یکی از مهمترین موارد مورد نیاز در برش فلز، خنک کننده به شکل روغن برش است. هدف از روغن برش کاهش اصطکاک ناشی از فرآیند برش است که به نوبه خود باعث کاهش سایش ابزار، بهبود کیفیت پرداخت و افزایش بازدهی فرآیند برش می شود. روغن های برش در دو نوع پایه آب و پایه روغنی عرضه می شوند.

همانطور که از نام آن پیداست، روغن برش پایه آب محلولی از روغن در آب است. آب رسانای گرمایی خوبی است و گرما را از فرآیند برش به خوبی خارج می کند. با این حال آب به خودی خود باعث تلاطم شدید و خوردگی نیز می شود. به همین دلیل است که درصد مشخصی از روغن‌ حل شونده با آب مخلوط می‌شوند تا اثر امولسیونی ایجاد کنند که بتواند هم خاصیت خنک‌کنندگی و هم روان‌کنندگی را فراهم کند. این شکل از روغن برش دارای بازدارنده های خوردگی برای کاهش فرآیندهای طبیعی بر روی فلزات بکار برده شده است.

از طرف دیگر روغن های برش پایه روغنی از روغن رقیق نشده تشکیل شده اند. با این حال، این روغن ترکیبی از چندین روغن و ماده شیمیایی است که خواص مورد نیاز برای استفاده به عنوان یک روغن برش موثر را نشان می دهد. در حالی که روغن خالص به عنوان یک روان کننده عالی عمل می کند، برای خنک کنندگی موثر نیست. روغن های برش پایه روغنی با روغن های معدنی و سایر افزودنی ها فرموله می شوند. روغن‌های برش پایه روغنی که اغلب برای ماشین‌کاری سبک تا سنگین استفاده می‌شوند، غبار روغن و دود روغن تولید می‌کنند که ممکن است بر تمیزی محل کار تأثیر بگذارد.

هم آب و هم روغن های برش پایه روغنی طیف وسیعی از عملکردها را شامل می شوند که مناسب ماشین آلات مختلف و کاربردهای مختلف برش فلز است. همیشه قبل از خرید روغن برش مناسب در مورد هدف تحقیق کنید تا از حداکثر کارایی و طول عمر دستگاه اطمینان حاصل پیدا کنید. برای مشاهده منتخب روغن های برش که عملکردهای ثابت شده ای دارند به تولید کنندگان تخصصی روغنهای عملیات ماشین کاری فلزات مراجعه و با دادن اطلاعات مربوط به نوع عملیات ماشین کاری، جنس ابزار و نوع قطعه مورد ماشین کاری درخواست روغن مناسب بنمائید. در ادامه مقاله با انواع سیالات برشی آشنا خواهیم شد.

روغن های برشی پایه روغنی

روغن برش یک روغن نفتی یا گیاهی است که بدون رقیق شدن با آب استفاده می شود. این روغن می تواند به تنهایی یا به صورت روغن ترکیب شده با مواد افزودنی مختلف قطبی و/یا شیمیایی فعال باشد. حلال های سبک، روغن های گیاهی و روغنهای پایه سنگین و پالایش شده از جمله روغن های پایه نفتی مورد استفاده هستند.

روغن‌های پارافینیک نسبت به روغن‌های نفتنیک پایداری اکسیداسیون بهتر و دود کمتری در هنگام عملیات ماشین کاری دارند. با این حال، بیشتر روغن‌های ترکیبی حاوی روغن‌های نفتنیک هستند، زیرا افزودنی‌های روان‌کننده در روغن‌های نفتنیک محلول‌تر و سازگارتر هستند.

برای شرایط محیطی مطلوب، روغن های گیاهی روغن های انتخابی مناسبی هستند. با این وجود به طور قابل توجهی گران تر از روغن های پایه نفتی هستند، اما در محیط زیست قابل دفع شدن هستند و به راحتی تخریب می شوند. در نتیجه آنها بیشتر از روغن های پایه نفتی در معرض زوال بیولوژیکی هستند.

روغن های برش روغنی روانکاری هیدرودینامیکی را ارائه می دهند. هنگامی که با افزودنی های روان کننده ترکیب می شوند، برای عملیات برشی سخت، برای ماشین کاری فلزاتی که دشوار انجام می شود، و برای اطمینان از عمر بهینه دیسک سنگ زنی مفید هستند.

روغن های برش پایه روغنی در عملیات های سخت ماشین کاری و شکل دهی استفاده می شوند. آنها در سیستم‌ های گردشی با زمان ماند زیاد و جاهایی که ترشیدگی سیال رقیق‌شونده در آب مشکل ساز است، ایده‌آل هستند. روغن های برش پایه روغن در برابر تخریب بسیار پایدار هستند، محافظت خوبی در برابر زنگ زدگی ایجاد می کنند و با حذف منظم تراشه های فلزی، بی دردسر ترین سیالات عملیات ماشین کاری فلزات از جنبه خدماتی هستند. محدودیتهای آنها هزینه بالاتر، خطرات دود و آتش سوزی، مشکلات سلامت اپراتور و عمر محدود ابزار به دلیل خنک کاری ناکافی است.

در عملیات کشش و شکل دهی، روغن هایی با گرانروی زیاد ارزشمند هستند. روغن‌های سفت تر و چسبناک‌تر یک لایه مانع روان‌کننده هیدرودینامیکی سخت‌تر ایجاد می‌کنند. با این حال، در عملیات براده برداری، روغن های با گرانروی بالا به خوبی تراشه ها را پاک نمی کنند و به عنوان یک عایق عمل می کنند و در نتیجه خواص خنک کنندگی ابزار را بیشتر کاهش می دهند. گرانروی یک روغن برش نهایی باید به اندازه ای کم باشد که براده ها را پاک کند و باعث عایق حرارت عملیات ماشین کاری نشود، اما به اندازه کافی برای کنترل مه پاشی روغن بالا باشد. که این امر نگرانی رایج مرتبط با سلامتی استفاده از روغن های برش پایه روغنی عملیات ماشین کاری فلزات است.

عملیات کشش و شکل دهی فلز

روغن های حل شونده

با تغییر ابزار به کاربید و افزایش سرعت ماشین، سیالات عملیات ماشین کاری فلزات رقیق شده با آب توسعه یافتند. روغن های حل شونده یا روغن های امولسیون شونده بزرگترین نوع سیال مورد استفاده در فلزکاری هستند. روغن کنسانتره به عنوان روغن تراش، روغنی غنی شده با امولسیفایرها و افزودنی های ویژه، که در محل کاربر با آب رقیق می شود تا امولسیون های روغن در آب تشکیل شود. در این مرحله روغن به صورت قطرات ریز در یک فاز پیوسته در آب پراکنده می شود.

میزان رقیق کردن ها برای ماشین کاری و فرزکاری عمومی 1 تا 20 درصد در آب است که 5 درصد رایج ترین سطح رقت است. ترکیبات کششی با آب کمتری رقیق می شوند – معمولاً 20 تا 50 درصد. در رقت های غنی50 درصد، اغلب عمدا با روغن به عنوان فاز دائم یک امولسیون معکوس تشکیل می شود. این روان کننده غلیظ شده دارای خواص روان کنندگی فوق العاده و پتانسیل چسبندگی روی فلز برای جلوگیری از روان شدن قبل کشیدن دارد.

1. روغن

جزء اصلی روغن های حل شونده یا روغن نفتنیک یا پارافینیک با گرانروی 21 سانتی استوک در 40 درجه سانتیگراد است. از روغن‌های با گرانروی بالاتر با روان‌کنندگی احتمالاً بهتر اما با مشکل بیشتری در امولسیون ‌سازی می‌توان استفاده کرد. البته، روغن‌های نفتنیک به دلیل قیمت پایین‌تر و سهولت امولسیون ‌سازی، عمدتاً مورد استفاده قرار میگیرند. امروزه روغن‌های نفتنیک به منظور حذف مواد سرطان‌ زای موسوم به آروماتیک‌ های چند هسته‌ای، با حلال پالایش و هیدروتریت شده یا می‌شوند. با این حال، پالایشگاه های کمتری روغن نفتنیک تولید می کنند. کنسانتره روغن حل شونده غلیظ دارای تا 85 درصد روغن و بدون آب هستند.

همچنین ممکن است از روغن‌های گیاهی قابل رقیق شدن در آب برای تهیه سیال فلزکاری استفاده شود، اگرچه ممکن است نوع امولسیفایرها انتخابی متفاوت باشد. از معایب استفاده از روغن‌های گیاهی در چنین کاربردهایی می‌توان به افزایش هزینه، تمایل به انجام واکنش‌های اکسیداسیون و هیدرولیز و مسائل مربوط به رشد میکروبی به دلیل زیست تخریب پذیری این روغن‌ها اشاره کرد. زیست تخریب پذیری برای تصفیه پسماندها خوب است، اما در صورت نیاز به نگهداشت طولانی ایجاد لجن ممکن است مشکل ساز شود.

2. امولسیفایرها

دسته اصلی بعدی مواد افزودنی در روغن حل شونده، امولسیفایرها هستند. این مواد شیمیایی قطرات روغن را در آب معلق می کنند تا محلولی شیری تا نیمه شفاف در آب بسازند. اندازه ذرات ظاهر امولسیون را تعیین می کند. امولسیون های شیری رنگ معمولی دارای اندازه ذرات تقریباً (2 تا 50 میکرو متر) هستند، در حالی که میکروامولسیون ها با ظاهری مروارید مانند دارای اندازه ذرات امولسیونی تقریباً (0.1 تا 2 میکرومتر) هستند. برخی تولید کننده ها اثربخشی این دو نوع امولسیون را به مقایسه توپ‌های بسکتبال با بلبرینگ‌های کوچک مرتبط می‌کنند. می توان بلبرینگ های بیشتری را در مقایسه با توپ های بسکتبال تجسم کرد که وارد یک رابط فلزی محکم برای روانکاری می شوند.

برخی دیگر ادعا می کنند که پایداری زیستی را می توان با یک میکروامولسیون افزایش داد. مزایای یک امولسیون شیری استاندارد اندازه قطرات بزرگ روغن برای عملیات شکل‌دهی، سهولت بازیافت پسماندها و کف کمتر نسبت به میکروامولسیون‌ها است.

امولسیفایر غالبا سولفونات سدیم است که با صابون های اسید چرب، استرها و عوامل جفت کننده برای تهیه امولسیون سفید بدون جدا شدن روغن یا کرم پس از مخلوط شدن با آب استفاده می شود. امولسیفایرهای غیر یونی مانند اتوکسیلات های الکل یا نونیل فنل، استرهای PEG و آلکانولامیدها نیز در مواردی که پایداری آب سخت یا سیستم های میکروامولسیونی مورد نظر باشد استفاده می شوند. بسیاری از روغن های حل شونده پایه با این ترکیب روغن و سیستم امولسیفایر کامل می شوند.

3. افزودنی های با ارزش

بسیاری از تولیدکنندگان محصولات تخصصی افزودنی های دیگری برای افزودن ارزش بیشتر به محصول به آن اضافه می کنند. از آنجایی که سیال با آب رقیق می شود، امکان تشکیل زنگ وجود دارد. کنترل معمولی زنگ معمولا بطور رضایت بخشی امکان پذیر است، اما این بستگی به امولسیفایر دارد. برای ایجاد پایداری زیستی همراه با مهار زنگ زدگی، بازدارنده های محلول در آب حاوی بور می تواند در فرمولاسیون اضافه و همگن شود. جهت اطمینان از محافظت در برابر زنگ زدگی و کنترل بوی تعفن، pH سیال رقیق شده باید بین 8.8 تا 9.2 باشد. این pH باید بافر شود تا pH در گردش مجدد سیال حفظ شود.

برای کنترل بوی تعفن سیال ناشی از رشد بیشتر باکتری ها، میکروب کش ها اغلب به روغن اضافه می شوند. برای طولانی تر شدن کنترل باکتریها، ضروری است میکروب کش ها در مقاطع زمانی مشخص به مخزن اضافه شوند.

روانکاری یک روغن حل شونده از امولسیون روغن حاصل می شود. از آنجایی که گرانروی سیالات رقیق‌شونده در آب تقریباً برابر با آب است، استحکام فیلم یا پتانسیل روان‌کاری هیدرودینامیکی در مقایسه با روغن های برش پایه روغنی ناچیز است. افزودنی های روان کننده معمولاً برای عملیات های متوسط تا سنگین اضافه می شوند. روان کننده های مرزی مانند روغن خوک، استرها، آمیدها، صابون ها و روغن کلزا مانند روغن های برش پایه روغنی استفاده می شوند. به همین ترتیب، افزودنی‌های کلردار، سولفوره و پایه فسفر با تحمل فشار شدید، که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، افزودنی‌های روان‌کننده با ارزشی هستند.

گاهی اوقات اگر محصول به دلیل خواص سیستم امولسیفایر بیش از حد کف کند، ضدکف اضافه می شود. هم از مواد ضد کف سیلیکونی و هم غیرسیلیکونی استفاده می شود که سیلیکون در دوزهای پایین موثرترین است. با این حال، بسیاری از واحدهای تولیدی را در مواردی که سطوح آبکاری، رنگ ‌آمیزی و پرداخت شده به دلیل تأثیر شکل ‌گیری »پدیده چشم ماهی« در سطح رنگ ‌شده، استفاده از ضد کف سیلیکونی را ممنوع اعلام می‌کنند.

از مزایای روغن های حل شونده نسبت به روغن های برش پایه روغنی می توان به هزینه پایین تر اشاره کرد، زیرا آنها با آب رقیق می شوند، کاهش حرارت و قابلیت کارکرد با سرعت های بالاتر ماشین کاری. روغن ‌های حل شونده نیز تمیزتر، خنک ‌تر و برای سلامت کارگران مفیدتر هستند، زیرا مه‌های روغن دیگر استنشاق نمی‌شوند.

از مزایای روغن های برش پایه روغنی نسبت به روغن های حل شونده می توان به نداشتن بوی تعفن و قابلیت خیس شوندگی خوب سطح فلز، محافظت خوب در برابر زنگ زدگی و عدم ایجاد مشکل بی ثباتی ناشی از جدا شدن روغن در امولسیون ها به دلیل تجمع آب سخت و حمله باکتری ها اشاره کرد.

سیالات نیمه سنتتیک

1. پایه روغن/آب

سیالات نیمه سنتتیک از نظر امولسیونی شبیه به روغن های حل شونده است و از آنجایی که سیالات پایه آب هستند شبیه به سیالات سنتتیک هستند. کنسانتره محصول معمولاً محلول شفافی از مواد افزودنی به نظر می رسد. با این وجود، معمولاً 5 تا 30 درصد روغن معدنی امولسیون شده در آب برای تشکیل یک میکروامولسیون وجود دارد. اندازه قطر ذرات امولسیون (0.1 تا 0.01 میلی متر) است. این به اندازه کافی کوچک است که تقریباً تمام نورهای تابیده شده را منتقل می کند.

2. امولسیفایرها

امولسیفایرهای مورد استفاده برای دستیابی به این میکروامولسیون، روغن را در آب پراکنده می کنند تا یک کنسانتره شفاف ایجاد کنند. بیشتر اینها همان انواعی هستند که برای روغن های حل شونده استفاده می شوند، اگرچه استفاده از نسبت امولسیفایر به روغن بالاتری ضروری است.

آلکانولامیدها رایج ترین امولسیفایرها هستند، همراه با سولفونات، صابون، استرها و/یا ترکیبات اتوکسیله به عنوان کو امولسیفایر هستند. یک سیال خوب و قابل بازیافت پسماند حاوی پایه آمید و سولفونات یا بسته افزودنی صابونی است. یک محصول پایدار در آب سخت از یک امولسیفایر نوع غیر یونی همراه با آمید استفاده می کند.

3. افزودنی های با ارزش

ممکن است برای تنظیم شفافیت و گرانروی سیال به جفت‌هایی مانند اسیدهای چرب و گلیکول اترها نیاز باشد. هر دو بازدارنده زنگ محلول در روغن و آب مورد استفاده قرار می گیرند، با در نظر گرفتن اینکه افزودنی های محلول در روغن نیز باید قابل امولسیون شدن باشند. آلکانول آمین هایی مانند تری اتانول آمین برای کمک به حفظ pH در سطح قلیایی خوب برای محافظت از زنگ زدگی اضافه می شوند.

افزودنی های روان کننده نیز می توانند محلول در روغن یا آب باشند. روان کننده های لایه مرزی و افزودنی های تحمل فشار شدید پایه گوگرد، کلر یا فسفر می توانند سیال نیمه سنتتیک را برای عملیات ماشین کاری سخت تر تقویت کنند. صابون ها یا استرهای اسید چرب کلردار محلول در آب نمونه ای از این نوع افزودنی ها هستند که نیازی به امولسیون شدن در میکروامولسیون ندارند.

بازدارنده های رایج زنگ مورد استفاده آمین کربوکسیلات ها یا آمین بورات ها هستند. آمین ها به طور کلی برای کنترل خوب زنگ بسیار مهم هستند.

بسیاری از تولید کننده‌ها یک بسته‌ی میکروب کش / قارچ کش را برای محافظت از محصول در برابر رشد میکروبی اضافه می‌کنند. درصورتیکه نیاز به امولسیفایر اضافی باشد (معمولاً دو قسمت امولسیفایر به یک قسمت روغن)، ممکن است ضد کف لازم باشد. با این حال، انتخاب ضد کف برای سیال نیمه سنتتیک می تواند دشوار باشد. زیرا اگر ضد کف را بتوان در میکروامولسیون بصورت امولسیون جفت کرد، مدت زمان زیادی قادر به کف زدائی سیال نخواهد بود. اگر در بشکه یا کنسانتره محصول دوفاز شود، تنها در صورتی موثر است که به طور کامل با کنسانتره محصول حذف شود.

به دلیل فراوانی امولسیفایرها، سیالات نیمه سنتتیک روغن سرگردان را نیز امولسیون می کنند. برای برخی از کاربران این یک مزیت است، زیرا آنها هیچ وسیله ای برای حذف روغن ندارند و سیستم آنها با این سیال تمیزتر می ماند.

پس از گذشت زمان، سیالی که زمانی شفاف می‌شد، مانند روغن حل شونده، شیری رنگ به نظر می‌رسد. بسیاری احساس می کنند که در حال ایجاد یک روغن حل شونده در محل هستند. برخی دیگر معتقدند این پذیرش روغن خارجی کیفیت سیال را خراب تر می کند. نتیجتا باید توجه داشت که ورود روغن از سایر قسمتهای دستگاه به سیستم سیال باعث کوتاهی عمر سیال نیمه سنتتیک خواهد شد.

روغن و افزودنی های شیمیایی باید ابتدا با هم مخلوط شوند، سپس آب به آرامی اضافه شود تا یک میکروامولسیون شفاف به دست آید. قبل از افزودن آب باید کیفیت محصول کنترل شود. تمام تنظیمات باید در این مرحله انجام شود تا از یک محصول پایدار و شفاف اطمینان حاصل شود. ناپایداری منجر به جدا شدن محصولی می شود که بدون حذف آب قابل بازسازی نیست.

بسیاری از کاربران بدلیل ماهیت » نیمه « این سیالات را دوست دارند، به دلیل اینکه این سیالات بسیاری از مزایای روغن های حل شونده و سنتتیک بدون داشتن معایب منحصربفرد آنها را دارند. از مزایای سیالات نیمه سنتتیک می توان به ازدست دادن سریع گرما، تمیزی سیستم، مقاومت در برابر تعفن و مقاومت زیستی اشاره کرد. این مقاومت زیستی به دلیل اندازه کوچک ذرات امولسیون و مقدار کم روغن در سیال جهت تغذیه باکتری های بی هوازی است. محافظت در برابر زنگ زدگی و از سیال سنتتیک روانکاری بهتر انجام می دهد. زیرا روغن و مواد افزودنی محلول در روغن یک لایه مانع ایجاد می کنند که از خوردگی محافظت می کند و روانکاری را اضافه می کند. عیب آن کف در عملیات فرز کاری، پذیرش روغن سرگردان و روانکاری کمتر نسبت به روغن های حل شونده است.

• سیالات سنتتیک

سیالات سنتتیک عملیات ماشین کاری فلزات محصولاتی بر پایه آب هستند که فاقد روغن معدنی هستند. اندازه ذرات سیال سنتتیک معمولاً (0.003 میلی متر) قطر است.

1. پایه آب

آب موجود در محصولات دارای خاصیت خنک کاری عالی است، اما روان کنندگی ندارد. آب همچنین باعث خوردگی سطوح فلزی می شود. سیالات سنتتیک با چندین بازدارنده زنگ و افزودنی های روان کننده در محصولات سنگین تر فرموله می شوند تا خواص ماشین کاری محصولات پایه روغن را جبران کنند.

2. بازدارنده های خوردگی

سیالات سنتتیک معمولا حاوی اتانول آمین برای مهار خوردگی عمومی و قابلیت بافر pH هستند. بازدارنده‌های خوردگی ترکیبات آمین به دلیل سرطان زایی احتمالی ناشی از تشکیل نیتروزامین، استفاده از آنها متوقف شده است. مهار کننده های غیر آهنی شامل ترکیبات تیازول هستند. یک مهارکننده معدنی بدون آمین، مولیبدات سدیم است. صابون های اسید چرب پایه آمین و آلکانول آمید نیز محافظت عالی در برابر زنگ زدگی را برای سیستم های سنتتیک ایجاد می کنند و روان کننده های خوبی هستند.

3. روان کننده و سایر افزودنی های با ارزش

سایر روان کننده های سنتتیک شامل پلی آلکیلن گلیکول ها و استرها هستند که هر دو روان کننده های کم کف هستند و پایداری خوبی در آب سخت دارند. با این حال، به دلیل حلالیت غیر یونی در آب، بازیافت آنها دشوار است، که درنتیجه به اکسیژن مورد نیاز شیمیایی بالا (COD) می شود. روان کننده های لایه مرزی و تحمل فشار زیاد مورد استفاده در مواد سنتتیک باید محلول در آب باشند. روان کننده های مرزی شامل صابون ها، آمیدها، استرها، گلیکول ها و روغن های گیاهی سولفاته هستند. صابون ها و استرهای اسید چرب کلردار و سولفوره و استرهای فسفات خنثی شده روانکاری با فشار شدید را تامین می کنند.

برای محافظت از سیال سنتتیک در برابر تخمیر، قارچ و کپک های رایج یک قارچ کش به این سیالات اضافه می شود. باکتری ها به دلیل pH بالا و ماهیت بدون روغن سیستم سنتتیک تقریباً وجود ندارند. ضدکف، عوامل مرطوب کننده و رنگ ها افزودنی های کمکی هستند که در بسیاری از سیالات سنتتیک یافت می شوند. عوامل مرطوب کننده یا سورفکتانت ها، کشش سطحی سیال را کاهش می دهند و در نتیجه پوشش خوبی برای فلزات برای روانکاری ایجاد می کنند.

بسیاری از محصولات جدید توسعه یافته حول محور محصولات سنتتیک متمرکز شده است تا سیستم‌های افزودنی که روان‌کاری بهینه و محافظت از زنگ زدگی را در یک سیال به راحتی دفع می‌کند، تولید کنند . یکی از این مفاهیم، تلفیق فناوری نیمه سنتتیک با شیمی سنتتیک است. با استفاده از امولسیفایرهای متعدد برای جفت کردن روان کننده های سنتتیک نامحلول در آب به داخل آب، یک سیستم قابل بازیافت پسآب با روغن نفتی که در فرمول وجود ندارد ایجاد می شود.

سیالات سنتتیک در چندین عملیات ماشین کاری، سنگ زنی و شکل دهی کاربرد گسترده ای یافته اند. آنها محصولات متتخبی هستند که در جاهائی که سیالات تمیز با ماندگاری در مخزن طولانی و روانکاری متوسط مورد نیاز است، بکار می روند.