ماشینکاری خشک و ماشینکاری با حداقل استفاده از روانکار MQL Minimum Quantity Lubrication
بسم الله الرحمن الرحیم
چند سالی است که متخصصان ساخت و تولیدی، پتانسیل های ماشین کاری خشک را کشف کرده اند
استفاده از اینسرت در ماشین کاری خشک، اغلب با پیامدهای هزینه ای و سلامتی ناشی از استفاده از خنک کار، مرتبط می شود. در بیشتر فرایندهای ساخت و تولیدی، کل هزینه استفاده از خنک کار چندین مرتبه بیش از هزینه استفاده از ابزارهای برشی است
پیش از ورود به محیط ماشین کاری خشک و یا حتی ماشین کاری MQL (حداقل استفاده از روانکار)، چندین عامل است که باید در نظر گرفته شود. از نقطه نظر ابزار، در استفاده از خنک کار چه چیزی مشاهده می شود؟ بدون در نظر گرفتن هر تصمیمی پیرامون کاربرد خنک کار در هر کارگاه یا در یک ماشین خاص، در صورتیکه برای بهبود عملکرد ابزار حذف استفاده از خنک کاری را در نظر بگیریم، چه اتفاقی رخ می دهد؟
کلید بهره گرفتن از تراشکاری بدون خنک کار برای ابزراهای خاصی، بر روی فهم این موضوع بنا شده است که حرارت بر روی این فرایندچه تاثیری دارد
تاثیر حرارت درماشینکاری
به سادگی می توان گفت که حرارت دوست ابزار است، اما حرارت بیش از حد دشمن ابزار است. از طریق ترکیبی از انرژی (که از طریق اسپیندل/سرعت برشی تولید می شود) و هندسه ابزار، منطقه برشی به دمایی می رسد که ماده قطعه کار به نقطه تسلیم رسیده و جدایش، یا براده،
می تواند به خوبی شکل گیرد. حرارت بیشتر در ناحیه برش، باعث می شود که براده راحت تر جدا شود؛ ولی حرارت خیلی زیاد، نه تنها می خواهد که براده را از قطعه کار جدا کند، بلکه از ابزار نیز براده برداری خواهد شد. نوسان از داغی به سردی، دشمن ابزار است. ابزارها دارای سختی بسیار بالایی هستند – و سیکل حرارتی می تواند ترکهای حرارتی میکروسکوپی بر روی لبه ابزار ایجاد نماید، که به شکست سریع ابزار منجر خواهد شد.
در سال 1990 در آلمان حدود 60000 تن ماده خنک کننده ((Cooling Lubricant غیر محلول در آب
و حدود 30000تن خنک کننده محلول در آب مورد استفاده قرار گرفته ، و با فرض اینکه خنک کننده های محلول در آب با غلظت 4 تا 5 درصد تهیه شده باشند ، سالانه در این کشور حدود 650000 تن مواد خنک کننده آلاینده در محیط زیست رها می شوند. امروزه فرآیند برش متحول شده است به نحوی که قوانین و اخطار های قانونی جهت حفظ محیط زیست نقش مهمی را در تدوین فرآیند ها ایفا می کند . افزایش کیفیت برش از طریق کاربرد مواد خنک کننده با توجه به هزینه های حفاظت از محیط زیست تنظیم گشته و به خطر افتادن سلامت کارگران( حساسیتها و صدمات پوستی) به خاطر روغن ها و امولسیون ها نبایستی فراموش گردد.
هنگام تشخیص فرایندهایی که در آنها ابزار بدون استفاده از خنک کار بهتر کار خواهد کرد، به دو معیار اصلی توجه داشته باشید:
زمان تماس کوتاه در برش
سیکل حرارتی لبه برنده مثل ابزارهای فرزکاری قابل تعویض یا برش منقطع در تراشکاری .
برخی از کاربردهایی که تشخیص آنها آسان است عبارتند از: فرایند پیچ تراشی تک لبه در فولادهای آلیاژی، کاربردهای تراشکاری پرداختی در صورتی که ابزار تنها برای چند ثانیه در عمل برش شرکت کند، و فرایندهای فرزکاری قابل تعویضی که در آنها براده ها براحتی بدون کمک گیری از پاشش خنک کار، منطقه برش را ترک می کنند.
آگاه باشید که در مواد چسبنده مثل فولاد ضد زنگ آستنیتی و آلومینیوم در حالیکه ممکن است ابزار در حالت خشک بهتر کار کند__ اغلب، براده ها به سطح پرداخت شده چسبیده یا به آن جوش می خورند. در این موارد، خنک کار تنها راه جلوگیری از وقوع این شرایط است.
امروزه ابزارهای برشی پیشرفته مانند ابزارهای کارباید روکش دار، سرمتها، سرامیک ها، CBN امکان برش خشک را فراهم می کنند . کارایی سطح بالای کارباید های جدید و کامل امکان تراشکاری و فرزکاری خشک را حتی روی مواد فولادی فراهم می سازند . از طریق زیر لایه و روکش های جدید و اصلاح شده ، مقاومت در برابر سایش و دما در ابزار های کارباید روکش دار تا حد قابل ملاحظه ای افزایش می یابد . در تراشکاری ، کارباید های با روکش سرامیکی (اکسید آلومینیوم) به عنوان سپر حرارتی عمل می نمایند و مقاومت خاصی در برابر دماهای بالا دارند.
ابزار های برشی برای تراشکاری و فرزکاری خشک
توضیحات
سرامیکها (ceramics )ابزارهای مدرن با سختی بسیار بالا که ماده اصلی آنها AL2O3 می باشد و برای ماشینکاری قطعات سخت کاری شده در سرعت های برشی بالا استفاده می شوند. عیب این ابزارها شکنندگی آنها است . که می توان برای رفع این نقیصه سیلسیوم کارباید به ماده اضافه شود.
CBN ابزارهایی با سختی نزدیک به الماس که به علت گرم سختی بالا ٰ مقاومت در برابر اکسید اسیون و شکنندگی خوب مناسب جهت مواد سخت آهنی هستند .
Cermet ابزار پیشرفته ای که دارای محاسن ابزار سرامیک است ولی مشکل شکنندگی ندارد . فلز نگهدارنده آن نیکل و ماده اصلی آن TiN/Tic
PCD ابزاری از جنس ذرات الماس در اندازه 25 میکرون با سختی بسیار زیاد مناسب برای ماشینکاری آلومینیم با درصد بالای سیلسیم – مواد غیر فلزی ساینده و پلاستیک در سرعت های برشی بالا.
پیچ تراشی
ابزارهای تک لبه ای پیچ تراشی که پروفیل 60 درجه استاندارد ایجاد می نمایند، اغلب در صورتی که بدون خنک کار استفاده شده باشند، بطور مشخصی طول عمر بیشتری از خود نشان داده اند
شیار تراشی
فرایندهای شیار تراشی باریک – مثل شیارهای خار حلقوی – خیلی اوقات بدون استفاده از خنک کار بهتر بوده اند.
ابزارهای فرزکاری قابل تعویض
به خاطر سیکل حرارتی مکرر ناشی از برش و عدم برش، تقریباً تمامی ابزارهای فرزکاری قابل تعویض، ترجیح داده می شود تا در صورت امکان بدون خنک کار کار کنند.
فرایندهای تراشکاری پرداختی با زمان تماس کوتاه
در مواردی که «زمان در حال تماس» ابزار کوتاه باشد وماده بطور خاص «چسبنده» نباشد، در صورتی که ابزارها بدون خنک کار تراشکاری کنند، عموماً دارای طول عمر بیشتری بوده و پرداخت سطح بهتری ایجاد می کنند.
ابزارهای سوراخکاری
تقریباً همیشه به خنک کار نیاز دارند. تا براده ها را از داخل سوراخ به بیرون هدایت کنند .سوراخکاری خشک با ابزارهای تنگستن کارباید اغلب روی چدن خاکستری موفقیت آمیز بوده است . ولی سوراخکاری خشک روی فولاد نیازمند مطالعات بیشتری روی ابزار است زیرا این ابزار به شدت گرم می شود بنحوی که اصطکاک بین ماده و ابزار را تغییر می دهد.که البته می توان از سیستم MQL ( ماشین کاری با حد اقل روانکار ) استفاده نمود . که این مورد در مورد قلاویز کاری و حدیده کاری نیز صدق می کند
مثال کاربردی:
1- در تراشکاری خشن یک قطعه به نام Fork-shaped sliding piece
به خاطر استفاده از ابزاری با روکش اکسید آلومینیوم دیگر نیازی به امولسیون نیست. در آزمایشهای مشترک مصرف کننده و شرکت ابزار ساز سرعت پیشروی از 0.34 به 0.5 میلیمتر بر دور افزایش یافت. بدین طریق زمان واقعی برش و زمان تاثیر مستقیم حرارت 28 درصد کاهش یافت.
2- در یک مثال دیگر در تراشکاری یک چرخ ترن از جنس فولاد C60 با استفاده از ابزاری با گرید CW2 هیچ نیازی به روانکاری نیست . در این مثال ابزاری با یک زیر لایه جدید پیشرفته کارباید و یک روکش چند لایه سرامیکی در شرایط برشی یکسان ماشینکاری خشک را بدون کاهش عمر ابزار امکان پذیر ساخته است.
نتایجی که شرکت خودرو سازی BMV در زمینه ماشینکاری خشک بدست آورد
امروزه کاربایدهای روکش دار برای تراشکاری خشک مناسب می باشند
به منظورکاهش سایش ابزار ، سرعت برشی باید به میزان 10 درصد کاهش یابد
افزایش دما ممکن است منجر به تغییر ابعادی به اندازه 1 درصد شود.بنابراین در ساخت قطعات با تلرانس بسته ، ماشینکاری خشک پیشنهاد نمی شود.
در ماشینکاری خشک عموما عملیات اضافی برای مکش براده مورد نیاز است.
ماشینهایی که در دسترس می باشند تا حدی برای تراشکاری خشک مناسب مباشند . شرکتهای ماشین سازجهت بهینه سازی ماشینهای ابزار بایستی اقدام نمایند
خطرات ناشی از استفاده از خنک ساز زیادی به قرار زیر است :
اکسیداسیون
آسیب وارد شدن به بدن انسان
پوسیدگی و آسیب به بدنه ماشین
افزایش هزینه ها
خطر آتش سوزی در بعضی سیالات خنک ساز
نمونه یک دستگاه روانکار و خنک کننده – MQL
دستگاه میکرو روانکار و خنک کننده
دستگاهی جهت بهینه سازی در مصرف خنک کننده ها و روان کننده ها.
قابل نصب بر روی تمامی دستگاههای موجود در محل کار از قبیل فرز , بورینگ ,سنگ زنی , تراش و …
این دستگاه با استفاده از فشار بسیار زیاد, روغن را توسط نازلهای مخصوص از پمپ به قطعه کار پاشیده و ابزار و قطعه کار را خنک می نماید
کاهش مصرف سیال برشی در فرآیند ماشینکاری و شکل دهی و کاهش مصرف روانکار در سیستم های روغن زنی
حفاظت فردی و محیط زیست و جلوگیری از آلودگی محیط کار.
کاهش هزینه های تولید ( این سیستم به دلیل کاهش نرخ مصرف سیال برشی , کاهش زیان های زیست محیطی و کاهش لوازم مورد نیاز برای خنک کاری باعث کاهش هزینه های تولید و افزایش عملکرد ماشین کاری می گردد
مزایای ماشین کاری با حد اقل استفاده از روانکار:
جلوگیری از هدر رفتن روانکار
افزایش عمر ابزار
افزایش ایمنی در شرایط کار
کمتر شدن عملیات تمیز کاری ماشین
در بلند مدت صرفه جویی زیادی در هزینه ها خواهد شد
جلوگیری از تغییر رنگ دادن قطعات
کمتر شدن عملیات نگهداری ماشین
خشکی براده
هزینه تولید یک میلنگ در یک کارخانه خودروسازی در کشور آلمان
هزینه های روانکار( پرسنل 14٪ – سرویس 11٪ – تمیز کاری 4٪ – الکتریسته 3٪ – دفع پسماند 59٪
هزینه های ساخت ( خنک کاری 17٪ – هزینه های عمومی 27٪ – ابزار 8٪ – ماشین ابزار 39٪ -پرسنل 9٪
کاربرد MQL در بسیاری از صنایع زیر مفید و ثمربخش بوده است:
اکستروژن آلومینیوم
صنعت خودروسازی
صنایع هوایی و صنایع دفاع
صنایع تولیدی مربوط به ساختمان
قالب گیری
در صنایع تولید آلومینیوم
در ماشینکاری تولیدات تکی
TOOL TEMPRAETURE
بررسی تاثیر حداقل استفاده از روانکار از نقطه نظر عمر ابزار، زبری سطح و خطاهای ابعادی در تراشکاری فولاد (AISI_4340)
در این قسمت با داده های تجربی که در یکی از دانشگاه های بنگلادش در کشور هند بدست آمده است به بررسی نقش MQL روی دمای برشکاری ، عمرابزار، صافی سطح و خطاهای ابعادی درتراشکاری فولاد AISI_4340 می پردازیم
شرایط آزمایش
شمای کلی از MQL
MQL
عرض متوسط سایش اصلی در کناره ها(Vb) و سایش های محوری کناره ها (Vs) توسط میکروسکوپ متالوژیکی که با یک میکرومتر نیز ترکیب شده است اندازه گیری می شود. صافی سطح بعد از هر بار ماشین کاری سطح اندازه گیری می شود . و انحراف از قطر کاری قبل و بعد ار هر عملیات برشکاری اندازه گیری
می شود.
