Magnetische lubricanten zijn de laatste jaren steeds relevanter geworden binnen diverse industriële toepassingen, dankzij hun uitzonderlijke eigenschappen zoals lage viscositeit, hoge weerstand tegen slijtage en verbeterde prestaties onder moeilijke omgevingsomstandigheden. Deze innovatieve technologie, die traditionele smeermiddelen zoals olie en vetten vervangt, biedt een veelbelovend alternatief in toepassingen die strikte schoonheids- en prestatie-eisen stellen.

Een voorbeeld hiervan is het magnetische rollende lager ontwikkeld door Wang [217], speciaal ontworpen voor omgevingen die hoge normen voor netheid vereisen. Dit model maakt gebruik van een combinatie van radiale magneten en draaiende magnetische smeermiddelafdichtingen als vervangingen voor de rubberen afdichtingen in traditionele rollagers. Emissietests voor deeltjes bevestigden de milieuvriendelijkheid van dit systeem, waarbij het aantal deeltjes per liter varieerde van 10 tot 102, wat de effectiviteit van het stofpreventiesysteem aantoont. Deze innovaties dragen bij aan schonere productieprocessen en een lagere impact op het milieu, zonder concessies te doen aan de prestaties.

Daarnaast heeft Hou [218] gebruik gemaakt van magnetische vloeistoflagers om de tribologische eigenschappen van magnetische smering in de interface tussen vaste stoffen en vloeistoffen te onderzoeken. De magnetische vloeistof werd gecontroleerd binnen het smeergebied door middel van een magnetisch veld dat werd gegenereerd door een magnetisch veldgenerator. Dit resulteerde in een geordende opstelling van magnetische deeltjes die zich richtten volgens de richting van het magnetische veld. De experimentele resultaten toonden aan dat de minimale wrijvingscoëfficiënt werd bereikt bij een belasting van 50 N en een massa-fractie van 0,4%, waarbij een waarde van 0,057 werd bereikt. Dit was een verbetering van 28% ten opzichte van olie-smering onder dezelfde omstandigheden. Dit benadrukt de potentie van magnetische smeermiddelen om de efficiëntie van industriële systemen te verbeteren, vooral bij zware belastingen.

Het ontwerp van Xu [219] breidt deze technologie verder uit met een nieuw type magnetische smering en afdichting, gebaseerd op een duwkogellager. Dit ontwerp vormde een gesloten magnetisch circuit in het contactgebied van het lager en behaalde een piek in de magnetische fluxdichtheid, wat resulteerde in langdurige smeringscapaciteiten. Vergeleken met traditionele diësters werd de levensduur verlengd tot 8,9 × 103 seconden, wat de effectiviteit van dit systeem in kritieke toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart of zware industrieën bevestigt. Het magnetische circuitsysteem zorgt ook voor zelfafdichting en vertoont uitstekende antiwrijvings- en slijtweerstand.

Een ander belangrijk aspect van magnetische lubricanten is hun rol in niet-contact afdichtingsstructuren. Fan et al. [220] stelden een niet-contact magnetische smeermiddelafdichtingsstructuur voor die gebruik maakt van magnetische smeermiddelen als smeermedium. Dit ontwerp maakt gebruik van een elektromagnetisch veldgenerator die de intensiteit van het magnetische veld aanpast via de stroomregeling. De magnetische deeltjes vormen een keten in de richting van het magnetische veld, wat weerstand biedt tegen schuifkrachten. Het verhoogde vloeistofviscositeit, die positief correleert met de intensiteit van het magnetische veld, verbetert de draagcapaciteit van de vloeistoffilm. Dit innovatieve ontwerp combineert op effectieve wijze magnetische smering met een elektromagnetisch veld en toont aan dat de optimale werking kan worden bereikt bij een stroomsterkte van 1,5 en een stroomdichtheid van 6 × 106 A/m2.

