Metaalbewerkingsvloeistoffen

Metaalbewerkingsvloeistoffen kunnen worden verdeeld in twee groepen. De eerste groep omvat vloeistoffen die in de uiteindelijke samenstelling een hoog wateraandeel bevatten (85% of meer). Deze worden door de eindgebruiker zelf samengesteld door een olieproduct met water te emulgeren ("boorolie") of door een concentraat in water op te lossen. De tweede groep bestaat uit "puur smeermiddel", ook wel aangeduid als "neat oils" ("snijolie") en wordt door de leverancier in gebruiksklare vorm geleverd. De tabel geeft een overzicht van de meest gebruikte producten.

 

 

producttype

samenstelling

toepassing

opmerkingen

"pure fluid"

"neat oil", "snijolie"

minerale olie met anti-slijtage, "EP"- en anticorrosie additieven

onverdund

bevat meestal een deel plantaardige olie met polaire vetzuren

"waterextensible fluid"

emulgeerbare olie ("boorolie")

emulgeerbare minerale olie met anti-slijtage, "EP"- en anticorrosie additieven en emulgator

als olie in wateremulsie (2-10% olie)

melkachtig uiterlijk

micro-emulsie

emulgeerbare synthetische olie (PAO) met anti-slijtage, "EP"- en anticorrosie additieven en emulgator

als olie in wateremulsie (2-10% olie) waarbij de oliedruppeltjes in de vloeistof veel geringere afmetingen hebben dan bij een normale emulsie

staat bekend onder de naam "semisyntheet" of "halfsyntheet", min of meer transparant uiterlijk

in water oplosbaar concentraat

in water oplosbare vloeistof (vooral PAG, anorganische zouten en oppervlakte actieve stoffen) met anti-slijtage, "EP"- en anticorrosie additieven

in water op te lossen concentraat(2-10%)

transparante vloeistof, staat bekend onder de naam "syntheet"

 

Met de woorden "halfsyntheet" en "syntheet" wordt bij metaalbewerkingsproducten iets anders bedoeld dan bij smeervloeistoffen. Bij metaalbewerking betekent "halfsyntheet" een product gebaseerd op poly-alfa-olefinen (PAO's). Bij motorolie, tandwielolie en ompressorolie noemt men een product op basis van PAO's (API groep IV) "synthetisch" en een product dat bestaat uit een mengsel van PAO's en conventionele minerale olie "halfsynthetisch". Het woord "syntheet" is bij metaalbewerkingsproducten gereserveerd voor in water oplosbare concentraten (als tegenstelling tot emulgeerbare producten), bij andere smeermiddelen heeft "synthetisch" de betekenis van "door een syntheseproces vervaardigd". Het is zaak bij het vergelijken van productbeschrijvingen dit verschil in taalgebruik goed in het oog te houden!

Rol van de vloeistof bij verspanen

De rol van de bewerkingsvloeistof bij verspanen is een andere dan wanneer vloeistof puur als smeermiddel wordt ingezet. Bij een normale smeertechnische toepassing dient het smeermiddel om slijtage, warmteontwikkeling en wrijving te beperken met als doel de constructie zo lang mogelijk in de oorspronkelijke (functionele) vorm te behouden Bij metaalbewerking heeft de vloeistof een volkomen andere rol. Weliswaar dient ook slijage te worden beperkt, warmte te worden afgevoerd en wrijving te worden verminderd, maar het uiteindelijke doel daarvan is de door het verspanen beoogde vormverandering te vergemakkelijken. Bij smering gaat het om vormbehoud, bij metaalbewerking om het "faciliteren" van de gewenste vormverandering - een fundamenteel verschil. 

Keuze van de meest geschikte vloeistof

De keuze welke vloeistof in een concreet geval optimaal is, is ingewikkeld. Dat komt omdat er talloze factoren zijn die bij die keuze een rol spelen. In de afbeelding is het keuzeproces aangegeven.. Omdat er veel invloedsfactoren zijn, kan niet alleen op basis van laboratoriumresultaten of productbeschrijvingen een keuze worden gemaakt. Laboratoriumonderzoek kan als eerste selectie dienen om bijvoorbeeld milieubelasting, gezondheidsaspecten, corrosiewering en slijtagebeperking te controleren. Vervolgens zal echter zorgvuldig in de praktijk moeten worden getest of aan alle te stellen eisen wordt voldaan. Het opzetten van een zinvolle praktijktest is daarbij geen sinecure: het valt meestal niet mee om alle invloedsfactoren te beheersen, laat staan de invloed van het personeel dat uiteindelijk met het product moet gaan werken.
Er zijn talloze bedrijven die vloeistoffen voor metaalbewerking aanbieden, zowel grote multinationaal werkende bedrijven als eenmansondernemingen. De kwaliteit van aanbieders laat zich vrij gemakkelijk aflezen zodra er een discussie wordt gestart over de gezondheids- en milieuaspecten van de te leveren producten. De goede zullen probleemloos de wettelijk verplichte informatie kunnen verschaffen en daar met autoriteit over kunnen spreken, de minder goede zullen niet verder kunnen gaan dan het beschikbaar stellen van documentatie die door henzelf nauwelijks wordt begrepen. Gezien de aan het gebruik van metaalbewerkingsproducten verbonden milieu en gezondheidsrisico's is het verstandig op dat gebied ondeskundige aanbieders te mijden. Ook relatief kleine aanbieders kunnen over de vereiste deskundigheid beschikken, danwel daar eenvoudig toegang toe hebben. 

Groei van micro-organismen

Bij gebruik van emulgeerbare producten kan er groei van micro-organismen optreden op het scheidingsvlak van "ingesleepte olie" en emulsie. Voorwaarde voor de groei van micro-organismen is verontreiniging van de emulsie door minerale olie uit de bewerkingsmachine (leibaanolie). Het kan leiden tot grote stankoverlast, verstoppingen van leidingsystemen en minder goede bewerkingskwaliteit. Het gaat vooral om micro-organismen die gedijen in een anaerobe omgeving op het scheidingsvlak van emulsie en olie. Een circulatiesysteem met metaalbewerkingsvloeistof vormt een soort " industrieel aquarium".
Het probleem is te beperken door er voor te zorgen dat er zo weinig mogelijk smeerolie in de emulsie terecht komt. Bovendrijvende olie dient zo goed mogelijk verwijdert te worden. Om een anaeroob milieu te voorkomen dient de vloeistof bij voorkeur continu te circuleren en eventueel te worden belucht. Ook verontreiniging met spaanmateriaal dient beperkt te worden, zonodig dient dit te worden afgescheiden en verwijderd.. Het inwerpen van etensresten, sigarettenpeuken en ander afval in het reservoir dient vermeden te worden. In extreme gevallen kan het inzetten van een biocide helpen de groei van micro-organismen te beperken. Dat dient met mate te gebeuren om het ontwikkelen van resistente micro-organismen te voorkomen. De belangrijkste maatregel is zorgen dat het systeem schoon is en schoon blijft door verontreinigingen continu te verwijderen. Bij eerste vulling dient vooraf het gehele systeem volledig gereinigd en ontsmet te worden, een maatregel die bij iedere verversing of overschakeling naar een andere vloeistof volledig en nauwgezet moet worden herhaald. 

