III. Riport A HŰTŐ-KENŐ FOLYADÉKOT ALKALMAZÓ MEGMUNKÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK KIVÁLTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI

Átírás

1 Megmunkálási technológiák II. LGB_AJ003_2 III. Riport A HŰTŐ-KENŐ FOLYADÉKOT ALKALMAZÓ MEGMUNKÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK KIVÁLTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI Kristóf Ádám YB63WB Gépészmérnök Bsc Levelező Győr,

2 Tartalom Bevezető... 3 A hűtő-kenő folyadékokról röviden... 3 Hűtés-kenés... 4 Adatok, pozitívumok és negatívumok... 5 Mi lehet a megoldás?... 6 Új technológiák, megoldások keresése... 7 Hideg levegős hűtés... 7 Minimálkenés... 8 Összefoglalás Következtetések Felhasznált irodalom... 14

3 Bevezető A hagyományos gépipari megmunkálások (forgácsolás, fúrás, csiszolás) során általában olaj, illetőleg olajtartalmú emulzió szolgál a keletkezett hő elvezetésére, a munkadarab, illetőleg a szerszám hűtésére. Az olajfelhasználás számottevő költséget jelent, a folyadék szilárdanyagtól való szétválasztása folyamatos feladatot, a maradék anyag elhelyezése környezeti problémákat vet fel. A felhasznált mennyiségeket németországi adatok alapján fogjuk jellemezni, a Német Szövetségi Gazdasági Hivatal adatai szerint. A hűtő-kenő folyadékokról röviden A gépek, és alkatrészek gyártása során alkalmazott hűtő-kenő folyadékok nagy hatást gyakorolnak a termelékenységre és a termék minőségére. Ezek folyadékok biztosítják a technológiai folyamatok (TF) minőségi mutatóit, továbbá a marató és mosó folyadékok a gépgyártás technológia fontos anyagai. Ezek a folyadékok és oldatok az alkalmazás, felhasználás során azonban oly módon változtatják minőségi mutatóikat, illetőleg tulajdonságaikat, hogy a dolgozók és a környezet számára veszélyt is jelenthetnek. A hűtő-kenő folyadékok alapvetően az olajok, a vízzel keverhető és nem keverhető elegyek, emulziók, szintetikus és fél szintetikus vegyi oldatok. [5]

4 A HKF-ok minden esetben kenési funkciót töltenek be a szerszám, a forgács és a munkadarab érintkező felületén, továbbá hűtik azokat, valamint stabilizálják a forgácsolási folyamatot és a szerszám kopását. Hűtés-kenés Ez a többfunkciós rendeltetés sokkomponenses oldatok alkalmazását teszi szükségessé. [5] A komponensek egy része közvetlen módon mérgező lehet. A bőrrel való időszakos, vagy hosszantartó érintkezés során, illetőleg az aeroszolos részecskés levegővel való belégzése útján a káros anyagok (szén-dioxid, hidrogénkloridok, szénhidrogének, kénanahidridek, aldehidek, stb.) kerülnek a szervezetbe, ingerlik a nyálkahártyát, csökkentik a szervezet általános immunbiológiai védekezőképességét, bőrgyulladást, idegrendszeri károsodást okozhatnak. A dolgozók védelme betegségmegelőző intézkedésekkel, egyéni védelmi eszközök és rendszabályok sorozatával történhet, szigorúan betartva a szükséges műszaki intézkedéseket is. Folyamatos követelmény természetesen a környezetben megjelenő káros anyagok, a szennyeződések eltávolítása is. Hűtő-kenő folyadékok célja, típusai A hűtőfolyadékok és kenőfolyadékok célja a szerszám és a munkadarab hűtése és kenése. Követelmény hogy a súrlódó rendszerben csökkentse, módosítsa a súrlódást, kenőhatás, a súrlódó rendszerekből vezesse el a hő meghatározott részét, hűtőhatás, a megmunkálandó felületeket tisztítsa, hogy a forgács ne akadályozza a forgácsolást. A hűtő és kenőanyagok a fémmegmunkálási segédanyagok legfontosabb csoportját képezik. A hűtő és kenőanyagok összetétele bonyolult, a felhasználás módjára és körülményeire igen érzékenyek, amelynek kiválasztása, alkalmazása felhasználók részéről rendszeres figyelmet igényel. A hűtő-kenő folyadékok a forgácsolás termelékenyebb működését biztosítja a termelt hő elvezetésével és a fellépő súrlódás csökkentésével.