Magnetische smeermiddelen vinden ook toepassingen in transport- en transportgerelateerde systemen. Het idler-rolontwerp, voorgesteld door Xu et al. [221], maakt gebruik van magnetische nanovloeistofafdichting en smering, wat zorgt voor betrouwbare afdichting en minimale rotatieweerstand. In tegenstelling tot traditionele afdichtingsmethoden vertoont dit systeem een aanzienlijk langere werkduur en hogere betrouwbaarheid. In omgevingen zoals kolenmijnen, waar de belt conveyors gevoelig zijn voor storingen, is dit systeem effectief gebleken door het vervangen van labyrintafdichtingen door magnetische smeermiddelafdichtingen.

De toepassing van magnetische smeermiddelen wordt verder uitgebreid in de werelden van warmteoverdracht en thermisch beheer. Shi et al. [210] presenteerden een methode waarbij magnetische smeermiddelen worden gebruikt om de warmteoverdracht te verbeteren. Onder invloed van een magnetisch veld vormen magnetische deeltjes ketens die de doorstroming verbeteren, wat resulteert in een versterkte warmteoverdracht. Dit is een belangrijke stap in de ontwikkeling van efficiënte koelmethoden, vooral in elektronische systemen die oververhitting kunnen ervaren. De toepassing van magnetische smeermiddelen in dit kader kan bijdragen aan de bescherming tegen oververhitting en de algehele prestaties van elektronische componenten verbeteren.

De vooruitgang in magnetische smeermiddelen heeft ook implicaties voor de spoorwegindustrie. Li et al. [211] ontwikkelden een driedimensionaal model van een magnetisch smeermiddel lager dat rekening hield met de excentriciteit, specifiek gericht op het ontwerp van tractiemotoren voor hogesnelheidstreinen. De lage wrijvingscoëfficiënt van magnetische smeermiddelen resulteert in minder warmteproductie, terwijl de aanwezigheid van het magnetische veld de draagcapaciteit verhoogt. Hierdoor zijn magnetische smeermiddel lagers uitstekend geschikt voor gebruik in tractiemotoren van hogesnelheidstreinen, waar hoge snelheden en zware belastingen het smeersysteem onder grote druk zetten.

Naast de vooruitgangen op het gebied van technologie en toepassingen, is het belangrijk om te begrijpen dat de keuze van materialen voor magnetische smeermiddelen cruciaal is. De samenstelling, voorbereiding en stabiliteit van de gebruikte deeltjes, zoals Ni0.5Zn0.5Fe2O4, kunnen het gedrag van magnetische smeermiddelen aanzienlijk beïnvloeden. Ook de keuze van basisvloeistoffen, zoals glycerine of sojaboonolie, heeft invloed op de prestatiekenmerken van het systeem. Dit maakt de ontwikkeling van magnetische smeermiddelen een interdisciplinair proces waarbij chemie, fysica en engineering samenkomen om betrouwbare, duurzame en milieuvriendelijke oplossingen te bieden voor de industriële sector.

Wat zijn de voordelen van nano-biobewerkingsvloeistoffen in de verspaning?

Bij verspanen heeft de keuze van de smeermiddelen en hun leveringsmethoden invloed op de prestaties van het bewerkingsproces. Het gebruik van biobewerkingsvloeistoffen, in combinatie met technieken zoals Minimum Quantity Lubrication (MQL), biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele natte bewerking met minerale snijvloeistoffen. Deze benaderingen spelen een cruciale rol in het verbeteren van de bewerkingskwaliteit, het verminderen van wrijving, het verbeteren van de hittegeleiding en het minimaliseren van slijtage van gereedschappen.

Toolslijtage is een van de belangrijkste factoren die de efficiëntie van verspaning beïnvloedt. Het heeft direct invloed op de snijkrachten, snijketemperaturen en de oppervlakte-integriteit van het werkstuk. Het verminderen van gereedschapsverslijtage kan de productiekosten verlagen, de productkwaliteit verbeteren en de levensduur van gereedschappen aanzienlijk verlengen. Bij het verspanen van AISI 4140 toonde een experimentele analyse aan dat het gebruik van MQL bij bewerking de snijkrachten verlaagde, de interactie tussen de zaagsel en het gereedschap verbeterde, de scherpte van de snijkant behield en de snijketemperaturen verlaagde. Dit werd als superieur beoordeeld in vergelijking met zowel droge als natte bewerking. Dit is mogelijk dankzij de effectiviteit van biolubricanten in combinatie met MQL-technologieën, die voor betere smering zorgen, de warmtebeheer verbeteren en tegelijkertijd milieuvoordelen bieden.

