Hoe de positie van de nozzle de oppervlaktekwaliteit beïnvloedt tijdens het frezen

Op basis van de resultaten van simulatieanalyse blijkt dat wanneer de doelafstand de 30 mm overschrijdt, de nozzle zich buiten de luchtstroombarrière bevindt, wat de transport van de oliespray belemmert. Dit experiment maakte gebruik van een eindfrees met een helixhoek van 35°. De simulatieanalyse geeft aan dat een invalshoek van 35° optimaal is. De invalshoek in de zevende groep is kleiner dan die van de smeerolie mist. Evenzo overschrijdt de hoogtehoek in de zevende groep het optimale bereik, waardoor het niet geschikt is voor de effectieve toegang van smeerolie mist in het frezen gebied.

De tweede groep van orthogonale experimenten (d = 30, β = 35°, en α = 60°) levert de laagste ruwheidswaarde op. In deze groep is de minimale Ra 0,082 μm, met de onderkwartiel op 0,085 μm, de mediaan op 0,087 μm, het bovengedeelte van het kwartiel op 0,090 μm, en de maximale Ra op 0,095 μm. Bovendien is de boxplot voor de tweede experimentele groep korter en compacter. Deze resultaten geven aan dat de gemeten ruwheidswaarden consistent zijn, wat wijst op een bevredigende oppervlaktekwaliteit van het werkstuk. In de zevende groep (d = 50, β = 15°, en α = 70°) zijn zowel de mediaan als de ruwheidswaarden hoger, wat aangeeft dat de positie van de nozzle invloed heeft op de efficiëntie van de smering en koeling. De resultaten van de andere zeven groepen tonen variërende smeringseffecten door de verschillende niveaus van de beïnvloedende factoren.

Op basis van de analyse van de ruwheidsparameters Ra en RSm kan een geschikte nozzle-positie de luchtstroom rond de freeskop sturen, waardoor meer smeermiddel-druppels in het frezen gebied terechtkomen. Deze omstandigheden verbeteren de leveringsefficiëntie van het smeermiddel, verbeteren de smeringsprestaties aan het gereedschap-werkstuk interface en verminderen de oppervlakte-ruwheid van het werkstuk.

De analyse van de chipmorfologie duidt erop dat de nozzle-positieparameters van de tweede groep (d = 30, β = 35°, en α = 60°) optimaal zijn voor een verbeterd smeereffect op het werkstukoppervlak. Deze parameters bevorderen de smeringseffecten, wat resulteert in een gladdere en meer uniforme afwerking van het werkstuk.

Wat is de rol van cryogene koeling en MQL-systemen in de verspaningstechniek?

In de moderne verspaningstechniek speelt de koeling een essentiële rol in het behoud van gereedschapslevensduur en het verbeteren van de verwerkingskwaliteit. Een veelbelovende benadering is het gebruik van cryogene koelmiddelen zoals vloeibaar kooldioxide (LCO2) of superkritisch kooldioxide (scCO2), gecombineerd met minimale hoeveelheid smeermiddel (MQL), wat de doorlaatbaarheid in de snijzone aanzienlijk verbetert. Het gebruik van cryogene koeltechnieken heeft in vergelijking met conventionele vloeistoffen, zoals LN2, aanzienlijke voordelen vanwege de oplosbaarheid van LCO2 in smeerolie. Dit stelt LCO2 in staat om te mengen met micro-smeermiddelen, die vervolgens in de snijzone kunnen worden gebracht, wat resulteert in een efficiëntere smering en langere gereedschapslevensduur.

Een geavanceerder systeem is het enkelkanaalsysteem, waarin LCO2 en micro-smeermiddel tegelijkertijd in een mengkamer worden geleid, gemengd en dan als een nevel in de snijzone gespoten. Dit systeem biedt een aanzienlijk verbeterde stabiliteit van de structuur van de frezen en garandeert een efficiëntere werking in vergelijking met de duale systemen. Bovendien is LCO2 gemakkelijker te verwerken en verkrijgen dan scCO2, wat het meer geschikt maakt voor industriële toepassingen.

Naast de toepassing van LCO2 in combinatie met MQL, zijn er systemen die ook gebruik maken van perslucht (CA). In een extern jetsysteem kan perslucht samen met MQL door een koel- en refrigeratiesysteem worden geleid, waarbij de luchtstroom langs de sponsstructuur van de sproeikoppen wordt geleid, wat resulteert in een efficiëntere koeling van de vernevelde druppels. Deze systemen kunnen op verschillende hoeken rond de frees worden geplaatst om de snijzone gelijkmatig te koelen.

Er zijn twee hoofdcategorieën van interne systemen voor deze toepassingen: de interne jet-type en het externe jet-type. Het interne jet-type zorgt ervoor dat perslucht en micro-smeermiddel in de interne kanalen van de frezen gemengd en onder hoge druk in de snijzone worden gespoten. Dit systeem heeft verschillende kanaalstructuren, zoals de dubbele spiraal (DHC), de enkele rechte lijn (SSC) en de dubbele rechte lijn (DSC), die elk een ander effect hebben op de druppelgrootte en de prestaties van de smering.

De interne kanalen beïnvloeden de verdeling van de druppelgrootte: een hogere snelheid van de spindel kan leiden tot kleinere druppels, afhankelijk van de kanaalstructuur. De kwaliteit van de smering hangt dus sterk af van de structuur van de interne kanalen en de precisie van de nozzleplaatsing. Dit maakt het ontwerpen van efficiënte koelsystemen en de juiste combinatie van lucht en smeermiddel cruciaal voor het succes van deze technologieën.

Cryogene koelingstechnieken, zoals het gebruik van LCO2 in combinatie met MQL, worden steeds vaker ingezet vanwege hun effectiviteit en de relatief lage kosten in vergelijking met alternatieven zoals LN2. Het integreren van deze technieken in moderne verspaningsmachines vraagt echter om aanzienlijke technische aanpassingen, waaronder aangepaste gereedschapsstructuren en nauwkeurige controle van de stromingsparameters van koeling en smering.

De wetenschap achter cryogene koelsystemen en MQL gaat verder dan alleen het simpelweg mengen van vloeistoffen. Het vereist een gedetailleerd begrip van de stroming van smeermiddelen in de snijzone, de verdeling van de vernevelde druppels en de complexiteit van de warmteoverdracht. Aangezien de snijzone in veel gevallen een onregelmatige en complexe geometrie heeft, wordt het steeds belangrijker om modellen en simulaties te gebruiken die de stroming van smeermiddelen in verschillende scenario’s kunnen voorspellen.

Voor de lezers die zich verder willen verdiepen in dit onderwerp, is het essentieel te begrijpen dat het ontwerpen van efficiënte koel- en smeersystemen niet alleen gaat over het gebruik van cryogene gassen, maar ook over het juiste beheer van de interactie tussen de koelvloeistoffen, de gereedschappen en het materiaal dat wordt bewerkt. Innovaties in nozzle-ontwerpen, de implementatie van geavanceerde controlesystemen en de toepassing van nauwkeurige simulaties kunnen allemaal bijdragen aan het verbeteren van de prestaties van deze geavanceerde verspaningsmethoden. De effectiviteit van het systeem kan verder worden geoptimaliseerd door het gebruik van nanotechnologie in de smeermiddelen, waardoor de levensduur van het gereedschap nog verder wordt verlengd.

Wat zijn de voordelen en vooruitzichten van de CMQL-technologie in de verspaning van moeilijk bewerkbare materialen?

De CMQL-technologie speelt een cruciale rol bij het verbeteren van de prestaties van koel- en smeermiddelen tijdens het bewerken van moeilijk te bewerken materialen zoals titaniumlegeringen en nikkel-gebaseerde legeringen. De effectiviteit van CMQL bij het afvoeren van warmte en het verminderen van thermische schade aan het oppervlak van het werkstuk is evident: hoe lager de temperatuur van de koude lucht, hoe sterker het effect. De synergie tussen koeling en smering biedt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele methoden, zoals de MQL-technologie (Minimum Quantity Lubrication).

Het gebruik van CMQL in de verspaning kan de schade door thermomechanische belasting aanzienlijk verminderen. De technologie zorgt voor lagere snijtemperaturen, vermindert de snijkrachten en verlaagt de slijtage van gereedschappen, terwijl tegelijkertijd de kwaliteit van het werkstukoppervlak wordt verbeterd. CMQL maakt het mogelijk om het werkstuk in optimale hardheid te houden, waardoor efficiënt materiaal kan worden verwijderd. Dit is van bijzonder belang bij het bewerken van materialen die vatbaar zijn voor thermisch verzachten, zoals bij het draaien, frezen en slijpen.

In de draaitechnologie wordt externe sproeiing vaak gebruikt om het koel- en smeermiddel aan te voeren, gezien de blokstructuur van de draaigereedschappen. Door het aantal spuitmonden te verhogen en hun plaatsing te optimaliseren, kan de dekking van het koelmiddel op het gereedschap worden vergroot. Bovendien kan de structuur van de gereedschaphouder worden aangepast om het koelmiddel via interne kanalen rechtstreeks naar de vlak- en schaafvlakken te transporteren, wat de dekking en penetratie verder verbetert.

Bij frezen wordt het koel- en smeermiddel via interne kanalen van de freeskop geleverd. De cilindrische vorm van de freeskop en de roterende beweging maken het mogelijk om het koelmiddel direct in de snijzone te spuiten, waardoor de belemmering door de luchtstroom van hoge snelheid wordt verminderd. De oplosbaarheid van LCO2 (of scCO2) in smeerolie ondersteunt bovendien het interne mengen van de straal, wat de effectiviteit van de koeling in freestoepassingen vergroot.

Een ander belangrijk voordeel van CMQL ten opzichte van traditionele koeling- en smeermethoden is de verbeterde viscositeit van de smeerolie. Dit zorgt ervoor dat de olie een complete scheiding kan handhaven tussen het gereedschap en het werkstuk, waardoor de belastbaarheid van de olie wordt verbeterd. Dit leidt tot een lagere slijtage van gereedschappen en een betere bewerkingskwaliteit van het werkstukoppervlak.

Daarnaast is het essentieel om een systematische benadering te ontwikkelen voor het afstemmen van de prestaties van snijparameters en het type cryogeen medium (of nanodeeltjes) dat wordt gebruikt. Verschillende bewerkingsmethoden vereisen specifieke snijparameters voor verschillende moeilijk te bewerken materialen. Het optimaliseren van de afstemming van deze parameters met het type cryogeen medium is een van de uitdagingen die nog moeten worden aangepakt.

Verder wordt het gebruik van elektrostatistische verneveling als een nieuwe hulpmethode onderzocht. Bij traditionele verneveling van koel- en smeermiddelen met hoge druk kan er verstrooiing van druppels optreden, wat het transport bemoeilijkt en gezondheidsrisico’s voor werknemers met zich meebrengt. Het toepassen van elektrostatistische verneveling, waarbij de druppels worden geladen door een hoogspanningsveld en langs een vooraf bepaalde route worden geleid, kan de verstrooiing effectief verminderen en een nauwkeurige levering aan de snijzone mogelijk maken.

Ten slotte is er de behoefte aan de ontwikkeling van intelligente spuitmonden voor een nauwkeurige levering van het CMQL-medium. De traditionele vaste spuitmonden hebben vaak beperkingen door de geometrie van het gereedschap en het werkstuk, evenals de bewegingswetten. Het ontwikkelen van een adaptieve optimalisatiestrategie voor de parameters van de straal (zoals de vloeistofstroomsnelheid en de gas-vloeistof-massa verhouding) is essentieel om de prestaties van CMQL verder te verbeteren.

De toepassing van CMQL in de luchtvaartindustrie bij het bewerken van moeilijk te bewerken materialen vereist een gecoördineerde aanpak van verschillende factoren zoals het type bewerking, het materiaal van het werkstuk, de specificaties van de gereedschappen, het koel- en smeermiddel, energieverbruik en procesparameters. De toekomstige onderzoeksrichtingen zouden zich moeten richten op de ontwikkeling van meer geavanceerde systemen voor het coördineren van deze factoren en het opstellen van kwantitatieve wiskundige modellen voor een optimale verwerkingsprestatie.

Hoe Nano-Verbeterde Fasen de Smering en Wrijvingsprestaties in Bewerkingsprocessen Verbeteren

De rol van nano-verbeterde fasen (NPECs) in smeermiddelen heeft zich als essentieel bewezen voor het optimaliseren van tribologische prestaties in verschillende industriële bewerkingen. Van grafenen plaatjes tot boron-nitride en kopero-xiden, deze nanodeeltjes kunnen de wrijvingscoëfficiënt (COF) aanzienlijk verlagen en de slijtvastheid van het werkoppervlak verbeteren. Hoewel niet alle nano-verbeterde fasen gunstig zijn voor smeermiddelen, blijkt uit onderzoek dat de concentratie van deze deeltjes cruciaal is voor het bereiken van de optimale balans tussen prestaties en duurzaamheid.

NPECs, zoals grafen nanoplaatjes (GNP), hebben bewezen opmerkelijke antislijtage-eigenschappen te bezitten. De unieke hexagonale structuur van GNP moleculen zorgt voor uitstekende smeereigenschappen, wat resulteert in een vermindering van de wrijvingscoëfficiënt bij contactoppervlakken. In studies waarin GNP werd toegepast, bijvoorbeeld bij het gebruik van palmolie in Minimum Quantity Lubrication (MQL), werd een significante afname van de COF waargenomen – tot wel 34,3% in vergelijking met pure palmolie. Dit benadrukt niet alleen de effectiviteit van GNP in het verbeteren van de stabiliteit van smeermiddelen, maar ook de rol die ze spelen in het verminderen van slijtage.

Het gebruik van andere NPECs, zoals siliciumdioxide (SiO2) en molybdeendisulfide (MoS2), heeft ook positieve effecten op de slijtageprestaties aangetoond. Deze deeltjes werken door de vorming van een glad en dicht smeerfilm op het oppervlak van het werkstuk, wat wrijving en slijtage vermindert. De ontwikkeling van een dunne beschermende film is bijzonder belangrijk in bewerkingsprocessen waarbij precisie vereist is. Door de interactie van de NPECs met oppervlakte-onregelmatigheden wordt de film geëfficiënt gevormd, wat leidt tot een lager energieverbruik en een verbeterde oppervlaktkwaliteit.

Het is echter niet altijd een kwestie van simpelweg het verhogen van de concentratie van nano-verbeterde fasen. Talib et al. toonden aan dat bij een concentratie van hexagonaal boornitride (HBN) van meer dan 0,05 gew.% de COF weer zou kunnen toenemen. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de agglomeratie van de deeltjes, wat hun smeereigenschappen verzwakt en zelfs tot slijtage kan leiden. Dit benadrukt het belang van het zorgvuldig beheren van de concentratie van NPECs om te voorkomen dat de voordelen van de deeltjes verloren gaan door negatieve effecten op de prestaties.

De keuze voor de juiste NPEC en de bijbehorende concentratie heeft ook invloed op de thermofysische eigenschappen van het smeermiddel. NPECs dragen bij aan een efficiëntere warmteoverdracht, wat essentieel is voor het verminderen van de temperatuur op het snijgereedschap en het werkstuk tijdens de bewerking. Dit verlaagt niet alleen de thermische belasting, maar voorkomt ook de vorming van microbarstjes en residuele spanningen in het materiaal, wat cruciaal is voor het verkrijgen van een hoge oppervlaktekwaliteit.

NPECs vertonen ook een bijzonder gunstig effect op de energiebehoefte tijdens bewerkingsprocessen. Onderzoeken hebben aangetoond dat het gebruik van NPECs kan leiden tot een verlaging van de energiebehoefte met 40-42% in vergelijking met droog snijden, 25-30% ten opzichte van conventionele koeling en 17-19% ten opzichte van MQL. Dit maakt NPECs niet alleen een kostenbesparende oplossing, maar draagt ook bij aan de verduurzaming van bewerkingsprocessen door de energie-efficiëntie te verbeteren.

Een ander belangrijk aspect is de rol van de NPECs in het verbeteren van de stabiliteit van de smeerfilm en het verminderen van de viskeuze weerstand. Dit gebeurt door het nanodeeltje deeltjes in de poriën van het werkoppervlak te infiltreren, waardoor het oppervlak wordt gepolijst en de smering wordt geoptimaliseerd. Deze eigenschappen verminderen niet alleen de wrijvingskrachten, maar dragen ook bij aan de vermindering van het energieverbruik en de slijtage van het gereedschap.

Het gebruik van nano-verbeterde fasen in smeermiddelen is een veelbelovende technologie die de tribologische prestaties in de bewerkingsindustrie kan verbeteren. De integratie van deze deeltjes vereist echter zorgvuldige afstemming van de concentraties en de keuze van het juiste type NPEC om de gewenste voordelen te behalen. Inzicht in de specifieke eigenschappen van de NPECs en de werking ervan op het tribologische interface kan helpen bij het ontwikkelen van geavanceerdere en efficiëntere bewerkingsstrategieën.