5 Hűtő-kenő folyadékok követelményei Hűtő és kenő folyadékok követelményei a megfelelő hűtés és kenés biztosítása, melyek egymást akadályozzák. Általában a nagyobb hűtésigény a kenőhatásról való bizonyos fokú kényszerű lemondást jelenti és fordítva. A követelmények ismertetése: - biztosítsa a technológiai folyamat által megkívánt alacsony súrlódást, - megkívánt hűtőhatás legyen, - csökkentse a kopást, - könnyítse az alakítási folyamatot, elősegítse a jó felületi minőséget, - védje a szerszámot és a munkadarabot a légköri korrózióval szemben, - felhasználás során és tárolás közben stabil maradjon, - ne legyen mérgező, - környezetkímélő legyen, - habzásmentes legyen. Az adalékanyagot valamilyen növekmény érdekében adják a hűtő-kenő folyadékokhoz (pl.: habzás gátló). Adatok, pozitívumok és negatívumok Mint már a bevezetőben elhangzott a Német Szövetségi Gazdasági Hivatal adatai szerint, akkor lássuk a fent említett folyadékok költségeit röviden. A hivatal szerint a több mint 1 millió tonna összkenőanyagból megközelítőleg 100 ezer tonna olaj került hűtőanyagként felhasználásra. Ebből a mennyiségből 58 ezer tonna olajat a forgácsolás tiszta olaj hűtésére, 35 ezer tonnát pedig olajbázisként vízben keverhető hűtő-kenőanyagként használtak fel. A hűtőkenőanyag emulzióban az olaj aránya általában 5 % volt, ebből adódóan évente 750 ezer tonna semlegesítendő, feldolgozandó hűtő-kenőanyag mennyiség keletkezett. Németországban tehát évente mintegy 800 ezer tonna olaj, olajos emulzió kezelése", semlegesítése volt a feladat. A hűtő-kenőanyagként felhasznált olaj fajlagos költsége kereken 1000 /tonna volt. A fáradt olaj és olajkeverék semlegesítési költsége /tonna, az 5-30 %- os klórtartalmú olajkeverék semlegesítési költsége /tonna, az 5-30 %-os klórtartalmú emulzió, ill. nem bontható iszap kezelési költsége /tonna volt. A keletkezett kereken 800 ezer tonna olaj, ill. emulzió összes semlegesítési költsége, átlagosan 800 /t kezelési költséggel számolva, 700 millió /év tételt jelentett. A hűtő- és kenőanyag költségek a német fémfeldolgozó ipar évi összköltségének mintegy 16%-át teszik ki és ennek a költségnek a 22%-át ezen anyagok és maradékainak kezelésére, ártalmatlanítására fordítják. Ami talán meglepő a 16%-os hűtő-kenőanyagköltség mellett a szerszámköltség mindössze" 4%-ot tesz ki. Hasonló volt a helyzet, illetőleg a költségarányok a magyarországi fémmegmunkáló iparban is. [1, 2] Ezen anyagok nagy hasznuk mellet ugyanakkor veszélyt is jelentenek! Ezek a veszélyek az anyaggal kapcsolatba kerülő dolgozókat, de akár a gépekben, szerszámokban és a munkadarabban is kárt tehetnek, amennyiben nem megfelelőek és nincsenek karbantartva. Itt elsősorban vegyi, mikrobiológia veszélyekről, illetve hibás keverékekről beszélünk.

6 Mi lehet a megoldás? A megoldás nem új keletű dolog! Felvetődött a száraz megmunkálás gondolata! Ezen módszerrel az ipar rengeteg pénzt takaríthatna meg, tehát a hűtő-kenőanyagok felhasználása nélküli ún. száraz" megmunkálás esetén a fent említett költségek, illetőleg környezeti hatások nem jelentkeznek. A szárazmegmunkálás széleskörű elterjedését a forgácsolószerszámok anyagának, bevonatának és geometriájának fejlesztése, valamint a megfelelő forgácsolási körülmények (korszerű szerszámgépek, vezérlések, szerszám- és munkadarab- befogó rendszerek, optimális technológiai paraméterek) létrehozása teszi lehetővé. Célja: a hűtés-kenéssel felmerülő ökológiai, egészségügyi és gazdaságossági problémák teljes kiküszöbölése. [5] Az ún. száraz megmunkálás előnyeként említhető: az olaj, ill. emulzió maradék nem jelenik meg, egyszerűbb a forgácskezelés, nincs víz-, ill. levegőszennyeződés, a megmunkálás során a dolgozókat nem érik egészségkárosító hatások, a hűtő-, ill. kenőanyag tárolása, tisztítása, kezelése és megsemmisítése, ill. ezek költségei elmaradnak. elmaradnak a HKF-nak a munkatérbe történő bejuttatását szolgáló rendszerek, elmaradnak HKF beszerzésének, tárolásának, ill. hatástalanításnak, regenerálásának költségei, elmaradnak a munkatér, ill. a berendezések tisztántartását szolgáló berendezések, javul a munkahely tisztasága, csökken az egészségügyi kockázat, a forgács szennyezettsége, a tűzveszély mértéke. A szárazmegmunkáláson a hűtő-kenő anyag nélküli megmunkálást értjük, de a léghűtés különböző formái is ide tartoznak. Száraz megmunkálás többek között a koptató csiszolás mágneses térben. Ezt az eljárást nem mágnesezhető alkatrészeken is el lehet végezni. Száraz megmunkálás még az esztergálás hideg levegővel, ekkor csak hideg levegőt fújatnak a megmunkálás helyére, ami elszállítja a forró levegőt a forgácsképződés helyétől. A szárazmegmunkálás a legjobban környezetbarát eljárás. A száraz megmunkálás során nem alkalmaznak kenő és hűtő anyagokat. Az általános megítélés szerint a száraz technológiák környezetvédelmi szempontból jóval előnyösebbek. Ezért, ezen technológiák fejlesztése több irányban is indokolt.

7 A folyékony HKF alkalmazásának elhagyása ugyanakkor új követelmények teljesítését igényli a megmunkáló rendszerekben: szükséges a szerszámgép-egységek kenési rendszerének és finom tisztítóeszközeinek korszerűsítése, a szerszámra ható hő- és súrlódó terhelések növekednek, a korrózióvédelem külön intézkedéseket igényel, a szerszámkopás fokozódik, az újraélezés költségei emelkednek, a berendezések időszakos műszaki felülvizsgálatának gyakorisága növekszik, a megmunkálási pontosság csökkenhet, változik a forgácsképződés folyamata, magnézium és alumínium anyagok megmunkálása során emelkedik a por berobbanás veszélye, a megmunkálás során emelkedik a zajszint. A most említett változások szükségessé teszik a szerszámgépek tervezésére, a gyártás szervezésére, a szerszám anyagokra és geometriára, a technológiai folyamatra, az elő gyártmány előállítására vonatkozó új koncepciók kidolgozását. Új technológiák, megoldások keresése A folyadékok kiváltásához vezető úthoz több irányból kezdtek a szakemberek közelíteni. Ezt folyamatos kísérletekkel és tesztekkel tették. A kísérletek első szakaszában fúrási erő- és nyomatékméréseket végeztek, illetőleg fúrószerszám kopásértékeket mértek változó mennyiségű hűtő-kenőanyag felhasználás esetén. Ezen mérések eredményei referencia értékként szolgálhatnak a csökkentett mennyiségű hűtő-kenőanyag felhasználásakor kapott forgácsoló erő, nyomaték- és kopásértékekkel. A kísérleti mérések során meghatározták a furatok makro- és mikro geometriai jellemzőit is. A vizsgálatok második szakaszában csökkentették a hűtő-kenő folyadékok mennyiségét és fokozatosan a sűrített levegővel való hűtésre tértek át. Elemezték azokat a kérdéseket is, amelyek a hűtő-kenő folyadékok csökkentése következtében léptek fel. Hideg levegős hűtés A hideg levegős hűtés során a megmunkálás helyére egy ventillátoron, vagy fúvókán keresztül hideg levegőt áramoltatnak. A levegő a forgácsolás helyére érve átveszi az ottani lokális hőmérsékletet, de rövid idővel ez után már a helyére új, friss, hideg levegő érkezik, ami ismét felveszi környezete hőmérsékletet.

