Sustainable machining of difficult-to-cut materials using MQL technique

Abstract

Küresel sanayi eğilimleri talaşlı işlemlerin doğa dostu ve sürdürülebilir imalat açısından kabul edilebilir nitelikte olması yönündedir. Bu bakımdan kesme sıvısı tüketiminin azaltılması statejileri fazlaca ilgi çekici ve zorlu bir araştırma konusu olarak literatürde geniş bir şekilde tartışılagelmektedir. Kesme sıvısı kullanımına alternatif olmak üzere çok sayıda etkin strateji önerilmiştir. En az miktarda yağlama yöntemi çevre dostu ve ekonomik oluşuyla bu yöntemlerden bıri olarak öne çıkmaktadır. Talaşlı işlemlerde en az miktarda yağlama yöntemi uygulamalarındaki yüksek beklentilere karşın, bu yöntemin özellikle Ti alaşımları (Ti 6Al 4V) gibi. işlenmesi zor malzemelerde kullanımında hala çok sayıda kısıtlayıcı bulunmaktadır. En az miktarda yağlama yönteminin bu türlü zor işlem koşullarındaki yetersizliği en kesme sıvılarının az miktarda yağlama uygulamasındaki özelliklerinin iyileştirilmesine odaklanan çeşitli yöntemler üzerinde çalışmalara yol açmıştır. Son yıllarda bu yöndeki çalışmaların çoğunun en az miktarda yağlamada nanoteknoloji kullanımıyla iyileştirme sağlamak üzerine olduğu görülmektedir. Bu çalışmada Ti 6Al 4V malzemenin kanal frezelenmesinde enaz miktarda yağlayıcı sisteminde hegzagonal boron nitrür (hBN) nano parçacıklı kesme sıvısı kullanan doğa dostu yağlama/soğutma stratejisi için özgün bir yaklaşım önerilmektedir. Bu çalışmadaki özgünlük nano akışkan kullanımıyla kesme sıvısının yağlama/soğutma etkinliğini ve enaz miktar yağlayıcı yöntemindeki ısıl iletkenliği artırarak Ti 6Al 4V'nin işlenebilirliğini iyileştirmek yönündedir. Bu amaç doğrultusunda, araştırma özellikle kesme sıvısı içine dağılmış hBN parçacıklarının etkisi üzerine odaklanmaktadır. hBN nano parçacıklı enaz miktar yağlayıcı uygulamasının Ti 6Al 4V malzemenin kanal ferezelenme işlemi üzerindeki etkisinin kapsamlı şekilde anlaşılabilmesi için çok sayıda deney planlanlanarak gerçekleştirilmiş ve hBN parçacıklı enaz miktarda yağlayıcı kullanılarak elde edilen sonuçlar, kesme sıvısı kullanmadan, yüksek debili kesme sıvısı kullanarak ve enaz miktarda yağlayıcı kullanarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Kesme kuvveti (Fc) ve yüzey pürüzlüğü (Ra) ölçüm değerlerinin her biri beş seviyedeen oluşan 5 faktörle: kesme hızı (v), diş başına ilerleme (fn), eksenel kesme derinliği (ap), kesme sıvısı akış hızı (Q) and hBN nano parçacık konsentrasyonu ile değişimini belirlemek üzere Cevap Yüzeyi Metodolojisine dayalı Merkezi Karma Tasarımı kullanılarak deney tasarımı oluşturulmuştur. Cevap Yüzey Metodolojisi kullanılarak deney sonuçlarından oluşturulan ortalama yüzey pürüzlülüğü Ra ve Özgül kesme enerjisi (SEC) için oluşturulan modeller kullanılarak Çok Amaçlı Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) çalışması yapıldı. Çalışma sonuçları tüm çıktıların diş başı ilerleme, eksenelkesme derinliği ve kesme sıvısı akış hızına duyarlı olduğunu göstermiştir. Ancak bu çıktılar kesme hızına duyarlı değildir. Ayrıca, enaz kesme sıvısı (MQL) hBN nano parçacıklarla birlikte uygulandığında kesme kuvveti Fc ve yüzey pürüzlülüğü Ra değerleri azalmıştır. Sonuç olarak, Ti 6Al 4V malzemenin işlenmesinde hBN nano parçacıklarla birlikte enaz kesme sıvısı (MQL) uygulamasının geleneksel akıtma kesme sıvısı uygulamasına etkin bir alternative olduğu belirlenmiştir.

Global industrial trends are leaning towards making machining processes eco friendly and acceptable for sustainable manufacturing. In this regard, reduction strategies for cutting fluid (CF) consumption have been widely discussed in the literature as a highly challenging issue. Numerous effective strategies have been proposed as an alternative to the use of cutting fluids. Minimum quantity lubrication (MQL) is one of them which promises to be both economical and environmentally friendly. Despite the high expectations from MQL applications in machining processes, there is still a number of limitations to MQL application especially in machining difficult-to-cut materials such as titanium alloys (Ti 6Al 4V). Insufficiency of MQL under such extreme conditions has led to other works focusing on exploring different methods to improve the properties of MQL applications of the cutting fluids. In this respect, much effort has been devoted in recent years to achieving an improvement in MQL by adopting nanotechnology. This study proposes a novel approach to an eco-friendly lubrication/cooling strategy by integrating MQL with hexagonal boron nitride (hBN) for use in slot milling of Ti 6Al 4V. The novelty here lies in increasing the lubrication/cooling effect and enhancing the thermal conductivity of the MQL technique by means of nanofluids to improve Ti 6Al 4V machinability. For this purpose, the research specifically focuses on the effects of dispersed hBN into a fatty oil (cutting fluid). Therefore, to build a comprehensive understanding of the effect of using MQL with hBN on responses during the slot milling of Ti 6Al 4V, all results were compared with dry, flood and MQL conditions. Based upon the response surface method (RSM), the central composite design (CCD) has been utilized to create the design of experiments using 5 levels and 5 factors for cutting force (Fc) and surface roughness (Ra) measurements according to combinations of control parameters, i.e., cutting speed (v), feed per tooth (ft), axial depth (ap), flow rate of cutting fluid (Q) and concentrations of hBN (NPs). The study was then focused on a Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) utilizing RSM models in terms of Ra and the specific cutting energy (SEC). The results reveal that all responses are sensitive to changes in the feed per tooth, axial depth of cut and cutting fluid flow rate. However, these responses are not sensitive to changes in the cutting speed. In addition, utilizing MQL with hBN nanoparticles can reduce Fc and Ra. In conclusion, MQL with hBN nanoparticles is found to be an effective alternative technique for conventional flood lubrication when machining Ti 6Al 4V.