Možnosti úspor nákladů na procesní kapaliny

Obráběcí kapaliny představují důležitou část skupiny maziv, která se označuje jako procesní kapaliny, protože umožňují nebo usnadňují technologické výrobní procesy. Nejen proto, že jsou při většině obráběcích operací nezbytné, ale také proto, že jde o významný objem maziv. Z hlediska provozovatele obráběcích strojů obvykle představují významný podíl používaných maziv. Stejně jako v případě maziv tvořících provozní náplně obráběcích strojů je i u obráběcích kapalin důležité jejich hospodárné využívání, racionální prodlužování jejich životnosti a minimalizace neplánovaných odstávek způsobených jejich nesprávnou funkcí. To všechno vede k významným úsporám provozních nákladů. A stejně jako u provozních náplní strojů, aby uživatel věděl, jaká opatření je třeba provést, je nezbytné co nejlépe poznat provozní stav konkrétní kapaliny. K tomu se používají metody technické diagnostiky, především metody tribotechnické diagnostiky.
Obráběcí kapaliny představují široké spektrum rozmanitých výrobků od univerzálních po speciální, od levných po velmi drahé. Z praktického hlediska je možno všechny obráběcí kapaliny rozdělit na dvě základní skupiny:

- Kapaliny nemísitelné s vodou (skupina ISO-L-MHx) – obráběcí oleje, řezné oleje;
- Kapaliny mísitelné s vodou (skupina ISO-L-MAx) – obráběcí emulze nebo roztoky.

Jde o dva zcela odlišné typy kapalin, a proto i přístup k nim musí být odlišný. Přítomnost vody v procesní kapalině, které je v ní výrazně více než 50 % znamená, že jde o kapalinu na bázi vody a to přináší řadu specifických vlastností. Proto je třeba zabývat se těmito skupinami samostatně.
Cílem obráběcích operací je hospodárná výroba obrobků s bezvadným povrchem. Na chladicí a mazací kapaliny, které se při obrábění používají, je kladeno mnoho úkolů. Hlavními úkoly jsou mazání, chlazení a vyplachování. Kromě toho přistupují vedlejší úkoly, např. antikorozní ochrana, zdravotní a ekologická nezávadnost atd.
Při řezném procesu se vyskytují dvě třecí místa, která vyžadují dobré mazací vlastnosti, a to styková plocha mezi obrobkem a hřbetem nástroje a mezi třískou a čelem nástroje. Požadavek na zmenšení tření souvisí s mazivostí řezné kapaliny. Přísady obsažené v řezné kapalině adsorbují na povrchu obrobku i nástroje a vytvářejí tak vrstvy, které omezují přímý kovový kontakt povrchů a tím i tření a opotřebení nástroje. Znamená to zachování přesnosti nástroje a stálost rozměrů obrobku.
Chladicí účinky mají značný význam, neboť převážná část příkonu obráběcího stroje se při obrábění přemění na teplo. To je odváděno převážně řeznou kapalinou a třískami (až 85 %), v menší míře obrobkem (do cca 15 %) a nástrojem (cca 5 - 10 %). Množství a rozdělení obráběcího tepla závisí na řadě faktorů. Obecně stoupají obráběcí teploty s rostoucí houževnatostí obráběného materiálu, řeznou rychlostí a řezným výkonem. Další důležité faktory představují geometrie nástroje, chlazení a mazání. Chladicí účinek závisí na řadě faktorů, především na množství řezné kapaliny přiváděné k řeznému nástroji za časovou jednotku, na rychlosti proudění, na tvaru a směru proudu řezné kapaliny vzhledem k místu řezu, na viskozitě, měrném teple a součiniteli tepelné vodivosti řezné kapaliny.

Procesní kapaliny mísitelné s vodou
Chladicí a mazací látky mísitelné s vodou mají největší chladicí a vyplachovací účinek. Závisí na podmínkách obrábění, zda musí být kladen větší důraz na mazání nebo chladicí účinek. Obecně platí, že mazání je v popředí u velkých průřezů třísek a nízkých řezných rychlostí a rovněž u prací, kde jsou vysoké požadavky na jakost povrchu. Vydatný odvod tepla je nezbytný především při vysokých řezných rychlostech a vysokých požadavcích na rozměrovou přesnost obrobků.
Jako chladicí a mazací látky mísitelné s vodou se ve velkém množství požívají emulze typu oleje ve vodě (o/w). Tyto emulze používané jako technologická kapalina při třískovém obrábění kovů (řezná emulze) jsou v průmyslu velmi oblíbené zejména ze dvou důvodů. Ve srovnání s čistými řeznými oleji mají velmi dobré chladicí účinky a jsou levnější. Je tomu tak proto, že obsahují vodu, která má značně vyšší tepelnou kapacitu než oleje a je také samozřejmě mnohem levnější. Avšak voda, která tvoří 90 až 99 % objemu řezné emulze, představuje téměř ideální životní prostředí pro různé druhy mikroorganizmů, které jsou při pomnožení zdrojem problémů a stává se tak slabým místem emulze.
Následkem toho je emulze méně stabilní než čistý řezný olej a vyžaduje tedy mnohem větší péči. Její životnost velmi závisí na způsobu péče, především na pravidelném sledování důležitých parametrů a jejich následném upravování na správné hodnoty. Během životnosti emulze jsou tři hlavní období, kterým je třeba věnovat velkou pozornost - příprava emulze, její používání ve stroji a výměna použité emulze. Dále jsou uvedena základní opatření, která mohou podstatně prodloužit životnost řezných kapalin a tím i hospodárnost jejich použití.

Příprava kapalin mísitelných s vodou
Při přípravě emulzí by měla být dodržena čtyři jednoduchá pravidla, která zajistí příznivé počáteční podmínky pro stabilní, dlouhodobou a spolehlivou funkci.
Jakost použité vody je pro přípravu optimální emulze velmi důležitá. Pro tento účel by měla být použita jen čistá a neutrální voda (s hodnotou pH cca 7). Měla by to být přednostně pitná voda, pokud možno s tvrdostí 10 - 20 °N. Kvalita použité vody by měla být předem známa, aby se dalo předejít případným pozdějším problémům (bakterie, pH, pěnění).
K přípravě emulze se mají používat jen čisté, nepozinkované, dezinfikované a k tomu určené nádrže. Koncentrát se plynule a za stálého míchání přilévá do vody, nikdy ne naopak. Pro přípravu emulzí je výhodné používat míchací přístroje, ejektorové směšovací přístroje nebo dávkovací čerpadla, které zajistí stejnoměrnější rozptýlení koncentrátu a tím homogennější a hospodárnější emulzi. Pro míchání emulze není vhodné používat vzduch, protože to přináší nebezpečí bakteriální infekce.
Aby byl dodržen určený mísící poměr, je nutno během míchání měřit koncentraci ručním refraktometrem – přitom je třeba dát pozor na korekční faktor, který je pro každý výrobek specifický. Posledním důležitým požadavkem, který souvisí s přípravou nové emulze, je její napouštění do čistého oběhového systému stroje.

