سائل التبريد

تُنتج عملية قطع المعادن حرارةً نتيجة الاحتكاك وفقدان الطاقة أثناء تشكيل المادة. ^{[ 2 ]} يتميز الهواء المحيط بانخفاض موصليته الحرارية (ضعف توصيله للحرارة)، مما يجعله مُبرِّدًا غير فعال. ^{[ 3 ]} قد يكون تبريد الهواء المحيط كافيًا في بعض الأحيان لعمليات القطع الخفيفة ودورات التشغيل المنخفضة، وهي سمة شائعة في أعمال الصيانة والإصلاح والتشغيل (MRO) أو أعمال الهواة. تتطلب أعمال الإنتاج قطعًا كثيفًا لفترات طويلة، وعادةً ما تُنتج حرارةً أكثر مما يُمكن تبريده بالهواء. بدلًا من إيقاف الإنتاج مؤقتًا لتبريد الأداة، يُزيل استخدام سائل التبريد كميةً أكبر من الحرارة بسرعة أكبر، كما يُمكنه تسريع عملية القطع وتقليل الاحتكاك وتآكل الأداة.

لكنّ الحرارة لا تقتصر على الأداة فحسب، بل تشمل سطح العمل أيضاً. فارتفاع درجة الحرارة في الأداة أو سطح العمل قد يُفسد صلابة كليهما ، ويُليّنهما لدرجة فقدانهما للكفاءة أو حتى تلفهما، ويُحرق المواد المجاورة، ويُسبب تمدداً حرارياً غير مرغوب فيه ، أو يؤدي إلى تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها كالأكسدة .

يُعدّ تنظيم الحرارة المتولدة أثناء عمليات التشغيل ضروريًا لإطالة عمر الأدوات، ومنع تغيير المعالجة الحرارية لقطعة العمل، ومنع تشوهها. ^{[ 4 ]} يسمح استخدام سوائل التبريد للميكانيكيين بالقطع بسرعة أكبر مما لو اعتمدوا على الهواء المحيط لتبريد قطعة العمل.

أظهرت الدراسات التي أُجريت على الفولاذ الإنشائي المُسبَّك المستخدم في هندسة الطاقة أن سوائل التشحيم قد تُغيِّر بشكلٍ كبير آليات تكوين الرقائق وشكل نواتج القطع أثناء عمليات الخراطة. ^{[ 5 ]} كما أظهرت دراسات أخرى أن التعديل التكنولوجي لفولاذ دوّار 38KhN3MFA يُمكن أن يُغيِّر حالته الطورية الهيكلية ويؤثر على شكل الرقائق في ظل ظروف تشغيل مُتغيرة. ^{[ 6 ]}

إلى جانب التبريد، تُسهم سوائل القطع في تحسين عملية القطع من خلال تزييت السطح الفاصل بين حافة القطع للأداة والرايش. وبمنع الاحتكاك عند هذا السطح، يتم الحد من توليد الحرارة. كما يُساعد هذا التزييت على منع التصاق الرايش بالأداة، مما قد يُعيق عمليات القطع اللاحقة.

تأثير ريهبيندر هو انخفاض في قوة المادة عند استخدام مادة فعالة سطحية ، متوفرة في سوائل التبريد. ^{[ 7 ]} يُغطي سائل التبريد سطح القطع ويقلل من طاقته السطحية، مما يُضعف المادة فعليًا. ^{[ 7 ]} هذا يُقلل من القوة اللازمة للقطع، وتآكل الأدوات، والوقت اللازم لعمليات التشغيل. ^{[ 7 ]} تأثير ريهبيندر معقد، إذ يعتمد على الخصائص الكيميائية وبنية كل من سائل التبريد ومادة التشغيل، ولذلك يصعب على فنيي التشغيل أخذه في الاعتبار عند تخطيط عمليات التشغيل. قد يلجأ فنيو التشغيل ذوو الخبرة إلى "قواعد عامة" أو أساليب التجربة والخطأ إذا أخذوا هذا التأثير في الحسبان.

تُشكّل إضافات الضغط العالي في سوائل التبريد حاجزًا بين أداة القطع ومادة العمل. ^{[ 8 ]} يمنع هذا الحاجز التلامس بينهما. في حال تلامس أداة القطع مع مادة العمل، قد تلتصق جزيئات من مادة العمل بأداة القطع. ^{[ 8 ]} تُقلّل هذه الجزيئات المضافة من دقة الأداة وقطعها، وتزيد الاحتكاك أثناء القطع، وتُقلّل من جودة سطح التشطيب.

توجد عمومًا ثلاثة أنواع من السوائل: المعدنية، وشبه الاصطناعية، والاصطناعية. تمثل سوائل القطع شبه الاصطناعية والاصطناعية محاولاتٍ للجمع بين أفضل خصائص الزيت وأفضل خصائص الماء عن طريق تعليق الزيت المستحلب في قاعدة مائية. تشمل هذه الخصائص: تثبيط الصدأ، وتحمل نطاق واسع من عسر الماء (مع الحفاظ على استقرار الرقم الهيدروجيني بين 9 و10)، والقدرة على العمل مع العديد من المعادن، ومقاومة التحلل الحراري، والسلامة البيئية. ^{[ 12 ]}

الماء موصل جيد للحرارة، لكن له عيوب كسائل تبريد. فهو يغلي بسهولة، ويزيد من صدأ أجزاء الآلات، ولا يوفر تزييتاً جيداً. لذلك، يلزم استخدام مكونات أخرى للحصول على سائل تبريد مثالي.

استُخدمت الزيوت المعدنية ، وهي زيوت مشتقة من البترول، لأول مرة في تطبيقات القطع في أواخر القرن التاسع عشر. وتتنوع هذه الزيوت من زيوت القطع السميكة والداكنة والغنية بالكبريت المستخدمة في الصناعات الثقيلة إلى الزيوت الخفيفة والشفافة.

تُعرف المبردات شبه الاصطناعية، أو ما يُسمى أيضًا بالزيت القابل للذوبان ، بأنها مستحلب أو مستحلب دقيق من الماء مع الزيت المعدني. في ورش العمل التي تستخدم اللغة الإنجليزية البريطانية، يُعرف الزيت القابل للذوبان بشكل عام باسم SUDS . ^{[ 13 ]} بدأ استخدام هذه المبردات في ثلاثينيات القرن العشرين. عادةً ما تستخدم آلات CNC المبردات المستحلبة، والتي تتكون من كمية صغيرة من الزيت مُستحلبة في كمية أكبر من الماء باستخدام منظف.

ظهرت المبردات الاصطناعية في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، وهي عادة ما تكون مائية.

الطريقة الرسمية لقياس تركيز الزيت في عينات سائل التبريد هي المعايرة اليدوية : ^{[ 14 ]} حيث يُعاير 100 مل من السائل المراد اختباره بمحلول حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.5 مولار حتى الوصول إلى درجة حموضة 4، ويُستخدم حجم المُعاير المستخدم للوصول إلى هذه الدرجة لحساب تركيز الزيت. هذه الطريقة دقيقة ولا تتأثر بتلوث السائل، ولكنها تتطلب إجراءها بواسطة فنيين مدربين في بيئة مختبرية. يُعد مقياس الانكسار المحمول المعيار الصناعي المُستخدم لتحديد نسبة خلط المبردات القابلة للذوبان في الماء ^{[ 15 ]} ، حيث يُقدّر تركيز الزيت من معامل انكسار العينة المقاس بمقياس بريكس . يسمح مقياس الانكسار بإجراء قياسات مباشرة لتركيز الزيت داخل المصانع. مع ذلك، يُقلل تلوث العينة من دقة القياس. تُستخدم تقنيات أخرى لقياس تركيز الزيت في سوائل التبريد، مثل قياس لزوجة السائل وكثافته وسرعة الموجات فوق الصوتية . كما تُستخدم أجهزة اختبار أخرى لتحديد خصائص أخرى مثل الحموضة والتوصيل الكهربائي.

ومن بينها:

• غالباً ما يعطي الكيروسين والكحول المحمر نتائج جيدة عند العمل على الألومنيوم .
• يُعدّ كلٌّ من WD-40 وزيت 3-In-One فعالين على مختلف المعادن. يتميز الأخير برائحة السترونيلا؛ وإذا كانت الرائحة مزعجة، فإن الزيوت المعدنية وزيوت التشحيم العامة تؤدي الغرض نفسه تقريباً.
• يُستخدم زيت تشحيم مسارات آلات التشغيل (الزيت المُصمم خصيصًا لمسارات آلات التشغيل) كزيت للقطع. في الواقع، صُممت بعض آلات الخراطة لاستخدام نوع واحد من الزيت كزيت تشحيم لمسارات آلات التشغيل وزيت للقطع في آنٍ واحد. (تتعامل معظم آلات التشغيل مع زيت تشحيم مسارات آلات التشغيل وسائل التبريد كمادتين منفصلتين تختلطان حتمًا أثناء التشغيل، مما يستدعي استخدام أجهزة فصل الزيوت الغريبة لفصلهما).
• تتسم العلاقة بين زيوت المحركات وآلات التشغيل ببعض التعقيد. يمكن استخدام زيوت المحركات أحادية اللزوجة غير المنظفة، وفي الواقع، كانت زيوت SAE 10 و20 هي الزيوت الموصى بها للمغزل والمسار (على التوالي) في آلات التشغيل اليدوية قبل عقود، على الرغم من أن تركيبات زيوت المسارات المخصصة هي السائدة اليوم في التشغيل التجاري. في حين أن جميع زيوت المحركات تقريبًا يمكن أن تعمل كسوائل قطع مناسبة من حيث أداء القطع وحده، يُفضل تجنب زيوت المحركات الحديثة متعددة اللزوجة التي تحتوي على منظفات ومواد مضافة أخرى. قد تُسبب هذه المواد المضافة تآكل النحاس الأصفر والبرونز، وهما عنصران شائعان في آلات التشغيل في محاملها وصواميل لولبها (خاصة في آلات التشغيل القديمة أو اليدوية).
• يُستخدم سائل عازل كسائل قطع في آلات التفريغ الكهربائي . وهو عادةً ماء منزوع الأيونات أو كيروسين ذو نقطة اشتعال عالية . تتولد حرارة شديدة نتيجة عملية القطع التي يقوم بها القطب (أو السلك)، ويُستخدم هذا السائل لتثبيت درجة حرارة قطعة العمل، بالإضافة إلى إزالة أي جزيئات متآكلة من منطقة العمل المباشرة. السائل العازل غير موصل للكهرباء.
• تُستخدم طاولات المياه المبردة بالسوائل (الماء أو زيت البترول) مع عملية قطع قوس البلازما (PAC).
• يُستخدم زيت حوافر البقر عالي الجودة كمادة تشحيم. ويُستخدم في صناعات تشغيل المعادن كسائل تبريد للألمنيوم. في عمليات تشغيل الألمنيوم، والتثقيب، والحفر، يُعدّ زيت حوافر البقر أفضل من الكيروسين ومختلف سوائل التبريد المائية. ^{[ 16 ]}

قد يكون سائل التبريد على شكل معجون أو جل عند استخدامه في بعض التطبيقات، وخاصةً في العمليات اليدوية كالحفر والتثقيب . عند نشر المعادن بمنشار شريطي ، من الشائع تمرير قطعة من المعجون على النصل بشكل دوري. يشبه هذا المنتج في شكله أحمر الشفاه أو شمع العسل، ويأتي في أنبوب من الورق المقوى، يُستهلك ببطء مع كل استخدام.

تُستخدم بعض سوائل القطع على شكل رذاذ (هواء مُحمّل بقطرات صغيرة من السائل). تكمن المشكلة الرئيسية في الرذاذ في أنه ضارٌّ بالعمال، إذ يضطرون إلى استنشاق الهواء الملوث به، وفي أنه أحيانًا لا يكون فعالًا. ينجم هذان المشكلان عن عدم دقة التوزيع، ما يؤدي غالبًا إلى انتشار الرذاذ في كل مكان وزمان باستثناء منطقة القطع أثناء عملية القطع - وهي المنطقة والوقت المطلوبان. مع ذلك، ظهر شكلٌ أحدث من أشكال توزيع الرذاذ،تتجنب تقنية التشحيم بكمية قليلة جدًا ( MQL ) ^{[ 17 ] [ 18 ]} هاتين المشكلتين. يتم توصيل الرذاذ مباشرةً عبر أخاديد الأداة (يصل مباشرةً عبر أو حول القطعة نفسها - وهو نوع مثالي لتوصيل سائل التبريد، والذي كان غير متوفر تقليديًا إلا في حالات قليلة مثل الحفر العميق أو أنظمة توصيل السوائل المتطورة والمكلفة في عمليات الطحن الإنتاجية). يتم توصيل رذاذ MQL بدقة متناهية (من حيث الموقع والتوقيت) بحيث تبدو النتيجة النهائية أشبه بالتشغيل الجاف من وجهة نظر المشغلين. ^{[ 17 ] [ 18 ]} تبدو الرايشات عمومًا مثل الرايشات الناتجة عن التشغيل الجاف، فلا تتطلب تصريفًا، والهواء نقيٌّ لدرجة تسمح بوضع خلايا التشغيل أقرب إلى مناطق الفحص والتجميع من ذي قبل. ^{[ 17 ] [ 18 ]} لا يوفر MQL الكثير من التبريد بمعنى نقل الحرارة، ولكن عمله التشحيمي الموجه جيدًا يمنع بعض الحرارة من التولد في المقام الأول، مما يساعد على تفسير نجاحه.

