Jednym z największych problemów przy obrabianiu metalu jest wysoka temperatura, która powstaje przy intensywnej pracy. Zbyt silne nagrzanie może doprowadzić do zniszczenia zarówno produktu, jak i narzędzia. Największy problem w tego typu obróbce stwarzają stopy zawierające tytan i nikiel. Przy schładzaniu elementów z takich materiałów nie wystarczy nawet użycie cieczy pod wysokim ciśnieniem. Jest jednak nadzieja.

Wszelkie elementy wykonane z tytanu cechuje bardzo wysoka odporność na uszkodzenia mechanicznej nawet w wysokich temperaturach. Ten niezwykle wytrzymały materiał wykorzystywany jest przy produkcji wirników i łopatek w samolotach odrzutowych. Tytan stosowany jest również na powierzchniach aluminiowych, które będą poddawane działaniom temperatur wyższych niż 133°C. Niestety tak wysoka wytrzymałość okupiona jest niezwykle trudną obróbką. Tytan jest metalem kruchym, szybko nagrzewającym się miejscowo i często wchodzącym w reakcje z innymi pierwiastkami. To sprawia, że chłodzenie tytanu wymaga dużo większej wydajności. Nie przestrzeganie poziomu temperatury skutkuje bardzo szybkim niszczeniem narzędzi.

Fot: Michael Pereckas / flickr.com / CC

Z pomocą może przyjść technologia chłodzenia kriogenicznego, w której stosuje ciekły wodór, ciekły azot, ciekły tlen oraz suchy lód o zróżnicowanych temperaturach schładzania. Najzimniejszy z całej czwórki jest wodór, który zaczyna wrzeć w temperaturze -252,8°C. Kolejny jest azot z temperaturą -195,8°C, następnie tlen (-182,9°C) i zamykający listę suchy lód (temperatura sublimacji, czyli przejścia ze stanu stałego w gazowy to -78,5°C). Jak widać, najlepiej do zastosować wodór. Niestety bardzo wybuchowy charakter tego gazu z miejsca dyskwalifikuje go w porównaniu z pozostałymi substancjami. Tlen z kolei nie jest używany ze względów bezpieczeństwa. Z całej czwórki najlepszy okazuje się być ciekły azot. Zupełnie nieszkodliwy dla środowiska, tani i mający bardzo niską temperaturę wrzenia. W czasie użycia, azot bardzo szybko paruje, a jego pozostałości spływają wraz z wiórami do komór, gdzie „rozpływa się w powietrzu“. Stosowanie tego upłynnionego gazu ma również bardzo ważny aspekt estetyczny. Po obróbce maszyna oraz jej wnętrze nie wygląda jakby wybuchła w niej puszka z towotem.

Próby z użyciem kriogenicznych metod schładzania przeprowadził niemiecki Rheinisch-Westfaelische Technische Hochschule Aachen. Do testów na wiercenie i frezowanie użyto płyty ze stopu TiAl6V4 (tytan, glin, tytan) o długości 435 mm oraz dwunastomilimetrowych frezów powlekanych ze spieków. Różnica w efektywności między emulsją chłodzącą a ciekłym azotem jest dziesięciokrotnie większa na korzyść chłodzonego gazu. Po 16,4 minuty narzędzie chłodzone emulsją stępiło się na głębokość prawie 100 mikrometrów, a warstwa ochronna została całkowicie zdarta. Tymczasem frez chłodzony azotem stępił się jedynie o około 10 mikrometrów, a powłoka pozostała niemal nienaruszona. Co najważniejsze, szok termiczny jakiemu poddawany jest frez podczas „polewania“ azotem nie ma negatywnego wpływu na narzędzie.

Dlaczego więc azotu nie używa co drugi zakład produkcyjny? Czemu wciąż technologia ta nie jest popularna? O technologii chłodzenia azotem wie niewiele osób, a Ci którzy już słyszeli o takim wynalazku mają bardzo okrojone informacje na ten temat. Niemieccy naukowcy podkreślają, że sama technologia stawia przed nami wiele pytań, na które sami badacze wciąż szukają odpowiedzi. Dzięki rozwiązaniu kluczowych problemów dużo łatwiej będzie przekonać potencjalnych użytkowników o finansowym zysku wynikającym ze zwiększonej wytrzymałości narzędzia.

(Autor: Bartłomiej Baśko)