Większość badań naukowych obróbki wiórowej w warunkach obróbki na sucho, z minimalnym chłodzeniem i smarowaniem oraz z konwencjonalnym stosowaniem cieczy obróbkowych, koncentruje się na zużyciu ostrza i określeniu korzystnych warunków obróbki w odniesieniu do dokładności wykonania. Nieliczne są natomiast prace nad skutkami wyeliminowania lub ograniczania ilości cieczy chłodząco-smarującej w aspekcie uzyskiwanych cech użytkowych, determinowanych głównie uzyskaną strukturą geometryczną powierzchni.

Funkcjonalne właściwości par kinematycznych, np. odporność na zużywanie, opory ruchu, trwałość zmęczeniowa, w dużym stopniu zależą od cech warstwy wierzchniej, a szczególnie struktury geometrycznej powierzchni, która jest kształtowana w procesie wytwarzania. Dlatego istotne jest, aby w jak największym stopniu określić wpływ warunków i parametrów procesu technologicznego na te cechy. Struktura geometryczna powierzchni, ukształtowana w procesie wytwarzania, zależy w dużym stopniu od rodzaju obróbki, którą determinują rodzaj i kształt narzędzia, kinematyka procesu (ruch względny narzędzia i przedmiotu obrabianego) oraz warunki obróbki.

Uważa się, że struktura geometryczna powierzchni obrobionych jest „odciskiem palców” procesu technologicznego. Na podstawie profilu powierzchni i funkcji autokorelacji lub widmowej gęstości mocy można otrzymać informację o parametrach procesu, kształcie narzędzia, zużyciu narzędzia, wymiarach ziarna, stanie obrabiarki itp.

Wiodąca obróbka skrawaniem

Dzięki dużej uniwersalności i dokładności kształtowania wśród obróbek ubytkowych najbardziej rozpowszechnione jest skrawanie oparte na modelu usuwania warstw materiału w postaci wiórów przez ostrze skrawające narzędzia.

Łączny udział obróbki skrawaniem w przemyśle ma szynowym jest oceniany obecnie na ok. 50% i według prognoz Międzynarodowego Stowarzyszenia Badań Procesów Wytwórczych (CIRP) jeszcze przez długi czas będzie on znaczny, choć widać trend malejący. Popularność tej metody wynika z coraz większych możliwości stosowania skrawania i uzyskiwanych dużych dokładności.

Efekt oddziaływania wymuszeń kinematycznych widoczny jest głównie w strukturze geometrycznej powierzchni. Na rezultaty tych wymuszeń wpływają sposób i parametry obróbki. Od wartości parametrów oraz relacji między ruchami narzędzia i przedmiotu obrabianego zależą m.in. kształt i rozmieszczenie śladów obróbki po każdej operacji technologicznej. Jak już wcześniej zasygnalizowano, ukształtowanie stereometryczne powierzchni w dużej mierze wpływa na charakterystyki tribologiczne i cechy użytkowe par kinematycznych.

Porównanie struktur przedstawionych na rys. 1 pokazuje, jak mogą się one różnić ze względu na zastosowany sposób obróbki wykończeniowej. W zależności od rozmieszczenia charakterystycznych śladów obróbki struktura powierzchni może być w pełni anizotropowa (rys. 1a i 1b), częściowo anizotropowa (rys. 1c) bądź izotropowa (rys. 1d).

Struktury uzyskane toczeniem i szlifowaniem mają widocznie zaznaczoną składową zdeterminowaną (kierunkowość śladów obróbki), która wynika z odwzorowania geometrii ostrza narzędzia i kinematyki obróbki. Powierzchnia uzyskana elektroerozyjnie ma strukturę typu losowego, a tym samym wykazuje dużą izotropowość. Struktura uzyskana metodą hybrydową (frezotoczeniem) również ma zaznaczoną składową zdeterminowaną, ale ślady obróbki częściowo wykazują izotropowość, a częściowo anizotropowość. Podobny wpływ na rozmieszczenie i kształt śladów obróbki ma zmiana podstawowych parametrów technologicznych.

