СОЖ

Фрезерование тонкостенного алюминия с использованием смазочно-охлаждающей жидкости на водной основе на фрезе .

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, к которым относятся масла, водомасляные эмульсии , пасты, гели, аэрозоли (туманы), а также воздух или другие газы. СОЖ 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-охлаждающей жидкостью , смазочно-охлаждающей жидкостью , охлаждающей жидкостью или смазкой .

В большинстве процессов металлообработки и механической обработки можно использовать смазочно-охлаждающую жидкость, в зависимости от материала заготовки. Распространенными исключениями из этого правила являются чугун и латунь , которые можно обрабатывать всухую (хотя это справедливо не для всех латуней, и любая обработка латуни, вероятно, выиграет от присутствия смазочно-охлаждающей жидкости).

Свойства, которые необходимы хорошей смазочно-охлаждающей жидкости, - это способность:

• Поддерживайте стабильную температуру заготовки (это важно при работе с жесткими допусками ). Очень тепло допустимо, но следует избегать слишком жаркого или чередующегося тепла и холода.
• Увеличьте срок службы режущего кончика, смазывая рабочую кромку и уменьшая приваривание кончика .
• Обеспечьте безопасность для людей, работающих с ним (токсичность, бактерии, грибки) и окружающей среды при утилизации.
• Предотвратите появление ржавчины на деталях машины и фрезах.

Функция

Охлаждение

При резке металла выделяется тепло из-за трения и потерь энергии, деформирующих материал. Окружающий воздух имеет низкую теплопроводность (плохо проводит тепло), что означает, что он является плохим теплоносителем. Охлаждения окружающего воздуха иногда достаточно для легких работ и небольших рабочих циклов, типичных для технического обслуживания, ремонта и эксплуатации (MRO) или любительской работы. Производственная работа требует интенсивной резки в течение длительного периода времени и обычно выделяет больше тепла, чем может удалить воздушное охлаждение. Вместо того, чтобы приостанавливать производство, пока инструмент остывает, использование жидкой СОЖ значительно быстрее отводит больше тепла, а также может ускорить резание и уменьшить трение и износ инструмента.

Однако нагревается не только инструмент, но и рабочая поверхность. Чрезмерная температура инструмента или рабочей поверхности может испортить их качество , размягчить до точки бесполезности или выхода из строя, сжечь прилегающий материал, создать нежелательное тепловое расширение или привести к нежелательным химическим реакциям, таким как окисление .

Смазка

Помимо охлаждения, смазочно-охлаждающие жидкости также способствуют процессу резания, смазывая поверхность раздела между режущей кромкой инструмента и стружкой. Предотвращая трение на этом интерфейсе, можно предотвратить часть выделения тепла. Эта смазка также помогает предотвратить приваривание стружки к инструменту, что может помешать последующей резке.

СОЖ также могут способствовать снижению сил резания за счет эффекта Ребиндера .

В СОЖ часто добавляют противозадирные присадки для дальнейшего снижения износа инструмента.

Способы доставки

Можно использовать любой мыслимый метод нанесения СОЖ (например, заливку, распыление, капание, распыление, кисть), причем лучший выбор зависит от применения и имеющегося оборудования. Для многих операций резки металлов идеалом уже давно является нагнетание большого объема под высоким давлением, чтобы нагнетать поток жидкости (обычно водомасляной эмульсии) непосредственно в границу раздела инструмент-стружка, со стенками вокруг станка, чтобы удерживать брызги и поддон для сбора, фильтрации и рециркуляции жидкости. Этот тип системы широко используется, особенно в производстве. Часто это непрактичный вариант для технического обслуживания, ремонта и капитального ремонта, а также для любительской резки металла, когда используются более мелкие и простые станки. К счастью, в этом нет необходимости и в тех случаях, когда интенсивная резка, агрессивные скорости и подачи , а также постоянная резка в течение всего дня не являются жизненно важными.

Поскольку технологии постоянно развиваются, парадигма наводнения больше не всегда является явным победителем. С 2000-х годов он был дополнен новыми вариантами подачи жидкости, аэрозоля и газа, такими как смазка минимальным количеством и криогенное охлаждение через кончик инструмента (подробно ниже).

