Experimental and numerical study of the effects of graphite and copper vegetable based nanofluids in surface integrity of aisi 1045 steel in minimum quantity lubrication grinding process
Bitkisel kaynaklı grafen ve bakır nanosıvılarının, AISI 1045 çeliğinin yüzey bütünlüğü üzerinde minimum miktar yağlama ile taşlama işlemi sırasında olan etkilerinin deneysel ve sayısal incelemesi
- Tez No: 866249
- Danışmanlar: PROF. DR. MOHAMMADREZA SHABGARD
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Farsça
- Üniversite: University of Tabriz
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 204
Özet
Çevre ve ekonomik sorunlar açısından, özellikle taşlama gibi işlemlerde soğutma sıvısının yüksek tüketimi önemli bir endişe kaynağıdır. Önceki araştırmaların sonuçları, minimum miktar yağlama (MQL) tekniğinin sel sıvı soğutma sistemine potansiyel bir alternatif olarak düşünülebileceğini ortaya koymuştur. Bu doğrultuda yapılan araştırmalar, MQL yönteminin başarısında soğutma sıvısının termal iletkenlik artışı ve tribolojik özelliklerinin önemini aydınlatmıştır. Bu alandaki araştırmalar henüz ön aşamalarda olup, yalnızca sınırlı tipteki nanosıvıların taşlanmış parçaların özellikleri üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, elektro deşarj işlemiyle sentezlenen grafik ve bakır oksit nanosıvıların, AISI 1045 çeliğinin MQL taşlama işleminde soğutma sıvısı olarak kullanılmasının özellikleri incelenmiştir. Grafit ve CuO nanosıvıların sentezi için, baz sıvılarda çeşitli nanoparçacık konsantrasyonları elde etmek için üç seviyede elektro deşarj işlem süreleri seçilmiştir. Taşlama deneyleri sırasında, iş parçasının doğrusal hızı ve kesme derinliği için üç seviye ve MQL sisteminin hava akış basıncı için iki seviye incelenmiştir. Ayrıca, dalma elektro deşarj işlemi sırasında deşarj akımı, darbe açma süresi ve baz sıvının tipi ile taşlama işleminde taşlama tekerleği hızı sabit parametreler olarak kabul edilmiştir. Taşlanan parçaların yüzey bütünlüğünün değerlendirilmesi için, yüzey pürüzlülüğü ölçümleri, mikrosertlik ve taşlanmış yüzeylerin ve kesitlerinin mikroskopik gözlemleri kullanılmıştır. Taşlama işlemi sırasında iş parçasının ısı payı, taşlama sırasında oluşan ısı akısı ve iş parçası içindeki sıcaklık dağılımını incelemek için sonlu farklar yöntemine (FDM) dayalı ısı transfer simülasyonları yapılmıştır. Soğutma sistemlerinin konveksiyon katsayıları, yarı-ampirik bir yönteme göre nicelendirilmiş ve bu değerler FDM simülasyonlarında kullanılmıştır. Bu simülasyonlarda, taşlama işlemi sırasında oluşan ısı akısı, bir üstel fonksiyon olarak kabul edilmiş ve bu varsayımın iş parçası içinde tahmin edilen sıcaklık dağılımının doğruluğu üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Sonuçlara göre, grafik nanosıvı MQL sistemi kullanılarak tör ve taşlama kuvveti oranı, özellikle aşırı taşlama parametreleri altında diğer yağlama koşullarına göre %48,8 oranında en büyük azalmayı yaşamıştır. Grafitten, sürtünme kuvvetinin azalmasına neden olan atomik levhaların birbirleri üzerinde kaymasından dolayı bir tabakalı yapıya sahiptir. CuO nanosıvı MQL soğutma koşulu altında tör ve taşlama kuvveti oranı, baz sıvıdaki nanoparçacıkların düşük konsantrasyonu ile MQL yağlama ve sel soğutma koşulları için eşdeğer değerlere göre daha azdır. Bu değişkenlerin değeri, CuO nanosıvıdaki nanoparçacıkların konsantrasyonu ve taşlama tekerleği ve yüzey arasındaki basınçla değişir. Grafen nanoparçacıklarının aksine, bakır oksit nanoparçacıkların katmanlı bir yapısı yoktur ve yağlama, taşlama tekerleği ve iş parçası arasındaki temas alanında küresel nanoparçacıkların yuvarlanmasıyla gerçekleşir. Grafik ve CuO nanosıvılar kullanılarak MQL koşullarında taşlanan iş parçalarının yüzeyinde neredeyse hiç yanma belirtisi yoktur. CuO nanosıvı ile MQL taşlama sırasında yüzey sıcaklığının artışı, kuru taşlama ile karşılaştırıldığında %66,2 oranında en büyük azalmayı göstermiş ve grafit MQL koşulu ile karşılaştırıldığında %2,5 oranında azalmıştır, grafit nanosıvı MQL sisteminin