Wat is de rol van bewerkingsvloeistof bij verspanende technieken in de metaal?

Verspaning is een algemene term die verschillende verspanende technieken omvat in de metaalsector. Als men het woord verspanen gebruikt dan doelt men op alle bewerkingstechnieken waarbij delen van het werkstuk in de vorm van spaantjes van het werkstuk afgenomen worden om het de gewenste vorm te geven. Vaak denkt men bij verspanen aan draaien en frezen maar deze varianten zijn slechts een paar voorbeelden van verspaning. Er zijn nog veel meer verschillende soorten verspaning zoals boren, tappen, slijpen en zagen. Bij verspanen maakt men gebruik van een aantal verschillende smeermiddelen.

Smeermiddel voor het onderhoud van de machine
Over het algemeen worden verschillende vloeistoffen en vetten in de metaal gebruikt als smeermiddel. Het smeermiddel moet er voor zorgen dat de wrijving tussen verschillende delen wordt beperkt. Daardoor wordt er minder warmte gecreëerd en ontstaat er minder slijtage. Op die manier blijft het werkstuk en de constructie zo lang mogelijk bestaan en blijft deze haar sterkte behouden. Ook tijdens het verspanen maakt men gebruik van deze smeermiddelen.

De smeermiddelen worden toegepast om de machine die wordt gebruikt voor het verspanen zo lang mogelijk te behouden. De verschillende draaiende delen van de machine worden goed ingevet om te voorkomen dat deze delen te warm worden en gaan slijten. Daarbij is de juiste viscositeit van belang. Bij het bepalen van de gewenste viscositeit  dient men ook rekening te houden met de snelheid en temperatuur duur tijdens de verspaning wordt ontwikkeld. Het bepalen van het juiste smeermiddel is heel lastig. Daarom worden in de praktijk smeerschema’s gehanteerd met daarop de juiste smeermiddelen die voor de machines moeten worden gebruikt.

Smeermiddel voor het verspanen
Als men gaat verspanen maakt men gebruik van een scherp en hard gereedschap. Dit kan bijvoorbeeld een boor, beitel of zaagblad zijn. Deze harde gereedschapsdelen bewegen zich in de praktijk met een bepaalde snelheid door het uitgangsmetaal of werkstuk. Hierbij treed ook wrijving op en is de kans op slijtage van het gereedschap groot. Het doel is dat het materiaal wordt vervormd en niet het gereedschap. Daarom moet de warmte worden beperkt en afgevoerd. Ook dient men de wrijving tijdens de bewerking te verminderen. Bij het smeren van de snijgereedschappen wordt tijdens de bewerking voortdurend smeervloeistof op het werkstuk en snijgereedschap gespoten. De rol van dit smeermiddel is het koelen van gereedschap en het verminderen van de wrijving tijdens het verspaningsproces.

Voor verspanende technieken maakt men gebruik van zogenoemde snijoliën of booroliën. Snijolie of boorolie zorgt er voor dat de boor of beitel zich met minder wrijving door het uitgangsmateriaal vreet. Er zijn verschillende materialen en er zijn ook verschillende gereedschappen daarom zijn er ook verschillende soorten snijolie en boorolie. De keuze voor de juiste snijolie is bovendien ook afhankelijk van de soort machine die men gebruikt om de bewerking uit te voeren en de snelheden die worden gerealiseerd tijdens het verspanen. Ook voor snijolie en boorolie zijn duidelijke voorschriften zodat de juiste olie wordt gehanteerd tijdens het bewerkingsproces.

Wat zijn lagers in de techniek?

Lagers worden gebruikt in machines en constructies voor het opvangen of verlagen van wrijving tussen bewegende delen. Er zijn verschillende soorten lagers. Omdat lagers wrijving moeten opvangen gebruikt men over het algemeen perfect ronde kogels, maar men kan ook rollers gebruiken. Het soort lager dat men toepast is afhankelijk van de beweging die door de lagers soepeler moet verlopen. Als er sprake is van een rotatie gebruikt men kogellagers. Bij een lineaire beweging bijvoorbeeld bij horizontaal of verticaal van elkaar bewegende machinedelen kan men ook gebruik maken van rollers. Rollers zijn cilindrische vormen. Lagers worden over het algemeen ingedeeld op basis van de vorm en de bewegingsrichting.

Waarom worden lagers toegepast?
Lagers worden toegepast om de wrijving tussen machinedelen te beperken. Door de wrijving te verminderen kunnen machinedelen soepeler bewegen. Daarnaast zorgt het verlagen van de wrijving er ook voor dat machinedelen minder snel zullen slijten. Door de toepassing van lagers kunnen processen dus soepeler verlopen en wordt de levensduur van machinedelen verlengd.  Er zijn echter zeer veel verschillende factoren die er voor zorgen dat bepaalde lagers juist wel of juist niet geschikt zijn voor een specifieke toepassing.

Aandachtspunten bij toepassen lagers
Er zijn een aantal aspecten waar men rekening mee moet houden als men lagers wil toepassen. Allereerst zal men moeten kijken naar de beweging die soepeler moet verlopen. Hierdoor wordt de vorm van de lagers bepaald. Ook moet men kijken naar de omvang van de lagers. Als er grote druk op de lagers wordt uitgeoefend zullen de lagers ook over een bepaalde hardheid moeten beschikken. Het materiaal van de lagers is dus ook belangrijk.

Dit kan een hard metaal zijn maar ook harde kunststoffen worden gebruikt. De oppervlakte van de lagers moet een hoog afwerkingsniveau hebben, immers als de lagers ruw zijn treed er alsnog wrijving op. Vaak past men voor een extra soepele beweging een bepaald smeermiddel toe. Dit smeermiddel moet over de juiste viscositeit beschikken. Deze viscositeit is afhankelijk van het materiaal maar ook afhankelijk van de warmte die vrijkomt bij de beweging van de lagers.

Als men de juiste lagers toepast wordt de wrijving vermindert door zowel de vorm als het materiaal van de lager. Vloeistoffen in de vorm van smeermiddelen kunnen daarbij worden beschouwd als een extra middel om de wrijving te reduceren.

Wat is telfon of PTFE en waar wordt deze kunststof voor gebruikt?

Teflon is de merknaam die wordt gebruikt voor polytetrafluorethyleen dit is een kunststof die ook wel wordt aangeduid met de afkorting PTFE. In 1938 heeft de Amerikaans chemicus Roy Plunkett bij toeval polytetrafluorethyleen ontdekt in het Jackson Laboratorium van de firma DuPont. Dit laboratorium staat in de Amerikaanse staat New Jersey. Roy Plunkett gaf de naam Teflon aan de stof polytetrafluorethyleen en vroeg in het jaar 1938 octrooi op deze stof aan. Op 4 februari 1941 werd het octrooi toegekend en in 1949 werd teflon geïntroduceerd als commercieel product.

Wat is Teflon precies?
Teflon is polytetrafluorethyleen, dit woord maakt duidelijk om wat voor soort kunststof het gaat. Dit is namelijk een etheenpolymeer. In dit etheenpolymeer zijn alle waterstofatomen vervangen zijn door fluor (halogeenalkeen). Het etheenpolymeer is zeer lang en behoort tot de grootse moleculen ter wereld. PTFE behoort tot de thermoplasten dit houdt in dat deze kunststof door verhitting vloeibaar wordt.

Ondanks dat laat PTFE zich niet verwerken op een thermoplastische manier. PTFE wordt in poedervorm bij een kamertemperatuur in een matrijs geperst. Daarna wordt de kunststof in een oven gesinterd. Dit sinteren houdt in dat poeder wordt verhit tot het moment dat ze net niet in vloeibare vorm overgaan. De poederkorrels krijgen meer contactpunten tijdens het sinteren. Daardoor hechten de korrels goed aan elkaar en ontstaat er een stevig materiaal.

Eigenschappen van Teflon of PTFE
De kunststof PTFE heeft een aantal bijzondere eigenschappen. Allereerst heeft deze kunststof het laagste wrijvingscoëfficiënt. Als PTFE aan temperaturen boven de 260 graden Celsius wordt blootgesteld gaat de kwaliteit van het materiaal omlaag. Bij temperaturen boven de 350 graden Celsius gaat de stof ontleden. De stoffen die daarbij vrijkomen zijn gasvormig en zijn schadelijk voor vogels. Bij mensen kunnen de schadelijke dampen griepklachten zoals koorts, hoofdpijn en rillingen veroorzaken. Dit wordt ook wel Teflonkoorts genoemd of polymeer-rookkoorts. Dit kan onder andere gebeuren als men zogenoemde Tefal-pannen gebruikt met een Teflon antiaanbaklaag. Op internet is verschillende berichtgeving te vinden over de giftigheid van Teflon of Tefal-pannen. Voor en tegenstanders van Teflon als antiaanbaklaag beweren onderzoeksresultaten te hebben waarmee de schadelijke effecten van Teflon kunnen worden aangetoond of juist worden ontkracht. Omdat er geen duidelijkheid is over de schadelijke effecten kan men uit voorzorg beter eerst zelf op onderzoek gaan voordat men besluit om te koken met pannen die een antiaanbaklaag bevatten die bestaat uit Teflon.

Toepassingen van PTFE
De Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) deed in 1959 onderzoek naar PTFE en keurde de kunststof goed. Hierdoor werd het materiaal toegepast in verschillende soorten voedselbereidingsapparatuur. Teflon wordt onder andere gebruikt als antiaanbaklaag voor pannen. Maar kan ook in andere materialen worden verwerkt die voor voedselbereiding  gebruikt worden gebruikt.

Ook in elektrische installaties wordt Teflon gebruikt als isolatiemateriaal. PTFE heeft namelijk een hoge soortelijke weerstand (1020 Ohm meter). Daarnaast is deze kunststof ook goed bestand tegen hoge temperaturen en bevat deze een lage wrijvingsweerstand. Door deze eigenschappen is het geschikt als isolator van bekabeling in specialistische installaties waarbij hoge eisen worden gesteld aan het materiaal zoals bij vliegtuigen of militaire installaties.

Bij hoogspanningsinstallaties kan Teflon worden toegepast als isolator. In de ruimtevaart wordt PTFE onder meer toegepast als hittebestendig materiaal in een hitteschild. Ook in de coating van ruimtepakken wordt het gebruikt.

Teflontape is een bekend materiaal dat wordt gebruikt voor het afdichten van schroefdraden bij gasleidingen. Hierbij wordt de Teflontape eerst om het schroefdraad heen gewikkeld (tegendraads) en daarna wordt de koppeling bevestigd. De Teflontape zorgt dan voor optimale afdichting.

Het lage wrijvingscoëfficiënt maakt PTFE ook geschikt als materiaal voor computermuizen. In vloeibare vorm zoals druppels of spray wordt Teflon wel gebruikt als smeermiddel. Ook hier is het lage wrijvingscoëfficiënt een belangrijk voordeel.

Wat is het belang van smeermiddelen in de werktuigbouwkunde?

In de werktuigbouwkunde worden verschillende machines, apparaten en andere werktuigen ontworpen en gefabriceerd. Naast het ontwerp en de fabricage van deze werktuigen is het ook van belang dat er rekening wordt gehouden met het onderhoud daarvan. Werktuigen moeten een zo lang mogelijke levensduur hebben. Storingen, breuk en slijtage moeten zoveel mogelijk voorkomen worden. Echter, niet alle problemen die in werktuigen kunnen ontstaan kunnen worden voorkomen door de gebruikers van de werktuigen. Een belangrijk deel van het onderhoud dat wél door de gebruikers van werktuigen kan worden gedaan is het beperken van slijtage van het werktuig en bijbehorende onderdelen. Hiervoor kunnen onder andere smeermiddelen worden gebruikt.

Het gevaar van slijtage bij machineonderdelen
Metalen onderdelen zijn nooit helemaal glad. Hoe nauwkeurig metalen onderdelen ook worden afgewerkt er zijn altijd kleine krasjes en hoogteverschillen op de metalen onderdelen aanwezig. Deze verschillen kunnen lang niet altijd met het ‘blote oog’ worden waargenomen. Wanneer men een metaaloppervlak echter sterk zou vergroten ziet men kleine heuveltjes en dalen. Wanneer twee metalen producten elkaar voortdurend zouden raken treed er wrijving op. Deze wrijving wordt ook wel metallisch contact genoemd. Dit metallisch contact is een droge wrijving tussen metalen. Wanneer onderdelen zoals tandwielen onder hoge snelheden roteren kunnen door het metallisch contact hoge temperaturen worden bereikt. Deze temperaturen kunnen zo hoog zijn dat kleine stukjes van de machineonderdelen beginnen te smelten en vervolgens weer beginnen te stollen. De gestolde deeltjes kunnen vervolgens weer losbreken als de onderdelen weer in beweging worden gebracht. De onderdelen beginnen hierdoor te slijten en van vorm te veranderen. Dit slijten wordt ook wel vreten genoemd. Wanneer het slijtageproces niet wordt tegengegaan zullen machineonderdelen dusdanig van vorm veranderen dat de machine niet meer goed loopt. Uiteindelijk kan het slijtageproces er zelfs toe leiden dat de machine in zijn geheel vastloopt. Hierbij kan ook nog extra schade optreden naast de schade die al was ontstaan door de slijtage. Deze situatie moet ten allen tijde worden voorkomen.

Waarom zijn smeermiddelen belangrijk?
Naast een goede afwerking van de metaaloppervlaktes van machineonderdelen is het ook van belang dat het oppervlakte van de metalen onderdelen goed glad wordt gemaakt. Zoals eerder is vermeld kunnen metaaloppervlaktes van machineonderdelen nooit geheel glad worden geproduceerd. De toleranties kunnen nog zo nauwkeurig zijn, er zullen altijd oneffenheden aanwezig zijn op de onderdelen. Deze oneffenheden moeten worden opgevuld. Daarnaast moeten de machineonderdelen die met elkaar in contact kunnen komen van elkaar worden gescheiden door een dunne laag vloeistof of vet toe te voegen. Wanneer dit gebeurd treed er wrijving op in de vloeistof. Dit wordt ook wel vloeistofwrijving genoemd. Bij vloeistofwrijving er sprake van onderlinge wrijving van vloeistofdeeltjes. Deze onderlinge wrijvingsweerstand is hierbij veel lager dan de wrijvingsweerstand die ontstaat wanneer twee metalen onderdelen droog tegen elkaar worden aangewreven. Vloeistoffen en vetten kunnen worden gebruikt om de slijtage van machineonderdelen tegen te gaan. In feite worden de machineonderdelen gesmeerd. Er zijn echter verschillende smeermiddelen. Hierover gaat de volgende alinea.

Welke smeermiddel moet ik kiezen?
Doormiddel van smeermiddelen wordt de wrijving beperkt van onderdelen van werktuigen. Door het beperken van deze wrijving wordt ook de slijtage vermindert en kunnen machines langer worden gebruikt. Er zijn verschillende smeermiddelen die kunnen worden gebruikt. Bij de keuze van het juiste smeermiddel is het onder andere van belang dat er gekeken wordt naar de ruimte tussen de bewegende delen die met elkaar in contact komen. Ook de rotatiesnelheid van machineonderdelen moet goed worden bekeken. Wanneer machineonderdelen snel roteren kan een hoge temperatuur ontstaan. De hoge temperatuur kan de vloeibaarheid van smeermiddelen veranderen. Een goed smeermiddel moet de onderdelen die met elkaar in contact komen onder elke denkbare omstandigheid die logischerwijs in de machine kan ontstaan van voldoende smering voorzien. Voor veel machines en motoren is voorgeschreven welk smeermiddel moet worden gebruikt. Hierbij wordt onder andere gekeken naar de viscositeit van een smeermiddel. Dit is de vloeibaarheid van een smeermiddel. Deze vloeibaarheid is gekoppeld aan een bepaalde temperatuur.

Welke verschillende smeermiddelen zijn er?
Wanneer men de eigenschappen van smeermiddelen goed in beeld heeft kan men het juiste smeermiddel kiezen. Smeermiddelen zijn er in verschillende soorten. Hieronder wordt een kort overzicht weergegeven van verschillende soorten smeermiddelen.

  • Minerale oliën: deze oliën zijn vloeibaar en worden veel toegepast
  • Plantaardige oliën: dit zijn vloeibare oliën die gewonnen worden uit extracten van planten.
  • Dierlijke oliën: dit zijn oliën die worden gewonnen uit dierlijke vetten.
  • Vaste smeermiddelen: dit kunnen poeders zijn van zeer fijn koolstof zoals grafiet.
  • Smeervetten: deze bestaan uit vaste stoffen of stroperige stoffen.

Bovenstaande categorieën zijn zeer breed. Hieronder vallen nog allemaal verschillende indelingen bijvoorbeeld op het gebied van viscositeit. Minerale oliën kunnen onderling sterk verschillen op het gebied van viscositeit. Ook de andere categorieën bevatten smeermiddelen die voor verschillende doeleinden kunnen worden toegepast.