Prodloužení životnosti kapalin mísitelných s vodou
Zatímco příprava emulze trvá jen krátce, doba používání se při dobré péči počítá na měsíce a roky. Často je vyžadováno, aby interval její výměny byl násobkem intervalu pravidelné údržby strojů. To je výhodné především proto, že nedochází k neplánovaným výpadkům ve výrobě. Aby bylo zajištěno optimální využití, musí být řezná kapalina pravidelně kontrolována. V případě jednotlivých strojů s vlastní náplní i u centrálních systémů by měly být každý týden prováděny a dokumentovány (např. na kartě stroje) charakteristické vlastnosti emulze.
Velmi důležitým parametrem řezných emulzí je hodnota pH. Ta by obvykle neměla být u nízkých koncentrací (do 5 %) nižší než 8,8 a u vyšších koncentrací (10 %) by neměla překračovat hodnotu 9,3 (čerstvá emulze). Emulze v tomto rozsahu hodnot pH lze všeobecně označit jako “nedráždivé” (Emulze s „ideální” hodnotou pH = 7,0 jsou dosud na trhu jen výjimkou). Hodnota pH může během používání emulzí klesat nebo růst. Příčinou zvýšené hodnoty pH jsou hlavně alkalické čisticí prostředky použité při čištění strojů. Nejčastější příčinou poklesu hodnoty pH je napadení bakteriemi. Jako důsledek poklesu pH může docházet ke vzniku koroze na strojích a obrobcích. Při větším bakteriálním napadení může docházet k zápachu emulze, případně ke ztrátě její stability.
Dále je nutné dodržování určené koncentrace, neboť nízká koncentrace podporuje růst mikrobů, působí negativně na stabilitu emulze, snižuje řezný výkon a vyvolává problémy s korozí strojů a obrobků. Příliš vysoká koncentrace může způsobit problémy s pěněním a zhoršit tak obrábění tím, že se sníží chladicí účinky a nářadí pak nemůže pracovat optimálně.
Účinným opatřením k prodloužení životnosti emulze je i její provzdušňování, neboť bez přístupu vzduchu, např. při delší odstávce, se množí bakterie a například sírany se redukují na H2S. Tím vzniká ten známý nepříjemný zápach. Výhodné je nechat systém při provozní odstávce promíchat, aby mohlo dojít k provzdušnění.
Dalším důležitým opatřením je odstraňování cizích látek (olej, třísky, otěry apod.). Obsah cizích látek v emulzi podporuje její napadání bakteriemi a nepříznivě ovlivňuje stabilitu emulze. Navíc dochází ke znečištění oběhového systému úsadami. Zvláště se musí dbát na to, aby vhodnou filtrací byly dobře odstraňovány pevné nečistoty a odstřeďováním odlučován cizí olej, neboť jen čistá řezná kapalina umožňuje prodloužit životnost, zvýšit hospodárnost, snížit počet zmetků a zachovat zdravotní i ekologickou nezávadnost [2]. Důležitá je také každodenní kontrola stavu tekutiny v nádržích.
Obsah dusitanů a dusičnanů v používaných emulzích by neměl překročit hodnotu 20 mg dusitanů/l a 50 mg dusičnanů/l. Pokud jsou tyto hodnoty překročeny, je nutná celková nebo částečná výměna kapaliny, protože sloučením nitrozujících látek (dusitanů a dusičnanů) a diethanolaminů (sekundární aminy), které mohou být v emulzi obsaženy nebo zavlečeny, může totiž dojít ke vzniku N-Nitrosodiethanolaminu, který je rakovinotvornou látkou.
Dalším nebezpečím pro stabilitu emulze je vysoké tepelné zatížení. Odpařením může dojít k většímu úbytku vody, která musí být doplněna. Tím dochází k nárůstu koncentrace solí (elektrolyt), která může vést až k rozštěpení emulze. Pak je nutná částečná výměna emulze nebo doplnění odsolenou vodou. Na stabilitu a výkonnost emulze má příznivý vliv i temperování. Chlazení emulze příznivě ovlivňuje životnost nástrojů. Při chlazení se tvoří méně par a podmínky růstu bakterií jsou také omezeny. Ohřívání je vhodné jen výjimečně.
Jak dokládají naše zkušenosti i dlouhodobé studie velkých německých strojírenských firem, každé z uvedených opatření přispívá k prodloužení životnosti kapalin a tím i k úspoře nákladů. Do jaké míry, to záleží na kombinaci jednotlivých aktivit a hlavně na důslednosti, s jakou jsou prováděna případná nápravná opatření. Je ověřeno, že úspory mohou činit až 50 % nákladů.

Výměna kapalin mísitelných s vodou
Vždycky, když dochází ke zhoršování stavových veličin emulze, je nutno provádět opatření vedoucí k jejich nápravě. Pokud to nevede k úspěchu, nebo by to vyžadovalo neúměrné náklady, je nutno procesní kapalinu vyměnit.
K výměně řezné emulze zpravidla dochází v kratších intervalech než u řezných olejů. I při optimální péči o emulzi je po určité době nutná její výměna z důvodu vysokých nákladů, nestability, znečištění, snížení podílu přísad, napadení bakteriemi, kvasinkami a plísněmi atd. Výměna emulze je nutná i v případech, kdy ani po provedených nápravných opatřeních nedociluje požadovaných hodnot.
Pro zajištění dlouhé životnosti další náplně emulze je velmi důležité důkladné vyčištění oběhového systému (potrubí, nádrží, trysek a podobně). Proto se do použité emulze před vypuštěním přidává tzv. systémový čisticí prostředek, který zneškodní bakterie, kvasinky a plísně a rozpustí usazené nečistoty (zvláště v potrubním systému). Pro docílení optimálních účinků je účelné používat emulzi s přísadou tohoto prostředku po dobu 8 až 24 h (dle stupně znečištění).
Po vypuštění náplně musí být ověřena čistota systému a provedena jeho případná dodatečná dezinfekce. Jen tak lze zajistit, že nová náplň nebude kontaminována starými mikroorganizmy a nečistotami. Vypuštěná náplň by měla být odborně likvidována (rozrážením, ultrafiltrací, spalováním apod.) nebo předána firmě, která má oprávnění k nakládání s nebezpečnými odpady.

Závěr
Tribotechnická diagnostika obráběcích kapalin se poněkud liší od diagnostiky mazacích nebo motorových olejů. Používají se jiné analytické metody, sledují se jiné parametry. Princip je ale stejný – důsledným využíváním technik proaktivní údržby je možno výrazně prodloužit životnost a snížit náklady, a to hlavně v případě kapalin na bázi vody.
Petr Dobeš, CIMCOOL EUROPE B.V.-Czech Branch
 

Publikováno: 19. 11. 2014 | Počet zobrazení: 3273 576