Fluido de corte - Cutting fluid

Fresamento de parede fina de alumínio usando um fluido de corte à base de água na fresa .

O fluido de corte é um tipo de refrigerante e lubrificante concebido especificamente para acabamento de metais processos, tais como a usinagem e estampagem. Existem vários tipos de fluidos de corte, que incluem óleos, emulsões óleo-água , pastas, géis, aerossóis (névoas) e ar ou outros gases. Os fluidos de corte são feitos de destilados de petróleo, gorduras animais , óleos vegetais , água e ar ou outros ingredientes crus. Dependendo do contexto, e em que o tipo de fluido de corte está a ser considerado, que pode ser referido como o fluido de corte , óleo de corte , cortando composto , do líquido de arrefecimento , ou lubrificante .

A maioria dos processos de usinagem e metalurgia pode se beneficiar do uso de fluido de corte, dependendo do material da peça. As exceções comuns são o ferro fundido e o latão , que podem ser usinados a seco (embora isso não seja verdade para todos os latões, e qualquer usinagem de latão provavelmente se beneficiará da presença de um fluido de corte).

As propriedades que são procuradas em um bom fluido de corte são a capacidade de:

  • Mantenha a peça de trabalho a uma temperatura estável (crítico ao trabalhar com tolerâncias estreitas ). Muito quente é aceitável, mas extremamente quente ou alternando entre quente e frio são evitados.
  • Maximize a vida útil da ponta de corte lubrificando a aresta de trabalho e reduzindo a soldagem da ponta .
  • Garantir a segurança das pessoas que o manuseiam (toxicidade, bactérias, fungos) e do meio ambiente no momento do descarte.
  • Evite a ferrugem nas peças da máquina e cortadores.

Função

Resfriamento

O corte de metal gera calor devido ao atrito e perda de energia deformando o material. O ar circundante tem baixa condutividade térmica (conduz mal o calor), o que significa que é um líquido refrigerante pobre. O resfriamento do ar ambiente às vezes é adequado para cortes leves e ciclos de trabalho baixos, típicos de manutenção, reparo e operações (MRO) ou trabalho amador. O trabalho de produção requer corte pesado por longos períodos de tempo e normalmente produz mais calor do que o resfriamento a ar pode remover. Em vez de pausar a produção enquanto a ferramenta esfria, o uso de refrigerante líquido remove significativamente mais calor mais rapidamente e também pode acelerar o corte e reduzir o atrito e o desgaste da ferramenta.

No entanto, não é apenas a ferramenta que aquece, mas também a superfície de trabalho. A temperatura excessiva na ferramenta ou superfície de trabalho pode arruinar o temperamento de ambas, amolecer a ponto de inutilizá-la ou falhar, queimar o material adjacente, criar expansão térmica indesejada ou levar a reações químicas indesejadas, como oxidação .

Lubrificação

Além do resfriamento, os fluidos de corte também auxiliam no processo de corte, lubrificando a interface entre a aresta de corte da ferramenta e o cavaco. Ao evitar o atrito nesta interface, parte da geração de calor é evitada. Essa lubrificação também ajuda a evitar que os cavacos sejam soldados na ferramenta, o que poderia interferir no corte subsequente.

Aditivos de extrema pressão são frequentemente adicionados aos fluidos de corte para reduzir ainda mais o desgaste da ferramenta.

métodos de entrega

Todos os métodos concebíveis de aplicação de fluido de corte (por exemplo, inundação, pulverização, gotejamento, nebulização, escovação) podem ser usados, com a melhor escolha dependendo da aplicação e do equipamento disponível. Para muitas aplicações de corte de metal, o ideal tem sido o bombeamento de alta pressão e alto volume para forçar um fluxo de líquido (geralmente uma emulsão de óleo-água) diretamente na interface do chip da ferramenta, com paredes ao redor da máquina para conter os respingos e um reservatório para coletar, filtrar e recircular o fluido. Esse tipo de sistema é comumente empregado, principalmente na manufatura. Freqüentemente, não é uma opção prática para manutenção, reparo e revisão ou usinagem de metal amador, onde máquinas-ferramentas menores e mais simples são usadas. Felizmente, também não é necessário nessas aplicações, onde cortes pesados, velocidades e avanços agressivos e corte constante durante todo o dia não são vitais.

