Формируем завтра: инновации в охлаждающих жидкостях, смазках и СОЖ

Что принесет будущее для охлаждающих жидкостей, смазок и металлообрабатывающих жидкостей? Мы поговорили с ветеранами отрасли, чтобы лучше понять эволюцию современного ландшафта СОЖ и инновации завтрашнего дня.

Что нового и что дальше для металлообрабатывающих жидкостей? Это зависит от нескольких существенных условий: Какой материал режется? Каковы нормативные требования и локальные нужды, регулирующие СОЖ в момент их использования? И какие инновации в оснастке и в производстве в целом примут корень, которые могут изменить саму природу охлаждения?

С рыночной точки зрения, рынок металлообрабатывающих жидкостей ожидается к 2025 году в $15 млрд глобально, согласно Global Market Insights, исследовательской фирме и консультанту. В 2016 году Markets and Markets Research оценивали, что рынок СОЖ составит $9,74 млрд к 2020 году с составным ежегодным темпом роста 3,2%.

Для многих обрабатываемых металлов, таких как сталь и чугун, смазка — с водой или маслом (или обоими) — важна для удаления стружки, а добавки помогают предотвратить деформацию металлов и избежать коррозии — и эти жидкости помогают охлаждать температуры поверхности и сохранять ресурс инструмента. Однако проблемы здоровья и безопасности возникают всякий раз, когда используются СОЖ, поэтому производители жидкостей постоянно корректируют и пересматривают свои формулы и химические составы, чтобы максимизировать производительность и минимизировать отходы. Клиенты хотят перерабатывать СОЖ для снижения затрат — и хотят, чтобы уже используемое СОЖ оставалось в ванне максимально долго без проблем со здоровьем.

Это непростая задача. Главная проблема здоровья во всех случаях — раздражение кожи — над чем все производители работают, чтобы избежать, но правильные системы, такие как коллекторы мгла, и средства индивидуальной защиты, такие как перчатки, защита глаз и респираторы, также должны использоваться, находят производители жидкостей.

Инновации происходят путем балансировки потребностей производительности деталей с желаемыми результатами по здоровью. Становится легче удовлетворять эти потребности, но путь был долгим. Есть движение в сторону минимального количества смазки (MQL) — именно это и есть: используйте наименьшее количество смазки с наименьшим количеством химикатов, добавок и эмульгаторов. Беспокойство и озабоченность другими химическими проблемами здоровья заставляют многих регуляторов и целые регионы часто запрещать использование определенных химикатов полностью.

На горизонте слышны далекие, годы вперед, шепоты о том, что жидкости, возможно, станут устаревшими. Еще долгая дорога до этого, но этого достаточно, чтобы опрошенные компании знали о возможности — как и аналитики, следящие за рынком.

Опасны ли риски, связанные с СОЖ, так, как считают некоторые регуляторы? Опрошенные производители жидкостей глубоко эмпатизируют с проблемами здоровья и безопасности, но сходятся во мнении, что они идут слишком далеко в их устранении.

Металлообрабатывающие жидкости, охлаждающие жидкости и смазки для станков: где мы были, где мы сейчас

По мере того как технологии помогли ускорить обработку и давление на ускорение производства деталей усилилось, произошел момент эврики, говорит Брюс Келер, старший менеджер по продукту в Cimcool Fluid Technology от Milacron: было обнаружено, что вода удаляет тепло лучше, чем чистое масло. И чистое масло горит, а вода — нет.

«Мы перешли от использования просто масла к использованию воды и масла или только воды самой по себе», — говорит Келер. Сегодня используется меньше СОЖ, чем раньше. «Список химикатов для использования в металлообрабатывающих жидкостях становится всё короче и короче из-за проблем безопасности и здоровья».

Многие производители перешли от систем ванны на 10 000 галлонов, обслуживающих 50 станков, к использованию ванн на 50 галлонов на станок в пятистаночной ячейке. Также формулы и химические соединения постоянно меняются на основе таких вопросов, как доступность сырья и локальные потребности клиентов.

«Происходит много переформулирования химии и возможность корректировки на лету из-за нормативов и локальных нужд», — говорит Келер. «С точки зрения формулирования, иногда ваша химия является побочным продуктом процесса».

Тридцать лет назад синтетические жидкости получили плохую репутацию за агрессивные остатки, которые они оставляли — и остатки были крайне липкими, и они повреждали краску и другие детали на станке. Не так сильно уже, заявляют эксперты.

«Мы прошли долгий путь за последние 13 лет, которые я здесь, в разработке множества полусинтетических жидкостей для улучшения биостабильности, стабильности эмульсии и улучшения срока службы ванны и производительности», — говорит Брайан Халстед, инженер по применению в Castrol Industrial. «Для нас цель — сократить использование, сократить отходы и улучшить здоровье и безопасность».

Все сопутствующие технологии, используемые с СОЖ — такие как системы подачи СОЖ среднего и высокого давления, ванны, скиммеры и системы фильтрации — все они повлияли на использование и обслуживание СОЖ.

«Когда я начинал (36 лет назад), нормальное давление, выходящее из шпинделя, где жидкость идет из бака в рабочую зону, было максимум 300 psi», — говорит Келер. «Теперь мы говорим о давлениях, где материал обрабатывается до 1200 psi: это в четыре раза больше давления».

Нужно руководство по обслуживанию и утилизации СОЖ? Прочитайте "4 совета по оптимизации обслуживания станочной жидкости и утилизации СОЖ".

Поскольку используется всё меньше химических добавок, качество воды и её состав стали еще одним ключевым фактором в том, как СОЖ выполняет свою работу и его химия. «Индиана известна своей жесткой водой, а Кентукки — мягкой, например», — говорит Келер. Так что вы всегда имеете дело с разными условиями, которые меняют то, что происходит в станке, и элементы, которые могут быть введены конкретной водой, доступной в локации производителя. Формулы должны меняться в соответствии с водоснабжением.

Но добавки, эмульгаторы и смазывающие качества в СОЖ всё еще нужны. В мире обработки автозапчастей, аэрокосмических и медицинских деталей тренд идет к использованию более прочных материалов, которые легче по весу. Высокотемпературные сплавы и хромистые стали работают быстрее и повышают тепло в операции обработки — и лучший способ удалить тепло из операции — с синтетическими жидкостями, которые помогают смазке, чтобы резы можно было делать легче — особенно с более твердыми материалами.

В аэрокосмике, в частности, маслясодержащие продукты всё еще используются, но они разбавляются на 90–95% водой. Отрасль переходит от алюминия 6000-й серии к титану — который лучше работает с синтетическими жидкостями, говорит Келер.

«Что я люблю в синтетиках — это их срок службы в ванне — бактерии в них плохо размножаются», — говорит Келер. «Они служат долго с биологической точки зрения. Они не пенятся. И остаются прозрачными, так что оператор станка может закрыть дверцу и смотреть на рез без визуальных помех».

Куда направляются металлообрабатывающие жидкости?

Важный элемент в направлении и будущем СОЖ и систем СОЖ заключается в материале и его применении. Большая часть материала, который будет использоваться в будущем, не обязательно известна производителям жидкостей — так же, как она известна производителям. Но это не останавливает производителей от попыток инновировать в сторону линейки продуктов без отходов.

«У нас есть направление, которое мы называем "конгруэнтная химия", которое для водных жидкостей служит двойной цели: это также очиститель, который моет детали и помогает обслуживанию ванны, делая все элементы в СОЖ совместимыми», — говорит Халстед.

Подвох? Нет необходимости скиммировать масло вообще; отходы появляются только при смене системы. Castrol Industrial заявляет, что видит около 40% сокращения использования продукта с некоторыми линейками по сравнению со старыми технологиями жидкостей.

Келер говорит, что направление, за которым Milacron Cimcool пристально следит — это нанотехнологии, где микроскопические твердые наночастицы могут использоваться для смазки вместо водных жидкостей, как сегодня. Хотя здесь есть потенциал для обещаний, еще недостаточно исследований о том, как это может повлиять на легкие оператора — поэтому это всё еще подход "подождем и посмотрим", признается Келер.

«Мы также пытаемся улучшить смачивающие свойства в водных СОЖ, так что они лучше стекают с деталей в станках, оставляя меньше остатков и улучшая срок службы в ванне», — говорит Халстед. «Мы также улучшаем стабильность концентрации, так что если вы используете меньше, вам нужно, чтобы концентрация сохранялась и стабилизировалась, а не истощалась и не требовала больше для компенсации разницы».

Но в конечном счете главная цель крупного производителя жидкостей — просто сделать одну вещь: создать глобальную стабильность продукта, которую можно использовать во всем мире, а затем локализовать под нужды клиентов. Вызов тогда — взять накопленные знания от тестирования и оптимизации СОЖ, чтобы затем работать с локальными и региональными законами и условиями качества воды, чтобы помочь адаптировать под эти нужды.

Чтобы быть в курсе неизбежных смен материалов, крупные игроки на рынке жидкостей работают со своими клиентскими партнерами на их заводах и также проводят тестирование в своих лабораториях на современных центрах обработки в максимально приближенных к реальным условиям. Некоторые работают напрямую со своими клиентами и перспективными клиентами над патентными материалами — для тестирования новых формул СОЖ или работы с новыми металлическими материалами и экспериментов с тем, что работает.

Castrol Industrial, например, работает с General Electric в Гринвилле, Южная Каролина, где производитель жидкостей получает доступ к патентным аэрокосмическим материалам, разрабатываемым. Castrol также работает с Ford Motor Company — и другими автопроизводителями, такими как GM и Toyota, по ряду применений жидкостей.

Удаление хлора и DCHA

Хлор, DCHA (или дициклогексиламин) и бор удаляются из СОЖ производителями жидкостей. Хлор часто используется для уничтожения бактерий, но может быть опасным для легких и кожи. DCHA, который является «вторичным амином», используется как стабилизатор pH, но как более недавние исследования нашли, опасное воздействие на него может происходить через кожу. Поэтому многие вторичные амины исключаются из формул СОЖ, говорят производители жидкостей. Используя только первичный амин, у вас меньше химикатов в продукте, поэтому меньше шансов вызывать раздражение кожи и другие проблемы со здоровьем.

Движение к безборным СОЖ

Почему? Потому что бор на определенных уровнях может накапливаться в остатках и быть вредным для инструментов, прилипая к деталям, шпиндлям, конвейерам и режущим инструментам, что может истощать производительность ресурса инструмента, говорит Халстед. Castrol Industrial выяснила это через тестирование на станках с ЧПУ в лабораториях с металлорежущими инструментами и покрытиями. Как антикоррозийный химикат, бор помогает, но на более высоких концентрациях он может быть опасным, что является первоочередным в повестке дня компании.

Есть хорошее и плохое в свойствах бора, говорит Халстед. «Бор имеет буферизацию pH и стабилизирующий эффект, и защиту от ржавчины, или "RP", которая часто рассматривается положительно». Но даже на низких уровнях, где отходы СОЖ остаются в ванне дольше и дольше, он будет концентрироваться со временем, поэтому некоторые компании хотят устранить его полностью.

Роль сухой обработки и аддитивного производства

С подъемом методов сухой обработки и процессов аддитивного производства, которым не нужно использовать СОЖ, бизнес СОЖ сталкивается с некоторыми долгосрочными потенциальными конкурентами — включая производителей оснастки. Кроме того, экологические и проблемы со здоровьем заставляют многих регуляторов принуждать производителей переходить к использованию минимального количества смазки, также известной как MQL.

«Растущие опасения по поводу экологического воздействия смазок, в сочетании с успехом в сухой обработке при температурах до 1800 градусов по Фаренгейту, движут этот тренд», — пишет Аарон Стоун для Fuels & Lubes International. «Появление передовых керамических и алмазных, и кубического нитрида бора инструментов позволило высокотемпературную обработку с ограниченной или нулевой смазкой без генерации чрезмерного износа».

Независимо от конечного направления отрасли, производители жидкостей согласны в одном: концентрации жидкостей предназначены для использования на уровне 5–10%.

«Это будет то же самое, когда я уйду на пенсию, как и когда я начинал», — говорит Келер. «Все всегда думают, что больше — лучше, или хотят сэкономить деньги и использовать меньше... Если вы работаете на 3%, у вас будут биологические проблемы, рост плесени и коррозия, а если используете слишком насыщенно, мы говорим о раздражении кожи или пене. Это единственная постоянная вещь в этом бизнесе».

Его совет? Держите чисто и держите концентрацию там, где она должна быть, и у вас будет успешная операция с металлообрабатывающими жидкостями.

Какие металлообрабатывающие жидкости вы используете? Куда, по вашему мнению, движется будущее этих продуктов? Поделитесь мыслями.