Смазочно-охлаждающая жидкость — это тип охлаждающей жидкости и смазки, разработанный специально для процессов металлообработки , таких как механическая обработка и штамповка . Существуют различные виды смазочно-охлаждающих жидкостей, в том числе масла, эмульсии масло-вода , пасты, гели, аэрозоли (туманы) и воздух или другие газы. Смазочно-охлаждающие жидкости изготавливаются из нефтяных дистиллятов, животных жиров , растительных масел , воды и воздуха или других сырьевых ингредиентов. В зависимости от контекста и от того, какой тип смазочно-охлаждающей жидкости рассматривается, ее можно называть смазочно-охлаждающей жидкостью , смазочно-охлаждающим маслом , смазочно-охлаждающим составом , охлаждающей жидкостью или смазкой .
Большинство процессов металлообработки и обработки могут выиграть от использования смазочно-охлаждающей жидкости, в зависимости от материала заготовки. Обычными исключениями из этого являются чугун и латунь , которые можно обрабатывать всухую (хотя это не относится ко всем латуни, и любая обработка латуни, скорее всего, выиграет от присутствия смазочно-охлаждающей жидкости). [1]
Свойства, которые требуются от хорошей смазочно-охлаждающей жидкости, включают в себя способность:
Резка металла генерирует тепло из-за трения и потери энергии при деформации материала. Окружающий воздух имеет низкую теплопроводность (плохо проводит тепло), что означает, что он является плохой охлаждающей жидкостью. Охлаждение окружающим воздухом иногда достаточно для легких резов и низких рабочих циклов, типичных для технического обслуживания, ремонта и эксплуатации (MRO) или любительской работы. Производственные работы требуют интенсивной резки в течение длительных периодов времени и обычно производят больше тепла, чем может отвести воздушное охлаждение. Вместо того, чтобы приостанавливать производство, пока инструмент остывает, использование жидкой охлаждающей жидкости отводит значительно больше тепла быстрее, а также может ускорить резку и уменьшить трение и износ инструмента.
Однако нагревается не только инструмент, но и рабочая поверхность. Чрезмерная температура инструмента или рабочей поверхности может испортить их обоих, размягчить до точки бесполезности или отказа, сжечь соседний материал, создать нежелательное тепловое расширение или привести к нежелательным химическим реакциям, таким как окисление .
Помимо охлаждения, смазочно-охлаждающие жидкости также способствуют процессу резки, смазывая интерфейс между режущей кромкой инструмента и стружкой. Предотвращая трение на этом интерфейсе, предотвращается часть генерации тепла. Эта смазка также помогает предотвратить приваривание стружки к инструменту, что может помешать последующей резке.
Смазочно-охлаждающие жидкости также могут способствовать снижению усилий резания за счет эффекта Ребиндера .
В смазочно- охлаждающие жидкости часто добавляют противозадирные присадки для дальнейшего снижения износа инструмента.
Можно использовать любой мыслимый метод нанесения смазочно-охлаждающей жидкости (например, заливка, распыление, капание, туман, нанесение кистью), при этом наилучший выбор зависит от области применения и имеющегося оборудования. Для многих применений по резке металла идеальным долгое время было нагнетание большого объема жидкости под высоким давлением для подачи потока жидкости (обычно эмульсии масла и воды) непосредственно в интерфейс инструмента и стружки, со стенками вокруг станка для удержания брызг и поддоном для улавливания, фильтрации и рециркуляции жидкости. Этот тип системы широко используется, особенно в производстве. Часто это непрактичный вариант для технического обслуживания, ремонта и капитального ремонта или любительской резки металла, где используются более мелкие и простые станки. К счастью, это также не нужно в тех применениях, где тяжелая резка, агрессивные скорости и подачи , а также постоянная резка в течение всего дня не являются жизненно важными.
Поскольку технологии постоянно совершенствуются, парадигма затопления уже не всегда является явным победителем. С 2000-х годов ее дополнили новые перестановки подачи жидкости, аэрозоля и газа, такие как смазка минимальным количеством и криогенное охлаждение через наконечник инструмента (подробно описано ниже).
