Hoe Nanodeeltjes de Prestaties van Biolubricanten Verbeteren in Verspanende Bewerking

In de moderne verspaningstechnologie speelt de keuze van smeermiddel een cruciale rol in het verbeteren van de gereedschapsprestaties en de kwaliteit van het werkstuk. Traditionele minerale oliën worden vaak vervangen door biolubricanten, zoals kokosolie, in combinatie met nanodeeltjes om de prestaties te optimaliseren. Nanodeeltjes zoals boorzuur, MoS2 (molybdeen disulfide), grafiet en andere nanosolid deeltjes hebben unieke eigenschappen die de thermische en mechanische omstandigheden tijdens het verspanen verbeteren.

Daarnaast speelt de toolslijtage een sleutelrol in de levensduur van het gereedschap. Onderzoek heeft aangetoond dat nanodeeltjes in smeermiddelen, zoals de 0,5% boorzuur-suspensie in kokosolie, de slijtage van het gereedschap aanzienlijk verminderen. Dit effect wordt verklaard door de vorming van een dunne smeerfilm op het contactvlak tussen het gereedschap en het werkstuk bij hoge temperaturen. De nanodeeltjes verminderen de plastische vervorming en de zijslijtage doordat ze langs het olie-interface bewegen, waardoor de interactie tussen de werkstukken en het gereedschap wordt verminderd.

In een studie van Yildirim werd het effect van hBN (hexagonaal boornitride) nanodeeltjes onderzocht in de MQL-proces (Minimum Quantity Lubrication). Het bleek dat het gebruik van 1% hBN nanodeeltjes leidde tot een levensduurverlenging van het gereedschap met respectievelijk 24% en 105,9% in vergelijking met droog snijden en puur MQL. Het gebruik van nanodeeltjes helpt bij het vasthouden van oliedeeltjes in de snijzone, wat de snelheid van olieverlies vermindert en tegelijkertijd de thermische geleidbaarheid verhoogt, wat resulteert in een lagere temperatuur in de snijzone.

Naast gereedschapslijtage heeft het gebruik van nanodeeltjes ook een significante invloed op de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk. Zo heeft Zhang onderzoek gedaan naar het effect van MoS2, koolstofnanobuizen (CNT's) en ZrO2 nanodeeltjes tijdens het slijpen van koolzaadolie. MoS2 nanodeeltjes toonden de beste prestaties op het gebied van wrijving en oppervlaktekwaliteit, waarbij ze de tangentiële wrijvingskracht en specifieke slijpkracht aanzienlijk verlaagden. Dit werd verklaard door de vorming van een MoO3 oxidefilm op het werkstuk, die de wrijving vermindert en de oppervlakteafwerking verbetert.

Bij het gebruik van MoS2 en grafiet nanodeeltjes in de MQL-procedures met plantaardige olie werd een aanzienlijke vermindering van de oppervlakte-ruwheid waargenomen. Dit werd toegeschreven aan de solid lubricating eigenschappen van MoS2 en grafiet, die wrijving verminderen en daardoor de oppervlaktekwaliteit verbeteren. Echter, het toevoegen van Al2O3 nanodeeltjes had een tegenovergesteld effect: de oppervlakte-ruwheid nam toe vanwege de slijtvastheid van Al2O3, wat leidde tot het ontstaan van krasjes op het werkstukoppervlak.

In termen van extreem drukbestendige prestaties heeft de toevoeging van nanodeeltjes, zoals MoS2, in plantaardige olie de stabiliteit van de oliefilm versterkt. Dit voorkomt de afbraak van de oliefilm, wat vooral belangrijk is in situaties waarin de snijzone onder hoge druk staat. In een studie met MoS2 nanodeeltjes in palmolie werd een reductie van de oppervlakte-rauwheid van 50% tot 61% waargenomen in vergelijking met droog slijpen, wat wijst op de effectiviteit van MoS2 bij het verminderen van slijtage en het verbeteren van de oppervlaktekwaliteit.

Naast de verbeteringen in gereedschapsprestaties en oppervlaktekwaliteit, is het essentieel voor de lezer om te begrijpen dat de effectiviteit van nanodeeltjes in smeermiddelen afhankelijk is van verschillende factoren, zoals de concentratie van de deeltjes, de aard van het basismateriaal (bijvoorbeeld kokosolie of palmolie) en de specifieke verwerkingsomstandigheden (zoals snijsnelheid en voeding). Het vinden van de juiste balans in de concentratie van nanodeeltjes is van cruciaal belang, omdat een te lage concentratie mogelijk niet voldoende smering biedt, terwijl een te hoge concentratie de vloeistofdynamica kan verstoren.

De technologie van minimum hoeveelheden smeermiddelen (MQL) in combinatie met nanodeeltjes biedt een veelbelovende oplossing voor de toekomst van duurzame en efficiënte verspaning. Dit biedt niet alleen een efficiënter gebruik van smeermiddelen, maar draagt ook bij aan het verminderen van de milieu-impact van traditionele verspaningsprocessen. De veelzijdigheid van biolubricanten met nanodeeltjes opent nieuwe mogelijkheden voor de industrie, waarbij zowel gereedschapsprestaties als oppervlaktekwaliteit op lange termijn worden verbeterd.

Wat zijn de voordelen van nanodeeltjes-versterkte smeermiddelen (NPEC) voor de verspaning van titaniumlegeringen?

Het gebruik van nanodeeltjes-versterkte smeermiddelen (NPEC) heeft aanzienlijke voordelen voor de verspaning van titaniumlegeringen, vooral als het gaat om de verbetering van smeereigenschappen en de vermindering van wrijving en slijtage tijdens het bewerkingsproces. Deze verbeteringen worden voornamelijk bereikt door de toevoeging van nanodeeltjes, zoals grafeennanoplaatjes (GNP), die fungeren als een versterkend element in smeermiddelen die op plantaardige oliën zijn gebaseerd. De effectiviteit van deze NPECs wordt vooral duidelijk wanneer ze worden toegepast in het snijproces onder minimumhoeveelheid smeermiddel (MQL)-omstandigheden.

Bij droog bewerken is er vaak sprake van ernstige delaminatie op de contactvlakken door onvoldoende smering en slechte warmteafvoer. Onder MQL-condities, daarentegen, vertonen de bewerkte oppervlakken een relatieve gladheid en minimale schade, wat voornamelijk te danken is aan de smeer- en koelwerking van de NPEC. Het polaire karakter van plantaardige oliën, zoals palmolie, bevordert de smering door een robuuste antislijtlagen op de contactvlakken te vormen, wat het geheel een significant voordeel biedt ten opzichte van conventionele koelvloeistoffen of het volledig droge snijproces.

Een studie van Ibrahim et al. [231] toonde aan dat de concentratie van GNP in een palmolie-gebaseerd NPEC de wrijvingscoëfficiënt aanzienlijk verlaagde en de slijtage van de gereedschappen verminderde. De resultaten gaven aan dat een concentratie van 0,1 gewichtspercentage GNP optimale resultaten opleverde, omdat de interactie tussen de GNP en het moleculaire laagje van de palmolie de smering verbeterde. Bij hogere concentraties werd echter een afname van de effectiviteit waargenomen, waarbij de smereigenschappen werden belemmerd doordat de hogere viscositeit het vermogen van de olie om in het snijgebied door te dringen, beperkte.

Het gebruik van NPECs heeft niet alleen invloed op de oppervlakteruwheid, maar kan ook de invloed van werkharding verminderen, een fenomeen dat vaak optreedt tijdens slijpprocessen als gevolg van wrijving en druk tussen het slijpschijf en het werkstuk. Hoewel verhoogde temperaturen in de slijpzone doorgaans werkharding verminderen, zijn ze vaak nadelig voor de effectiviteit van de bewerking. NPECs helpen bij het verlagen van de slijptemperaturen en verminderen daardoor de impact van werkharding, wat de levensduur van de gereedschappen verlengt en de kwaliteit van het oppervlak verbetert.

In draaimachines werd ook aangetoond dat NPECs aanzienlijke voordelen opleveren, met name in de verspaning van titaniumlegeringen. De gebruiksduur van gereedschappen werd met 178 tot 190% verbeterd, terwijl de oppervlaktkwaliteit met 58 tot 68% verbeterde in vergelijking met droge bewerking. Dit werd deels toegeschreven aan de afname van de snijtemperaturen, die varieerden van 31 tot 42%, wat het gereedschap in staat stelde om zijn prestaties te behouden bij hogere snijsnelheden.

Wat verder nog belangrijk is om in overweging te nemen bij het gebruik van NPECs is dat een grondige strategie nodig is voor de selectie van de juiste NPECs in combinatie met de juiste snijparameters. Het kiezen van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals grafeennanoplaatjes, kan helpen bij het beheersen van de warmteafvoer en het verbeteren van de oppervlakteruwheid. Daarnaast moet de juiste koelvloeistofstroming worden afgesteld om de effectiviteit van de smeermiddelen te maximaliseren. Dit kan de prestaties aanzienlijk verbeteren, met name in processen die hoge snijsnelheden vereisen.

Verder onderzoek naar hybride NPEC-materiaalcombinaties of het gebruik van koelmedia met lage temperaturen, in combinatie met gestructureerde gereedschappen, kan mogelijk leiden tot nog grotere verbeteringen in de verspaningsresultaten en de levensduur van het gereedschap.