De ontwikkeling van de Minimal Quantity Lubrication (MQL)-technologie heeft geleid tot significante vooruitgangen in het snijproces, waarbij de hoeveelheid smeermiddel die nodig is, drastisch wordt verminderd. Dit proces maakt gebruik van biologisch afbreekbare smeermiddelen die onder hoge druk naar de interface van het gereedschap en het werkstuk worden gebracht. De verbruikscijfers van smeermiddelen variëren afhankelijk van de bewerking; in snijoperaties ligt het tussen de 10 en 100 ml per uur, terwijl in slijpoperaties dit varieert van 50 tot 100 ml per uur. Bedrijven zoals het Duitse HPM en Lubrix, het Japanse Bluebe, evenals binnenlandse ondernemingen zoals Fitters FETERS, Vixen (Beijing) Technology Co., Ltd., Dongguan Amlin en Shanghai Jinzhao hebben geavanceerde MQL-apparatuur en smeermiddelen ontwikkeld. Deze technologieën worden breed toegepast in aluminiumlegeringen, tandwielbewerking en het zagen van koolstofstaal.

De belangrijkste uitdaging bij het realiseren van een schone snede in moeilijk te bewerken materialen zoals titaniumlegeringen en hittebestendige nikkel-gebaseerde superlegeringen, bijvoorbeeld in de luchtvaart- en spoorwegindustrie, is het vinden van de juiste balans tussen wrijvingsvermindering, slijtvastheid en hitteafvoer. Dit gebeurt met behulp van samengeperste lucht in combinatie met biologisch afbreekbare smeermiddelen.

Het koel- en smeerproces van MQL in de snij- en slijpzone wordt vaak beschouwd als een complex en slecht begrepen fenomeen. Dit vereist een grondige analyse van verschillende factoren, waaronder de voorbereiding van smeermiddelen, de atomisatie van de smeermiddelen met behulp van hoge druk gas, de penetratie en het transport van luchtstromen die in de tijd variëren, de infiltratie in de snel bewegende snijzone, de vorming van complexe micro-interface films, de wrijving van het interface onder hoge druk en de weerstand tegen slijtage, de warmteafvoer bij hoge temperatuur interfaces, materiaalverwijdering onder thermische koppeling, en de vorming van het oppervlak van het werkstuk. Al deze processen betreffen meerdere disciplines, zoals chemie, moleculaire dynamica, vloeistofdynamica, tribologie en warmteoverdracht. De fysieke en chemische eigenschappen, evenals de procesparameters van MQL, spelen een cruciale rol bij het bepalen van de uiteindelijke verwerkingsresultaten, die soms tegenstrijdige effecten kunnen produceren.

De technologie van pneumatische atomisatie jets wordt in MQL gebruikt om het biologische smeermiddel te transporteren. De eenvoud van dit proces leidt echter tot een oncontroleerbare beweging van de geatomiseerde smeermiddelen binnen een tijdsafhankelijke luchtstroom, infiltratie bij de complexe interface tussen het gereedschap en het werkstuk micro-textuur, en koelsmering onder hoge thermische koppeling. Dit resulteert in onvoldoende koeling en smering. Verbeterde MQL-technologieën, zoals nano-versterkte biologische smeermiddelen, multi-energiesteun atomisatie, ultrasone vibratie-ondersteunde infiltratie en kouwe temperatuur-gecombineerde koeling bieden effectieve oplossingen voor deze problemen.

Hoewel verkennende experimentele studies op dit proces zijn uitgevoerd, blijven de mechanismen die de multi-energieveldversterking en de belangrijkste technologieën aandrijven, onduidelijk, waardoor de industriële toepassingen beperkt blijven. Het overbruggen van deze hiaten is essentieel voor de vooruitgang van de MQL-technologie.

Op basis hiervan biedt dit onderzoek een uitgebreid overzicht van MQL-verwerking en de bijbehorende verbeterde technologieën. Het behandelt de traditionele verwerkingsmechanismen van MQL, schetst de mechanismen van de verbeterde technologieën, en onderzoekt hun invloed op de verbetering van de verwerkingsprestaties. Het doel is om theoretische begeleiding te bieden voor onderzoekers die proberen de knelpunten in de MQL-technologie voor het bewerken van uitdagende materialen te overwinnen. Bovendien worden procesoptimalisatiestrategieën gepresenteerd, gericht op het uitbreiden van de toepassingen van MQL.

Het proces van MQL is een essentieel onderdeel van duurzame productie, met belangrijke voordelen voor zowel het milieu als de kostenefficiëntie van de bewerkingen. In een tijd van toenemende milieu- en kostenbewustzijn biedt de MQL-technologie een waardevolle oplossing door het gebruik van minimale hoeveelheden smeermiddel. De integratie van verschillende geavanceerde technologieën, zoals nanosmeermiddelen en multi-energiesteun atomisatie, zal naar verwachting de prestaties van MQL verder verbeteren en de toepassingen uitbreiden, niet alleen in de luchtvaart- en spoorwegindustrie, maar ook in andere sectoren die moeilijk te bewerken materialen vereisen.

Hoe beïnvloeden biolubricanten de prestaties bij slijpen?

De adsorptielaag wordt verminderd door de interferentie van de oliezuurbinding met de polaire onverzadigde bindingen, wat de sterkte en smeerprestaties van de oliefilm verzwakt. Daarom presteert de smeerfilm die door onverzadigde vetzuren wordt gevormd slechter wanneer het aantal koolstofatomen hetzelfde is in zowel verzadigde als onverzadigde vetzuren. Aan de andere kant neemt de cohesie tussen moleculen toe met het aantal koolstofatomen, waardoor de sterkte en smeerprestaties van de adsorptielaag van onverzadigde vetzuren met langere koolstofketens superieur zijn aan die van kortere ketens.

Viscositeit is de weerstand tegen stroming en hechting die ontstaat door de reguliere intermoleculaire beweging van moleculen. Het is een van de belangrijkste factoren die de koelings- en smeerprestaties van biolubricanten beïnvloeden. De viscositeit van de smeermiddel beïnvloedt in de eerste plaats de bevochtigingscapaciteit, de smeerprestaties en de warmtetransfer-eigenschappen tijdens het slijpen.

Wanneer het smeermiddel met een specifieke snelheid en hoek in de slijpzone komt, wordt de vloeibaarheid van smeermiddelen met een hoge viscositeit verstoord door de verhoogde viskeuze krachten. Dit verhindert dat het smeermiddel volledig doordringt in het wiel-/werkstukinterface, waardoor het vermogen om effectief afval te verwijderen wordt verminderd. Het slijpen zelf zal hierdoor minder efficiënt zijn, omdat het smeermiddel niet in staat is om de nodige koeling en reiniging te bieden.

In de slijpzone beweegt het smeermiddel met een bepaalde snelheid, waarbij de oliefilm die op het werkstukinterface wordt gevormd, een relatieve beweging ondergaat. De warmteoverdracht van de smeermiddel microdruppels volgt de principes van convectieve warmteoverdracht voor stromende vloeistoffen, waarbij de warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt beïnvloed door de viscositeit. Wanneer het Reynolds-getal van het smeermiddel 2300 overschrijdt, ondergaat de oliefilm in de slijpzone turbulente convectie. De grootste temperatuurgradiënt in de thermische grenslaag bevindt zich in de viskeuze onderlaag, terwijl de turbulente taklaag een meer geleidelijke temperatuurverandering ervaart. Bijgevolg wordt de warmteoverdrachtscapaciteit van het smeermiddel bepaald door de dikte van de viskeuze onderlaag. Hoe hoger de viscositeit, hoe dikker de viskeuze onderlaag, wat leidt tot een tragere temperatuurstijging in de tijd en een verminderde warmteoverdrachtscapaciteit.

Het verminderen van de interfaciale wrijving tussen het slijpgereedschap/afval en de achterkant van het werkstuk helpt om de warmte die door wrijving wordt gegenereerd te minimaliseren, wat de temperatuur verlaagt en de smeerprestaties verbetert. In de slijpzone biedt een smeermiddel met een hogere viscositeit door zijn superieure bevochtiging betere smeerprestaties.

Bij de introductie van smeermiddel microdruppels in de slijpzone leidt een afname van de oppervlakte spanning tot een vermindering van de druppelgrootte en een meer uniforme verdeling van deze druppels. Tegelijkertijd wordt de contacthoek van de druppels geminimaliseerd, wat leidt tot een vergrote infiltratie van het smeermiddel over een grotere oppervlakte per eenheid volume deeltjesgrootte. Dit verhoogt zowel de bevochtigings- als smeereigenschappen van het biolubricant. Aan de andere kant beïnvloedt de oppervlakte spanning ook de koelingsefficiëntie door de contacthoek te veranderen. Een afname van de oppervlakte spanning leidt tot een kleinere contacthoek van de microdruppel, wat het bevochtigingsgebied vergroot en daarmee de koelingsefficiëntie van het smeermiddel verbetert.

Hoewel de verblijfstijd van de smeermiddel microdruppels in de slijpzone kort is, worden ze snel door het slijpwiel weggenomen. Volgens de principes van convectieve warmteoverdracht bestaat dit proces uit twee componenten: de thermische grenslaag en het hoofdstromingsgebied. Aangezien de koeling slechts kort duurt, heeft het smeermiddel in het hoofdstromingsgebied onvoldoende tijd om voldoende warmte op te nemen, waardoor de effectiviteit van de warmteoverdracht wordt beperkt. Een vermindering van de contacthoek van de microdruppels leidt tot een uitbreiding van de thermische grenslaag, waardoor het aantal slijpmiddelen in het hoofdstromingsgebied afneemt en de koelingsefficiëntie wordt verbeterd.

De invloed van de zuurgraad op de oppervlaktekwaliteit van bewerkte componenten wordt waargenomen na verwerking wanneer smeermiddelen worden gebruikt bij sn bewerkingen. Alkalische smeermiddelen kunnen de oppervlakken van metalen passiveren of onoplosbare hydroxiden of oxiden vormen, terwijl zure smeermiddelen de corrosie van metalen kunnen bevorderen door enkelverplaatsingsreacties, wat leidt tot onvolledige hydrolyse van synthetische esters, met nadelige gevolgen voor de verwerkingsresultaten. Biolubricanten, die doorgaans zuur van aard zijn, bevatten vaak verschillende polaire functionele groepen (zoals –OH, –COOH, R–O–R', enz.) in de koolstofketen om de anti-slijtageprestaties te verbeteren tijdens de formulering van synthetische ester biolubricanten. De ionisatie van waterstofionen uit carboxylgroepen in een waterige omgeving draagt bij aan de zuurgraad van het smeermiddel.

De effectiviteit van biolubricanten wordt fundamenteel bepaald door hun geschikte stortpunt. Het stortpunt, gedefinieerd als de laagste temperatuur waarbij een biolubricant kan stromen, dient als een standaardmaat voor de vloeibaarheid bij lage temperaturen. Het stortpunt van plantaardige oliën ligt typisch tussen de –15°C en –19°C, een waarde die hoger is in vergelijking met minerale oliën vanwege de aanzienlijke aanwezigheid van C = C dubbele bindingen in plantaardige oliën. Als de omgevingstemperatuur te laag is, zullen biolubricanten in micro-lubricatortoevoersystemen hun vloeibaarheid verliezen, waardoor ze ongeschikt worden voor transport. Lokale omstandigheden moeten in overweging worden genomen met betrekking tot het stortpunt van plantaardige oliën, bijvoorbeeld in regio's zoals Noordoost-China en Rusland, waar het gebruik van plantaardige oliën onpraktisch wordt wanneer de temperaturen onder de –20°C dalen.

De thermische stabiliteit van biolubricanten binnen de hoge temperatuurbereiken van de slijpzone is essentieel voor effectieve koeling en smering. Het vlampunt dient als een belangrijke parameter voor het beoordelen van deze stabiliteit. Typisch ligt het vlampunt van plantaardige oliën rond de 280°C; bijvoorbeeld sojaboon- en katoenolie hebben beide een vlampunt van 280°C, terwijl koolzaadolie een vlampunt van 275°C vertoont en pindaolie 285°C bereikt. Als het vlampunt onder de slijptemperatuur valt, is het waarschijnlijk dat de plantaardige olie zal falen.

Wat is de invloed van de bewerkingsomstandigheden op de slijpprestaties van CFRP-materialen?

Bij het slijpen van CFRP-materialen (Koolstofvezelversterkte Kunststof) zijn verschillende bewerkingsmethoden van groot belang, vooral in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar precisie en oppervlaktegrondigheid cruciaal zijn. Het gebruik van droge slijpmethoden is namelijk sterk beperkt door de slechte oppervlakte-integriteit en de generatie van stof, die schadelijk kan zijn voor zowel het gereedschap als de gezondheid van de operator. Dit probleem wordt deels opgelost door het gebruik van Minimum Quantity Lubrication (MQL), waarbij een minimale hoeveelheid smeermiddel wordt toegepast samen met gas om de wrijving en warmteoverdracht te verbeteren. Echter, MQL biedt nog steeds onvoldoende koeling en wrijvingsreductie om de slijprestandaarde van CFRP te optimaliseren.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat de toepassing van Carbon Nanotube-enhanced NMQL (CNT NMQL) de effectiviteit van het slijpen van CFRP kan verhogen, door de slijpkwaliteit te verbeteren in vergelijking met droge slijping en MQL. De studie richt zich op het evalueren van de slijpprestaties en het analyseren van de impact op de oppervlakte-integriteit en de ontstaan van bewerkingsfouten, zoals vezeltrekking, matrixbreuk en andere defecten die typisch zijn voor deze geavanceerde composieten.

In het bijzonder worden de oppervlakteruwheidsparameters Ra (gemiddelde ruwheid), Rz (gemiddelde ruwheid van de vijf hoogste toppen en dalen), en RSm (gemiddelde ruwheidsperiode) vergeleken om een algemeen beeld te krijgen van de slijpresultaten. Verder worden de bewerkingsdefecten zoals vezeluitval, blokkering van de vezel, breuk van de vezels, en het scheiden van de vezel van de matrix geanalyseerd. De fractale dimensies en het multifractale spectrum worden gebruikt voor een kwantitatieve beoordeling van de textuurkenmerken van het oppervlak, terwijl de hoogfrequente textuurkenmerken worden onderzocht met behulp van de energiedistributie van golflet-decompositie.

De interactie tussen het gereedschap en het werkmateriaal wordt beïnvloed door verschillende mechanismen van materiaalverwijdering, die kunnen variëren afhankelijk van de toestand van het gereedschap en de omstandigheden van het slijpen. Bijvoorbeeld, in de vroege stadia van het slijpen met een enkele korrel, ontstaat er een druk die leidt tot plastische vervorming van het werkstuk. Dit wordt beïnvloed door de specifieke hoek en het type materiaal, zoals de longitudinale en transversale elasticiteitsmoduli van de vezels. Het gedrag van de slijpkrachten is dus afhankelijk van de interactie tussen de slijpkorrel en de vezels van het CFRP, die zich anders gedragen afhankelijk van de richting van de slijpbewerking.

De lokale contactgebieden die gevormd worden tussen het slijpgereedschap en de vezels vertonen complexe vervormings- en breukpatronen. Het contact tussen de slijpkorrel en de vezels wordt gekarakteriseerd door een ellipsvormig contactgebied, waarvan de kenmerken verder kunnen worden geanalyseerd met behulp van materiaaleigenschappen zoals de elasticiteitsmodulus van de vezels en de matrix. Het specifieke gedrag van de vezels bij belasting, evenals het breukgedrag van zowel de vezels als de matrix, speelt een cruciale rol in het bepalen van de uiteindelijke slijpresultaten en het voorkomen van ongewenste defecten in het werkstuk.

Bij het modelleren van de slijpkrachten is het essentieel te begrijpen hoe de vezels breken tijdens het slijpen. In veel gevallen is de breuk van de vezel het resultaat van een trekbelasting die zich verspreidt over verschillende fasen van het breukproces, beginnend bij de initiatie van de scheur tot de uiteindelijke breuk. De mechanica van deze breuk wordt beschreven door het spanningsveld rondom de fiber, waar de spanningen langs de verschillende assen (zoals de longitudinale en transversale) van de vezels nauwkeurig worden gemodelleerd om het breukgedrag te voorspellen. De interactie tussen de breuk van de vezel en de matrix heeft ook invloed op de effectiviteit van het slijpen en de mate van defectvorming.

Het totale beeld van het slijpproces is dus het resultaat van een complex samenspel tussen mechanische krachten, de materiaaleigenschappen van het CFRP en de slijpomstandigheden. De keuze van het slijpgereedschap, de slijphoek, en de toegepaste koeltechnieken hebben allemaal een directe invloed op het uiteindelijke product. De toepassing van CNT NMQL biedt veelbelovende voordelen, maar er is nog veel ruimte voor verbetering en optimalisatie van de processen om de slijpkwaliteit verder te verbeteren en defecten te minimaliseren.

De implementatie van deze geavanceerde slijptechnieken kan bijdragen aan de verdere ontwikkeling van CFRP-gebaseerde componenten in kritieke industrieën, waarbij zowel de nauwkeurigheid van de productie als de materiaaleigenschappen worden geoptimaliseerd. Het is echter belangrijk te erkennen dat er naast technische innovaties, zoals CNT NMQL, ook aandacht besteed moet worden aan het ontwerp van de productieprocessen, het testen van nieuwe slijpmaterialen, en de langetermijneffecten van verschillende slijpmethoden op de duurzaamheid van CFRP-producten.

Hoe Nano-Lubricanten de Efficiëntie van Machining Verbeteren: Toepassingen en Prestaties

De toepassingen van nano-enhanced vloeistoffen (NPEC’s) in de verspaningstechnologieën zoals draaien, frezen en slijpen, hebben aanzienlijke vooruitgangen geboekt op het gebied van koelcapaciteit, gereedschapslevensduur en oppervlaktekwaliteit. Het gebruik van NPEC’s zorgt voor lagere snijkrachten, verhoogde efficiëntie en langere gereedschapslevensduur. Desondanks blijft het kiezen van de optimale NPEC-formulering voor verschillende toepassingen een uitdaging. In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de toepassing van NPEC's in diverse verspaningsprocessen en de voordelen die zij bieden ten opzichte van traditionele koel- en smeermiddelen.

In frezen bijvoorbeeld, resulteert het gebruik van NPEC’s in een verlaging van de snijkrachten en een aanzienlijke vermindering van de snijkwaliteit, met een afname van de snijkrachten met 26,05% tot 29,91% in vergelijking met traditionele droogverspaning. Er wordt een aanzienlijke verbetering van de gereedschapslevensduur en de oppervlaktekwaliteit opgemerkt, variërend van 31,02% tot 77,78% voor gereedschapslevensduur en van 52,37% tot 81,54% voor de oppervlaktekwaliteit. Het kiezen van de juiste biologische olie op basis van plantaardige olie is echter essentieel om de voordelen van NPEC's in frezen volledig te benutten. De invloed van nano-versterkte materialen zoals Al2O3 (alumina) blijkt het meest gunstig te zijn bij het verlagen van de wrijvingscoëfficiënt en het verbeteren van de anti-slijtage-eigenschappen, vooral bij hoge druk en temperaturen.

Slijpen, daarentegen, vereist nog specifiekere benaderingen vanwege de aanzienlijke temperatuurstijging die tijdens dit proces optreedt. Het gebruik van NPEC's kan de snijkwaliteit met 50% tot 61,1% verbeteren en tegelijkertijd de snijkrachten met 17,8% tot 32% verlagen. De toepassing van cryogene gassen, zoals vloeibare stikstof, kan de koelcapaciteit verder verbeteren. Dit kan helpen om thermische beschadigingen van moeilijk te bewerken materialen, zoals titanium- en nikkellegeringen, te voorkomen. Het is echter belangrijk om ook de viskeuze en verzadigde vetzuren in de smeermiddelen te overwegen, die een belangrijke rol spelen bij de vorming van sterke smeerfilmen.

In het draaien van materialen biedt de combinatie van biologische olie met nano-versterkte fasen zoals grafiet, molybdeendisulfide (MoS2) of koolstofnanobuizen (CNT) aanzienlijke voordelen in termen van gereedschapsverslijt en oppervlaktekwaliteit. De juiste keuze van de fase is cruciaal voor het realiseren van optimale prestaties. Dit benadrukt de rol van de viscositeit, de polariteit van de vloeistoffen en de rol van de specifieke nano-materialen bij het verbeteren van de koelcapaciteit en het verminderen van de gereedschapsverslijtage.

Bij het selecteren van de juiste NPEC-formuleringen moeten zowel de thermofysische eigenschappen van de basismaterialen als de prestaties van de verschillende nano-fasen in overweging worden genomen. De keuze van basismaterialen zoals water- of plantaardige olie hangt af van de vereisten voor koeling en smering in de specifieke verspaningstoepassing. Wanneer NPEC’s worden gecombineerd met lage-temperatuurmedia of hybride systemen, kunnen ze synergistische effecten genereren die de algehele efficiëntie van het verspaningsproces aanzienlijk verbeteren.

NPEC's vertonen uitstekende prestaties in verschillende verspaningsprocessen, maar het bepalen van de optimale volumefracties voor diverse verspaningscondities blijft een uitdaging. Het gebruik van hybride nano-versterkte fasen kan enkele beperkingen in de koeling en smering van enkelvoudige fasen aanpakken. Bovendien kan de integratie van deze hybride fasen met multi-energievelden en lage-temperatuurmedia de efficiëntie van het proces verder verbeteren. Desondanks is het onderzoek naar deze hybride materialen en hun prestaties in industriële toepassingen nog steeds beperkt, wat de noodzaak van verdere studies benadrukt.

Naast de keuze van de juiste nano-materialen is het belangrijk om aandacht te besteden aan de stabiliteit van NPEC's. Deze stabiliteit kan worden verbeterd door fysische of chemische dispersie van de nano-fase in de basismaterialen. De kracht van de filmvormende capaciteiten van NPEC’s wordt verder versterkt door de polariteit van de gebruikte materialen, zoals palm- en ricinusolie, die helpen bij de vorming van sterke smeerfilmen op de snijoppervlakken.

De toepassing van NPEC’s in de verspaningstechnologie biedt onmiskenbare voordelen, maar het is essentieel om voortdurend nieuwe combinaties van materialen en optimalisaties van de parameters te onderzoeken om de prestaties verder te verbeteren. Het gebruik van NPEC's ondersteund door onderzoek naar hybride materialen biedt veelbelovende mogelijkheden voor toekomstige industriële toepassingen.

Wat betekent het om jezelf te "veranderen" als overlevingsstrategie?
Hoe zullen drones de logistiek in gezondheidszorg, overheid en militaire operaties hervormen?
Hoe het Gedrag van Petrels en Shearwaters Onze Begrip van Zeevogels Verandert
Hoe Post-Waarheid de Politieke Landschappen Vormt