Como a tecnologia avança continuamente, o paradigma de inundação não é mais o vencedor claro. Ele tem sido complementado desde os anos 2000 por novas permutações de fornecimento de líquido, aerossol e gás, como lubrificação por quantidade mínima e resfriamento criogênico através da ponta da ferramenta (detalhado abaixo).

Os sistemas de refrigeração através da ferramenta , também conhecidos como sistemas de refrigeração através do fuso , são sistemas canalizados para fornecer refrigeração através das passagens dentro do fuso e através da ferramenta, diretamente para a interface de corte. Muitos deles também são sistemas de refrigeração de alta pressão , nos quais a pressão operacional pode ser de centenas a vários milhares de psi (1 a 30  MPa ) - pressões comparáveis ​​às usadas em circuitos hidráulicos . Os sistemas de refrigeração através do fuso de alta pressão requerem uniões rotativas que podem suportar essas pressões. Brocas e fresas de topo feitas sob medida para esse uso têm pequenos orifícios nas bordas por onde o refrigerante é expelido. Vários tipos de brocas de canhão também usam arranjos semelhantes.

Tipos

Líquidos

Geralmente, existem três tipos de líquidos: minerais, semissintéticos e sintéticos. Os fluidos de corte semissintéticos e sintéticos representam tentativas de combinar as melhores propriedades do óleo com as melhores propriedades da água, suspendendo o óleo emulsionado em uma base de água. Essas propriedades incluem: inibição de ferrugem, tolerância a uma ampla faixa de dureza da água (mantendo a estabilidade do pH em torno de 9 a 10), capacidade de trabalhar com muitos metais, resistência ao colapso térmico e segurança ambiental.

A água é um bom condutor de calor, mas tem desvantagens como fluido de corte. Ferve com facilidade, causa ferrugem nas peças da máquina e não lubrifica bem. Portanto, outros ingredientes são necessários para criar um fluido de corte ideal.

Os óleos minerais , à base de petróleo, foram usados ​​pela primeira vez em aplicações de corte no final do século XIX. Eles variam de óleos de corte espessos, escuros e ricos em enxofre usados ​​na indústria pesada até óleos claros e claros.

Os refrigerantes semissintéticos, também chamados de óleo solúvel , são uma emulsão ou microemulsão de água com óleo mineral. Em oficinas que usam o óleo solúvel do inglês britânico, o óleo solúvel é coloquialmente conhecido como SUDS . Estes começaram a ser usados ​​na década de 1930. Uma máquina-ferramenta CNC típica geralmente usa refrigerante emulsificado, que consiste em uma pequena quantidade de óleo emulsionado em uma quantidade maior de água por meio do uso de um detergente.

Os refrigerantes sintéticos surgiram no final da década de 1950 e geralmente são à base de água.

A técnica oficial para medir a concentração de óleo em amostras de fluido de corte é a titulação manual : 100ml do fluido em teste é titulado com uma solução de HCl 0,5 M até um ponto final de pH 4 e o volume de titulante usado para atingir o ponto final é usado para calcular o concentração de óleo. Esta técnica é precisa e não é afetada pela contaminação do fluido, mas precisa ser realizada por pessoal treinado em um ambiente de laboratório. Um refratômetro portátil é o padrão industrial usado para determinar a proporção da mistura de refrigerantes solúveis em água que estima a concentração de óleo a partir do índice de refração da amostra medido na escala Brix . O refratômetro permite medições in situ da concentração de óleo em plantas industriais. No entanto, a contaminação da amostra reduz a precisão da medida. Outras técnicas são usadas para medir a concentração de óleo em fluidos de corte, como medição da viscosidade do fluido , densidade e velocidade de ultrassom . Outro equipamento de teste é usado para determinar propriedades como acidez e condutividade.

Outros incluem:

  • Querosene e álcool isopropílico costumam dar bons resultados quando se trabalha com alumínio .
  • O óleo WD-40 e 3-em-um funcionam bem em vários metais. Este último tem odor de citronela; se o odor ofender, o óleo mineral e os óleos lubrificantes de uso geral funcionam da mesma forma.
  • O óleo para vias (o óleo feito para vias de máquinas-ferramenta) funciona como um óleo de corte. Na verdade, algumas máquinas de parafuso são projetadas para usar um óleo como óleo de passagem e óleo de corte. (A maioria das máquinas-ferramenta trata o lubrificante e o líquido de arrefecimento como coisas separadas que inevitavelmente se misturam durante o uso, o que leva ao uso de escumadores de óleo residual para separá-los novamente.)
  • Os óleos de motor têm uma relação um pouco complicada com as máquinas-ferramentas. Óleos de motor não detergentes de peso puro são utilizáveis ​​e, de fato, os óleos SAE 10 e 20 costumavam ser os óleos de fuso e caminho recomendados (respectivamente) em máquinas-ferramentas manuais décadas atrás, embora hoje em dia as fórmulas de óleo de modo dedicado predominem na usinagem comercial. Embora quase todos os óleos de motor possam atuar como fluidos de corte adequados apenas em termos de desempenho de corte, é melhor evitar os óleos modernos de motor multipeso com detergentes e outros aditivos. Esses aditivos podem apresentar uma preocupação com a corrosão do cobre para latão e bronze, que as máquinas-ferramenta costumam ter em seus rolamentos e porcas de parafuso (especialmente máquinas-ferramentas mais antigas ou manuais).
  • O fluido dielétrico é usado como fluido de corte em máquinas de descarga elétrica (EDMs). Geralmente é água deionizada ou um querosene de alto ponto de inflamação . O calor intenso é gerado pela ação de corte do eletrodo (ou fio) e o fluido é usado para estabilizar a temperatura da peça de trabalho, juntamente com a descarga de quaisquer partículas erodidas da área de trabalho imediata. O fluido dielétrico não é condutor.
  • Os lençóis freáticos resfriados por líquido (água ou óleo de petróleo) são usados ​​com o processo de corte por arco de plasma (PAC).
  • Óleo de Neatsfoot do mais alto grau é usado como lubrificante. É utilizado nas indústrias metalúrgicas como fluido de corte para alumínio. Para usinagem, rosqueamento e perfuração de alumínio, é superior ao querosene e vários fluidos de corte à base de água.

Pastas ou géis

O fluido de corte também pode assumir a forma de uma pasta ou gel quando usado para algumas aplicações, em operações manuais específicas, como perfuração e rosqueamento . Ao serrar metal com uma serra de fita , é comum passar periodicamente um pedaço de pasta contra a lâmina. Este produto é semelhante em fator de forma ao batom ou cera de abelha. É fornecido em tubo de papelão, que é consumido lentamente a cada aplicação.

Aerossóis (névoas)

Alguns fluidos de corte são usados ​​na forma de aerossol (névoa) (ar com pequenas gotas de líquido espalhadas por toda parte). Os principais problemas com as névoas são que são bastante ruins para os trabalhadores, que precisam respirar o ar contaminado pela névoa ao redor, e que às vezes nem funcionam muito bem. Ambos os problemas vêm da entrega imprecisa que muitas vezes coloca a névoa em todos os lugares e o tempo todo, exceto na interface de corte, durante o corte - o único lugar e hora em que é desejado. No entanto, uma nova forma de entrega de aerossol,MQL (quantidade mínima de lubrificante), evita ambos os problemas. A entrega do aerossol é diretamente através das estrias da ferramenta (chega diretamente através ou ao redor daprópria pastilha - um tipo ideal de entrega de fluido de corte que tradicionalmente não está disponível fora de alguns contextos, como perfuração de canhão ou caro entrega de líquido de última geração na moagem de produção). O aerossol da MQL é entregue de uma forma tão precisamente direcionada (com relação à localização e ao tempo) que o efeito líquido parece quase como usinagem a seco da perspectiva dos operadores. Os cavacos geralmente parecem cavacos usinados a seco, sem necessidade de drenagem, e o ar é tão limpo que as células de usinagem podem ser posicionadas mais perto da inspeção e montagem do que antes. O MQL não fornece muito resfriamento no sentido de transferência de calor, mas sua ação lubrificante bem direcionada evita que parte do calor seja gerado, o que ajuda a explicar seu sucesso.

CO 2 refrigerante

O dióxido de carbono (fórmula química CO 2 ) também é usado como refrigerante . Nesta aplicação, o CO 2 líquido pressurizado pode se expandir e isso é acompanhado por uma queda na temperatura, o suficiente para causar uma mudança de fase em um sólido. Esses cristais sólidos são redirecionados para a zona de corte por bicos externos ou através do fuso, para fornecer resfriamento com temperatura controlada da ferramenta de corte e da peça de trabalho.

Ar ou outros gases (por exemplo, nitrogênio)

O ar ambiente, é claro, era o refrigerante de usinagem original. O ar comprimido, fornecido através de tubos e mangueiras de um compressor de ar e descarregado de um bico direcionado à ferramenta, às vezes é um líquido refrigerante útil. A força da corrente de ar em descompressão remove os fragmentos e a própria descompressão tem um leve grau de ação de resfriamento. O resultado líquido é que o calor do corte de usinagem é dissipado um pouco melhor do que apenas o ar ambiente. Às vezes, líquidos são adicionados ao fluxo de ar para formar uma névoa (sistemas de refrigeração por névoa, descritos acima ).

O nitrogênio líquido , fornecido em garrafas de aço pressurizadas, às vezes é usado de maneira semelhante. Nesse caso, a fervura é suficiente para proporcionar um poderoso efeito refrigerante. Durante anos, isso foi feito (em aplicações limitadas) inundando a zona de trabalho. Desde 2005, este modo de refrigeração tem sido aplicado de maneira comparável ao MQL (com entrega através do fuso e através da ponta da ferramenta). Isso resfria o corpo e as pontas da ferramenta a tal ponto que ela atua como uma "esponja térmica", sugando o calor da interface ferramenta-chip. Este novo tipo de resfriamento de nitrogênio ainda está sob patente. A vida útil da ferramenta foi aumentada em um fator de 10 no fresamento de metais duros como titânio e inconel .

Alternativamente, o uso de fluxo de ar combinado com uma substância de evaporação rápida (ex. Álcool, água etc.) pode ser usado como um refrigerante eficaz ao manusear peças quentes que não podem ser resfriadas por métodos alternativos.

Prática anterior

  • Na prática de usinagem do século 19, não era incomum usar água pura. Este foi simplesmente um expediente prático para manter a fresa resfriada, independentemente de fornecer alguma lubrificação na interface de ponta-cavaco. Quando se considera que o aço rápido (HSS) ainda não foi desenvolvido, a necessidade de resfriar a ferramenta torna-se ainda mais evidente. (HSS retém sua dureza em altas temperaturas; outros aços para ferramentas de carbono não.) Uma melhoria foi a água com gás ( bicarbonato de sódio na água), que inibiu melhor a ferrugem das lâminas da máquina. Essas opções geralmente não são usadas hoje porque alternativas mais eficazes estão disponíveis.
  • As gorduras animais, como sebo ou banha, eram muito populares no passado. Eles são usados ​​com pouca frequência hoje em dia, devido à grande variedade de outras opções, mas permanecem como uma opção.
  • Antigos textos de treinamento de oficina mecânica falam do uso de chumbo vermelho e branco , geralmente misturados com banha ou óleo de banha. Esta prática está obsoleta devido à toxicidade do chumbo.
  • De meados do século 20 à década de 1990, o 1,1,1-tricloroetano foi usado como aditivo para tornar alguns fluidos de corte mais eficazes. Na gíria do chão de fábrica, era referido como "um-um-um". Ele foi eliminado por causa de suas propriedades destruidoras da camada de ozônio e do sistema nervoso central .

Preocupações de segurança

Os fluidos de corte apresentam alguns mecanismos para causar doenças ou lesões nos trabalhadores. A exposição ocupacional está associada a aumentos nas doenças cardiovasculares . Esses mecanismos são baseados no contato externo (pele) ou interno envolvido no trabalho de usinagem, incluindo o toque nas peças e ferramentas; ser respingado ou respingado pelo fluido; ou tendo a névoa se acumulando na pele ou entrando na boca e nariz no curso normal da respiração .

Os mecanismos incluem a toxicidade química ou capacidade irritante física de:

  • o próprio fluido
  • as partículas de metal (do corte anterior) que são transportadas no fluido
  • as populações de bactérias ou fungos que naturalmente tendem a crescer no fluido ao longo do tempo
  • os biocidas que são adicionados para inibir essas formas de vida
  • os inibidores de corrosão que são adicionados para proteger a máquina e ferramentas
  • os óleos residuais que resultam da maneira como os óleos (os lubrificantes para as corrediças) inevitavelmente encontram seu caminho para o refrigerante

A toxicidade ou capacidade irritante geralmente não é alta, mas às vezes é suficiente para causar problemas para a pele ou para os tecidos do trato respiratório ou alimentar (por exemplo, boca, laringe, esôfago, traqueia ou pulmões).

Alguns dos diagnósticos que podem resultar dos mecanismos explicados acima incluem dermatite de contato irritante ; dermatite de contato alérgica ; acne ocupacional ; traqueíte ; esofagite ; bronquite ; asma ; alergia ; pneumonite por hipersensibilidade (HP); e agravamento de problemas respiratórios pré-existentes.

As formulações de fluido de corte mais seguras fornecem resistência a óleos residuais, permitindo uma separação de filtração aprimorada sem remover o pacote de aditivos de base. Ventilação da sala , proteções contra respingos nas máquinas e equipamentos de proteção individual (EPI) (como óculos de segurança , máscaras respiratórias e luvas ) podem mitigar os riscos relacionados aos fluidos de corte. Além disso, skimmers podem ser usados ​​para remover óleo residual da superfície do fluido de corte, o que evita o crescimento de microorganismos.

O crescimento bacteriano é predominante em fluidos de corte à base de petróleo. Óleo residual junto com cabelo humano ou óleo de pele são alguns dos resíduos durante o corte que se acumulam e formam uma camada na parte superior do líquido; bactérias anaeróbias proliferam devido a uma série de fatores. Um sinal precoce da necessidade de substituição é o "cheiro de segunda-feira de manhã" (devido à falta de uso de sexta a segunda-feira). Às vezes, anti-sépticos são adicionados ao fluido para matar bactérias. Esse uso deve ser avaliado em relação a se os anti-sépticos prejudicarão o desempenho do corte, a saúde dos trabalhadores ou o meio ambiente. Manter uma temperatura de fluido tão baixa quanto possível irá retardar o crescimento de microorganismos.

Degradação, substituição e descarte

Os fluidos de corte degradam com o tempo devido à entrada de contaminantes no sistema de lubrificação. Um tipo comum de degradação é a formação de óleo residual , também conhecido como óleo de cárter , que é óleo indesejado que se misturou com fluido de corte. Ele se origina como óleo lubrificante que vaza das guias e lava na mistura do líquido de arrefecimento, como a película protetora com a qual um fornecedor de aço reveste o estoque de barras para evitar ferrugem ou como vazamentos de óleo hidráulico . Em casos extremos, pode ser visto como uma película ou película na superfície do refrigerante ou como gotas flutuantes de óleo.

Skimmers são usados ​​para separar o óleo residual do refrigerante. Normalmente, são discos verticais de rotação lenta parcialmente submersos abaixo do nível do líquido refrigerante no reservatório principal. Conforme o disco gira, o óleo residual se agarra a cada lado do disco para ser raspado por dois limpadores, antes que o disco passe de volta pelo refrigerante. Os limpadores têm a forma de um canal que redireciona o óleo residual para um recipiente onde é coletado para descarte. Os skimmers de açude flutuante também são usados ​​nessas situações em que a temperatura ou a quantidade de óleo na água se torna excessiva.

Desde a introdução dos aditivos CNC, o óleo residual nesses sistemas pode ser gerenciado de forma mais eficaz por meio de um efeito de separação contínua. O acúmulo de óleo residual separa-se do refrigerante aquoso ou à base de óleo e pode ser facilmente removido com um absorvente.

O fluido de corte velho e usado deve ser descartado quando estiver fétido ou quimicamente degradado e tiver perdido sua utilidade. Tal como acontece com o óleo de motor usado ou outros resíduos, seu impacto no meio ambiente deve ser mitigado. A legislação e a regulamentação especificam como essa mitigação deve ser alcançada. O descarte moderno de fluidos de corte envolve técnicas como ultrafiltração usando membranas poliméricas ou cerâmicas que concentram a fase oleosa suspensa e emulsionada.

O manuseio de cavacos e o gerenciamento do refrigerante estão inter-relacionados. Ao longo das décadas, eles foram aprimorados, a tal ponto que muitas operações de usinagem agora usam soluções de engenharia para o ciclo geral de coleta, separação e reciclagem de cavacos e refrigerante. Por exemplo, os cavacos são classificados por tamanho e tipo, metais residuais (como parafusos e peças de sucata) são separados, o refrigerante é centrifugado dos cavacos (que são então secos para posterior manuseio) e assim por diante.

Referências

Notas

Bibliografia


links externos