در خدمات ماشین کاری انرژی گرمایی تولید شده نقش بسیار مهمی دارد. گرمای تولید شده توسط خود دستگاه و گرمای حاصل از اصطکاک ابزار برش با قطعه کار می‌تواند به مرور زمان باعث خرابی ابزار برش و افت کیفیت قطعه کار می‌شود. از این رو، گرمای ایجاد شده باید بدون از دست رفتن بهره‌وری و کیفیت محصول نهایی کنترل شود.
مایع خنک کننده یکی از بخش‌های بسیار مهم از فرآیند خدمات ماشین کاری از جمله سنگ زنی، فرزکاری و تراشکاری است که باعث افزایش عمر ابزار تراش و کیفیت سطح قطعه کار می‌شود. درک صحیح از نقش مایع خنک کننده و انواع آن باعث می‌شود تا مایع خنک کننده متناسب با دستگاه و نوع عملیات ماشین کاری را انتخاب کنید.
مایع خنک کننده چیست ؟
مایع خنک کننده که با عنوان مایع روان کننده نیز شناخته می‌شود در عملیات برشکاری فلزات، مانند خدمات ماشین کاری سی ان سی، برای خنک کاری و روان کاری قطعات کار و ابزار برش استفاده می‌شود.
کاربرد مایع خنک کننده
خنک سازی: در طی فرایند ماشین کاری میزان زیادی از گرما به دلیل اصطکاک قطعه کار و ابزار برش ایجاد می‌شود که برای جلوگیری از اثرات مخرب آن باید از مایع خنک کننده استفاده کرد. با وجود اینکه گردش هوا می‌تواند به خنک شدن دستگاه و دفع گرمای ایجاد شده کمک کند ولی این در زمانی است که عملیات برش سبک و حجم کاری کمتر باشد. با این حال اگر عملیات برش سنگین برای مدت طولانی در حال انجام باشد، برای تداوم تولید، استفاده از مایع خنک کننده ضروری است تا گرما سریعتر دفع شده و به کاهش اصطکاک و سایش ابزار کمک کند.
روغن کاری: روغن کاری از جوش شدن براده‌ها به ابزار کار در اثر ایجاد گرمای شدید ماشین کاری، جلوگیری می‌کند. همچنین می‌تواند به تخلیه براده ها از روی سطح قطعه کار کمک کرده و از برش مجدد براده های جلوگیری می‌کند.
انواع مایع خنک کننده
مایع خنک کننده دارای چهار دسته اصلی و فرمولاسیون های بسیار مختلفی است. بنابراین انتخاب آن باید بر اساس کاربرد کلی آن، عملیاتی که بر روی قطعه کار انجام می شود و جنس قطعه کار، انجام شود.
روغن مستقیم (Straight oils): 100% روغن نفتی
این نوع خنک کننده‌ها از این جهت روغن مسقیم نامیده می‌شوند که حاوی آب نیستند و اساسا از روغن‌های نفتی و معدنی تشکیل می‌شوند و ممکن است دارای افزودنی هایی باشند که برای بهبود برخی ویژگی های خاص طراحی شده باشند. معمولا در کاربردهای ساده تر مانند خدمات ماشین کاری سبک فلزات آهنی و غیر آهنی نیازی به افزودنی‌ها نیست. ولی برای کاربردهای سنگین، روغن های مسقیم ممکن است دارای عوامل مرطوب کننده (معمولا تا 20% روغن های چرب) و افزودنی های فشار شدید (EP) مانند گوگرد، کلر و ترکیبات فسفر باشند.
افزودنی های فشار شدید (EP) باعث بهبود مرطوب شوندگی روغن شده و باعث می‌شود که روغن، ابزار برش، قطعه کار و براده های فلزی را به خوبی پوشش دهد. از دیگر مزیت‌های آن می توان به بهبود روانکاری اشاره کرد که باعث جلوگیری از جوش میکروسکوپی در عملیات ماشین کاری سنگین می شود. در شرایط بسیار سنگین میزان افزودنی ها (گوگرد و روغن های چرب سولفوره شده) ممکن است از حد 20% فراتر رود که می‌تواند خواص ضد جوشی محصول را به شدت افزایش دهد.
مزایای روغن های مستقیم
مزیت اصلی روغن‌های مستقیم، روان کنندگی عالی و خاصیت ارتجاعی است که مابین قطعه کار و ابزار برش ایجاد می‌کند. روغن مستقیم به ویژه در عملیات‌هایی با سرعت پایین که نیاز است سطح قطعه کار از کیفیت بالایی برخوردار باشد، مفید است. اگر چه هزینه استفاده از این نوع خنک کننده زیاد است ولی با این وجود در برخی از کاربردها، باعث افزایش طول عمر ابزار برش خواهد شد. برای کاربردهایی نظیر سنگ زنی، سوراخکاری با عمق زیاد و برش فلزات سخت مانند فولادهای ضد زنگ خاص و سوپر آلیاژ ها، استفاده از روغن های مستقیم ترجیح داده می‌شود.
مقاومت در برابر زنگ زدگی، عمر بالای مخزن نگهداری مایع خنک کننده، بروز مشکلات کمتر در اثر استفاده نادرست و نگهداری آسان از دیگر مزایای روغن مستقیم هستند. لازم به ذکر است که به دلیل عدم توانایی رشد باکتری‌ها در خنک کننده‌های مستقیم، در برابر فاسد شدن مقاوم هستند مگر اینکه آب باعث آلوده شدن آن شود.
معایب روغن مستقیم
روغن‌های مستقیم که به کاربردهایی با دما و سرعت پایین محدود می‌شوند، معایبی دارند که از جمله آنها می‌توان به افزایش خطر آتش سوزی، ایجاد غبار و دوده اشاره کرد که موجب ایجاد محیط کار غیر ایمن برای اپراتور دستگاه می‌شود به خصوص در مواقعی که دستگاه فاقد محافظ کافی باشد و کارگاه از سیستم تهویه هوای مناسب برخوردار نباشد. همچنین لایه روغنی باقی مانده بر روی قطعه کار، تمیز کردن آن را دشوار می‌کند و برای تمیز کردن آن اغلب نیاز به حلال‌های پاک کننده است.
روغن های حل شونده (آب صابون): 60 تا 90 درصد روغن نفتی
روغن‌های حل شونده (که به عنوان امولسیون، روغن امولیسیون پذیر ،روغن‌های حلال در آب یا آب صابون نیز شناخته می‌شوند. ) که معمولا از 60 تا 90 درصد روغن معدنی، امولسیون کننده‌ها و سایر افزودنی ها تشکیل شده اند. زمانی که کنسانتره ها برای تشکیل مایع فلزکاری با آب مخلوط می‌شوند، امولسیون کننده‌ها (ماده ای شبیه به صابون) باعث می‌شوند روغن در آب پخش شده و یک امولسیون پایدار را تشکیل دهد. همچنین باعث می‌شود روغن در حین انجام خدمات ماشین کاری به قطعه کار بچسبد.
مزایای آب صابون
آب صابون به دلیل مخلوط شدن روغن با آب قابلیت خنک کنندگی و روانکاری بسیار خوبی دارند. آب صابون ها تمایل دارند تا یک لایه روغنی بر روی اجزا متحرک ابزارهای ماشین کاری بر جا بگذارند تا از امولسیون گریس و روغن های لغزنده (slideway oils) جلوگیری کند.
آب صابون‌ها یک محلول همه منظوره مناسب برای عملیات سبک و متوسط است که شامل انواع کاربردهای آهنی و غیر آهنی است.
اگر چه آب صابون‌ها از لحاظ میزان روانکاری که روغن‌های مستقیم ارائه میکنند، با یکدیگر قابل مقایسه نیستند، اما عوامل مرطوب کننده و افزودنی های EP (مانند کلر، فسفر و گوگرد) می‌توانند دامنه کاربرد ماشین کاری آب صابون‌ها را تا عملیات‌های سنگین تر گسترش دهند. اکثر عملیات‌های برش مانند ترپنینگ و سوراخکاری که توسط روغن‌های مستقیم انجام می‌شود، ممکن است با استفاده از آب صابون‌ها نیز انجام شود.
معایب آب صابون ها
وجود آب در آب صابون‌ها (روغن های حل شونده) مشکلاتی مانند زنگ زدگی، رشد باکتری‌ها، آلودگی محیطی در اثر جاری شدن روغن در محیط کار و هدر رفت آب صابون در اثر تبخیر را به همراه خواهد داشت. همچنین هزینه نگهداری آب صابون های برای حفظ ویژگی ها مورد انتظار نسبتا زیاد است. از دیگر معایب آب صابون ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- آب صابون در صورت اختلاط با آب سخت (آب با میزان مواد معدنی بالا) باعث ایجاد رسوب بر روی قطعات، ماشین ها و فیلترها می‌شود.
- به دلیل حجم بالای روغن در آب صابون، این مایع به سختی از روی قطعات کار پاک می‌شود.
- ایجاد سطح لغزنده و استنشاق بخار حاصل از آب صابون منجر به ایجاد محیط آلوده و نا ایمن می‌شود.
- به دلیل معایب ذکر شده در اکثر کاربردها، آب صابون‌ها با خنک کننده های شیمیایی جایگزین شده‌اند
خنک کننده های مصنوعی:
این نوع خنک کننده‌ها که در اواخر دهه 1950 معرفی شدند، فاقد فرآورده‌های نفتی یا روغن‌های معدنی هستند و از روان کننده‌ها و مواد ضد زنگ محلول در آب تشکیل شده‌اند. این نوع خنک کننده‌ها نیز مانند آب صابون‌ها به صورت کنسانتره ارائه می‌شوند که برای به دست آوردن مایع فلزکاری با آب مخلوط می‌شوند. مایعات خنک کننده مصنوعی برای ظرفیت خنک کنندگی بالا، روانکاری و جلوگیری از خوردگی و نگهداری آسان طراحی شده‌اند. به دلیل ظرفیت خنک کنندگی بالا، در عملیات‌های تراشکاری با دما و سرعت بالا ترجیحا از خنک کننده‌های مصنوعی استفاده می‌شود.
خنک کننده‌های مصنوعی را می‌توان بر اساس ترکیباتشان به عنوان خنک کننده‌های مصنوعی ساده، پیچیده یا امولسیون پذیر دسته بندی کرد. خنک کننده‌های مصنوعی ساده در درجه اول برای عملیات سنگ زنی سبک استفاده می‌شوند. خنک کننده های مصنوعی پیچیده که حاوی روان کننده‌های مصنوعی هستند ممکن است برای عملیات ماشین کاری متوسط تا سنگین استفاده شوند، در استفاده از این نوع خنک کننده ها ممکن است انجام خدمات ماشین کاری با سرعت بالاتر انجام گیرد. خنک کننده‌های مصنوعی و پیچیده به هنگام مخلوط شدن در مخزن خنک کننده، محلول‌های شفافی را تشکیل می دهند که به اپراتورهای دستگاه اجازه می‌دهد قطعه کار را ببیند.
مایع خنک کننده مصنوعی امولسیون پذیر مانند آب صابون‌ها حاوی ترکیبات اضافه برای ایجاد خواص روانکاری هستند که به این سیالات این امکان را می‌دهد تا در طول عملیات ماشین کاری سنگین به عنوان خنک کننده و روان کننده عمل کنند. به دلیل خاصیت مرطوب کنندگی، خنک کنندگی و روانکاری، مایعات خنک کننده مصنوعی امولسیون پذیر می‌توانند برای عملیات سنگ زنی، برشکاری و خدمات ماشین کاری بر روی آلیاژهای سخت در دمای بالا مورد استفاده قرار گیرند. ظاهر این نوع سیالات می تواند شفاف یا مات باشد.
عناصر شیمیایی موجود در بیشتر مایعات خنک کننده مصنوعی عبارت اند از:
- آمین و نیتریت برای جلوگیری از زنگ زدگی
- نیترات برای پایداری نیتریت ها
- فسفات و برات برای نرم سازی و حذف سختی آب
- صابون‌ها و عوامل مرطوب کننده برای روانکاری
- ترکیبات فسفر، کلر و گوگرد برای روانکاری شیمیایی
- گلیکول که به عنوان ترکیب کننده عمل می‌کند.
- بیوسید برای کنترل رشد باکتری‌ها
مزایای استفاده از خنک کننده مصنوعی در خدمات ماشین کاری
مایعات خنک کننده مصنوعی دارای قابلیت کنترل عوامل میکروبی بوده و در برابر فاسد شدن مقاوم هستند. این مایعات تا حد بسیار زیادی غیر قابل اشتعال بوده و ازقابلیت خنک کاری بسیار خوبی برخوردار هستند علاوه بر این مشکلات آلودگی محیط کار ناشی از بخار ایجاد شده از مایعات خنک کننده و سطوح چسبده محیط که در آب صابون‌ها و روغن های مستقیم وجود دارد در این محلول ها به حداقل رسیده است. همچنین در صورت ترکیب با آب سخت از پایداری بیشتری برخوردار هستند. به دلیل چسبندگی کمتر این مایعات به قطعه کار، امکان تمیز کردن قطعات کار آسان تر است.
خاصیت ته نشینی خنک کننده‌های مصنوعی از معلق ماندن ذرات ریز در داخل این مایعات و چرخش مجدد آنها در سیستم خنک کننده و مسدود شدن آن جلوگیری می‌کند. به طور کلی این خنک کننده‌ها به دلیل اینکه فاقد عوامل آلاینده هستند در صورت نگهداری مناسب، عمر طولانی‌تری خواهند داشت.
خنک کننده های نیمه مصنوعی: 2 تا 30 درصد روغن های نفتی
همانطور که از نام آنها پیداست، اساسا ترکیبی از روغن‌های حل شونده و مواد مصنوعی هستند (که با عنوان سیالات نیمه شیمیایی نیز شناخته می شوند). مقدار کمی از این محلول‌های خنک کننده (عموما 2 تا 30 درصد) شامل روغن‌های معدنی حلال در آب، و و بخش دیگر آن را کنسانتره‌های نیمه مصنوعی عمدتا شامل امولسیون کننده‌ها و آب، تشکیل می‌دهند. همچنین در ترکیبات آن عوامل مرطوب کننده، عناصر ضد زنگ و خوردگی و افزودنی ها ضد میکروبی (بیوسید) نیز وجود دارد.
مزایای خنک کننده های نیمه مصنوعی
همانند خنک کننده‌های مصنوعی، خنک کننده‌های نیمه مصنوعی نیز برای طیف وسیعی از کاربردها در خدمات ماشین کاری مناسب هستند نگهداری آنها به طور قابل ملاحظه ای از نگهداری آب صابون‌ها آسان‌تر است. روانکاری بهتر برای کاربردهای متوسط تا سنگین، خواص خنک کنندگی و مرطوب کنندگی بهتر نسبت به آب صابون‌ها (روغن‌های حل شونده) به کاربران اجازه می‌دهد تا با سرعت و نرخ تغذیه بیشتر عملیات برش را انجام دهند.
چسبندگی کمتر نسبت به آب صابون‌ها، خاصیت ته نشینی و پاک کنندگی بهتری را نیز ارائه می‌دهد. خنک کننده‌های نیمه مصنوعی همچنین از فاسد شدن و رشد باکتر‌های جلوگیری کرده و به دلیل اینکه نسبت به آب صابون‌ها یا روغن‌های مستقیم حاوی روغن کمتری هستند، بخار مضر کمتری نیز تولید میکنند.
معایب خنک کننده های نیمه مصنوعی
سختی آب بر پایداری این نوع خنک کننده‌ها تاثیر می‌گذارد و ممکن است منجر به تشکیل رسوبات شود. همچنین به دلیل افزودنی‌های پاک کننده موجود در ترکیبات آن، به راحتی کف میکنند و نسبت به آب صابون ها از روانکاری کمتری برخوردار هستند.
