נוזל חיתוך

נוזל חיתוך הוא סוג של נוזל קירור וחומר סיכה, שתוכנן במיוחד לתהליכי עיבוד מתכת, כמו עיבוד שבבי והטבעה. ישנם סוגים שונים של נוזלי חיתוך, הכוללים שמנים, תחליבי מים-שמן, משחות, ג'לים, אירוסולים (ערפילים), ואוויר או גזים אחרים. נוזל חיתוך מיוצר מתזקיקי נפט, שומנים מן החי, שמנים צמחיים, מים ואוויר, או מרכיבים סינתטיים גולמיים אחרים.

שמו יהיה תלוי בהקשר נוזל חיתוך, שמן חיתוך, נוזל קירור או חומר סיכה.

מרבית תהליכי העיבוד והמתכת יכולים להפיק תועלת משימוש בנוזל חיתוך, תלוי בסוג החומר המעובד. חריגים נפוצים לכך הם ברזל יצוק ופליז, שניתן לעבד ללא נוזל חיתוך ולמרות זאת מעדיפים לבצע את תהליך השיבוב בנוכחות נוזל אשר מונע את פיזור אבק החיתוך באוויר.

תכונות הנוזל

התכונות המבוקשות 
 שומר את החומר העובד על טמפרטורה יציבה (קריטי כשנדרשים דיוקים גבוהים .
 למקסם את אורך חיי הקצה החותך על ידי שימון אזור החיתוך.
 מניעת ריתוך בין השפה החותכת לחלק עלולים להיגרם מחיכוך וטמפרטורה שמירה בפני ריתוך מונעת בלאי לכלי ומשפרת את טיב השטח.
 לדאוג לבטיחות העובדים המטפלים בנוזל על ידי מניעת רעילות, חיידקים, ופטריות בסביבת העבודה.
 למנוע חלודה על חלקי המכונה וכלי החיתוך.

התכונות הנדרשות

קירור 
חיתוך מתכות מייצר חום בגלל חיכוך ואנרגיה שנוצרים בעת חיתוך ועיוות החומר. לאוויר בסביבת המכונה מוליכות תרמית נמוכה. קירור האוויר בסביבה מסייע לעיבודים קלים .

בעבודות ייצור עם עיבוד שבבי בעומס גדול ולאורך תקופות זמן ארוכות מייצר עומסי חום יותר חום ממה שקירור האוויר יכול להסיר. השימוש בנוזל קירור נוזלי על בסיס מים מסיר חום באופן משמעותי יותר במהירות, ויכול גם להאיץ את תהליך החיתוך ולהפחית את החיכוך ובלאי הכלים.

עם זאת, לא רק הכלי מתחמם אלא גם אזור החיתוך. טמפרטורה גבוהה בכלי החיתוך או בעובד עלולים לפגוע באיכותם. על ידי פגיעה מטלורגית במבנה וקושי החומר.

שרפת פני השטח עם נזקים לתופעות פני השטח.

לגרום לשינוי ממדי החלק עקב טמפרטורה גבוהה.

לגרום לתגובות כימיות לא רצויות כמו חמצון.

סִיכָה 
מלבד הקירור, נוזלי חיתוך מסייעים גם הם לתהליך החיתוך על ידי שימון הממשק בין קצה החיתוך של הכלי לשבב. על ידי מניעת חיכוך בממשק זה, ניתן למנוע חלק מייצור החום. שימון זה גם מסייע במניעת ריתוך השבבים על הכלי, מה שיפריע לחיתוך שלאחר מכן.

הוספת תוספים מיוחדים לנוזלי הקירור להתמודדות בלחץ מפחיתים את שחיקת כלי החיתוך.

שיטות השימוש בנוזלי הקירור 
קיימות שיטות רבות לשימוש בנוזלי הקירור.

התזה, ריסוס, טפטוף, ערפול, הברשה.

השיטה המקובלת ביותר עבור יישומים רבים במכונות לעיבוד שבבי, היא שימוש במערכת קירור:

במכונה בנוי מיכל הכולל את כל כמות נוזל החיתוך.

במכונה מערכת שאיבה השואבת ומספקת את הנוזל בלחץ לאזור העבודה.

אזור החיתוך סגור בתא מיוחד ומונע את פיזור הנוזל והעשן מחוץ לאזור העבודה.

במערכת נוזלי הקירור יש מסננים אשר יסננו לפי דרישות התהליך.

עם התקדמות טכנולוגית במכונות העיבוד השבבי, משתמשים בשיטות חדשות לקירור כמו גז או ערפל.

במכונות CNC משתמשים במערכת קירור קריוגנית המספקת את הנוזלים דרך ציר המכונה ודרך מערכת צנרת מיוחדת המעבירה את הנוזל בדפנות ובכלים במכונה.

הנוזל מועבר אל כרסומים ומקדחים שיש בהם קדחים לכל אורכם כדי לספק את הנוזל דרך ציר המכונה בלחץ ישירות לאזור החיתוך.

סוגי נוזלי החיתוך 
ישנם שלושה סוגים של נוזלים: שמן מינרלי, נוזל חצי סינתטי ונוזל סינתטי.

נוזלי חיתוך חצי-סינתטיים וסינתטיים מייצגים ניסיונות לשלב את התכונות הטובות ביותר של שמן עם התכונות הטובות ביותר של מים על ידי יצירת אמולסיה-תחליב.

מים

למים יכולת קירור ולתוספים, תכונות לעיכוב חלודה, יכולת יצירת תחליב עם מים בקשיות מים מגוונת. התאמה לעבודה עם סוגי מתכות שונות יכולת עבודה עם מתכות רבות, ומתן מענה לבעיות בטיחות ואיכות סביבה.

מים הם מוליך חום טוב אך יש למים חסרונות כנוזל חיתוך. מאחר שהם מתאדים בחום, אינם מספקים שימון ומעודדים קורוזיה במכונה. שילוב התוספים נחוץ ליצירת נוזל חיתוך אופטימלי.

שמן מינרלי 
שמנים מינרליים מבוססי נפט היו ביישומי חיתוך בסוף המאה ה־19. אלה משתנים בין שמני החיתוך הכהים והעשירים בגופרית המשמשים בתעשייה הכבדה, לשמנים בהירים וצלולים המשמשים בעיבוד קל יותר.

נוזל קירור חצי סינתטי 
נוזל קירור חצי סינתטי, הנקרא גם "שמן מסיס", הם תחליב או מיקרו אמולסיה של מים עם שמן מינרלי. שמושים אלה החלו בשנות השלושים.

במכונות CNC טיפוסיות משתמשים בדרך כלל בנוזל קירור מתחלב המורכב מכ־5% שמן וכ־95% מים

נוזלי קירור סינתטיים 
נוזלים סינתטיים בדרך כלל הם על בסיס מים. מכילים בעיקר כימיקלים ואין בהם שמנים.

חומרים נוספים בתהליכי הייצור 
 נפט ואלכוהול נותנים לרוב תוצאות טובות בעבודה על אלומיניום.
 שמן WD-40 עובד טוב על מתכות שונות בעיבוד ידני.
 שמן הידראולי המשמש להנעת צירי המכונה פועל גם כשמן חיתוך.
 נוזל דיאלקטרי משמש במכונות EDM. הנוזל הדיאלקטרי אינו מוליך ונוסף על פעילותו ביצירת התפרקות הניצוץ הוא גם לייצוב הטמפרטורה באזור העבודה.
 שמן מינרלי משמש כחומר סיכה. הוא משמש בתעשיות לעיבוד מתכות כנוזל חיתוך לאלומיניום. לעיבוד שבבי קשה וקידוח אלומיניום הוא עדיף על נפט ונוזלי חיתוך שונים על בסיס מים.

משחות או ג'לים 
נוזל חיתוך יכול להיות גם בצורה של משחה או ג'ל בעיקר בעת ביצוע פעולות ידניות כמו קידוח ותיברוז. בעת ניסור מתכת עם bandsaw, מקובל למרוח על הסרט משחה המגיעה בצורת מוט קשיח.

תרסיסים (ערפילים) 
נוזלי חיתוך מסוימים משמשים בצורת תרסיס (ערפל) אוויר עם טיפות נוזלים זעירות המפוזרות בחלל תא המכונה. הבעיה העיקרית בשיטה זו היא בטיחות העובדים. שנאלצים לנשום את האוויר הנגוע בערפל, שיטה חדישה מאפשרת לספק את התרסיס ישירות דרך צינוריות בלחץ לאזור החיתוך.

נוזל קירור CO 2 
פחמן דו-חמצני משמש גם כאמצעי קירור. בהורדת טמפרטורת הגז מקבלים אותו בצורת טיפות אותן מכוונים לאזור החיתוך. לקירור העובד וכלי החיתוך

אוויר או גזים אחרים 
אוויר

שימוש באוויר לקירור בעת עיבוד שבבי. האוויר הדחוס, מועבר דרך צינורות וזרנוקים ממדחס אוויר ומשוחרר מזרבובית המכוונת לכלי, הוא משמש לקירור. וזרם האוויר מפזר גם את השבבים, לפעמים מוסיפים נוזלים לזרם האוויר ליצירת ערפל.

חנקן נוזלי 
חנקן נוזלי, המסופק בבקבוקי פלדה בלחץ, משמש כנוזל קירור. סוג חדש זה של קירור חנקן עדיין נמצא תחת פטנט. חיי הכלי הוגדלו בפקטור של 10 בכירסום מתכות קשות כמו טיטניום ואינקונל.

לחלופין, שימוש בזרימת אוויר בשילוב עם חומר אידוי מהיר (למשל אלכוהול, מים וכו') יכול לשמש נוזל קירור יעיל בעת טיפול בחלקי עובד שלא ניתן לקרר בשיטות חלופיות.

היסטוריה וניסיון קודם 
 בעיבוד שבבי של המאה ה -19,השתמשו במים רגילים. זה היה יעיל כדי לשמור על כלי החיתוך קריר, ללא קשר לשאלה אם הוא סיפק שימון כלשהו בממשק שבב החיתוך. מהירויות החיתוך היו נמוכות מאחר שהכלים היו מיוצרים מפלדה קשה, פלדת הכלים HSS טרם פותחה.
 שומנים מן החי כמו שומן טלה או שומן לוויתן היו פופולריים מאוד בעבר. כיום חל איסור על שימוש בחומרים של בעלי חיים מוגנים.
 מאמצע המאה העשרים ועד שנות התשעים שימש טריכלורותאן כתוסף כדי להפוך כמה נוזלי חיתוך ליעילים יותר. אולם כיום חל איסור על שימוש בחומרים אלה עקב פגיעתו בשכבת האוזון ופגיעה במערכת העצבים המרכזית של העובד.

בעיות בטיחות 
לנוזלי חיתוך כמה מנגנונים העלולים לגרום מחלה או פציעה אצל עובדים. חשיפה תעסוקתית קשורה לעלייה במחלות לב וכלי דם. מנגנונים אלה מבוססים על המגע החיצוני של הנוזל עם העור או על ידי חדירה למערכת הנשימה.

המנגנונים גורמים לגירוי או לרעילות כימית:
 הנוזל עצמו
 חלקיקי המתכת הנישאים בנוזל
 אוכלוסיות החיידקים או הפטרייה אשר נוטות באופן טבעי לגדול בנוזל לאורך זמן
 התוספים נגד בקטריות שנוספים לנוזל החיתוך
 תוספים מעכבי הקורוזיה שנוספים להגנה על המכונה והכלי

הרעילות או יכולת הגירוי בדרך כלל איננה גבוהה, אך לעיתים היא מספיקה כדי לגרום לבעיות בעור או ברקמות, בדרכי הנשימה או בדרכי העיכול (למשל, הפה, הגרון, הושט, קנה הנשימה או הריאות).

אמצעי הבטיחות

נוזלי חיתוך בטוחים יותר מספקים עמידות ומאפשרים הפרדת סינון משופרת ומשפרים את בטיחות העובדים על ידי שימוש באמצעים הבאים:

אוורור החדר לאוויר צח, ומגינים במכונה למניעת התזה של הנוזל על העובד

ציוד מגן אישי כמו משקפי בטיחות, מסכות וכפפות. מקטינים את הסכנות הקשורות לנוזלי חיתוך.

חיידקים ובקטריות

בנוזלי חיתוך מבוססי נפט. יש צמיחת חיידקים. חיידקים אלה ביחד עם חומרים מזהמים הצפים על פני הנוזל יוצרים שיכבה המונעת חמצן מהנוזל. במצב זה הנוזל מסריח ומחייב את החלפתו.

קיימים אמצעים המסירים את השיכבה הצפה על הנוזל ומאריכה את חייו. ככלל, שמירה על טמפרטורת נוזלים נמוכה ככל שניתן, תאט את צמיחת הבקטריות.

תחזוקת מיכל מי הקירור 
נוזלי חיתוך מתקלקלים לאורך זמן בגלל מזהמים שנכנסים למערכת השימון. סוג נפוץ של פגיעה בנוזל הוא היווצרות שמן לא רצוי שהתערבב בנוזל חיתוך. אשר מקורו כשמן שימון המחלחל ממסלולי המכונה ונשטף יחד עם נוזל החיתוך אל המיכל שבמכונה. ניתן לראות אותו כשכבת שומן על פני נוזל הקירור או כטיפות שמן צפות.

סילוק שכבת השמן מאפשר לחמצן להגיע אל הנוזל ולמנוע היווצרות בקטריות.

בעת הצורך מרוקנים את המיכל ושוטפים את המיכל, מערכת הצנרת והמסננים עד לקבלת מים נקיים.

את הנוזל המפונה יש להעביר לאתר טיפול בפסולת רעילה לפי הנחיות המשרד לאיכות הסביבה.

איסוף ופינוי שבבים וטיפול בפינוי נוזלי הקירור זוכים כיום לפעולות איסוף הפרדה ומיחזור.

מדידת ריכוז הנוזל

הטכניקה הרשמית למדידת ריכוז השמן היא רפרקטומטר כף יד והוא התקן תעשייתי המשמש לקביעת יחס התערובת של נוזלי קירור המסיסים במים.

טכניקות אחרות המשמשות למדידת ריכוז השמן בנוזלי חיתוך, הן מדד צמיגות הנוזל, או צפיפות. ציוד בדיקה אחר משמש לקביעת תכונות כגון חומציות ומוליכות.

קישורים חיצוניים 

 Metalworking Fluids – NIOSH Workplace Safety and Health Topic – National Institute for Occupational Safety and Health

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
שמנים
חומרי סיכה
עיבוד מתכת
עיבוד מכני
תעשייה לפי ענף
הנדסת מכונות
מכונות עיבוד שבבי
הנדסת חומרים
נוזל קירור