انحراف ابعادی مشاهده شده بعد از عملیات تراشکاری یک میله تحت شرایط ماشینکاری خشک و تر و حداقل استفاده از روانکار
بررسی زبری سطح تحت شرایط ماشینکاری خشک و تر و حداقل استفاده از روانکار
نمودار رشد متوسط سایش اصلی نسبت به زمان ماشینکاری تحت شرایط ماشینکاری خشک و تر وMQL
نمودار رشد متوسط سایش محوری نسبت به زمان ماشینکاری تحت شرایط ماشینکاری خشک و تر وMQL
شکل یک اینسرت پس از انجام عملیات ماشینکاری به مدت 45 دقیقه تحت شرایط ماشینکاری خشک و تر و حداقل استفاده از روانکار
نتایج آزمایشات
AISI 9310 STEEL
AISI 9310 STEEL
شکل های براده
نتایج کلی از انجام آزمایش :
انجام برشکاری با فرآیند ماشینکاری MQL نسبت به ماشینکاری خشک و یا سایر روشهای ماشینکاری مرسوم که با سیال صورت می گیرد بهتر می باشد که علت آن کاهش دمای برشکاری است که سبب بهبود عملکرد متقابل بین ابزار و براده و جلوگیری از سایش لبه های برشکاری می شود.
جت مربوط به MQL سبب بهبود عمر ابزار و صافی سطح مطلوب تر نسبت به ماشینکاری خشک و تر
سطح بدست آمده و دقت ابعادی مربوط به آن به کمک روش MQL و با کمتر شدن سایش و آسیبهایی که از طریق نوک ابزار حاصل می شود بهبود
می یابد. و می توان با این روش به ماشینکاری با سرعت بالاتر دست یافت.
جمع بندی:
خاطر نشان می گردد که ماشینکاری با رعایت مسائل زیست محیطی یک چالش مهم در صنعت می باشد . بنابراین همکاری نزدیکتر بین شرکت های ماشین ساز ، شرکت های ابزار ساز ، کارخانه های استفاده کننده و موسسات تحقیقاتی یا دانشگاه ها به منظور توسعه و بهبود این نوع ماشینکاری بایستی مورد توجه قرار گیرد. در حال حاضر دیگر این سوال مطرح نیست که آیا می توان تکنولوژی ماشین کاری خشک یا MQL را بکار ببریم یا نه ؟ بلکه این سوال در پیش روی ما است که با چه روشی و از چه زمانی ماشینکاری خشک را بکار ببریم
دور نمای آینده:
بدست آوردن مقدار بهینه روانکار (هوا و سیال)
چگونگی پاشیدن بهینه روانکار بر روی منطقه ماشینکاری
استفاده از روانکارهایی با اثرات زیست محیطی کمتر
منابع
1- مجلات فنی مهندسی ساخت و تولید
2- مقاله بررسی اثر MQL روی صافی سطح و انحراف ابعادی فولاد 4340 از سایت WWW.GUJS.ORG
3- Journal of Materials Processing Technology
www.elsevier . com/ locate/ jmatprote
4- کتاب توانایی ماشینکاری دکتر رازفر و رضا اسفند یاری
5- سایت های اینترنتی
از توجه شما متشکرم