Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2011

21

PROBLEMY SMAROWANIA, CHŁODZENIA I ODWIÓROWANIA

W TECHNOLOGII GŁĘBOKIEGO WIERCENIA

Kazimierz RYCHLIK, Maciej JASTRZĘBSKI, Mirosław BRAMOWICZ

W technologii głębokiego wiercenia otworów wier-

tłami lufowymi jako czynnik chłodząco-smarujący uży-wany jest olej. Prawidłowy dobór rodzaju oleju gwaran-tuje uzyskanie optymalnych parametrów obróbki. Układ chłodzenia i smarowania stosowany do wiercenia głębo-kich otworów ma na celu przedłużenie żywotności na-rzędzia, rozproszenie ciepła i odprowadzenie wiórów. Ma on wpływ na wymaganą gładkość otworu wierco-nego i chroni elementy układu przed zużyciem. Odpo-wiednie porównanie parametrów technicznych, właści-wości i substancji aktywnych chemicznie występujących w chłodziwach olejowych do głębokiego wiercenia ma wpływ na dobór odpowiedniego chłodziwa olejowego do różnych gatunków materiału.

Głównymi producentami olejów mineralnych stoso-wanych w obróbce skrawaniem – wierceniu głębokich otworów – są między innymi takie firmy jak Castrol, Shell, PetroFer itp. Dane fizyczno-chemiczne mogą być pomocne przy doborze chłodziwa olejowego w techno-logii głębokiego wiercenia. Należy stwierdzić, że dane chłodziw olejowych wskazują, iż chłodziwa obróbkowe stosowane w technologii głębokiego wiercenia otworów posiadają: • lepkość w granicach 11 – 16 mm2/s w temp. 40ºC, • temperaturę zapłonu 140 – 190ºC, • gęstość 833 – 890 kg/m3 w temp.15ºC, 850 –

913 kg/m3 w temp. 20ºC. Przy stosowaniu olei posiadających aktywną siarkę

może wystąpić przebarwienie na powierzchni stopów metali kolorowych. Należy wtedy po operacji wiercenia dokonać oczyszczenia ich powierzchni dla uniknięcia przebarwień.

Bilans cieplny

Jeżeli rozpatrywać zjawiska cieplne, które występują

w procesie skrawania (rys. 1 i 2), to można zauważyć, że największa część ciepła pochodzi od odkształceń sprężystych i plastycznych materiału warstwy skrawanej w strefie ścinania. W tym przypadku występują bardzo ograniczone możliwości eliminacji tych zjawisk. Jeżeli natomiast chodzi o odprowadzanie ciepła, to najistot-niejszym czynnikiem są wióry, które odprowadzają ok. 75% powstającego ciepła.

Całe ciepło Q wydzielane w jednostce czasu równe jest iloczynowi siły głównej Fc i prędkości skrawania Vc [1]:

eccskr

skrc

skr

e PVFtlF

tLQ =⋅===

gdzie: Le – praca skrawania, Pe – moc skrawania, tskr – czas skrawania, lskr – droga skrawania.

QPO

Qch

QA

QN

Rys. 1. Źródła ciepła w procesie skrawania: Qch – ciepło od-prowadzane przez wiór, QPO – ciepło odprowadzane przez przedmiot obrabiany, QN – ciepło odprowadzane przez narzę-dzie, QA – ciepło odprowadzane innymi drogami, I – praca od-kształceń sprężystych i plastycznych materiału warstwy skra-wanej (Qsh ≈ 70%Q), II – praca tarcia wióra o powierzchnię na-tarcia ostrza (Qγ ≈ 20%Q), III – praca tarcia powierzchni przyło-żenia ostrza o materiał obrabiany (Qα ≈ 10%Q)

Qα – praca tarcia

powierzchni przyłoże-

nia ostrza o materiał

obrabiany

100%

Qch – ciepło odprowadzane

przez wiór

75%Q

Qγ – praca tarcia

wióra o powierzchnię

natarcia ostrza

QPO – ciepło odprowadzane

przez przedmiot obrabiany

15%Q

Qsh – praca odkształ-

ceń sprężystych i pla-

stycznych materiału

warstwy skrawanej

QN – ciepło odprowadzane

przez narzędzie

8%Q

QA – ciepło odprowadzane

innymi drogami

2%Q Rys. 2. Bilans ciepła w procesie skrawania

Głębokość i prędkość skrawania wpływają w przybli-

żeniu proporcjonalnie na ilość wytwarzanego ciepła. Na temperaturę ostrza narzędzia ma jednak wpływ nie tylko ciepło wytwarzane, lecz także jego odprowadzanie ze strefy skrawania. Zależy ono w znacznym stopniu od prędkości skrawania, co przedstawiono na rys. 3 [1].

1/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu

22

Rys. 3. Wpływ prędkości skrawania na rozkład ciepła odprowa-dzanego ze strefy skrawania [1]

Przy niskich prędkościach skrawania odpowiadają-cych obróbce przy użyciu narzędzi ze stali szybkotną-cych duża część wytwarzanego ciepła jest przekazy-wana do przedmiotu obrabianego. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania przechodzenie ciepła do przed-miotu obrabianego jest coraz bardziej utrudnione i do-minującą rolę w jego odbiorze przejmuje wiór. Świadczy o tym mniejsze nagrzewanie się przedmiotu obrabia-nego. Narzędzie ma niewielki i malejący udział w od-prowadzaniu ciepła. Zauważyć jednak należy, że masa przedmiotu jest zwykle dość duża, a strefa skrawania będąca źródłem ciepła przemieszcza się po jego po-wierzchni. Wióry z kolei stale opuszczają strefę skrawa-nia i ciągle powstają nowe. Tymczasem całe ciepło przejmowane przez narzędzie przechodzi przez ostrze o stosunkowo niewielkiej masie, co pociąga za sobą je-go silne nagrzewanie.

W technologii głębokiego wiercenia otworów ciepło odprowadzane jest głównie przez wióry, które gwałtow-nie przekazują je do czynnika chłodzącego. Tempera-tura oleju wzrasta do momentu stabilizacji. Temperatura oleju zmienia się zależnie od sposobu chłodzenia i waha się w przedziale 20 – 50°C lub wyższym. Jest to niekorzystne zjawisko ze względu na pracę pomp wyso-kiego ciśnienia, regulację zespołów stabilizujących ci-śnienie w układzie oraz bezpieczeństwo pracy operato-rów obsługujących maszynę.

W układzie chłodzenia i smarowania stosowanym w technologii głębokiego wiercenia otworów używane są zwykle wysokociśnieniowe pompy hydrauliczne gwa-rantujące uzyskanie ciśnienia rzędu 10 MPa (rys. 4). W obrabiarkach przedstawionych w pracach [2, 3, 4] za-stosowano hydrauliczne pompy zębate. Liczba pomp zwykle odpowiadała liczbie jednostek wiercących. Układ tego typu ma wiele korzyści technicznych i eksploata-cyjnych dla obrabiarki.

Z wielu przeprowadzonych badań wynika jedno-znacznie, że źródłem ciepła w technologii głębokiego wiercenia są również wysokociśnieniowe pompy zębate. Wysoka temperatura czynnika chłodzącego wpływa nie-korzystnie na proces wiercenia, powodując: − spadek gęstości oleju, a tym samym spadek ciśnie-

nia pomp hydraulicznych,

− utrudnienia w obsłudze (zakładanie, wyjmowanie przedmiotu z uchwytu przez operatora – parzenie przedmiotów, rutynowe czynności konserwacyjne),

− przenoszenie się ciepła na inne elementy znajdu-jące się w pobliżu.

Rys. 4. Układ smarowania, chłodzenia i odwiórowania dla dwuwrzecionowej obrabiarki do głębokiego wiercenia otworów: 1 – zbiornik główny (brudny olej), 2 – zbiornik pomocniczy (czysty olej), 3 – pompa zębata, 4 – chłodnica olejowa [3]

W przedstawionej technologii przyjęta jest ogólna za-sada mówiąca, że pojemność dużego zbiornika olejo-wego powinna przekraczać 10-krotną wydajność pomp wysokociśnieniowych. Niestety założenie to nie spraw-dza się w rzeczywistych warunkach pracy, gdy: − temperatura otoczenia przekracza 30ºC, − filtracja oleju wymaga jak najmniejszej ingerencji

obsługi operatora. Zasadniczym problemem jest konieczność utrzyma-

nia stałej temperatury czynnika chłodzącego w zakresie 40 – 50ºC. Skutecznym rozwiązaniem przedstawionego problemu jest zastosowanie odpowiedniej chłodnicy ole-jowej wbudowanej w układ smarowania i chłodzenia. Poziom filtracji oleju

Ważnym aspektem w technologii głębokiego wierce-

nia jest odpowiednia filtracja czynnika chłodząco-smar-nego (rys. 5).

Zważywszy na fakt, że jest to układ typu otwartego, odpowiednia filtracja jest bardzo mocno utrudniona. W przedstawionym układzie poziom filtracji powinien wynosić 10 μm. Wartość ta wymuszona jest przez wyso-kociśnieniowe pompy hydrauliczne. Producenci tego ty-pu pomp dopuszczają stosowanie filtracji na poziomie 25 μm, jednak badania dowodzą, że pompy pracujące w takich warunkach gwałtownie ulegają zużyciu. Prowa-dzi to następnie do spadku ciśnienia w układzie oraz awarii i uszkodzeń narzędzi (rys. 6).

Technologia i Automatyzacja Montażu 1/2011

23

8

7

610

2

1

3

4

5

9

Rys. 5. Droga obiegu czynnika w układzie smarowania, chło-dzenia i odwiórowania [5]

Rys. 6. Zużycie narzędzia w wyniku gwałtownego spadku ci-śnienia oleju [4]

Przedstawiony poziom filtracji uzyskiwany jest za pomocą odpowiednich zbiorników z kaskadami, filtrów mechanicznych oraz filtrów magnetycznych. Szczególny problem występuje dla obrabianych przedmiotów wyko-nanych z aluminium, miedzi, brązów itp. Oprócz niema-gnetycznego charakteru wiórów występuje jeszcze inna struktura udziałowa wiórów oraz pyłów i zanieczysz-czeń. Ciśnienie i wydatek oleju

Ciśnienie oleju oraz jego wydatek są bardzo istotnymi

parametrami w układzie smarowania, chłodzenia i od-wiórowania stosowanym w technologii głębokiego wier-cenia otworów. Tak wygórowane wymagania (tab. 1) wymuszone są między innymi koniecznością szybkiego i skutecznego wyprowadzenia wiórów ze strefy obróbki, a co za tym idzie pokonania oporów przepływu czynnika przez wiercony otwór. Ponadto występują zależności między ciśnieniem chłodziwa a prędkością skrawania. Utrzymanie odpowiedniej proporcji gwarantuje uzyska-nie optymalnego kształtu wierconego otworu.

Z użytkowego punktu widzenia utrzymanie wysokich ciśnień wymaga zachowania odpowiedniego poziomu filtracji oraz temperatury czynnika chłodzącego. Kon-strukcje układów chłodzenia olejowego nie zawsze są

proste do wykonania, ponieważ występują ograniczenia techniczne wysokociśnieniowych pomp. Zwykle stoso-wana jest jedna pompa do jednego zespołu obróbko-wego. Dla obrabiarek zadaniowych nie występuje więk-szy problem w tym obszarze. Dla obrabiarek uniwersal-nych zagadnienie jest bardziej złożone. Dostępne pom-py hydrauliczne charakteryzują się określonymi parame-trami technicznymi. Pompy o wysokich ciśnieniach po-siadają małe wydatki, dlatego zmniejszając ciśnienie ro-bocze w układzie, nie można zwiększyć wydajności. Ko-niecznością staje się zastosowanie kilku pomp, co moc-no komplikuje układ i podnosi koszty budowy tego typu obiektu. Tabela 1. Parametry czynnika chłodzącego w technologii głę-bokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi [2]

Średnica wierconego

otworu

Ciśnienie chłodziwa

Wydatek chłodziwa

Dc [mm] p [MPa] Q [l/min] 4 10 15 6 9 16 8 7 18 10 5 20 12 4,6 25 15 4 35 18 3,4 42 20 3 50 22 2,8 54 25 2,5 60

W niektórych przypadkach samo ciśnienie ma istotny

wpływ na jakość wierconego otworu. Spowodowane jest to głównie zjawiskami cieplnymi zachodzącymi w wió-rach.

Szczelność bazowania przedmiotu i tworzenie mgły olejowej

W technologii głębokiego wiercenia otworów wier-

tłami lufowymi narzędzie podczas wiercenia jest prowa-dzone przy wejściu w materiał za pomocą tulejki wier-tarskiej (rys. 7). Tulejka ta zwykle wykonywana jest z HSS lub węglika spiekanego. Wykonanie z węglika spiekanego umożliwia zwiększenie trwałości tulejki.

Rys. 7. Uszczelnienie i prowadzenie wiertła lufowego za po-mocą tulejki prowadzącej: 1 – przedmiot obrabiany, 2 – wiertło, 3 – tulejka prowadząca, 4 – oprawka narzędziowa

1/2011 Technologia i Automatyzacja Montażu

24

Dla uzyskania określonej głębokości wiercenia tulejka wiertarska traktowana jest jako baza technologiczna. W trakcie wiercenia czoło tulejki styka się z czołem przedmiotu obrabianego. Przy niedokładnym wykonaniu czoła przedmiotu obrabianego powstają szczeliny, któ-rymi na zewnątrz wydostaje się olej pod dużym ciśnie-niem. Zjawisko to powoduje powstawanie mgły olejowej, która unosi się nad obrabiarką, a następnie osiada na wszystkich elementach obrabiarki i wokół niej. Dochodzi do zabrudzenia, posadzki stają się śliskie, zaś opary są najczęściej wdychane przez obsługę. Zjawisko to można wprawdzie eliminować przez zastosowanie dodatko-wych uszczelnień czołowych, jednak w produkcji maso-wej są one mało praktyczne oraz wprowadzają utrud-nienia w obsłudze obrabiarki. Mgła w technologii głębo-kiego wiercenia otworów powstaje również przy wierce-niu otworów przelotowych. Najskuteczniejszą metodą usunięcia mgły olejowej jest zastosowanie skutecznego wyciągu. Do urządzeń znajdujących dobre zastosowa-nie należą odśrodkowe filtry olejowe. Zaletą tego ro-dzaju urządzeń jest możliwość ciągłego odzysku czyn-nika chłodzącego i powtórne wykorzystanie go w proce-sie wiercenia. Jest to pozytywna cecha, zważywszy na koszty związane z olejami stosowanymi w technologii głębokiego wiercenia otworów.

Wymagania gabarytowe

Obecna konfiguracja zadaniowej obrabiarki do głębo-

kiego wiercenia charakteryzuje się modułową budową. Oznacza to, że identyczne moduły obróbkowe usta-wiane są obok siebie równolegle. Fakt ten spowodo-wany jest ograniczeniem wydajności wynikającym z przyjętej technologii. Powierzchnia zajmowana przez układ smarowania, chłodzenia i odwiórowania wynosi ok. 40% powierzchni zajmowanej przez obrabiarkę.

Zużycie czynnika chłodząco-smarującego

W technologii głębokiego wiercenia otworów wier-

tłami lufowymi dochodzi do zużycia czynnika chłodząco--smarnego. W większości przypadków jest to zużycie polegające na ubytku cieczy. Ubytek ten spowodowany jest w głównej mierze przez wióry, z którymi olej wyno-szony jest na zewnątrz. Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie urządzenia do odzysku oleju z wió-rów, jednak jest to uciążliwa metoda przy produkcji ma-sowej. Urządzenie do odzysku cieczy chłodząco-sma-rującej z wiórów metalowych może być zbudowane z wykorzystaniem technologii odwirowania z nich czą-stek ciekłych oleju. Urządzenie może być przeznaczone również do odwirowywania, z materiałów sypkich oraz produktów małogabarytowych, emulsji i oleju pozosta-łego po obróbce skrawaniem oraz nadmiaru mediów po kąpielach konserwujących.

Wnioski Proponowane konstrukcje obrabiarek zadaniowych

do głębokiego wiercenia otworów charakteryzują się wieloma zaletami, jak również wieloma wadami. Jeżeli rozpatrywać produkcję jako jednostkową i seryjną, a na-stępnie na tej podstawie analizować konstrukcje obra-biarek do głębokiego wiercenia, to uwidaczniają się na-stępujące cechy: 1. Złożona budowa (wykonanie tego typu obiektu jest

bardzo kosztowne, uzasadnienie ekonomiczne re-alizacji tego typu obrabiarki odnosi się jedynie do produkcji seryjnej przedmiotów, duże koszty eks-ploatacyjne znajdujące się poza procesem budowy obrabiarki, duże koszty amortyzacji).

2. Duże gabaryty obrabiarki (duża powierzchnia ko-nieczna do ustawienia tego typu obrabiarki, trudno-ści z transportem maszyny, zarówno wewnętrznym, jak i zewnętrznym).

3. Ochrona środowiska (stosowanie oleju jako czyn-nika chłodząco-smarującego pod wysokim ciśnie-niem o łącznej objętości ok. 1500 l, wynoszenie ole-ju wraz z wiórami, trudność skutecznego odseparo-wania oleju od wiórów metali nieżelaznych).

4. Zużycie energii elektrycznej (zainstalowane silniki o sumarycznej mocy dochodzące do ok. 50 kW, praca podzespołów na biegu jałowym).

LITERATURA

1. Jemielniak K.: Obróbka skrawaniem. OWPW, War-

szawa 1998. 2. Rychlik K.: Współrzędnościowa obrabiarka do głę-

bokiego wiercenia otworów wiertłami lufowymi. Biu-letyn Naukowo-Techniczny OBK KOPROTECH nr 22/2006.

3. Skorupka Z.: Budowa i wdrożenie dwuwrzecionowej obrabiarki typu LSB-100NC do głębokiego wierce-nia wiertłami lufowymi. Biuletyn Naukowo-Tech-niczny OBK KOPROTECH nr 20/2004.

4. Stefanek M., Rychlik K.: Obrabiarka zadaniowa ty-pu LWL-27 do głębokiego wiercenia otworów w elektrodach miedzianych. Biuletyn Naukowo- -Techniczny OBK KOPROTECH nr 22/2006.

5. Prawo ochronne P 388874 – Zespół chłodzenia i odwiórowania. Warszawa 2009.

______________________________ Mgr inż. Kazimierz Rychlik oraz mgr inż. Maciej Ja-strzębski są pracownikami Zakładu Obrabiarek Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie. Dr inż. Mirosław Bramowicz jest pracow-nikiem Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olszty-nie.