fluido de corte

El corte de metales genera calor debido a la fricción y la energía perdida al deformar el material. ^{[ 2 ]} El aire circundante tiene baja conductividad térmica (conduce mal el calor), lo que significa que es un refrigerante deficiente. ^{[ 3 ]} El enfriamiento por aire ambiente a veces es suficiente para cortes ligeros y ciclos de trabajo bajos, típicos del mantenimiento, reparación y operaciones (MRO) o del trabajo de aficionados. El trabajo de producción requiere cortes pesados ​​durante largos períodos de tiempo y generalmente produce más calor del que el enfriamiento por aire puede eliminar. En lugar de detener la producción mientras la herramienta se enfría, el uso de refrigerante líquido elimina significativamente más calor más rápidamente, 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 dañar el temple de ambas, ablandarlas hasta el punto de inutilizarlas o incluso provocar que fallen, quemar el material adyacente, generar una dilatación térmica no deseada o dar lugar a reacciones químicas indeseadas, como la oxidación .

Regular el calor generado durante los procesos de mecanizado es necesario para prolongar la vida útil de la herramienta, evitar la alteración del tratamiento térmico de la pieza y prevenir su deformación. ^{[ 4 ]} El uso de fluidos de corte permite a los operarios cortar más rápido de lo que podrían si dependieran del aire ambiente para enfriar la pieza.

Estudios sobre aceros estructurales aleados utilizados en ingeniería energética han demostrado que los líquidos lubricantes pueden modificar significativamente los mecanismos de formación de virutas y la morfología de los productos de corte durante las operaciones de torneado. ^{[ 5 ]} Investigaciones posteriores han demostrado que la modificación tecnológica del acero para rotores 38KhN3MFA puede alterar su estado de fase estructural y afectar la morfología de las virutas bajo condiciones de mecanizado variables. ^{[ 6 ]}

Además de refrigerar, los fluidos de corte también facilitan el proceso al lubricar la interfaz entre el filo de la herramienta y la viruta. Al evitar la fricción en esta interfaz, se reduce la generación de calor. Esta lubricación también ayuda a evitar que las virutas se adhieran a la herramienta, lo que interferiría con el corte posterior.

El efecto Rehbinder es la reducción de la resistencia de un material cuando se aplica un surfactante , presente en los fluidos de corte. ^{[ 7 ]} El fluido de corte recubre la superficie de corte y reduce su energía superficial, debilitando así el material. ^{[ 7 ]} Esto disminuye la fuerza necesaria para realizar los cortes, el desgaste de las herramientas y el tiempo requerido para los procesos de mecanizado. ^{[ 7 ]} El efecto Rehbinder es complejo, ya que depende de las propiedades químicas y las estructuras tanto del fluido de corte como del material de trabajo, por lo que resulta difícil para los operarios de mecanizado tenerlo en cuenta en la planificación de los procesos. Los operarios experimentados pueden recurrir a "reglas empíricas" o a métodos de ensayo y error si es que consideran este efecto.

Los aditivos de extrema presión en los fluidos de corte crean una barrera entre la herramienta de corte y el material de trabajo. ^{[ 8 ]} Esta barrera impide el contacto entre ambos. Si la herramienta de corte y el material de trabajo entraran en contacto, las partículas de este último podrían adherirse a la herramienta. ^{[ 8 ]} Estas partículas disminuirían la precisión de la herramienta y de sus cortes, aumentarían la fricción durante el corte y reducirían la calidad del acabado superficial.

Generalmente existen tres tipos de líquidos: minerales, semisintéticos y sintéticos. Los fluidos de corte semisintéticos y sintéticos representan intentos de combinar las mejores propiedades del aceite con las mejores propiedades del agua mediante la suspensión de aceite emulsionado en una base acuosa. Estas propiedades incluyen: inhibición de la corrosión, tolerancia a una amplia gama de dureza del agua (manteniendo la estabilidad del pH alrededor de 9 a 10), capacidad para trabajar con muchos metales, resistencia a la degradación térmica y seguridad ambiental. ^{[ 12 ]}

El agua es un buen conductor del calor, pero presenta 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 , derivados del petróleo, comenzaron a utilizarse en aplicaciones de corte a finales del siglo XIX. Estos varían desde los aceites de corte espesos, oscuros y ricos en azufre que se utilizan en la industria pesada hasta los aceites ligeros y transparentes.

Los refrigerantes semisintéticos, también llamados aceites solubles , son una emulsión o microemulsión de agua con aceite mineral. En los talleres que utilizan inglés británico, el aceite soluble se conoce coloquialmente como SUDS . ^{[ 13 ]} Su uso comenzó en la década de 1930. Una máquina herramienta CNC típica suele utilizar refrigerante emulsionado, que consiste en una pequeña cantidad de aceite emulsionada en una mayor cantidad de agua mediante el uso de un detergente.

Los refrigerantes sintéticos surgieron a finales de la década de 1950 y suelen ser a base de agua.

La técnica oficial para medir la concentración de aceite en muestras de fluidos de corte es la titulación manual : ^{[ 14 ]} 100 ml del fluido bajo 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 portátil es el estándar industrial utilizado para determinar la proporción de mezcla de refrigerantes solubles en agua ^{[ 15 ]} 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 plantas industriales. Sin embargo, la contaminación de la muestra reduce la precisión de la medición. Se utilizan otras técnicas para medir la concentración de aceite en fluidos de corte, como la medición de la viscosidad del fluido , la densidad y la velocidad del ultrasonido . Se utiliza otro equipo de prueba para determinar propiedades tales como la acidez y la conductividad.

Otros incluyen:

• El queroseno y el alcohol isopropílico suelen dar buenos resultados al trabajar con aluminio .
• El WD-40 y el aceite multiusos funcionan bien en diversos metales. Este último tiene un olor a citronela; si el olor resulta desagradable, el aceite mineral y los aceites lubricantes de uso general ofrecen resultados similares.
• El aceite para guías (el aceite destinado a las guías de las máquinas herramienta) funciona como aceite de corte. De hecho, algunas máquinas de tornear están diseñadas para usar un solo aceite tanto para las guías como para el corte. (La mayoría de las máquinas herramienta tratan el lubricante y el refrigerante de las guías como sustancias separadas que inevitablemente se mezclan durante el uso, lo que lleva al uso de separadores de aceite para eliminar las impurezas).
• La relación entre los aceites de motor y las máquinas herramienta es algo compleja. Se pueden usar aceites de motor monogrado sin detergentes, y de hecho, hace décadas, los aceites SAE 10 y 20 eran los recomendados para husillos y guías (respectivamente) en máquinas herramienta manuales, aunque hoy en día predominan las fórmulas específicas para guías en el mecanizado industrial. Si bien casi todos los aceites de motor pueden funcionar como fluidos de corte adecuados por su rendimiento, es mejor evitar los aceites de motor multigrado modernos con detergentes y otros aditivos. Estos aditivos pueden causar corrosión por cobre en el latón y el bronce, materiales que las máquinas herramienta suelen tener en sus cojinetes y tuercas de husillo (especialmente las máquinas herramienta antiguas o manuales).
• El fluido dieléctrico se utiliza como fluido de corte en máquinas de electroerosión (EDM). Generalmente es agua desionizada o queroseno de alto punto de inflamación . La acción de corte del electrodo (o hilo) genera un calor intenso, y el fluido se utiliza para estabilizar la temperatura de la pieza de trabajo, además de eliminar las partículas erosionadas de la zona de trabajo inmediata. El fluido dieléctrico es no conductor.
• Las mesas de agua refrigeradas por líquido (agua o aceite de petróleo) se utilizan en el proceso de corte por arco de plasma (PAC).
• El aceite de pata de buey de la más alta calidad se utiliza como lubricante. En la industria metalúrgica se emplea como fluido de corte para aluminio. Para el mecanizado, roscado y taladrado de aluminio, es superior al queroseno y a diversos fluidos de corte a base de agua. ^{[ 16 ]}

El fluido de corte también puede presentarse en forma de pasta o gel para ciertas aplicaciones, en particular para 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 una consistencia similar a la de una barra de lápiz labial o cera de abeja. Viene en un tubo de cartón que se consume lentamente con cada uso.

Algunos fluidos de corte se utilizan en forma de aerosol (neblina) (aire con diminutas gotitas de líquido dispersas). Los principales problemas con las neblinas han sido que son bastante perjudiciales para los trabajadores, que tienen que respirar el aire circundante contaminado por la neblina, y que a veces ni siquiera funcionan muy bien. Ambos problemas provienen de la aplicación imprecisa que a menudo coloca la neblina en todas partes y todo el tiempo, excepto en la interfaz de corte, durante el corte, el único lugar y momento donde se necesita. Sin embargo, una forma más nueva de aplicación de aerosol,MQL (cantidad mínima de lubricante), ^{[ 17 ] [ 18 ]} 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 mismo, un tipo ideal de aplicación de fluido de corte que tradicionalmente no ha estado disponible fuera de algunos contextos como el taladrado profundo o la costosa aplicación de líquido de última generación en el fresado de producción). El aerosol de MQL se aplica de una manera tan precisa y dirigida (con respecto a la ubicación y el momento) que el efecto neto parece casi como el mecanizado en seco desde la perspectiva del operador. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Las virutas generalmente parecen virutas de mecanizado en seco, no requieren drenaje, y el aire es tan limpio que las celdas de mecanizado pueden ubicarse más cerca de la inspección y el ensamblaje que antes. ^{[ 17 ] [ 18 ]} MQL no proporciona mucha refrigeración 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, lo que provoca una caída de temperatura suficiente para que se solidifique. Estos cristales sólidos se redirigen a la zona de corte mediante boquillas externas o a través del husillo, para proporcionar una refrigeración con temperatura controlada de la herramienta de corte y la pieza de trabajo. ^{[ 19 ]}

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 y descargado por una boquilla dirigida a la herramienta, a veces resulta un refrigerante útil. La fuerza del flujo de aire descomprimido expulsa las virutas, y la descompresión en sí misma tiene un ligero efecto refrigerante. El resultado final es que el calor del mecanizado se disipa mejor que con el aire ambiente solo. En ocasiones, se añaden líquidos al flujo 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, la ebullición es suficiente 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 refrigeración se ha aplicado de forma comparable a la 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. ^{[ 20 ]} Este nuevo tipo de refrigeración por nitrógeno aún está patentado. 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 . ^{[ 20 ]}

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

• En las prácticas de mecanizado del siglo XIX, era común usar agua corriente. Esto era simplemente una solución práctica para mantener fría la herramienta de corte, independientemente de si proporcionaba lubricación en la interfaz entre el filo y la viruta. Si se tiene 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 para herramientas al carbono no). Una mejora fue el agua carbonatada ( bicarbonato de sodio en agua), que inhibía mejor la oxidación de las guías de la máquina. Estas opciones generalmente no se utilizan hoy en día porque existen alternativas más efectivas.
• Las grasas animales como el sebo o la manteca fueron muy populares en el pasado. ^{[ 21 ]} Hoy en día se usan con poca frecuencia, debido a la gran variedad de otras opciones, pero siguen siendo una alternativa.
• Los antiguos manuales de formación en talleres mecánicos mencionan el uso de minio y blanco de plomo , a menudo mezclados con manteca de cerdo o aceite de manteca. Esta práctica está en desuso 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 mejorar la eficacia de algunos fluidos de corte. En la jerga de taller se le conocía como "uno-uno-uno". Su uso se ha ido eliminando gradualmente debido a sus propiedades que dañan la capa de ozono y deprimen el sistema nervioso central .

• Hartness, James (1915). Manual del torno de torreta plana Hartness: Un manual para operadores . Jones & Lamson Machine Company. hdl : 2027/wu.89088930805 . OCLC 608906104 . 
• Smid, Peter (2010), Configuración de control CNC para fresado y torneado , Nueva York: Industrial Press, ISBN 978-0831133504, LCCN 2010007023 .