Fluidul de tăiere are rol semnificativ și are efecte multiple, și anume, răcire, lubrifiere, îmbunătățirea finisajului/integrității suprafeței și acuratețea dimensională. Toate aceste efecte vor fi discutate în detaliu în secțiunile următoare.

Acțiunea de răcire a fluidului de tăiere are următoarele efecte (Astakhov 2006):

• Reduce temperatura de tăiere
Temperatura de tăiere este redusă de agenții de răcire pentru viteze de tăiere de până la 150 m/min. Dacă viteza de tăiere este crescută în continuare, stabilizează temperatura în loc să o reducă. Se știe că temperatura de tăiere afectează uzura sculei, așa cum este dată în Ec. 5. Prin urmare, acțiunea de răcire a unui fluid de tăiere prelungește durata de viață a sculei dacă aduce temperatura de tăiere mai aproape de temperatura optimă de tăiere. Experimentele au arătat că, dacă temperatura de așchiere depășește temperatura optimă la interfața sculă-așchie și acolo are loc uzura prin difuzie, o scădere cu 10-15% a temperaturii de contact duce la o reducere de două până la trei ori a coeficientului de difuzie între sculă si materialele de lucru.

• Îmbunătățește acuratețea prelucrării
Prin reducerea temperaturii sculei și a piesei de prelucrat, se poate obține o acuratețe mai bună a prelucrării datorită temperaturii mai scăzute. Temperaturile scăzute au ca rezultat o dilatare termică mai mică a piesei de prelucrat și a sculei.

• Reduce lungimea contactului sculă-așchie
Acesta este un aspect negativ al răcirii, deoarece forțele de așchiere nu sunt reduse în mod normal și, prin urmare, tensiuni de contact mai mari acționează la interfața sculă-așchie, ceea ce poate duce la reducerea duratei de viață a sculei.

• Crește șocurile termice în tăieri întrerupte
Răcirea în timpul tăierii întrerupte, cum ar fi frezarea, poate introduce fisurare termică pe muchia de tăiere care ar putea fie să crească, cauzând o defecțiune catastrofală a plăcuței de tăiere, fie să conducă la o calitate slabă a tăieturii.

Mecanisme de răcire în timpul aplicării fluidului de tăiere

Acțiune de răcire directă

Principalul mecanism de răcire se datorează convecției forțate. Viteza de transfer a căldurii este dată de

unde Acl este aria de transfer a căldurii a suprafeței, hfc este coeficientul de transfer a căldurii prin convecție al procesului și θsf și θcf sunt temperaturile suprafeței care este răcită și, respectiv, fluidului de tăiere.

O expresie pentru coeficientul de convecție poate fi derivată pe baza analizei numerelor Nusselt (Astakhov 2006):

unde γcf este greutatea specifică (ρcf .g) a fluidului de tăiere, g este accelerația datorată gravitației, b este lungimea echivalentă, υcf este vâscozitatea cinematică, vcf este viteza fluidului de tăiere, Cp-cf este căldura specifică, iar kcf este conductivitatea termică.

Deși Ec. 10 poate fi folosită pentru a calcula coeficientul de transfer a căldurii, ar putea fi introdus un termen mai general numit intensitatea de răcire, Kh, dată de (Astakhov 2006)

După cum s-a văzut, viteza fluidului de tăiere vcf afectează capacitatea sa de răcire aproape la fel de mult ca și conductibilitatea sa termică kcf și mult mai mult decât căldura sa specifică Cp-cf. Intensitatea de răcire a apei la 0,2 m/s și 20^oC, uleiul solubil de 10 % și aerul comprimat la 500 m/s la 20^oC au intensități de răcire de 2.715, 1.646 și, respectiv, 1.360. Rețineți că apa are o intensitate excelentă de răcire, iar intensitatea de răcire a oricărui alt fluid poate fi exprimată ca procent din intensitatea de răcire a apei.

Îmbunătățirea substanțială a acțiunii de răcire a fluidului de tăiere se realizează prin creșterea vitezei acestuia, ceea ce are un efect dublu. Pe de o parte, crește coeficientul de transfer de căldură prin convecție, iar pe de altă parte, jeturile de mare viteză ale fluidului de tăiere suflă un strat limită format pe suprafețe cu temperatură ridicată. Aceasta explică eficiența alimentării cu fluid de tăiere la presiune înaltă, care crește viteza fluidului de tăiere. Deși s-a emis ipoteza că alimentarea cu presiune înaltă a fluidului de tăiere crește capacitatea sa de penetrare în interfețele sculă-așchie și sculă-piesa de prelucrat (Mazurkiewicz și colab. 1989; Entelis și Berlinder 1986), în realitate poate să nu fie adevărat deoarece tensiunile de contact sunt mult mai mari decât presiunea maximă a fluidului de tăiere. S-a raportat în literatură că nici durata de viață a sculei nu crește în mod apreciabil, nici forțele de așchiere nu se reduc semnificativ la tăierea cu lichid de răcire de înaltă presiune (Crafoord și colab. 1999; Reznikov și Reznikov 1990). Este posibil ca presiunea ridicată a fluidului de tăiere să mărească viteza de curgere a acestuia, ceea ce, la rândul său, îmbunătățește semnificativ acțiunea de răcire a acestui fluid, așa cum s-a explicat mai înainte.

Acțiune de răcire datorată evaporării

Pentru a înțelege acțiunea de răcire a fluidului de tăiere atunci când acesta se evaporă din cauza contactului cu suprafața fierbinte din zona de prelucrare, ar trebui să se ia în considerare procesul de schimb de căldură între un solid și un lichid în fierbere (Chiou et al. 2003). Procesul de fierbere cuprinde formarea, creșterea și separarea bulelor.

Când temperatura suprafeței este puțin mai mare decât temperatura de saturație a fluidului, este puțin probabil ca excesul de presiune a vaporilor să producă bule. Lichidul încălzit local se dilată, iar curentul de convecție îl transportă la interfața lichid-vapori. Evaporarea are loc acolo la diferențe mici de temperatură, fără formarea de bule. Pe măsură ce temperatura suprafeței crește, are loc fierbere de cristalizare. Prin urmare, excesul de presiune a vaporilor față de presiunea lichidului local crește și în cele din urmă se formează bule. Aceste bule se inițiază în punctele de cristalizare de pe suprafața fierbinte, unde pungile miniaturale de gaz, din cauza defectelor de suprafață, formează nuclee pentru formarea unei bule. Odată ce bula este formată, se extinde rapid și temperatura vaporilor din bulă este aceeași cu temperatura de saturație. Flotabilitatea detașează bula de la suprafață și este înlocuită cu următoarea bulă. Fierberea de cristalizare ​​este însoțită de formarea rapidă a bulelor și de turbulențe foarte mari, care produc viteze foarte mari de transfer de căldură. Cu toate acestea, coeficientul de convecție este o funcție de diferența de temperatură dintre suprafața fierbinte și temperatura de saturație, așa cum se arată în Fig. 9 pe o scară logaritmică. Cele mai mari rate de convecție se obțin atunci când diferența de temperatură este de 10-20^oC.

Acțiunea de răcire a amestecului de fluid de tăiere cu aer (ceață)

Costul fluidului de tăiere este de aproximativ 16–17 % din costul operațional al prelucrării. Costul total cuprinde costul asociat cu achiziționarea, filtrarea, separarea și, în final, eliminarea. Datorită pericolului potențial pentru sănătate, costurile de eliminare a fluidelor de tăiere sunt mai mari decât costul inițial al acestor fluide. Legile privind riscurile profesionale și eliminarea deșeurilor periculoase, care includ utilizarea lichidului de tăiere, eliminarea și protecția lucrătorilor, devin din ce în ce mai stricte pe zi ce trece. În consecință, utilizarea răcirii prin inundare în operațiunile de prelucrare devine o afacere costisitoare, iar lubrifierea în cantitate minimă (MQL) este considerată treptat ca o opțiune economică și ecologică în locul operațiunilor de prelucrare cu răcire prin inundare. O descriere detaliată a sistemelor MQL este dată mai târziu în secțiunea „Subiecte avansate”. In orice caz, discuția despre mecanismul de răcire pentru ceață este prezentată aici în această secțiune.

Ceața este un mediu de răcire în două faze având picături sferice cu diametrul ddr care se deplasează cu viteza vaer spre o suprafață fierbinte (Chiou et al. 2003) așa cum se arată în Fig. 10. Se presupune că concentrația de picături în volumul unitar al amestecului este uniform. Temperatura suprafeței fierbinți este θhs și cea a amestecului este θmx. Picătura se deformează imediat ce se întâlnește cu suprafața și diametrul ei de contact crește. Diametrul contactului este Dct = mct ddr unde mct » 1.

Energia termică câștigată de picătură în timpul eliminării căldurii de pe suprafață o încălzește inițial la temperatura de saturație, θst, și apoi provoacă evaporarea acesteia. Încălzirea la temperatura de saturație poate fi reprezentată de (Astakhov 2006)

unde τ1h este timpul de încălzire a bulei, ρcf este densitatea fluidului de tăiere și hcf este coeficientul de convecție în timpul încălzirii până la saturație.

Evaporarea și fierberea pot fi reprezentate de

unde τ2h este timpul necesar pentru vaporizarea bulei, hvb este coeficientul de convecție în timpul vaporizării și Lv este căldura latentă de vaporizare.

Rețineți că ecuațiile 12 și 13 captează doar transferul de căldură din cauza picăturilor de fluid, zona rămasă, unde picăturile nu cad, este răcită prin convecția aerului. Coeficientul mediu de transfer a căldurii, h̅_1-2 include încălzirea până la saturare și fierbere și are loc pe aria Ahs-dr a suprafeței totale Ahs. Pe restul suprafetei (peste zona Ahs - Ahs-dr), transferul de căldură are loc cu aerul conținut in amestecul bifazic. Coeficientul de transfer a căldurii în acest proces este denumit haer. Coeficientul de transfer cumulat a căldurii pentru amestecul bifazic este exprimat ca (Astakhov 2006)

Acțiune de răcire datorită conductei de căldură încorporate în sculă

Conductele de căldură sunt uneori folosite pentru a răci sculele de tăiere. Chiar dacă teoria conductelor de căldură a fost raportată în literatură (Faghri 1995; Rebinder 1979), nu există o tehnică simplă de calculare a acțiunii de răcire a conductelor de căldură, astfel încât acestea să poată fi implementate în practică. Conducta de căldură prezentată în Fig. 11 cuprinde un recipient cu pereți groși închis ermetic (3) alcătuit dintr-un material cu conductivitate termică ridicată. Acest recipient are o cantitate specificată de fluid de lucru volatil. Un capăt (numit evaporator) al recipientului este încorporat în unitatea de răcire (1), în timp ce celălalt capăt (numit adesea condensator) conține un schimbător de căldură (radiator) (2) pentru a elibera energia termică către împrejurimi. Căldura aplicată de o sursă de căldură în regiunea evaporatorului vaporizează fluidul de lucru din acea regiune. Vaporizarea creează o diferență de presiune care transportă vaporii de la evaporator la condensator unde se condensează eliberând căldura latentă de vaporizare prin schimbătorul de căldură. Lichidul de lucru condensat se întoarce la evaporator. Acesta este un mecanism bun de transfer de căldură dintr-o regiune fierbinte într-o regiune rece. Conducta de căldură transportă cantități mari de căldură cu o diferență mică de temperatură. Această tehnică poate fi aplicată eficient pentru răcirea sculelor de tăiere.

Ecuația bilanțului energetic pentru suprafața internă a recipientului este dată de ec. 15 care presupune că recipientul este izolat:

unde hbl și hcd sunt coeficienții de transfer a căldurii în regiunile de fierbere și, respectiv, de condensare; θhs1 și θhs2 sunt temperaturile medii în zonele de fierbere și respectiv de condensare; și Abl și Acd sunt ariile zonelor de fierbere și respectiv de condensare.

Partea stângă a acestei ecuații este cantitatea de energie termică care intră din zona fierbinte prin pereții recipientului via evaporarea lichidului din zona „fierbinte”, în timp ce partea dreaptă este cea schimbată prin pereții din zona „rece”. Ariile de contact Abl și Acd pot fi aproximate prin

Ecuația 18 poate fi utilizată pentru a determina coeficientul de transfer a căldurii în zona de vaporizare (fierbere):

este un factor care depinde de proprietățile lichidului de lucru la temperatura de saturație și de numărul Prandtl.

Pătrunderea fluidului de tăiere în interfața de contact pentru lubrifiere

Mecanismul pătrunderii lichidului de răcire în zona de contact nu este foarte bine înțeles și nu există dovezi concludente care să demonstreze că fluidul de tăiere pătrunde în interfețele de contact (sculă-așchie și sculă-piesa de prelucrat). În ciuda lipsei de dovezi fizice, există diverse ipoteze pentru mecanismul de penetrare a fluidului, cum ar fi accesul prin rețeaua capilară între așchie și sculă, accesul prin golurile conectate cu built-up edge și accesul la golul creat de vibrația sculei. Presiunile de contact dintre sculă și așchie sunt foarte mari, uneori cu două ordine de mărime mai mari decât presiunea de alimentare cu lichid de răcire; în consecință, lichidul de răcire este puțin probabil să pătrundă în interfața de contact, în special, în cazul frecării de lipite. Rețineți că presiunile pe garnitură de 17 MPa nu pot asigura nicio scurgere din cauza capilarului; in comparatie, presiunea de contact în interfața sculă-așchie este mult mai mare, astfel încât transferul de fluid prin mecanism capilar la interfață este foarte puțin probabil. Unele dintre experimentele efectuate pentru a testa penetrarea fluidului de tăiere au folosit fluid de tăiere mixt cu radioizotop T-3, care a fost folosit la tăierea oțelului AISI 1045. Analiza după tăiere a arătat puține sau deloc urme de izotopi radio în interfață. O mică urmă de radioizotop a fost observată în zona de alunecare, dar nu a existat nicio dovadă că lichidul de tăiere a pătruns în zona de lipire (Astakhov 2006). Analiza după tăiere a arătat puține sau deloc urme de izotopi radio în interfață. O mică urmă de radioizotop a fost observată în zona de alunecare, dar nu a existat nicio dovadă că lichidul de tăiere a pătruns în zona de lipire (Astakhov 2006).

După cum s-a menționat anterior, interfața sculă-așchie este caracterizată de două zone distincte de lipire și alunecare între sculă și piesa de prelucrat la presiune și temperatură normală ridicată. Contactul de lipire este un caz extrem de frecare. Frecarea maximă care poate fi întâlnită într-un sistem este datorată tensiunilor de curgere de forfecare ale materialului mai moale, ceea ce este cazul în zona de lipire. Pentru a contracara această rezistență extremă la frecare, fluidele de tăiere trebuie utilizate ca lubrifianți în anumite operațiuni de prelucrare.

Shaw (1984) a observat, de asemenea, experimental că fluidul de tăiere nu lubrifiază la viteze mari. Ei au atribuit acest comportament așchiilor care transportă fluidul de tăiere prea repede pentru ca acesta să ajungă în zona de tăiere și să formeze o peliculă fluidă la interfață. În plus, timpul este prea scurt pentru ca fluidul să reacţioneze chimic cu suprafeţele metalice pentru a forma un lubrifiant cu peliculă solidă sau să intre aditivii de presiune extremă (EP) prezenţi în fluidul de tăiere. Observaţii similare au fost raportate de Cassin şi Boothroyd (1965) la viteze mari de tăiere. Ei au sugerat că lubrifierea are loc la viteze mici prin difuzie prin piesa de prelucrat sau că aditivii de presiune extremă din fluid au reacționat pentru a forma un strat limită de lubrifiant cu peliculă solidă la viteze mai mici. Funcțiile primare ale unui fluid de tăiere sunt considerate a fi lubrifierea și răcirea; lubrifierea este funcția dominantă numai pentru operațiunile de prelucrare cu viteză redusă, de exemplu, găurire și filetare. Este de așteptat ca un fluid de tăiere în aceste operații să reducă frecarea la interfața sculă-așchie. Însă, la găurire și filetare, o cantitate semnificativă de frecare între așchie și sculă are loc în alte locații decât fețele de degajare și flanc. Rezistența la frecare apare atunci când așchiile încearcă să se evacueze prin canale. Așchiile se freacă de sculă și de peretele găurii, înfundând canelurile în anumite condiții; creșterea cuplului, forței de împingere și a temperaturii sculei; și ocazional deteriorarea calității găurii forate. În aceste cazuri, prezența unui fluid de tăiere poate reduce frecarea dintre așchii și canelurile sculei, permițând curgerea lină a așchiilor din gaură și prevenind înfundarea așchiilor. Desigur, funcția de lubrifiere a fluidului este funcție de penetrare a fluidului în zona de prelucrare din partea inferioară a găurii. În plus, geometria și proprietățile mecanice ale așchiilor produse la găurire și filetare joacă un rol important în fenomenul de colmatare a așchiilor (Haan et al. 1997; Cao și Sutherland 2002).

Pentru a rezuma, se poate deduce că fenomenul de lubrifiere în fluidele de așchiere are loc numai pentru viteze mici de așchiere, cum sunt cele întâlnite în operațiunile de prelucrare, cum ar fi găurirea și filetarea. La viteze mai mari, fluidul de tăiere nu asigură lubrifiere, deoarece nu pot pătrunde solicitările mari de contact la interfața sculă-așchii, iar viteza mare duce fluidul departe de zona de tăiere.