Hoe Near-Dry Machining en Minimumhoeveelheid Smering (MQL) de Efficiëntie van Bewerking Verbeteren

Near-dry machining (NDM) en Minimumhoeveelheid Smering (MQL) zijn technologieën die ontstaan zijn uit de noodzaak om bewerkingsprocessen te optimaliseren en tegelijkertijd de impact op het milieu te beperken. Beide technieken zorgen voor een vermindering van het gebruik van snijvloeistoffen, die traditioneel gebruikt worden om warmteafvoer te bevorderen, de levensduur van gereedschappen te verlengen en het oppervlak van werkstukken te verbeteren. NDM, dat het gebruik van snijvloeistoffen volledig elimineert, biedt duidelijke voordelen zoals lagere kosten en een verminderde milieu-impact. Toch komen er ook beperkingen bij kijken, zoals verhoogde wrijving en temperatuursbelasting in de snijzone, wat de prestaties van gereedschappen en de precisie van de bewerking kan beïnvloeden. Dit heeft de toepassing van droge bewerking beperkt tot bepaalde omstandigheden.

Minimumhoeveelheid Smering (MQL) daarentegen maakt gebruik van een kleine hoeveelheid snijvloeistof, meestal tussen de 10 en 100 mL per uur, die onder hoge druk in de snijzone wordt gebracht in de vorm van een geatomiseerde straal. Dit proces heeft het voordeel dat het zowel het verbruik van snijvloeistoffen minimaliseert als de wrijving en temperatuur in de snijzone vermindert. In tegenstelling tot traditionele koeltechnieken biedt MQL een efficiënter gebruik van snijvloeistoffen en vermindert het de hoeveelheid afvalvloeistoffen die moeten worden afgevoerd. Hierdoor verlaagt het de operationele kosten van de bewerkingsprocessen, wat vooral aantrekkelijk is voor bedrijven die grote hoeveelheden onderdelen bewerken.

Ondanks de voordelen van MQL, zijn er verschillende technische uitdagingen verbonden aan het gebruik van pneumatische atomisatie, die in de praktijk veel wordt toegepast. Een van de belangrijkste nadelen van deze technologie is het gevaar van luchtvervuiling door fijne druppeltjes die in de lucht worden gespoten, wat de concentraties van schadelijke deeltjes zoals PM10 en PM2.5 verhoogt. Dit vormt een aanzienlijke gezondheidsrisico voor de werknemers, die blootgesteld kunnen worden aan ademhalingsproblemen, allergieën en zelfs kanker. Daarnaast vermindert de oppervlakte spanning van de druppels na verloop van tijd, waardoor de doeltreffendheid van het sproeiproces afneemt. Dit heeft invloed op de penetratie, adsorptie en bevochtigingseigenschappen van de vloeistof, wat de kwaliteit van de bewerking negatief beïnvloedt.

De opkomst van elektrostatische atomisatie heeft de deur geopend voor nieuwe toepassingen en mogelijkheden voor MQL. Onderzoekers zoals Li et al. hebben innovatieve elektrostatische MQL-systemen ontwikkeld die het traditionele MQL-systeem verbeteren door het gebruik van corona-ladingen en elektroden. Deze technologie biedt niet alleen een verbeterde prestatie in termen van snijkracht en oppervlaktekwaliteit, maar het heeft ook de potentie om de bredere acceptatie van MQL in de industrie te bevorderen. Het gebruik van bio-afbreekbare, hernieuwbare olie-gebaseerde biolubricants heeft daarnaast de milieuvriendelijkheid van MQL verder versterkt, wat het een nog aantrekkelijker alternatief maakt voor traditionele koeltechnieken.

Het begrijpen van de afwegingen tussen de verschillende koeltechnologieën, zoals cryogene bewerking, natte bewerking en MQL, is van cruciaal belang voor het bepalen van de meest geschikte benadering voor een bepaald bewerkingsproces. Elk van deze methoden heeft zijn eigen voor- en nadelen, afhankelijk van de specifieke eisen van de bewerking, de materiaaleigenschappen en de kosteneffectiviteit. Het is belangrijk voor zowel onderzoekers als industrieën om door te gaan met het ontwikkelen en verbeteren van bewerkingstechnologieën, zodat ze de prestaties kunnen verbeteren en tegelijkertijd de milieu-impact kunnen minimaliseren.

Hoe de luchtstroom het snijprestaties beïnvloedt in de verspaning met nanovloeistoffen

Ra is A1B2C2, wat overeenkomt met een doelafstand d = 30 mm, een invalshoek β = 35° en een hoogtehoek α = 60°. Figuur 7.29 illustreert de effectcurve voor elk van de factoren die verband houden met de signaal-ruisverhouding (S/N) van de freeskracht. De optimale combinatie voor de experimentele index F is geïdentificeerd als A1B2C2, wat betekent dat de doelafstand (d) is ingesteld op 30 mm, de invalshoek (β) op 35° en de hoogtehoek (α) op 60°.

De resultaten van de variantieanalyse voor elke factor in deze orthogonale experimenten worden gepresenteerd in Tabellen 7.13 en 7.14. De som van de gekwadrateerde afwijkingen voor elke kolom wordt als volgt berekend:

De som van gekwadrateerde afwijkingen voor de kolom Sj vertegenwoordigt het totaal van de gekwadrateerde afwijkingen tussen de gemiddelde waarde van de overeenkomstige experimentele index en de algehele gemiddelde waarde op elk niveau in kolom j. Deze som weerspiegelt de variabiliteit in de experimentele gegevens die voortkomt uit veranderingen in de kolomniveaus. Als de kolom overeenkomt met een factor, is Sj de som van de gekwadrateerde afwijkingen voor die factor; als de kolom overeenkomt met een interactie, vertegenwoordigt Sj de som van de gekwadrateerde afwijkingen voor de interactie. Indien de kolom met fouten of niet-onderzochte factoren is gevuld, weerspiegelt Sj de fluctuaties die voortkomen uit experimentele fouten of onbenoemde condities.

In de variantieanalyse van de orthogonale opzet wordt de som van de gekwadrateerde afwijkingen voor lege kolommen doorgaans beschouwd als de som van de gekwadrateerde afwijkingen die verband houden met experimentele fouten. Hoewel deze som een deel van de modelfout uitmaakt en over het algemeen groter is dan de experimentele fout, verhoogt het gebruik ervan als de experimentele fout bij de significantietests de betrouwbaarheid van de bevindingen.

De decompositie van de totale som van gekwadrateerde afwijkingen is als volgt:

De F-statistiek wordt gedefinieerd als:

De bijdrage van elke factor wordt berekend als volgt:

Volgens de variantieanalyse van de index Ra heeft factor A (doelafstand) de grootste invloed op de Ra-index, met een bijdrage van 55%, gevolgd door factor B (invalshoek) met een bijdrage van 30%. Factor C (hoogtehoek) heeft de laagste bijdrage. Tabel 7.14 toont aan dat de factoren A (doelafstand), B (invalshoek) en C (hoogtehoek) een zeer significante invloed hebben op de experimentele index F. De tabel toont aan dat de doelafstand de hoogste bijdrage heeft met 62,5%, gevolgd door de invalshoek met 31,2%. De bijdrage van de hoogtehoek is slechts 6,2%.

De invloed van de factoren op de resultaten is duidelijk: zowel de doelafstand als de invalshoek spelen een cruciale rol in het beheersen van de kwaliteit van het verspaningsproces. Factor A, met een significante bijdrage van 55%, is dus de belangrijkste voor zowel de Ra-index als de index F. Factor B volgt met 30% en heeft een meer matige invloed, terwijl factor C de minste invloed heeft, wat suggereert dat de hoogtehoek slechts een beperkte impact heeft op de experimentele uitkomsten in dit specifieke proces.

In het MQL-verspaningsproces met nanovloeistoffen speelt de luchtstroom een essentiële rol bij het bevorderen van de smering en het verminderen van wrijving. In dit proces wordt de nanovloeistof door middel van gas onder hoge druk getransporteerd, verstoven door de spuitmond en in de snijzone geïnjecteerd. Het gebruik van nanovloeistoffen, zoals op basis van Al2O3 nanodeeltjes in katoenzaadolie, biedt aanzienlijke voordelen, waaronder uitstekende chemische stabiliteit, hoge sterkte en een hoog smeltpunt, wat bijdraagt aan de verbetering van de smeereigenschappen.

De nanodeeltjes hebben een bolvormige structuur die zorgt voor het zogenaamde "baleffect" op het werkstukoppervlak. Dit effect vermindert de wrijving tussen de frees en het werkstuk, verbetert de smering en verhoogt de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk. Het katoenolie bevat verzadigde vetzuren, waarvan de binding met het werkstukoppervlak de sterkte en stabiliteit van de oliefilm verhoogt, wat de smering verder optimaliseert.

Figuur 7.30 toont aan dat de kwaliteit van het werkstukoppervlak tijdens de verspaning sterk afhankelijk is van de smering op zowel de achterkant van de frees als het werkstukoppervlak. Onjuiste positionering van de spuitmond kan echter de toegang van de nanovloeistof tot de snijzone belemmeren, wat de smeringsprestaties schaadt. De luchtstroom heeft een directe invloed op de snelheid van de vloeistofinvoer in de snijzone. Figuur 7.31 toont de luchtstroomsnelheid nabij de flank van de frees. Naarmate de freessnelheid toeneemt, neemt de luchtsnelheid in de buurt van de achterkant van de frees toe. Bij een snelheid van 25.000 r/min stijgt de luchtsnelheid nabij de achterkant van de frees tot 15,6 m/s. Een onjuiste positionering van de spuitmond kan het effectief gebruik van de smerende olie in de snijzone verstoren, wat het smereffect negatief beïnvloedt.

Wat zijn de voordelen van multi-hoek 2D ultrasonische vibratie voor slijpen met nanovloeistoffen?

De integratie van multi-hoek 2D ultrasonische vibratie (UVAG) in de slijptechnologie heeft significante voordelen geboden voor de verwerking van werkstukken met verbeterde oppervlaktekwaliteit. Het principe van multi-hoek 2D UVAG is dat het werkstuk wordt blootgesteld aan ultrasonische trillingen in zowel tangentiële als axiale richtingen, waarbij de hoeken van de trillingen kunnen variëren van 45° tot 135°. Dit proces leidt tot een complexer slijppatroon, waarbij de bewegingen van de slijpschijf in combinatie met de trillingen de oppervlakteruwheid aanzienlijk verminderen.

Het experiment toont aan dat het gebruik van 2D UVAG in combinatie met hybride nanovloeistof MQL (Minimum Quantity Lubrication) de slijpefficiëntie en de oppervlaktekwaliteit verbeterde in vergelijking met de traditionele methoden. In experimenten waarbij de hoek van de vibratie varieerde, werd het effect van de hoek op de oppervlaktekwaliteit geanalyseerd. De beste resultaten werden bereikt bij een hoek van 45°, waar de Ra-waarde (gemiddelde ruwheid) van het werkstuk het laagst was, namelijk 0,194 μm, wat een aanzienlijke vermindering van 19,5% betekent in vergelijking met conventioneel vloeistofkoelen.

De Ra-waarde is van groot belang omdat deze de micro-onregelmatigheden op het oppervlak van het werkstuk weerspiegelt. Hoe lager de Ra-waarde, hoe beter de afwerking van het werkstuk. Daarnaast speelt de RSm-waarde, die de breedte van de groeven op het oppervlak meet, een belangrijke rol in het bepalen van de effectiviteit van het slijpproces. De RSm-waarde was ook lager onder de condities van multi-hoek 2D UVAG met hybride NMQL, wat wijst op een kleinere groefbreedte en een betere oppervlaktekwaliteit.

Het verschil in prestaties tussen multi-hoek 2D UVAG en de traditionele 1D UVAG-technieken werd verder geanalyseerd. Bij 1D UVAG was de Ra-waarde lager bij tangentiële trillingen dan bij axiale trillingen. Dit is te wijten aan het buffereffect van tangentiële trillingen, die de oppervlaktekwaliteit verbeteren door het herhaaldelijk polijsten van het oppervlak. Axiale trillingen daarentegen veroorzaken een bredere groefvorming, wat resulteert in een slechtere oppervlaktekwaliteit. Bij multi-hoek 2D UVAG werd het oppervlak geleidelijk beter naarmate de hoek varieerde, waarbij de Ra-waarde het laagst was bij 45°.

Naast de oppervlakteverbeteringen biedt het gebruik van hybride nanovloeistoffen in combinatie met ultrasonische vibraties ook aanzienlijke voordelen voor de koeling en smering tijdens het slijpen. Nanovloeistoffen hebben superieure thermische geleidbaarheid en bieden uitstekende bescherming tegen slijtage, waardoor de levensduur van de slijpstenen wordt verlengd en de efficiëntie van het slijpproces wordt verhoogd. Deeltjes in de nanovloeistof verminderen de wrijving tussen het slijpmateriaal en het werkstuk, wat resulteert in een lager energieverbruik en een hogere slijpsnelheid.

Hoewel de toepassing van 2D ultrasonische vibratie op het eerste gezicht complex lijkt, levert het aanzienlijke voordelen op voor de slijpindustrie. Door gebruik te maken van deze technologie kunnen fabrikanten werkstukken produceren met een extreem lage oppervlakteruwheid en een hoge precisie. De vermindering van de oppervlaktegroeven, de kleinere Ra- en RSm-waarden en de verbeterde koel- en smeereigenschappen maken deze benadering een aantrekkelijke optie voor de precisieslijptechnologie.

Een belangrijk punt is dat, hoewel de prestaties van de 2D UVAG-technologie indrukwekkend zijn, de keuze van de juiste hoek voor de ultrasonische trillingen cruciaal is voor het optimaliseren van de oppervlaktekwaliteit. De ideale hoek varieert afhankelijk van de specifieke eigenschappen van het werkstuk en de gebruikte slijpstenen. In veel gevallen blijkt een hoek van 45° optimaal te zijn, maar voor andere toepassingen kan een andere hoek effectiever zijn.

Het is verder belangrijk om te begrijpen dat de effectiviteit van de nanovloeistoffen en de ultrasonische vibraties sterk afhankelijk is van de specifieke parameters van het slijpproces. Naast de hoek moeten ook andere factoren, zoals de snelheid van de slijpsteen, de belasting per eenheid van het oppervlak en de samenstelling van het slijpmateriaal, zorgvuldig worden geoptimaliseerd om de maximale voordelen van deze technologie te realiseren.

Wat zijn de belangrijkste aspecten van de stabiliteit van plantaardige oliegebaseerde smeermiddelen en de rol van antioxidanten?

De stabiliteit van plantaardige oliegebaseerde smeermiddelen onder hoge druk wordt sterk beïnvloed door de aard van de vetzuren die erin aanwezig zijn. Meerdere studies hebben aangetoond dat onverzadigde vetzuren, hoewel ze bijdragen aan de smeereigenschappen, tegelijkertijd de neiging hebben om sneller te oxideren onder belasting, wat de prestaties van het smeermiddel kan verminderen. Onder hoge contactdruk, zoals in de vierbaltest, kunnen deze vetzuren in de olie sneller worden afgebroken, wat leidt tot verminderde effectiviteit en een kortere levensduur van het smeermiddel. Dit maakt het noodzakelijk om antioxidanten toe te voegen, die helpen de oxidatie te vertragen en de stabiliteit van het smeermiddel te verbeteren.

Verder heeft de chemische modificatie van de olie, zoals epoxidatie, een directe invloed op de oxidatiestabiliteit. Epoxideren van plantaardige oliën kan bijvoorbeeld helpen om de oxidatieweerstand te verhogen, wat cruciaal is voor toepassingen waarbij de olie aan hogere temperaturen of langere operationele tijden wordt blootgesteld. In dergelijke gevallen kunnen gepolymeriseerde verbindingen die door epoxidatie worden gecreëerd, de olie meer stabiliteit en een langere levensduur geven, wat essentieel is voor industriële toepassingen waar betrouwbare prestaties van smeermiddelen vereist zijn.

Naast antioxidanten kunnen ook andere additieven, zoals polyolesters of zuurstofhoudende verbindingen, de prestaties van plantaardige oliën verbeteren. Polyolesters kunnen bijdragen aan zowel de viscositeit als de oxiderende stabiliteit van het smeermiddel, terwijl zuurstofhoudende verbindingen zoals carboxylgroepen de weerstand tegen thermische afbraak verbeteren. Dit maakt ze tot waardevolle toevoegingen in het formuleren van biolubricants die zowel milieuvriendelijk als efficiënt zijn.

Een ander aspect dat belangrijk is bij het kiezen van plantaardige oliegebaseerde smeermiddelen is hun interactie met de omgeving. In veel gevallen hebben biolubricants, dankzij hun biologische afbreekbaarheid, de voorkeur boven synthetische oliën, vooral in toepassingen waar het risico op milieuvervuiling aanwezig is, zoals in de landbouw of de bosbouw. Het gebruik van duurzame bronnen voor de productie van deze oliën, zoals Jatropha-olie of palmolie, biedt niet alleen milieuvoordelen, maar zorgt ook voor een potentieel meer duurzame oplossing op de lange termijn.

Naast de technische aspecten van smeermiddelstabiliteit is het belangrijk om ook de kosten en de beschikbaarheid van grondstoffen te overwegen. De productie van plantaardige oliën voor smeermiddelen vereist specifieke landbouwtechnieken en verwerkingsmethoden die kosten met zich meebrengen. Het optimaliseren van deze processen en het gebruik van afvalproducten, zoals gebruikte plantaardige oliën, kan helpen om zowel de ecologische voetafdruk als de productiekosten van biolubricants te verlagen.

Daarom is het essentieel om verder te kijken dan de chemische stabiliteit van de olie alleen en de integrale impact van de gebruikte technologieën, de bronnen van grondstoffen en de milieuvoordelen in overweging te nemen bij het ontwikkelen van duurzame smeermiddelen. Het blijft van belang om voortdurend te zoeken naar innovaties die zowel de prestaties verbeteren als de ecologische impact minimaliseren.