Fluido de corte

El fluido de corte es un tipo de refrigerante y lubricante diseñado específicamente para procesos de trabajo de metales , como el mecanizado y el estampado . Existen varios tipos de fluidos de corte, que incluyen aceites, emulsiones de aceite y agua , pastas, geles, aerosoles (nieblas) y aire u otros gases. Los fluidos de corte están hechos de destilados de petróleo, grasas animales , aceites vegetales , agua y aire u otras materias primas. Dependiendo del contexto y del tipo de fluido de corte que se esté considerando, se lo puede denominar fluido de corte , aceite de corte , compuesto de corte , refrigerante o lubricante .

La mayoría de los procesos de mecanizado y de trabajo de metales pueden beneficiarse del uso de fluido de corte, según el material de la pieza de trabajo. Las excepciones comunes a esto son el hierro fundido y el latón , que pueden mecanizarse en seco (aunque esto no es así para todos los latones, y cualquier mecanizado de latón probablemente se beneficiará de la presencia de un fluido de corte). ^[1]

Las propiedades que se buscan en un buen fluido de corte son la capacidad de:

• Mantenga la pieza de trabajo a una temperatura estable (fundamental cuando se trabaja con tolerancias estrechas ). Es aceptable que esté muy caliente, pero se evita que esté extremadamente caliente o que alterne entre calor y frío.
• Maximice la vida útil de la punta de corte lubricando el borde de trabajo y reduciendo la soldadura de la punta .
• Garantizar la seguridad de las personas que lo manipulan (toxicidad, bacterias, hongos) y del medio ambiente en el momento de su eliminación.
• Evita la oxidación en piezas de máquinas y cortadores.

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El corte de metales genera calor debido a la fricción y la energía perdida al deformar el material. El aire circundante tiene una conductividad térmica baja (conduce mal el calor), lo que significa que es un refrigerante deficiente. El enfriamiento por aire ambiental a veces es adecuado para cortes ligeros y ciclos de trabajo bajos típicos del mantenimiento, reparación y operaciones (MRO) o el trabajo de aficionados. El trabajo de producción requiere cortes pesados ​​durante largos períodos de tiempo y, por lo general, produce más calor del que puede eliminar el enfriamiento por aire. En lugar de detener la producción mientras se enfría la herramienta, el uso de refrigerante líquido elimina significativamente más calor con mayor rapidez y también puede acelerar el corte y reducir la fricción y el desgaste de la herramienta.

Sin embargo, no solo se calienta la herramienta, sino también la superficie de trabajo. Una temperatura excesiva en la herramienta o en la superficie de trabajo puede arruinar el temple de ambas, ablandarlas hasta el punto de dejarlas inservibles o fallar, quemar el material adyacente, crear una expansión térmica no deseada o provocar reacciones químicas no deseadas como la oxidación .

Además de enfriar, los fluidos de corte también ayudan al proceso de corte lubricando la interfaz entre el filo de corte de la herramienta y la viruta. Al evitar la fricción en esta interfaz, se evita parte de la generación de calor. Esta lubricación también ayuda a evitar que las virutas se suelden a la herramienta, lo que interferiría con el corte posterior.

Los fluidos de corte también pueden ayudar a reducir las fuerzas de corte a través del efecto Rehbinder .

A menudo se añaden aditivos de extrema presión a los fluidos de corte para reducir aún más el desgaste de la herramienta.

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Se puede utilizar cualquier método imaginable para aplicar el fluido de corte (por ejemplo, inundación, pulverización, goteo, nebulización, cepillado), y la mejor opción depende de la aplicación y del equipo disponible. Para muchas aplicaciones de corte de metales, lo ideal ha sido durante mucho tiempo el bombeo a alta presión y gran volumen para forzar una corriente de líquido (normalmente una emulsión de aceite y agua) directamente en la interfaz herramienta-viruta, con paredes alrededor de la máquina para contener las salpicaduras y un cárter para atrapar, filtrar y recircular el fluido. Este tipo de sistema se emplea comúnmente, especialmente en la fabricación. A menudo no es una opción práctica para el mantenimiento, la reparación y la revisión o el corte de metales por aficionados, donde se utilizan máquinas herramienta más pequeñas y sencillas. Afortunadamente, tampoco es necesario en aquellas aplicaciones en las que los cortes pesados, las velocidades y avances agresivos y el corte constante durante todo el día no son vitales.

A medida que la tecnología avanza continuamente, el paradigma de la inundación ya no es siempre el claro ganador. Desde la década de 2000, se ha complementado con nuevas permutaciones de suministro de líquido, aerosol y gas, como la lubricación por cantidad mínima y el enfriamiento criogénico a través de la punta de la herramienta (que se detalla a continuación).

