Hoe verbeteren micro-texturen op draaigereedschappen de smering en slijtage bij het bewerken van moeilijke legeringen?

In de hedendaagse productie-industrie speelt het bewerken van materialen met uitzonderlijke hardheid, sterkte en thermische weerstand een cruciale rol. Micro-gestructureerde snijgereedschappen hebben zich ontwikkeld als een innovatieve oplossing om deze uitdagende materialen, zoals nikkelgebaseerde superlegeringen en titaniumlegeringen, efficiënter te bewerken. Door fijne texturen aan te brengen op het oppervlak van draaigereedschappen worden de prestaties aanzienlijk verbeterd, vooral wat betreft de smering, de wrijvingscoëfficiënt en de slijtagebestendigheid.

Deze micro-texturen, die kunnen bestaan uit groeven, holtes of haarachtige structuren, zorgen ervoor dat smeermiddelen beter worden vastgehouden en naar de snijkant van het gereedschap worden getransporteerd. Dit verhoogt de effectiviteit van minimaal gebruik van koelmiddelen, zoals Minimum Quantity Lubrication (MQL) en Cryogenic MQL (CMQL), waarbij het doel is om zowel de milieu-impact als de productiekosten te reduceren. De aanwezigheid van micro-texturen vermindert de directe contactoppervlakte tussen het gereedschap en het spanenmateriaal, wat leidt tot lagere snijkrachten en verminderde thermische belasting.

Onderzoek toont aan dat micro-gestructureerde oppervlakken, zoals door Qi en collega’s gedemonstreerd bij het bewerken van titaniumlegeringen, een hogere smeermiddeladsorptie vertonen, waardoor de wrijving aanzienlijk afneemt. Dit effect vertaalt zich in een langere levensduur van het gereedschap en betere oppervlaktekwaliteit van het bewerkte materiaal. Daarnaast beïnvloedt de specifieke vorm van de micro-texturen het wrijvingsgedrag; zo resulteerden cirkelvormige patronen in de laagste wrijvingscoëfficiënten in vergelijkende studies.

De temperatuurreductie aan de snijkant door micro-texturen is indrukwekkend. Afname van de snijtemperatuur met wel 5 tot bijna 30 procent is waargenomen bij het gebruik van respectievelijk micro-groeven, micro-holtes en micro-haarstructuren. Bij het frezen van nikkelgebaseerde hoogtemperatuurlegeringen kan de temperatuurdaling zelfs oplopen tot ruim 40 procent, wat de thermische stress op het gereedschap aanzienlijk verlaagt en zo de gereedschapsstandtijd verlengt.

Het synergistische effect tussen micro-texturen en smeermiddelen is essentieel. Door het creëren van een efficiënte smeerfilmlaag en het vasthouden van slijpdeeltjes en spanen, worden slijtage en adhesie op het gereedschap verminderd. Biomimetische structuren, geïnspireerd op natuurfenomenen zoals het waterafstotende oppervlak van lotusbladeren of het gerichte watertransport van spinnenwebben en woestijnkevers, bieden extra inzichten in hoe texturen optimaal ontworpen kunnen worden voor smering en zelfreiniging.

Het begrip van deze mechanismen is fundamenteel voor iedereen die zich bezighoudt met duurzaam en efficiënt verspanen. Naast het technische ontwerp en de fabricage van micro-texturen, moeten ook de interacties tussen smeermiddelen, gereedschap en bewerkte materialen integraal worden bestudeerd. Dit zorgt ervoor dat technologische innovaties niet alleen gericht zijn op prestatieverbetering, maar ook op het minimaliseren van ecologische impact.

Hoe de luchtstroom en micro-druppels de koeling en smering bij slijpen en frezen beïnvloeden

In het proces van slijpen en frezen is de verdeling van luchtstroom cruciaal voor het succes van de koeling en smering van het gereedschap en het werkstuk. Han et al. [108, 109] gebruikten numerieke simulaties om de luchtstroomverdeling te onderzoeken en ontdekten dat hogere snelheden van de slijpsteen de dikte van de "gasbarrièrelaag", de luchtdruk en de luchtsnelheid in het slijpgebied vergroten. Dit heeft invloed op de effectiviteit van de koeling, aangezien een verhoogde luchtsnelheid de toevoer van snijvloeistof kan belemmeren. Wanneer de diameter van de slijpschijf toeneemt en de wighoek scherp afneemt, neemt de intensiteit van de terugstroom aanzienlijk toe. Daarnaast leidt een verkleining van de minimale speling tussen de slijpschijf en het werkstuk tot een scherpe stijging van zowel de piek- als inlaatdrukken in het slijpgebied, wat de invoer van snijvloeistof verder belemmert.

Zhang et al. [110] ontwikkelden een model om de effectieve debiet in het slijpgebied te bepalen, rekening houdend met de werkelijke morfologie van het slijpwieloppervlak. Hoewel het luchtveld op het slijpwieloppervlak de levering van smeermiddel belemmert, gebruikten zij schrapers en schoen-nozzles om dit effect te verminderen en de effectieve debieten te verbeteren. Ook Baumgart et al. [112] onderzochten de interactie tussen koelvloeistof en de slijpschijf, met de nadruk op de invloed van de luchtstroom bij het gebruik van verschillende types koelvloeistofnozzles.

Het is essentieel dat de micro-druppels tijdens de bewerking hun pad naar het werkstuk effectief vinden en zich verspreiden. Deze verspreiding wordt beïnvloed door verschillende factoren, zoals de oppervlaktespanning, dichtheid, viscositeit en de snelheid van de vallende druppels. Wanneer de micro-druppels de werkstukoppervlakte bereiken, vertonen ze verschillende botsingsgedragingen, zoals terugkaatsen, verspreiden en opspatten. Alleen de druppels die zich effectief verspreiden, kunnen koelen en smeren. Yang et al. [124, 125] ontwikkelden een kansdichtheidsmodel voor de grootte van de druppels die effectief warmte uitwisselen, waarbij ze rekening hielden met factoren zoals de oppervlakte spanning van de druppels, die wordt beïnvloed door een elektrisch veld.

Het gebruik van een elektrisch veld kan de oppervlaktespanning van micro-druppels verminderen, wat hun doordringingsefficiëntie en warmte-uitwisselingscapaciteit verhoogt. Jia [106] toonde aan dat de botsing van de druppels met een vloeistoffilm hun gedrag beïnvloedt: ze kunnen terugkaatsen, opspatten of zich verspreiden. Dit proces is afhankelijk van de snelheid van de druppels en de viskeuze effecten van het elektrisch veld. Het elektrisch veld verhoogt de sedimentatiesnelheid van de druppels, wat hun effectiviteit in het koelen en smeren verder versterkt.

De technologie van het inbrengen van smeermiddelen is cruciaal voor het verbeteren van de gereedschapsprestaties en het verlengen van de levensduur van zowel het gereedschap als het werkstuk. Infrequent of onvoldoende inbrengen van smeermiddel kan leiden tot een verslechtering van de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk en een snellere slijtage van het gereedschap. Het verbeteren van de infiltratie van smeermiddel door de microkanalen op de gereedschaps- en werkstukinterface is een belangrijke stap in het optimaliseren van de prestaties van het snijproces.

De eigenschappen van de microkanalen bij de snijzone, zoals de lengte, de beperkte ruimte en de complexe geometrieën, vormen een uitdaging voor de infiltratie van het smeermiddel. Han et al. [131–133] observeerden capillairachtige microstructuren aan de gereedschaps/werkstukinterface die helpen bij het transporteren van de smeermiddelen naar het snijpunt. De effectiviteit van de smering en koeling hangt echter af van de juiste afstemming van de luchtstroom en de nauwkeurigheid van de positie van de nozzles, die de toevoer van het smeermiddel direct beïnvloeden.

Wat zijn de biologische stabiliteitsproblemen van water-gebaseerde snijvloeistoffen en de impact op de industrie?

Werknemers die langdurig betrokken zijn bij de verwerking van metalen lopen een verhoogd risico op het ontwikkelen van allergische longontsteking, bronchitis en astma. Micro-organismen in op water gebaseerde snijvloeistoffen kunnen bijdragen aan deze ademhalingsziekten. Onderzoek van Picciotto et al. [60] heeft een correlatie aangetoond tussen zwevende deeltjes in olie-gebaseerde snijvloeistoffen en sterfgevallen als gevolg van ischemische hartziekten. Dit laat zien hoe de beperkingen van verwerkingsmethoden de voornaamste oorzaak van vervuiling door snijvloeistoffen zijn. De zware afhankelijkheid van snijvloeistoffen in de metaalbewerkingsindustrie vergroot deze uitdaging. Om de risico’s van snijvloeistoffen te beperken, hebben ontwikkelde landen strikte wetgeving geïmplementeerd. Bijvoorbeeld, de nationale arbeidsveiligheidsnormen in de VS bepalen dat de toegestane concentratie van snijvloeistoffen zonder polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK) maximaal 3 mg/m³ mag zijn, terwijl deze voor snijvloeistoffen met PAK’s is beperkt tot 0,5 mg/m³. Evenzo vereist de Britse Health and Safety Executive dat de druppelconcentraties voor olie-gebaseerde en op water gebaseerde snijvloeistoffen respectievelijk 3 en 1 mg/m³ zijn [61]. Hoewel deze normen de milieu-impact van snijvloeistoffen enigszins hebben verminderd, hebben ze tegelijkertijd de productiekosten voor fabrikanten verhoogd, wat een negatieve invloed heeft op de groei van de metaalbewerkingsindustrie. Als gevolg hiervan is de bestrijding van de vervuiling door snijvloeistoffen een grote uitdaging voor de industrie geworden.

De micro-organismen in snijvloeistoffen kunnen worden onderverdeeld in bacteriën en schimmels. Bacteriën kunnen worden ingedeeld in aerobe en anaerobe bacteriën, zoals Escherichia coli, Staphylococcus aureus, pneumokokken, Salmonella typhi, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas oleifera en sulfaat-reducerende bacteriën. Schimmels kunnen worden onderverdeeld in gist en schimmel, waaronder Penicillium, cephalosporine, Aspergillus en Fusarium. Facultatieve anaeroben zijn bijzondere en belangrijke biodegradanten. Wanneer er voldoende zuurstof aanwezig is, gedragen facultatieve anaeroben zich als aerobe bacteriën. Wanneer zuurstof onvoldoende is om aerobe stofwisseling te ondersteunen, gedragen zij zich als anaerobe bacteriën. Vooral in biofilm-gemeenschappen consumeren facultatieve anaeroben zuurstof, waardoor er omstandigheden ontstaan die geschikt zijn voor anaerobe bacteriën om te overleven [64]. Bacteriën kunnen verder worden verdeeld op basis van de chemische samenstelling van hun celwanden en hun reactie op kleuring. Dit leidt tot de indeling in Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën [65].

Wanneer de besmetting zich verder ontwikkelt, verandert de samenstelling van de micro-organismen. In de vroege stadia van besmetting zijn de bederfbacteriën voornamelijk Pseudomonas [63, 70]. Wanneer de microbiale concentratie de 10^8 CFU/mL bereikt, worden facultatieve anaeroben de dominante bacteriën. In de laatste fase van de afbraak van snijvloeistoffen, wanneer de pH van de vloeistof afneemt, neemt de diversiteit van de bacteriën toe. Hierbij kunnen verschillende Gram-negatieve bacteriën worden geïsoleerd, zoals Acinetobacter, Achromobacter en Alcaligenes. Daarnaast kan snijvloeistof ook besmet raken met andere veel voorkomende bacteriën, zoals Gram-positieve bacteriën (Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus en Bacillus) en atypische mycobacteriën [70–75]. Gisten en filamentieuze schimmels kunnen ook snijvloeistoffen besmetten, maar deze zijn minder talrijk (10^2–10^4 CFU/mL) [35, 76, 77]. Schimmels zijn meestal gehecht aan de muren van de machine of aan de leidingen [78].

Als de machine stopt, blijven de snijvloeistoffen stil staan. De groei van aerobe bacteriën consumeert zuurstof in de vloeistof, waarna anaerobe bacteriën zich vermenigvuldigen. Deze anaerobe bacteriën kunnen zwavelverbindingen in de vloeistof afbreken en waterstofsulfide genereren, wat de karakteristieke geur veroorzaakt die vaak rondom de machine gereleased wordt. Wanneer deze geur verschijnt, is dat vaak een teken van ernstige verrotting van de snijvloeistof [79].

De schade die micro-organismen kunnen veroorzaken aan de snijvloeistof en de machines zelf is onherstelbaar. Bacteriën kunnen de emulgator in de snijvloeistof afbreken, waardoor de stabiliteit van de vloeistof vermindert en de prestaties van de machine worden aangetast. Het beheer van microbiële besmetting is daarom essentieel voor het waarborgen van de efficiëntie en duurzaamheid van zowel de vloeistoffen als de machines.