Rola cieczy chłodząco-smarujących

W procesach obróbkowych na kształtowaną strukturę geometryczną powierzchni oddziałują również często używane ciecze chłodząco-smarujące oraz ewentualne ich zanieczyszczenie. Wywierają one wpływ na trwałość ostrzy narzędzi skrawających i dokładność wymiarowo-kształtową obrobionych powierzchni przedmiotów, a także oddziałują na proces kształtowania wiórów i zjawiska występujące w strefie skrawania.

Pomimo wielu zalet wynikających ze stosowania cieczy chłodząco-smarujących coraz częściej uznaje się je za czynnik niepożądany w procesie skrawania. Ocena taka wynika nie tylko ze względów ekonomicznych (szacuje się, że stosowanie cieczy obróbkowych stanowi około 17% ogółu kosztów wytwarzania), ale też ekologicznych. Producenci muszą dostosować się do coraz bardziej rygorystycznych przepisów związanych z ochroną środowiska i bhp. Składowanie i utylizacja zużytych cieczy obróbkowych stanowią bowiem potencjalne zagrożenie dla środowiska naturalnego.

Jednym ze sposobów ograniczania ilości cieczy chłodząco- smarujących w procesie skrawania jest obróbka z minimalnym wydatkiem cieczy obróbkowej (MQL – Minimum Quantity Lubrication). Jej istota polega na doprowadzeniu w określonym czasie możliwie najmniejszej ilości płynu obróbkowego – najczęściej wynoszącej mniej niż 50 ml·h-1 – jak najbliżej miejsca styku ostrza narzędzia z obrabianym materiałem. Metoda ta jest coraz częściej stosowana w praktyce przemysłowej, czemu sprzyjają nowe rozwiązania konstrukcyjne obrabiarek, narzędzi i oprzyrządowania, a także rozwój materiałów narzędziowych i ich powłok, zwiększających wytrzymałość ostrza w trudnych warunkach skrawania.

Ze względów ekonomicznych, ekologicznych, technologicznych i ochrony zdrowia coraz większe znaczenie zyskuje obróbka na sucho – bez wykorzystania cieczy chłodząco-smarującej. Stosowaniu tej metody sprzyja nie tylko doskonalenie właściwości użytkowych nowych materiałów narzędziowych i powłok, ale też zmiana konstrukcji obrabiarek i narzędzi. Podczas obróbki na sucho powstające ciepło gromadzi się w narzędziu, materiale obrabianym i wiórach. Część tego ciepła bezpośrednio odprowadzana jest do otoczenia, pozostała natomiast jak najszybciej powinna być usunięta ze strefy skrawania. W konwencjonalnych metodach chłodzenia (na mokro) ciepło usuwane jest wraz z cieczą chłodząco-smarującą, w obróbce na sucho zaś następuje to poprzez zastosowanie narzędzia o odpowiednim kształcie, które w ten sposób częściowo przejmuje dotychczasowe funkcje cieczy. Ponadto w obróbce na sucho zadania cieczy chłodząco-smarującej oprócz narzędzia realizuje także obrabiarka. Konstrukcja obrabiarki, a szczególnie układ przestrzeni roboczej, powinna przeciwdziałać oddziaływaniu ciepła zawartego w wiórach na dokładność obrobionego przedmiotu.

Badania

W celu weryfikacji wpływu – bądź jego braku – warunków chłodzenia i smarowania podczas obróbki na kształtowaną strukturę geometryczną powierzchni przeprowadzono wstępne uproszczone badania doświadczalne. Przeprowadzono je dla obróbki szlifowaniem jako dominującej obróbki wykończeniowej przy następujących zmiennych niezależnych:

- obróbka bez udziału cieczy obróbkowej – na sucho (S),

- obróbka z minimalnym smarowaniem mgłą olejową przy wydatku 50 ml·h-1 (MQL),

- obróbka z konwencjonalnym chłodzeniem i smarowaniem 5-procentową emulsją przy wydatku 4 l·min-1 (E).

Kontrolowanymi wielkościami wyjściowymi były czynniki opisujące uzyskaną strukturę geometryczną powierzchni. Do czynników tych – poza powszechnie stosowanymi parametrami chropowatości (Ra, Rq) – zaliczono również stopień izotropowości tych struktur (Iz), który jest miarą uporządkowanego rozmieszczenia ukształtowania struktury.

