روغن های فلزکاری
11-1 روانکای در فرآیندهای فلزکاری
مهم ترین هدف فرآیندهای فلزکاری، به وجود آوردن شکل های جدید با استفاده از قطعات فلزی است. به طور کلی این فرآیندها شامل تماس دو قطعه ی فلزی یعنی ابزار و قطعه کار می باشد. این تماس ها هم شامل جریان پلاستیک گونه ی قطعه کار تحت فشار ابزار کار (فرآیند شکل دهی فلزها) و هم شامل به وجود آوردن یک شکل جدید با استفاده از جدا کردن کنترل شده ی مقداری از قطعه کار، توسط ابزار (عملیات برش فلزات)، می باشد. تغییر شکل پلاستیک گونه ی قطعات فلزی به ما این امکان را می ددهد که شکل مطلوب خود را بدون تکه تکه کردن قطعه کار به دست آوریم. وقتی شکل مورد نظر با جدا کردن تکه هایی از فاز (قطعه کار)، به صورت تراشه، به دست می آید، عملیات انجام شده به عنوان عملیات برش شناخته می شود.
در خلق شکل های جدید از فلزها توسط فرآیندهای فلزکاری، شاهد پدیده هایی مثل اصطکاک زیاد، دمای بالا و سایش ابزار خواهیم بود. در نتیجه روانکاری در عملیات فلزکاری هم بر میزان کارآیی و اثربخشی فرآیندهای فلزکاری و هم بر بازده کلی عملیات تولید تأثیر می گذارد.
در فرآیندهای فلزکاری با شرایط معمولی، اغلب از رژیم روانکاری هیدرودینامیک استفاده می شود. در این حالت ضخامت لایه ی روانکار در محل تماس ابزار تراش و قطعه کار به اندازه ای است که از تماس مستقیم دو سطح جلوگیری کند. ضخامت لایه ی روانکار در مقایسه با اندازه ی میانگین مولکول های تشکیل دهنده ی آن، بسیار ضخیم تر است، در نتیجه خواص فیزیکی و ماکرسکوپی روغن از جمله گرانروی تأثیر بسزایی در کارایی روانکار در چنین رژیمی خواهد داشت.
شرایط سخت تر فرآیند فلزکاری، باعث تبدیل رژیم روانکاری از هیدرودینامیک به روانکاری مرزی می شود. در بعضی کاربردهای فلزکاری شرایط به قدری سخت می شود که ضخامت لایه روانکار اهمیت بیشتر می یابد. خواص شیمیایی یک روانکار تا حد زیادی به مواد افزودنی به کار رفته در آن، بستگی دارد.
وجود لایه ی مؤثر روانکار بین ابزار فلزکاری و قطعه کار از جوش خوردن سطوح تماس جلوگیری می کند. در مواردی که روانکار حاوی افزودنی های فشارپذیر می باشد، یک لایه ی محافظت کننده از واکنش مستقیم مواد افزودنی با سطح فلز ایجاد می شود. فرآیندهای فلزکاری که در آنها نیاز به روانکاری است به دو دسته ی تراشکاری و شکل دهی تقسیم می شوند. در هر دوی این روش های فلزکاری، سایش ابزار کار از مشکلاتی است که با استفاده از روانکاری از آن جلوگیری به عمل می آید.