Vloeistofkeuze en bewerkingsproces

De verschillende bewerkingsprocessen bij verspanen vertonen veel overeenkomsten. Er is echter ook een aantal verschillen, zowel in de relatieve zwaarte van de bewerking als in de behoefte aan koeling en smering. Afhankelijk van het proces wordt voor verschillende producttypen gekozen. De taak van de metaalbewerkingsvloeistof in niet in alle processen hetzelfde. De bewerkingsprocessen kunnen in vier verschillende groepen worden onderverdeeld: 

bewerking

vloeistoftype

opmerkingen

draaien, frezen

kotteren, boren,

schaven, zagen

met water aan te lengen vloeistof (emulsie, micro-emulsie of synthetisch)

vloeistof dient voor alles voor temperatuurbeheersing, met name om de temperatuur van het snijgereedschap niet te hoog te laten oplopen

draadsnijden/tappen

pure olie met sterke antislijtage en "EP"-eigenschappen

vloeistof dient aankleven van werkstofmateriaal aan de vele snijkanten te voorkomen en lokale lasvorming tussen gereedschap en werkstuk tegen te gaan

slijpen

met water aan te lengen vloeistof (emulsie, micro-emulsie of synthetisch), soms pure minerale olie

vloeistof dient voor het wegspoelen van uitgevallen "versleten" slijpkorrels en voor koeling van het werkstukoppervlak om ongewenste structuurverandering tegen te gaan

honen

pure minerale olie, soms een met water aan te lengen vloeistof

vloeistof dient in het contact tussen snijgereedschap en werkstuk gemengde smering te bewerkstelligen zodat het gewenste oppervlakteprofiel wordt verkregen

Draaien, frezen, kotteren, boren, schaven en zagen

Bij deze bewerkingen vindt niet alleen snijden in het werkstuk plaats, maar treedt ook plastische vervorming op in het werkstuk, voorafgaand aan de spaanvorming. Door de vervormingsarbeid ontstaat warmte, die zich vooral in de spaan concentreert (en niet in het werkstuk). Omdat de spaan, voor dat deze afbreekt, intensief in contact komt met het snijgereedschap, wordt de warmte deels overgedragen aan het snijgereedschap. Het snijgereedschap bereikt daardoor zijn hoogste temperatuur in het contactvlak met de spaan en niet bij de snijkant zelf. Om een hoge gereedschapsstandtijd te bereiken is het zaak de warmtestroming van spaan naar gereedschap te beperken. Meestal spreekt men over koelen, maar thermische isolatie van het gereedschap ten opzichte van de spaan zou in dit geval een nauwkeuriger omschrijving zijn.
De behoefte aan "koelen" is niet bij iedere bewerking even groot. Bij frezen bijvoorbeeld is minder koeling nodig omdat de snijkanten niet continu in contact zijn met het werkstuk en de warmteoverdracht dus steeds wordt onderbroken. Bij boren (en vooral bij langgatboren) is er daarentegen langdurig contact tussen spaan en boorschacht, zodat de mogelijkheid tot warmteoverdracht groter is. Bovendien is het bij boren moeilijk om voldoende "koelmiddel" op de juiste plaats (tussen spaan en gereedschap) te krijgen. 

Draadsnijden/-tappen

Bij het snijden van schroefdraad is de warmteontwikkeling lager omdat de bewerking met relatief lage snelheid plaats vindt. Er treedt wel veel wrijving op die dient te worden verminderd door het gebruik van geschikte additieven om lokale lasvorning en materiaaloverdracht naar het snijgereedschap tegen te gaan. De wrijvingsvermindering kan alleen worden bereikt met een smeermiddel met een betrekkelijk hoge viscositeit en voldoende "EP"-eigenschappen. Hoofdzakelijk uit water bestaande vloeistoffen zijn ongeschikt als hulpmiddel bij deze bewerkingen. 