Jako wielkość stałą przyjęto rodzaj materiału próbek – stal 102Cr6 o twardości 30±2 HRC. Natomiast do niekontrolowanych, losowych czynników wejściowych – zakłóceń – zaliczono zróżnicowanie struktury powierzchni próbek wynikające z zakłóceń obróbki:

- geometrycznych, spowodowanych geometrią ostrza (zużywanie narzędzia),

- kinematycznych, wynikających z łańcucha kinematycznego, odchyłek wykonawczych elementów tworzących ten łańcuch,

- dynamicznych, wynikających z drgań spowodowanych m.in. biciem elementów.

Badania związane z aspektem minimalnego chłodzenia i smarowania strefy obróbkowej przeprowadzono za pomocą urządzenia Minibooster II firmy Accu-Lube Manufacturing GmbH. Dozownik ten wytwarza mgłę olejową z mieszaniny powietrza i oleju roślinnego LB8000 firmy Accu-Lube o lepkości kinematycznej 37 mm2·s-1 w 40°C. W celu wytworzenia mgły olejowej doprowadzane jest sprężone powietrze (0,6 MPa), które przepływa przez generator częstotliwości. Jego zadaniem jest generowanie impulsów powietrza o określonej częstotliwości, wynikającej z wymaganych właściwości mgły olejowej.

Wytworzone impulsy powietrza przepływają do pompy oleju, która w zależności od ustawionego skoku cylindra pobiera określoną ilość oleju ze zbiornika oleju i przesyła ją, zgodnie z ustaloną częstotliwością impulsów powietrza, do komory mieszania. Doprowadzone w ten sposób do komory powietrze powoduje atomizację oleju i wytworzenie mgły olejowej, która następnie kierowana jest do zbiornika oleju. Zmagazynowana w nim mgła olejowa przepływa następnie wężem do dysz dozujących ją do strefy obróbkowej.

W tabeli 1 przedstawiono uzyskane rezultaty dla obróbki na sucho (S), z konwencjonalnym chłodzeniem i smarowaniem emulsją (E) oraz z minimalnym chłodzeniem i smarowaniem mgłą olejową (MQL).

W celu scharakteryzowania rozrzutu wyników zrealizowanych badań przeprowadzono ich opracowanie statystyczne. Wartości podstawowych statystyk umieszczono w tabeli 2.

Na podstawie analizy wyników obliczeń statystycznych przedstawionych w tabeli 2 stwierdzono, że wartości parametrów opisujących strukturę geometryczną powierzchni zmieniają się w małym zakresie. Z uwagi na wartość odchylenia standardowego stwierdzić można, że podczas obróbki z minimalnym chłodzeniem i smarowaniem oraz z konwencjonalnym udziałem cieczy powtarzalność uzyskanych wartości parametrów jest większa niż dla obróbki na sucho. Na tej podstawie można również wnioskować, że powtarzalność ukształtowania struktury powierzchni w przypadkach występowania cieczy lub mgły olejowej jest większa.

Na rysunku 2 przedstawiono graficznie rezultaty przeprowadzonych badań.

Z przedstawionych rezultatów badań wynika, że sposób chłodzenia i smarowania oddziałuje na konstytuowaną strukturę geometryczną, a więc również na cechy użytkowe pary kinematycznej. W przypadku obróbki MQL uzyskuje się najmniejsze wartości parametrów opisujących ukonstytuowaną strukturę powierzchni. Największe wartości występują natomiast w przypadku obróbki na sucho. Dla obróbki z chłodzeniem i smarowaniem konwencjonalną emulsją kontrolowane parametry przyjmują wartości pośrednie. Taki charakter zmian wartości zaobserwowano dla wszystkich ocenianych parametrów opisujących strukturę powierzchni. Z wykresów wynika również, że wartości ocenianych wielkości w przypadku udziału w obróbce cieczy lub mgły są do siebie zbliżone, a dla obróbki na sucho wartości są wyraźnie większe.

Ponieważ badania eksperymentalne zweryfikowały ogólnie wpływ ilości płynu chłodzaco-smarującego na konstytuowanie struktury powierzchni, należałoby przeprowadzić bardziej szczegółowe badania doświadczalne, w których zbiór i zakres zarówno zmiennych niezależnych, jak i zależnych byłby rozszerzony.