Los sistemas de refrigeración a través de la herramienta , también conocidos como sistemas de refrigeración a través del husillo , son sistemas conectados para suministrar refrigerante a través de conductos dentro del husillo y a través de la herramienta, directamente a la interfaz de corte. Muchos de estos también son sistemas de refrigeración de alta presión , en los que la presión de funcionamiento puede ser de cientos a varios miles de psi (1 a 30  MPa ), presiones comparables a las que se utilizan en los circuitos hidráulicos . Los sistemas de refrigeración a través del husillo a alta presión requieren uniones rotativas que puedan soportar estas presiones. Las brocas y fresas diseñadas para este uso tienen pequeños orificios en los labios por donde sale el refrigerante. Varios tipos de taladros de cañón también utilizan disposiciones similares.

En general, existen tres tipos de líquidos: minerales, semisintéticos y sintéticos. Los fluidos de corte semisintéticos y sintéticos representan intentos de combinar las mejores propiedades del petróleo con las mejores propiedades del agua mediante la suspensión de aceite emulsionado en una base de agua. Estas propiedades incluyen: inhibición de la oxidación, tolerancia a una amplia gama de durezas del agua (manteniendo la estabilidad del pH en torno a 9 a 10), capacidad para trabajar con muchos metales, resistencia a la descomposición térmica y seguridad ambiental. ^[2]

El agua es un buen conductor del calor, pero tiene inconvenientes como fluido de corte. Hierve con facilidad, favorece la oxidación de las piezas de la máquina y no lubrica bien. Por lo tanto, se necesitan otros ingredientes para crear un fluido de corte óptimo.

Los aceites minerales , que se derivan del petróleo, comenzaron a utilizarse en aplicaciones de corte a fines del siglo XIX. Estos varían desde los aceites de corte espesos, oscuros y ricos en azufre que se usan en la industria pesada hasta los aceites claros y livianos.

Los refrigerantes semisintéticos, también llamados aceite soluble , son una emulsión o microemulsión de agua con aceite mineral. En los talleres que utilizan el inglés británico, el aceite soluble se conoce coloquialmente como SUDS . ^[3] Estos comenzaron a usarse en la década de 1930. Una máquina herramienta CNC típica generalmente utiliza refrigerante emulsionado, que consiste en una pequeña cantidad de aceite emulsionado en una mayor cantidad de agua mediante el uso de un detergente.

Los refrigerantes sintéticos se originaron a finales de la década de 1950 y generalmente son a base de agua.

La técnica oficial para medir la concentración de aceite en muestras de fluidos de corte es la titulación manual : ^[4] 100 ml del fluido en prueba se titulan con una solución de HCl 0,5 M hasta un punto final de pH 4 y el volumen de titulante utilizado para alcanzar el punto final se utiliza para calcular la concentración de aceite. Esta técnica es precisa y no se ve afectada por la contaminación del fluido, pero debe ser realizada por personal capacitado en un entorno de laboratorio. Un refractómetro de mano es el estándar industrial utilizado para determinar la relación de mezcla de refrigerantes solubles en agua ^[5] que estima la concentración de aceite a partir del índice de refracción de la muestra medido en la escala Brix . El refractómetro permite mediciones in situ de la concentración de aceite dentro de las plantas industriales. Sin embargo, la contaminación de la muestra reduce la precisión de la medida. Se utilizan otras técnicas para medir la concentración de aceite en fluidos de corte, como la medición de la viscosidad , la densidad y la velocidad del ultrasonido del fluido . Se utilizan otros equipos de prueba para determinar propiedades como la acidez y la conductividad.

Otros incluyen:

