0

SVEUČILIŠTE U SPLITU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

Poslijediplomski doktorski studij Strojarstva

KVALIFIKACIJSKI DOKTORSKI ISPIT

ODRŽIVOST STROJNE OBRADE UZ KORIŠTENJE

ALTERNATIVNIH VRSTA HLAĐENJA

Luka Celent

Split, siječanj 2012.

SADRŽAJ

1. UVOD....….... ........................................................................................................................................... 1

2. SREDSTVA ZA HLAĐENJE I PODMAZIVANJE…................................................................... ...... 3

2.1. Karakteristike i primjena SHIP-a ....................................................................................... 3

2.2. Ekološki aspekti primjene SHIP-a ..................................................................................... 8

2.3. Utjecaj SHIP-a na čovjeka ................................................................................................. 10

2.4. Troškovi vezani za upotrebu SHIP-a ................................................................................. 13

3. SUHA STROJNA OBRADA ......................................................................................................... 15

4. ALTERNATIVNE VRSTE HLAĐENJE PRILIKOM STROJNE OBRADE ........................................... 20

4.1. Strojna obrada uz hlađenje komprimiranim hladnim zrakom .................................... 21

4.2. Strojna obrada uz korištenje minimalnih količina SHIP-a ............................................... 24

4.3. Kriogeni proces strojne obrade ........................................................................................ 27

4.4. Korištenje alternativnih vrsta hlađenja pri različitim operacijama obrade .................. 29

5. TROŠENJE I TRAJANJE ALATA ZA OBRADU ODVAJANJEM ČESTICA ...................................... 35

5.1. Oblici trošenja alata .......................................................................................................... 37

5.2. Postojanost alata i postavljanje kriterija istrošenosti ..................................................... 37

5.3. Mjere za produljenje vijeka trajanja alata pri korištenju alternativnih vrsta hlađenja 40

5.3.1. Optimiranje parametara rezanja ............................................................................. 41

5.3.2. Izbor novih geometrija alata i materijala prevlaka ................................................. 41

5.3.3. Primjena alternativnih vrsta hlađenja ..................................................................... 42

5.3.4. Procjena pouzdanosti alata ..................................................................................... 42

6. SMJERNICE BUDUĆIH ISTRAŽIVANJA ...................................................................................... 44

7. ZAKLJUČAK ................................................................................................................................ 46

LITERATURA... ................................................................................................................................ 47

1

1. Uvod

Stručnjaci kažu da je ovo desetljeće presudno za budućnost našeg planeta. Pojam

održivog razvoja danas je jedan od najprisutnijih pojmova u znanosti, medijima i civilnom

društvu te ga smatraju neophodnim okruženjem za osiguravanje budućnosti Zemlje.

Najpoznatija je definicija održivog razvoja ona koja ističe kako se treba zadovoljiti sve svoje

potrebe bez ugrožavanja mogućnosti zadovoljenja potreba budućih generacija. No napori na

tom području nailaze na velike prepreke u umu modernog čovjeka koji odbija postojanje

granica i pokušava sve stvari relativizirati.

Razvoj znanosti od sredine 20. stoljeća na dalje otvara sasvim nove tehnologije, poput

nuklearne tehnike, nanotehnologije, genetike i sl, noseći sa sobom neslućene mogućnosti, ali

i opasnosti. Na žalost, razvoj društvene svijesti i morala čovječanstva u velikom je raskoraku s

tehnološkim razvojem, stavljenim isključivo u službu ostvarenja superprofita, pa i pod cijenu

sasvim nerazboritog korištenja prirodnih resursa, što dovodi na rub ekološke katastrofe

planetarnih razmjera. Neki se pitaju idu li održivost i razvoj jedno s drugim te nisu li to

potpuno oprečni procesi, s obzirom da gledaju na održivost kao na nešto statično, a na razvoj

dinamično. No, održivo je poput prirode, te se postavlja pitanje da li je moguće smatrati

prirodu statičnom. Svi ljudski pokušaji ne bi nikada mogli dosegnuti savršenu dinamiku koja

se događa u prirodi. Dok razvoj današnjeg društva uzimaju kao nešto dinamično, ipak

postavlja se pitanje do kada je razvoj razvoj. Održivi razvoj u proizvodnoj industriji nameće

potrebu pronalaska novih tehnologija i načina koji bi se mogli koristiti uz minimalne

posljedice za čovjeka i okoliš. Napori za unaprijeđenje proizvodne tehnologije su usmjereni

na povećanje efikasnosti, ali s nedavnom rastućom ekološkom svijesti i posebnim naglaskom

na zaštiti rada, odnosno čovjeka.

Obrada odvajanjem čestica najčešće je korišteni postupak obrade metala u

proizvodnji odnosno industriji strojne obrade. Više vrijednosti parametara rezanja nude

mogućnost za postizanje veće produktivnosti, ali u isto vrijeme predstavljaju rizik za

pogoršanje kvalitete površine i vijeka trajanja alata. Sredstva za hlađenje i podmazivanje

omogućavaju ostvarivanje najboljih rezultata uz minimiziranje navedenog rizika. Ipak,

moderno doba je u jednadžbu ostvarivanja željenog uspjeha uvrstilo i neke nove parametre

kao što su ekološka i socijalna prihvatljivost i veća ekonomska isplatljivost. Veća pozornost

usmjerena na negativne efekte sredstava za hlađenje i podmazivanje kao i multipliciranje tih

2

efekata u novije vrijeme, dovela je do nužnosti pronalaska novih rješenja. Tržišni zahtjevi za

sve većim količinama ovih sredstava, kao i donedavno njihovo nekritično korištenje doveli su

do zabrinjavajućeg ili sada već zastrašujućeg utjecaja na čovjeka i okoliš. Rastuće potrebe

tržišta kao i novi za obradu zahtjevni materijali, smanjuju profitabilnost konvencionalne

„mokre“ obrade zahvaljujući svim troškovima vezanim uz sredstva za hlađenje i

podmazivanje od nabave, preko korištenja do njihovog odlaganja. Ipak napuštanje obrade

korištenjem SHIP-a, koja je do sada davala zadovoljvajuće rezultate u smislu tehničke izvedbe

i profita, neće biti moguće bez ponude dostojne zamjene. Također implementacija novih

načina obrade nije moguća jednostavnim isključivanjem korištenja svih vrsta sredstava za

hlađenje i podmazivanje jer njihovu funkciju bi u slučaju određnih načina obrade i određenih

materijala u tom slučaju morala zamijeniti neka druga tehnološka ješenja.

Alternativne vrste hlađenja u kombinaciji s novim materijalima za izradu alata i

specijalnim prevlakama predstavljaju područje za pronalaženje adekvatne zamjene sredstava

za hlađenje i podmazivanje što predstavlja određeni tehnološki napredak.

3

2. Sredstva za hlađenje i podmazivanje

Sredstva za hlađenje i podmazivanje (SHIP) su uvedena u proizvodnu industriju da

poboljšaju karakteristike triboloških procesa koji su uvijek prisutni na kontaktnim

površinama alata i obratka prilikom obrade rezanjem. Korištenjem ovih sredstava povećava

se produktivnost, poboljšava površinska kvaliteta, smanjenjuju troškovi i posljedično se

ukupno povećava profit. Visoka produktivnost i ekonomičnost uz ostvarivanje zadane

kvalitete su osnove tržišne kompetitivnosti proizvodne industrije. Ovi zahtjevi, iako rastući

ispunjeni su korištenjem velikih brzina rezanja i posmičnih brzina. Temperature u zoni

rezanja koje se postižu u ovim uvjetima skraćuju vijek trajanja alata te utječu na dimenzijsku

točnost i integritet površine obrađenog komada. Korištenjem SHIP-a se nastoji minimizirati

negativni utjecaj topline koja se generira u zoni rezanja i spriječiti postizanje kritične

temperature nakon koje alat ulazi u fazu ubrzanog trošenja. Malo smanjenje temperature u

zoni rezanja uvelike povećava vijek trajanja alata i poboljšava karakteristike završno

obrađenog komada.

Razvoj i napredak obrade određenih metala je omogućen upravo korištenjem SHIP-a,

te je njihova primjena nužna za obradu materijala kao što su aluminijske slitine koji imaju

tendenciju adheriranja na alat i stvaranja naljepka ili najtvrđi čelici. Dakle korištenje SHIP-a je

od presudne važnosti kad postoji jaka adhezija između alata i odvojene čestice, kod

prekomjernog trošenja alata pod uvjetima suhe obrade i kada nije moguće kontrolirati

toplinsku deformaciju obradka. Njegova primjena u proizvodnji omogućava optimalno

ispunjavanje zahtjeva tržišta, no zbog niza negativnih efekata koje ove tekućine imaju na

čovjeka i okoliš, moderna proizvodna industrija posvećuje sve veću pozornost na pažljivi

odabir društveno i ekološko prihvatljivih sredstava (eng. environment friendly), odnosno

optimalno napuštanje njihova korištenja i prelaska na suhi način obrade ili korištenja neke

alternativne vrste hlađenja.

2.1. Karakteristike i primjena SHIP-a

Dvije su temeljne funkcije primjene tekućina za obradu metala:

- hlađenje odnosno reduciranje generirane topline u zoni rezanja,

- podmazivanje u svrhu smanjenja trenja.

Postoji i niz sekundarnih ali ne manje važnih funkcija SHIP-a kao što su odvođenje

odvojene čestice, čišćenje alata i obratka, produljenje vijeka trajanja alata, povećanje

4

produktivnosti, zaštita alata od korozije, kvalitetnija završna obrada, održavanje ujednačenih

temperatura unutar obratka i alata kao i cjelokupno stvaranje uvjeta za sigurno (eng. failure-

free) izvršavanje automatiziranih operacija prilikom obrade metala [1].

Povijesni pregled i razvoj SHIP-a popraćen paralelno sa razvojem samih obradnih

strojeva dao je Byers [2]. Ova kratka povijest razvoja SHIP-a pokazuje da dinamika njihove

tehnologije ovisi o dinamici procesa za obradu metala projektiranog obzirom na

konstrukcijske parametre obradnog stroja.

Tijekom dvadesetog stoljeća, tekućine za obradu metala su se razvile od jednostavnih

ulja do sofisticiranih tehnologija SHIP-a na bazi vode. Prilikom hlađenja za vrijeme strojne

obrade najčešće se koriste četiri vrste SHIP-a, i to:

a) ULJA – koja uključuju mineralna, biljna, životinjska, mješavine istih te sintetička

ulja. Koriste se pri obradi nižim brzinama rezanja gdje porast temperature nije

značajan, smanjujući adheziju i abraziju. Čista ulja koriste se kad je potreban

visok stupanj podmazivanja dok se zbog pospješivanja odvođenja topline koriste

ulja manje viskoznosti (ISO VG 15 do ISO VG 46).

b) EMULZIJE – se sastoje od osnovnog ulja koje osigurava svojstva podmazivanja,

vode, emulgatora koji održava ulje u finim kapljicama u vodi, te od ostalih aditiva.

Emulzije imaju karakteristike odličnih toplinskih prenosnika zbog velikog sadržaja

vode te ih se najčešće koristi pri obradi visokim brzinama rezanja gdje postoji

značajan porast temperature.

c) POLUSINTETICI – su kemijske emulzije koje sadrže malu količinu mineralnih ulja

razrjeđenu u vodi zajedno sa određenim aditivima.

d) SINTETICI – kemikalije sa aditivima, pomiješane u vodi bez prisustva bilo koje

vrste ulja.

U odnosu na gore navedene vrste, emulzije su najčešće korišteno sredstvo za

hlađenje i podmazivanje. Udio korištenja različitih vrsta SHIP-a u SAD-u prikazano je na slici 1.

Slika 1. Upotreba SHIP-a na području SAD-a [3]

5

Sredstva za hlađenje i podmazivanje se najčešće proizvode u koncentriranom obliku,

te se prema različitim potrebama razrjeđuju, slika 2. Ovisno o specifičnim zahtjevima i

željenoj strojnoj obradi postoje različiti sastavi SHIP-a. Tako se razlikuju gore navedene četiri

osnovne supstance odnosno: čista ulja, emulzije te sintetske i polusintetske tekućine. Aditivi

koji se koriste za poboljšavanje funkcionalnih svojstava osnovne supstance su: surfaktanti i

emulgatori (sulfonati), stabilizirajući agensi (alkoholi), aditivi za ekstremne pritiske, agensi

protiv pjenušanja (siloksani, cink diaciklofosfati), inhibitori korozije (amini, amidi, nitriti),

sredstva protiv trošenja alata i mikrobiocidi (heterociklički sumporni i dušićni spojevi) [4].

Aditive koji sadržavaju kloroparafine je zakonski zabranjeno koristiti, a iste koji sadržavaju

klorine je preporučeno ne koristiti. Biocidi se koriste da bi se spriječio rast bakterija i gljivica

unutar SHIP-a koji bi uzrokovao prijevremeni gubitak funkcionalnih svojstava sredstva kao

što su podmazivanje i zaštita od korozije. Pojedini sastavi SHIP-a najčešće sadržavaju i male

količine različitih teških metala.

Zbog kompleksnosti interakcija između SHIP-a, materijala obratka, temperatura,

vremena obrade te parametara rezanja, primjena određenog tipa tekućine za obradu metala

za pojedine operacija ne može biti generalizirana. Prioritet u smislu njihovih funkcija ovisi o

planiranoj operaciji i karakteristikama koje se traže. Kod procesa s nedefiniranom reznom

oštricom, primjerice kod brušenja se generira velika količina topline, što zahtjeva efikasno

hlađenje. Kod obrade s definiranom reznom oštricom zahtjevi su drugačiji. Primarna zadaća

je hlađenje kontaktne zone, ali i smanjenje adhezije i abrazije pri malim brzinama rezanja

omogućavajući adekvatno podmazivanje. U praksi ovisno o zahtjevima i željenoj strojnoj

obradi najčešće se koriste čista ulje ili emulzije. Preporuke koje vrste SHIP-a koristiti pri

Slika 2. Relativni udio aditiva, vode, emulgatora i ulja u pojedinim vrstama SHIP-a [5][3]

Voda

Emulgatori i inhibitori korozije

Ulje

Emulzije Polusintetici Sintetici

Aditivi

6

određenim uvjetima i vrstama obrade najčešće se odnose na one od strane mnogobrojnih

proizvođača SHIP-a, iste donose Kalpakjian i Schmid u izabranim poglavljima [1].

Osim dobrog izbora određene vrste SHIP-a za pojedinu obradu, od velike važnosti je i

adekvatno nanošenje istog na mjesto kontakta alata i obratka, odnosno zonu rezanja.

Postoje četiri metode aplikacije SHIP-a u strojnoj obradi i to:

1) Prskanje – predstavlja najčešće korištenu metodu aplikacije SHIP-a. Tipični

protok za ovu metodu jest između 10 l/min za alate sa jednom reznom oštricom

(tokarenje) pa do 225 l/min za alate sa više reznih oštrica (glodanje). Kod nekih

postupaka obrade odvajanjem čestica kao što su bušenje i glodanje korištenje

tlakova unutar sistema SHIP-a od 700 do 14 000 kPa, služi za efikasno odvođenje

odvojenih čestica iz zone rezanja.

2) Maglica – omogućava dovođenje SHIP-a do nepristupačnih područja na kojima

se odvija obrada i bolju vidljivost obratka za vrijeme rezanja. Učinkovitost

metode najveća je pri korištenju SHIP-a na bazi vode (emulzije, sintetici,

polusintetici) uz tlak zraka u razmjeru od 70 do 600 kPa. Kao nedostatak metode

može se izdvojiti manja efikasnost hlađenja u odnosu na metodu prskanjem, te

potreba za adekvatnom ventilacijom unutar obradnog stroja zbog prevencije

pretjerane izloženosti operatera pri udisanju čestica SHIP-a prisutnih u zraku.

3) Visokotlačni sistemi – zbog visoke efikasnosti pri odvođenju topline iz zone

rezanja posebno su korišteni pri visokobrzinskoj obradi odvajanjem čestica.

Dovođenje SHIP-a ovom metodom često se odvija uz pomoć posebnih sapnica

kroz koje struji SHIP pod tlakom od 5.5 do 35 MPa. Ovako visoki tlakovi unutar

sistema omogućavaju dodatno svojstvo SHIP-a kao lomitelja odvojene čestice

(spriječavanje stvaranja trakastog oblika odvojene čestice). Važno je pravilno i

kontinuirano filtriranje SHIP-a kako bi se spriječilo prisustvo sitnih čestica metala

unutar sredstva (veličina čestica ne smije prijeći 20 µm) koje bi moglo pri visokim

tlakovima oštetiti samu površinu obratka.