2 روانکاری در عملیات برش فلزها
ساده ترین مدلی که می تواند بازگوکننده ی عملیات تراش باشد در شکل 1 به صورت شمایی نشان داده شده است. عملیات برش شامل دو فرآیند مهم می باشد: 1- شکل گیری تراشه از قطعه کار توسط ابزار، 2- حرکت تراشه روی سطح ابزار برش. همچنین شکل 1 نشان می دهد که بیشترین دما در نوک ابزار تراش در حین فرآیند تراشکاری تولید می شود. گرمای تولید شده مربوط به گرمای ناشی از اصطکاک بین سطوح و گرمای ناشی از اصطکاک داخلی تراشه در حین تغییر شکل می باشد. ابزار برش پس از فرو رفتن در قطعه کار با حرکت به سمت جلو باعث جدا شدن تراشه از سطح قطعه کار می شود. تراشه ی تشکیل شده روی سطح ابزار کشیده می شود. تغییر شکل اصلی، در سطح ناحیه ی برش که توسط صفحه ی ایده آل برش و زاویه ی برش تعریف می شود، انجام می گیرد (شکل 2). با این حال اصطکاک بین تراشه و سطح ابزار برش از اهمیت ویژه ای در فرآیند روانکاری و خنک کاری برخوردار است. هرچه اصطکاک بین ابزار و تراشه بیشتر باشد شاهد تغییر شکل بیشتری در تراشه، در نتیجه بالا رفتن دما خواهیم بود. در چنین شرایطی وجودیک روانکار مناسب که بتواند اصطکاک را کاهش و گرمای تولید شده را هرچه سریع تر انتقال دهد بسیار ضروری است.
**
آخرین نتیجه ی اصطکاک سائیده شدن ابزار است. شکل 2 انواع سایش های ممکن ابزار برش را نشان می دهد. پدیده ی دیگری که می تواند در عملیات تراشکاری ایجاد اشکال کند، چسبیدن ذرات جدا شده از قطعه کار به ابزار است. برای جلوگیری و یا کم کردن اثر این گونه پدیده های مشکل زا، باید از روانکارها استفاده کرد.
**
روغن ها علاوه بر انتقال گرمای ایجاد شده در اثر اصطکاک فلز- فلز، با نفوذ به سطوح تماس، لایه های روانکار مناسب را برای کاهش اصطکاک ایجاد می کنند. نفوذ روغن به سطوح تماس فلز-فلز از طریق مجراهای موئینه ای که بین ابزار برش و قطعه کار وجود دارد انجام می شود. ابعاد این مجراهای موئینه در حدود تا میلی متر می باشد. به طور کلی وظایف روغن در عملیات برش در چهار دسته ی زیر خلاصه می شوند:
1- روانکاری ابزار و قطعه ی کار
2- خنک کنندگی و انتقال گرما
3- شستن براده ها و تراشه ها و تمییز کردن سطح قطعه کار و ابزار برش
4- جلوگیری از زنگ زدن و جوش خوردن سطوح تازه ی ایجاد شده توسط برش
مواد فعال موجود در روغن تراشکاری می توانند با سطوح تازه و واکنش پذیر که در اثر لایه برداری ایجاد شده اند واکنش داده و از چسبیدن ابزار و قطعه کار جلوگیری به عمل آوردند. در آزمایش های انجام شده توسط ابزار و قطعه کار نمونه، نتایج نشان داده است که این ویژگی تحت تأثیر عوامل زیر بهبود یافته است:
- افزایش واکنش پذیری مواد فعال موجوددر روغن با سطوح فلزی
- کاهش استحکام برشی لایه ی واکنش دهنده (کمتر از استحکام برشی فلز اصلی)
- افزایش خواص نفوذی مناسب مواد فعال موجود در روغن (وزن مولکولی کمتر، فشار بخار بیشتر)
از طرف دیگر یافته های مربوط به روانکاری و خنک کاری نشان می دهد که نمی توان دو این مفهوم را از هم جدا کرد. دگرگونی هایی که در ویژگی های مواد توسط تغییرات دما به وجود می آید بستگی زیادی به آثار ناشی از اصطکاک دارند. اثر خنک کنندگی روغن های برش به خواص گرمایی این روغن ها به ویژه به ظرفیت گرمایی و ضریب انتقال گرما بستگی دارد. از طرف دیگر شرایط جریان روغن ها نیز نقش اساسی در فرآیند خنک کاری دارد. ضریب انتقال گرما می تواند با توجه به میزان تبخیر پذیری اجزای موجود در روانکار برشی، تا حد زیادی دستخوش تغییر شود. چنین پدیده ای باعث می شود روغن هایی که با آب امتزاج پذیر هستند دارای اهمیت ویژه ای در روانکاری عملیات برش باشند. به همین دلیل روغن های عملیات برش به طور کلی به دو دسته ی روغن های امتزاج پذیر با آب و روغن های بدون آب تقسیم می شوند.