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون (صيغته الكيميائية CO₂ _{) أيضًا} كمبرد . في هذه الحالة، يُسمح _لثاني أكسيد الكربون السائل المضغوط بالتمدد، ويصاحب ذلك انخفاض في درجة الحرارة، يكفي لإحداث تحول طوري إلى الحالة الصلبة. تُعاد توجيه هذه البلورات الصلبة إلى منطقة القطع إما عن طريق فوهات خارجية أو من خلال نظام التغذية عبر المغزل، لتوفير تبريد مضبوط الحرارة لأداة القطع وقطعة العمل. ^{[ 19 ]}

كان الهواء المحيط، بطبيعة الحال، هو سائل التبريد الأصلي في عمليات التشغيل الآلي. أما الهواء المضغوط، الذي يُضخ عبر أنابيب وخراطيم من ضاغط هواء ويُطلق من فوهة موجهة نحو أداة القطع، فيُعدّ أحيانًا سائل تبريد مفيدًا. تعمل قوة تيار الهواء المخفف الضغط على إبعاد الرايش، كما أن عملية تخفيف الضغط نفسها تُسهم بدرجة طفيفة في التبريد. والنتيجة النهائية هي أن حرارة القطع الناتج عن عملية التشغيل تُنقل بشكل أفضل قليلًا مما لو تم تبريدها بالهواء المحيط وحده. في بعض الأحيان، تُضاف سوائل إلى تيار الهواء لتكوين رذاذ (أنظمة التبريد بالرذاذ، الموصوفة أعلاه ).

يُستخدم النيتروجين السائل ، المُعبأ في أسطوانات فولاذية مضغوطة، أحيانًا بطريقة مماثلة. في هذه الحالة، يكفي الغليان لتوفير تأثير تبريد قوي. لسنوات، كان يتم ذلك (في تطبيقات محدودة) عن طريق غمر منطقة العمل. منذ عام 2005، طُبّق هذا النوع من التبريد بطريقة تُضاهي تقنية التزييت الأدنى بالكمية (MQL ) (مع التوصيل عبر المغزل وعبر طرف الأداة). يُبرّد هذا جسم الأداة وطرفها لدرجة تجعلها تعمل كـ"إسفنجة حرارية"، تمتص الحرارة من منطقة تلامس الأداة مع الرايش. ^{[ 20 ]} لا يزال هذا النوع الجديد من تبريد النيتروجين قيد براءة الاختراع. وقد زاد عمر الأداة بمقدار عشرة أضعاف في عمليات طحن المعادن الصلبة مثل التيتانيوم والإنكونيل . ^{[ 20 ]}

بدلاً من ذلك، يمكن استخدام تدفق الهواء مع مادة سريعة التبخر (مثل الكحول أو الماء وما إلى ذلك) كمبرد فعال عند التعامل مع القطع الساخنة التي لا يمكن تبريدها بطرق بديلة.

• في ممارسات التصنيع الآلي في القرن التاسع عشر، كان استخدام الماء العادي شائعًا. كان ذلك مجرد إجراء عملي لتبريد أداة القطع، بغض النظر عما إذا كان يوفر أي تزييت عند نقطة تلامس حافة القطع مع الرايش. وبالنظر إلى أن الفولاذ عالي السرعة (HSS) لم يكن قد طُوّر بعد، فإن الحاجة إلى تبريد الأداة تصبح أكثر وضوحًا. (يحتفظ الفولاذ عالي السرعة بصلابته عند درجات الحرارة العالية، على عكس أنواع الفولاذ الكربوني الأخرى المستخدمة في أدوات القطع). وكان من بين التحسينات استخدام ماء الصودا ( بيكربونات الصوديوم في الماء)، الذي كان يمنع صدأ منزلقات الماكينة بشكل أفضل. لكن هذه الخيارات لا تُستخدم عمومًا اليوم لوجود بدائل أكثر فعالية.
• كانت الدهون الحيوانية مثل الشحم أو السمن شائعة جدًا في الماضي. ^{[ 21 ]} ونادرًا ما تُستخدم اليوم، نظرًا لتنوع البدائل الأخرى، لكنها لا تزال خيارًا متاحًا.
• تتحدث كتب التدريب القديمة في ورش الميكانيكا عن استخدام الرصاص الأحمر والأبيض ، وغالباً ما كانا يُخلطان بالشحم أو زيت الشحم. وقد أصبحت هذه الممارسة بالية بسبب سمية الرصاص.
• منذ منتصف القرن العشرين وحتى تسعينيات القرن نفسه، استُخدم مركب 1،1،1-ثلاثي كلورو الإيثان كمادة مضافة لزيادة فعالية بعض سوائل التبريد. وكان يُشار إليه في لغة ورش العمل بـ"واحد-واحد-واحد". وقد تم التخلص التدريجي منه بسبب خصائصه المُستنفدة لطبقة الأوزون والمُثبطة للجهاز العصبي المركزي .

• هارتنس، جيمس (1915). دليل تشغيل مخرطة هارتنس ذات البرج المسطح: دليل للمشغلين . شركة جونز آند لامسون للآلات. hdl : 2027/wu.89088930805 . OCLC 608906104 . 
• سميد، بيتر (2010)، إعداد التحكم باستخدام الحاسوب (CNC) لعمليات الخراطة والتفريز ، نيويورك: دار النشر الصناعية، رقم ISBN 978-0831133504، إل سي سي إن 2010007023 .