подачи СОЖ через инструмент Системы , также известные как системы подачи СОЖ через шпиндель , представляют собой системы, предназначенные для подачи СОЖ через каналы внутри шпинделя и через инструмент непосредственно к интерфейсу резания. Многие из них также представляют собой системы охлаждающей жидкости высокого давления , в которых рабочее давление может составлять от сотен до нескольких тысяч фунтов на квадратный дюйм (от 1 до 30 МПа ) - давление, сравнимое с давлением, используемым в гидравлических контурах. Для систем подачи СОЖ под высоким давлением, проходящих через шпиндель, требуются ротационные соединения , способные выдерживать такое давление. Сверла и концевые фрезы, предназначенные для этого применения, имеют на кромках небольшие отверстия, откуда выходит СОЖ. В различных типах артиллерийских учений также используются аналогичные устройства.

Типы

Жидкости

Обычно существует три типа жидкостей: минеральные, полусинтетические и синтетические. Полусинтетические и синтетические смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой попытку объединить лучшие свойства масла с лучшими свойствами воды путем суспендирования эмульгированного масла на водной основе. К этим свойствам относятся: ингибирование ржавчины, устойчивость к широкому диапазону жесткости воды (поддержание стабильности pH от 9 до 10), способность работать со многими металлами, устойчивость к термическому разрушению и экологическая безопасность.

Вода является хорошим проводником тепла, но имеет недостатки в качестве смазочно-охлаждающей жидкости. Он легко закипает, способствует ржавлению деталей машин, плохо смазывает. Следовательно, для создания оптимальной смазочно-охлаждающей жидкости необходимы другие ингредиенты.

Минеральные масла на нефтяной основе впервые начали использоваться при резке в конце 19 века. Они варьируются от густых, темных, богатых серой смазочно-охлаждающих жидкостей, используемых в тяжелой промышленности, до легких, прозрачных масел.

Полусинтетические охлаждающие жидкости, называемые также растворимыми маслами , представляют собой эмульсию или микроэмульсию воды с минеральным маслом. В мастерских, использующих британский английский, растворимое масло в просторечии известно как SUDS . Они начали использоваться в 1930-х годах. Типичный станок с ЧПУ обычно использует эмульгированную охлаждающую жидкость, которая состоит из небольшого количества масла, эмульгированного в большее количество воды с помощью моющего средства.

Синтетические охлаждающие жидкости появились в конце 1950-х годов и обычно имеют водную основу.

Официальным методом измерения концентрации масла в пробах СОЖ является ручное титрование : 100 мл испытуемой жидкости титруют 0,5 М раствором HCl до конечной точки pH 4, а объем титранта, использованный для достижения конечной точки, используется для расчета концентрации масла. Этот метод является точным и не зависит от загрязнения жидкости, но его должен выполнять обученный персонал в лабораторных условиях. Ручной рефрактометр — это промышленный стандарт, используемый для определения соотношения смешивания водорастворимых охлаждающих жидкостей. который оценивает концентрацию нефти по показателю преломления образца, измеренному по шкале Брикса . Рефрактометр позволяет проводить измерения концентрации нефти на месте 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 ультразвука скорости . Другое испытательное оборудование используется для определения таких свойств, как кислотность и проводимость.

Другие включают:

• Керосин и медицинский спирт часто дают хорошие результаты при работе с алюминием .
• WD-40 и масло 3-в-одном хорошо работают с различными металлами. Последний имеет запах цитронеллы; если запах неприятен, минеральное масло и смазочные масла общего назначения действуют примерно одинаково.
• Way Oil (масло, предназначенное для направляющих станков) действует как смазочно-охлаждающее масло. Фактически, некоторые винтовые станки предназначены для использования одного масла и в качестве рабочего, и в качестве смазочно-охлаждающего масла. (Большинство станков рассматривают смазку и охлаждающую жидкость как отдельные вещи, которые неизбежно смешиваются во время использования, что приводит к использованию скиммеров для удаления остатков масла для их обратного отделения.)
• Моторные масла имеют несколько сложные отношения со станками. Можно использовать прямые моторные масла без моющих присадок, и фактически масла SAE 10 и 20 были рекомендованными маслами для шпинделей и направляющих (соответственно) на ручных станках несколько десятилетий назад, хотя в настоящее время в промышленной механической обработке преобладают специальные формулы масел. Хотя почти все моторные масла могут действовать как адекватные смазочно-охлаждающие жидкости только с точки зрения их режущих характеристик, лучше избегать использования современных многокомпонентных моторных масел с моющими средствами и другими присадками. Эти добавки могут вызвать коррозию меди на латуни и бронзе, которые часто присутствуют в подшипниках и гайках ходовых винтов станков (особенно старых или ручных станков).
• Диэлектрическая жидкость используется в качестве смазочно-охлаждающей жидкости в электроэрозионных станках (ЭЭР). Обычно это деионизированная вода или керосин с высокой температурой вспышки . Интенсивное тепло генерируется в результате режущего действия электрода (или проволоки), а жидкость используется для стабилизации температуры заготовки, а также для смывания любых эродированных частиц из непосредственной рабочей зоны. Диэлектрическая жидкость не проводит ток.
• Водяные столы с жидкостным охлаждением (водой или нефтяным маслом) используются в процессе плазменно-дуговой резки (PAC).
• В качестве смазки используется масло Neatsfoot высшего сорта. Применяется в металлообрабатывающей промышленности в качестве смазочно-охлаждающей жидкости для алюминия. Для обработки, нарезания резьбы и сверления алюминия он превосходит керосин и различные смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе.

Пасты или гели

СОЖ может также принимать форму пасты или геля при использовании в некоторых целях, в частности при ручных операциях, таких как сверление и нарезание резьбы . При распиливании металла ленточной пилой принято периодически наносить на лезвие пасту. Этот продукт по форм-фактору похож на губную помаду или пчелиный воск. Он поставляется в картонной тубе, которая медленно расходуется при каждом применении.

Аэрозоли (туманы)

Некоторые смазочно-охлаждающие жидкости используются в форме аэрозоля (тумана) (воздух с разбросанными повсюду крошечными каплями жидкости). Основная проблема с туманами заключалась в том, что они довольно вредны для рабочих, которым приходится дышать окружающим воздухом, испорченным туманом, и что иногда они даже не очень хорошо работают. Обе эти проблемы возникают из-за неточной подачи, из-за которой туман часто попадает повсюду и все время, за исключением места резки, во время резки — того единственного места и времени, где это необходимо. Однако появилась новая форма доставки аэрозоля. MQL (минимальное количество смазки), позволяет избежать обеих этих проблем. Доставка аэрозоля осуществляется непосредственно через канавки инструмента (он поступает непосредственно через саму пластину или вокруг нее — идеальный тип подачи СОЖ, который традиционно был недоступен за пределами некоторых контекстов, таких как ружейное сверление или дорогостоящее государственное оборудование). современная подача жидкости при производстве помола). Аэрозоль MQL доставляется настолько точно (как по месту, так и по времени), что конечный эффект с точки зрения операторов выглядит почти как сухая обработка. Стружка обычно выглядит как стружка, полученная сухой обработкой, не требующая слива, а воздух настолько чистый, что обрабатывающие ячейки можно расположить ближе к местам проверки и сборки, чем раньше. MQL не обеспечивает сильного охлаждения с точки зрения теплопередачи, но его целенаправленное смазочное действие в первую очередь предотвращает выделение некоторой части тепла, что помогает объяснить его успех.

СО ₂ охлаждающая жидкость

углекислый газ (химическая формула CO ₂ также используется В качестве теплоносителя ) . В этом случае жидкий CO ₂ под давлением расширяется, что сопровождается падением температуры, достаточным для перехода из фазы в твердое вещество. Эти твердые кристаллы перенаправляются в зону резки либо с помощью внешних сопел, либо через шпиндель, чтобы обеспечить охлаждение режущего инструмента и заготовки с контролируемой температурой.

Воздух или другие газы (например, азот)

Окружающий воздух, конечно же, был исходной охлаждающей жидкостью для обработки. Сжатый воздух, подаваемый по трубам и шлангам от воздушного компрессора и выбрасываемый из сопла, направленного на инструмент, иногда является полезным охлаждающим агентом. Сила декомпрессионного воздушного потока сдувает стружку, а сама декомпрессия оказывает небольшое охлаждающее действие. Конечным результатом является то, что тепло от реза отводится немного лучше, чем только окружающий воздух. Иногда в поток воздуха добавляются жидкости для образования тумана (системы охлаждения туманом, описанные выше ).

