Введение

Охлаждающие и смазочные материалы, используемые в металлообработке

Режущая жидкость – это тип охлаждающей и смазочной жидкости, разработанный специально для металлообрабатывающих процессов, таких как механическая обработка и штамповка. Существуют различные виды режущих жидкостей, включая масла, эмульсии масла в воде, пасты, гели, аэрозоли (туманы) и воздух или другие газы. Режущие жидкости изготавливаются из нефтяных дистиллятов, животных жиров, растительных масел, воды и воздуха или других видов сырья. В зависимости от контекста и типа режущей жидкости, она может называться режущей жидкостью, режущим маслом, режущей смесью, охлаждающей жидкостью или смазочным материалом. Большинство процессов металлообработки и механической обработки могут получить выгоду от использования режущей жидкости, в зависимости от материала заготовки. Распространенными исключениями являются чугун и латунь, которые можно обрабатывать без жидкости (хотя это не относится ко всем маркам латуни, и любая обработка латуни, вероятно, будет более эффективной при использовании режущей жидкости). Важные свойства хорошей режущей жидкости включают:
Поддержание стабильной температуры заготовки (что критически важно при работе с жесткими допусками). Допускается значительное нагревание, но следует избегать чрезмерного нагрева или резких перепадов температуры. Максимизация срока службы режущего инструмента за счет смазывания режущей кромки и снижения прилипания стружки. Обеспечение безопасности для персонала, работающего с ней (токсичность, бактерии, грибки), и для окружающей среды при утилизации. Предотвращение коррозии деталей станков и режущего инструмента.

Охлаждение

При резке металла выделяется тепло из-за трения и энергии, затраченной на деформацию материала. Окружающий воздух обладает низкой теплопроводностью (плохо проводит тепло), что делает его неэффективным охладителем. Охлаждение окружающим воздухом иногда достаточно для небольших резов и коротких циклов работы, характерных для технического обслуживания, ремонта и эксплуатации (MRO) или хобби. Производственные работы требуют интенсивной резки в течение длительного времени и обычно генерируют больше тепла, чем может отвести воздушное охлаждение. Вместо остановки производства для охлаждения инструмента, использование жидкого охлаждающего агента позволяет значительно быстрее и эффективнее отводить тепло, а также может ускорить резку и снизить трение и износ инструмента. Однако нагреваются не только инструмент, но и поверхность заготовки. Превышение температуры инструмента или поверхности заготовки может изменить их структуру, размягчить их до состояния непригодности или поломки, привести к возгоранию соседних материалов, вызвать нежелательное тепловое расширение или нежелательные химические реакции, такие как окисление.

Смазка

Кроме охлаждения, режущие жидкости также способствуют процессу резания, смазывая контакт между режущей кромкой инструмента и стружкой. Предотвращая трение в этой зоне контакта, удается снизить образование тепла. Эта смазка также помогает предотвратить налипание стружки на инструмент, что могло бы помешать последующей обработке. Режущие жидкости могут также способствовать снижению режущих усилий благодаря эффекту Ребиндера. Для дальнейшего уменьшения износа инструмента в режущие жидкости часто добавляют противоизносные присадки, работающие под высоким давлением.

Способы доставки

Можно использовать любой мыслимый способ подачи охлаждающей жидкости (например, затопление, распыление, капельное охлаждение, туманообразование, нанесение кистью), при этом оптимальный выбор зависит от конкретной задачи и доступного оборудования. Для многих операций резки металла долгое время идеальным считалась подача жидкости под высоким давлением и с большим расходом, чтобы направить поток жидкости (обычно эмульсию масла в воде) непосредственно в зону контакта инструмента и стружки, с защитными стенками вокруг станка для предотвращения разбрызгивания и резервуаром для сбора, фильтрации и повторного использования жидкости. Эта система широко применяется, особенно в промышленном производстве. Однако она часто непрактична для обслуживания, ремонта и модернизации, а также для любительского резания металла, где используются небольшие и простые станки. К счастью, она и не требуется в этих случаях, когда не нужны глубокие резы, агрессивные скорости и подача, а также непрерывная работа в течение всего дня. По мере развития технологий, традиционная система затопления уже не всегда является безусловным лидером. С 2000-х годов она дополняется новыми способами подачи жидкости, аэрозолей и газов, такими как минимальное количество смазки и криогенное охлаждение через наконечник инструмента (описано ниже). Системы подачи охлаждающей жидкости через инструмент, также известные как системы подачи охлаждающей жидкости через шпиндель, представляют собой системы, предназначенные для подачи охлаждающей жидкости через каналы внутри шпинделя и инструмента непосредственно в зону резания. Многие из них также являются системами охлаждения под высоким давлением, в которых рабочее давление может составлять от сотен до нескольких тысяч фунтов на квадратный дюйм (от 1 до 30 МПа) – давление, сопоставимое с давлением в гидравлических системах. Системы охлаждения через шпиндель под высоким давлением требуют вращающихся соединений, способных выдерживать такое давление. Сверла и концевые фрезы, предназначенные для использования с такими системами, имеют небольшие отверстия на режущих кромках, через которые подается охлаждающая жидкость. Аналогичные устройства используются и в различных типах протяжных сверл.

Пасты или гели

Жидкость для резки также может использоваться в виде пасты или геля для некоторых применений, особенно при ручных операциях, таких как сверление и нарезание резьбы. При распиловке металла ленточной пилой часто периодически проводят бруском пасты по полотну. Этот продукт по форме напоминает помаду или пчелиный воск и поставляется в картонном тюбике, который постепенно расходуется при каждом использовании.

Аэрозоли (туман)

Некоторые режущие жидкости используются в виде аэрозоля (воздуха с мельчайшими капельками жидкости, рассеянными в нем). Основные проблемы, связанные с использованием тумана, заключаются в его вредном воздействии на рабочих, вынужденных вдыхать загрязненный им воздух, а также в его невысокой эффективности. Обе эти проблемы возникают из-за неточной подачи, которая часто приводит к распылению тумана повсюду и постоянно, за исключением зоны резания – единственного места и момента, где он необходим. Однако, более современный способ подачи аэрозоля (минимальное количество смазочного материала) позволяет избежать обеих этих проблем. Подача аэрозоля осуществляется непосредственно через канавки инструмента (он подается прямо через или вокруг режущей пластины – идеальный способ подачи режущей жидкости, который ранее был недоступен вне отдельных областей применения, таких как глубокое сверление или дорогостоящие, передовые системы подачи жидкости при фрезеровании). Аэрозоль MQL подается настолько точно (как по местоположению, так и по времени), что оператору кажется, будто выполняется сухая обработка.

Воздух или другие газы (например, азот)

Окружающий воздух, конечно, был первоначальным охладителем при обработке. Сжатый воздух, подаваемый по трубам и шлангам от воздушного компрессора и выходящий из сопла, направленного на инструмент, иногда является полезным охладителем. Сила расширяющегося воздушного потока удаляет стружку, а само расширение оказывает небольшое охлаждающее действие. В результате тепло, выделяемое при резании, отводится несколько лучше, чем только окружающим воздухом. Иногда в воздушный поток добавляют 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 кипения для обеспечения мощного холодильного эффекта. На протяжении многих лет это делалось (в ограниченных применениях) путем затопления рабочей зоны. С 2005 года этот способ охлаждения стал применяться аналогично MQL (с подачей через шпиндель и через наконечник инструмента). Это охлаждает корпус и режущие кромки инструмента до такой степени, что он действует как «тепловой поглотитель», отводя тепло от зоны контакта инструмента и стружки. Этот новый тип азотного охлаждения все еще запатентован. Срок службы инструмента увеличился в 10 раз при фрезеровании твердых металлов, таких как титан и инконель. Сегодня они используются нечасто из-за широкого выбора альтернатив, но остаются возможным вариантом. В старых учебниках по машиностроению упоминается использование красного свинца и белого свинца, часто смешанных с животным жиром или жировым 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. В цеховом сленге его называли «один-один-один». От него отказались из-за его разрушающего воздействия на озоновый слой и угнетающего действия на центральную нервную систему.

Разложение, замена и утилизация

Со временем режущая жидкость деградирует из-за попадания в систему смазки загрязнителей. Распространенным типом деградации является образование нежелательного масла, также известного как масло-свалка или масло-примесь, которое смешивается с режущей жидкостью. Оно образуется из смазочного масла, просачивающегося из направляющих скольжения и попадающего в смесь охлаждающей жидкости, из защитной пленки, которой поставщик стали покрывает заготовки для предотвращения коррозии, или из утечек гидравлического масла. В крайних случаях это можно увидеть в виде пленки или корки на поверхности охлаждающей жидкости, либо в виде плавающих капель масла. Для отделения масла-примеси от охлаждающей жидкости используются скиммеры. Обычно это медленно вращающиеся вертикальные диски, частично погруженные в охлаждающую жидкость в главном резервуаре. При вращении диска масло-примесь прилипает к обеим его сторонам и удаляется двумя скребками, прежде чем диск снова погрузится в охлаждающую жидкость. Скребки выполнены в виде канала, который перенаправляет масло-примесь в контейнер для сбора и последующей утилизации. Плавающие скиммеры также используются в ситуациях, когда температура или количество масла на поверхности охлаждающей жидкости становятся чрезмерными. С момента внедрения добавок для станков с ЧПУ, масло-примесь в этих системах можно более эффективно контролировать благодаря непрерывному эффекту разделения. Накопившееся масло-примесь отделяется от водной или масляной охлаждающей жидкости и может быть легко удалено с помощью абсорбента. Старую, отработанную режущую жидкость необходимо утилизировать, когда она приобретает неприятный запах или химически разлагается и теряет свои свойства. Как и в случае с отработанным моторным маслом или другими отходами, необходимо минимизировать ее воздействие на окружающую среду. Законодательство и нормативные акты определяют способы достижения этой минимизации. Современная утилизация режущей жидкости включает в себя такие методы, как ультрафильтрация с использованием полимерных или керамических мембран, которая концентрирует взвешенную и эмульгированную фазу масла. Обработка стружки и управление охлаждающей жидкостью взаимосвязаны. За десятилетия они были усовершенствованы, и теперь многие металлообрабатывающие предприятия используют специализированные решения для полного цикла сбора, разделения и переработки как стружки, так и охлаждающей жидкости. Например, стружка сортируется по размеру и типу, из нее удаляются посторонние металлические предметы (такие как болты и обрезки), охлаждающая жидкость отделяется от стружки центрифугированием (которая затем сушится для дальнейшей обработки) и так далее.