konvektif ısıtma katsayısı, CuO nanosıvı MQL sistemi için eşdeğer değerin üzerindedir. FDM modelinin sonuçlarına dayanarak, iş parçasının taşlanmasındaki enerji bölünmesi, aynı değerler için grafit nanosıvı MQL ve sel soğutma sistemleri kullanılarak taşlama ile karşılaştırıldığında, CuO nanosıvı MQL koşulu altında en düşük değerlere sahiptir. Ayrıca, grafit nanosıvı kullanarak MQL taşlama, grafit nanoparçacıkların taşlama yüzeyine nüfuz etmesi ve taşlama yüzeyinde serbest yüzeylerin kaymasından kaynaklanan alt-yüzey tabakanın plastik deformasyonuyla yüzey mikrosertliğinin artmasına neden olmuştur. Bunun nedeni, taşlama tekerleği ve iş parçasının temas alanında etkili bir yağlama filmi oluşmasından kaynaklanmaktadır. Benzer şekilde, CuO nanosıvı MQL yağlama koşulu altında, iş parçasının yüzey mikrosertliğinde, parçacıkların basınç altında taşlama yüzeyine nüfuz etmesi ve plastik deformasyonu ile artmıştır. Taşlama sisteminde kullanılan nanosıvılardaki nanoparçacıkların baz sıvıdaki konsantrasyonun artmasıyla, yüzey mikrosertliğinin miktarı artmıştır.
Özet (Çeviri)
From the aspect of environmental and economic problems, the high consumption of cooling fluid in machining processes, especially in grinding, is of paramount concern. Results of previous investigations revealed that the minimum quantity lubrication (MQL) technique could be considered as a potential substitute to flood cooling system. Along these lines, the conducted researches illuminated the importance of cooling fluid properties, in terms of thermal conductivity enhancement and tribological properties, in the success of MQL method. The researches in this area are in preliminary stages and only the effects of limited types of nanofluids on the characteristics of grinding parts have been evaluated. In this study, the properties of graphite and copper oxide nanofluids, synthesized by electro discharge process, have be investigated as cooling fluid in the MQL grinding of AISI 1045 steel. For synthesis of graphite and CuO nanofluids, three levels of electro discharge process periods were selected to acquire various concentrations of nanoparticles in the base fluids. During grinding experiments, three levels of linear velocity of workpiece and depth of cut and two levels of air flow pressure of MQL system were studied. Furthermore, the discharge current, pulse on-time, and type of base fluid in the submerged electro discharge process and grinding wheel velocity in the grinding process were considered as constant parameters. Type−J thermocouples embedded in workpiece for measurement of grinding temperature, and a designed and manufactured mechanism based on load-cells for measurement of grinding forces, were employed. Acquisition of these outputs were essential to determine the grinding forces, coefficient of friction between the grinding wheel and workpiece, heat flux generated in grinding, and energy partition of workpiece during grinding process. In order to evaluate the surface integrity of ground parts, measurements of surface roughness, microhardness and microscopic observations of ground surfaces and their cross-sections were employed. Heat transfer simulations based on finite difference method (FDM) were conducted to study the energy partition and temperature distribution of workpiece during grinding process. Convection coefficients of cooling systems were quantified based on a semi-empirical method and the values were used in the FDM simulations. In these simulations, the heat flux generated during grinding process was considered as an exponential function and the influence of this assumption on the accuracy of predicted temperature distribution within the workpiece was evaluated. Based on the results, the tangential force and the grinding force ratio using graphite nanofluid MQL system experienced the maximum reduction of 48.8 % as compared to other lubrication conditions, especially under extreme grinding parameters. Graphite has a layered structure that in the presence of the shear