8 Az eláramoltatott levegő szállítja el a hőfelesleget a kívánt helyről. Közel sem olyan jó hatásfokú, mint a folyadékhűtés és nem is gazdaságos a használata. Csak kis teljesítményeknél érdemes alkalmazni. Minimálkenés A minimálkenési eljárásokat az adagolórendszer és a kenőfolyadék forgácsolási zónába vezetésének módja szerint szokás osztályozni. Az adagolórendszerek működhetnek levegővel vagy a nélkül. A levegős rendszerek legtöbbje a megmunkálási zóna közelében alakítja ki a permetet vákuumos vagy nyomásos eljárással, de van olyan megoldás is, amelynél a permet már az olajtartályban létrejön, és képes akár több tíz méter távolságba is eljutni a kicsapódás veszélye nélkül. Ez az ún. boosteres eljárás. A boosteres porlasztás zárt munkaterű, korszerű CNC szerszámgépeken is alkalmazható, a berendezés a CNC programból vezérelhető. Külső és belső kenésre egyaránt használható, de a ki nem csapódott, mikronnál kisebb cseppméretű permet munkatérből való elszívásáról egészségügyi okok miatt gondoskodni kell. A külső kenési megoldással csak l/d<2 mélységű furatok, míg belső kenéssel ennél sokkal mélyebbek is megmunkálhatók, mert a kenőanyag közvetlenül a megmunkálási zónában fejti ki hatását. Ez utóbbi hátránya viszont az, hogy költségesebb berendezést és drágább, belső kenőcsatornával is rendelkező szerszámot igényel. Régebbi szerszámgépeken nem, vagy csak igen körülményesen alkalmazható. A berendezést az 5-6 bar nyomású hálózati levegő működteti. A kenőanyagot az állítható lökethosszú és löketszámú dugattyú adagolja. Az adagolt mennyiség ml/h, az emulziós hűtés-kenés 4-10 l/min mennyiségével szemben. A tartályban elhelyezett kenőanyag általában speciális, nem nagy viszkozitású (ν<100 mm2/s) növényi, ásványi vagy szintetikus olaj egy kettős csővezeték belső csövén jut a keveredési zónába, a levegő pedig a külső csövön érkezik. Külső kenéskor a keveredés a permet létrehozása a fúvókában, míg belső kenéskor a szerszám előtt történik. [5] A másik jelentős kutatási irány, amikor egy környezetet károsító megmunkálási eljárást egy másik, környezetbarát eljárással váltunk ki [2], Ilyen kutatási irány a nagy mennyiségű hűtő-kenő folyadékot felhasználó köszörülés helyettesítése szárazmegmunkálással. Szerszámának anyaga polikristályos köbös bórnitrid (PCBN) váltólapka, amely keménysége folytán alkalmas edzett acélok esztergálására. Szükséges feltétel a fokozott merevségű-, e célra épített ún. keményeszterga, amely automata, vagy félautomata üzemmódban dolgozik. Jóllehet a keményesztergálás ipari alkalmazása fokozatosan szélesedik, azonban még távolról sem általános. Több probléma van még, amit a kutatásnak és fejlesztésnek kell megoldania. Zavartalan és sikeres az alkalmazása a viszonylag kisebb felületű furatos munkadarabokon. [4] A köszörülés például a nagymennyiségű hűtő-kenő folyadék felhasználás miatt nagymértékben szennyezi a környezetet, károsítja a dolgozók egészségét és emellett még a műveleti költségek is jelentősen magasabbak.

9 Műveletek, segédanyagok és maradványok köszörülésnél (HKF- hűtő-kenő folyadék) A művelet eredménye ugyanaz, mint a keményesztergálásnál, az előzetes műveletek is ugyanazok, viszont maga a köszörülés költséges segédanyagokat igényel, a maradványok közül pedig az iszap és az elhasznált hűtő-kenő folyadék veszélyes hulladéknak minősül. Az iszap a korongról letöredezett abrazív- és kötőanyagszemcsékből, a mikroszkopikus nagyságú forgácsból és hűtő-kenő folyadékból áll. Ezeket szétválasztani lehetetlen, ártalmas a környezetre és az egészségre, ártalmatlanítása speciális feltételeket igényel. [4] Köszörülésnél számolni kell folyadék-köddel is, amelyben nagyon pici l (im alatti - szilárd részecskék, aeroszolok lebegnek. Ennek koncentrációját és a szilárd részecskék méretét lézer-fotométerrel történő monitorizálással ki lehet mutatni. Az aeroszolok belégzése súlyos egészségkárosodást vonhat maga után. A száraz eljárásoknál ezek a kedvezőtlen hatások nem jelentkeznek. A keletkezett forgács a munkadarab anyagával azonos, így könnyen reciklizálható. Az elkopott szerszámot vagy félreteszik, vagy élezés után újra felhasználják, de nem keveredik össze más anyagokkal. A keményesztergálás ökológiai blokk-ábráját, a köszörüléssel való összevetés céljából is, a 2. ábrán közöljük. A munkadaraboknak köszörüléssel azonos minősége mellett, teljesen környezetbarát, tiszta, higiénikus technológiája valósítható meg keményesztergálással.

10 Műveleti maradványok keményesztergálásnál Nagyon gyakran a környezetbarát eljárás a költségesebb. A keményesztergálás megfelelő technológiai adatválasztás mellett nemcsak környezetkímélő, hanem olcsóbb eljárás is lehet [2,3], Konkrét példa: Egy 36 mm átmérőjű fogaskerék kísérleti eredményei ezt mutatták (hossza: 38,45 mm; anyaga: 16 MnCr5; keménység: HRC). A furatokban a megmunkálás után IT6 pontosságot kellett biztosítani. Az előírt érdesség (Rz) értéke: a furatban Rz = 5 pm. Az alkatrészre elvégzett költségelemzés során a következő költségösszetevőket határozták meg: bérköltségek, gépköltségek, gyártóeszköz költségek, műveleti költségek. (A számítások eredményeit az alább található két diagramban foglaltuk össze.) A fenti költségekkel arányos a nyereség is egy fogaskerékre számítva.

11 1 0,92 0,8 Köszörülés Kemény esztergálás Költség /db 0,6 0,4 0,27 0,27 0,33 0,24 0,56 0,2 0,06 0,07 0 Bérköltség Gépköltség Gyártóeszköz költség Műveleti költség a) Köszörülés 120 Kemény esztergálás Költség % Bérköltség Gépköltség Gyártóeszköz költség Műveleti költség b) Keményesztergálási és köszörülési költségek a) költségek euróban, b) költségek százalékosan A legnagyobb nyereség a bérköltségeknél van, mert az esztergáknál kétgépes kiszolgálást lehet alkalmazni, köszörülésnél viszont ez nem lehetséges. A keményesztergálás gépköltsége nagyobb, mint a köszörülésé. [4]

12 Ha a költségráfordításokat kiszámítjuk, a következő eredmények adódnak: A keményesztergálás bérköltsége a köszörülésnek 22%-a. A keményesztergálás gépköltsége a köszörülésnek 122%-a. A keményesztergálás gyártóeszköz költsége a köszörülésnek 29%-a. A keményesztergálás műveleti költsége a köszörülésnek 61%-a. Összefoglalás Az említett pozitív és negatív hatások együttes jelentkezése miatt ma még nincs olyam általános megoldás, ami együtt garantálná a megmunkálási folyamat gazdaságos és környezetbarát jellegét. [3] Tendencia jelleggel érvényesülő fejlődési irányok: a HKF-ok felhasználási mennyiségének csökkenése, a HKF-ok felhasználási tulajdonságainak javítása, a káros jellemzők csökkentése, a HKF-ok esetenkénti teljes kiiktatása a termelési folyamatból. Adott esetekben az alkalmazó feladata kidolgozni, illetőleg kiválasztani a lehetséges, optimális megoldást: a felhasznált HKF hatékony ártalmatlanításának módszere, a megmunkálandó anyagok adhéziós, inaktív bevonattal való védelme, a forgácsolási zónába vitt HKF mennyiségének minimalizálása, modifikált folyékony technológiai közeg alkalmazása, a folyékony HKFok helyett szilárd kenőanyag alkalmazása, HKF-ok használatát kiváltó száraz" forgácsolási technológia alkalmazása. Edzett furatok és a hozzájuk kapcsolódó felületek gazdaságos és környezetkímélő megmunkálását jelentősen befolyásolja a választott eljárás. Az alternatív eljárások

13 közül jóval gazdaságosabb a szárazon végzett keményesztergálás, mint a sok hűtőkenő folyadékot igénylő köszörülés. A régebbi szerszámokhoz viszonyítva drágának látszó köbös bórnitrid szerszám termelékenysége folytán végül is nagyobb hasznot hoz, mint az olcsó szerszámos köszörülés. Ökológiai tekintetben a köszörüléshez szükséges sok hűtő-kenő folyadék jelentősen károsítja a dolgozók egészségét, szennyezi a környezetet, és még veszélyes hulladék is keletkezik. Ezek mellett a gyártási költségek is emelkednek. [2] Az alternatív megoldások közül a korszerű száraz eljárások választása indokolt, mert egyrészt olcsóbb, másrészt teljesen környezetbarát. Következtetések A minimálkenéssel és a szárazmegmunkálással elvégzett kísérletek és az alkalmazási tapasztalatok alapján az alábbi következtetések vonhatók le: a minimálkenés legtöbb esetben valóban csökkenti a gyártási költségeket, emellett kíméli a környezetet és védi a dolgozók egészségét; különösen hatékony az eljárás olyankor, amikor a szerszámgépek nagy mérete miatt (pl. karuszszel eszterga) a hűtő-kenő folyadék szabályozhatatlan szétfolyását megakadályozandó csak szárazon forgácsolhatnának; az automatikus vezérlésű szerszámgépekre (mechanikus automaták, CNC gépek) a legtöbb pótlólagosan felszerelt minimálkenő berendezés nem, vagy csak korlátozott mértékben használható, de a boosteres porlasztó rendszer itt is megfelel; a hűtés-kenés korszerűsítése terén a szárazmegmunkálás alkalmazása a környezetvédelem legradikálisabb módja és alkalmazhatóságának korlátai hideglevegős hűtéssel tovább bővíthetők. [5]

14 Felhasznált irodalom [1] Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Alapítvány Logisztikai és Gyártástechnikai Intézete: Hazai ipari technológiák környezeti hatásai. A környezetvédelmi ipar hazai helyzete" c. tanulmány II. melléklete. [2] BMFT kutatási tervek: Szárazmegmunkálás cermet szerszámokkal. VDI-TZ. Düsseldorf [3] Cselle Tibor: A szárazmegmunkálás érvei és ellenérvei. GÜHRING 39, 27. évf. [4] Irina Leschenko okl. gépészmérnök, doktori ösztöndíjas A Miskolci Egyetem Közleménye A sorozat, Bányászat, 66. kötet, (2004) p [5] Metal Forum szaklap December 1-i kiadás Bán Sándor, Powerin Kft. Dr. Kodácsy János, főiskolai tanár Kecskeméti Főiskola Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskolai Kar Gépgyártástechnológia Tanszék