4) Provođenje kroz glavno vreteno/držak/alat – omogućava dovod SHIP-a direktno

u zonu rezanja što povećava efikasnost glavnih funkcija SHIP-a, pogotovo pri

postupcima bušenja. Kao nedostatak metode mogu se izdvojiti veliki troškovi

ulaganja pri nabavci samog sistema kao i visoki troškovi nabave posebnih izvedba

alata sa mogučnošću provođenja SHIP-a kroz prihvatni i rezni dio istih.

7

Nažalost, u mnogim se proizvodnim pogonima upotrebi SHIP-a pristupa potpuno

nekritički u smislu korištenja neodgovarajuće vrsta SHIP-a te pretjerane količine istog,

nesrazmjernima sa egzaktnim zahtjevima određenog postupka strojne obrade. Jednako tako

često se olako pristupa i samoj aplikaciji SHIP-a (slika 3), što povlaći za sobom mnoge

probleme kao što su smanjenje efikasnosti funkcija SHIP-a, smanjenje vijeka trajanja alata,

povećanje hrapavosti obrađene površine, pad cjelokupne produktivnosti [6].

Sredstva za hlađenje i podmazivanje uz prethodno navedene temeljne i sekundarne

funkcije moraju imati i određena radna svojstva kao što su, stabilnost prema različitim

tvrdoćama vode, otpornost na razvoj mikroorganizama te regulacija pjenjenja i lijepljenja.

Osiguranje ovih zahtjeva za kvalitetom proizvođač koncentrata za spravljanje pojedine vrste

SHIP-a postiže pažljivim odabirom sirovina za proizvodnju [7]. Međutim, tijekom procesa

obrade metala odvajanjem čestica dolazi do degradacije SHIP-a i svako odstupanje od

početnih radnih svojstava pokazatelj je trošenja istih, tablica 1.

Tablica 1. Proces trošenja i moguće posljedice korištenja degradirane emulzije

UZROK (opterećenje)

REAKCIJA (mehanizam trošenja)

UČINAK (oblik pojave)

kemijska neravnoteža korozija korozija strano ulje onečišćenje adhezija, lijepljenje, neprecizna

obrada, povećanje koncentracije, prividna koncentracija

višak Ca-iona saponifikacija taloženje, začepljenje

mikroorganizmi prehrambeni lanac raslojavanje emulzije, miris, naslage, začepljenje

metalne čestice abrazija loša obrada, trošenje alata i ostalih dijelova

metalne čestice kemijska reakcija korozija

Osim prethodno navedenih uzroka, na degradaciju emulzije utječe i stupanj

industrijske higijene što obuhvaća higijenu ljudi, strojeva i cijelog pogona.

Slika 3. Pogreška pri aplikaciji SHIP-a u zonu rezanja što uzrokuje pomak točke najviše

temperature prema vrhu alata i u konačnici prijevremeni otkaz alata

(u odnosu na očekivani vijek trajanja alata pri suhoj obradi) [3]

8

2.2. Ekološki aspekti primjene SHIP-a

Ekologija, resursi i populacija mogu se označiti kao tri glavna problema sa kojima se

suočava čovječanstvo. Posebno problem očuvanja okoliša, sa porastom stupnja pogoršanja,

postaje ozbiljna prijetnja opstanku i razvoju društva. Nakon što su publicirane norme ISO

9000 za upravljanje kvalitetom i osiguravanje kvalitete, ISO 14000 sustav upravljanja

okolišem i OHSAS 18001 sustav upravljanja zaštitom na radu i zdravljem zaposlenika,

primjeniti istovremeno sva tri standarda unutar nekog poduzeća predstavlja jedan od

najvećih izazova gledajući iz perspektive inženjarstva kao i samog poduzetništva. Proizvodna

industrija jedan je od najvećih izvora onečišćenja okoliša. Prema tome, kako minimizirati

onečišćenje okoliša sa strane proizvodne industrije postaje jedan od važnijih ciljeva svih

proizvođača [8].

Početkom 1960-ih godina, znanstvenici su počeli prepoznavati i izražavati zabrinutost

za utjecaj SHIP-a na cjelokupan okoliš i pojedinačno na zdravlje radnika. Današnji porizvođači

sredstava za hlađenje i podmazivanje nalaze se u poziciji da moraju pratiti i pridržavati se

propisa i regulativa pojedinih vlada o utjecaju pojedinih kemikalija na okoliš i društvo u

cjelini. Nepoštivanje ili u krajnjoj mjeri kršenje propisa može dovesti do odgovornosti

proizvođača za štetu nastalu upotrebom određenog proizvoda.

Proizvođači diljem svijeta trenutno koriste oko 2,4 bilijuna litara SHIP-a formirajući

značajnu potražnju za tom neobnovljivom vrstom sirovina [9]. Od ukupne količine 52% se

koristi za obradu odvajanjem čestica a 31% pri obradi deformiranjem [10]. Amerika

predstavlja vodeću regiju prema potrošnji navedene količine SHIP-a, i to sa udjelom od 36%

svjetske potrošnje, slijedi Azija sa udjelom od 30%. Količine SHIP-a korištenog u zemljama EU

(Tablica 2), donosi Tehnički dokument procjene rizika, izdan od strane Instituta za zdravlje i

zaštitu potrošaća pri EU [11].

Grupe sredstava za hlađenje i podmazivanje

Prodaja u EU (t/god)

Odlaganje(zbrinjavanja) SHIP-a (t/god)

Sve vrste maziva 5 200 000 Količina prodanog SHIP-a 3 700 000

SHIP za strojnu obradu 360 000 Potrošena količina 2 300 000

1. Bez miješanja sa vodom (ulje) 220 000 Recikliran 700 000

2. Miješanje sa vodom (koncentrat) 140 000 Spaljeno kao gorivo 750 000

Emulzije dobivene na bazi SHIP-a 3 500 000 Gubitak iz proizvodnog sistema 600 000

Ukupna količina SHIP-a 3 700 000 Nepropisno pohranjeno 100 000

Tablica 2. Pregled tržišta sredstava za hlađenje i podmazivanje za zemlje EU

9

Ukupna količina zadovoljavajuće zbrinutog (uklonjenog) SHIP-a jest količina

recikliranog ili SHIP-a spaljenog kao gorivo, i iz podataka na području EU ona iznosi svega

32%, što predstavlja zabrinjavajući podatak [12]. Sredstva za hlađenje i podmazivanje se iz

proizvodnog sistema gube na više načina, isparavanjem, količinama koje ostaju na obratku,

komponentama alata ili samoj odvojenoj čestici kad se iznose iz sistema, kroz sisteme pod

tlačnim pritiskom (Slika 4). Jednako tako postoje i gubitci uzrokovani neosiguranim

istjecanjem u raznim fazama koje je ujedno i potencijalno opasno za čovjeka i ima negativan

utjecaj na hidraulični tlak unutar sistema. Izračunom se dobije da se predhodno navedenim

načinima gotovo 30% godišnje korištenih količina SHIP-a iznosi iz sistema [13].

Samo odlaganje i zbrinjavanje korištene količine SHIP-a otvara brojna ekološka

pitanja. Proizvodna industrija ostavlja za sobom velike količine potencijalno opasnog otpada i

susreće se s problemom adekvatnog zaštitnog tretiranja i odlaganja ovih tekućina koje

predstavljaju jedan od najkompleksnijih tipova otpada [14][15]. Pražnjenje tih tekućina kroz

kanalizaciju ili otpadne vode nije ni isplativo ni ekološki prihvatljivo rješenje. Obično se

emulzija odvaja na uljnu i vodenu fazu. Ulje se zatim spaljuje u cementnoj industriji ili u

posebnim industrijskim spalionicama. Vodena faza, koja je još uvijek kontaminirana i sadrži

ulje se šalje u postrojenja za obradu kanalizacijskog otpada [16].

Vodene faze predstavljaju također potencijalno opasne tekućine jer nakon odvajanja

i tretiranja ulaze u uobičajena postrojenja za obradu otpadnih voda. Zbog toga je vrlo važna

kvaliteta obrade odnosno razdvajanja emulzije. Korišteni SHIP predstavlja jako opasan otpad

s visokim organskim nabojem, te moguće prskanje, proljevanje ili nepropisno odlaganje i

obrađivanje ovih tekućina u bilo kojoj fazi može onečistiti okoliš, te kontaminirati jezera,

rijeke ili podzemne vode. Zaštitnim tretiranjima ovih sredstava se smanjuje negativni učinak

na okoliš ali se ne može potpuno prevenirati moguća katastrofa. Tehnike koje se koriste za

Slika 4. Shema gubitaka SHIP-a u procesu obrade[3]

10

zaštitno tretiranje prije odlaganja su ultrafiltracija, floatacija, evaporacija, kemijsko

razdvajanje emulzije i precipitacija, centrifugalno razdvajanje i toplinska obrada.

Tri su glavna aspekta sa gledišta zaštite okoliša o kojima se mora voditi računa pri

korištenju SHIP-a, i to:

a) KONTROLA (minimiziranje gubitaka),

b) MINIMIZIRANJE utjecaja izgubljenog SHIP-a,

c) EFIKASNO PRIKUPLJANJE I TRETIRANJE kemijskog otpada.

U pitanjima vezanim uz okoliš, opravdana je zabrinutost jer SHIP imaju direktan

utjecaj na okoliš i predstavljaju visoku potencijalnu opasnost. Statistika i podaci vezano za

ukupne količine svih vrsta SHIP-a od kojih se određena količina rijetko ili gotovo uopće ne

zbrinjavaju na propisan i prikladan način, ukazuju na vrlo zabrinjavajuće stanje. Tako na

području zapadne Europe količina nezbrinutog SHIP-a koji odlazi u okoliš odgovara

kapacitetu 12 tankera, odnosno jednom „Exxon Valdez“ slučaju mjesečno [12]. Takvi podaci

su ipak doveli do globalnih promjena u razmišljanjima vazanim za moguće posljedice utjecaja

SHIP-a na okoliš u budućnosti. Nigdje tako drastično kao u Europskoj uniji (EU) koja je 2001

g. počela sa konzultacijama na tu temu da bi 2006 g. konačno donijela i dokument (uredbu)

pod nazivom REACH (eng. Registration, Evaluation, Authorisation and restriction

of CHemicals), što predstavlja novi pravni okvir EU za kemikalije. Donešeni dokument tako

obuhvaća sve vrste SHIPA-a kao i sve faze od proizvodnje, preko primjene pa do odlaganja

istog [17].

2.3. Utjecaj SHIP-a na čovjeka

Opće je poznata činjenica da rukovanje SHIP-om predstavlja rizik za zdravlje čovjeka i

mogućnost oboljevanja od različitih bolesti. To se prvenstveno odnosi na bliski kontakt

čovjeka sa SHIP-om. Poboljšanim procesima rafiniranja mineralnih ulja i optimiziranim

odabirom aditiva se do neke mjere uspjelo smanjiti rizik štetnosti za zdravlje čovjeka, no on

još uvijek postoji. Postoje za čovjeka opasni efekti prisutni kod ovih sredstava [18]. Tako se

mogu izdvojiti: stvaranje nitrozamina kod sredstava za hlađenje, efekt uljnih para, bolesti

kože uzrokovane direktnim kontaktom sa sredstvima za hlađenje, baktericidni efekt povezan

sa sredstvima za hlađenje u smislu dodanih im aditiva, generiranje kancerogenih supstanci,

čestice teških metala prisutne u aditivima, toksičnost za reprodukciju itd. Među najčešćima

se navode bolesti kože koje nastaju kaod radnika u toku rukovanja s ovim supstancama

11

[19][21]. Određena znanstvena istraživanja su dokazala postojanje genotoksičnog efekta

ovih supstanci, a za neke vrste SHIP-a korištene u bliskoj prošlosti i karcinogeničnog

potencijala. Eksperimentom na bakteriji Salmonella typhimurium dokazano je postojanje

genotoksičnog efekta sredstava za hlađenje i podmazivanje [22]. Treba posvetiti pozornost i

formaldehidima koji se oslobađaju iz prekursorskih supstanci, formaldehidnih donora, kao i

oksidaciji alkohola u SHIP-u koja može dovesti do oslobađanja potencijalno opasnih tvari.

Navedene tvari dokazano mogu imati genotoksični efekt [22]. Kod određenih aditiva

korištenih u bliskoj prošlosti je dokazan karcinogeni efekt, kao kod aromatskih amina ili

kloriranih parafina.

Jedan od važnijih spojeva iz skupine aditiva Cink dialkilditiofosfat i neki dugolančani

kalcijevi alkarilsulfonati su prema europskim propisima klasificirani kao opasni. Još mnoge

druge supstance su se u laboratorijskim testovima pokazale kao iritansi. Biocidi kao dodatak

osnovnoj supstanci su korisni, ali se ipak postavlja pitanje kad je njihovo korištenje

opravdano i u kojoj mjeri. Ne postoji nikakav konsenzus oko nivoa bakterija ili funga koji

zahtjeva intervenciju dodavanjem ovih sredstava u profilaktičke svrhe. Odluka je prepuštena

korisniku na temelju preporuke proizvođača i iskustva samog korisnika. Iako se biocidi

dodaju u malim količinama, neki od njih mogu biti visoko toksični. Određeni proizvođači

SHIP-a ističu kako njihov proizvod pogoduje rastu mikroorganizama koje definiraju kao

bezopasne za zdravlje, no bez znanstvenih dokaza i podataka objavljenih u stručnoj literaturi.

Sredstva za hlađenje i podmazivanje tokom korištenja mijenjaju svoje karakteristike te se

time automatski povećava rizik njihove štetnosti za okoliš i zdravlje čovjeka. Opasnost za

čovjeka predstavlja i činjenica što su neke od ovih tekućina koje sadržavaju ulje u visokoj

koncentraciji zapaljive.

Razorni potencijal se može klasificirati kroz nekoliko različitih termina za

karakterizaciju fizikalno-kemijskih svojstava SHIP-a kao što su eksplozivno, oksidizirajuće,

izrazito zapaljivo, visoko zapaljivo i zapaljivo. Za toksičnost SHIP-a se koriste termini: vrlo

toksično, toksično, opasno, korozivno, iritativno, kancerogeno i mutagenično.

Nacionalni institut za zdravlje i zaštitu na radu (eng. National Institute for

Occupational Safety and Health – NIOSH) procjenjuje da je godišnje 1,2 milijuna radnika

uključenih u obradu odvajanjem čestica, obradu deformiranjem i ostalim procesima obrade

metala izloženo utjecaju sredstava za hlađenje i podmazivanje [23].

12

Nacionalni institut za zdravlje i zaštitu na radu predstavlja dokument o kriterijima

preporučenog standarda za uvjete rada u industriji strojne obrade. Isti dokument daje

pregled informacija koje se odnose na negativan utjecaj sredstava za hlađenje i

podmazivanje i njihovim korištenjem nastalog aerosola (maglice), na zdravlje čovjeka.

Osnovane i dokazane tvrdnje su da radnici izloženi ovim sredstvima imaju povećan rizik za

razvoj različitih nemaligniih bolesti respiratornog sustava te različitih kožnih oboljenja.

Nacionalni institut za zdravlje i zaštitu na radu donosi kriterije za preporučeni standard koji bi

efikasno spriječili ili u većoj mjeri reducirali negativne efekte izloženosti ovim tekućinama te

posebno njihovom aerosolu. Tako je predloženo da izloženost aerosolu nastalom primjenom

SHIP-a, bude ograničena na 0,4 mg/m3 zraka za plućnu masu čestica (0,5 mg/m3 za ukupnu

masu čestica), a vremensko-težinski prosjek (eng. time-weight average-TWA) do 10 sati na

dan tokom dozvoljenih 40 sati na tjedan. Količina generirane maglice za vrijeme strojne

obrade varira ovisno pojedinom stanju u kojem se stroj nalazi (Slika 5). Prije same obrade

(rezanja) pri samom uključivanju hlađenja zajedno sa rotacijom glavnog vretena (alata),

formira se maglica sa količinom (česticama) SHIP-a od preko 2,0 mg/m3 zraka što predstavlja

po čovjekovo zdravlje opasnu koncentraciju. Takvo stanje iziskuje adekvatnu ventilaciju

unutar samog obradnog stroja zbog prevencije pretjerane izloženosti operatera pri udisanju

čestica SHIP-a prisutnih u zraku.