• El queroseno y el alcohol isopropílico suelen dar buenos resultados cuando se trabaja con aluminio .
• El aceite WD-40 y el aceite 3 en 1 funcionan bien con varios metales. El último tiene un olor a citronela; si el olor le molesta, el aceite mineral y los aceites lubricantes de uso general funcionan de la misma manera.
• El aceite para guías (el aceite fabricado para guías de máquinas herramienta) funciona como un aceite de corte. De hecho, algunas máquinas de tornillos están diseñadas para utilizar un solo aceite como aceite para guías y aceite de corte. (La mayoría de las máquinas herramienta tratan el lubricante para guías y el refrigerante como cosas separadas que inevitablemente se mezclan durante el uso, lo que lleva a que se utilicen separadores de aceite residual para separarlos).
• Los aceites de motor tienen una relación un poco complicada con las máquinas herramienta. Se pueden utilizar aceites de motor de peso puro sin detergentes y, de hecho, hace décadas, los aceites SAE 10 y 20 solían ser los aceites recomendados para husillos y guías (respectivamente) en las máquinas herramienta manuales, aunque hoy en día prevalecen las fórmulas de aceites para guías específicas en el mecanizado comercial. Si bien casi todos los aceites de motor pueden actuar como fluidos de corte adecuados en términos de su rendimiento de corte por sí solos, es mejor evitar los aceites de motor modernos de peso múltiple con detergentes y otros aditivos. Estos aditivos pueden presentar un problema de corrosión del cobre en el latón y el bronce, que las máquinas herramienta suelen tener en sus cojinetes y tuercas de husillo (especialmente las máquinas herramienta más antiguas o manuales).
• El fluido dieléctrico se utiliza como fluido de corte en las máquinas de descarga eléctrica (EDM). Por lo general, se trata de agua desionizada o queroseno con un punto de inflamación alto . La acción de corte del electrodo (o alambre) genera un calor intenso y el fluido se utiliza para estabilizar la temperatura de la pieza de trabajo, además de eliminar las partículas erosionadas del área de trabajo inmediata. El fluido dieléctrico no es conductor.
• Con el proceso de corte por arco de plasma (PAC) se utilizan mesas de agua refrigeradas por líquido (agua o aceite de petróleo).
• El aceite de pata de buey de máxima calidad se utiliza como lubricante. Se emplea en las industrias metalúrgicas como fluido de corte para el aluminio. Para el mecanizado, roscado y taladrado de aluminio, es superior al queroseno y a diversos fluidos de corte a base de agua. ^[6]

El fluido de corte también puede adoptar la forma de una pasta o gel cuando se utiliza para algunas aplicaciones, en particular operaciones manuales como taladrar y roscar . Al serrar metal con una sierra de cinta , es común pasar periódicamente una barra de pasta contra la hoja. Este producto tiene un factor de forma similar al lápiz labial o la cera de abejas. Viene en un tubo de cartón, que se consume lentamente con cada aplicación.

Algunos fluidos de corte se utilizan en forma de aerosol (niebla) (aire con pequeñas gotas de líquido esparcidas por todas partes). Los principales problemas con las nieblas han sido que son bastante malas para los trabajadores, que tienen que respirar el aire contaminado por la niebla que los rodea, y que a veces ni siquiera funcionan muy bien. Ambos problemas provienen de la aplicación imprecisa que a menudo coloca la niebla en todas partes y todo el tiempo, excepto en la interfaz de corte, durante el corte, el único lugar y momento en el que se desea. Sin embargo, una forma más nueva de aplicación de aerosol,El MQL (cantidad mínima de lubricante) ^{[7] [8]} evita ambos problemas. La aplicación del aerosol se realiza directamente a través de las ranuras de la herramienta (llega directamente a través o alrededor del inserto , un tipo ideal de aplicación de fluido de corte que tradicionalmente no ha estado disponible fuera de unos pocos contextos, como la perforación con pistola o la aplicación de líquido de última generación y costosa en el fresado de producción). El aerosol del MQL se aplica de una manera tan precisa (con respecto a la ubicación y el tiempo) que el efecto neto parece casi como el mecanizado en seco desde la perspectiva de los operadores. ^{[7] [8]} Las virutas generalmente parecen virutas mecanizadas en seco, que no requieren drenaje, y el aire es tan limpio que las celdas de mecanizado se pueden ubicar más cerca de la inspección y el ensamblaje que antes. ^{[7] [8]} El MQL no proporciona mucho enfriamiento en el sentido de transferencia de calor, pero su acción lubricante bien dirigida evita que se genere parte del calor en primer lugar, lo que ayuda a explicar su éxito.

El dióxido de carbono (fórmula química CO2 ₎ también se utiliza como refrigerante . En esta aplicación, se permite que el CO2 líquido presurizado _se expanda y esto va acompañado de una caída de temperatura, suficiente para provocar un cambio de fase a un sólido. Estos cristales sólidos se redirigen a la zona de corte mediante boquillas externas o mediante suministro a través del husillo, para proporcionar un enfriamiento controlado por temperatura de la herramienta de corte y la pieza de trabajo. ^[9]

El aire ambiente, por supuesto, fue el refrigerante original para el mecanizado. El aire comprimido, suministrado a través de tuberías y mangueras desde un compresor de aire y descargado desde una boquilla dirigida a la herramienta, es a veces un refrigerante útil. La fuerza de la corriente de aire descompresora expulsa las virutas, y la descompresión en sí tiene un ligero grado de acción refrigerante. El resultado neto es que el calor del corte de mecanizado se disipa un poco mejor que con el aire ambiente solo. A veces se añaden líquidos a la corriente de aire para formar una niebla (sistemas de refrigeración por niebla, descritos anteriormente).

El nitrógeno líquido , suministrado en botellas de acero presurizadas, se utiliza a veces de forma similar. En este caso, basta con hervirlo para proporcionar un potente efecto refrigerante. Durante años, esto se ha hecho (en aplicaciones limitadas) inundando la zona de trabajo. Desde 2005, este modo de refrigerante se ha aplicado de forma comparable al MQL (con suministro a través del husillo y de la punta de la herramienta). Esto refrigera el cuerpo y las puntas de la herramienta hasta tal punto que actúa como una "esponja térmica", absorbiendo el calor de la interfaz herramienta-viruta. ^[10] Este nuevo tipo de refrigeración con nitrógeno todavía está bajo patente. La vida útil de la herramienta se ha incrementado en un factor de 10 en el fresado de metales duros como el titanio y el inconel . ^[10]

Como alternativa, se puede utilizar un flujo de aire combinado con una sustancia de evaporación rápida (por ejemplo, alcohol, agua, etc.) como refrigerante eficaz al manipular piezas calientes que no se pueden enfriar con métodos alternativos.

• En la práctica del mecanizado del siglo XIX, no era raro utilizar agua corriente. Se trataba simplemente de un recurso práctico para mantener la herramienta fría, independientemente de si proporcionaba lubricación en la interfaz entre el filo de corte y la viruta. Si tenemos en cuenta que el acero rápido (HSS) aún no se había desarrollado, la necesidad de enfriar la herramienta se hace aún más evidente. (El HSS conserva su dureza a altas temperaturas; otros aceros al carbono para herramientas no lo hacen). Una mejora fue el agua carbonatada ( bicarbonato de sodio en agua), que inhibía mejor la oxidación de las correderas de las máquinas. Estas opciones generalmente no se utilizan hoy en día porque hay alternativas más efectivas disponibles.
• Las grasas animales como el sebo o la manteca de cerdo eran muy populares en el pasado. ^[11] Hoy en día se utilizan con poca frecuencia, debido a la amplia variedad de otras opciones, pero siguen siendo una opción.
• Los antiguos textos de formación en talleres mecánicos hablan del uso de plomo rojo y plomo blanco , a menudo mezclados con manteca o aceite de manteca de cerdo. Esta práctica está obsoleta debido a la toxicidad del plomo.
• Desde mediados del siglo XX hasta la década de 1990, el 1,1,1-tricloroetano se utilizó como aditivo para aumentar la eficacia de algunos fluidos de corte. En el argot de los talleres se lo denominaba "uno-uno-uno". Se ha dejado de utilizar debido a sus propiedades destructoras del sistema nervioso central y destructoras de la capa de ozono .

Los fluidos de corte presentan algunos mecanismos para causar enfermedades o lesiones en los trabajadores. ^[12] La exposición ocupacional está asociada con aumentos en las enfermedades cardiovasculares . ^[13] Estos mecanismos se basan en el contacto externo (piel) o interno involucrado en el trabajo de mecanizado, incluido tocar las piezas y las herramientas; ser salpicado o salpicado por el fluido; o tener niebla asentada en la piel o entrar en la boca y la nariz en el curso normal de la respiración .

Los mecanismos incluyen la toxicidad química o la capacidad irritante física de:

• El fluido en sí
• Las partículas metálicas (del corte anterior) que se encuentran en el fluido.
• Las poblaciones bacterianas o fúngicas que naturalmente tienden a crecer en el líquido con el tiempo.
• los biocidas que se añaden para inhibir esas formas de vida
• Los inhibidores de corrosión que se agregan para proteger la máquina y las herramientas.
• Los aceites residuales que resultan de la forma en que los aceites (los lubricantes para las guías deslizantes) inevitablemente encuentran su camino hacia el refrigerante.

La toxicidad o capacidad irritante no suele ser elevada, pero a veces es suficiente para provocar problemas en la piel o en los tejidos del tracto respiratorio o digestivo (por ejemplo, boca, laringe, esófago, tráquea o pulmones).

Algunos de los diagnósticos que pueden resultar de los mecanismos explicados anteriormente incluyen dermatitis de contacto irritativa ; dermatitis de contacto alérgica ; acné ocupacional ; traqueítis ; esofagitis ; bronquitis ; asma ; alergia ; neumonitis por hipersensibilidad (HP); y empeoramiento de problemas respiratorios preexistentes.

Las formulaciones de fluidos de corte más seguras brindan resistencia a los aceites residuales, lo que permite una mejor separación por filtración sin quitar el paquete de aditivos base. La ventilación de la sala , las protecciones contra salpicaduras en las máquinas y el equipo de protección personal (EPP) (como anteojos de seguridad , máscaras respiratorias y guantes ) pueden mitigar los peligros relacionados con los fluidos de corte. ^[14] Además, se pueden usar separadores para eliminar el aceite residual de la superficie del fluido de corte, lo que evita el crecimiento de microorganismos. ^[15]

El crecimiento bacteriano es predominante en los fluidos de corte a base de petróleo. El aceite residual junto con el aceite de la piel o del cabello humano son algunos de los residuos durante el corte que se acumulan y forman una capa en la parte superior del líquido; las bacterias anaeróbicas proliferan debido a una serie de factores. Una señal temprana de la necesidad de reemplazo es el "olor del lunes por la mañana" (debido a la falta de uso de viernes a lunes). A veces se agregan antisépticos al fluido para matar las bacterias. Dicho uso debe sopesarse en función de si los antisépticos dañarán el rendimiento de corte, la salud de los trabajadores o el medio ambiente. Mantener una temperatura del fluido lo más baja posible ralentizará el crecimiento de microorganismos. ^[14] Algunos reguladores de salud y seguridad (como el HSE en el Reino Unido) requieren pruebas semanales de los fluidos para trabajar metales para ayudar a mantener la salud del fluido. Estas pruebas implican verificar el nivel de UFC/ml bacteriano del MWF (usando laminillas ) y el nivel de pH usando un medidor de pH o tiras de prueba de pH (ya que un pH bajo puede ser causado por un alto nivel de bacterias). ^[16]

Los fluidos de corte se degradan con el tiempo debido a los contaminantes que ingresan al sistema de lubricación. Un tipo común de degradación es la formación de aceite residual , también conocido como aceite de cárter , que es aceite no deseado que se ha mezclado con el fluido de corte. ^[17] Se origina como aceite lubricante que se filtra de las guías deslizantes y se lava en la mezcla de refrigerante, como la película protectora con la que un proveedor de acero recubre la barra de material para evitar la oxidación, o como fugas de aceite hidráulico . En casos extremos, puede verse como una película o piel en la superficie del refrigerante o como gotas de aceite flotantes.

Los separadores se utilizan para separar el aceite residual del refrigerante. Por lo general, son discos verticales que giran lentamente y que están parcialmente sumergidos por debajo del nivel del refrigerante en el depósito principal. A medida que el disco gira, el aceite residual se adhiere a cada lado del disco para que dos limpiadores lo rasquen, antes de que el disco vuelva a pasar por el refrigerante. Los limpiadores tienen la forma de un canal que luego redirige el aceite residual a un contenedor donde se recoge para su eliminación. Los separadores de vertedero flotante también se utilizan en estas situaciones en las que la temperatura o la cantidad de aceite en el agua se vuelven excesivas.

Desde la introducción de los aditivos CNC, el aceite residual en estos sistemas se puede gestionar de forma más eficaz mediante un efecto de separación continua. La acumulación de aceite residual se separa del refrigerante acuoso o a base de aceite y se puede eliminar fácilmente con un absorbente.

El fluido de corte viejo y usado debe desecharse cuando esté fétido o químicamente degradado y haya perdido su utilidad. Al igual que con el aceite de motor usado u otros desechos, su impacto en el medio ambiente debe mitigarse. La legislación y la reglamentación especifican cómo debe lograrse esta mitigación. La eliminación moderna de fluidos de corte implica técnicas como la ultrafiltración mediante membranas poliméricas o cerámicas que concentran la fase de aceite en suspensión y emulsionada.

La manipulación de virutas y la gestión del refrigerante están interrelacionadas. A lo largo de las décadas se han ido mejorando, hasta el punto de que muchas operaciones de metalurgia utilizan ahora soluciones de ingeniería para el ciclo general de recogida, separación y reciclaje de virutas y refrigerante. Por ejemplo, las virutas se clasifican por tamaño y tipo, los metales residuales (como tornillos y piezas de desecho) se separan, el refrigerante se centrifuga para separarlo de las virutas (que luego se secan para su posterior manipulación), etc. ^[18]

• Hartness, James (1915), Manual del torno de torreta plana Hartness: un manual para operadores, Springfield, Vermont y Londres: Jones & Lamson Machine Company
• Smid, Peter (2010), Configuración de control CNC para fresado y torneado , Nueva York: Industrial Press, ISBN 978-0831133504, Número de serie LCCN  2010007023.

• Fluidos para trabajar metales - Tema de seguridad y salud en el trabajo de NIOSH - Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional