Wat zijn de effecten van verschillende smeermiddelen bij het slijpen van harde metalen?

Het gebruik van biolubricanten, zoals plantaardige oliën en nanolubricanten, heeft recentelijk aanzienlijke belangstelling gekregen in de verspanende industrie, vooral bij het slijpen van hardmetalen en composietmaterialen. Traditionele synthetische oliën worden vaak vervangen door meer milieuvriendelijke alternatieven die ook de prestaties van de slijpprocessen kunnen verbeteren. Verschillende studies tonen aan dat de keuze van smeermiddel invloed heeft op de slijpprestaties, de slijpschijfslijtage en de oppervlakte-integriteit van het werkstuk.

In recente experimenten, zoals die van Virdi et al. (2020), werd het gebruik van Al2O3-bio-lubricanten onderzocht voor het slijpen van hard staal. Dit type smeermiddel zorgde voor betere koelprestaties en verminderde slijtage van de slijpschijf. Evenzo toonde Peng et al. (2021) aan dat de combinatie van sojaolie met Al2O3 als smeermiddel de slijpprestaties aanzienlijk verbeterde door de wrijving te verminderen en de slijtage van zowel de slijpschijf als het werkstuk te verlagen.

Het gebruik van palmolie en Al2O3 in combinatie met watergebaseerde nanolubricanten toont eveneens veelbelovende resultaten. Het toevoegen van nanodeeltjes aan smeermiddelen heeft het effect dat het slijpproces nauwkeuriger kan worden gecontroleerd, wat leidt tot een lager energieverbruik en een verbeterde afwerking van het oppervlak. Deze materialen bieden niet alleen voordelen voor de prestaties, maar ook voor de duurzaamheid van de gereedschappen.

Verder heeft de keuze van het smeermiddel invloed op de hoeveelheid vonken die tijdens het slijpen vrijkomen, evenals op de temperatuurontwikkeling in het slijppunt. Het is cruciaal om te begrijpen dat de afname van de wrijving tussen de slijpschijf en het werkstuk niet alleen de efficiëntie verhoogt, maar ook de vorming van ongewenste thermische spanningen voorkomt. Het gebruik van bepaalde smeermiddelen kan ook de residuale spanningen in het werkstuk verminderen, wat resulteert in een betere mechanische integriteit van het bewerkte oppervlak.

Bij experimenten waarin hybride smeermiddelen werden gebruikt, zoals een mengsel van zonnebloemolie en koolstofnanobuizen (CNT), werd het effect van het variëren van de hoeveelheid smeermiddel op de slijpprestaties onderzocht. Bij hogere doorvoerrates van smeermiddel werd de slijtage van de slijpschijf verder verminderd, evenals de vorming van slijpdeeltjes die het werkstukoppervlak kunnen beschadigen. In sommige gevallen bleken lagere hoeveelheden smeermiddel (bijvoorbeeld 50 ml/h) effectiever te zijn bij het behoud van de gereedschapsprestaties op lange termijn.

Belangrijk is de invloed van het smeermiddel op de vorming van oppervlaktedefecten. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van synthetische olie werd een verhoogde slijpschijfslijtage waargenomen, die leidde tot een slechtere afwerking van het werkstuk. Anderzijds zorgden de plantaardige oliën en hybride smeermiddelen voor een aanzienlijk betere oppervlaktekwaliteit, met minder zichtbare krasmarkeringen en een gladdere afwerking. Het is belangrijk om te realiseren dat deze resultaten afhankelijk zijn van verschillende factoren zoals het type materiaal dat wordt bewerkt, de slijpschijfconfiguratie, en de specifieke werkomstandigheden.

Bij het gebruik van Water-Cutting Jet (WCJ) methoden in combinatie met Minimum Quantity Lubrication (MQL), blijkt dat de combinatie van een lagere smeermiddeldosering en het gebruik van nanolubricanten het slijpproces verder optimaliseert. Dit niet alleen omdat het gebruik van nanodeeltjes de hechting van slijpdeeltjes voorkomt, maar ook omdat het de oppervlakte-integriteit verbetert door het verminderen van de thermische belasting tijdens het slijpen.

De invloed van de gebruikte smeermiddelen moet ook worden begrepen in de context van het verminderen van het energieverbruik tijdens het slijpen. Hybride smeermiddelen kunnen de warmteontwikkeling in de snijzone effectief beheersen, wat leidt tot een lager energieverbruik en verbeterde prestaties van het gereedschap. Dit is van groot belang voor de duurzaamheid van de machines en gereedschappen die bij slijpprocessen worden ingezet.

Een aspect dat verder aandacht verdient, is de rol van de slijpparameters in combinatie met de keuze van het smeermiddel. Het optimaliseren van parameters zoals de snelheid van de slijpschijf, de voeder snelheid, en de snijdiepte, kan de effectiviteit van het smeermiddel verhogen. In de toekomst zal verder onderzoek nodig zijn om de ideale combinatie van deze factoren te bepalen voor specifieke toepassingen, waarbij de invloed van nanotechnologie waarschijnlijk verder zal toenemen.

Hoe Ultrasonische Vibratie de Prestaties van Koeling en Smering Verbeteren bij MQL Slijpen

In de context van de moderne slijptechnologieën wordt vaak gekeken naar manieren om de koel- en smeereffecten tijdens het slijpen te verbeteren. Traditionele methoden zoals het gebruik van minimale hoeveelheid koelmiddel (MQL) hebben echter beperkingen, vooral wanneer het gaat om het verbeteren van de afwerking van het werkstuk en het verminderen van slijtage aan gereedschappen. Het combineren van verschillende technologieën, zoals ultrasonische vibratie en MQL, biedt een veelbelovende benadering om de efficiëntie van het slijpen aanzienlijk te verhogen.

Daarnaast speelt de rol van ultrasone trillingen een belangrijke factor in het verbeteren van de natte toestand van de druppels op het werkoppervlak. Ultrasone trillingen kunnen de overgang van de Cassie-toestand naar de Wenzel-toestand bevorderen, wat leidt tot een betere infiltratie van de nanovloeistoffen in de slijpzone. Deze overgang verbetert de koeling en smering aanzienlijk, waardoor de prestaties van het slijpen verbeterd worden. De toepassing van tangentiële ultrasone trillingen, loodrecht op het natte oppervlak van de microdruppels, heeft aangetoond de overgang tussen de natte toestanden te optimaliseren, vooral wanneer de trillingshoek van 45° wordt ingesteld.

In een ander onderzoek van Jia et al. [45] werd benadrukt dat zowel verticale als horizontale ultrasone trillingen de overgang tussen de Cassie- en Wenzel-staten kunnen bevorderen, afhankelijk van de drukfluctuaties die door de trillingen worden opgewekt. Dit fenomeen heeft invloed op de prestaties van de koeling en smering, wat cruciaal is bij het slijpen van werkstukken. Het gebruik van ultrasone vibratie verhoogt niet alleen de effectiviteit van de koeling, maar vermindert ook de kans op oververhitting van het werkstuk en het gereedschap.

De toepassing van hybride NMQL (minimal quantity lubrication) in combinatie met 2D ultrasone trillingen bij verschillende hoeken toonde ook significante voordelen ten opzichte van traditionele overstromingskoeling. SEM-beelden tonen aan dat bij de toepassing van hybride NMQL bij een hoek van 45° de oppervlakte van het werkstuk aanzienlijk gladder was dan bij overstromingskoeling, waarbij het effect van de ultrasone trillingen hielp om onregelmatigheden te verminderen. De aanwezigheid van de Al2O3/SiC hybride nanovloeistoffen droeg verder bij aan het verbeteren van de slijpefficiëntie door de cavitatie-effecten die werden opgewekt door de ultrasone trillingen.

Het gebruik van ultrasonische trillingen in combinatie met MQL of hybride NMQL heeft het potentieel om niet alleen de slijpresultaten te verbeteren, maar ook de levensduur van het gereedschap te verlengen door het verminderen van de slijtage en het bevorderen van een betere koeling van zowel het werkstuk als het gereedschap. Dit is vooral belangrijk in industrieën die werken met harde materialen of nauwkeurige afwerkingen vereisen.

Het is belangrijk te begrijpen dat de effectiviteit van deze technologieën afhankelijk is van verschillende factoren, zoals de hoek van de trillingen, de frequentie en de aard van de gebruikte nanovloeistoffen. Er is geen "one-size-fits-all"-oplossing, en het vinden van de juiste combinatie van factoren is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties. Bovendien moet de interactie tussen de oppervlaktetopografie en de vloeistofdruppels continu worden geanalyseerd om de overgang tussen de Wenzel- en Cassie-toestand te begrijpen en te benutten voor maximale effectiviteit in het slijpproces.

Hoe lage temperatuur koeling met micro-lubricatie de warmteontwikkeling tijdens slijpen beïnvloedt

Bij het slijpen met lage temperatuur micro-lubricatie wordt de interactie tussen de slijpkorrel en het werkstuk aanzienlijk beïnvloed door de temperatuur van de koude lucht. De temperatuur van de lucht heeft niet alleen invloed op de viscositeit van het smeermiddel, maar ook op de thermische prestaties van het slijpproces. Hoe lager de temperatuur van de lucht, des te effectiever de vermindering van de wrijving tussen de slijpkorrel en het werkstuk. Dit resulteert in een significante afname van de slijpkracht en een lager warmteverlies in de slijpzone.

Bij een slijpdiepte van 30 μm laat de verminderde tangentiële slijpkracht bij koude luchttemperaturen van –10 °C tot –50 °C een afname zien van respectievelijk 10,5%, 16,3%, 24,4%, 35,6% en 39,2% in vergelijking met droog slijpen. Dit toont aan dat de lagere luchttemperaturen de slijpkracht aanzienlijk verminderen. Deze reductie is voornamelijk te wijten aan de verhoogde viscositeit van het smeermiddel bij lagere temperaturen, wat zorgt voor een betere vloeistoffilm en een lager energieverbruik.

Het temperatuurverschil tussen het werkstuk en de vloeistoffilm neemt toe bij lagere luchttemperaturen, wat resulteert in een grotere warmtedissipatie naar de vloeistoffilm en een verbeterde warmteoverdracht. Dit proces is vooral belangrijk bij het slijpen van materialen zoals titaniumlegeringen, waarbij de warmteoverdracht in de slijpzone essentieel is om de thermische belasting op het werkstuk te verminderen. Bij een temperatuur van –50 °C is de warmtedoorgangscoëfficiënt van de vloeistoffilm 28,9% hoger dan bij –10 °C, wat bijdraagt aan de efficiëntere koeling van het slijpproces.

Bovendien neemt de hoeveelheid warmte die het werkstuk binnendringt af naarmate de temperatuur van de koude lucht daalt. Bij een slijpdiepte van 30 μm wordt een verlaging van de warmte-input in het werkstuk van 21,1% waargenomen bij –50 °C in vergelijking met –10 °C. Dit resultaat wijst op de uitstekende warmteafvoerprestaties van micro-lubricatie met koude lucht bij lagere temperaturen. Dit is belangrijk voor de algehele slijpefficiëntie en de levensduur van zowel het gereedschap als het werkstuk.

De verhouding van de warmtedissipatie door de vloeistoffilm ten opzichte van de vermindering van de warmteontwikkeling in de slijpzone, aangeduid als ηh, vertoont een afname naarmate de luchttemperatuur daalt, vooral bij een kleinere slijpdiepte. Wanneer de slijpdiepte bijvoorbeeld 10 μm is, daalt ηh met maar liefst 59,6% van –50 °C tot –10 °C. Dit benadrukt dat het grootste voordeel van lage temperatuur micro-lubricatie niet alleen ligt in de verbeterde warmteoverdracht via de vloeistoffilm, maar vooral in de drastische vermindering van de warmteontwikkeling in de slijpzone zelf. Dit maakt het mogelijk om meer controle te hebben over het slijpproces en voorkomt dat het werkstuk oververhit raakt, wat leidt tot materiaalschade of slijtage van het gereedschap.

Bij het ontwerpen van slijpprocessen met micro-lubricatie is het van cruciaal belang om de ideale temperatuurinstellingen te kiezen, afhankelijk van de te slijpen materialen en de specifieke vereisten voor het productieproces. Dit kan helpen bij het optimaliseren van de slijpresultaten en het minimaliseren van slijtage of schade aan het gereedschap. Het zal ook de efficiëntie van het slijpproces verbeteren door de hoeveelheid energie die nodig is om het werkstuk te slijpen te verminderen.

Hoe Ultrasonische Vibratie de Machinale Prestaties van SiCp/Al Composieten Verbeteren

De ultrasonische vibratie-geassisteerde bewerking heeft in de afgelopen jaren aanzienlijke aandacht gekregen als een methode voor het verbeteren van de mechanische bewerkingsprestaties van SiCp/Al-composieten. Deze materialen, die een combinatie van siliciumcarbide-deeltjes (SiCp) en aluminiummatrix bevatten, worden steeds belangrijker in toepassingen waar hoge sterkte en lage gewichtseigenschappen vereist zijn. Echter, het bewerken van deze composieten is vaak problematisch door de hoge slijtvastheid van SiCp-deeltjes en de complexiteit van het bewerkingsproces. Ultrasonische vibratie-geassisteerde technologie biedt hier mogelijk een oplossing door de bewerkingskrachten te verminderen en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren.

De invloed van ultrasonische vibraties op de bewerkingsprocessen is veelomvattend en varieert afhankelijk van verschillende parameters zoals de rotatiesnelheid, de voeding, de snijdiepte en de amplitude van de vibratie. In veel gevallen is gebleken dat de bewerkingskrachten, zowel snijkrachten als doorvoerkrachten, aanzienlijk worden verminderd in vergelijking met conventionele bewerkingsmethoden. Dit komt doordat de ultrasonische vibratie de tool-beheersing vergemakkelijkt door microbewegingen die de wrijvingskrachten tussen de snijkant van de gereedschappen en het materiaal verminderen.

Bijvoorbeeld, onderzoek heeft aangetoond dat de oppervlaktekwaliteit (Ra) een “toename-afname” patroon vertoont bij toenemende rotatiesnelheden. Dit hangt af van de interactie tussen parameters zoals de voeding, de snijdiepte, de gereedschapsmaterialen en de werkstukken. Over het algemeen kan een hogere voedsnelheid leiden tot een verhoogde oppervlakteruwheid doordat het gereedschap grotere afstanden tussen naburige snijsporen aflegt, wat geometrisch de ruwheid verhoogt. Evenzo heeft een grotere snijdiepte de neiging de snijkrachten en wrijvingskrachten te verhogen, wat de oppervlaktekwaliteit negatief beïnvloedt.

In de context van slijpen, is er aangetoond dat ultrasonische vibraties de kritieke diepte voor de breuktransitie van SiCp-deeltjes verhogen, wat de kans op microbreuken vergroot en de oppervlakteruwheid verlaagt. Dit is een belangrijk voordeel, omdat het traditionele slijpen vaak resulteert in onregelmatige slijpresultaten door de harde aard van SiCp-deeltjes.

De keuze van het gereedschap is eveneens van groot belang in de ultrasonische vibratie-geassisteerde bewerking. Gereedschappen van polycristallijn diamant (PCD) zijn vaak effectief vanwege hun superieure slijtvastheid en hun vermogen om de hoge temperaturen die optreden tijdens de bewerking te weerstaan. De combinatie van ultrasonische vibraties met dergelijke gereedschappen kan de efficiëntie van het proces aanzienlijk verbeteren.

Bij het beoordelen van de algehele prestaties van ultrasonische vibratie-geassisteerde bewerking moet er altijd rekening worden gehouden met de specifieke toepassing en de benodigde oppervlaktekwaliteit. Hoewel deze technologie veelbelovend is, is het essentieel om de parameters zorgvuldig af te stemmen op de specifieke behoeften van het materiaal en de bewerkingsomgeving.