Slijpen

Slijpbewerkingen wijken sterk af van de voorgaande bewerkingen. Er is nauwelijks sprake van spaanvorming, maar daarentegen een overvloedig aanbod van "versleten snijgereedschap". Door het geringe spaanvolume zal de door de vervormingsarbeid ontstane warmte voor het grootste deel in het werkstuk achterblijven. Om ongewenste structuurveranderingen door wamte-inwerking tegen te gaan dient het werkstuk intensief te worden gekoeld. In dit geval is er echt sprake van koelen, de in het werkstuk ontstane warmte dient aan het werkstuk te worden onttrokken. Naast koelen is vooral het wegspoelen van uit het slijpgereedschap losgekomen slijpkorrels van belang. Het is de bedoeling dat "scherpe" slijpkorrels de oppervlakteruwheid van het materiaal in de voorziene mate reduceren. "Botte" slijpkorrels leiden tot het "uitsmeren" van materiaal op het werkstukoppervlak - een soort "microbraamvorming" die moet worden voorkomen door losgekomen slijpkorrels zo snel mogelijk weg te spoelen.
Door de hoge snelheid waarmee het slijpgereedschap draait, ontstaan luchtwervelingen die de richting van de straal koelmiddel kunnen verstoren. Met geleiders die de luchtstroom rond de slijpschijf bewust verstoren, wordt geprobeerd de "lokale wervelwind" die de vloeistofstraal van richting zou kunnen doen veranderen in te tomen. 

Honen

Honen is een nabewerkingsproces waar bewust wordt gestreefd naar een materiaaloppervlak met een zekere ruwheid volgens een bepaald patroon van toppen en dalen. Dat is van belang voor cyilinders in motoren, compressoren en hydrauliektoepassingen. Door de cylinderwand te voorzien van een oppervlaktestructuur waarin tijdelijk enig smeermiddel kan worden "geparkeerd", wordt het opbouwen van een smeerfilm tussen zuigerveer/afdichting en cylinder bevorderd.
Om het gewenste effect te bereiken wordt het ronddraaiende hoongereedschap op en neer bewogen, waardoor een patroon van elkaar kruisende groeven ontstaat. Het smeermiddel dient om bij deze bewerking gemengde smering te laten ontstaan. Bij grenssmering zou er geen mooi hoonpatroon ontstaan, bij vollefilm smering zou er niets aan het oppervlak veranderen. De combinatie van vloeistofviscositeit, bewerkingssnelheid en aanlegdruk dient dus zodanig te zijn dat in eeen zeer specifiek gedeelte van de Stribeckcurve wordt gewerkt. 

Snijoliën

Bewerkingen met snijgereedschap van variabele vorm

Bij slijp- hoon en schuurbewerkingen verandert de vorm van het snijgereedschap voortdurend. Het snijgereedschap bestaat uit korrels van een bepaalde grootte met ongedefinieerde vorm ingebed in een dragermatrix. Bij de bewerking slijten de korrels snel en breken ze uit de dragermassa, waarna weer nieuwe "verse" scherpe korrels vrijkomen om de bewerking voort te zetten.
De bewerking kan worden beschouwd als een beheerst proces van abrasieve slijtage, waarbij door de keuze van het snijgereedschap de uiteindelijke oppervlakteruwheid van het werkstuk kan worden bepaald. Vloeistoffen voor dergelijke processen hebben vooral als taak uitgebroken korrels weg te spoelen en het werkstuk voor te hoge temperatuur te behoeden. 

Wrijvingsvermindering

Door de hoge temperatuur van spaan en snijgereedschap zal een deel van het water uit de bewerkingsvloeistof verdampen en een deel van de emulgeerbare olie of het opgeloste concentraat uiteenvallen in een gasvormig deel en een vast deel dat zich afzet op de bereikbare delen van de wrijvingszones. Het gasvormige deel is in staat in de kleinste spelingen (10-3 - 10-4 mm) binnen te dringen.. Daar kunnen de gasvormige bestanddelen zich verbinden met het "maagdelijke" metaal en zo een beschermende laag vormen. Die beschermende laag wordt snel weer afgeschoven, maar door continue aanvoer van gasvormige bestanddelen ook steeds weer opgebouwd,. De belangrijkste bijdrage aan deze beschermende laag wordt door "EP"-additieven geleverd.
Het lokaal volledig uiteenvallen van de metaalbewerkingsvloeistof is essentieel voor de werking. Pas door het uiteenvallen en het vrijkomen van de gasvormige bestanddelen kan de tijdelijke verbinding tussen metaaloppervlak en gascomponent ontstaan die een beschermende laag oplevert en de wrijving vermindert. Vooral chloor is erg effectief, maar wordt vanwege milieuoverwegingen niet veel meer toegepast. Zwavel- en fosforverbindingen kunnen eveneens een beschermende laag vormen. Het gebruik van actieve zwavel als "EP"-additief kan bij koper en koperlegeringen tot aantasting leiden. Omdat de temperatuur bij het werken met dergelijke metalen lager ligt, volstaan normale vetzuren en eventueel fosforverbindingen om de wrijving te verminderen. 

Bewerkingen met gedefinieerd snijgereedschap

Bewerkingen waarbij het snijgereedschap een vaste vorm heeft zijn draaien, frezen, zagen, boren, schaven, kotteren, draadsnijden en draadtappen. Afhankelijk van het type bewerking, het te bewerken materiaal, vorm van het snijgereedschap en verspaningsvolume per tijdseenheid zal er meer of minder warmte ontstaan. Bij veel bewerkingen ontstaat zoveel warmte dat bewust moet worden gekoeld om te voorkomen dat structuurveranderingen in het werkstukmateriaal optreden of dat de standtijd van het snijgereedschap door de hoge temperatuur onacceptabel kort wordt. Bij bewerkingen als draadsnijden en -tappen ontstaat minder warmte. Bij deze bewerkingen is er grote behoefte aan smering om met name adhesieve slijtage (materiaaloverdracht van werkstuk naar snijgereedschap) te voorkomen. 

Smering van het snijgereedschap

De temperaturen bij het snijgereedschap zijn zo hoog dat van smeermiddelen weinig meer verwacht kan worden . Bovendien is de ruimte tussen snijgereedschap en werkstuk en tussen spaan en snijgereedschap zo gering, dat het onwaarschijnlijk is daar met behulp van een geringe overdruk smeermiddddel tussen te krijgen. Tegelijkertijd treedt er wel een hoge mate van wrijving op omdat het werkstuk en de spaan tijdelijk zonder het normaal op metalen aanwezige oxidehuidje zijn.
In de afbeelding hiernaast zijn de wrijvingszones te zien. De wrijvingszones zijn onbereikbaar voor een vloeibaar smeermiddel en de temperatuur is te hoog om een vloeibaar smeermiddel nog effectief te laten zijn. Toch leert de ervaring dat inzet van een koelsmeermiddel wel degelijk helpt. Het werkingsmechanisme is echter anders dan bij een normaal smeermiddel - er is geen loopvlakscheiding door een vloeistoffilm. 

Snijgereedschap en smeringsregime

Verspanen is een van de vele mogelijkheden om metalen vorm te geven. Verspanen kan worden omschreven als het met behulp van snijgereedschap verwijderen van metaal van een werkstuk met het doel dat een zodanige vorm te geven dat het geschikt wordt voor zijn voorziene taak. Het snijgereedschap kan daarbij zowel een vaste vorm hebben zoals bij beitels, zagen, boren, draadsnijgereedschap etc als ook een niet vastliggende vorm zoals bij slijpschijven, schuurpapier en hoonstenen.In het contact tussen snijgereedschap en werkstuk treedt wrijving, warmteontwikkeling en slijtage op. Om de invloed daarvan op bewerkingskwaliteit van het werkstuk en slijtage van het snijgereedschap beperkt te houden, worden bij de meeste bewerkingen metaalbewerkingsvloeistoffen ingezet. 

Het contact tussen snijgereedschap en werkstuk

Bij het contact tussen snijgereedschap en werkstuk ontstaan hoge temperaturen. Het is daarbij niet de punt van het snijgereedschap waar de hoogste temperatuur optreedt. De hoogste temperatuur wordt bereikt in de spaan en op de plaats waar het meeste contact is tussen spaan en snijgereedschap. Met andere woorden: de warmte ontstaat niet op het snijvlak, maar op een andere plaats en veel van die warmte wordt via de spaan op het snijgereedschap overgedragen.
Het ontstaan van de warmte is dan ook niet het gevolg van de snijdende bewerking zelf maar het gevolg van de plastische materiaalvervorming die aan het fysieke scheiden van spaan en werkstuk vooraf gaat. In de volgende afbeelding is te zien hoe een soort "golf" van materiaal onderhevig is aan een hoge mate van afschuiving en als het ware voorijlt op de beitelpunt.
Door de afschuivende krachten treedt niet alleen vervorming op, maar ontstaat ook een grote hoeveelheid warmte. Die warmte wordt opgenomen in de spaan en daardoor ontstaan de hoge temperaturen - eerst in de spaan en later ook in het snijgereedschap op de plaats waar het meest innige contact tussen spaan en snijgereedschap plaats vindt. Het werkstuk zelf blijft betrekkelijk koel. Deze vervorming treedt op bij alle bewerkingen waar met hoge snijsnelheden wordt gewerkt. De als gevolg van de vervormingsarbeid ontstane warmte is de reden om te koelen - of nauwkeuriger - het streven om de temperatuur van het snijgereedschap te beperken. 

Smeringsregimes

Meestal wordt bij de gesmeerde contacten gestreefd naar volledige loopvlakscheiding. Bij verspanende bewerking zal dat niet worden bereikt. Het is ook niet gewenst. De vormverandering ontstaat juist door het contact tussen snijgereedschap en werkstuk. De taak van het smeermddel daarbij is adhesieve slijtage, materiaaloverdracht van werkstuk naar snijgereedschap en ongewenste structuurveranderingen in het werkstukoppervlak te voorkomen. Het smeerregime is dan ook nagenoeg altijd grenssmering. Alleen bij slijp- en hoonbewerkingen kan bij overvloedige smeermiddeltoevoer gemengde en vollefilmsmering ontstaan. Bij hoonbewerkingen wordt de viscositeit van het smeermiddel bewust ingezet om de te bereiken oppervlakteafwerking te sturen. 

Microdosering

Het gebruik van koelsmeermiddelen is duur en arbeidsintensief. Duur vooral vanwege de met de afvoer gepaard gaande kosten, arbeidsintensief vanwege de aandacht die moet worden besteed aan het op peil houden van de juiste concentratie en het in goede conditie houden van de circulerende vloeistof. Als alternatief bieden zich volledig droge verspaning en microdosering aan. Bij droog verspanen wordt in het geheel geen vloeistof gebruikt. Dat is alleen mogelijk bij bewerking van relatief zacht materiaal in combinatie met een betrekkelijk lage snijsnelheid.
Bij microdosering wordt geprobeerd door verneveling van de vloeistof en zeer gerichte doserering de gewenste wrijvingsvermndering te bereiken. De vloeistof verdampt daarbij volledig en wordt slechts eenmalig gebruikt. Dat kan een aanzienlijke besparing opleveren doordat minder vloeistof nodig is en de dure afvoer vervalt. Microdosering is vooral effectief als het verspaningsvolume betrekkelijk gering is. Het uitgangsmateriaal dient dus al de uiteindelijk te bereiken vorm zo goed mogelijk te benaderen. 

Print-vriendelijke versieStuur naar een vriendPDF versie

BEROIL NV | Industriezone Centrum-Zuid 3023/6 | B-3530 Houthalen-Helchteren | (T)+32 (0) 11 / 80 33 23 - (F)+32 (0) 11 / 80 10 04 | info [at] beroil [dot] be