El fluido de corte es un tipo de refrigerante y lubricante diseñado específicamente para procesos de trabajo de metales , como mecanizado y estampado . Existen 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 otras materias primas. Dependiendo del contexto y del tipo de fluido de corte que se esté considerando, se puede denominar fluido de corte , aceite de corte , compuesto de corte , refrigerante o lubricante .
La mayoría de los procesos de mecanizado y mecanizado de metales pueden beneficiarse del uso de fluido de corte, dependiendo del material de la pieza de trabajo. Las excepciones comunes a esto son el hierro fundido y el latón , que pueden mecanizarse en seco (aunque esto no es cierto para todos los latones, y cualquier mecanizado de latón probablemente se beneficiará de la presencia de un fluido de corte). [1]
Las propiedades que se buscan en un buen fluido de corte son la capacidad de:
El corte de metales genera calor debido a la fricción y la energía perdida deformando el material. El aire circundante tiene una baja conductividad térmica (conduce mal el calor), lo que significa que es un refrigerante deficiente. La refrigeración por aire ambiente a veces es adecuada para cortes ligeros y ciclos de trabajo bajos típicos de mantenimiento, reparación y operaciones (MRO) o trabajos de aficionados. El trabajo de producción requiere cortes intensos durante largos períodos de tiempo y normalmente produce más calor del que el enfriamiento por aire puede eliminar. En lugar de pausar 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.
Pero no sólo se calienta la herramienta, sino también la superficie de trabajo. Una temperatura excesiva en la herramienta o en la superficie de trabajo puede arruinar el estado de ambas, ablandarse hasta el punto de ser inútil o fallar, quemar el material adyacente, crear una expansión térmica no deseada o provocar reacciones químicas no deseadas como la oxidación .
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 mediante el efecto Rehbinder .
A menudo se añaden aditivos de presión extrema a los fluidos de corte para reducir aún más el desgaste de las herramientas.
Se pueden utilizar todos los métodos imaginables para aplicar fluido de corte (p. ej., inundación, pulverización, goteo, nebulización, cepillado), y la mejor opción dependerá de la aplicación y del equipo disponible. Para muchas aplicaciones de corte de metales, lo ideal ha sido durante mucho tiempo el bombeo de alto volumen y alta presión para forzar una corriente de líquido (generalmente una emulsión de aceite y agua) directamente hacia la interfaz herramienta-chip, con paredes alrededor de la máquina para contener las salpicaduras y un sumidero para recoger, 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 para el corte de metales por parte de aficionados, donde se utilizan máquinas herramienta más pequeñas y simples. Afortunadamente, tampoco es necesario en aquellas aplicaciones en las que los cortes pesados, las velocidades y 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 siempre es el claro ganador. Se ha complementado desde la década de 2000 con nuevas permutaciones de suministro de líquidos, aerosoles y gases, como lubricación en cantidades mínimas y enfriamiento criogénico a través de la punta de la herramienta (que se detalla 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 conductos 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 (de 1 a 30 MPa ), presiones comparables a las utilizadas en los circuitos hidráulicos . Los sistemas de refrigerante a través del husillo de alta presión requieren juntas rotativas que puedan soportar estas presiones. Las brocas y fresas diseñadas para este uso tienen pequeños orificios en los labios por donde sale el refrigerante. Varios tipos de simulacros con arma también utilizan disposiciones similares.
Generalmente 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 suspendiendo el aceite emulsionado en una base acuosa. Estas propiedades incluyen: inhibición de la oxidación, tolerancia a una amplia gama de durezas del agua (manteniendo la estabilidad del pH entre 9 y 10), capacidad para trabajar con muchos metales, resistencia a la degradación térmica y seguridad ambiental. [2]
El agua es un buen conductor del calor pero tiene inconvenientes como fluido de corte. Hierve fácilmente, favorece 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 utilizaron por primera vez en aplicaciones de corte a finales del siglo XIX. Estos varían desde los aceites de corte espesos, oscuros y ricos en azufre que se utilizan en la industria pesada hasta aceites ligeros y transparentes.
Los refrigerantes semisintéticos, también llamados aceite soluble , son una emulsión o microemulsión de agua con aceite mineral. En los talleres que utilizan el inglés británico, el aceite soluble se conoce coloquialmente como SUDS . [3] Estos comenzaron a usarse en la década de 1930. Una máquina herramienta CNC típica suele utilizar refrigerante emulsionado, que consiste en una pequeña cantidad de aceite emulsionada en una mayor cantidad de agua mediante el uso de un detergente.
Los refrigerantes sintéticos se originaron a finales de la década de 1950 y suelen ser a base de agua.
La técnica oficial para medir la concentración de aceite en muestras de fluido de corte es la titulación manual : [4] 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 valorante 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 proporción de mezcla de refrigerantes solubles en agua [5] 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 petróleo 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 , densidad y velocidad del ultrasonido del fluido . Se utilizan otros equipos de prueba para determinar propiedades como la acidez y la conductividad.
Otros incluyen:
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 taladrar y roscar . Al serrar metal con sierra de cinta , es común pasar periódicamente una barra de pasta contra la hoja. Este producto es similar en forma al lápiz labial o la cera de abejas. Se presenta en un tubo de cartón, que se consume lentamente con cada aplicación.
Algunos fluidos de corte se utilizan en forma de aerosol (niebla) (aire con pequeñas gotas de líquido esparcidas por todas partes). El principal problema de las nieblas es que son bastante perjudiciales para los trabajadores, que tienen que respirar el aire circundante contaminado 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 forma más nueva de administración de aerosoles,MQL (cantidad mínima de lubricante), [7] [8] evita ambos problemas. La entrega del aerosol se realiza directamente a través de las acanaladuras de la herramienta (llega directamente a través o alrededor del propio inserto , un tipo ideal de entrega de fluido de corte que tradicionalmente no ha estado disponible fuera de algunos contextos como la perforación con pistola o las costosas y estatales- suministro de líquido de última generación en molienda de producción). El aerosol de MQL se administra de una manera tan precisa (con respecto a la ubicación y el momento) que el efecto neto parece casi un mecanizado en seco desde la perspectiva de los operadores. [7] [8] Las virutas generalmente parecen virutas mecanizadas en seco, que no requieren drenaje, y el aire es tan limpio que las células de mecanizado se pueden ubicar más cerca que antes de la inspección y el ensamblaje. [7] [8] MQL no proporciona mucho enfriamiento en el sentido de transferencia de calor, pero su acción lubricante bien dirigida evita que parte del calor se genere en primer lugar, lo que ayuda a explicar su éxito.
También se utiliza como refrigerante dióxido de carbono (fórmula química CO 2 ) . En esta aplicación se permite que el CO2 líquido presurizado se expanda y esto va acompañado de una caída de temperatura, suficiente para provocar un cambio de fase a sólido. Estos cristales sólidos se redirigen a la zona de corte mediante boquillas externas o mediante entrega a través del husillo, para proporcionar un enfriamiento con temperatura controlada de la herramienta de corte y la pieza de trabajo. [9]
El aire ambiente, por supuesto, fue 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, es a veces un refrigerante útil. La fuerza de la corriente de aire de descompresión expulsa las virutas y la descompresión en sí tiene un ligero grado de acción de enfriamiento. El resultado neto es que el calor del corte mecanizado se disipa un poco mejor que solo con el aire ambiente. A veces se añaden líquidos a la corriente de aire para formar una niebla (sistemas de refrigeración por niebla, descritos anteriormente).
El nitrógeno líquido , suministrado en botellas de acero presurizadas, se utiliza a veces de manera similar. En este caso, hervir 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 aplica de forma 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 hasta tal punto que actúa como una "esponja térmica", absorbiendo el calor de la interfaz herramienta-chip. [10] Este nuevo tipo de enfriamiento con 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 . [10]
Alternativamente, se puede utilizar un flujo de aire combinado con una sustancia que se evapora rápidamente (por ejemplo, alcohol, agua, etc.) como refrigerante eficaz al manipular piezas calientes que no se pueden enfriar con métodos alternativos.
Los fluidos de corte presentan algunos mecanismos para causar enfermedades o lesiones en los trabajadores. [12] La exposición ocupacional se asocia con aumentos en las enfermedades cardiovasculares . [13] Estos mecanismos se basan en el contacto externo (piel) o interno que implica el trabajo de mecanizado, incluido el contacto de las piezas y utillajes; ser salpicado o salpicado por el fluido; o que el vapor se deposite en la piel o entre en la boca y la nariz durante el curso normal de la respiración .
Los mecanismos incluyen la toxicidad química o la capacidad de irritación física de:
La toxicidad o capacidad irritante no suele ser elevada, pero a veces es suficiente para causar problemas en la piel o en los tejidos del tracto respiratorio o del tracto alimentario (p. ej., boca, laringe, esófago, tráquea o 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 mejor separación por filtración sin eliminar el paquete de aditivos base. La ventilación de la habitación , los protectores contra salpicaduras de las máquinas y el equipo de protección personal (EPP) (como gafas de seguridad , máscaras respiratorias y guantes ) pueden mitigar los peligros relacionados con los fluidos de corte. [14] Además, se pueden utilizar skimmers para eliminar el aceite atrapado en la superficie del fluido de corte, lo que previene el crecimiento de microorganismos. [15]
El crecimiento bacteriano es predominante en los fluidos de corte a base de petróleo. El aceite atrapado junto con el cabello humano o el aceite de la piel son algunos de los residuos durante el corte que se acumulan y forman una capa en la parte superior del líquido; Las bacterias anaeróbicas proliferan debido a una serie de factores. Una señal temprana de la necesidad de un reemplazo es el "olor a lunes por la mañana" (debido a la falta de uso de viernes a lunes). A veces se añaden antisépticos al líquido para matar las bacterias. Dicho uso debe sopesarse en función de si los antisépticos dañarán el rendimiento del corte, la salud de los trabajadores o el medio ambiente. Mantener una temperatura del fluido lo más baja posible ralentizará el crecimiento de microorganismos. [14] Algunos reguladores de salud y seguridad (como el HSE en el Reino Unido) exigen pruebas semanales de los fluidos para trabajar metales para ayudar a mantener la salud del fluido. Estas pruebas implican verificar el nivel bacteriano de UFC/ml del MWF (usando Dipslides ) y el nivel de pH usando un medidor de pH o tiras reactivas de pH (ya que un pH bajo puede ser causado por un nivel bacteriano alto). [dieciséis]
Los fluidos de corte se degradan con el tiempo debido a la entrada de contaminantes al sistema de lubricación. Un tipo común de degradación es la formación de aceite atrapado , también conocido como aceite de sumidero , que es un aceite no deseado que se ha mezclado con el fluido de corte. [17] Se origina como aceite lubricante que se filtra desde las guías deslizantes y se filtra hacia la mezcla refrigerante, como la película protectora con la que un proveedor de acero recubre las barras 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 de aceite flotantes.
Los skimmers se utilizan para separar el aceite atrapado del refrigerante. Por lo general, son discos verticales que giran lentamente y que están parcialmente sumergidos debajo del nivel del refrigerante en el depósito principal. A medida que el disco gira, el aceite atrapado se adhiere a cada lado del disco y dos limpiaparabrisas lo raspan, antes de que el disco vuelva a pasar a través del refrigerante. Los limpiadores tienen la forma de un canal que luego redirige el aceite atrapado a un contenedor donde se recoge 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 forma más eficaz mediante un efecto de separación continuo. La acumulación de aceite atrapado se separa del refrigerante a base de agua o aceite y se puede eliminar fácilmente con un absorbente.
El líquido de corte viejo y usado debe desecharse cuando sea fétido o esté químicamente degradado y haya perdido su utilidad. Al igual que ocurre 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 implica técnicas como la ultrafiltración utilizando membranas poliméricas o cerámicas que concentran la fase oleosa suspendida y emulsionada.
El manejo de virutas y la gestión del refrigerante están interrelacionados. A lo largo de las décadas se han mejorado, hasta el punto de que muchas operaciones metalúrgicas ahora utilizan 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 atrapados (como pernos y piezas de desecho) se separan, el refrigerante se centrifuga para separar las virutas (que luego se secan para su posterior manipulación), etc. [18]
{{citation}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )