A Miskolci Egyetem Közleménye A sorozat, Bányászat, 66. kötet, (2004) p. 103-108 A HŰTŐ-KENŐ FOLYADÉKOT ALKALMAZÓ MEGMUNKÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK KIVÁLTÁSÁNAK LEHETŐSÉGE Irina Leschenko oki. gépészmérnök, doktori ösztöndíjas Miskolci Egyetem 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. Jelen rövid tanulmányban a felhasznált mennyiségeket jellemezzük, valamint az olajfelhasználás költség vonzatait, majd röviden utalunk a kenő-hűtő folyadék igény csökkentésének lehetőségeire. A felhasznált mennyiségeket először németországi adatok alapján jellemezzük. [1, 2, 3] A Német Szövetségi Gazdasági Hivatal adatai szerint az 1990-es években a több mint 1 millió tonna összkenőanyagból megközelítőleg ezer tonna olaj került hűtőanyagként felhasználásra. Ebből a mennyiségből 58 ezer tonna olajat a forgácsolás tiszta olajhütésére, 35 ezer tonnát pedig olajbázisként vízben keverhető hűtő-kenőanyagként használtak fel. A hűtő-kenőanyag emulzióban az olaj aránya általában 5 % volt, ebből adódóan évente 750 ezer tonna semlegesítendő, feldolgozandó hűtőkenőanyag mennyiség keletkezett. Németországban tehát évente mintegy 800 ezer tonna olaj, olajos emulzió kezelése", semlegesítése volt a feladat. 95
Leschenko 1. A hűtő-kenőanyagként felhasznált olaj fajlagos költsége kereken 2000 DM/tonna volt. A fáradtolaj és olajkeverék semlegesítési költsége 500-0 DM/tonna, az 5-30 %-os klórtartalmú olajkeverék semlegesítési költsége 0-2500 DM/tonna, az 5-30 %-os klórtartalmú emulzió, ill. nem bontható iszap kezelési költsége 800-1400 DM/tonna volt. A keletkezett kereken 800 ezer tonna olaj, ill. emulzió összes semlegesítési költsége, átlagosan 1500 DM/t kezelési költséggel számolva, 1,2 milliárd DM/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] A hűtő-kenőanyagok felhasználása nélküli ún. száraz" megmunkálás esetén a fent említett költségek, illetőleg környezeti hatások nem jelentkeznek. 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. Az általános megítélés szerint a száraz technológiák környezetvédelmi szempontból jóval előnyösebbek. Ezért ezen technológiák fejlesztése több irányban is indokolt. Ebben a fejlesztő munkában hosszabb idő óta jelentős eredményt ért el a Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszéke. A kísérletek első szakaszában fúrási erő- és nyomatékméréseket végeztek, illetőleg fürószerszám 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 mikrogeometriai 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. 96
A hűtő-kenő folyadékot alkalmazó megmunkálási technológiák kiváltásának lehetősége A másik jelentős kutatási irány, amikor egy környezetet károsító megmunkálási eljárást egy másik, környezetbarát eljárással váltunk ki [4], 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. A köszörülés a nagymennyiségű hűtő-kenő folyadék felhasználás miatt nagymértékben szennyezi a környezetet, károsítja a dolgozók egészségét és emellett még a műveleti költségek is jelentősen magasabbak. Az 1. ábrán a köszörülési müvelet vonatkozásait ábrázoltuk a felhasznált segédanyagok és a művelet utáni maradványok számbavételével. ElögvArtás KÖSZÖRÜLÉS Segédanyagok Kondicionáló gyémánt KKF koncentrátum vezetékes viz Hőkezelés KÖSZÖRÜLÉS HKF Is Vfi. EREDMÉNY M3 J rrs...it6 Maradványok Újrahasznosítás nem lehetséges Maradék korong Forgács imp Használt hsl64«aa folyidék Aerosolok =8 JS S a o > 1. ábra: Müveletek, segédanyagok és maradványok köszörülésnél (HKF- hűtő-kenő folyadék) 97
Leschenko 1. 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. Köszörülésnél számolni kell folyadék-köddel is, amelyben nagyon pici l(im alatti - szilárd részecskék, aerosolok lebegnek. Ennek koncentrációját és a szilárd részecskék méretét lézer-fotométerrel történő monitorizálással ki lehet mutatni. Az aerosolok 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. 2. ábra: Műveleti maradványok keményesztergálásnál 98
A hűtő-kenő folyadékot alkalmazó megmunkálási technológiák kiváltásának lehetősége Nagyon gyakran a környezetbarát eljárás a költségesebb. A keményesztergálás megfelelő technológiai adatválasztás mellett nemcsak környezetkímélő, hanem olcsóbb eljárás is lehet [5], Egy 36 mm átmérőjű fogaskerék kísérleti eredményei ezt mutatták (hossza: 38,45 mm; anyaga: 16 MnCr5; keménység: 61-63 HRC). A furatokban a megmunkálás után IT6 pontosságot kellett biztosítani. Az előírt érdesség (R z ) értéke: a furatban R z = 5 pm. Az alkatrészre elvégzett költségelemzés során a következő költségösszetevőket határozták meg: bérköltségek, gépköltségek, gyártóeszköz költségek, műveleti költségek. A költségszámítások eredményeit a 3. ábrán ábrázoljuk. Ezzel arányos az elérhető nyereség is egy fogaskerékre számítva. 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. Ha a költségráfordításokat kiszámítjuk, a következő eredmények adódnak: A keményesztergálás bérköltsége a köszörülésnek A keményesztergálás gépköltsége a köszörülésnek 22 %-a. 122 %-a. A keményesztergálás gyártóeszköz költsége a köszörülésnek 29 %-a. A keményesztergálás műveleti költsége a köszörülésnek 61 %-a. 99
Leschenko 1. I.Ofi r: l Köszörülés nkeményesztergalas 0.92 0.80 t» -D T3 í? 0.60 O) <D <fl 0 40 :0 * 0,20 i 0 33 0,24 0.07 0.56 O.DO Bei ktgs ktgs a) 140 120 122 ŕ^á D Köszörülés Keményesztergálás O) -0) <f) o x. 80 60 40 22 29 20! 0 5 Ber ki 0 s Góp k t««0/ 0t7kô7 klgs Muvŕlet» ktíjí b) 3. ábra: Keményesztergálási és köszörülési költségek a) költségek euróban, b) költségek százalékosan
A hűtő-kenő folyadékot alkalmazó megmunkálási technológiák kiváltásának lehetősége Összefoglalás Edzett furatok és a hozzájuk kapcsolódó felületek gazdaságos és környezetkímélő megmunkálását jelentősen befolyásolja a választott eljárás. Az alternatív eljárások közül jóval gazdaságosabb a szárazon végzett keményesztergálás, mint a sok hűtő-kenő folyadékot igénylő köszörülés. A régebbi szerszámokhoz viszonyítva drágának látszó köbös bómitrid 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. Az alternatív megoldások közül a korszerű száraz eljárások választása indokolt, mert egyrészt olcsóbb, másrészt teljesen környezetbarát. 101
Leschenko 1. 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. Miskolc, 1996. március [2] BMFT kutatási tervek: Szárazmegmunkálás cermet szerszámokkal. VDI-TZ. Düsseldorf (1993) [3] Cselle Tibor: A szárazmegmunkálás érvei és ellenérvei. GÜHRING 39, 27. évf. (1994) [4] A.G. Mamalis, J. Kundrak, K. Gyáni and A. Markopoulos: Economic and Environmental Effect of Machining Hardened Bores And the Connecting Surfaces. 9 th International Workshop on Ecology and Economy in Manufacturing, ICEM 2003 Papers 8 10p. [5] J. Kundrak: Advantages of hard cutting in machining of hardened bores, Proceeding of the International Congress of Precision Machining (ICPM), Prague, Czech Republic, 3-6. Sept 2003. pp. 180-186. 102