Alegerea unui fluid de tăiere depinde de mulți factori complecși. Principalii factori de îngrijorare sunt prelucrabilitatea materialului, compatibilitatea (metalurgică, chimică și umană) și acceptabilitatea (proprietățile, fiabilitatea și stabilitatea fluidului) (Machinability Data Center 1980).

Prelucrabilitate

Alegerea tipului de fluid de tăiere pentru utilizare ar trebui să se bazeze pe următoarele considerații:

• Tipul operațiunii de prelucrare
• Materialul piesei de prelucrat
• Materialul sculei
• Parametrii procesului – viteza de tăiere, avans și adâncimea de tăiere

Unul dintre cei mai importanți factori în selectarea unui fluid de tăiere este severitatea operației de tăiere în sine. Diferitele procese de prelucrare au mecanisme diferite de îndepărtare a materialului. Cu cât operațiunile sunt mai dificile și mai severe, cu atât sunt mai mari cerințele de la un fluid de tăiere. Prin urmare, selecția este strâns legată de evaluarea severității operației de prelucrare și apoi de alocarea fluidului de tăiere adecvat. Ordinea crescătoare a severității în diferite procese de prelucrare este următoarea (Machinability Data Center 1980):
• Șlefuire
• Debitare
• Strunjire, scule cu un singur punct
• Planare și modelare
• Frezare
• Găurire
• Alezare a orificiilor
• Prelucrare cu șuruburi de mare viteză, cu avans ușor
• Prelucrare șurub cu scule de formare
• Perforare
• Găurire adâncă
• Prelucrare roți dințate
• Filetare
• Filetare cu tarod
• Broșare externă
• Broșare internă

Aceste evaluări sunt orientative, deoarece variațiile în geometria sculei, materialul piesei de prelucrat și condițiile de prelucrare vor modifica severitatea operației de prelucrare.

Se poate remarca faptul că pentru operațiunile de prelucrare grele, cum ar fi filetarea sau broșarea, se recomandă uleiuri de tăiere pentru sarcini medii sau grele. Broșarea orizontală a oțelului necesită, de obicei, un ulei mai vâscos cu agenți activi decât broșarea verticală a suprafeței în condiții similare. Uleiul mai vâscos aderă la broșa orizontală mai bine decât un fluid miscibil cu apă, iar agentul activ ajută la tăierea eficientă. Pentru broșarea pe suprafață verticală a oțelurilor moale, pot fi utilizate emulsii sau soluții; însă, uleiul de tăiere este utilizat de obicei și în aceste aplicații.

O listă a uleiurilor de tăiere în ordinea creșterii capacității portante este următoarea (Machinability Data Center 1980):

• Ulei mineral simplu
• Ulei mineral cu aditivi grași
• Ulei mineral cu aditivi clorurați
• Ulei mineral cu aditivi grași sulfurați
• Ulei mineral cu sulf liber și compuși sulfurați sau clorurați

Operațiunile cu viteză mică necesită proprietățile de lubrifiere ale uleiurilor de tăiere. De regulă, uleiurile de tăiere trebuie folosite la viteze de tăiere sub 30 m/min. Uleiurile de tăiere cu lubrifianți EP sunt eficiente într-o mare varietate de operații de prelucrare pe multe materiale până la o viteză de 60 m/min. Dacă viteza crește, pătrunderea fluidului de tăiere în interfața sculă-așchie devine dificilă. Dincolo de viteza de 60 m/min, acțiunea chimică se diminuează rapid și devine practic inexistentă dacă viteza de tăiere este crescută la 120 m/min.

Atât filetarea cu tarod, cât și filetarea implică muchii mici și multiple de tăiere în contact continuu cu lucrarea pe toată durata tăieturii. Geometria sculelor și natura inerentă a acestor operații restricționează debitul și, prin urmare, efectul de răcire al fluidului de tăiere, la muchiile de tăiere, în special la filetare cu tarod.

Găurirea poate fi o operație dificilă atunci când se face pe materiale greu de prelucrat. Vitezele de găurire sunt în general mai mici decât cele utilizate pentru alte operații deoarece muchia de tăiere este în contact continuu cu metalul la tăiere și, prin urmare, fluidul nu ajunge la muchiile de tăiere și ele sunt lipsite de acțiunea benefică de răcire a fluidului de tăiere. Fluidele preferate pentru operațiunile convenționale de găurire sunt uleiurile emulsionabile și uleiurile minerale sulfurate sau clorurate care ar putea suferi activitate chimică pentru a contracara presiunile înalte. Aceste fluide asigură lubrifiere pentru a preveni vibrațiile și căldura generată de frecare în timp ce transferă căldura generată de formarea așchiilor. Pe cât posibil se vor folosi burghie cu găuri de ulei.

Există unele operații pentru care uleiurile sunt formulate special, de exemplu, honuirea necesită utilizarea unui ulei de bază parafinic mai subțire. Pentru multe operațiuni de mare viteză, cum ar fi șlefuirea, strunjirea și frezarea cu scule din carbură, lichidul de răcire nu poate pătrunde în interfața sculă-așchie și, în consecință, presiunea extremă și aditivii anti-sudură devin ineficienți. În aceste condiții, cel mai bine este să folosiți fluide miscibile cu apă pentru capabilitățile lor excelente de răcire. Răcirea brută ajută la prevenirea defecțiunii catastrofale a sculei din cauza uzurii craterului și la reducerea deformării piesei de prelucrat.

Anumite uleiuri emulsionabile și fluide sintetice sunt formulate special pentru operațiuni de șlefuire și sunt utilizate în concentrații de 1 parte concentrat în 25-60 părți apă. O creștere a uleiului din emulsie de la 2,5% la 10% poate îmbunătăți raportul de șlefuire și finisarea suprafeței și duce la economisirea energiei. Se poate observa că raportul de șlefuire este o măsură a volumului de material îndepărtat pe unitatea de volum de uzură a roții (Machinability Data Center 1980).

Operațiunile severe de șlefuire, cum ar fi cum ar fi șlefuirea formei, a filetului și în adâncime, în care forma roții este un factor critic, necesită utilizarea uleiurilor de tăiere sau a uleiurilor emulsionabile cu aditivi EP. Trebuie remarcat faptul că, pentru tehnica de șlefuire cu solicitare redusă, utilizarea unui fluid pe bază de ulei are ca rezultat mai puțină distorsiune a suprafeței. Uleiurile de șlefuire asigură o lubrifiere mai bună și reduc frecarea, reducând astfel căldura generată. Ca rezultat, pot fi efectuate tăieturi mai grele și se obține un finisaj mai neted al suprafeței. Dar, uleiurile pot compromite eficiența răcirii, ducând la acumularea de căldură în piesa de prelucrat și la afumare/ardere. Rețineți că și vaporii de ulei sunt problematici.

Pentru a rezuma, fluidele de tăiere și șlefuire ar trebui să fie selectate pentru a oferi următoarele:

Lubrifiere mai mare
• La viteze relativ mici
• Pe materialele mai greu de prelucrat
• Pentru operațiuni severe de prelucrare
• Pentru o finisare mai bună a suprafeței

Răcire mai bună
• La viteze relativ mari
• Pe materiale ușor de prelucrat
• Pentru operații mai puțin solicitante
• Unde are loc acumularea de căldură, în special, în materialele cu conductivitate termică scăzută

Tipurile de fluide de tăiere recomandate pentru diferite materiale de lucru și operațiuni de prelucrare pot fi menționate în manualul ASME.

Considerații de compatibilitate

O mare problemă este compatibilitatea fluidului de tăiere cu piesa de prelucrat și mașina-unealtă. În plus, lichidele de răcire miscibile cu apa ar trebui să fie compatibile și cu apa.

Compatibilitate cu materialul piesei de prelucrat

Fluidul de tăiere selectat pentru utilizare trebuie să fie compatibil chimic cu materialul prelucrat. Fluidul nu trebuie să reacționeze cauzând nici pătarea suprafeței de lucru, nici coroziune. Dimpotrivă, ar trebui să prevină coroziunea piesei de prelucrat în timpul prelucrării și manipulării postprelucrării. Unele dintre principalele preocupări sunt enumerate mai jos:

• Unele aliaje de cupru nu pot fi prelucrate cu uleiuri de tăiere foarte sulfurate, deoarece sulful activ va păta suprafața prelucrată. Din acest motiv, fluidele de așchiere care conțin sulf liber nu trebuie niciodată utilizate la prelucrarea cuprului și a aliajelor sale, datorită reactivității ridicate a acestora.
• Metalele precum aluminiul, magneziul și zincul (de asemenea, oțelul galvanizat) sunt predispuse la atacuri de acizi sau alcalini, cauzând astfel coroziune. Prin urmare, selectarea unui fluid de tăiere pentru aluminiu este determinată de compoziția chimică a aliajului. Aditivii activi de sulf sau clor pot provoca colorarea unor aliaje de aluminiu. Există totuși unele fluide cu aditivi brevetați care îmbunătățesc finisarea suprafeței și ajută la prevenirea pătării la prelucrarea aliajelor de aluminiu. Utilizarea fluidelor de măcinare foarte alcaline pe aluminiu ar putea coroda piesele.
• Magneziul și aliajele sale, de exemplu, nu trebuie niciodată prelucrate sau șlefuite cu fluide miscibile cu apă, deoarece este inflamabil sub efect în apă.
• Zincul și oțelul galvanizat nu trebuie prelucrate cu fluide care conțin nitriți.
• Emulsiile bogate în ulei cu un pH de aproximativ 8 s-au dovedit eficiente pentru prelucrarea acestor metale neferoase. Fluide speciale disponibile pentru prelucrarea cuprului, aluminiului și magneziului pot fi găsite în Manualul de prelucrare (Machinability Data Center 1980).
• Metalele feroase se corodează atunci când sunt atacate de acizi și, ca urmare, se va forma rugina. Alcalinele formează un strat protector pe majoritatea metalelor feroase pentru a preveni coroziunea. În consecință, fluidele de tăiere ușor alcaline pentru feroase sunt preferate pentru a inhiba ruginirea componentelor prelucrate și a elementelor mașinii.
• Concentrația fluidelor trebuie monitorizată și controlată; în caz contrar, proprietățile de inhibiție a ruginii ar putea fi compromise. Unii inhibitori de rugină reacționează cu oxigenul și acizii care pot fi prezenți în aer și respectiv în apă și își pierd eficacitatea.
• Trebuie acordată atenție suplimentară la selectarea fluidelor de așchiere utilizate pentru prelucrarea componentelor care sunt proiectate pentru presiune de contact ridicată sau solicitări mari în exploatare sau care sunt expuse la medii neobișnuite/dure. Pentru astfel de piese, trebuie utilizate fluide de tăiere care să nu facă piesa susceptibilă la atacul de coroziune prin solicitare în cazul în care există o peliculă reziduală de suprafață a fluidului de tăiere pe piesa de prelucrat. În prezent, singura modalitate de a selecta astfel de fluide de tăiere este alegerea acestora pe baza unor teste extinse de laborator și/sau a experienței de serviciu. O alternativă este asigurarea unei curățări minuțioase pentru a elimina orice urmă de lichid de tăiere de pe suprafața prelucrată.
• Selectarea fluidului de tăiere poate avea un impact dramatic asupra calității piesei și integrității suprafeței în timpul șlefuirii. Șlefuirea se efectuează cu fluide miscibile cu apă, uleiuri simple și uscate. Utilizarea fluidului de tăiere guvernează acțiunea de răcire, calitatea lubrifierii și, eventual, o anumită acțiune chimică. Fluidele miscibile cu apă au o capacitate de răcire mai mare, dar asigură o lubrifiere mai mică decât uleiurile simple, dar induc un șoc termic mai mare asupra piesei de prelucrat. Condițiile de șlefuire uscată nu sunt de obicei compatibile cu șlefuirea cu efort redus sau cu o integritate ridicată a suprafeței. Se poate observa că lubrifierea este cea mai importantă funcție a fluidului de șlefuire pentru integritatea suprafeței, în special pentru controlul tensiunilor reziduale. Câteodată, diferența dintre performanța emulsiilor și a uleiurilor simple nu este ușor de observat la viteze mai mari de furnizare sau la viteze mai mari ale roților. Efectul furnizării este mai pronunțat și tinde să mascheze efectele fluidelor. După cum s-a menționat anterior, uleiurile de șlefuire devin din ce în ce mai eficiente la viteze mai mici ale roții (sub 20 m/s). De obicei, uleiurile de șlefuire sunt superioare pentru șlefuirea de înaltă integritate, deoarece asigură o lubrifiere bună.

Compatibilitate cu apa

Fluidele miscibile cu apa trebuie să fie compatibile cu apa în care sunt amestecate. Calitatea apei este probabil cel mai important factor care afectează viața fluidelor. Chimia apei și încărcarea ei microbiană determină eficiența răcirii și durata de viață a lichidului de răcire. Cea mai bună acțiune de răcire poate fi obținută din emulsii foarte fine care se formează datorită suspensiei de ulei în apă, dar astfel de emulsii nu sunt posibile dacă apa are duritate mare sau solide dizolvate/în suspensie. Multe lucruri sunt afectate de nivelul de duritate sau pH-ul apei, cum ar fi rata de creștere biologică, protecția împotriva ruginii, efectul de evaporare, stabilitatea emulsiei și spumarea. Un conținut ridicat de clorură sau sulfat poate împiedica capacitatea de protecție împotriva ruginii a preparării lichidului de răcire. Apa dură (peste 200 ppm) poate sparge unele emulsii, rezultând în formarea de depuneri care duce la o performanță slabă. Apa moale (sub 100 ppm) produce adesea spumă excesivă, mai ales în condiții de agitație ridicată (Machinability Data Center 1980).

Compatibilitate cu mașina unealtă

Fluidul de tăiere trebuie să fie, de asemenea, compatibil cu mașina unealtă utilizată pentru prelucrare. Utilizarea fluidelor miscibile cu apa cu majoritatea mașinilor poate pune probleme. De obicei, mecanismele de antrenare și mecanismele de avans sunt plasate departe de zona de tăiere, cu propriul sistem de lubrifiere și etanșate corespunzător împotriva infiltrației fluidelor de tăiere care conțin apă în sistemul de ungere. Cu unele dintre mașinile-unelte mai complexe, cum ar fi strungurile automate și semiautomate și mașinile de tăiat și broșat, emulsiile ar trebui evitate din cauza pieselor mobile din apropierea zonei de tăiere. În astfel de condiții, utilizarea uleiului simplu este de dorit.

Compatibilitate cu sănătatea operatorului

Un alt aspect important în selectarea fluidelor de tăiere este acceptabilitatea pentru operator. Fluidele concepute ținând cont de operator vor fi curate de utilizat, plăcute și sigure de respirat, netoxice și lipsite de ingrediente dure pentru pielea umană. Creșterea bacteriilor în lichidul de răcire ar trebui să fie controlabilă înainte de utilizare și în timpul utilizării, nu ar trebui să ducă la dermatită. Claritatea fluidului face ca operatorul să vadă mai ușor lucrul în timp ce acesta este prelucrat. Un fluid cu miros plăcut, în general curat, „nelipicios” ajută la a face munca operatorului mai plăcută și mai productivă. Principalele preocupări sunt toxicitatea, dermatita, tulburările respiratorii, infecțiile microbiene și cancerul.

Se știe că expunerea pe termen scurt sau lung la fluidele de tăiere care conțin biocide și fungicide poate fi dăunătoare sănătății operatorului. Reacțiile toxice pot apărea prin stropiri accidentale, inhalarea de ceață și transmiterea prin tăieturi ale pielii. Furnizorii de lichide de răcire trebuie să prezinte fișa cu date de securitate a materialelor (MSDS = material safety data sheet). Aceste documentații oferă informații despre nivelurile admisibile de expunere și măsurile de siguranță asociate. Incidența dermatitei a fost observată între 0,3 % și 1 % dintre operatorii din SUA (Stephenson și Agapiou 2010). Dermatita poate fi prevenită prin utilizarea concentrației corecte de biocid, utilizarea mănușilor, utilizarea săpunului cu pH scăzut și utilizarea cremelor de mâini. Creșterea microbilor în sistemul de răcire poate duce la infecții microbiene; prin urmare, rezervoarele trebuie monitorizate pentru creșterea microbiană și nu trebuie lăsate să stagneze pentru perioade lungi de timp.

Tulburările respiratorii pot proveni din expunerea prelungită la ceața lichidului de tăiere. Aceste tulburări respiratorii includ tuse, astm, bronșită și probleme de respirație. Aceste afecțiuni persistă și se agravează în timp, iar atunci este denumit astm profesional. O altă problemă care se întâlnește este pneumonita hipersensibilă. Acest lucru se observă la un procent mic de operatori care devin alergici la o anumită componentă de ceață și se agravează cu expunerea ulterioară. Expunerea prelungită la componentele alergice poate duce la fibroză pulmonară sau acumularea în plămânii operatorului. Expunerea pe termen lung la fluidele de tăiere, în special, cu uleiuri minerale simple la șlefuire, unde generarea de ceață este mai mare, este, de asemenea, dăunătoare sănătății operatorului. Unele dintre uleiurile mai vechi și tetraclorura de carbon folosite în trecut au fost acum clasificate drept cancerigene pentru om de către EPA și NIOSH.

Considerații economice

Se poate observa că costul asociat cu lichidele de răcire și eliminarea poate fi de 16% din costul total de prelucrare. În consecință, considerentele economice sunt o necesitate la selectarea fluidului de tăiere. Însă, la calcularea costului, costul/piesa ar trebui să fie considerată spre deosebire de prețul inițial al fluidului de tăiere. În analiza economică generală, trebuie luate în considerare atât costurile asociate cu fluidul de tăiere, cât și costurile afectate de fluidul de tăiere, cum ar fi efectul asupra sculei, roților și timpul de nefuncționare. Costurile asociate cu fluidele de tăiere sunt următoarele: stoc, cost de schimbare a fluidului, diferențe de preț, întreținere și cost de eliminare. Reciclarea fluidelor de tăiere poate reduce costurile de eliminare a fluidelor de tăiere.