Hoe beïnvloedt de smering en het magnetische veld de slijpprestaties bij MQL slijpen?

Bij het slijpen van materialen met een hoge hardheid en sterkte, zoals CBN en diamant, is het proces van koel- en smeermiddelentransport cruciaal voor de prestaties en het eindresultaat. De klassieke benadering van koelen en smeren bij slijpen maakt gebruik van een constante toevoer van koelvloeistof onder hoge druk, wat zorgt voor een sterke infiltratie-energie. Bij Minimum Quantity Lubrication (MQL), daarentegen, wordt de smering in de slijpzone gebracht door middel van een luchtstraal die de vloeistof verstuift. Door de afname van kinetische energie in de straal is de infiltratiecapaciteit bij MQL echter relatief laag.

Het transport van smeermiddelen in de slijpzone wordt gedreven door het capillaire infiltratiemechanisme, dat al eerder door onderzoekers zoals Tang werd beschreven. Tang stelde een wiskundig model voor de diepte van smeermiddelinfiltratie op basis van de oppervlaktespanning en de initiële kinetische energie van het smeermiddel, maar dit negeerde de snelheid van de draaiende slijpschijf. In dit onderzoek wordt daarom een nieuw model gepresenteerd, waarin de invloed van de snelheid van de slijpschijf en de sterkte van het magnetische veld op de transportsnelheid en het debiet van het smeermiddel in de slijpzone wordt meegenomen.

De snelheid en het debiet van het smeermiddel in de slijpzone zijn afhankelijk van de dynamische viscositeit van het smeermiddel, de druk en de snelheidsverhouding van de interfaces. Een complex model dat rekening houdt met deze variabelen stelt ons in staat om de prestaties van het slijpen met MQL te voorspellen en te verbeteren, door de invloed van het magnetische veld en de slijpschijfsnelheid op het proces te analyseren. De resultaten uit experimenten bevestigen de geldigheid van dit model, waardoor het een nuttig instrument is voor het optimaliseren van het slijpen van moeilijk te bewerken materialen.

In de praktijk betekent dit dat de prestaties van het slijpproces sterk afhankelijk zijn van de manier waarop het smeermiddel zich gedraagt in de microscopische ruimte tussen de slijpschijf en het werkstuk. De combinatie van MQL-technologie met magnetisch assistent slijpen kan aanzienlijke voordelen bieden, zoals een betere controle over de smering en koeling, wat resulteert in een verbeterde slijpsnelheid en een lagere slijtage van de slijpschijf. Dit draagt bij aan de duurzaamheid van zowel het gereedschap als het werkstuk, en kan de algehele efficiëntie van het productieproces verbeteren.

Het begrip van deze fysieke mechanismen is essentieel voor een dieper inzicht in hoe verschillende variabelen zoals slippage, viscositeit, en de interactie tussen het smeermiddel en de werkstukmaterialen de slijpprestaties beïnvloeden. Bij het ontwerp en de uitvoering van slijpprocessen moet er rekening mee worden gehouden dat de eigenschappen van het smeermiddel zelf, evenals de omstandigheden waarin het smeermiddel wordt toegepast, directe invloed hebben op het eindresultaat van het slijpen.

Wat is de invloed van koeling en smering op de slijtage van frezen en oppervlaktekwaliteit tijdens het frezen van titaniumlegeringen?

Bij het frezen van titaniumlegeringen is de slijtage van het gereedschap nauw verwant aan de gebruiksomstandigheden van de koeling en smering. Aangezien titaniumlegeringen, zoals Ti–6Al–4V, bekend staan om hun moeilijk te bewerken eigenschappen, is het essentieel om effectieve koeling- en smeringsstrategieën te implementeren om de slijtage van het gereedschap te verminderen en de oppervlakteruwheid van het werkstuk te verbeteren.

Onderzoek heeft aangetoond dat het gebruik van microtextuur gereedschappen in combinatie met koelvloeistoffen die nano-deeltjes bevatten, zoals Fe₃O₄ deeltjes, een significante vermindering van de gereedschapsslijtage kan bewerkstelligen. Zo werd er bij het frezen van Ti–6Al–4V ELI een 63,3% reductie in slijtage waargenomen ten opzichte van traditionele koeling met microtextuur gereedschappen. Dit komt doordat de nano-deeltjes in de smeervloeistof de wrijving verminderen tussen het gereedschap en het werkstuk, wat resulteert in minder slijtage.

Daarnaast heeft het gebruik van koperoxide (CuO) NPEC's (nano-partikel verbeterde koelvloeistoffen) in combinatie met zowel PVD-gecoate (AlTiN/TiAlN) als ongecoate WC microfrezen geleid tot een duidelijke vermindering van de gereedschapsslijtage. Het CuO NPEC verbeterde niet alleen de levensduur van het gereedschap, maar ook de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk door de vorming van een beschermend smeerfilmpje tussen het gereedschap en het werkstuk.

Interessant is dat de toepassing van koolstof nanobuisjes (MWCNT) in Al₂O₃ NPEC's ook de gereedschapsslijtage reduceerde door de wrijving tussen de snijkant en het werkstuk te verlagen, wat resulteerde in een hogere gereedschapslevensduur en een verbeterde oppervlaktekwaliteit. Het gebruik van koeling met kooldioxide (CO₂) gas in combinatie met NPEC's verminderde ook de slijtage van de frezen, met name bij lage concentraties van NPEC (0,1 wt%), terwijl hogere concentraties het effect omkeerden en juist bijdroegen aan een verhoogde slijtage van het gereedschap.

In vergelijking met droogsmeren, waar de slijtage aanzienlijk hoger was (tot wel 187 μm in breedte), reduceerden gas- en nano-enhanced koelsystemen zoals PMQL en GNP NPEC de slijtage van het gereedschap aanzienlijk. Onder GNP NPEC-omstandigheden werd de slijtage met maar liefst 31,02% gereduceerd ten opzichte van droogsmeren, en de levensduur van het gereedschap werd met 77,78% verlengd ten opzichte van droogsmeren, en 33,34% in vergelijking met PMQL-omstandigheden.

De oppervlaktekwaliteit van het werkstuk wordt sterk beïnvloed door de gebruikte koel- en smeermethoden. Bij frezen van titaniumlegeringen resulteerde het gebruik van NPEC's in een merkbare verlaging van de oppervlakteruwheid. Onder droge omstandigheden was de maximale oppervlakteruwheid 0,653 μm, terwijl de ruwe oppervlakken onder gas, PMQL en GNP NPEC respectievelijk 0,647, 0,425 en 0,311 μm waren. Het gebruik van GNP NPEC's zorgde voor een vermindering van de oppervlakteruwheid met 52,37% ten opzichte van droogsmeren, en 17,45% ten opzichte van PMQL. Dit wordt mogelijk gemaakt door het verbeterde tribologische gedrag van de NPEC's, die de koelefficiëntie van de smeerfilm verbeteren, waardoor de werkstukoppervlakte beter wordt beschermd tegen schade zoals adhesie, kraters en diepe groeven.

Het is belangrijk te benadrukken dat de effectiviteit van nano-enhanced koelvloeistoffen niet alleen afhangt van het type gebruikte nano-deeltjes, maar ook van de specifieke eigenschappen van het gereedschap en het type werkstukmateriaal. In het geval van titaniumlegeringen, waar een hoge slijtvastheid vereist is, kunnen de juiste combinatie van gereedschapscoating en NPEC-koeling het verschil maken in zowel gereedschapslevensduur als oppervlaktekwaliteit.