Системы охлаждения через инструмент , также известные как системы охлаждения через шпиндель , представляют собой системы, предназначенные для подачи охлаждающей жидкости через каналы внутри шпинделя и через инструмент непосредственно к режущему интерфейсу. Многие из них также являются системами охлаждения высокого давления , в которых рабочее давление может составлять от сотен до нескольких тысяч фунтов на квадратный дюйм (от 1 до 30 МПа ) — давления, сопоставимые с теми, которые используются в гидравлических контурах. Системы охлаждения высокого давления через шпиндель требуют вращающихся соединений , которые могут выдерживать эти давления. Сверла и концевые фрезы, предназначенные для этого использования, имеют небольшие отверстия на кромках, через которые выбрасывается охлаждающая жидкость. Различные типы ружейных сверл также используют похожие устройства.
Обычно существует три типа жидкостей: минеральные, полусинтетические и синтетические. Полусинтетические и синтетические смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой попытки объединить лучшие свойства масла с лучшими свойствами воды путем суспендирования эмульгированного масла в водной основе. К этим свойствам относятся: ингибирование ржавчины, устойчивость к широкому диапазону жесткости воды (поддержание стабильности pH около 9-10), способность работать со многими металлами, противостоять термическому разрушению и экологическая безопасность. [2]
Вода является хорошим проводником тепла, но имеет недостатки в качестве смазочно-охлаждающей жидкости. Она легко закипает, способствует ржавлению деталей машин и плохо смазывает. Поэтому для создания оптимальной смазочно-охлаждающей жидкости необходимы другие ингредиенты.
Минеральные масла , которые производятся на основе нефти, впервые стали использоваться в режущих операциях в конце 19 века. Они варьируются от густых, темных, богатых серой смазочно-охлаждающих масел, используемых в тяжелой промышленности, до легких, прозрачных масел.
Полусинтетические охлаждающие жидкости, также называемые растворимыми маслами , представляют собой эмульсию или микроэмульсию воды с минеральным маслом. В мастерских, использующих британский английский, растворимое масло в разговорной речи известно как SUDS . [3] Они начали использоваться в 1930-х годах. Типичный станок с ЧПУ обычно использует эмульгированную охлаждающую жидкость, которая состоит из небольшого количества масла, эмульгированного в большем количестве воды с помощью моющего средства.
Синтетические охлаждающие жидкости появились в конце 1950-х годов и обычно изготавливаются на водной основе.
Официальным методом измерения концентрации масла в образцах смазочно-охлаждающей жидкости является ручное титрование : [4] 100 мл испытуемой жидкости титруют 0,5 М раствором HCl до конечной точки pH 4, а объем титранта, использованного для достижения конечной точки, используют для расчета концентрации масла. Этот метод является точным и не зависит от загрязнения жидкости, но должен выполняться обученным персоналом в лабораторных условиях. Ручной рефрактометр является промышленным стандартом, используемым для определения соотношения смешивания водорастворимых охлаждающих жидкостей [5] , который оценивает концентрацию масла по показателю преломления образца, измеренному по шкале Брикса . Рефрактометр позволяет проводить измерения концентрации масла in situ на промышленных предприятиях. Однако загрязнение образца снижает точность измерения. Для измерения концентрации масла в смазочно-охлаждающих жидкостях используются другие методы, такие как измерение вязкости жидкости , плотности и скорости ультразвука . Другое испытательное оборудование используется для определения таких свойств, как кислотность и проводимость.
Другие включают в себя:
Смазочно-охлаждающая жидкость может также принимать форму пасты или геля при использовании в некоторых случаях, в частности, для ручных операций, таких как сверление и нарезание резьбы . При резке металла ленточной пилой обычно периодически проводят палочкой пасты по лезвию. Этот продукт по форме похож на губную помаду или пчелиный воск. Он поставляется в картонной тубе, которая медленно расходуется при каждом применении.
Некоторые смазочно-охлаждающие жидкости используются в виде аэрозоля (тумана) (воздух с мельчайшими каплями жидкости, разбросанными по всему объему). Главные проблемы с туманами заключаются в том, что они довольно вредны для рабочих, которым приходится дышать окружающим воздухом, загрязненным туманом, и что иногда они даже не очень хорошо работают. Обе эти проблемы возникают из-за неточной подачи, которая часто наносит туман везде и все время, за исключением интерфейса резки, во время резки — единственного места и времени, где он нужен. Однако более новая форма аэрозольной подачи,MQL (минимальное количество смазки) [7] [8] позволяет избежать обеих этих проблем. Доставка аэрозоля осуществляется непосредственно через канавки инструмента (он поступает непосредственно через или вокруг самой вставки — идеальный тип доставки смазочно-охлаждающей жидкости, который традиционно был недоступен за пределами нескольких контекстов, таких как сверление ружейным сверлом или дорогостоящая, современная доставка жидкости при фрезеровании в производстве). Аэрозоль MQL доставляется таким точно направленным образом (как по местоположению, так и по времени), что чистый эффект с точки зрения оператора кажется почти как сухая обработка. [7] [8] Стружка, как правило, выглядит как сухая стружка, не требующая слива, а воздух настолько чист, что ячейки обработки можно размещать ближе к осмотру и сборке, чем раньше. [7] [8] MQL не обеспечивает большого охлаждения в смысле теплопередачи, но его точно направленное смазочное действие предотвращает образование части тепла изначально, что помогает объяснить его успех.
Углекислый газ (химическая формула CO 2 ) также используется в качестве охлаждающей жидкости . В этом применении сжатый жидкий CO 2 расширяется, и это сопровождается падением температуры, достаточным для того, чтобы вызвать изменение фазы в твердое тело. Эти твердые кристаллы перенаправляются в зону резки либо внешними соплами, либо через подачу через шпиндель, чтобы обеспечить контролируемое по температуре охлаждение режущего инструмента и заготовки. [9]
Конечно, первоначальным охлаждающим средством для обработки был окружающий воздух. Сжатый воздух, подаваемый по трубам и шлангам от воздушного компрессора и выпускаемый из сопла, направленного на инструмент, иногда является полезным охлаждающим средством. Сила декомпрессионного воздушного потока сдувает стружку, а сама декомпрессия имеет небольшую степень охлаждающего действия. Конечным результатом является то, что тепло от резания отводится немного лучше, чем только окружающий воздух. Иногда в воздушный поток добавляют жидкости для образования тумана (системы туманного охлаждения, описанные выше).
Жидкий азот , поставляемый в баллонах из стали под давлением, иногда используется аналогичным образом. В этом случае кипения достаточно, чтобы обеспечить мощный охлаждающий эффект. В течение многих лет это делалось (в ограниченных применениях) путем затопления рабочей зоны. С 2005 года этот режим охлаждающей жидкости применяется способом, сопоставимым с MQL (с подачей через шпиндель и через наконечник инструмента). Это охлаждает корпус и наконечники инструмента до такой степени, что он действует как «термическая губка», всасывая тепло из интерфейса инструмент-стружки. [10] Этот новый тип азотного охлаждения все еще находится под патентом. Срок службы инструмента был увеличен в 10 раз при фрезеровании твердых металлов, таких как титан и инконель . [10]
В качестве альтернативы можно использовать воздушный поток в сочетании с быстро испаряющимся веществом (например, спиртом, водой и т. д.) в качестве эффективного охлаждающего средства при работе с горячими деталями, которые невозможно охладить другими методами.
Смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой некоторые механизмы, вызывающие заболевания или травмы у рабочих. [12] Профессиональное воздействие связано с ростом сердечно-сосудистых заболеваний . [13] Эти механизмы основаны на внешнем (кожа) или внутреннем контакте, связанном с работой по обработке, включая прикосновение к деталям и инструментам; разбрызгивание или попадание жидкости; или оседание тумана на коже или попадание в рот и нос при нормальном процессе дыхания .
Механизмы включают химическую токсичность или физическую раздражающую способность:
Токсичность или раздражающая способность обычно невелики, но иногда ее достаточно, чтобы вызвать проблемы со здоровьем кожи или тканей дыхательных путей или пищеварительного тракта (например, рта, гортани, пищевода, трахеи или легких).
Некоторые из диагнозов, которые могут возникнуть в результате описанных выше механизмов, включают раздражающий контактный дерматит ; аллергический контактный дерматит ; профессиональное акне ; трахеит ; эзофагит ; бронхит ; астму ; аллергию ; гиперчувствительный пневмонит (ГП); а также ухудшение уже существующих респираторных проблем.
Более безопасные составы смазочно-охлаждающих жидкостей обеспечивают устойчивость к посторонним маслам, что позволяет улучшить фильтрацию без удаления базовой добавки. Вентиляция помещения , брызгозащитные экраны на станках и средства индивидуальной защиты (СИЗ) (такие как защитные очки , респираторы и перчатки ) могут снизить опасности, связанные с смазочно-охлаждающими жидкостями. [14] Кроме того, скиммеры могут использоваться для удаления посторонних масел с поверхности смазочно-охлаждающей жидкости, что предотвращает рост микроорганизмов. [15]
Рост бактерий преобладает в смазочно-охлаждающих жидкостях на основе нефти. Грязное масло вместе с человеческими волосами или кожным жиром являются частью мусора во время резки, который накапливается и образует слой на поверхности жидкости; анаэробные бактерии размножаются из-за ряда факторов. Ранним признаком необходимости замены является «запах утра понедельника» (из-за отсутствия использования с пятницы по понедельник). Иногда в жидкость добавляют антисептики , чтобы убить бактерии. Такое использование должно быть сбалансировано с учетом того, не навредят ли антисептики производительности резки, здоровью рабочих или окружающей среде. Поддержание максимально низкой температуры жидкости замедлит рост микроорганизмов. [14] Некоторые регулирующие органы по охране труда и технике безопасности (например, HSE в Соединенном Королевстве) требуют еженедельного тестирования металлообрабатывающих жидкостей, чтобы помочь поддерживать здоровье жидкости. Эти тесты включают проверку уровня бактериальных КОЕ/мл в MWF (с использованием Dipslides ) и уровня pH с помощью pH-метра или тест-полосок для определения pH (поскольку низкий уровень pH может быть вызван высоким уровнем бактерий). [16]
Смазочно-охлаждающие жидкости со временем деградируют из-за попадания загрязняющих веществ в систему смазки. Распространенным типом деградации является образование чужеродного масла , также известного как масло в картере , которое является нежелательным маслом, смешанным с смазочно-охлаждающей жидкостью. [17] Оно возникает как смазочное масло, которое просачивается из направляющих и смывается в охлаждающую смесь, как защитная пленка, которой поставщик стали покрывает пруток для предотвращения ржавчины, или как утечки гидравлического масла. В крайних случаях его можно увидеть как пленку или корку на поверхности охлаждающей жидкости или как плавающие капли масла.
Скиммеры используются для отделения чужеродного масла от охлаждающей жидкости. Обычно это медленно вращающиеся вертикальные диски, которые частично погружены ниже уровня охлаждающей жидкости в главном резервуаре. По мере вращения диска чужеродное масло прилипает к каждой стороне диска, чтобы быть соскобленным двумя скребками, прежде чем диск пройдет обратно через охлаждающую жидкость. Скребки имеют форму канала, который затем перенаправляет чужеродное масло в контейнер, где оно собирается для утилизации. Плавающие скиммеры с водосливом также используются в таких ситуациях, когда температура или количество масла в воде становятся чрезмерными.
С введением присадок CNC, грязное масло в этих системах может управляться более эффективно посредством непрерывного эффекта разделения. Накопление грязного масла отделяется от охлаждающей жидкости на водной или масляной основе и может быть легко удалено с помощью абсорбента.
Старую, использованную смазочно-охлаждающую жидкость необходимо утилизировать, когда она становится зловонной или химически разложившейся и теряет свою полезность. Как и в случае с отработанным моторным маслом или другими отходами, ее воздействие на окружающую среду должно быть смягчено. Законодательство и нормативные акты определяют, как должно быть достигнуто это смягчение. Современная утилизация смазочно-охлаждающей жидкости включает такие методы, как ультрафильтрация с использованием полимерных или керамических мембран, которые концентрируют взвешенную и эмульгированную масляную фазу.
Обработка стружки и управление охлаждающей жидкостью взаимосвязаны. За десятилетия они были усовершенствованы до такой степени, что многие металлообрабатывающие операции теперь используют инженерные решения для общего цикла сбора, разделения и переработки как стружки, так и охлаждающей жидкости. Например, стружка сортируется по размеру и типу, посторонние металлы (такие как болты и лом) отделяются, охлаждающая жидкость центрифугируется от стружки (которая затем высушивается для дальнейшей обработки) и т. д. [18]
{{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )