Wat is het effect van ultrasone trillingen op de verspaningsprestaties van SiCp/Al-composieten?

In de ultrasone trillingsondersteunde verspaning wordt gebruik gemaakt van hoogfrequente trillingen die de interactie tussen het gereedschap en het werkstuk verbeteren. Deze techniek leidt vaak tot een afname van de snijkrachten, een verbetering van de materiaaleigenschappen en een hogere productkwaliteit. Dit effect wordt steeds duidelijker in de verwerking van SiCp/Al-composieten, waarin SiC-deeltjes in een aluminiummatrix zijn ingebed.

Wanneer er ultrasone trillingen worden toegepast tijdens het frezen, blijkt uit onderzoek dat de wrijvings- en snijtemperaturen aan het gereedschap-werkstukinterface dalen. Dit leidt tot een vermindering van de plastische vervorming, wat de materiaaldichtheid verhoogt en het scheiden van de deeltjes uit de matrix voorkomt. Dit vermindert de kans op poriën die ontstaan door het loskomen van de deeltjes, zoals in het werk van Peng et al. (2014). Tevens wordt de plasticiteit van het materiaal verbeterd, wat resulteert in een gunstigere verwerking van het composietmateriaal.

Bovendien bleek uit experimenten van Zhou et al. (2014) dat de toepassing van ultrasone trillingen de gemiddelde snijkrachten met maar liefst 77,77% tot 88,24% kan verminderen in vergelijking met conventionele verspaningstechnieken. Dit effect wordt verklaard door de verandering in de relatieve positie van de gereedschapsdeeltjes, die de spanningsverdeling binnen het materiaal beïnvloeden. Dit maakt het gemakkelijker om de deeltjes te breken en te verwijderen, wat resulteert in een efficiëntere en minder schadelijke materiaalafname.

In studies waarbij ultrasone trilling in frezen werd toegepast, zoals door Wang et al. (2016), werd ook aangetoond dat het verhogen van de rotatiesnelheid kan leiden tot een vermindering van de freeskrachten. Dit wordt verklaard doordat de verhoogde temperatuur bij hogere snelheden het materiaal verzacht, wat de efficiëntie van het verspanen verhoogt. Echter, dit effect varieert afhankelijk van de gebruikte parameters en de specifieke eigenschappen van het materiaal.

De invloed van de amplitude van de ultrasone trillingen op de snijkrachten is eveneens een belangrijk onderzoeksgebied. Wang et al. (2016) rapporteerden dat hogere amplitudes de snijkrachten verder verminderden. Dit is te danken aan de verhoogde relatieve rotatiesnelheid tussen het gereedschap en het verspaningsproduct, die de wrijving vermindert. Dit bevordert ook een betere vorming van het spaantje, wat op zijn beurt weer de snijkrachten verlaagt.

Op het gebied van slijpen van SiCp/Al-composieten met behulp van ultrasone trillingen, is er nog relatief weinig onderzoek gedaan. Zhou et al. (2017) ontwikkelden echter een slijpkrachtmodel voor het slijpen van SiCp/Al-composieten met ultrasone trillingen en bevestigden dat de slijpkrachten toenemen naarmate de slijpdiepte, breedte en voedsnelheid toenemen. Tegelijkertijd vermindert de slijpkracht naarmate de rotatiesnelheid toeneemt, wat overeenkomt met het gedrag in conventionele slijpprocessen.

De oppervlakteruwheid van SiCp/Al-composieten wordt sterk beïnvloed door de verwerkingsparameters, zoals rotatiesnelheid en snijsnelheid. Bij gebruik van ultrasone trillingen blijkt dat de oppervlakteruwheid in veel gevallen afneemt bij hogere rotatiesnelheden, vooral wanneer de rotatiesnelheid onder de 300 rpm ligt. Dit fenomeen wordt verklaard door de plastische vervorming die optreedt bij hogere snelheden, wat het materiaal makkelijker afvoert en de oppervlakteruwheid verbetert.

Zhou et al. (2014) vonden echter een omgekeerde trend tussen de 300 en 900 rpm, waarbij de oppervlakteruwheid juist toeneemt door de verslechtering van het materiaaloppervlak. Bij snelheden boven de 1000 rpm daalt de ruwheid weer, wat wijst op een dynamisch effect van de ultrasone trillingen op de materiaalafname en het reduceren van de oppervlaktedefecten zoals putjes en krassen. Dit werd ook bevestigd in het werk van Wang et al. (2015), die het gebruik van diamantgereedschappen in combinatie met ultrasone trillingen onderzocht voor SiCp/Al6061.

Hoewel het gebruik van ultrasone trillingen aanzienlijke voordelen biedt, zoals een lager energieverbruik, verbeterde oppervlaktekwaliteit en een langere levensduur van gereedschappen, zijn er belangrijke overwegingen voor de lezer. Het is essentieel om te begrijpen dat de toepassing van deze technologie afhankelijk is van het specifieke composietmateriaal, de gebruikte verwerkingsparameters en de gereedschapskeuze. Er is geen eenduidige oplossing die voor alle toepassingen optimaal is. Het experimenteren met verschillende instellingen is cruciaal om de beste resultaten te behalen. Verder is het belangrijk te realiseren dat, hoewel de snijkrachten verminderd worden, dit niet noodzakelijk betekent dat de efficiëntie altijd toeneemt. In sommige gevallen kunnen andere factoren, zoals de mate van slijtage van gereedschappen of de belasting op de machines, invloed hebben op de algehele prestaties van het verwerkingsproces.

Wat is de invloed van gereedschapsgeometrie en smeermiddelen op de bewerkingsprestatie van SiCp/Al-composieten?

Bij het bewerken van metalen matrixcomposieten, zoals SiCp/Al-composieten, zijn de gereedschapsgeometrie en de gebruikte smeermiddelen cruciaal voor het verkrijgen van een hoge bewerkingskwaliteit. Het succes van het verspanen van deze geavanceerde materialen hangt sterk af van het juiste gebruik van gereedschapsontwerpen, zoals het snijdgereedschap met de juiste geometrische eigenschappen, en de toepassing van geschikte smeermiddelen. De keuze van smeermiddel is hierbij bijzonder belangrijk, aangezien deze niet alleen de wrijvings- en slijtageomstandigheden beïnvloedt, maar ook de afwerking van het bewerkte oppervlak.

De geometrie van het gereedschap, met name de hoek van de snijkant en het radiusprofiel van de gereedschapsneus, heeft invloed op de manier waarop de gereedschappen de harde deeltjes in het composiet kunnen verwerken. Studies tonen aan dat gereedschappen met een kleine snijkantradius of met een speciaal gevormde punt effectiever zijn in het minimaliseren van de slijtage en het behouden van een hoge nauwkeurigheid in de bewerking. Het optimaliseren van de gereedschapsgeometrie kan bijvoorbeeld helpen om de effecten van edge-defecten en materiaalbeschadiging te minimal

Wat zijn de effecten van verschillende smeermethoden op de bewerkingsresultaten?

De ontwikkeling van nieuwe smeermethoden speelt een cruciale rol in de verbetering van de productiviteit en duurzaamheid van bewerkingsprocessen. In recente jaren is er veel aandacht gegaan naar de toepassing van minimaal smeermiddelen, zoals Graphene Minimum Quantity Lubrication (GMQL) en Pure Minimum Quantity Lubrication (PMQL), in de industrie. Deze benaderingen verschillen aanzienlijk van de traditionele methoden, zoals koelvloeistoffen in grotere hoeveelheden, die vaak gepaard gaan met problemen zoals overmatige afvoer van smeermiddel en de milieu-impact van het gebruik ervan.

Een andere benadering is het gebruik van synthetische koelvloeistoffen in plaats van oliegebaseerde middelen, wat verschillende voordelen met zich meebrengt. Synthetische vloeistoffen hebben vaak lagere viscositeit en minder neiging tot schuimen, wat de effectiviteit van de koeling verhoogt en de belasting op het gereedschap vermindert. Toch wordt de volledige effectiviteit van dergelijke koelvloeistoffen vaak afhankelijk van de concentratie van de gebruikte deeltjes en de mate van interactie tussen het gereedschap en het materiaal.

Minimale hoeveelheid smeermiddelen (MQL), een technologie die gericht is op het toedienen van kleine hoeveelheden smeermiddel, heeft in verscheidene industriële toepassingen zijn effectiviteit bewezen. Bij deze techniek wordt de juiste concentratie van het smeermiddel zorgvuldig gecontroleerd, wat leidt tot minder verspilling en een gerichte toepassing op de contactzones tussen gereedschap en werkstuk. Bij het gebruik van deze technologie kan de concentratie van het smeermiddel variëren van een zeer lage concentratie bij PMQL tot een matige tot hoge concentratie bij GMQL, afhankelijk van de specifieke toepassing.

Deze verschillende benaderingen kunnen echter worden beïnvloed door de omstandigheden van het bewerkingsproces. Onder verschillende werkcondities kunnen de resultaten sterk variëren. De invloed van de temperatuur, de snelheid van de verwerking, en de gebruikte materialen kunnen allemaal bijdragen aan een aanzienlijke variatie in de prestaties van de smeermethoden. Er zijn voorbeelden waar een lage concentratie van GMQL betere prestaties heeft dan PMQL, terwijl in andere gevallen een hogere concentratie van grafenen of synthetische oliën effectiever is.

Voor het begrijpen van de effecten van deze methoden is het cruciaal dat de bewerker zich bewust is van de variabelen die de prestaties van de smeermiddelen kunnen beïnvloeden, zoals de invloed van magnetische velden op ferrofluïden. Magnetische smeermiddelen worden steeds populairder vanwege hun vermogen om de wrijving en slijtage te verminderen onder invloed van een extern magnetisch veld. Dit maakt ze uitermate geschikt voor toepassingen in welke de controle over de smering onder verschillende bedrijfsomstandigheden van groot belang is.

Het is ook essentieel om te realiseren dat, naast de keuze van het smeermiddel zelf, de mate van interactie met het gereedschap en het werkstuk het succes van het proces sterk beïnvloedt. Fysisch-chemische eigenschappen zoals oppervlakte-ruwheid, viscositeit en magnetische eigenschappen kunnen de prestaties van zowel klassieke als nieuwe smeermethoden aanzienlijk beïnvloeden. Daarom moet elke keuze van een smeermiddel worden afgestemd op de specifieke eisen van het productieproces, het materiaal dat bewerkt wordt, en de vereisten van het gereedschap.

Naast deze technische overwegingen is het ook belangrijk te erkennen dat er een constante ontwikkeling plaatsvindt in de materiaaltechnologie van de smeermiddelen. De introductie van biolubricants, die uit biologisch afbreekbare stoffen bestaan, en de doorbraak van nanotechnologie in smeermiddelen, vormen een belangrijke stap in de richting van duurzamere productiemethoden. Deze innovaties bieden de mogelijkheid om de prestatie-eigenschappen van traditionele smeermiddelen te verbeteren en tegelijkertijd het milieu te ontzien.