Fluido de corte

Fluido de corte es un tipo de refrigerante y lubricante diseñado específicamente para procesos metalúrgicos, como mecanizado y estampado. Hay varios tipos de fluidos de corte, que incluyen aceites, emulsiones de aceite y agua, pastas, geles, aerosoles (nieblas) y aire u otros gases. Los fluidos de corte están hechos de destilados de petróleo, grasas animales, aceites vegetales, agua y aire u otros ingredientes crudos. Según el contexto y el tipo de fluido de corte que se esté considerando, puede denominarse fluido de corte, aceite de corte, compuesto de corte, refrigerante o lubricante.

La mayoría de los procesos de mecanizado y metalurgia pueden beneficiarse del uso de fluido de corte, según el material de la pieza de trabajo. Las excepciones comunes a esto son el hierro fundido y el latón, que pueden maquinarse en seco (aunque esto no es cierto para todos los latones, y cualquier maquinado de latón probablemente se beneficiará de la presencia de un fluido de corte).

Las propiedades que se buscan en un buen fluido de corte son la capacidad de:

• Mantenga la pieza a una temperatura estable (crítica al trabajar para cerrar tolerancias). Muy cálido es aceptable, pero muy caliente o alternante caliente y frío se evitan.
• Maximice la vida de la punta de corte lubricando el borde de trabajo y reduciendo la soldadura de punta.
• Asegurar la seguridad para las personas que la manejan (toxicidad, bacterias, hongos) y para el medio ambiente a disposición.
• Previene el oxidado en las piezas de la máquina y los cortadores.

Función

Refrigeración

El corte de metales genera calor debido a la fricción y la pérdida de energía al deformar el material. El aire circundante tiene baja conductividad térmica (conduce mal el calor), lo que significa que es un refrigerante pobre. El enfriamiento por aire ambiental a veces es adecuado para cortes ligeros y ciclos de trabajo bajos típicos de mantenimiento, reparación y operaciones (MRO) o trabajos de aficionados. El trabajo de producción requiere un corte pesado durante largos períodos de tiempo y, por lo general, produce más calor del que puede eliminar el enfriamiento por aire. En lugar de detener la producción mientras la herramienta se enfría, el uso de refrigerante líquido elimina significativamente más calor con mayor rapidez y también puede acelerar el corte y reducir la fricción y el desgaste de la herramienta.

Sin embargo, no es solo la herramienta la que se calienta sino también la superficie de trabajo. La temperatura excesiva en la herramienta o la superficie de trabajo puede arruinar el temperamento de ambos, ablandarlos hasta el punto de inutilizarlos o fallarlos, quemar el material adyacente, crear una expansión térmica no deseada o provocar reacciones químicas no deseadas, como la oxidación.

Lubricación

Además de enfriar, los fluidos de corte también ayudan en el proceso de corte al lubricar la interfaz entre el filo de la herramienta y la viruta. Al evitar la fricción en esta interfaz, se evita parte de la generación de calor. Esta lubricación también ayuda a evitar que las virutas se suelden a la herramienta, lo que interferiría con el corte posterior.

Los fluidos de corte también pueden ayudar a reducir las fuerzas de corte a través del efecto Rehbinder.

A menudo se agregan aditivos de presión extrema a los fluidos de corte para reducir aún más el desgaste de la herramienta.

Métodos de entrega

Se pueden utilizar todos los métodos imaginables para aplicar fluido de corte (p. ej., inundación, rociado, goteo, nebulización, cepillado), y la mejor opción depende de la aplicación y el equipo disponible. Para muchas aplicaciones de corte de metales, lo ideal ha sido durante mucho tiempo el bombeo de gran volumen y alta presión para forzar una corriente de líquido (generalmente una emulsión de aceite y agua) directamente en la interfaz herramienta-viruta, con paredes alrededor de la máquina para contener las salpicaduras y un sumidero para atrapar, filtrar y recircular el fluido. Este tipo de sistema se emplea comúnmente, especialmente en la fabricación. A menudo, no es una opción práctica para el mantenimiento, la reparación y la revisión o el corte de metal para aficionados, donde se utilizan máquinas herramienta más pequeñas y sencillas. Afortunadamente, tampoco es necesario en aquellas aplicaciones en las que los cortes pesados, las velocidades y los avances agresivos y el corte constante durante todo el día no son vitales.

A medida que la tecnología avanza continuamente, el paradigma de las inundaciones ya no es siempre el claro ganador. Se ha complementado desde la década de 2000 con nuevas permutaciones de suministro de líquido, aerosol y gas, como la cantidad mínima de lubricación y el enfriamiento criogénico a través de la punta de la herramienta (detallado a continuación).

Los sistemas de refrigeración a través de la herramienta, también conocidos como sistemas de refrigeración a través del husillo, son sistemas conectados para suministrar refrigerante a través de pasajes dentro del husillo y a través de la herramienta, directamente a la interfaz de corte. Muchos de estos también son sistemas de refrigerante de alta presión, en los que la presión de funcionamiento puede ser de cientos a varios miles de psi (1 a 30 MPa), presiones comparables a las utilizadas en los circuitos hidráulicos. Los sistemas de refrigeración de alta presión a través del husillo requieren juntas rotativas que puedan soportar estas presiones. Las brocas y las fresas a medida para este uso tienen pequeños orificios en los labios por donde sale el refrigerante. Varios tipos de taladros con pistola también utilizan arreglos similares.

Tipos

Líquidos

Por lo general, existen tres tipos de líquidos: minerales, semisintéticos y sintéticos. Los fluidos de corte semisintéticos y sintéticos representan intentos de combinar las mejores propiedades del aceite con las mejores propiedades del agua al suspender el aceite emulsionado en una base de agua. Estas propiedades incluyen: inhibición de la oxidación, tolerancia a un amplio rango de dureza del agua (manteniendo la estabilidad del pH alrededor de 9 a 10), capacidad para trabajar con muchos metales, resistir la ruptura térmica y seguridad ambiental.

El agua es un buen conductor del calor pero tiene inconvenientes como fluido de corte. Hierve fácilmente, promueve la oxidación de las piezas de la máquina y no lubrica bien. Por lo tanto, se necesitan otros ingredientes para crear un fluido de corte óptimo.

Los aceites minerales, que son a base de petróleo, se usaron por primera vez en aplicaciones de corte a fines del siglo XIX. Estos varían desde los aceites de corte espesos, oscuros y ricos en azufre utilizados en la industria pesada hasta los aceites claros y claros.

Los refrigerantes semisintéticos, también llamados aceite soluble, son una emulsión o microemulsión de agua con aceite mineral. En los talleres que utilizan inglés británico, el aceite soluble se conoce coloquialmente como SUDS. Estos comenzaron a ver uso en la década de 1930. Una máquina herramienta CNC típica suele utilizar refrigerante emulsionado, que consiste en una pequeña cantidad de aceite emulsionado en una mayor cantidad de agua mediante el uso de un detergente.

Los refrigerantes sintéticos se originaron a fines de la década de 1950 y, por lo general, son a base de agua.

La técnica oficial para medir la concentración de aceite en muestras de fluidos de corte es la titulación manual: 100 ml del fluido bajo prueba se titulan con una solución de HCl 0,5 M hasta un punto final de pH 4 y se utiliza el volumen de titulante utilizado para alcanzar el punto final. para calcular la concentración de aceite. Esta técnica es precisa y no se ve afectada por la contaminación de fluidos, pero debe ser realizada por personal capacitado en un entorno de laboratorio. Un refractómetro de mano es el estándar industrial utilizado para determinar la relación de mezcla de refrigerantes solubles en agua que estima la concentración de aceite a partir del índice de refracción de la muestra medido en la escala Brix. El refractómetro permite mediciones in situ de la concentración de aceite dentro de plantas industriales. Sin embargo, la contaminación de la muestra reduce la precisión de la medida. Se utilizan otras técnicas para medir la concentración de aceite en los fluidos de corte, como la medición de la viscosidad, la densidad y la velocidad del ultrasonido del fluido. Se utilizan otros equipos de prueba para determinar propiedades como la acidez y la conductividad.

Otros incluyen:

• El alcohol queroseno y frotar a menudo dan buenos resultados cuando se trabaja en aluminio.
• WD-40 y 3-In-One Oil funcionan bien en varios metales. Este último tiene un olor de citronella; si el olor ofende, el aceite mineral y los aceites lubricantes de uso general trabajan de la misma manera.
• El aceite de la manera (el aceite hecho para las herramientas de la máquina) funciona como un aceite de corte. De hecho, algunas máquinas de tornillo están diseñadas para usar un aceite como tanto el aceite como el aceite de corte. (La mayoría de las herramientas de la máquina tratan el lubricante y el refrigerante como cosas separadas que inevitablemente se mezclan durante el uso, lo que lleva a pisotear los skimmers de aceite que se utilizan para separarlos de nuevo.)
• Los aceites de motor tienen una relación ligeramente complicada con las herramientas de la máquina. Los aceites de motor no detergente de peso recto son utilizables, y de hecho SAE 10 y 20 aceites solían ser los aceites de husillo y de paso recomendados (respectivamente) en herramientas manuales hace décadas, aunque hoy en día las fórmulas de aceite de manera dedicada prevalecen en el mecanizado comercial. Aunque casi todos los aceites de motor pueden actuar como líquidos de corte adecuados en términos de su rendimiento de corte solo, los modernos aceites de motor multipeso con detergentes y otros aditivos son mejor evitados. Estos aditivos pueden presentar una preocupación de corrosión de cobre a latón y el bronce, que las herramientas de la máquina a menudo tienen en sus rodamientos y nueces de plomo (especialmente herramientas de máquina más viejas o manuales).
• El fluido dieléctrico se utiliza como fluido de corte en las máquinas de descarga eléctrica (EDMs). Generalmente es agua deionizada o un queroseno de alto punto de choque. El calor intenso es generado por la acción de corte del electrodo (o alambre) y el fluido se utiliza para estabilizar la temperatura de la pieza de trabajo, junto con la descarga de cualquier partícula erosionada de la zona de trabajo inmediata. El líquido dieléctrico no es conductivo.
• Las tablas de agua refrigeradas (agua o aceite de petróleo) se utilizan con el proceso de corte de arco de plasma (PAC).
• El aceite de pie del grado más alto se utiliza como lubricante. Se utiliza en industrias metalúrgicas como fluido de corte para aluminio. Para el mecanizado, tapping y perforación de aluminio, es superior al queroseno y varios fluidos de corte basados en agua.

Pastas o geles

El fluido de corte también puede tomar la forma de una pasta o gel cuando se usa para algunas aplicaciones, en particular operaciones manuales como taladrado y roscado. Al aserrar metal con una sierra de cinta, es común pasar periódicamente una barra de pasta contra la hoja. Este producto es similar en factor de forma al lápiz labial o la cera de abejas. Viene en un tubo de cartón, que se consume lentamente con cada aplicación.

Aerosoles (nieblas)

Algunos fluidos de corte se utilizan en forma de aerosol (niebla) (aire con pequeñas gotas de líquido esparcidas por todas partes). Los principales problemas con las nieblas han sido que son bastante malas para los trabajadores, que tienen que respirar el aire circundante contaminado por la niebla, y que a veces ni siquiera funcionan muy bien. Ambos problemas provienen de la entrega imprecisa que a menudo coloca la niebla en todas partes y todo el tiempo, excepto en la interfaz de corte, durante el corte, el único lugar y momento donde se desea. Sin embargo, una nueva forma de administración de aerosol, MQL (mínimo cantidad de lubricante), evita ambos problemas. El suministro del aerosol se realiza directamente a través de las estrías de la herramienta (llega directamente a través o alrededor del propio inserto, un tipo ideal de suministro de fluido de corte que tradicionalmente no ha estado disponible fuera de unos pocos contextos, como la perforación con pistola o costosos, de estado). suministro de líquido de última generación en la molienda de producción). El aerosol de MQL se entrega de una manera tan precisa (con respecto a la ubicación y el tiempo) que el efecto neto parece casi un mecanizado en seco por parte de los operadores. perspectiva. Las virutas generalmente parecen virutas maquinadas en seco, que no requieren drenaje, y el aire es tan limpio que las celdas de maquinado pueden ubicarse más cerca de la inspección y el ensamblaje que antes. MQL no proporciona mucho enfriamiento en el sentido de transferencia de calor, pero su acción lubricante bien dirigida evita que se genere parte del calor en primer lugar, lo que ayuda a explicar su éxito.

Refrigerante CO2

El dióxido de carbono (fórmula química CO₂) también se utiliza como refrigerante. En esta aplicación, se permite que el CO₂ líquido a presión se expanda y esto va acompañado de una caída de temperatura, lo suficiente como para provocar un cambio de fase a sólido. Estos cristales sólidos se redireccionan a la zona de corte mediante boquillas externas o entrega a través del husillo, para proporcionar un enfriamiento controlado por temperatura de la herramienta de corte y la pieza de trabajo.

Aire u otros gases (por ejemplo, nitrógeno)

El aire ambiente, por supuesto, era el refrigerante de mecanizado original. El aire comprimido, suministrado a través de tuberías y mangueras desde un compresor de aire y descargado desde una boquilla dirigida a la herramienta, a veces es un refrigerante útil. La fuerza de la corriente de aire de descompresión sopla las virutas y la descompresión en sí tiene un ligero grado de acción de enfriamiento. El resultado neto es que el calor del corte de mecanizado se disipa un poco mejor que el aire ambiente solo. A veces se agregan líquidos a la corriente de aire para formar una neblina (sistemas de refrigeración por neblina, descritos anteriormente).

El nitrógeno líquido, suministrado en botellas de acero presurizadas, a veces se usa de manera similar. En este caso, la ebullición es suficiente para proporcionar un potente efecto refrigerante. Durante años esto se ha hecho (en aplicaciones limitadas) inundando la zona de trabajo. Desde 2005, este modo de refrigerante se ha aplicado de manera comparable a MQL (con suministro a través del husillo y a través de la punta de la herramienta). Esto refrigera el cuerpo y las puntas de la herramienta a tal grado que actúa como una 'esponja térmica', absorbiendo el calor de la interfaz entre la herramienta y el chip. Este nuevo tipo de refrigeración por nitrógeno aún está bajo patente. La vida útil de la herramienta se ha multiplicado por 10 en el fresado de metales duros como el titanio y el inconel.

Alternativamente, el uso de flujo de aire combinado con una sustancia de evaporación rápida (p. ej., alcohol, agua, etc.) se puede usar como un refrigerante eficaz cuando se manipulan piezas calientes que no se pueden enfriar con métodos alternativos.

Práctica pasada

• En la práctica de mecanizado del siglo XIX, no era raro utilizar agua lisa. Esto fue simplemente una experiencia práctica para mantener el cortador fresco, independientemente de si proporcionó alguna lubricación en la interfaz de vanguardia del borde-chip. Cuando se considera que el acero de alta velocidad (HSS) no se había desarrollado todavía, la necesidad de enfriar la herramienta se vuelve más evidente. (HSS mantiene su dureza a altas temperaturas; otros aceros de herramientas de carbono no.) Una mejora fue el agua de soda (bicarbonato de sodio en agua), que mejor inhibió el oxidado de las diapositivas de la máquina. Estas opciones generalmente no se utilizan hoy porque existen alternativas más eficaces.
• Las grasas animales como el tallow o lard eran muy populares en el pasado. Estos se utilizan infrecuentemente hoy, debido a la gran variedad de otras opciones, pero permanecen como una opción.
• Los textos antiguos de entrenamiento de maquinas hablan de usar plomo rojo y plomo blanco, a menudo mezclado en aceite de ladilla o lad. Esta práctica es obsoleta debido a la toxicidad del plomo.
• Desde mediados del siglo XX hasta el decenio de 1990, el 1,1,1-tricloroetano se utilizó como aditivo para aumentar la eficacia de algunos fluidos de corte. En la jerga de la tienda se la llamó "uno-uno-uno". Se ha eliminado debido a sus propiedades que agotan el ozono y deprimen el sistema nervioso central.

Preocupaciones de seguridad

Los fluidos de corte presentan algunos mecanismos para causar enfermedades o lesiones en los trabajadores. La exposición ocupacional se asocia con aumentos en las enfermedades cardiovasculares. Estos mecanismos se basan en el contacto externo (piel) o interno involucrado en el trabajo de mecanizado, incluido el contacto con las piezas y las herramientas; ser salpicado o salpicado por el fluido; o que la niebla se deposite en la piel o entre en la boca y la nariz en el curso normal de la respiración.

Los mecanismos incluyen la toxicidad química o la capacidad irritante física de:

• el fluido en sí mismo
• las partículas metálicas (de corte anterior) que se sostienen en el fluido
• las poblaciones bacterianas o fúngicas que naturalmente tienden a crecer en el fluido con el tiempo
• los biocidas que se añaden para inhibir esas formas de vida
• los inhibidores de la corrosión que se añaden para proteger la máquina y la herramienta
• los aceites vagabundos que resultan de la forma de aceites (los lubricantes para las pasarelas) inevitablemente encontrando su camino hacia el refrigerante

La toxicidad o capacidad irritante no suele ser alta, pero a veces es suficiente para causar problemas en la piel o en los tejidos del tracto respiratorio o del tracto alimentario (p. ej., la boca, la laringe, el esófago, la tráquea o los pulmones).

Algunos de los diagnósticos que pueden resultar de los mecanismos explicados anteriormente incluyen dermatitis de contacto irritante; dermatitis alérgica de contacto; acné ocupacional; traqueítis; esofagitis; bronquitis; asma; alergia; neumonitis por hipersensibilidad (HP); y empeoramiento de problemas respiratorios preexistentes.

Las formulaciones de fluidos de corte más seguras brindan resistencia a los aceites atrapados, lo que permite una separación de filtración mejorada sin quitar el paquete de aditivos base. La ventilación de la habitación, las protecciones contra salpicaduras en las máquinas y el equipo de protección personal (EPP) (como anteojos de seguridad, máscaras de respiración y guantes) pueden mitigar los peligros relacionados con los fluidos de corte. Además, los skimmers se pueden usar para eliminar el aceite residual de la superficie del fluido de corte, lo que evita el crecimiento de microorganismos.

El crecimiento bacteriano predomina en los fluidos de corte a base de petróleo. El aceite de vagabundo junto con el cabello humano o el aceite de la piel son algunos de los desechos durante el corte que se acumulan y forman una capa en la parte superior del líquido; Las bacterias anaerobias proliferan debido a una serie de factores. Una señal temprana de la necesidad de reemplazo es el "olor a lunes por la mañana" (por falta de uso de viernes a lunes). A veces se agregan antisépticos al líquido para matar las bacterias. Dicho uso debe sopesarse con respecto a si los antisépticos dañarán el rendimiento de corte, los trabajadores & # 39; la salud o el medio ambiente. Mantener una temperatura del fluido tan baja como sea práctico reducirá el crecimiento de microorganismos. Algunos reguladores de salud y seguridad (como HSE en el Reino Unido) requieren pruebas semanales de los fluidos para trabajar metales para ayudar a mantener la salud del fluido. Estas pruebas implican verificar el nivel bacteriano de CFU/ml del MWF (usando Dipslides) y el nivel de pH usando un medidor de pH o tiras reactivas de pH (ya que un nivel bajo de bacterias puede causar un pH bajo).

Degradación, sustitución y eliminación

Los fluidos de corte se degradan con el tiempo debido a la entrada de contaminantes en el sistema de lubricación. Un tipo común de degradación es la formación de aceite residual, también conocido como aceite de sumidero, que es aceite no deseado que se ha mezclado con fluido de corte. Se origina como aceite lubricante que se filtra de las correderas y pasa a la mezcla de refrigerante, como la película protectora con la que un proveedor de acero recubre la barra de material para evitar la oxidación, o como fugas de aceite hidráulico. En casos extremos, puede verse como una película o piel en la superficie del refrigerante o como gotas flotantes de aceite.

Los desnatadores se utilizan para separar el aceite residual del refrigerante. Por lo general, estos son discos verticales que giran lentamente y que están parcialmente sumergidos por debajo del nivel de refrigerante en el depósito principal. A medida que el disco gira, el aceite residual se adhiere a cada lado del disco para ser raspado por dos limpiadores, antes de que el disco vuelva a pasar por el refrigerante. Los limpiaparabrisas tienen la forma de un canal que luego redirige el aceite residual a un contenedor donde se recolecta para su eliminación. Los skimmers de vertedero flotante también se utilizan en estas situaciones en las que la temperatura o la cantidad de aceite en el agua se vuelven excesivas.

Desde la introducción de los aditivos CNC, el aceite atrapado en estos sistemas se puede gestionar de manera más eficaz a través de un efecto de separación continua. La acumulación de aceite residual se separa del refrigerante acuoso o a base de aceite y puede eliminarse fácilmente con un absorbente.

El fluido de corte usado debe desecharse cuando esté fétido o químicamente degradado y haya perdido su utilidad. Al igual que con el aceite de motor usado u otros desechos, se debe mitigar su impacto en el medio ambiente. La legislación y la regulación especifican cómo se debe lograr esta mitigación. La eliminación moderna de fluidos de corte involucra técnicas como la ultrafiltración usando membranas poliméricas o cerámicas que concentran la fase de aceite suspendida y emulsionada.

La manipulación de virutas y la gestión del refrigerante están interrelacionadas. A lo largo de las décadas, se han mejorado, hasta el punto de que muchas operaciones metalúrgicas ahora usan soluciones de ingeniería para el ciclo general de recolección, separación y reciclaje tanto de virutas como de refrigerante. Por ejemplo, las virutas se clasifican por tamaño y tipo, los metales extraños (como pernos y piezas de desecho) se separan, el refrigerante se centrifuga de las virutas (que luego se secan para su posterior manipulación), etc.