoli poloze. Pokud se uživatel rozhodne systém nepoužívat, lze jej ze stroje snadno odebrat a stroj uvést zpět do původního nastaveného systému chlazení. Pro případ vnitřního přívodu je systém vybaven kanálky v držácích, jako například v případě přivádění chladicí kapaliny přes rozhraní kuželu pro držáky typu Seco-Capto.

Výrobci mohou získat hadice různých délek pro připojení přívodu chladicí kapaliny v prakticky jakékoli poloze na revolverové hlavě nebo upínači stroje. Pokud se uživatel rozhodne systém nepoužívat, lze jej ze stroje snadno odebrat a stroj uvést zpět do původního nastavení pro používání chladicí kapaliny.

Bez ohledu na to, jaký typ systému chlazení je použit, klíčovým faktorem pro účinné utváření a odvod třísek, optimalizaci životnosti nástroje a zvýšení produktivity je zaprvé přívod proudu chladicí kapaliny co možná nejblíže k řezné zóně a dále její směrování na správné místo v řezné oblasti. Nástrojové držáky Jetstream Tooling tvoří jen minimální část celkové investice do stroje vzhledem k úsporám, které zajišťují díky sníženým nákladům na díl. Veškeré náklady uspořené nákupem nízkotlakého systému chlazení a nástrojů s lehce nižší cenou budou v porovnání s nízkou životností nástroje a výrobními ztrátami způsobenými prostoji stroje z důvodu tvorby nárůstků bezvýznamné.

*Pojmy „řezná kapalina“ „systém přívodu chladicí kapaliny k nástroji“ nebo „chladicí kapalina“ použité v tomto článku se vztahují pouze k aktuálnímu procesu obrábění kovů, nikoli k jiným funkcím mazání stroje.

Tommy Pitkänen, Product Manager Turning

Zdroj: MEPAX