forces the atomic plates slip over each other which results in reduction of the frictional force in the contact surface of the abrasive wheel with the workpiece. Tangential grinding forces and force ratio using CuO nanofluid MQL cooling condition with a low concentration of nanoparticles in the base fluid were less than the equivalent values for pure MQL lubrication and flood cooling conditions. The value of these variables changed with the concentration of nanoparticles in CuO nanofluids and the pressure between the abrasive grits and the surface of the work. Unlike graphite nanoparticles, copper oxide nanoparticles do not have a layered structure, and lubrication occurs through the rolling of spherical nanoparticles in the contact area of abrasive wheel and workpiece. There were almost no burning signs on the surface of workpieces ground under MQL conditions using the graphite and CuO nanofluids. The increase of surface temperature in MQL grinding with CuO nanofluid represented the maximum reduction of 66.2 % in comparison to the that of dry grinding and 2.5 % as compared with that of graphire MQL condition, while the convective heating coefficient of the graphite nanofluid MQL system was higher than the equivalent value for the CuO nanofluid MQL system. Based on the results of the FDM model, the energy partition of workpiece in grinding under the CuO nanofluid MQL condition had the lowest values compared to the same values for grinding using the graphite nanofluid MQL and the flood cooling systems. Additionally, the microhardness of work surfaces in MQL grinding using graphite nanofluid were increased through the penetration of graphite nanoparticles in the grinding surface and plastic deformation of the subsurface layer as a result of the sliding of free surfaces of abrasive grits on the grinding surface. The latter was caused by the formation of an effective lubrication film in the contact area of grinding wheel and workpiece. Similarly, under CuO nanofluid MQL lubrication condition, the plastic deformation of the subsurface layer under the pressure of abrasive grits and the penetration of copper oxide nanoparticles in the grinding surface resulted in the increase of the microhardness of the surface of workpiece. The amount of microhardness of the ground surface increased with increasing the concentration of the nanoparticles in the base fluid of the nanofluids that were utilized in MQL system
Benzer Tezler
- Vanadyum redoks akış bataryalarda kullanılan elektrotların iyileştirilmesi ile ilgili deneysel ve sayısal çalışma
Experimental and numerical study on improvement of electrodes used in vanadium redox flow batteries
MERT TAŞ
Doktora
Türkçe
2024
EnerjiErciyes ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLŞAH ELDEN
- Toz metal parçaların indüksiyonla sinterleme prosesinin deneysel ve teorik olarak modellenmesi
Experimental and theoretical modeling of induction sintering process of powder metal parts
GÖKSAN AKPINAR
Doktora
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiCelal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENVER ATİK
- Yüksek sıcaklık dayanımlı, termal iletkenliği yüksek karbon fiber ve grafit takviyeli kompozit malzemelerden bir ısı değiştiricisi geliştirilmesi ve ısıl performansının tespiti
Development and thermal performance of a heat exchanger from high temperature resistant, high thermal conductive carbon fiber and graphite reinforced composite materials'
ABDULLAH BAHLEKEH
Doktora
Türkçe
2023
EnerjiEge ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LÜTFİYE ALTAY
DOÇ. DR. MEHMET SARIKANAT
- Sürgülü yön denetim valflerinde yük kaybının yarattığı ısı miktarı
Pressure drop and heat generation in spoel type valves
AHMET DİNÇER
Doktora
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN F. GENCELİ
- Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması
Investigation and thermal modelling of compacted graphite iron drilling
ALİ TANER KUZU
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL