Există anumite considerente de proiectare care trebuie luate în considerare pentru aplicarea eficientă a fluidului de tăiere. Factorii cheie care trebuie luați în considerare sunt următorii: presiunea fluidului de tăiere, temperatura, debitul, umectabilitatea, modelul duzei și locația zonei de prelucrare și filtrarea.

Presiunea lichidului de tăiere

Eficacitatea fluidelor de tăiere depinde în primul rând de metoda de livrare a acestora în zona de tăiere. Aceste fluide de tăiere pot fi aplicate în diferite moduri, și anume, inundare la presiune joasă, inundare la presiune înaltă, livrare prin scule și răcire cu ceață.

În sistemele de răcire prin inundare de joasă presiune, fluidul de tăiere este furnizat printr-o duză peste zona de lucru la presiunea normală de alimentare cu apă. Lichidul de răcire poate fi livrat prin conducte fixe sau flexibile, în funcție de mașină. Duzele lichidului de răcire trebuie să fie orientate înaintea tăierii și să se asigure că este furnizat suficient lichid de răcire pentru a acoperi piesa de prelucrat și marginea de fugă a frezei, în special în operațiunile de frezare. Aplicarea inadecvată sau întreruptă a lichidului de răcire în operațiunile de frezare poate duce la oboseala frezei din cauza ciclului termic (Stephenson și Agapiou 2010). Dacă volumul lichidului de răcire este suficient, aplicarea prin inundare la presiune joasă este eficientă în curățarea așchiilor și răcirea piesei pentru a menține toleranța dimensională; in orice caz, eficacitatea sa în lubrifiere este limitată din cauza lipsei de penetrare a fluidului de răcire în interfața sculă-așchie.

În sistemele de răcire prin inundare de înaltă presiune, lichidul de răcire este orientat prin duze pentru a lovi în fața sculei de tăiere la presiune ridicată. Presiunea duzei de admisie este de obicei între 5 și 50 bari (Stephenson și Agapiou 2010). Presiuni chiar mai mari sunt utilizate în unele operațiuni de șlefuire și în sistemele cu jet de spargere a așchiilor de impact. Lichidul de răcire este aplicat în mod obișnuit printr-o conductă rigidă, cu duze montate pe un inel în jurul capului anterior al arborelui principal în alezare, frezare și găurire. Se montează pe suportul de scule în spatele plăcuței la strunjire și pe o țeavă rigidă în fața roții la șlefuire (Malkin 1989). Aplicarea la presiune înaltă asigură o lubrifiere îmbunătățită datorită penetrării crescute a fluidului de tăiere la interfața sculă-așchie. În plus, îndepărtarea așchiilor este mai bună, dar generează ceață care poate prezenta un pericol pentru sănătatea operatorului dacă nu se acordă atenția corespunzătoare. Lichidul de răcire tinde să devină aerat și începe să facă spumă.

În sistemele cu lichid de răcire prin sculă, lichidul de răcire este furnizat prin arbore către pasajele de lichid de răcire din mașină la presiune ridicată. O presiune de refulare de 13 bar este tipică pentru majoritatea mașinilor-unelte; însă, presiunile de refulare variază între 35 și 100 bar în aplicațiile de găurire (Stephenson și Agapiou 2010). Lichidul de răcire prin scule ajută la eliminarea așchiilor în operațiunile de găurire adâncă și șlefuire. Pentru sistemul de răcire prin scule sunt necesare pompe special concepute și garnituri etanșe pentru a preveni deteriorarea rulmenților arborelui. Acestea sunt integrate cu mașina în sine, spre deosebire de un modul separat. Dar, lichidul de răcire trebuie filtrat în mod corespunzător pentru a preveni congestionarea țevilor de lichid de răcire din sistemul de recirculare. Dezavantajele unui sistem de răcire de înaltă presiune sunt costul crescut al echipamentului și întreținerea, împreună cu tendința de a genera ceață și spumă.

Echipamentul cu jet mic este folosit pentru a dispersa ulei solubil sau emulsii sintetice ulei-apă sub formă de picături foarte fine în aer presurizat ca mediu purtător. Presiunea aerului este de obicei între 69 și 552 KPa. Fluidele miscibile cu apa sunt preferate din cauza avantajelor pentru sănătate și a tendintei mai mici de colmatare. Ceața este mai potrivită pentru viteză mare și zone reduse de tăiere, cum ar fi frezarea la capăt. Mecanismul de răcire cu ceață este explicat în detaliu în secțiunea „Acțiunea de răcire a amestecului de fluid de tăiere-aer”.

Debitele lichidului de răcire

Indiferent de metoda folosită pentru aplicarea lichidului de răcire, trebuie furnizat un volum suficient pentru a asigura o răcire adecvată și îndepărtarea așchiilor. Volumul lichidului de răcire este măsurat prin debitul în litri pe minut. Ca o primă aproximare, volumul lichidului de răcire ar trebui să fie de 5–10 l/min pentru fiecare kW pentru prelucrarea generală (Hoff 2000) și 10–20 l/min/kW pentru șlefuire (Drozda și Wick 1983). În consecință, este necesară o capacitate adecvată a rezervorului pentru a asigura o filtrare adecvată și pentru a minimiza spumarea datorată aerării. Ca regulă generală, capacitatea bazinului ar trebui să fie de 3-10 ori debitul pe minut (Hoff 2000). Pentru a asigura o prelucrare neîntreruptă, se recomandă, în general, ca capacitatea rezervorului să fie de 5 ori mai mare decât debitul pentru prelucrarea oțelului, de 7 ori mai mare decât pentru prelucrarea fontei și aluminiului, de 10 ori mai mare decât debitul pentru șlefuire, și de 10–20 de ori debitul pentru prelucrarea și șlefuirea cu îndepărtare mare a adaosului (Drozda și Wick 1983). Un ghid brut din manualul de prelucrare [pentru cerințele de debit] este prezentat în Tabelul 1.

Proprietăți termice

Schallbroch et al. (1938) au dezvoltat o formulă empirică care raportează durata de viață a sculei și temperatura sculei de tăiere, care este dată de

unde T este durata de viață a sculei în minute; θ este temperatura la interfața sculă-așchie, ^oC; n este un exponent a cărui valoare depinde în principal de forma și materialul sculei; iar K este o constantă.

Din relația de mai sus, se poate observa că o mică reducere a temperaturii sculei poate crește durata de viață a sculei, iar fluidul de tăiere poate juca un rol important prin îndepărtarea eficientă a căldurii din interfața sculă-așchie. În consecință, proprietățile termice dorite ale fluidelor de tăiere sunt specific ridicate, conductivitate termică ridicată și un coeficient ridicat de peliculă. Valorile mai mari ale acestor proprietăți ar facilita un transfer de căldură îmbunătățit, care este necesar pentru un lichid de răcire bun. Pentru capacitatea de răcire, apa are toate proprietățile de dorit, dar poate fi corozivă și nu posedă proprietăți bune de lubrifiere.

Umectabilitate

Pentru a forma o peliculă continuă pe toată zona de contact și pentru a evita aglomerarea în anumite locuri, fluidul ar trebui să aibă o bună umectabilitate cu suprafețele de contact. Aceasta înseamnă că lichidul de răcire ar trebui să poată umezi suprafața bine. Unghiul de contact θ măsoară tendința fluidului de a umezi suprafața. Un unghi de contact de 180^o înseamnă lipsa de umectare (condiție hidrofobă), în timp ce un unghi de contact de 0^o deduce umezirea completă (condiție hidrofilă). Acest lucru este prezentat schematic în Fig. 5.

Unghiul de contact, θ, depinde de tensiunea superficială a interfeței dintre solid și vapori, solid și lichid și lichid și vapori notată cu γSV, γSL și γLV. Echilibrul de forță de-a lungul axei x dă următoarea relație:

Pentru umezirea completă, θ = 0; prin urmare, relația dintre tensiunile de suprafață interfacială este dată de

Analiza de mai sus este valabilă pentru o suprafață netedă. Totuși, dacă suprafața este aspră în loc să fie netedă, tensiunile interfaciale γSL și γSV se deplasează pe o distanță mai mare cu un factor K în timpul umezirii. Rețineți că K este o funcție de rugozitatea suprafeței. Unghiul de contact, θ, pentru o suprafață rugoasă este dat de

Din analiza de mai sus este evident că tendința de umectare va crește odată cu creșterea rugozității suprafeței. Pentru a îmbunătăți împrăștierea și umezirea fluidului de tăiere pe o suprafață, unghiul de contact trebuie să fie redus pentru care ar putea fi potențial folosiți agenți de umectare. Majoritatea agenților de umectare funcționează prin scăderea tensiunii superficiale a lichidului (γLV) și/sau a tensiunii interfațiale (γSL), ceea ce reduce unghiul de contact. Însă, acest lucru ar putea afecta negativ celelalte funcții ale fluidului de tăiere (Bhattacharya 2000).

Model duze

Sistemul lichidului de răcire poate fi alimentat intern la capătul anterior al arborelui în numeroase configurații, prezentate în Fig. 6.

Lichidul de răcire poate fi fie prin sculă și arborele ax, fie poate trece prin sculă via periferia arborelui. Rețineți că lichidul de răcire furnizat prin sculă via arbore trebuie filtrat până la o dimensiune de 5-10 μm, altfel poate duce la înfundare. Alte metode utilizează jeturi oscilante plasate fie în interiorul, fie în exteriorul carcasei arborelui.

Filtrare

La mașinile cu debit mare, necesarul de lichid de răcire este de 10 l/min, iar la șlefuire poate fi de două ori mai mare. În consecință, este imperativ ca lichidul de răcire să fie recirculat. Însă, fluidul de tăiere din sistemele de recirculare captează și transportă o serie de particule, cum ar fi așchii, contaminanți în aer, ulei hidraulic, lubrifiant pentru ghidajul mașinii, reziduuri rămase pe piesă de la operațiunile anterioare etc. (Brandth 1994). Acești contaminanți trebuie să fie filtrați înainte de reutilizare pentru performanța optimă a lichidului de răcire și pentru a evita deteriorarea suprafeței prelucrate. O serie de tehnici sunt utilizate pentru a separa contaminanții de fluidele de tăiere.

Metodele obișnuite de separare includ rezervoare de decantare, centrifuge, cicloane și separatoare magnetice (Drozda și Wick 1983; Brandth 1994). Un rezervor de decantare este un rezervor mare, cu două sau mai multe deflectoare, așa cum se arată în Fig. 7. Se poate observa că, pe măsură ce fluidul se mișcă inițial sub și apoi peste, deflectoarele succesive care forțează uleiurile și impuritățile mai ușoare să se ridice la suprafață, iar așchiile și alte particule grele să se depună în fund. În acest fel, porțiunea mai ușoară poate fi îndepărtată de sus, iar partea mai grea poate fi îndepărtată de jos. Eficacitatea rezervorului este o funcție de timpul de decantare, care este volumul rezervorului împărțit la debitul de intrare. Dacă timpul de decantare este prea scurt, atunci nu va fi suficient timp pentru ca toate impuritățile să se depună; aceasta va fi însoțită de o tendință crescută de spumare, deoarece bulele de lichid de răcire nu vor avea suficient timp să se spargă, iar temperatura lichidului de răcire va fi mai dificil de controlat (Aronson 2001; Malkin 1989; Urandoff și McKinley 2003). Timpii de decantare sunt de obicei de 5 minute pentru sistemele mici (Drozda și Wick 1983), 7–10 minute pentru sistemele de uz general (Foltz 2003) și 10–15 minute pentru sistemele mari (Drozda și Wick 1983; Brandth 1994).

Centrifugele și cicloanele separă resturile de lichidul de răcire sub acțiunea forțelor centrifuge (Drozda și Wick 1983; Brandth 1994). Într-o centrifugă, lichidul de răcire contaminat este furnizat între un set de boluri rotative sau discuri în formă de con. Așchiile și alte resturi grele gravitează spre centrul bolurilor sau discurilor, iar uleiurile cu greutate specifică scăzută sunt împinse radial spre exterior. Bolurile sau discurile se umplu cu resturi și ar necesita curățare la intervale regulate. Într-un separator cu ciclon prezentat în Fig. 8, lichidul de răcire uzat este furnizat într-un vas în formă de con. Mișcarea de rotație experimentată de fluid împinge așchiile și resturile spre exterior și, prin urmare, fluidul curat iese din centrul dispozitivului (Drozda și Wick 1983; Brandth 1994; Urandoff și McKinley 2003). Sistemele de separare magnetică sunt foarte eficiente pentru așchii feroase, dar pot elimina și granulele abrazive care aderă la cele fine feroase în sistemele de șlefuire.

Deoarece sistemele de separare nu au capacitatea de a elimina contaminanții cu greutatea specifică apropiată de cea a lichidului de răcire, sistemele de filtrare sunt necesare împreună cu sistemele de separare. Aceste sisteme de filtrare folosesc medii poroase de unică folosință sau permanente, iar gradul de filtrare realizat este guvernat de dimensiunea porilor din mediu.

Mediul de filtrare din aceste sisteme poate fi realizat din hârtie, bumbac, lână, fibre sintetice sau materiale din pâslă. Aceste medii sunt adesea pre-acoperite cu particule fine, cum ar fi fibre de celuloză sau pământ de diatomee (Stephenson și Agapiou 2010). Într-un sistem de filtrare pe bază de pungi, lichidul de răcire este trecut secvenţial prin două sau mai multe pungi de material cu dimensiuni descrescătoare ale ochiurilor. Sacii prind așchiile care se află între aceste dimensiuni de plasă și, prin urmare, trebuie schimbate periodic odată ce sunt pline. Un alt mecanism este sistemul cu cartușe care este similar cu un filtru de ulei auto (Likens și Venner 2000). Filtrele rulante cu pat-plat sunt utilizate în mod obișnuit în sistemele mari de recirculare. În această abordare, lichidul de răcire este trecut printr-o foaie de mediu filtrant. Pe măsură ce filtrarea progresează și mediul se înfundă, nivelul lichidului din rezervor crește declanșând un plutitor care rotește rola pentru a expune medii proaspete. Filtrele medii de unică folosință sunt de obicei antrenate de gravitație, vid sau presiune. Sistemele presurizate funcționează la presiuni ridicate și sunt capabile să producă cele mai mari debite. Sistemele gravitaționale și presurizate sunt utilizate cu filtre rulante cu pat-plat, în timp ce sistemele presurizate folosesc filtre cu cartuș. Sistemele de filtrare pot fi permanente, cu o plasă de sârmă, sau țesătură permanentă ca mediu de filtrare, fie de unică folosință. Așchiile și alte resturi trebuie îndepărtate periodic, putând fi controlate de un cronometru sau de un declanșator cu plutitor.

Costul este într-adevăr un factor important pentru selectarea sistemului de filtrare; totuși, ceilalți factori importanți care trebuie luați în considerare în alegerea unei strategii de filtrare sunt următorii: nivelul necesar de filtrare, capacitatea necesară a sistemului și efectul mediului de filtrare asupra lichidului de răcire (Drozda și Wick 1983). Nivelul de filtrare este notat cu cea mai mare dimensiune a contaminantului prezent în postfiltrarea lichidului de răcire. Tehnicile standard de îndepărtare a așchiilor și sistemele de filtrare a fluidelor îndepărtează fără nicio dificultate resturile de peste 50 μm. Sunt necesare etape suplimentare de filtrare pentru a îndepărta resturile mai fine (Richter 2003). O regulă generală pentru prelucrarea de uz general este că lichidul de răcire trebuie filtrat cu un ordin de mărime mai mic decât banda de toleranță (Malkin 1989). Acest lucru poate duce la cerințe foarte stricte pentru operațiuni de precizie.

Debitele pot fi calculate din volumul rezervorului. Sistemele mari pompează în mod obișnuit de cel puțin trei ori capacitatea bazinului în 24 de ore (Urandoff și McKinley 2003). Filtrele cu sac au debite între 1.000 și 2.000 l/min/m2 de filtru (Brandth 1994). Filtrele cu cartuș au de obicei un debit de 17 l/min/m lungime a cartuşului (Likens și Venner 2000). Sistemele cu pat plat oferă capacități mult mai mari și, prin urmare, găsesc aplicație în sistemele mari.