Uvelike zabrinjava kožna izloženost ovim sredstvima kao i udisanje čestica njihovog

aerosola [24]. Primjena SHIP-a pri strojnoj obradi često proizvodi maglicu koja je medicinski

dokazano povezana s razvojem određenih tipova tumora [25]. Ovi podatci predstavljaju

korištenje sredstava za hlađenje i podmazivanje, gorućim predmetom rasprave s mogućim

brojnim kratkoročnim i dugoročnim posljedicama.

Slika 5. Količina generirane maglice (aerosola) i načini formiranja iste za vrijeme različitih faza

strojne obrade [2][3]

13

2.4. Troškovi vezani za upotrebu SHIP-a

U današnje vrijeme mnogi podaci svjedoče o rastućim troškovima korištenja SHIP-a,

počevši od povećanja ukupnih troškova strojne obrade pa do rastuće cijene zbrinjavanja

(odlaganja) korištenog SHIP-a. Pregledom količina godišnje potrošnje ovih sredstava u nekim

od vodećih država u pogledu strojne obrade i same cijene korištenja i odlaganja istih mogu

se utvrditi razmjeri ekološkog utjecaja SHIP-a na okoliš kao i ekonomskog utjecaja (troška)

SHIP-a na industriju strojne obrade ili neko pojedinačno postrojenje (Tablica 3).

Zemlja Korištena količina SHIP-a Cijena korištenja SHIP-a

SAD 378 000 t 48 000 000 000 $

Germany 75 500 t 700 000 000 $

Japan 160 000 t 900 000 000 $

Podaci za Njemačku govore o korištenju oko 75 000 tona SHIP-a od kojih oko 28 000

tona otpada na uljni koncentrat koji pomješan sa vodom tvori 355 000 do 947 000 tona

emulzija ili polusintetika. Troškovi korištenja i zbrinjavanja SHIP-a su značajni i štoviše

povećaju se uslijed donošenja novih zakona i regulativa vezanih za očuvanje okoliša i

ljudskog zdravlja.

Međutim, u posljednjih deset godina postalo je očito kako je često odluka o upotrebi

SHIP-a u mnogim postrojenjima (poduzećima) bila bazirana na industrijskom „folkloru“ a ne

temeljena na znanju i kvantitativnim dokazima. Ipak je nedavno napravljen pomak u ovoj

situaciji, u smislu da je kroz mnoga istraživanja utvrđeno da troškovi korištenja SHIP-a iznose

i do 17% ukupnih troškova proizvodnje (Slika 6), što je nekliko puta veći trošak u usporedbi

sa troškom nabavke i korištenja alata koji iznosi 2 do 4% [28][29][30].

Slika 6. Raspodjela troškova strojne obrade

Tablica 3. Pregled tržišta SHIP-a sa procjenjenim troškovima korištenja [26][27]

14

Industrija Ujedinjenog Kraljevstva proizvede oko 400 000 tona SHIP-a (SHIP spreman

za aplikaciju) sa odlaganjem procjenjenim na od 8 do 16 milijuna funti u 2000 godini [16].

Mnoga istraživanja pokazuju da samo mali broj kompanija ima precizne informacije vezane

uz troškove odlaganja sredstava za hlađenje i podmazivanje. Jedan obradni stroj posjeduje

oko 5m3 SHIP-a dok veliki centralni sistemi, za hlađenje i podmazivanje kod velikih

postrojenja imaju i do 100m3 SHIP-a. Uobičajeni vremenski interval između dviju zamjena

SHIP-a kreće se od 4 tjedna za jedan obradni stroj, do 1 godine za veliko postrojenje. Srednje

veliko postrojenje za automobilske djelove koristi oko 100 000 litara SHIP-a koje treba

zamijeniti svake godine. Sama zamjena iziskuje trošak od 40 000€, od toga oko 15 000€ se

koristi za kemijsko tretiranje ulja iz SHIP-a, 15 000€ za odlaganje vode i 6 000€ za čišćenje

cijevi i instalacija [31]. Kako bi se sagledali realni ukupni troškovi korištenja SHIP-a, što

uključuje proces počevši od same nabave SHIP-a pa do odlaganja istog, potrebno je uzeti u

obzir sve faze životnog ciklusa SHIP-a sa detaljnim troškovima svake pojedine (Slika 7). Na taj

način troškovi SHIP-a mogu se podijeliti na dvije komponente, odnosno trošak nabave SHIP-a

i skriveni trošak koji uključuje pojedinačno troškove faza životnog ciklusa SHIP-a. Bierma i

Waterstraat u svojim studijama su mjerili ukupne troškove korištenja SHIP-a kroz dvije

navedene komponente od kojih je prva odnosno trošak nabave SHIP-a bio konstantan, u

iznosu od 100 000$. Rezultati provedenih studija su pokazali kako omjer troška nabave SHIP-

a i skrivenih troškova iznosi od 1,0:1,5 pa i do najviše 1,0:5,5 za neke studije, u korist

skrivenih troškova [32].

Korištenje SHIP-a predstavlja najbolje rješenje gledajući tehničku stranu i dovodi do

znatnog napretka u proizvodnji. Ali s ekološkog aspekta otvara se pitanje do kada je

napredak napredak, a kada postaje situacija u kojoj je pronađeni lijek smrtonosniji od same

bolesti. Ovo otvara izazov znanstvenicima u potrazi za boljim rješenjem koje će biti tehnički i

ekonomski konkurentno, a neće biti prijetnja budućnosti.

Slika 7. Životni ciklus SHIP-a unutar proizvodnog poduzeća

15

3. Suha strojna obrada

Industrijski svijet se danas polako okreće suhoj obradi kao načinu obrade u

budućnosti. Razvoj ekološke svijesti i briga za zdravlje čovjeka, kao i sve strože zakonske

regulative sve više prisiljavaju industrijsku proizvodnju da napušta korištenje sredstava za

hlađenje i podmazivanje i okrene se razvoju i usavršavanju suhe obrade. Tako ADEME, (eng.

French Agency for Enviroment and Energy Menagement) podupire projekt unaprijeđenja

obrade teže obradivih (eng. difficult-to-cut) materijala za avionsku i svemirsku industriju,

kako bi se proizvodnja pomaknula u smjeru suhe obrade koja je sigurnija za okoliš i zdravlje

čovjeka i ima manji utrošak energije [33]. Osnovne prednosti suhe obrade su:

- ne postojanje značajnog zagađenja atmosfere ni vode što smanjuje rizik za okoliš i za

zdravlje čovjeka,

- eliminacija troškova korištenja SHIP-a, od početne nabave, adaptacije za pravilnu

primjenu pa do odlaganja istih,

- eliminacija ostataka SHIP-a na djelovima stroja čime se smanjuje ili eliminira trošak

čišćenja stroja i pridružena mu dodatna potrošnja energije,

- eliminacija ostataka SHIP-a na odvojenim česticama, što smanjuje troškove

odlaganja (zbrinjavanja).

Ovisno o vrsti obratka, uvođenje suhe obrade umjesto konvencionalane mokre

obrade, dovodi do uštede od oko 17% ukupnog troška za obradu čitavog obratka. Ovo je

većinom zbog eliminacije korištenja sredstava za hlađenje i podmazivanje, čišćenja,

održavanja i odlaganja [34].

Zahtjevi za visokom dimenzijskom točnošću još uvijek predstavljaju značajnu

restrikciju za korištenje suhe obrade materijala. U slučajevima kad postoji jaka adhezija

između alata i obratka, kada je trošenje alata pri suhoj obradi prekomjerno ili kada nije

moguće kontrolirati toplinsku deformaciju obratka nužno je hlađenje tijekom samog

procesa. U različitim operacijama suhe obrade, kod kojih su korišteni novi napredni

materijali i presvlake za obradu legura od aluminija ili čelika, testovi su pokazali pozitivne

rezultate [35]. Da bi se osigurala dobra izvedba obrade i visoka otpornost na trošenje,

materijali od kojih su napravljeni alati moraju ispunjavati određene uvjete. Alati za suhu

obradu moraju biti specifično dizajnirani da omogućavaju malu vrijednost trenja u zoni

kontakta alata i obratka te visoku toplinsku otpornost. Sam proces suhe obrade mora biti

16

dizajniran tako da reducira toplinu koja se zadržava na obratku. To se postiže

minimiziranjem sila rezanja i utjecajem na distribuciju topline povećanjem brzina rezanja

[36].

Korištenje suhe obrade u industriji strojne obrade bi objektivno bilo produktivnije i

ekološki prihvatljivije, ali svakako treba uzeti u obzir da eliminacija SHIP-a obuhvaća

odsutnost i svih njihovih pozitivnih i potrebnih funkcija kao što su podmazivanje (smanjenje

trenja), hlađenje (smanjenje topline) i eliminacija odvojene čestice. Posljedično bi u procesu

suhe obrade došlo do pojačavanja efekata kao što su adhezija, abrazija, difuzija i oksidacija.

Kod obrade velikim brzinama rezanja utjecaj ovih sredstava za hlađenje i podmazivanje nije

evidentan ili nije uopće efikasan. Zato su često suha obrada i visokobrzinska obrada

povezane [33]. Kad se radi o redukciji ovih sredstava i prebacivanju na suhu obradu, bušenje

je jedan od najkritičnijih procesa, posebno slučaj dubokog bušenja [37] (Tablica 4).

Rješavanje ovog problema ide za tim da se sve navedene funkcije koje se gube eliminacijom

korištenja SHIP-a, nadomjeste alternativnim načinima hlađenja, korištenjem alata izrađenih

od novih materijala i adaptacijom njihove geometrije, kao i korištenjem presvučenih alata.

Operacija Lijevano željezo

Neželjezne slitine

Konstrukcijski čelik

Toplinski obrađen čelik

Aluminijske legure

Glodanje

Tokarenje

Bušenje

Narezivanje navoja

Upuštanje

Duboko bušenje

Trenutno izvedivo Trenutno u razvoju Trenutno neizvedivo

U današnje vrijeme vidljiv je veliki napredak na području tehnologija prevlaka te

ujedno i interes za istima na tržištu alata. Prevlake razdvajaju alat od obratka i nude u

kombinaciji s novim materijalaima za izradu alata, mogućnost adekvatne zamjene SHIP-a

[38]. Proizvodna industrija je spremna prijeći na suhu obradu kada budu za to ispunjeni

uvjeti i postojala prihvatljiva rješenja. Iza implementacije suhe obrade na svim područjima

proizvodnje mora stajati konstrukcija novih alata i razvoj njima pridružene opreme.

Razvoj proizvodnje u smislu prelaska na suhu obradu moraju pratiti adaptirani rezni

alati. Idealan materijal za izradu alata ujedinjavao bi visoku tvrdoću s visokom čvrstoćom i

kemijskom stabilnošću pri visokim temperaturama, slika 8. S obzirom da tvrdoća i čvrstoća

Tablica 4. Podatnost različitih materijala za određene postupke suhe strojne obrade

17

predstvljaju suprostavljajuće karakteristike, ne postoji niti jedan postojeći materijal koji

ispunja sva tri zahtjeva. Pri odabiru materijala za obradu rezanjem, mehaničke karakteristike

materijala i njihovo ponašanje bi trebalo sagledati kao funkciju temperature.

Dobra otpornost na termalni šok je važna karakteristika prikladnog materijala [13].

Materijali za izradu alata se mogu podijeliti na:

a) Karbidi; cementirani karbidi su danas najčešće korišteni materijali u izradi alata za

obradu odvajanjem čestica. Karbidi su dobiveni praškastim metalurškim metodama

korištenjem primarnih karbida i tvrdih metala iz skupine željeza kao veziva. Jedan od

najčešće upotrebljavanih materijala je WC (eng. tungsten carbide) koji se dobiva

sinterovanjem (na visokim temperaturama) kombinacije praškastog WC i praškastog

Co (kobalt). Dva parametra, uglavnom omjer Co naprema WC i veličina WC čestice,

kontroliraju odnosno imaju odlučujući utjecaj na karakteristike materijala. Tako

sastav u kojem su WC čestice velike i gdje je visok postotak Co garantiraju visoku

otpornost na termalni šok i visoku žilavost. Novija dostignuća idu za tim da povećaju

tvrdoću materijala koristeći submikronske i ultrafine zrnate legure s WC veličinom

čestice od 0,5-0,8 μm i 0,2-0,5 μm i sadržajem Co od 6-16% [39].

b) Cermeti; rastuća važnost suhe obrade daje novi impuls razvoju cermeti-a. Oni u

principu imaju sličnu strukturu kao i karbidi. Čestice tvrdog materijala se nalaze u

matrici Co i Ni. Komponente tvdih materijala nisu od W i C, već od karbonitrida titana

(Ti) s različitim omjerima tantala (Ta), volframa (W) i ponekad molibdena (Mo).

Čvrstoća nitrogen cermeti-a se može mjeriti s konvencionalnim karbidima, dok je

Slika 8. Optimalan materijal reznog alata za suhu obradu odvajanjem čestica [36]

18

otpornost na oksidaciju mnogo veća [40]. Prednosti ovih materijala su visoka tvrdoća

pri visokim temperaturama i kemijska stabilnost što utječe na visoku otpornost na

trošenje i dobru kvalitetu površine obratka. Ipak ovi materijali su manje čvrsti od WC-

karbida i njihova limitiranost u pogledu veličine posmaka je evidentna.

c) Keramike; koriste se dvije vrste keramičkih kompozicija, koje se mogu podijeliti

ovisno o korištenoj matrici. Alumijev oksid, koji se pri visokim temperaturama

zadržava u svojoj najstabilnijoj kristalnoj, heksagonalnoj rešetci, iz čega proizlaze

različite poželjne karakteristike materijala. S druge strane je Silicijev nitrid, koji ima

dobru oksidacijsku otpornost i zahvaljujući niskom koeficijentu termalne ekspanzije,

dobru otpornost na termalni šok za razliku od drugih keramičkih materijala [41].

Inovacija na ovom području su SiC keramike, koje u kombinaciji s keramičim

kompozitima povećavaju čvrstoću, toplinsku vodljivost i otpornost na toplinski šok.

d) Borov Nitridi; Postoje različite kristalne strukture ovih materijala. Grafitu slični,

heksagonski borov nitrid je poznat po svojim svojstvima mekoće i svojstva

podmazivanja u suprotnosti s kubičnim strukturama (CBN) koje su tvrde te se koriste

za rezne alate. CBN ima istu strukturu kao i dijamant te se njegove karakteristike

ogledaju u karakteristikama dijamanta. CBN se po tvrdoći može svrstati odmah iza

dijamanta koji predstavlja najtvrđi materijal. CBN je sintetički materijal napravljen od

kubičnog bor nitrida i specijalnog keramičkog veziva. On pokazuje visoku tvrdoću i

kemijsku stabilnost na visokim temperaturama i do 1400 ⁰C [13].

e) Dijamant; prirodni dijamant se sastoji od karbona. Monokristalinski dijamant je

najtvrđi materijal. Upravo zbog veće čvrstoće, polikristalinski dijamant ima prednost

za izradu reznih alata u odnosu na monokristalinski [42]. Dijamant omogućava

impresivnu kombinaciju kemijskih, fizikalnih i mehaničkih svojstava, niski koeficijent

trenja i toplinske ekspanzije, visoku otpornost na koroziju. Ipak i dijamant ima svoje

nedostatke, zbog velikog kemijskog afiniteta karbona i željeza, pri obradi željeznih

materijala dijamantom dolazi do visoke stope trošenja alata [13].

Tribološko ponašanje materijala, odnosno alata za suhu obradu se može poboljšati

korištenjem različitih prevlaka. One između ostalih čimbenika, pomažu kompenzirati

funkcije SHIP-a, tako da kontaktne karakteristike i napredak trošenja na kontaktnoj površini

mogu biti reducirani. Ovisno o očekivanom mehanizmu trošenja alata, prevlake moraju

zadovoljiti različite zahtjeve. Prevlake alata moraju reducirati uklanjanje materijala koje

19

nastaje kao rezultat abrazijskog trošenja (tvrde prevlake), kako i adhezijskog trošenja, služeći

kao barijera između alata i obratka. Korištenjem „low friction“ prevlaka znatno se poboljšava

otpornost na trošenje alata pri klizanju prednje i stražnje površine [43].

Prevlake se mogu klasificirati po metodi depozicije (nanošenja) na:

1. CVD (eng. Chemical Vapor Deposition) – postupak kemijskog nanošenja iz parne

faze

2. PVD (eng. Physical Vapor Deposition) – postupak fizikalnog nanošenja u vakumu

Prema kompoziciji dijelimo ih na jednoslojne i višeslojne (slojevi prevlaka istih ili

različitih materijala) [44].

S tehnološkog aspekta broj slojeva koji prevlaka može sadržavati je neograničen, no

debljina sloja povećava radius reznog ruba. Obzirom da je oštar rezni rub od posebne

važnosti za primjenu suhe obrade, prednost uvijek imaju uzrazito tanke prevlake. Nanoslojne

prevlake koje predstavljaju dostignuće moderne tehnologije, su omogućile smanjenje

debljine sloja prevlake uz istovremeno mogućnost kompozicije i do stotinu pojedinačnih

slojeva koji dosežu ukupnu debljinu ne veću od oko 2 - 5 μm [45].

Supernitridi koji također pripadaju nano kompozicijama su nastali korištenjem visoko

ioniziranih plazmi. Oni obuhvaćaju visoku kemijsku stabilnost oksidnih slojeva i mehanička

svojstva tvrde nitridne prevlake. Derflinger i ostali su proveli istraživanje pri visokobrzinskoj

obradi bušenjem, gdje su korištene prevlake od TiAlN-tvrdog sloja, tankim međuslojem

odvojenog od površinskog samopodmazujućeg sloja volframovog karbida/ugljika (WC/C). Za

eliminaciju odvojene čestice korišten je komprimirani zrak od 1 bar. Rezultati su pokazali

sistematično povećanje vijeka trajanja alata i smanjenje naprezanja na oštrici zahvaljujući

prisutnosti već spomenutog WC/C sloja [35]. Postoji posebna vrsta prevlaka za alate za suhu

obradu, koje djelomično nadomještaju funkciju podmazivanja. Tipične prevlake takvog tipa

su molibdenov disulfid MoS2 ili amorfni WC/C. One se obično nanose na prethodni sloj nekih

od tvrdih prevlaka.

20

4. Alternativne vrste hlađenja prilikom strojne obrade

Rast ekološke svijesti u svijetu, nove regulative i propis, ekonomski gubitci kao i

zahtjevi današnjeg tržišta okrenuli su oči svijetske javnosti na nužnu potrebu razvoja i

implementacije alternativnih vrsta hlađenja u strojnoj obradi, slika 9. Tako je danas i unutar

proizvodne industrije u fokusu zaštita okoliša i čovjeka pa se već govori o posebno

prilagođenoj strojnoj obradi odnosno proizvodnji koristeći nazive“Green Manufacturing“,

“Green Cutting“ [46]. Vodena para i zrak su jeftine, ekološki prihvatljive, slobodne od

onečišćenja, alternative konvencionalne mokre obrade.

Još 1990. godine predložen je novi ekološki način strojne obrade korištenjem vodene

pare kao sredstva za hlađenje i podmazivanje [47]. Korištenje vodene pare može reducirati

difuzijski i adhezijski tip trošenja smanjujući temperaturu u zoni rezanja. Pri primjeni vodene

pare u visokobrzinskoj strojnoj obradi, vijek trajanja alata može se povećati za dva puta u

odnosu na suhu obradu, što dovoljno govori o efikasnosti ovog tipa hlađenja [48]. Jednako

tako postoje zagovarači unutar industrije strojne obrade koji predlažu korištenje

komprimiranog zraka tokom visokobrzinske obrade. Korištenjem sistema za hlađenje zrakom

dizajniranog za smanjenje temperature u zoni kontakta alata i obratka, povećava se

produktivnost obrade mogućnošću korištenja “bržih“ parametara rezanja u odnosu na isti

slučaj kod suhe obrade [49]. Primjena određenih plinova kao što su dušik, kisik i ugljični

Slika 9. Razlozi prelaska na alternativne vrste hlađenja i prednosti korištenja istih

21

dioksid smanjuje sile rezanja u odnosu na suhu i konvencionalnu obradu [50]. Tehnika

kombinacije ohlađenog zraka i minimalnih količina ulja, MQL (eng. Minimum Quantity

Lubrication) tehnika djeluje kao efikasno sredstvo za hlađenje i podmazivanje, pri

temperaturama od 0°C, te se pokazala boljom u odnosu na suhu i konvencionalnu obradu

[51]. Tehnika MQL se u različitim istraživanjima pokazala jeftinijom, zdravijom i sigurnijom u

odnosu na konvencionalnu mokru strojnu obradu postiđući gotovo jednake rezultate.

Posebno se u tome ističe MQL tehnika u kojoj su korištena biljna, a ne mineralna ulja.

4.1. Strojna obrada uz hlađenje hladnim komprimiranim zrakom

Nužan preduvjet za implementaciju suhe obrade je prihvatljivo nadomještanje

funkcija sredstava za hlađenje i podmazivanje. Korištenjem hladnog komprimiranog zraka se

može zamijeniti funkcija SHIP-a u hlađenju alata i obratka, hlađenju odvojene čestice i

eliminaciji odvojene čestice iz zone rezanja. U odnosu na SHIP, ova tehnika uz relativno male

investicijske troškove znatno smanjuje troškove ukupne proizvodnje, te nije štetna za okoliš

ni zdravlje čovjeka. U početnim istraživanjim koristio se samo komprimirani zrak, koji se u

odnosu na vodu i ulje pokazao inferioran [36]. Noviji pokušaji koriste hladni komprimirani

zrak koji u ispitivanjima daje mnogo bolje rezultate.

Ohlađeni zrak se smatra efikasnim u rasipanju topline, odnosno snižavanju

temperature u zoni rezanja prilikom strojne obrade. Hlađenje hladnim komprimiranim

zrakom najčešće se provodi korištenjem vrtložne cijevi. Vrtložna cijev, poznata kao Ranque-

Hilsch vrtložna cijev (RHVC) jest naprava koja omogućuje razdvajanje vrućeg od hladnog

zraka prilikom protjecanja komprimiranog zraka kroz ulazne sapnice tangencijalno u

vrtložnu komoru [52]. Vrtložnu cijev (eng. Vortex tube) izumio je 1933. godine francuski

metalurg i fizičar Georges Ranque, a usavršio ju je njemački fizičar Rudolf Hilsch. Godine

1947. Hilsch objavljuje dokument orginalno nazvan Wirbelröhl (vrtložna cijev) u kojem uz

kompletnu dokumentaciju opisuje konstrukcijske detalje vezane za napravu. Ranque-Hilsch

vrtložna cijev se sastoji od jedne ili više ulaznih sapnica, vrtložne komore, završnog ušča za

hladni zrak, kontrolnog ventila vrućeg zraka te same cijevi. Specijalno dizajnirana vrtložna

komora svojom konfiguracijom zajedno sa efektom komprimiranja, ubrzava zrak do velikog

broja okretaja, u nekim slučajevima preko milijun okretaja u minuti [53]. Postoje dva tipa

protoka kod vrtložne cijevi, paralelni protok i protusmjerni protok strujanja zraka, slika 10.

22

Mehanizam unutar sistema vrtložne cijevi može se promatrati sa fizikalne strane, ali

ga je kao takvog teško objasniti. Visoko komprimirani zrak tangencijalnim strujanjem i

ulaskom u vrtložnu cijev razdvaja se na dvije slabije komprimirane struje zraka, hladniju i

topliju od okoline. Hladna struja zraka izlazi iz vrtložne cijevi kroz centralno ušće kraj ulaznih

sapnica dok vruća struja napušta vrtložnu cijev preko kontrolnih ventila na dnu vrtložne

cijevi (Slika 9). Centrifugalno razdvajanje dvaju odvojenih protoka zraka i njihova adiabatska

ekspanzija uzrokuje i energetsko odvajanje u sistemu vrtložne cijevi. Razdvajanje energije u

vrtložnoj cijevi paralelnog protoka je prikazano na Slici 11. Izmjena energije između toplog i

hladnog zraka je odgovorna za stvaranje značajne temperaturne razlike unutar vrtložne

cijevi. Opadanje temperature u vrtložnoj cijevi uslijed ekspanzije isto je kao kod turbine. Kod

vrtložne cijevi ne postoje rotirajući zidovi kao kod turbine, nego rotirajući slojevi fluida

trenjem vrše izmjenu mehaničke energije [54]. Hladni zrak radijalno ekspandira i povećava

svoju kutnu brzinu. Tako se unutarnji sloj zraka rotira brže nego vanjski.

Slika 11. Razdvajanje enegrije u vrtložnoj cijevi paralelnog protoka

Slika 10. Shematski prikaz sistema RHVC protusmjernog protoka [53]

23

Vrtložna cijev ima mnogo mogućih industrijskih primjena, te se može koristiti kao

oprema za hlađenje kod CNC strojeva, u hladnjacima, procesima grijanja, itd. Visoka

primjenjivost sistema vrtložne cijevi bazira se na njegovoj jednostavnosti, kompaktnosti te

činjenici da je sam sistem male mase i izrazito tihog načina rada. Budući da ove cijevi ne

sadržavaju nikakve pokretne dijelove, one ne pucaju niti su podložne trošenju što ih čini

jednostavnima za održavanje. Način primjene i princip rada vrtložne cijevi paralelnog

protoka strujenja zraka dan je na Slici 12.

Rezultati istraživanja pokazuju prednosti korištenja komprimiranog hladnog zraka,

najčešće u odnosu na suhu obradu. Tako kod visokobrzinske obrade pri bušenju uz hlađenje

korištenjem vrtložne cijevi može se produljiti vijek trajanja alata skoro 10 puta [55]. Primjena

ove tehnike hlađenja pokazala je mogućnost reduciranja temperaturu na sredine prednje

povšine za otprilike 7% te ujedno značajno reduciranje trošenje oštrice alata [56]. Također

tijekom tokarenje A390 slitine aluminija korištenjem vrtložne cijevi, ostvarena je značajno

smanjenje u količini materijala skinutog s obratka koji bi pri suhoj obradi zaostao ili tvorio

budući naljepak na alatu. Ovakav način hlađenja ima mogućnost reducirati površinsku

hrapavost i generirana zaostala naprezanja na površini obratka pri vanjskom uzdužnom

brušenju cilindričnih obradaka [57].

Primjena hladnog zraka pomaže snižavanje topline na alatu, strugotini i obratku

zahvaljujući toplinskoj konvekciji na površini istih. Zbog toga je koeficijent toplinske

Slika 12. Princip rada vrtložne cijevi paralelnog protoka: ulaz komprimiranog zraka u vrtložnu

komoru (A), razdvajanje pri rotaciji unutar vrtložne cijevi na hladnu (B) i toplu (C) struju zraka,

izlaz tople struje zraka preko odgovarajućih odušaka (D), protok hladne struje zraka kroz

prigušnicu (E), izlaz hladne struje zraka kroz fleksibilnu cijev (F), magnetni držak (G)

24

konvekcije od iznimne važnosti u modeliranju temperatura alata. Tako je taj koeficijent kod

hlađenja SHIP-om na bazi vode u rasponu od 103-104 W/m2K (16,17 iz čl23). Koeficijent

toplinske konvekcije za hladni zrak prvi put donose Liu i Chou i on u simulaciji ima vrijednosti

u rasponu od 50-5000 W/m2K, dok u eksperimentu iznosi oko 160 W/m2K za hlađenje

hladnim zrakom temperature do -15°C i 860 W/m2K za hlađenje hladnim zrakom

temperature do -25°C [58]. U njihovom istraživanju su izvjestili kako je korištenje hladnog

komprimiranog zraka u ovisnosti s parametrima rezanja, te kod povećanja brzine rezanja i

posmaka može reducirati temperature u zoni rezanja i do 20 °C. Kim i ostali ispitujući vijek

trajanja alata korištenjem SHIP-a ili hlađenja hladnim zrakom izvješćuju kako se pri hlađenje

komprimiranim hladnim zrakom ostvarena veća količina obrađene površine odnosno duži

vijek trajanja alata [59]. Također Nandy i ostali pokazuju da korištenje hladnog

komprimiranog zraka donosi signifikantno povećanje vijeka trajanja alata i produktivnosti

[60]. Choi i ostali su istraživali utjecaj hladnog zraka, ohlađenog na -4 do -25 °C pod tlakom

od 4 bar i pokazali da kako se snižavanjem temperature zraka, povećava kvaliteta obrađene

površine i smanjuju zaostala naprezanja unutar iste [61]. Također su neki eksperimenti

pokazali da pri brzinama rezanja od 480m/min, gdje suha obrada postiže jako siromašne

rezultate u završnoj površinskoj obradi zbog ubrzanog trošenja alata, obrada korištenjem

hladnog zraka je omogućavala jako dobru završnu obradu [62].

4.2. Strojna obrada uz korištenje minimalnih količina SHIP-a

Tehnika kombinacije ohlađenog zraka i minimalnih količina ulja (MQL) se može

svrstati u polu suhe metode hlađenja. Definira se kao obrada u kojoj se male količine SHIP-a

disperziraju direktno u zonu rezanja. Ovisno o tipu i glavnoj funkciji tekućine, sredstva se

mogu podijeliti na:

1. MQL (eng. Minimum Quantity Lubrication)

2. MQC (eng. Minimum Quantity Cooling)

Ova tehnika koja se danas već uvriježeno koristi, je bila prvi put primijenjena 1970-ih

godina u američkoj zrakoplovnoj industriji. Prednosti MQL tehnologije u odnosu na

konvencionalne tehnike hlađenja korištenjem i aplikacijom SHIP-a (prskanje, maglica, visoko

tlačni sistemi itd.) su:

- troškovi nabave za ovakve sustave značajno su manji,

25

- MQL tehnika koristi protok od 50-500ml/h (najčešće oko 50ml/h) što je 3-4 puta

manje od količina koje se standardno koriste u konvencionalnoj mokroj obradi u istim

vremenskim intervalima [63],

- i do 30% smanjenje servisnih troškova u usporedbi s konvencionalnim hlađenjem,

- mala količina tekućine ili maziva rezultira gotovo suhim obradnim dijelom, alatom i

samim obradnim strojem što u određenoj mjeri uvjetuje smanjenje troškova jer

nema više potrebe za čišćenjem istih,

- MQL tehnika eliminira jedan dio troškova vezanih uz nabavku, pohranjivanje, zaštitno

tretiranje i odlaganje SHIP-a,

- primjena MQL-a zadovoljava ekološke zahtjeve i minimizira negativan utjecaj SHIP-a

na okoliš i zdravlje čovjeka.

Tehnika MQL-a označava intermedijarnu alternativu između konvencionalnog

korištenja SHIP-a i suhog načina obrade. Sve strože regulacije zaštite okoliša smanjuju

fleksibilnost korištenja SHIP-a i otvaraju prostor za MQL. Unatoč tome što u praksi još uvijek

dominira strojna obrada uz korištenje SHIP-a, znanstvenici ukazuju na hitnost traženja

alternativa, kao što je MQL. Volumen skinutog materijala u istim uvjetima je jednak ili veći u

odnosu na volumene skinute pri suhoj ili konvencionalnoj mokroj obradi. Prosječno trošenje

alata je kod MQL-a manje u odnosu na obradu pri drugačijim uvjetima, zahvaljujući nižoj

temperaturi koja zadržava tvrdoću alata i reducira adhezijski i difuzijski oblik trošenja koji su

jako osjetljivi na temperaturu. Površinska hrapavost se smanjuje zahvaljujući navedenoj

kontroli temperature. Također korištenje MQL-a omogućava smanjenje tangencijalnih sila

rezanja za 24,4% u odnosu na „mokru“ i 32,2 % u odnosu na suhu obradu [49]. Zahvaljujući

sniženju temperature alata strojna obrada korištenjem MQL-a se postižu bolji rezultati u

smislu vijeka trajanja alata u odnosu na konvencionalane mokre obrade. U odnosu na suhu

obradu, MQL otvara mogućnost obrade materijala koji nužno zahtjevaju hlađenje jednako

tako postupcima ovisnima o hlađenju. Braga i ostali izvješćuju kako MQL tehnika može biti

uspješno korištena u operacijama bušenja aluminij-silicijskih legura što je gotovo neizvedivo

kod suhe obrade [64]. Provrti izrađeni uz korištenje MQL-a su bili jednake ili bolje kvalitete

od provrta napravljenih konvencionalnom mokrom obradom s puno većim količinama

sredstava za hlađenje i podmazivanje. Eksperimenti provedeni pri operaciji obodnog

glodanja (eng. end mill) uz MQL kao rezultat daju 30-40% duži vijek trajanja alata i 20-30%

manju rezultantnu silu u usporedbi sa konvencionalnim hlađenjem.

26

Brinksmeier izvješćuje o eksperimentima provedenim na različitim vrstama naprednih

materijala kao što su legure titana, pri MQL uvjetima obrade. Fokus je bio na izvedbi

visokobrzinske obrade uz praćenje trošenja alata. MQL tehnika se pokazala uspješnom iz

perspektive vijeka trajanja alata, kvalitete obrađene površine i efikasnog izbjegavanja pojave

zaostalog naprezanja [65]. Slične rezultate u eksperimentima provedenim pri operacijama

tokarenja su imali Machado i ostali, koji su potvrdili da MQL tehnika koristeći niske protoke

sredstava za hlađenje i podmazivanje daje uspješnije rezultate u odnosu na suhu obradu, te

da bolje utječe na određene parametre i u odnosu na konvencionalnu mokru obradu [66].

Istražen je utjecaj MQL-a na smanjenje temperature u zoni rezanja u odnosu na suhu

obradu. Temperatura alata pri brzini rezanja od 300 m/min kod suhe obrade je bila 1060°C ,

dok je kod primjene MQLa temperatura bila 1000°C. Razlika temperature od 60°C je

ekvivalent razlici brzine rezanja od 50 m/min [49]. Zahvaljujući blažem efektu hlađenja,

temperature u zoni rezanja ipak rastu u odnosu na konvencionalnu mokru obradu [67]. Time

se postavlja pitanje o sastavu plinova koji emisijom odlaze u atmosferu, a nastaju uslijed

izloženosti određene količine SHIP-a nanešenog MQL tehnikom još većim temperaturama

nego kod konvencionalne mokre obrade. Fratila iznosi da je atmosferska koncentracija

potencijalno opasnih supstanci jednaka bez obzira na emisiju plinova tokom MQL-a, što znači

da obrada u uvjetima MQL nema značajnog polucijskog efekta. Ipak u usporedbi s

konvencionalnom mokrom obradom, MQL generira aerosol (maglicu) opterećeniju

česticama SHIP-a nastalim strojnom obradom zbog načina njegove primjene.

Također je vrlo važna integracija i kontrola sistema za MQL u svrhu uspješnog

obavljanja različitih postupaka obrade odvajanjem čestica. Potrebne količine zraka i

tekućine, kao i komponente vezane uz alat moraju biti pohranjene u numerički kontroliranim

jedinicama. Kapanje lubrikanta i otpuštanje stlačenog zraka bi tebalo biti izbjegnuto tokom

zamjene alata ako se želi osigurati pravilan rad MQL tehnike. MQL sistem obično mora

opskrbljivati više različitih alata, koji zapravo zahtjevaju različite količine ulja i zraka, čime se

pokazuje nužnost potpune integracije MQL sistema u numeričku kontrolu obradnog stroja

[36].

Zbog niske stope korištenja ukupnih količina SHIP-a, za MQL su vrlo važne

karakteristike biorazgradljivost te oksidacijska i pohrandbena stabilnost. Lubrikanti moraju

biti kemijski stabilni na duže vrijeme. Kontejneri za pohranjivanje lubrikanta su gotovo uvijek

smješteni vani, te temperature mogu dosegnuti i do do 70°C ili više. Kako MQL sistemi

27

koriste male količine lubrikanta, potrebno je da ostanu kemijski stabilni dugo vremena u tim

uvjetima. Nastanak kemijskih promjena kod lubrikanta je dokazan testom u kojem je

određena količina lubrikanta pohranjena 168 sati u navedenim uvjetima. Utvrđeno je

povećanje molekularne težine kod određenih supstanci kao znak postojećih kemijskih

promjena. Ipak, biorazgradljivost je najvažnija mjera procjene kompatibilnosti tih tvari s

okolišem. Osnovne supstance lubrikanta su mineralna ulja i polialkilen glikol, koji imaju nisku

biorazgradljivost. Danas se sve više koriste lubrikanti na bazi biorazgradljivih sintetičkih

estera.

Iako MQL tehnologija pokazuje veliki potencijal i nudi određene prednosti, postoje

zahtjevi od velike važnosti koji još uvijek nisu adekvatno ispunjeni što dovodi do nedostataka

kao što su nedefinirani troškovi cijelokupne investicije i primjene, nepredviđeni troškove

vezani uz izvedbu samog procesa napajanja, probleme pri nanošenju u zonu rezanja,

potencijalnu visoku zapaljivost zbog zrakom nošene metalne prašine, utjecaja na radnike i

pouzdanosti samog sistema. Jednako tako važan napor za razvojem se fokusira na

monitoriranje MQL aerosola. Istraživanja su pokazala da rastuća rotacijska brzina utječe na

smijer toka aerosola te da se posljedično formira vrtlog. Raličiti dizajn alata i dostupnosti

zone rezanja čine dodatno zahtjevnim optimiziranje MQL napajanja. Broj i položaj cijevi za

ispuhivanje SHIP-a pri MQL-u također je vrlo važan i ima veliki utjecaj na kvalitetu rezultata.

4.3. Kriogeni postupci strojne obrade

Kriogeno hlađenje procesa obrade metala se počelo primjenjivati još 1950 godine.

Sam postupak karakteriziralo je korištenje različita sredstva kao CO2 ili freon ali uz potrošnju

pretjeranih količina kriogenih tekućina zbog neefikasnog načina nanošenja u zonu rezanja.

To se reflektiralo visokim troškovima zbog čega se dugi niz godina ovaj način hlađenja nije

prihvatio kao učinkovita metoda u industrijskim postrojenjima. Danas kada je proizvodnja i

pohrana tekućeg dušika pristupačnija i kada postoje učinkovitiji načini nanošenja u zonu

rezanja postoji potreba ali i nužnost za unaprijeđenje i razvoj kriogene obrade na

industrijskoj razini.

Početna ispitivanja su pokazala da kombinacija kriogene obrade i prikladnih novih

alata i tehnologija daje bolje rezultate od standardne konvencionalne obrade [31].

Eksperimentalni i analitički rezultati potvrđuju da kriogena tehnologija obrade ima dobar

potencijal za smanjenje troškova i poboljšanje konkurentnosti, smanjenje potrošnje sirovina,

28

smanjenje otpada, manji utjecaj na okolinu i ljude, ispunjavajući uvjete održivosti

(ekonomske, socijalne i ekološke) u odnosu na konvencionalne postupke obrade.

Postoje brojna ispitivanja utjecaja kriogenog hlađenja na obradu temperaturno

postojanih materijala sa visokim temperaturama tališta koji se danas sve češće koriste u

kemijskoj, medicinskoj, građevinskoj i najviše avio industriji [68]. Hlađenje tekućim dušikom

je ekološki sigurna alternativa standardnoj emulzijskoj obradi.

Tekući dušik ohlađen na -196°C se nanosi u zonu rezanja. Dušik bezopasno isparava u

zrak bez rezidualnih tekućina za odlaganje. Odvojene čestice obrađivanog materijala koje

ostaju nakon obrade ovom tehnikom, nemaju na sebi rezidualnog ulja i mogu se reciklirati

kao obični metal. Tekući dušik apsorbira toplinu, brzo isparava i formira zaštitni sloj djelujući

time kao sredstvo za podmazivanje. Korist hlađenja tekućim dušikom je veća kod obrade

manjim brzinama rezanja, jer tada veći dio kontakta čestica-alat ostaje po svojoj prirodi

elastičan i omogućava efikasniju penetraciju tekućine u zonu kontakta. Efekt hlađenja

tekućim dušikom se smanjuje s povećanjem brzine rezanja. Tome je uzrok da kod velikih

brzina rezanja kontakt odvojena čestica-alat ima tendenciju da postane potpuno plastičan te

time spriječava penetraciju tekućeg dušika u vruću zonu rezanja.

Znanstveno je dokazano da primjena ove tehnike hlađenja smanjuje trošenje alata i

znatno produljuje vijek trajanja alata. Rezultati pokazuju da je pri obradi glodanjem

najtvrđeg čelika presvučenim karbidnim alatom, brzinom rezanja 100m/min i dubinom reza

od 0,5mm vijek trajanja alata 13,45min dok je u istim uvjetima uz primjenu tekućeg dušika,

vijek trajanja alata 57,45min. To pokazuje da hlađenje tekućim dušikom povećava vijek

trajanja alata za 4,27 puta [69]. Rezultati također pokazuju da pri obradi Ti-6Al-4V slitina

koristeći nepresvučeni WC alat sa 70m/min brzinom, posmakom od 0,2mm/rev i dubinom

reza od 2mm, primjena tekućeg dušika smanjuje širinu pojasa trošenja na stražnjoj površini za

3,4 puta u odnosu na suhu obradu i 2 puta u odnosu na emulzijsku [70]. Ovakvo djelovanje

tekući dušik postiže reducirajući toplinu u zoni rezanja čime se smanjuju temperaturno

osjetljivi mehanizmi trošenja kao difuzija i adhezija [71]. Razlika između maksimalno

postignutih temperatura u zoni rezanja između kriogenog načina hlađenja i suhe obrade

mogu iznositii i do 300°C (veća temperatura odgovara suhoj obradi). Nadalje postoji

povećanje površinske hrapavosti od 16 µm uspoređujući obradu hlađenjem tekućim

dušikom u odnosu na suhu obradu [49]. Sile rezanja su također kod kriogenog hlađenja

29

manje nego kod suhe obrade, zahvaljujući nižem koeficijentu trenja u zoni kontakta alata i

obratka u području prednje površine.

Primjena tekućeg dušika omogućava efikasnu kontrolu temperature u zoni rezanja te

time produljuje vijek trajanja alata i poboljšava kvalitetu obrađene površine. Određena

istraživanja pokazuju da suha obrada konvencionalnim alatima bez prevlaka u uvjetima

korištenja tekućeg dušika rezultira 55% redukcijom kraterskog trošenja i 30% redukcijom

vrijednosti širine pojasa trošenja na stražnjoj površini alata. Korištenje ovog načina hlađenja

odnosno podmazivanja uspješno produljuje vijek trajanja alata uz minimalan rizik za okoliš i

zdravlje čovjeka. Najveće ograničenje korištenja ove tehnike hlađenja se nalazi u njenoj

cijeni. Skupi sustavi za hlađenje tekućim dušikom su još uvijek jako nepristupačni i

ekonomski teško isplativi.

4.4. Korištenje alternativnih vrsta hlađenja pri različitim postupcima obrade rezanjem

Hlađenje alata omogućava redukciju topline u zoni rezanja dopuštajući operaterima

da optimiziraju proces obrade s većim brzinama rezanja i posmacima. Na ovaj način je

moguće zadržati visoku produktivnost ali i osigurati dulji vijek trajanja alata i bolju kvalitetu

površine obratka. Više vrijednosti parametara rezanja nude povećanje produktivnosti, ali na

štetu kvalitete površine obratka i značajnog smanjenja vijeka trajanja alata. Pogoršanje

površinske hrapavosti je direktno vezano uz trošenje alata. Vijek trajanja alata odnosno

njegovo trošenje je jako osjetljivo na promjene uvjeta rezanja te ga je teško izbjeći,

međutim različitim načinima hlađenja zone rezanja može ga se minimizirati. Upravo je

postizanje jednakog vijeka trajanja alata odnosno jednakog vremena obrade osnovni

preduvjet za prebacivanje na suhu ili polusuhu strojnu obradu, prije svega materijala koji su

za to prikladni [72]. Postoje materijali i postupci obrade kod kojih suha obrada nije moguća i

nužno zahtjevaju hlađenje. To vrijedi za obradu aluminija zbog njegove visoke toplinske

osjetljivosti i adhezije na alat, također i obrada najtvrđih čelika predstavlja jako zahtjevan

proces. Obrada naprednih materijala, zbog njihovog svojstava niske toplinske vodljivosti i

generiranja topline u zoni rezanja, zahtjeva efikasno hlađenje. Na izbor načina obrade,

odnosno načina hlađenja utječu osim materijala i sami industrijski procesi. Različiti procesi

obrade postavljaju različite zahtjeve za količinom i izborom SHIP-a potrebnih za siguran i

zadovoljavajući rad te postizanje uspješnih rezultata.

30

Za implementaciju suhe obrade, generiranje topline u zoni rezanja, uklanjanje

odvojene čestice i kinematski uvjeti trebaju biti razmotreni prilikom planiranja procesa.

Klasični procesi prikladni za suhu obradu su glodanje i tokarenje. Isprekidane radnje

osiguravaju kratko rezane odvojene čestice, njihovu uspješnu eliminaciju i hlađenje reznih

rubova. Zahvaljujući uobičajeno dobroj pristupačnosti zone rezanja, tokarenje je također

pogodno za redukciju u korištenju SHIP-a. Procesi sa definiranom reznom oštricom, kao što

su bušenje, razvrtanje i upuštanje su teško izvedivi bez makar malo SHIP-a, dok je kod

procesa sa nedefiniranim reznim rubom veliki problem kako reducirati opskrbu SHIP-om,

slika 13.

Suha obrada ili korištenje pojedinih alternativnih vrsta hlađenja moguće su kod

sljedećih postupaka obrade odvajanjem čestica sa alatima definirane rezne geometrija, i to:

a) GLODANJE - postupak strojne obrade koji za širok spektar materijala ne zahtjeva

hlađenje i prikladan je za uvjete suhe obrade. Ipak postoje određeni materijali ili uvjeti

obrade koji zahtjevaju detaljniju analizu i prilagodbu parametara da bi se postiglo

ekonomično suho glodanje. Rahman i ostali su istraživali utjecaj korištenja MQL-a u

procesu glodanja [73]. Rezultati su bili značajno bolji kod korištenja MQL-a nego kod

konvencionalnog hlađenja ili suhog glodanja. Da Silva i Vieira su komparativnom

studijom israživali utjecaj suhe i konvencionalne mokre obrade na trošenje alata i

kvalitetu površine prilikom obodnog glodanja AISI 1047 čelika sa karbidnim alatom

Slika 13. Izvedivost postupaka obrade odvajanjem čestica obzirom na uvjete vezane uz hlađenje

31

[74]. Sredstva za hlađenje i podmazivanje su bila nanošena u zonu rezanja trima

tehnikama: prskanjem, prskanjem reduciranim protokom i MQL-om. Reducirani protok

se odnosio na protok tekućine od 15 000ml/h što je ekvivalent oko 5% od 276 000ml/h

protoka tekućine koji se koristi pri hlađenju potapanjem. Rezultati su pokazali da u

datim uvjetima, MQL tehnika hlađenja pri mjerenju ukupnog volumena skinutog

materijala, nije dovoljno efikasna.

Fratila donosi izvješće o eksperimentu u kojem je korišteno pet različitih

tehnika hlađenja i podmazivanja za proces glodanja obratka 16MnCr5 tvrdoće između

55-60HRc [67]. Osnovni parametri obrade su brzina rezanja od 130 m/min i aksijalni

posmak 2,7mm/o obratka. Praćeno je trošenje alata uz VBmax=0,3 mm kao krajnja

točka vijeka trajanja alata i površinska hrapavost. Trošenje alata pri obradi glodanjem

uz konvencionalno hlađenje je bilo veće od trošenja uz MQL. Površinska hrapavost je

bila najveća korištenjem MQL tehnike, dok je bila najmanja pri konvencionalnom

hlađenju.

Yalcin i ostali su ispitivali efekt različitih tipova hlađenja na površinsku

hrapavost i trošenje alata pri obradi mekših materijala obodnim glodanjem. Praćena je

suha obrada, obrada uz konvencionalno hlađenje tekućinom, te obrada uz hlađenje

hladnim zrakom temperature 0°C [75]. Vrijednost od VBmax=0,3 mm je uzeta kao

kritična za obradak AISI 1050 čelik tvrdoće 10HRC. Trošenje alata je doseglo svoju

krajnju granicu pri suhoj obradi glodanjem za 15 min, dok je obrada uz konvencionalno

hlađenje tekućinom, te obrada hlađenjem hladnim zrakom tu granicu dosegla za

vrijeme od 30min. Rezultati su pokazali da je trošenje alata najveće kod suhog

glodanja, te sukladno tome i površinska hrapavost. Suho glodanje pri kojem se koristi

alat od brzoreznog čelika nije moguće koristiti za obradu mekih materijala zbog velike

tendencije da materijal adherira na površinu alata. Zanimljivo je da je trošenje alata u

ovom eksperimentu bilo gotovo jednako pri konvencionalnom hlađenju emulzijom kao

i pri hlađenju hladnim zarkom. Rezultati za površinsku hrapavost imaju slične

karakteristike kao i rezulatati za trošenje alata no nešto više u korist konvencionalnog

hlađenja tekućinom, jer efekt podmazivanja omogućava jako dobru kvalitetu obrađene

površine. U zaključku autori donose da hlađenje hladnim zrakom za određene procese i

kombinacije procesa i materijala može kvalitetno i uspješno zamijeniti hlađenje

tekućinom.

32

b) TOKARENJE – u parksi uobičajeno da se operacije tokarenja mogu izvoditni suhom

obradom ili uz korištenje neke od alternativnih metoda. Određene kombinacije

materijala i operacija zahtjevaju adaptaciju uvjeta u smislu prilagodbe reznog

materijala, parametara rezanja i mogućeg korištenja MQL napajanja. Za obradu čelika

moguće je koristiti samo suhu obradu uz zadovoljavjauće rezultate. Obrada aluminija

zbog trakastih strugorina i velike mogućnosti adhezije, zahtjeva korištenje MQL

tehnike. K.Weinert i ostali su modificirali proces obrade mijenjajući materijal alata i

njegove prevlake. Također su smanjili dubinu rezanja, dok su povećali brzinu rezanja i

posmak, čime je poboljšano odvajanje odvojenih čestica i smanjeno grijanje obratka.

Adhezija materijala na alat je spriječena korištenjem MQL tehnike [36].

Machado i ostali su proveli testiranje na AISI 1040 čeliku koristeći jako niske

protoke SHIP-a (0,0033 L/min za topivo ulje i 0,0049 L/min za vodu) pomješanog s

komprimiranim zrakom. Rezultati otkrivaju da na kvalitetu obrađene površine i

varijacije vrijednosti sila rezanja povoljno utječe tehnika s malim količinama SHIP-a u

usporedbi s aplikacijom 5,2 L/min tekućine kod konvencionalne mokre obrade [66].

Wakabayashi i ostali su pod tlakom od 0.6MPa nanosili zrak sa ekstremno

malim koncentracijama ulja za rezanje. Ovaj način nanošenja daje bolje rezultate

podmazivanja između odvojene čestice i alata u odnosu na konvencionalne metode

primjene SHIP-a te omogućava bolje hlađenje u odnosu na suhu obradu [76].

c) BUŠENJE - predstavlja kritičnu operaciju zbog visokih zahtjeva kao što su uklanjanje

(odvođenje) odvojene čestice, adhezija odvojene čestice i trošenje alata. Alati od

tvrdog metala se najčešće koriste za zahtjevne operacije bušenja. Većina zadataka

može biti izvršena zahvaljujući hlađenju. Postoje MQL modifikacije alata koje

omogućavaju pouzdano uklanjanje strugotine, glatku površinu alata da bi se smanjilo

trenje i adhezijsko trošenje.

Operacije dubokog bušenja do dubine veće od tri promjera svrdla mogu biti

izvedene koristeći komprimirani hladni zrak ili MQL kroz kanale na alatu [36]. Za

obradu aluminijskih slitina se najčešće koristi unutarnja MQL tehnika hlađenja i

podmazivanja, uz korištenje sintetskih estera za spriječavanje adhezije na alat i

poboljšanja kvalitete obrađene površine po visini provrta/uvrta.

33

d) RAZVRTANJE – ovom obradom je moguće postići odlične rezultate koristeći MQL

tehniku ali i tehniku hlađenja komprimiranim hladnim zrakom. Najčešće se koristi MQL

tehnika nanošenjem određene količine SHIP-a kroz sami alat, koja osigurava

kontinuirano podmazivanje i transport odvojene čestice.

Dok se kod konvencionalne mokre obrade većina parametara rezanja mora

namjestiti na niske vrijednosti, novi alati za razvrtanje dizajnirani u sklopu razvoja suhe

obrade omogućavaju da se suhom obradom uz hlađenje komprimiranim hladnim

zrakom postižu brzine rezanja nekoliko puta veće od obrade pri konvencionalnom

načinu hlađenja [13].

e) NAREZIVANJE NAVOJA – pri suhoj obradi ili nekoj od alternativnih vrsta hlađenja

iziskuje upotrebu prevučenih i geometrijski optimiziranih alata. Za efikasno izvođenje

operacija narezivanja od presudne je važnosti korištenje MQL tehnika [77]. Postupak

narezivanja navoja mora se izvoditi s malim brzinama rezanja zbog ograničenja u

odnosu na materijal obratka i sam proces.

Korištenje glodala za izradu navoja predstavlja efikasnu alternativu klasičnom

narezivanju. U tom slučaju se koriste tvrdo metalni alati koji ne samo da osiguravaju

više brzine rezanja i smanjuju vrijeme trajanja obrade, već i eliminiraju potrebu

korištenja MQL tehnike. Isprekidani kontakt alat-obradak pri glodanju navoja je mnogo

zahvalniji od kontinuiranog kontakta kod klasičnog narezivanja navoja, što predstavlja

značajan pomak u smjeru prelaska proizvodnje na suhu obradu.

f) PROVLAČENJE – predstavlja efikasan postupak obrade odvajanjem čestica u veliko

serijskoj proizvodnji visoko preciznih komponenata. Negativni aspekti ovog postupka

su limitirana fleksibilnost postupka i visoki troškovi alata. Kod ovog postupka gotovo

čitava tehnologija i uz nju vezana izvedba obradnog stroja je definirana samim alatom.

Zbog toga alat u postupku provlačenjem ima odlučujuću i presudnu ulogu. To se

posebno odnosi u slučaju suhe obrade koja zahtjeva posebno dizajnirani alat i

korištenje naprednih materijala alata i prevlaka, čijim bi se korištenjem mogao utvrditi

znatno duži vijek trajanja istih u odnosu na alate od brzoreznog čelika, što su i pokazali

rezultati nekih studija [78]. Korištenjem naprednih materijala alata ujedno se smanjuje

i emisija buke.

34

Od postupaka obrade odvajanjem čestica s geometrijski nedefiniranom reznom

oštricom u pogledu mogućnosti korištenja suhe obrade ili neke od alternativnih vrsta

hlađanja valja izdvojiti postupak brušenja.

Brušenje također ima potencijal za smanjenje korištenja (potrošnje) SHIP-a.

Hafenbraed i ostali su pokazali da je moguće koristiti MQL obradu u procesima brušenja [79].

Weinert i ostali su napravili istraživanje na komadu otvrdnutog čelika. U usporedbi sa

konvecionalnim hlađenjem, normalne se sile povećavaju mnogo brže kod korištenja MQL-a.

Skeniranje elektronskim mikroskopom pokazuje da se pri mokroj obradi stvaraju relativno

duge odvojene čestice sa različitom širinom i debljinom, olakšavajući dobro uklanjanje

odvojene čestice. Za vrijeme obrade korištenjem MQL tehnika i suhe obrade, oblik strugotine

se značajno mijenja i karaktriziran je velikim brojem nasječenih odvojenih čestica. Nasječene

odvojene čestice su indikativne za pogoršanje uklanjanja istih. Korištenjem konvencionalne

mokre obrade normalne sile se zadržavaju gotovo konstantnima i ne opaža se nikakvo

toplinsko oštećenje. Za usporedbu, prilikom korištenja MQL-a vidljivo je kontinuirano

povećanje normalnih sila i toplinskih oštećenja. U rezultatima je vidljivo da su normalne sile

više osjetljive na dubinu rezanja, nego na samu brzinu, te da je smanjenje dubine rezanja

efikasan način za postizanje obratka bez oštećenja pri korištenju MQL tehnika [13].

35

5. Trošenje i trajanje alata za obradu odvajanjem čestica

Proces rezanja (odvajanja čestica) spada u najtežu kategoriju triboloških parova za

koju je karakteristično isključivo trošenje samo jednog sudionika tribološkog para, u ovom

slučaju reznog klina alata.

Rezni alati za vrijeme obrade pri kojoj dolazi do odvajanja čestica, odnosno stvaranja

odvojene čestice podvrgnuti su ekstremnom procesu trenja, koji se posebno očituje prilikom

kontakta metal na metal alata sa odvojenom česticom i obratkom. Prilikom rezanja dolazi do

djelovanja vrlo velikih sila (do 15 kN i više) na vrlo maloj površini, uz stvaranje vrlo visokih

specifičnih pritisaka ( i do 70 GPa) i sve to na visokoj temperaturi ( i do 1000 ºC). Sve ovo

uzrokuje ekstremni gradijent naprezanja i temperature blizu površine alata što kao

neizbježnu posljedicu ima trošenje oštrice alata.

Trošenje alata se može definirati kao svaku promjenu oblika alata za vrijeme rezanja

u odnosu na izvorni oblik koja nastaje zbog postupnog gubitka materijala alata. Samo

trošenje alata povlači za sobom postupak promjene (smanjenja) reznih svojstava alata.

Proces rezanja determiniran je međusobnim odnosom ulaznih veličina, a kao jedna

od posljedica opterećenja kojima je alat izložen tijekom procesa obrade nastaje i trošenje

alata, slika 14. S obzirom na veliki broj ulaznih parametara, kao i na to da su kvantitativne i

kvalitativne prirode, složenost i broj mogućih interakcija su vrlo veliki.

Proces obrade generira popratne pojave koje uvjetuju razvijanje triboloških procesa

na reznom dijelu alata, slika 15.

Slika 14. Model procesa rezanja

36

Uzroci trošenja su opterećenja (naprezanja) kojima je alat izložen tijekom obrade, a

mogu biti mehanička, toplinska i kemijska. Trošenje alata nije proces koji uključuje samo

jedan mehanizam trošenja, više se različitih mehanizama može paralelno odvijati zavisno o

postojećim fizikalnim uvjetima (slika 16):

- mehaničko trošenje (abrazija i adhezija, prisutno uvijek a dominira kod nižih

temperatura) i termomehaničko trošenje (umor površine),

- termokemijsko trošenje (difuzija) i elektrokemijsko trošenje (oksidacija,

karakteristično za povišene temperature).

Glavni utjecajni faktori na trošenje alata su mehanička svojstva materijala obratka i

alata i parametri rezanja. Kao glavne posljedice trošenja alata mogu se istaknuti:

- smanjenje dimenzionalne točnosti,

- povećanje hrapavosti obrađene površine,

- povećanje sile (sila) rezanja,

- povećanje temperature rezanja,

- mogućnost izazivanja vibracija (podrhtavanje, eng. chatter),

- snižavanje učinkovitosti proizvodnje i kvalitete obratka,

- povećanje troškova.

Slika 16. Udjeli određenih mehanizama u ukupnom trošenju alata

Slika 15. Uzročno posljedični lanac trošenja alata

37

5.1. Oblici trošenja alata

Najčešći oblici trošenja alata, uzroci i načini izbjegavanja istih dani su u tablici 5.

Tablica 5. Oblici trošenja alata na primjeru izmjenjive pločice tokarskog noža

Trošenje Primjer Najčešći uzroci Moguća rješenja

1. Pojas trošenja na stražnjoj površini

Prevelika brzina rezanja ili premala otpornost trošenju

Smanjiti brzinu rezanja, izabrati materijal alata veće otpornosti trošenju

2. Krater na prednjoj površini

Previsoka temperatura i pritisci na prednju površinu alata

Smanjiti brzinu rezanja i posmak, izbor alata veće otpornosti i pozitivne geometrije

3.

Žljebovi na prednjoj i stražnjoj površini

Prevelika brzina rezanja ili premala otpornost trošenju

Smanjiti brzinu rezanja, izabrati materijal alata veće otpornosti trošenju

4. Plastična deformacija

Prejako trošenje, slaba kvaliteta i geometrija alata, prevelika naprezanja (tvrdi materijal obratka), formiranje naljepka

Smanjiti posmak i dubinu rezanja, izabrati "jaču" geometriju alata, izabrati žilaviji materijal alata

5. Naljepak (BUE – Built Up Edge)

Preniska temperatura, veliki afinitet materijala (niskougljični čelici, aluminij, nehrđajući čelici,...)

Povećati brzinu rezanja, izabrati adekvatan alat, izabrati pozitivnu geometriju alata

6. Toplinska napuknuća

Oscilacija temperature, prekidni rez (kod glodanja), nejednoliki dotok sredstava za hlađenje i podmazivanje

Smanjiti brzinu obrade, izabrati žilaviji materijal alata i s većom toplinskom otpornošću

7. Krzanje oštrice

Prekidni rez, prekrta i "slaba" oštrica alata, formiranje naljepka

Izabrati žilaviji materijal, povećati brzinu rezanja, smanjiti posmak na početku reza

8. Odlamanje oštrice

Prejako kratersko oštrenje, slaba kvaliteta i geometrija alata, prevelika naprezanja, formiranje naljepka

Smanjiti posmak i dubinu rezanja, izabrati žilaviji materijal alata, izabrati deblje i veće pločice

5.2. Postojanost alata i postavljanje kriterija istrošenosti

Postoji mnogo načina i metoda mjerenja trošenja alata. Glavna podjela je na direktne

(procesne) ili indirektne (vanprocesne) metode. Terminologija procesne i vanprocesne metode

koristi se u slučajevima kada se govori o vrstama senzora i tehnikama mjerenja, a terminologija

38

direktne i indirektne metode se koristi kada se govori o mjerenju pojedinih parametara trošenja

(linijski, površinski, volumenski ili maseni) ili praćenju drugih parametara i veličina procesa

rezanja koje su posljedice trošenja alata [80]. U metode direktnog mjerenja parametara

trošenja koje imaju karakter vanprocesnog mjerenja spadaju one metode pri kojima se

mjerenje nekog parametra može vršiti samo kada se proces rezanja prekine.

Procesna mjerenja trošenja predstavljaju metode mjerenja u toku procesa rezanja. U

ovom slučaju se ne prekida proces rezanja, nego se koriste procesni senzori koji direktno ili

indirektno, kontaktno ili beskontaktno, neprekidno ili povremeno mjere istrošenost reznog

klina. U novim proizvodnim sustavima koji su u osnovi numerički upravljeni sustavi (NC ili CNC),

procesna mjerenja trošenja alata predstavljaju osnovu za gradnju tzv. adaptivnih sustava

upravljanja. Takvi sustavi omogućuju rješenje problema i jednog od najvažnijih tehnoloških

zadataka: kada zamijeniti alat novim alatom. Problem se rješava na način da se procesnim

mjerenjem trošenja alata dobiju informacije o tribološkom stanju reznog klina na osnovu kojih

se donosi odluka (ili signalna informacija) o zamjeni alata.

Postojanost alata može se definirati kao korisno vrijeme (period) rezanja nakon kojeg

daljnji rad alatom više nije ekonomski opravdan. Izražava se vremenom (ili drugim jedinicama)

od početka rezanja do postizanja nekog kriterija istrošenosti (otkaza). Postojanost alata do

postizanja kriterija istrošenosti (otkaza) može se izraziti na različite načine kao što su: stvarno

vrijeme rezanja, duljina puta u smjeru posmičnog gibanja, broj obrađenih komada i volumen

skinute odvojene čestice. Pokazatelji istrošenosti alata su plastična deformacija (može

prouzročiti gubljenje stabilnosti oblika tj. rezne sposobnosti alata), mehanički lom (kada sile

rezanja postanu vrlo velike ili zbog razvoja pukotine zamora materijala u vibracijskim uvjetima) i

postupno progresivno trošenje (rezultat interakcije između materijala obratka i alata). Postoje

tri glavna tipa otkaza alata (vremenski):

1. Preuranjeni otkaz – neočekivani i trenutni otkaz alata zbog različitih uzroka kao

što su loša geometrija i materijal alata, loši odabir parametara rezanja i sl.

2. Otkaz zbog postupnog i kontroliranog trošenja – neizbježni oblik trošenja alata

koji dovodi do njegovog otkaza u razumnom vremenu rezanja i može se

kontrolirati različitim parametrima procesa.

3. Konačni ili katastrofalni otkaz - alat je uništen i nesposoban za rezanje.

Jednostavno se detektira, ali se ne preporučuje u praksi budući da se lomom alata

mogu uništiti i druge komponente obradnog sustava.

39

Ne postoje jednoznačni kriteriji istrošenosti (otkaza) oštrice reznog materijala. Prema

međunarodnim standardima (ISO) za različite materijale alata (HSS, tvrdi metal, keramika)

preporučuju se različiti kriteriji istrošenosti (otkaza) alata u svrhu određivanja njegove

postojanosti. Kriteriji istrošenosti alata su sljedeći:

I. Krzanje ili razvoj finih pukotina na oštrici – preuranjeni otkaz

II. Širina pojasa trošenja na stražnjoj površini alata

III. Dubina kratera, širina kratera na prednjoj površini (npr. indeks kraterskog trošenja

na prednjoj površini)

IV. Volumen ili masa materijala skinutog sa alata

V. Totalno razaranje alata – konačni otkaz – koristi se u laboratorijima prilikom

određivanja maksimalne postojanosti alata

VI. Granična vrijednost površinske hrapavosti dijela

VII. Granična vrijednost promjene dimenzija dijela

U industrijskoj praksi mjerenje širine pojasa trošenja na stražnjoj površini (bočnog

trošenja) najčešće je korišten kriterij istrošenosti alata (Slika 17) [81].

Širina pojasa trošenja na stražnjoj površini alata može se svrstati u jednu od direktnih

metoda nadzora stanja alata. Vrijednost trošenja stražnje površine potrebno je mjeriti u

granicama regije B i to veličinu srednje VB ili maksimalne VBmax širine pojasa trošenja na

stražnjoj površini alata (Slika 16). Međunarodna organizacija za standarde, donosi industrijski

standard vezano za trošenja alata ISO 3685:1993, koji definira kriterij istrošenosti alata sa

graničnim vrijednostima za različite vrste alata (Tablica 6).

Slika 17. Širina pojasa trošenja na stražnjoj površini prema regijama C (zakrivljeno područje kuta

vrha oštrice), B (središnji ravni dio pojasa trošenja), A (četvrtina ravnog dijela pojasa trošenja), N

(trošenje vezano uz nastale žljebove na stražnjoj površini)

40

Tablica 6. Preporuke za granicu dozvoljenog trošenja stražnje površine za različite materijale alata

Materijal alata Brzorezni

čelik

Cementirani

karbidi

Cementirani

karbidi Keramike

Vrsta obrade (mm) bez prevlaka sa prevlakama Al2O3 Si3N4

Gruba obrada VB 0,35 – 1,0 0,3 – 0,5 0,3 – 0,5 0,25 – 0,3 0,25 – 0,5

Završna obrada VB 0,2 – 0,3 0,1 – 0,25 0,1 – 0,25 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2

Neki kriteriji istrošenosti stražnje površine alata koji se koriste u praksi:

- Tokarenje i glodanje valjkastim glodalima VB ili VBmax = 1,5 mm

- Glodanje vretenastim glodalima VB = 0,3 mm ili VBmax = 1,5 mm

- Bušenje VB ili VBmax = 0,45 mm

5.3. Mjere za produljenje vijeka trajanja alata pri korištenju alternativnih vrsta

hlađenja

Kako bi povećali svoje konkurentske sposobnosti u domeni proizvodnje tvrtke vode

računa o samoj organizaciji proizvodnje (Computer Integrated Manufacturing - CIM, Total

quality Management - TQM, Just In Time – JIT), optimizaciji tehnologije (materijal alata,

geometrija alata, prevlake, SHIP) i primjeni novih tehnologija (visoko brzinska obrada, obrada

otvrdnutih materijala, Computer Aided Design – CAD / Computer Aided Manufacturing – CAM).

Prilikom optimizacije tehnologije vezane za izbor alata, možemo govoriti o glavnim

faktorima koji utječu na trošenje alata i ujedno smanjenje njegovog vijeka trajanja a to su

parametri rezanja (brzina rezanja vc , posmak f, dubina rezanja ap), geometrija alata (prednji

kut γ), materijal alata (HSS, TM, CBN, PCD; keramike), materijal obratka (fizikalna, termička i

kemijska svojstva) i SHIP. Dodatni utjecaj imaju i karakteristike alatnog stroja. Produljenje

vijeka trajanja alata je do sada bilo bazirano većinom na novim sredstvima za hlađenje i

podmazivanje. Novo doba proizvodne industrije koje bi u potpunosti napustilo korištenje

ovih sredstava imalo bi iznimno zahtjevan zadatak u smislu postizanja vrijednosti vijeka

trajanja alata kakve su bile pri konvencionalnoj mokroj obradi ili čak i boljih. Ovi faktori se u

svrhu produljenja vijeka trajanja alata mogu korigirati i to:

- optimiranjem režima rezanja (parametara rezanja),

- izborom specifično pogodnog materijala alata (upotreba prevučenih reznih oštrica),

- izborom pojedinih alternativnih tehnika hlađenja,

- procjenom pouzdanosti alata.

41

5.3.1. Optimiranje parametara rezanja

Pod optimiranjem režima rezanja podrazumijeva se izbor optimalne brzine rezanja (vc),

zatim posmaka (f) i dubina rezanja (ap). Postoje razne metode optimizacije počevši od

metode matematičkog programiranja, te raznih analitičkih, statističkih i adaptivnih metoda.

Promatrajući parametre rezanja važno je istaknuti kako brzina rezanja ima najveći utjecaj na

postojanost alata, a zatim posmak i tek onda dubina rezanja.

5.3.2. Izbor novih geometrija alata i materijala prevlaka

Posebnost zahtjeva koji se nameću pri izboru materijala za neki alat proizlaze iz

opterećenja kojima su podloženi alati prilikom obrade. Usporedno s tim zahtjevi koji se

postavljaju pred proizvodima uvjetovali su razvoj izrazito velikog broja konstrukcijskih, ili šire,

tehničkih materijala sa širokim područjem mehaničkih, termičkih i drugih karakteristika.

Međutim, ako se analiziraju svi dijelovi proizvodne tehnologije u zadnjih pedesetak godina

može se zaključiti da su najveći napretci napravljeni u automatizaciji, upotrebi računala dok u

usporedbi s tim nije mnogo napravljeno u pronalasku novih materijala alata. Unatoč ne

pronalaženju novih materijala alata, u posljednjim godinama vidljiv je izuzetan napredak u

inženjerstvu površina i tehnologijama površina te razvoju različite geometrije alata. Razvijeni

su razni postupci i tehnologije koje se primjenjuju radi povećanja otpornosti na trošenje

alata što povećava njegov vijek trajanja.

Upravo upotreba novih vrsta alata u smislu osnovnog materijala, materijala prevlaka i

geometrije istih, ključna je za proizvodnu industriju budućnosti kojoj je u fokusu zaštita

okoliša i čovjeka. Za takvu posebno prilagođenu proizvodnju odnosno strojnu obradu

upotreba naprednih prevučenih alata nužna je i za postizanje maksimalne efikasnosti

pojedinih alternativnih metoda hlađenja. Razlog tome može se uočiti ukoliko se

proanaliziraju neke karakteristike (svojstva) koja zahtjeva svaki alat:

• Toplinska izolacija – glavni uzrok ispada alata je toplina. Prevlaka formira

toplinsku barijeru, sprečava ulazak topline u alat i toplinu vraća natrag u odvojenu

česticu. Tako štiti osnovu alata i produljuje vijek trajanja istog. Neke prevlake kao

što su TiAlN i AlTiN, u određenim uvjetima, za vrijeme obrade formiraju tvrdi sloj

aluminijevog oksida koji je izvrstan izolator.

42

• Mehanička postojanost – abrazivno djelovanje odvojenih čestica u kombinaciji s

mikronskim neravninama na površini alata izaziva trošenje osnove i same oštrice.

Visoka tvrdoća, mali koeficijent trenja i smanjena hrapavost prevlake omogućuju

lakše odvajanje odvojene čestice od alata. Time se smanjuje mogućnost

formiranja naljepka i samo trošenje, tj. povećava postojanost.

• Kemijska otpornost – uz toplinu, tlak, SHIP i materijal obratka, na alat i oštricu

djeluju i kemijska opterećenja. Kada u tim uvjetima dođe do kontakta elemenata

sklonih reakciji, dolazi do trošenja neprevučenih alata.

5.3.3. Primjena alternativnih vrsta hlađenja

Održivi razvoj u proizvodnoj industriji nameće potrebu pronalaska novih tehnologija i

načina koji bi se mogli koristiti uz minimalne posljedice za čovjeka i okoliš. Napori za

unaprijeđenje proizvodne tehnologije su usmjereni na povećanje efikasnosti, ali s nedavnom

rastućom ekološkom, ekonomskom i socijalnom svijesti. U tom slučaju proces strojne obrade

uz korištenje konvencionalnih načina hlađenja postaje upitan obzirom na veliki negativan

utjecaj istoga posebno na ekologiju i samog čovjeka. Glavne alternative konvencionalnom

načinu korištenja SHIP-a su strojna obrada uz hlađenje komprimiranim hladnim zrakom, MQL

te kriogeni procesi hlađenja tokom strojne obrade te su iste predstavljene u prethodnim

poglavljima.

Pregled literature i stanja znanosti i tehnike u ovom trenutku na području hlađenja i

podmazivanja za vrijeme strojne obrade dan kroz poglavlja u ovome radu pokazao je da su

navedene alternativne tehnike i postupci hlađenja ekološki i socijalno prihvatljivite te u

ekonomskom smislu isplative. Ujedno je važno istaknuti kako neke od njih kao što su

primjerice MQL i kriogeni način hlađenja u usporedbi sa konvencionalnim tehnikama daju i

bolje rezultate u smislu duljeg vijeka trajanja alata pri istim uvjetima, parametrima obrade.

5.3.4. Procjena pouzdanosti alata

Najutjecajniji element sustava strojne obrade na pouzdanost je alat. Točnija procjena

pouzdanosti alata otvara mogućnost za optimiziranje procesa strojne obrade čime se nužno

smanjuju troškovi proizvodnje te ujedno povećava kvaliteta strojne obrade i samog

proizvoda. Ispitivanja ovog problema uključuju procjenu pouzdanosti alata kod rada pri

različitim parametrima rezanja, odnosno vrijednostima brzine rezanja, posmaka i dubine

43

rezanja, kao glavnih utjecajnih varijabli na sam vijek trajanja alata. Time se omogućuje

pronalaženje optimalnih uvjeta pod kojima bi pouzdanost alata bila najveća, ili nužne

promjene ovih varijabli unutar već započetog procesa strojne obrade kako bi se alat kroz

duže vrijeme zadržao na prihvatljivom stupnju pouzdanosti.

Tipična krivulja trošenja alata sastavljena je od tri faze. Period uhodavanja (Faza I) sa

uobičajenom veličinom početnog trošenja stražnje površine alata od 0,05-0.1 mm, period

jednoličnog trošenja (Faza II) te period katastrofalnog trošenja (Faza III) u kojem veličina

trošenja prelazi kritičnu vrijednost. Kritične vrijednosti obzirom na vrstu obrade i materijal

obratka dane su industrijskom standardu ISO 3685:1993. Pouzdanost ili vjerojatnost rada alata

bez kvara R(t) predstavlja u ovom slučaju odvajanje čestica odgovarajućim parametrima

rezanja pri kojem je trošenje alata u dozvoljenim granicama. Maksimalna pouzadnost alata

vidljiva je kroz prve dvije faze dok ulaskom u fazu porasta trošenja opada pouzadnost alata

(Slika 18).

Rezultati ispitivanja u ovom području su od velike praktične važnosti pogotovo

vezano za ekonomski aspekt održivosti strojne obrade u smislu pravovremene izmjene alat

kako bi se smanjio trošak prerane (slaba iskoristivost alata) ili prekasne izmjene (troškovi

naknadne obrade). Unatoč već postignutom u istraživanjima, otvara se širok prostor za

daljnji napredak.

Slika 18. Grafički prikaz interakcije između trošenje alata i pouzdanost unutar životnog ciklusa alata

44

6. Smjernice budućih istraživanja

Ovim radom dan je pregled stanja znanosti i tehnike za područje održivosti strojne

obrade u smislu ispunjenja ekonomskih, socijalnih i ekoloških uvjeta. Pregledom znanstvene

literature dobiven je uvid u problematiku vezanu za strojnu obradu uz konvencionalno

korištenje sredstava za hlađenje i podmazivanje. Pod konvencionalnim korištenjem se

podrazumjeva aplikacija nekontrolirane količine SHIP-a, nekontroliran utjecaj SHIP-a na

okoliš i čovjeka, ne vođenje računa o stvarnim troškovima pri upotrebi SHIP-a.

Eksperimentalni rezultati pregledane literature pri komparaciji alternativnih vrsta hlađenja u

odnosu na konvencionalne pokazuju da alternativne tehnike imaju visok potencial za

smanjenje troškova i poboljšanje konkurentnosti smanjanjem potrošnje resursa.

Istraživanja koja su prethodila ovom radu bila su vezana isključivo za suhu strojnu

obradu u smislu optimiranja parametara rezanja za postizanje maksimalne efikasnosti

procesa obrade kroz analizu: sila rezanja, hrapavosti površine i trošenja alata. Model budućih

istraživanja u ovom području temeljio bi se na komparativnom pristupu. Takav pristup daje

usporedbu konvecionalne upotrebe SHIP-a, suhe obrade te alternativnih vrsta hlađenja kroz

analizu trošenja alata i troškova obrade. Prijedlozi za daljnja istraživanja dobiveni su

sintezom nalaza literature i teorijskog okvira, te komparacijom najčešće korištenih modela

istraživanja. Kako bi se istraživanja, eksperimenti izveli postoji potreba za ispunjenjem

određenih potreba kao što su:

1. Izbor i nabava neke od dostupnih alternativnih vrsta hlađenja, pri čemu bi se

trebalo voditi računa o određenim čimbenicima (Tablica 7).

Tablica 6. Čimbenici pri izboru pojedne alternativne vrste hlađenja

Alternativna vrsta hlađenja

Trošak investicije

Troškovi aplikacije

Potrebe za održavanjem

Efikasnost procesa

Ispunjenje uvjeta održivosti

ekonomski ekološki socijalni

Hlađenje komprimiranim hladnim zrakom

N N N S N V V

Sustav minimalne upotrebe SHIP-a (MQL)

V V V V V S S

Kriogena strojna obrada V V V V V V V

N – niski, S – srednji, V - visoki

45

Pregledom gore navedenih čimbenika izbor alternativne vrste hlađenja u

vidu hlađenja komprimiranim hladnim zrakom značio bi relativno mali trošak

investicije i aplikacije, gotovo nikakve potrebe za održavanjem uz maksimalno

ispunjavanje eokoloških i ekonomskih uvjeta održivosti. Međutim, efikasnost

procesa u smislu vijeka trajanja alata, kvalitete obrađene površine, mogućem

izboru relativno nižih (blažih) parametara rezanja, količinu obrađenog materijala,

troškove procesa, mnogo je niža u usporedbi sa tehnikom MQL-a i kriogenim

postupcima hlađenja. Ipak, izbor jedne alternativne vrste hlađenja otvara velike

mogućnosti pri komparaciji sa konvencionalnim načinima hlađenja u svrhu

ispitivanja održivosti iste po pitanju ekonomskih, ekoloških i socijalnih uvijeta.

2. Izbor i nabava alata za obradu, pri čemu se posebno mora obratiti pozornost na

osnovni materijal alata, nove geometrije alata, novi materijali i broj prevlaka,

trošak nabave

3. Izbor i nabava obratka, sa naglaskom na materijal obratka. Izbor istog ovisi o

pregledanoj literaturi iz koje se može vidjeti koji su materijali korišteni u

pojedinim eksperimentima, kakvi su dobiveni rezultati i doneseni zaključci, kako

nebi došlo do izvođenja već provedenih istraživanja.

Izborom pojedine alternativne vrste hlađenja automatski ispunja dva uvjeta

održivosti strojne obrade budućnosti, i to onaj ekološki i socijalni. Korištenje alternativnih

vrsta hlađenja u velikoj mjeri snizuje troškove nabavke, korištenja ta pohranjivanja SHIP-a,

međutim za maksimalno (konačno) ispunjenje ekonomskog uvijeta pri provođenju daljnjih

istraživanja posebno bi se trebalo voditi računa o produljenju vijeka trajanja alata. Prvi korak

pri definiranju efikasnih mjera za produljenje vijeka trajanja alata pri novim načinima

obrade, jest nastaviti započeta istraživanja koja imaju za cilj testirati nove kompozicije

materijala za izradu alata, nove prevlake uz nove načine hlađenja. Testiranja novih alata i

prevlaka moraju biti izvršena uz uključivanje procijene pouzdanosti samog alata. Poznavanje

vrijednosti pouzdanosti alata omogućuje optimalno vrijeme izmjene alata čime se dodatno

snižava trošak odnosno ispunja ekonomski uvjet održivosti.

46

7. Zaključak

Industrija je pod sve većim pritiskom financijske krize, globalne konkurencije, strožih

zakona o zaštiti okoliša, lanaca ponude i potražnje. Rješavajući ova pitanja, održivi trend

razvoja mora osigurati sinergiju na svim razinama / poljima, uključujući i područje strojne

obrade. Pregledom znanstvene literature može se utvrditi kako su rezultati provedenih

istraživanja u ovom području ohrabrujući u smislu otvaranja realne mogućnosti da se u

budućnosti u potpunosti napusti korištenje sredstava za hlađenje i podmazivanje. To

podrazumijeva stanovit napredak koji još uvijek treba biti postignut na području izrade alata

i njihovih prevlaka, kao i novih ekološki prihvatljivih tehnika hlađenja i podmazivanja. Napori

stručnjaka bi trebali biti usmjereni na pronalaženje adekvatne zamjene za funkcije koje bi

nedostajale eliminacijom SHIP-a, te bi iste bile nadomještene korištenjem novih materijala

alata i njihovih prevlaka te primjenom alternativnih vrsta hlađenja.

Iako bi ovakav scenarij u industrijskom svijetu za sada još bio nezamisliv, rastuća

ekološka svijest i tome posljedično sve stroža zakonska regulativa, kao i želja za ostvarivanjm

profita bez tereta visokih troškova vezanih uz SHIP primorati će industriju strojne obrade na

korak naprijed u smislu prihvaćanja alternativnih vrsta hlađenja pri obradi odvajanjem

čestica.

47

LITERATURA

[1] Kalpakjian S., Schmid S.R.: Manufacturing Engineering and Technology, Pearson Education, Prentice

Hall (2010) 591-614

[2] Byres J.P.: Metalworking fluids (second edition), Taylor & Francis Group, CRC Press (2006) 2-15

[3] Astakhov V.P., Tribology of Metal Cutting, Tribology and Interface Engineering Series, Elsevier Ltd.

(2006) 326-343

[4] Bergmann H., Rittel A., Iourtchouk T., Schoeps K., Bouzek K.: Electrochemical treatment of cooling

lubricants, Chemical Engineering and Processing (2003) 105-119

[5] Kutz M., Environmentally Conscious Manufacturing, Wiley Series in Environmentally Conscious

Engineering, John Wiley & Sons, New Jersey (2007) 95-101

[6] Rakic R., Rakic Z.: Tribological aspects of the choice of metalworking fluid in cutting processes, Journal

of Materials Processing Technology (2002) 25-31

[7] Pedišić Lj., Pec Š., Šarić M., Sernc B,: Produženje radnog vijeka emulzija za obradu metala

preventivnim održavanjem, Goriva i Maziva (2001) 237-263

[8] Sheng P., Srinivasan M.: Multi objective process planning in environmentally conscious

manufacturing: a feature-based approach, Ann. CIRP (1995) 427-433

[9] Glenn T., Van Antwerpen F.: Opportunities and Market Trend in Metalworking Fluids, Journal of the

Society of Tribologists and Lubrication Engineers (2004) 31-34

[10] Brockhoff T., Walter A.: Fluid minimization in cutting and grinding abrasive, Journal for teh Abrasive

Engineering Society,(1998)

[11] Baumann W., Grafen, M., Pollklasner, D.: Assessment of the environmental release of chemicals

used in metal-cutting and forming fluids, Emission scenario document – Metal extraction industry,

refining and processing industry, IC8, Dortmund, Germany (1999) 61-82

[12] Mortier R.M., Fox M.F., Orszulik S.T.: Chemistry and Technology of Lubricants (3rd Edition), Springer

Science+Business Media B.V. (2010) 435-457

[13] Byrne G., Dornfeld D., Denkena B.: Advanced Cutting Technology, Laboratory for Manufacturing

and Sustainability, University of California, Berkley (2003)

[14] Chazal P.M.: Pollution of modern metalworking fluids containing biocides by pathogenic bacteria in

France-reexamination of chemical tratements accuracy, Eur. Journal of Epidemiology 11(1995) 1-7

[15] Sokovic M., Mijanovic K.: Ecological aspects of the cutting fluids and its influence on quantifiable

parameters of the cutting process, Journal of Materials Processing Technology 109 (2001) 181-189

[16] Hilal N., Busca G., Talens-Alesson F., Atkin B.P., Treatment of waste coolants by coagulation and

membrane filtration, Chemical Engineering and Processing 43 (2004) 811-821

[17] European Comission: EU REACH Directive, Environment Directorate General, 2006/121/EC

48

[18] Bartz W.J., Lubricants and the environment, Tribology International 31 (1998) 35-47

[19] Ueno S., Shiomi Y., Yokata K.: Metalworking fluid hand dermatitis, Ind. Health 40 (2002)

291–292.

[20] TRGS (Technische Regeln für Gefahrstoffe) Grenzwerte für die Luft am Arbeitsplatz

“Luftgrenzwerte“ Bundesarbeitsblatt, 6, 90; 9, 48; sowie Bundesarbeitsblatt 10 (2003) 34–63.

[21] Alomar, A., 1994. Occupational skin disease from cutting fluids, Dermatologic Clinics 12 (1994)

537–546.

[22] Kleber M., Follmann W., Blaszkewicz M.: Assiessing the genotoxicity of industrial cutting fluids under

condition of use, Toyicology Letters Vol. 151 (2004) 211-217

[23] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH): Criteria for a Recommended

Standard – Occupational Exposure to Metalworking Fluids,U.S. Department of health and human

services (1998) 21-24

[24] Mackerer, C.: Health Effects of Oil Mists: A Brief Review, Toxicology and Industrial Health (1990)

429-440

[25] Thorne, P.; DeKoster, J.; Subramanian, P.: Environmental Assessment of Aerosols, Bioaerosols,

and Airborne Endotoxins in a Machining Plant, American Industrial Hygiene Association Journal.

(1996) 1163-1167.

[26] Narutaki N., Yamane Y., Tashima S., and Kuroki H.: A New Advanced Ceramic for Dry Machining,

Annals of the CIRP, 16 (1997) 43 – 48

[27] Granger C.: Dry Machining´s Double Benefit, Machinery and Producti. Engineering (1994) 14-20

[28] Feng S. C., Hattori M., Cost and Process Information Modeling for Dry Machining, Proceedings of

the International Workshop on Environment and Manufacturing (2000)

[29] King N., Keranen L., Sutherland J.: Wet Versus Dry Turning: A Comparison of Machining Costs,

Product Quality and Aerosol Formation, SAE (2001) 1579-1588

[30] Davim J.P.: Machining: Fundamentals and Recent Advances, Springer Science+Business Media

B.V. (2008) 196-210

[31] Pušavec F., Stoić A., Kopač J.: The role of cryogenics in machining processes, Tehnički vjesnik 16

(2009) 3-9

[32] Bierma T.J., Waterstraat F.L.: Total Cost of Ownership For Metalworking Fluids, Report of Illinois

Waste Management and Research Center, Illinois State University (2004)

[33] Dudzinski D., Devillez A., Moufki A., Larrouquere D.: A review of developments towarde dry and

high speed machining of Inconel 718 alloy, International Journal of Machine Tools & Manufacture

(2004) 439-456

[34] Lahres M., Doerfel O., Neumulerrr R.: Applicability of different hard coatings in dry machining an

austenitic stele, Surface and Coatings Technology (1999) 687-691

49

[35] Derflinger V., Brandle H., Zimmermann H.: New hard/lubricant coating for dry machining, Surface

and Coatings Technology Vol. 113 (1999) 286-292

[36] Weinert K , Inasaki I., Sutherland J.W., Wakabayashi T.: Dry Machining and Minimum Quantity

Lubrication, CIRP- Anals, Manufacturing Technology Vol. 53 (2004) 511-537

[37] Schulz H., Dorr J., Rass I.J., Schulze M.,Leyendecker T., Erkens G.: Performance of oxide PVD coatings

in dry machinings operations, Surface and Coatings Technology 146 (2001) 480-485

[38] Tonsholf H.K., Mohflfeld A.: PVD-Coatings for wear protection in dry cutting operations, Surface

and Coatings Technology 93 (1997) 88-92

[39] Dreyer K., Westphal H., Sottke V.: New Developments for Hardmetals, Cermets and Coatings in

Experiment and Practice, VDI Seminar „High performance processes in cutting“ (2000) 26-27

[40] Porat R., Ber A.: New appproach of cutting tool material-Cermets, Annals of CIRP (1999)

[41] Whitney E.D.: Ceramic cutting tools – materials, development and performance, Noyes

publications, Park Ridge, New Jersey (2000)

[42] Brucher M.: CVD – Diamant als Schneidstoff, Dissertation, Universitat Berlin (2003)

[43] Klocke F., Krieg T.: Coated Tools for Metal Cutting – Features and Applications, Annals of the

CIRP,42 (1999) 515-525

[44] Van den Berg H.,Westphal H., Tabersky R.: Development and Applications of New Composite and

Multilayer Coatings, EU Conference on Hard Materials and Diamond Tooling (2002)

[45] Ducros C., Benevent V., Sanchette F.: Deposition, Characterization and Machining Performance

of Multilayer PVD Coatings on Cemented Carbide Cutting Tools, Surface and Coating Technology

(2003) 681-688

[46] Hong Q., Gu L., Yu X.: The Application od Green Manufacturing Technology in Mechanical

Processing, Advanced Materials Research (2011) 217-221

[47] Godlevski V.A.: Water Steam lubrication during machining, Tribologia 162 (1999) 890-901

[48] Junyan L., Rongdi H., Li Z., Hongbin G.: Study on lubricating characteristics and tool wear with

water vapour as coolant and lubricant in green cutting, Wear 262 (2007) 442-452

[49] Sharma V.S., Dogra M., Suri N.M.: Cooling techniques for improved productivity in turning,

International Journal of Machine Tools & Manufacture (2009) 435-453

[50] Cakir O., Kiyak M., Altan E.: Comparision of gases applications to wet and dry cuttings in turning,

Journal of Materials Processing Technology 153 (2004) 35-41

[51] Ko T.J., Kim H.S., Chung B.G.: Air-oil cooling method for turning of hardened material, International

Journal of Advanced Manufacturing Tachnology 15 (1999) 470-477

[52] Hilsch R.: The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process, Review of

Scientific Instruments Vol.18 (1947) 108–113

50

[53] Pinar A.M., Uluer O., Kirmaci V.: Optimization of counter flow Ranque-Hilsch vortex tube

performance using Taguchi method, International Journal of refrigeration Vol. 32 (2009) 1487-

1494

[54] Gao C.: Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube, Proefschrift, Technische

Universiteit Eindhoven (2005)

[55] Aronson R.B.: Vortex tube: cooling with compressed air, Machine Design 48 (1996) 140–143

[56] Liu C., Hu R.: Cooling air from vortex tube applied to cutting tool cooling, Manufacturing

Technology & Machine Tool 1 (1997) 30–31

[57] Choi H.Z., Lee S.W., Jeong H.D.: A comparison of the cooling effects of compressed cold air and

coolant for cylindrical grinding with a CBN wheel, Journal of Materials Processing Technology 111

(2001) 265–268.

[58] Liu J., Chou K.: On temperatures and tool wear in machining hypereutectic Al-Si alloys with vortex-

tube cooling, Machine Tools & Manufacture Vol. 47 (2007) 635-645

[59] Kim S.W., Lee D.W., Kang M.C., Kim J.S.: Evaluation of machinability by cuttingenvironments in

high-speed milling of difficult-to-cut materials, Journal of Materials Processing Technology 111

(2001) 256–260

[60] Nandy A.K., Gowrishankar M.C. Paul, S.: Some studies on high-pressure cooling in turning of Ti–

6Al–4V, International Journal of Machine Tools Mannufacturing. 49 (2009) 182–198

[61] Choi H.Z., Lee S.W., Jeong H.D.: The cooling effects of compresed cold air in cylindrical grinding with

alumina and CBN wheels, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 127 (2002) 155-158

[62] Sarma D.K., Dixit U.S.: A comparision of dry and air-cooled turning of grey cast iron with mixed oxide

ceramic tool, Journal of Materials Processing Technology 190 (2007) 160-171

[63] Silva L.R., Mattos M.F., Amaral L.V., Correa E.C., Brandao J.R.: Behavior of surface integrity on

cylindrical plunge grinding using different cooling systems, Materials Research Vol. 14 (2011) 1516-

1521

[64] Braga D.U., Diniz A.E., Miranda G.W.A., Coppini N.L.: Using a Minimum Quantity of Lubricant

(MQL) and a Diamond Coated Tool in The Drilling of Aluminium-silicon Alloys, Journal of Materials

Processing Technology, 122 (2002) 127-138

[65] Brinksmeier E., Walter A,, Janssen R., Diersen P.: Aspects of Cooling Lubrication Reduction in

Machining Advanced Materials, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (2000)

769-778

[66] Machado A.R., Wallbank J.: The Effect ofExtremely Low Lubricant Volumes in Machining, Wear,

(1997) 76-82

[67] Fratila D.: Evaluation of near-dry machining effects on gear milling process efficiency, Journal of

Cleaner Production 17 (2009) 839-845

51

[68] Dubzinski D., Devillez A., Moufk, A., Larrouquere D., Zerrouki V., Vigneau J.: A review of

developments towardsdry and high speed machining of Inconel 718 alloy, International Journal of

Machine Tools & Manufacture 44 (2004) 439-456

[69] Ezugwu E.O.: Key improvements in the machining of difficultto-cut aerospace superalloys,

International Journal ofMachineTools&Manufacture, 45 (2005) 1353-1367

[70] Hong Y.S., Ding Y.: Cooling approaches and cutting temperatures in cryogenic machining of Ti-

6Al-4V, International Journal of Machine Tools & Manufacture 41 (2001) 1417–1437

[71] Hong Y.S., Ding Y., Jeong W.: Friction and cutting forces in cryogenic machining of Ti-6Al-4V,

International Journal of Machine Tools & Manufacture 41 (2001) 2271-2285

[72] Klocke F., Eisenblatter G.: Dry Cutting, Annals of the CIRP Vol.46 (1997) 519-526

[73] Rahman M., Kumar A.S., Salam M.U.: Experimental Evaluation on the Effect of Minimal

Quantities of Lubricant in Milling, International Journal of Machine Tools and Manufacture 42

(2002) 539-547

[74] Da Silva R.B., Vieira J.M., Cardoso R.N., Carvalho H.C., Costa E.S., Machado A.R., De Avila R.F.: Tool

wear analysis in milling of medium carbon steel with coated cemented carbide inserts using different

machining lubrication/cooling systems, Wear (2011) 2459-2465

[75] Yalcin B., Ozgur A.E., Koru M.: The effects of various cooling strategies on surface roughness and

tool wear during soft materials milling, Materials and Design (2009) 896-899

[76] Wakabaysaki T., Sato H., Inasaki I.: Turning Using Extremely Small Amount of Cutting Fluids,

JSME, International Journal, Series (1998)

[77] Giessler J.: Kostenreduzierung bei derTrockenbearbeitung und Einsatz von

Minimalschmiertechnik (MMS), Konstruieren und Gießen 26 (2001) 9–11

[78] Schmidt J., Lang H.: So gelingt das Räumen ohne Kühlschmierstoff, Werkstatt und Betrieb

(2002)44-46

[79] Hafenbraedl D., Malkin S.: Environmentally-Conscious Minimum Quantity Lubrication (MQL) for

internal Cylindrical Grinding, Transactions of NAMRI 28 (2000) 149-154

[80] Ekinović S., "Obrada rezanjem", Dom štampe, Zenica 2001

[81] Cheng, Kai (ed.): "Machining Dynamics: Fundamentals, Applications and Practices, Springer

Series in Advance Manufacturing (2009) 117-149