Khan et al. ontdekten dat het verspanen van biolubricant-gebaseerde MQL aanzienlijk minder gereedschapsverslijtage vertoonde dan zowel natte als droge verspaning. Biolubricanten op basis van plantaardige oliën vertoonden uitstekende eigenschappen op het gebied van warmteoverdracht en smering, wat de ontwikkeling van slijtage op zowel de hoofd- als de hulpsnijkanten verminderde. Bovendien zorgden de uitstekende anti-wrijving en anti-slijtage eigenschappen van nano-biobewerkingsvloeistoffen voor een aanzienlijke verlaging van de snijkrachten en een betere bescherming tegen gereedschapsafbraak. In sommige experimenten was de flankslijtage het laagst bij gebruik van nano-biobewerkingsvloeistoffen, wat werd toegeschreven aan hun uitstekende eigenschappen om wrijving en slijtage te verminderen.

Ook de toepassing van hybride nanodeeltjes, zoals MoS2 en Al2O3, in biolubricanten, blijkt de slijtage van gereedschappen verder te verminderen, terwijl ze tegelijkertijd de oppervlaktekwaliteit van bewerkte materialen verbeteren. Zo werd aangetoond dat MoS2 nanodeeltjes de oppervlakte-afwerking van titaniumlegering Ti–6Al–4V verbeterden met een afname van de oppervlakteruwheid van 40,67% vergeleken met droge verspaning, en van 10,3% vergeleken met pure biolubricanten. Sferische nanodeeltjes, zoals Al2O3, vertoonden de beste oppervlaktekwaliteit, terwijl een te hoge concentratie van nanodeeltjes juist het tegenovergestelde effect kan hebben. Nanodeeltjes kunnen zich aggregeren, waardoor lokale stressconcentraties ontstaan die de slijtage verhogen en de oppervlaktekwaliteit verslechteren.

In het geval van moeilijk te bewerken materialen, zoals titaniumlegeringen en nikkel-gebaseerde legeringen (bijvoorbeeld Inconel-718), toont het gebruik van nano-biobewerkingsvloeistoffen duidelijke voordelen. Nano-biobewerkingsvloeistoffen helpen niet alleen de wrijving te verminderen, maar verbeteren ook de stabiliteit van het slijpgereedschap, wat leidt tot een langere levensduur en betere efficiëntie in de bewerking. Een studie naar het slijpen van Inconel-718 met MQL toont aan dat de G-ratio van de slijpschijf, een maat voor slijtage, vergelijkbaar was met nat slijpen, maar onder hogere drukomstandigheden zelfs superieur.

Bovendien dragen de uitstekende eigenschappen van nano-biobewerkingsvloeistoffen bij aan een betere oppervlaktekwaliteit, wat belangrijk is voor zowel de levensduur als de werking van bewerkte onderdelen. Het gebruik van nano-biobewerkingsvloeistoffen resulteerde in een aanzienlijke verbetering van de afwerkingskwaliteit bij het slijpen van AISI 1045, waarbij de oppervlakteruwheid Ra tot wel 115,63% werd verminderd in vergelijking met traditionele natte bewerking. Dit effect wordt toegeschreven aan de filmvormende en warmteoverdrachtskenmerken van de nano-biobewerkingsvloeistoffen, die de wrijving in de bewerkingszone verder verminderen.

Er moet echter worden opgemerkt dat, hoewel nano-biobewerkingsvloeistoffen een uitstekende prestatie leveren, de keuze van de juiste nanodeeltjes cruciaal is voor het behalen van de gewenste resultaten. Elk type nanodeeltje heeft zijn eigen effect op de oppervlaktekwaliteit, en het is essentieel om de juiste balans te vinden tussen de concentratie van nanodeeltjes en de bewerkingsomstandigheden. Dit geldt vooral bij het slijpen van materialen zoals gehard staal of nikkel-legeringen, waarbij het gebruik van de verkeerde nanopartikels de oppervlaktekwaliteit kan verminderen.

De toepassing van nano-biobewerkingsvloeistoffen heeft niet alleen invloed op de bewerkingsresultaten, maar biedt ook milieuvoordelen door het gebruik van hernieuwbare en biologisch afbreekbare materialen. Dit is een belangrijk aspect, aangezien de milieu-impact van industriële processen steeds meer in de belangstelling staat.

Hoe Biolubricanten de Bewerkingseigenschappen van Lastige Materialen Verbeteren

De bewerking van moeilijk te verspanen materialen, zoals nikkel-gebaseerde legeringen en hoogsterkte staal, vormt een aanzienlijke uitdaging in de industrie. Een belangrijk aspect van het verbeteren van de verspaning van deze materialen is de keuze van de smeermiddelen en hun invloed op de wrijving, slijtage en de algehele kwaliteit van het bewerkte oppervlak. Biolubricanten, die vaak op basis van plantaardige oliën zijn samengesteld, hebben zich als een veelbelovende oplossing gepositioneerd. Onder verschillende omstandigheden, zoals gesmeerde en droog gesmeerde bewerking, tonen deze smeermiddelen significante verbeteringen in de bewerkingsresultaten, hoewel ze niet zonder beperkingen zijn.

Bij het slijpen van moeilijk te bewerken materialen, zoals nikkel-gebaseerde legeringen, wordt vaak geconfronteerd met uitdagingen als hoge wrijvingskrachten, slijtage van het gereedschap en slechte oppervlaktestructuren. Wanneer conventionele smering wordt gebruikt, zoals overstromingssmering, komen er ernstige problemen naar voren, zoals het optreden van ploughing (ploegen), adhesie en verhoogde wrijvingskrachten, die de oppervlaktekwaliteit verder verslechteren. Onder ideale omstandigheden, bijvoorbeeld bij het gebruik van biolubricanten zoals plantaardige oliën, kan echter een verbetering van de oppervlaktekwaliteit worden waargenomen. Dit is te danken aan de langzamere viscositeitsdaling van plantaardige oliën in vergelijking met minerale oliën bij hogere temperaturen, wat zorgt voor een stabielere smering binnen het operationele temperatuurbereik.

Het gebruik van biolubricanten kan ook de vorming van een smeerfilm op het oppervlak van het werkstuk bevorderen, wat de wrijving verder vermindert. In een onderzoek naar het slijpen van Inconel 718 met sojaolie in combinatie met Al2O3-nanodeeltjes, werd de aanwezigheid van een olieachtige smeerfilm op het werkstukoppervlak aangetoond, die ontstond door chemische reacties. Deze film fungeerde effectief als smeermiddel tijdens het slijpproces, waardoor de wrijving en slijtage werden verminderd.

Naast de voordelen voor de oppervlaktekwaliteit, moeten biolubricanten voldoen aan specifieke vereisten om effectief te zijn in uitdagende verspaningsomstandigheden. De basisolie van een biolubricant moet bijvoorbeeld een hoge viscositeit, verzadiging van vetzuren en polariteit bezitten. Dit draagt bij aan de vorming van een sterke smeerfilm door adsorptie, wat essentieel is voor het verminderen van wrijving en slijtage, vooral bij de bewerking van hardere materialen zoals nikkel-gebaseerde legeringen. Daarnaast spelen nanodeeltjes zoals Al2O3 een belangrijke rol bij het verbeteren van de antiwrijvingseigenschappen, doordat ze door hun hoge hardheid en bolvormig karakter zorgen voor rolweerstand en slijtvastheid op de bewerkingsinterfaces.

Bij het slijpen van materialen zoals nikkel-gebaseerde legeringen komt de slijtage van het gereedschap vaak door de hoge hardheid van deze legeringen. Deze materialen, zoals superlegeringen, kunnen hardheden bereiken van ongeveer 100 HRC, wat drie tot vijf keer harder is dan titaniumlegeringen of hoogsterkte staalsoorten. Dit verhoogt de slijtage van het slijpwiel en verhoogt de mechanische en thermische belasting tijdens de bewerking. Daarnaast zorgt de interactie tussen de harde fasen in het materiaal en het slijpgereedschap voor een verslechtering van de slijtage. Daarom is er meer nadruk komen te liggen op de slijtage van het slijpgereedschap en de zogenaamde G-ratio (de verhouding tussen de verwijderde hoeveelheid materiaal en de slijtage van het slijpwiel).

Bij het slijpen van nikkel-gebaseerde legeringen worden ook vaak brandplekken op het oppervlak waargenomen, wat te wijten is aan de lage thermische geleidbaarheid van het materiaal. Bij een temperatuur van 100°C heeft nikkel-gebaseerde legering een thermische geleidbaarheid van slechts 14,7 W/m·K, wat aanzienlijk lager is dan bijvoorbeeld hoogsterkte staal of titaniumlegeringen. Ondanks dat deze waarde hoger is dan die van titaniumlegeringen, leidt de beperkte thermische geleidbaarheid nog steeds tot problemen zoals brandplekken, groeven en plastische ophoping op het oppervlak van het werkstuk. Dit maakt het noodzakelijk dat smeermiddelen niet alleen slijtvast zijn, maar ook voldoende warmteoverdrachtscapaciteit bezitten om de opwarming van het werkstuk te voorkomen en de verspaningsefficiëntie te verbeteren.

Het gebruik van biolubricanten in combinatie met nanodeeltjes kan bijdragen aan het optimaliseren van de thermische prestaties van de smeermiddelen. Voorbeelden hiervan zijn nanodeeltjes zoals koolstofnanobuizen (CNTs) en siliciumcarbide (SiC), die een hogere thermische geleidbaarheid hebben en kunnen helpen de opwarming van het werkstuk te verminderen. Dit kan brandplekken voorkomen en tegelijkertijd de wrijvingskracht verder verminderen.

Hoewel de resultaten van experimenten met biolubricanten veelbelovend zijn, moeten we ook de limieten van deze benadering begrijpen. Biolubricanten kunnen de oppervlaktekwaliteit verbeteren en de slijtage van het gereedschap verminderen, maar ze bieden mogelijk niet altijd dezelfde prestaties als synthetische smeermiddelen in extreme bewerkingsomstandigheden. Het gebruik van biolubricanten kan ook leiden tot lichte ophoping van materiaal en de vorming van slijtagelijnen door de ophoping van slijpmateriaal. Het is belangrijk te erkennen dat de effectiviteit van biolubricanten sterk afhankelijk is van de specifieke bewerkingsomstandigheden, zoals de temperatuur, het type materiaal en de snijsnelheid.

In conclusie, het gebruik van biolubricanten in de verspaning van moeilijk te bewerken materialen kan aanzienlijke voordelen opleveren op het gebied van gereedschapsslijtage, oppervlaktekwaliteit en frictie. Hoewel er nog uitdagingen zijn met betrekking tot de effectiviteit in verschillende bewerkingsomstandigheden, biedt deze technologie een veelbelovende weg naar duurzamere en efficiëntere bewerkingsprocessen, vooral wanneer er aandacht wordt besteed aan de selectie van geschikte smeermiddelen en nanodeeltjes.

Hoe kan de toepassing van groene technologieën in snijvloeistoffen bijdragen aan duurzamer productieproces?

In de context van moderne bewerkingen en industriële processen wordt het gebruik van snijvloeistoffen niet alleen gezien als een manier om de gereedschapslast te verlichten, maar ook als een noodzakelijke voorwaarde voor het verkrijgen van de gewenste oppervlaktereinigheid van werkstukken. De keuze van het type snijvloeistof, en de thermisch-mechanische respons van de niet-klassieke koelmethoden zoals NMQL (Nanofluid Minimum Quantity Lubrication), heeft een diepgaande invloed op zowel de gereedschapslijtage als de uiteindelijke kwaliteit van het verwerkte materiaal. In dit kader is het essentieel om de effecten van verschillende smeermethoden te begrijpen en tegelijkertijd nieuwe, ecologisch verantwoorde alternatieven te onderzoeken.

Het gebruik van niet-klassieke koelmethoden zoals NMQL biedt voordelen die niet alleen bijdragen aan een vermindering van de gereedschapslijtage, maar ook aan het bereiken van een betere oppervlaktereinigheid van het werkstuk. Bij hogere snijsnelheden en voedingen blijkt uit onderzoek dat de slijtage van het gereedschap aanzienlijk sneller afneemt wanneer nanodeeltjes in de snijvloeistof worden verwerkt. Deze nanodeeltjes helpen niet alleen bij de smering door hun rol als beschermende en herstellende films, maar verbeteren ook de afwerkingsprocessen door het polijstend effect dat zij op het werkstuk kunnen uitoefenen.

Daarnaast heeft de ontwikkeling van ecologische, circulaire reinigingstechnologieën voor snijvloeistoffen, die gericht zijn op de vermindering van schadelijke additieven en het gebruik van biologisch afbreekbare plantaardige oliën als basisvloeistoffen, steeds meer aandacht gekregen. Ondanks de vooruitgang in de afbreekbaarheid van moderne eco-vriendelijke snijvloeistoffen, bevatten deze nog steeds stoffen die schadelijk kunnen zijn voor zowel organismen als het milieu. Specifiek, de aanwezigheid van koolstof, waterstof en zuurstof in deze vloeistoffen kan bacteriegroei bevorderen, wat niet alleen een risico vormt voor de gezondheid van de werknemers, maar ook voor de ecologische balans wanneer deze afvalstoffen verkeerd worden gedumpt.

Wanneer snijvloeistoffen in het milieu terechtkomen, gebeurt dit vaak in de vorm van olie mist of door direct lozen na een basale reiniging via een recyclesysteem. De olie mist, die kan ontstaan door de verdamping en condensatie van de vloeistof tijdens de bewerking, is schadelijk voor de luchtkwaliteit in werkruimtes. Het inademen van olie mist vormt lange-termijngezondheidsrisico’s voor de werknemers, wat benadrukt dat er efficiënte methoden voor de behandeling van olie mist noodzakelijk zijn. Mechanische en chemische methoden voor het verminderen van olie mist blijken effectief te zijn in het verminderen van de concentratie olie mist in werkruimtes. Mechanische systemen maken gebruik van ventilatoren, filters en oliedampvangers, en hebben bewezen eenvoudig te implementeren en zeer efficiënt te zijn, hoewel de installatie- en onderhoudskosten van dergelijke systemen hoog kunnen zijn.

Het is essentieel om te begrijpen dat het proces van circulaire reiniging van snijvloeistoffen niet alleen gericht moet zijn op de verwijdering van de verontreinigende stoffen die vrijkomen tijdens de bewerking, maar ook op het maximaliseren van de economische voordelen van het terugwinnen van de gebruikte vloeistoffen. De recycling van afvalsnijvloeistoffen moet gebeuren door technologieën die eenvoudig te implementeren zijn en die tegelijkertijd zorgen voor een veilige en duurzame werkomgeving.

In tegenstelling tot mechanische methoden, bieden chemische benaderingen om olie mist te verminderen vaak ook effectievere langetermijnoplossingen voor het voorkomen van luchtverontreiniging, maar ze kunnen een grotere investering in infrastructuur vereisen.

Het belang van het ontwikkelen van dergelijke technologieën en methoden ligt niet alleen in het verbeteren van de werkomstandigheden voor de medewerkers, maar ook in de bredere context van milieubeheer en de verantwoordelijkheden van de industrie om de impact op het milieu te minimaliseren. Innovaties in het ontwerp van gereedschappen, snijvloeistoffen en verwerkingsmethoden kunnen aanzienlijk bijdragen aan de reductie van de ecologische voetafdruk van de productieprocessen.

Hoe beïnvloeden verschillende factoren de prestaties van atleten op de Olympische Spelen?
Wat is de betekenis van oude Engelse runen in het licht van christelijke invloeden?
Waarom de confrontatie met de Pawnees onvermijdelijk was
Wat is de betekenis van de ‘dood-uur’ en hoe beïnvloedt dit het lot van de slachtoffers?