Жидкий азот , поставляемый в стальных баллонах под давлением, иногда используется аналогичным образом. В этом случае достаточно кипячения, чтобы обеспечить мощный охлаждающий эффект. В течение многих лет это делалось (в ограниченных случаях) путем затопления рабочей зоны. С 2005 года этот режим подачи СОЖ применяется аналогично MQL (с подачей через шпиндель и через режущую кромку инструмента). При этом корпус и кончики инструмента охлаждаются до такой степени, что действуют как «термальная губка», забирая тепло из интерфейса инструмент-чип. Этот новый тип азотного охлаждения все еще находится под патентом. Срок службы инструмента увеличился в 10 раз при фрезеровании твердых металлов, таких как титан и инконель .

Альтернативно, использование воздушного потока в сочетании с быстро испаряющимися веществами (например, спиртом, водой и т. д.) может использоваться в качестве эффективного охлаждающего средства при работе с горячими деталями, которые невозможно охладить альтернативными методами.

Прошлая практика

• В механической обработке XIX века нередко использовалась простая вода. Это был просто практический способ сохранить фрезу прохладной, независимо от того, обеспечивала ли она какую-либо смазку на границе раздела режущая кромка-стружка. Если учесть, что быстрорежущая сталь (HSS) еще не была разработана, необходимость охлаждения инструмента становится еще более очевидной. (HSS сохраняет свою твердость при высоких температурах, в отличие от других углеродистых инструментальных сталей.) Улучшением стала содовая вода ( бикарбонат натрия в воде), которая лучше подавляла ржавление направляющих машины. Сегодня эти варианты обычно не используются, поскольку доступны более эффективные альтернативы.
• Животные жиры, такие как жир или сало, были очень популярны в прошлом. Сегодня они используются нечасто из-за большого разнообразия других вариантов, но остаются в качестве опции.
• В старых учебниках для механических мастерских говорится об использовании свинцового сурика и свинцовых белил , часто смешанных с салом или сальным маслом. Эта практика устарела из-за токсичности свинца.
• С середины 20-го века до 1990-х годов 1,1,1-трихлорэтан использовался в качестве добавки для повышения эффективности некоторых смазочно-охлаждающих жидкостей. На цеховом сленге это называлось «один-один». От него отказались из-за его озоноразрушающих и угнетающих действие на центральную нервную систему свойств.

Проблемы безопасности

Смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой некоторые механизмы, вызывающие заболевания или травмы у рабочих. Профессиональное воздействие связано с увеличением сердечно-сосудистых заболеваний . Эти механизмы основаны на внешнем (кожном) или внутреннем контакте при механической обработке, в том числе касании деталей и оснастки; попадание брызг или брызг жидкости; или когда туман оседает на коже или попадает в рот и нос при нормальном дыхании .

Механизмы включают химическую токсичность или физическую раздражающую способность:

• сама жидкость
• металлические частицы (от предыдущей резки), попавшие в жидкость
• бактериальные популяции , или грибковые которые естественным образом имеют тенденцию к росту в жидкости с течением времени.
• биоциды , которые добавляются для подавления этих форм жизни
• ингибиторы коррозии , которые добавляются для защиты машины и инструментов.
• посторонние масла , образующиеся в результате того, что масла (смазочные материалы для направляющих) неизбежно попадают в охлаждающую жидкость

Токсичность или раздражающая способность обычно невелика, но иногда ее достаточно, чтобы вызвать проблемы с кожей или тканями дыхательных или пищеварительных путей (например, рта, гортани, пищевода, трахеи или легких).

Некоторые из диагнозов, которые могут возникнуть в результате объясненных выше механизмов, включают раздражающий контактный дерматит ; аллергический контактный дерматит ; профессиональные прыщи ; трахеит ; эзофагит ; бронхит ; астма ; аллергия ; гиперчувствительный пневмонит (ГП); и ухудшение ранее существовавших респираторных проблем.

Более безопасные составы смазочно-охлаждающих жидкостей обеспечивают устойчивость к посторонним маслам, что позволяет улучшить фильтрацию без удаления базового пакета присадок. Вентиляция помещений , брызговики на машинах и средства индивидуальной защиты (СИЗ) (такие как защитные очки , респираторные маски и перчатки ) могут снизить риски, связанные с смазочно-охлаждающими жидкостями. Кроме того, скиммеры можно использовать для удаления постороннего масла с поверхности смазочно-охлаждающей жидкости, что предотвращает рост микроорганизмов.

Рост бактерий преобладает в смазочно-охлаждающих жидкостях на нефтяной основе. Непригодное масло, а также масло человеческих волос или кожи представляют собой часть мусора во время стрижки, который накапливается и образует слой поверх жидкости; Анаэробные бактерии размножаются под действием ряда факторов. Ранним признаком необходимости замены является «запах понедельника-утра» (из-за отсутствия использования с пятницы по понедельник). антисептики Иногда в жидкость добавляют для уничтожения бактерий. Такое использование должно быть сбалансировано с учетом того, нанесут ли антисептики вред производительности резки, здоровью работников или окружающей среде. Поддержание минимально возможной температуры жидкости замедлит рост микроорганизмов. Некоторые регулирующие органы по охране труда и технике безопасности (например, HSE в Соединенном Королевстве) требуют еженедельного тестирования жидкостей для металлообработки, чтобы поддерживать их работоспособность. Эти тесты включают проверку уровня бактериальных КОЕ/мл MWF (с использованием Dipslides ) и уровня pH с помощью pH-метра или тест-полосок pH (поскольку низкий уровень pH может быть вызван высоким уровнем бактерий).

Разложение, замена и утилизация

СОЖ со временем портятся из-за попадания загрязнений в систему смазки. Распространенным типом деградации является образование постороннего масла , также известного как отстойное масло , которое представляет собой нежелательное масло, смешанное со смазочно-охлаждающей жидкостью. Оно возникает в виде смазочного масла, которое просачивается из направляющих и смывается смесью охлаждающей жидкости, в виде защитной пленки, которой поставщик стали покрывает пруток для предотвращения ржавчины, или в виде утечек гидравлического масла. В крайних случаях это можно увидеть в виде пленки или корки на поверхности охлаждающей жидкости или в виде плавающих капель масла.

Скиммеры используются для отделения постороннего масла от охлаждающей жидкости. Обычно это медленно вращающиеся вертикальные диски, частично погруженные ниже уровня охлаждающей жидкости в основном резервуаре. Когда диск вращается, постороннее масло прилипает к каждой стороне диска и счищается двумя дворниками, прежде чем диск снова пройдет через охлаждающую жидкость. Дворники имеют форму канала, который затем перенаправляет постороннее масло в контейнер, где оно собирается для утилизации. Плавающие скиммеры также используются в тех ситуациях, когда температура или количество нефти в воде становятся чрезмерными.

С появлением присадок CNC посторонние масла в этих системах можно контролировать более эффективно за счет непрерывного эффекта отделения. Накопление постороннего 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, если она зловонна или химически разложилась и потеряла свою полезность. Как и в случае с отработанным моторным маслом или другими отходами, его воздействие на окружающую среду должно быть смягчено. Законодательство и нормативные акты определяют, как должно быть достигнуто такое смягчение последствий. Современная утилизация смазочно-охлаждающей жидкости включает в себя такие методы, как ультрафильтрация с использованием полимерных или керамических мембран, которая концентрирует взвешенную и эмульгированную масляную фазу.

Обработка стружки и управление СОЖ взаимосвязаны. За десятилетия они усовершенствовались до такой степени, что на многих металлообрабатывающих предприятиях теперь используются инженерные решения для общего цикла сбора, разделения и переработки как стружки, так и СОЖ. Например, стружка сортируется по размеру и типу, примеси металлов (например, болты и детали) отделяются, охлаждающая жидкость центрифугируется от стружки (которая затем высушивается для дальнейшей обработки) и так далее.

Ссылки

Библиография

• Хартнесс, Джеймс (1915), Руководство по токарному станку с плоской револьверной головкой Hartness: Справочник для операторов , Спрингфилд, Вермонт и Лондон: Jones & Lamson Machine Company
• Смид, Питер (2010), Настройка управления ЧПУ для фрезерования и токарной обработки , Нью-Йорк: Industrial Press, ISBN  978-0831133504 , LCCN   2010007023 .

Внешние ссылки

• Жидкости для металлообработки - NIOSH Тема безопасности и гигиены труда - Национальный институт безопасности и гигиены труда