|
Productietechniek
Droge verspaning: een ‘Emerging Technology’
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
version française
Voor verspanende metaalbewerking is koel- annex smeervloeistof nodig.
Een alternatief is ‘droge’ bewerking, een methode die de productiviteit de
hoogte in zou jagen en minder milieubelastend is. Maar droge verspaning is
een techniek in ontwikkeling, die haar strepen nog niet verdiend heeft.
Het Duitse Willy Vogel nam de proef op de som en schakelde voor een aantal
CNC bewerkings- en draaicentra over van natte naar droge bewerking.
Bij verspanende metaalbewerking met hoge toerentallen is een vloeistof
nodig om de tool te smeren én af te koelen. Deze melkachtige vloeistof
wordt op het contactoppervlak tussen werkstuk en tool gespoten. Hierbij
gaat uiteraard veel opspattende vloeistof verloren. Bovendien staat deze
restvloeistof in veel gevallen gecatalogiseerd als ‘gevaarlijk afval’, en
dient dus een(dure) milieutechnische procedure te worden voorzien voor de
verwerking ervan. Een alternatief is het smeermiddel doorheen een holle
spindel-gereedschap in het contactbereik tussen tool en werkstuk te
spuiten. Dit procédé wordt courant ‘droge bewerking’ genoemd. Deze
benaming is eigenlijk niet correct, omdat het impliceert dat er bij de
verspanende metaalbewerking in het contactbereik tussen het gereedschap en
het werkstuk in het geheel geen smering zou plaatsvinden. In de praktijk
is er bijna altijd een minimale hoeveelheidssmering nodig (10 tot 50
milliliter olie per uur) om vroegtijdige slijtage aan het gereedschap of
een te ruwe oppervlakte te vermijden.
Minimale hoeveelheidssmering
Willy Vogel AG, zelf fabrikant van smeersystemen, nam in 2001 de
productgroep LubriLean van het Duitse bedrijf Sinis Umwelttechnik GmbH uit
Dettingen over, dat zich specifiek in deze materie had verdiept. Sinis had
namelijk onderzoek gedaan naar een methode om voor een gelijkmatige,
optimale toevoer van de vloeistof in de vorm van microscopisch kleine
druppeltjes te zorgen. De methode, die overigens gepatenteerd is, werkt op
basis van een homogeen olie/luchtmengsel met een partikelgrootte van
slechts 0,5µm. Wim Van Aken van Willy Vogel Belgium: "De know-how van
LubriLean zit in de samenstelling van de aerosol. De moeilijkheid is dat
de middelpuntvliedende kracht in de roterende holle tool, bijv. een boor,
de minuskule oliedruppeltjes naar de buitenkant van de holle ruimte stuwt.
In het midden ontstaat een luchtwerveling die voorkomt dat de olie
gelijkmatig naar het contactpunt toevloeit. De samenstelling van het
olie/luchtmengsel is dus cruciaal en moet per individueel werktuig kunnen
aangepast worden."
Praktijktest
Bij gebrek aan reële referenties, besliste Vogel vorig jaar haar eigen
werktuigmachines om te bouwen voor droge bewerking. In haar fabriek te
Berlijn werden meerdere CNC bewerkings- en draaicentra van natte op droge
bewerking omgezet en vergelijkingswaarden verzameld. Door de omschakeling
van een koelsmeermiddel (overstromingssmering) naar een minimale
hoeveelheidssmering (MMS) konden de productietijden al naar gelang het
werkstuk met 24% tot 78% gereduceerd worden. Wim Van Aken: ‘Dit is een
uitzonderlijk resultaat. Het betekent dat, naargelang de complexiteit van
de bewerking, per shift tot vijfmaal meer stukken konden gedraaid worden.
De investering in een nieuw MQL-smeersysteem (nvdr: Minimal Quantity
Lubrication) kan in bepaalde gevallen dus een zeer korte
terugverdienperiode hebben.’ Opmerkelijk is dat de goede resultaten niet
alleen bij "normaal" staal bereikt werden. Ook zeer moeilijk te verspanen
materialen zoals roestvrijstaal of aluminium met een hoog siliziumgehalte,
leverden dezelfde besparingen op. Dit is niet evident, want niet elk
materiaal leent zich tot droge bewerking (zie verder).
Hogere snijwaarden
Omdat de machines toch dienden aangepast te worden, namen de ingenieurs
van Vogel de gelegenheid te baat om ook de procesverlopen te moderniseren.
Bij de evaluatie van de resultaten, en de bereikte tijdsbesparingen (zie
foto’s van de werkstukken) dient hiermee dus rekening gehouden te worden.
Uit de nastudie bleek volgens Vogel wel dat de hoofdreden voor de
tijdsbesparing te zoeken was in de mogelijkheid om met speciaal voor droge
bewerking aangepaste gereedschappen veel snelle bewerkingcycli te
realiseren. Dit was mogelijk door de veel hogere snijwaarden van deze
gereedschappen. De blikvanger was ongetwijfeld een bewerking waarbij een
gatdraad van M12x1 met behulp van een meertraps profielboor in staal wordt
aangebracht. Door het toepassen van speciale gereedschappen voor minimale
smering werd de bewerkingstijd voor deze specifieke bewerking zelfs met
ca. 12 keer verkort.
Toekomstgericht
Uiteraard vonden we in de brochure van fabrikant Vogel een hele rits
voordelen, zoals: geen koelmiddel nodig, alle randapparaten zoals filters
en conditioneerapparatuur is overbodig, milieuvriendelijker, onnodig de
werkstukken vooraf te reinigen, langere levensduur van de werktuigen, etc…
Wat onzes inziens echter belangrijk is – en de extra investering zal
moeten terugbetalen – zijn twee zaken. Ten eerste, op korte termijn, de
veel snelle bewerkingsscycli. Die zijn, zoals de gegevens bij de foto’s
van de werkstukken laten zien, zeer drastisch, maar zullen toch afgewogen
dienen te worden tegen de meerprijs van de CNC-machine of de ombouw van
een bestaande machine. Ten tweede, op iets langere termijn, de
milieutechnische annex veiligheidsaspecten. Momenteel verricht ondermeer
de Europese Commissie studie naar de milieu- en veiligheidsimplicaties van
het gebruik van de traditionele koelsmeersmiddelen. De verwachting is dat
deze vloeistoffen mettertijd aan een strengere wetgeving zullen worden
onderworpen. In dat opzicht kan droge bewerking een economisch haalbaar
alternatief vormen.
Emerging Technology
Wie er de vakliteratuur op naslaat, vindt droge bewerking nog
onveranderlijk op het lijstje van de ‘emerging technologies’. Dit betekent
dat er nog veel onderzoek verricht wordt en de ‘fine tuning’ niet op punt
staat. In de huidige stand van zaken zijn er nog een aantal hindernissen
die moeten genomen worden. Een eerste beperking schuilt in het feit dat
niet elk materiaal voor droge verspaning in aanmerking komt. Wereldwijd
wordt momenteel intensief onderzoek verricht naar coatings om het
toepassingsgebied uit te breiden. Tweede beperking: interne minimale
hoeveelheidssmering laat zich het best toepassen bij CNC-machines en
bewerkingscentra die fabriek-af voor droge verspaning zijn uitgerust. Wim
Van Aken: ‘Links en rechts beginnen de grote constructeurs machines aan te
bieden waarop deze mogelijkheid voorzien is. In dit geval is een aerosol
als LubriLean een zeer rendabele oplossing. Het ombouwen van een bestaande
machine is ook mogelijk, maar kan alleen door de constructeur zelf
gebeuren. Voor een bewerkingscentrum dat volcontinu draait en bijv. twee
jaar oud is, kan de ombouw een verantwoorde investering zijn doordat de
bewerkingstijden drastisch korter zijn. Voor een andere bestaande machine
kan externe minimale hoeveelheidssmering een alternatief zijn.’
Laatste, ook niet onbelangrijk punt: er is ook een elektronische regeling
voor complexe bewerkingscentra. Voor gewone bewerkingscycli kan de
verhouding lucht/olie met de hand op de centrale smering geregeld worden.
Bij moderne bewerkingscentra met veelvoudige, snelle werktuigwissels is
een individuele afstelling per gereedschap nodig, en kan de dosering van
het lucht/oliemengsel (aerosol) een probleem vormen. Wie interesse heeft
in deze oplossing, verwijzen we naar het LubriLean Digital-systeem, dat in
feite een programmeerbare sturing is die via Profibus communiceert met de
CNC-sturing en de dosering volautomatisch per individueel werktuig
afregelt. <<
Technique de production
Usinage à sec: une technologie émergente
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
L’usinage du métal requiert un réfrigérant et un lubrifiant. L’usinage ‘à
sec’ constitue une alternative. Cette méthode augmente la productivité et
nuit moins à l’environnement. Cependant, l’usinage à sec est une technique
en plein développement, qui doit encore gagner ses galons. La société
allemande Willy Vogel a fait le test et est passé pour plusieurs centres
d’usinage et de tournage CNC d’un usinage humide à un usinage à sec.
L’usinage de métaux à grandes vitesses requiert un liquide pour lubrifier
l’outil et le refroidir. Ce liquide laiteux est pulvérisé sur la surface
de contact entre la pièce de travail et l’outil. Une grande quantité de
liquide projeté se perd lors de cette opération. En outre, le liquide
résiduel est souvent catalogué comme ‘déchet dangereux’. Une procédure de
technique environnementale (coûteuse) doit alors être prévue pour son
traitement. La pulvérisation du lubrifiant au travers d’une broche et d’un
outil creux dans la plage de contact entre l’outil et la pièce de travail
constitue une alternative. Ce procédé est couramment appelé ‘usinage à
sec’. Cette qualification n’est en fait pas correcte car elle suppose une
absence totale de lubrification dans la plage de contact entre l’outil et
la pièce de travail lors de l’usinage du métal. Dans la pratique, il faut
toujours un minimum de lubrification (10 à 50 millilitres d’huile par
heure) pour éviter une usure précoce de l’outil ou une surface trop
rugueuse.
Une microlubrification
Willy Vogel AG, fabricant de systèmes de lubrification, a repris en 2001
le groupe de produits LubriLean de la société allemande Sinis
Umwelttechnik GmbH de Dettingen, qui s’était spécifiquement concentrée sur
cette technique. Sinis avait fait des recherches sur une méthode assurant
une alimentation uniforme et optimale de liquide, sous forme de petites
gouttelettes microscopiques. La méthode, qui est d’ailleurs brevetée,
fonctionne sur la base d’un mélange homogène d’huile et d’air dont la
taille des particules est de seulement 0,5 µm. "Le savoir-faire de
LubriLean réside dans la composition de l’aérosol. La difficulté, c’est
que la force centrifuge dans l’outil creux en rotation, par exemple un
foret, pousse les minuscules gouttelettes d’huile vers l’extérieur de l’espace
creux" explique Wim Van Aken de Willy Vogel Belgium. "Au milieu se forme
un tourbillonnement d’air qui empêche l’huile de couler de manière
uniforme vers le point de contact. La composition du mélange huile/air est
donc cruciale et doit pouvoir être adaptée individuellement, à chaque
outil."
Test pratique
Par manque de références réelles, Vogel a décidé l’an dernier de convertir
ses propres machines-outils pour l’usinage à sec. Plusieurs centres d’usinage
et de tournage CNC ont été convertis dans son usine de Berlin et sont
passés d’un usinage humide à un usinage sec. Les données de comparaison
ont été rassemblées. En passant d’un liquide de réfrigération (lubrification
de débordement) à une microlubrification (MMS), les temps de production
ont pu être réduits, selon la pièce de travail, de 24 à 78%. "Un résultat
exceptionnel" remarque Wim Van Aken. "Cela signifie que l’on peut produire
par pause jusqu’à cinq fois plus de pièces selon la complexité de l’usinage.
L’investissement dans un nouveau système de lubrification MQL (ndlr:
Minimal Quantity Lubrication) peut donc avoir dans certains cas une
période d’amortissement très courte." Il est surprenant de voir que les
bons résultats ne sont pas seulement obtenus avec l’acier ‘normal’. Des
matériaux très durs à usiner comme l’acier inoxydable ou l’aluminium avec
une teneur en silicium élevée, ont donné les mêmes économies. Ceci n’est
pas évident car tous les matériaux ne se prêtent pas à un usinage à sec (voir
plus loin).
Valeurs de coupe plus élevées
Puisque les machines devaient quand même être adaptées, les ingénieurs de
Vogel ont profité de l’occasion pour moderniser les déroulements de
processus. Il faut en tenir compte lors de l’évaluation des résultats et
des gains de temps obtenus (voir photos des pièces de travail). L’étude
ultérieure montre, selon Vogel, que la raison principale du gain de temps
est à rechercher dans la possibilité de réaliser de nombreux cycles d’usinage
rapides avec des outils spécialement adaptés à l’usinage à sec. Ceci était
possible grâce aux valeurs de coupe nettement supérieures de ces outils.
Le point d’orgue était incontestablement la réalisation d’un taraudage de
M12x1, exécuté à l’aide d’un foret profilé à plusieurs pans en acier. En
utilisant des outils spéciaux dédiés à la microlubrification, le temps de
réalisation de cet usinage spécifique a même été réduit d’un facteur 12.
Axé sur le futur
La brochure du fabricant Vogel cite naturellement toute une série d’avantages:
pas besoin de réfrigérant ni d’appareils périphériques comme des filtres
et appareils de conditionnement, plus écologique, pas besoin de nettoyer
les pièces de travail au préalable, plus grande longévité des outils… A
notre avis, deux choses se révèlent importantes et devront compenser le
surplus d’investissement. Tout d’abord, à court terme, les cycles d’usinage
plus courts. Comme le montrent les données présentées sous les photos des
pièces de travail, ceux-ci sont très spectaculaires mais devront quand
même être évalués par rapport au surcoût qui frappera la machine CNC ou au
coût lié à la conversion d’une machine existante. Ensuite, à plus long
terme, les aspects environnementaux et de sécurité. Pour l’heure, la
Commission européenne effectue une étude sur les implications
environnementales et de sécurité liées à l’utilisation des liquides de
réfrigération traditionnels. On suppose que ces liquides seront soumis à
terme à une législation plus stricte. Dans cette optique, l’usinage à sec
peut devenir une alternative économiquement rentable.
Technologie émergente
Celui qui consulte la littérature professionnelle verra que l’usinage à
sec figure invariablement sur la liste des ‘technologies émergentes’. Cela
signifie qu’il fait l’objet de nombreuses études et qu’il n’est pas encore
entièrement au point. Dans l’état actuel des choses, il subsiste certains
obstacles. Une première restriction réside dans le fait que tout matériau
ne peut entrer en ligne de compte pour l’usinage à sec. Des recherches
intensives sont en cours dans le monde entier pour trouver des revêtements
permettant d’étendre son domaine d’application. Deuxième restriction : la
microlubrification se prête idéalement aux machines et centres d’usinage
CNC équipés en usine pour une usinage à sec. "Par-ci, par-là, les grands
constructeurs commencent à proposer des machines prévues pour cette
possibilité. Dans ce cas, un aérosol comme LubriLean constitue une
solution très rentable. La conversion d’une machine existante est
également possible mais doit être assurée par le constructeur lui-même.
Pour un centre d’usinage qui tourne en continu et qui n’a par exemple que
deux ans d’âge, l’investissement dans la conversion peut se justifier par
des temps d’usinage sensiblement raccourcis. Pour une autre machine
existante, la microlubrification externe peut constituer une alternative.
Dernier point, non négligeable: il existe aussi une régulation
électronique pour les centres d’usinage complexes. Pour les cycles d’usinage
simples, le rapport air/huile peut être ajusté à la main, au niveau de la
lubrification centrale. Dans les centres d’usinage modernes subissant de
multiples changements rapides d’outil, chaque outil nécessite un réglage
individuel et le dosage du mélange air/huile (aérosol) peut générer un
problème. Nous renvoyons les personnes intéressées par cette solution au
système LubriLean Digital. Il s’agit en fait d’une commande programmable,
communiquant via Profibus avec la commande CNC, qui règle le dosage en
full automatique pour chaque outil individuellement. <<
|
