۱۸۴۶۶پ
per
مطالعه تجربی و عددی تاثیرات نانوسیالات پای گیاهی گرافیت و مس در سلامتی سطح فولاد AISI ۱۰۴۵ در فرآیند سنگ زنی با حداقل روانکار
/میرصادق سیدزوار
: فنی و مهندسی مکانیک
، ۱۳۹۶
، افشاری
چاپی
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. TypeJ 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
دکتری
مهندسی مکانیک گرایش ساخت و تولید
۱۳۹۶/۱۰/۲۴
تبریز
مصرف بالای سیال خنک کار در پروسه های ماشینکاری از جمله سنگ زنی از نقطه نظر مسائل و مشکلات زیست محیطی و اقتصادی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است .تحقیقات صورت گرفته نشان دادند که حداقل جریان سیال روانکار (MQL) بعنوان یک جایگزین برای سیستم خنک کاری جریان سیال می تواند مطرح گردد .در این راستا، بررسی های انجام گرفته نشان دهند اهمیت بالای ویژگی های سیال مورد استفاده، از جنب ارتقاء هدایت حرارتی و مشخصات تریبولوژی، در موفقیت روش MQL است .تحقیقاتی که در این زمینه در حال جریان است در مراحل ابتدایی خود بوده و نقش تعداد محدودی از نانوسیالات در ویژگی های سنگ زنی قطعات با استفاده از فرآیند MQL بررسی شده است .در این تحقیق ویژگی های نانوسیالات گرافیت و اکسید مس، که به روش تخلیه الکتریکی تولید گردیدند ، بعنوان سیال خنک کار در فرآیند سنگ زنی فولاد AISI ۱۰۴۵ تحت سیستم MQL مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفته است .جهت سنتز نانوسیالات گرافیت و اکسید مس، سه سطح برای مدت زمان پروس تخلی الکتریکی جهت دستیابی به غلظت های مختلف نانوذرات در سیال پایه استفاده شده است .از جنب آزمایش های سنگ زنی، سرعت خطی قطعه کار و عمق برش هرکدام در سه سطح و فشار هوا در سیستم MQL در دو سطح متفاوت مورد بررسی قرار گرفته اند .بعلاوه، مقادیر پارامترهای شدت جریان تخلیه، زمان روشنی پالس، و نوع سیال پایه در پروس تخلی الکتریکی غوطه ور و سرعت چرخ ساینده در پروس سنگ زنی ثابت درنظر گرفته شده اند .از ترموکوپل نوع J جا زنی شده در قطعه کار برای اندازه گیری دما درحین پروس سنگ زنی و از مکانیزم طراحی و ساخته شده برمبنای لودسل ها جهت اندازه گیری نیروهای سنگ زنی استفاده شده است .اندازه گیری این خروجی ها جهت تعیین نیروهای سنگ زنی، ضریب اصطکاک بین سنگ ساینده و قطعه کار، شار حرارتی ایجاد شده در حین پروس سنگ زنی، و سهم انرژی حرارتی قطعه کار در طی پروس سنگ زنی، الزامی است .برای بررسی سلامت سطحی قطعات سنگ زنی شده از اندازه گیری زبری سطح قطعات، تغییرات میکروسختی و مشاهدات میکروسکوپی از سطوح سنگ زنی شده و مقاطع عرضی آنها استفاده شده است .شبیه سازی انتقال حرارت بر مبنای روش تفاضل محدود (FDM) جهت مطالع سهم حرارتی قطعه کار و نحو توزیع دما در نمونه ها درحین پروس سنگ زنی انجام شده است .ضرایب همرفت حرارتی سیستم خنک کاری بصورت نیمه تجربی محاسبه شده و در شبیه سازی ها استفاده گردیده است .قوس حرارتی ناشی از عملیات سنگ زنی در مرحل شبیه سازی FDM بصورت تابع نمایی درنظر گرفته شده و نقش آن در دقت پیش بینی های توزیع دما در قطعه کار حرارت ارزیابی شده است .مطابق نتایج حاصله، نیروی مماسی و نسبت نیروی سنگ زنی در شرایط استفاده از سیستم روانکاری MQL با نانوسیال گرافیت حداکثر کاهش برابر با ۸/۴۸ را در مقایسه با با دیگر روش های روانکاری بخصوص در حالت سنگ زنی با پارامترهای برشی بالا را داراست .گرافیت دارای ساختار لایه ای است که در حضور نیروهای برشی صفحات اتمی بر روی یکدیگر لغزیده و باعث کاهش نیروی اصطکاکی در وجه تماس چرخ ساینده با قطعه کار می گردد .نیروی مماسی و نسبت نیروهای سنگ زنی در شرایط استفاده از سیستم روانکار MQL با نانوسیال اکسید مس با درصد حجمی پایین نانوذرات در سیال پایه کمتر از مقادیر مشابه در روانکاری MQL خالص و جریان سیال است .مقادیر این متغیرها با غلظت حجمی نانوسیال اکسید مس مورد استفاده و فشار مابین ذرات ساینده و سطح کار تغییر می نماید .برخلاف نانوذرات گرافیت، نانوذرات اکسید مس دارای ساختار لایه ای نمی باشند و روانکاری از طریق عمل غلتشی نانوذرات کروی در وجه مشترک چرخ ساینده قطعه کار اتفاق می افتد .تقریبا هیچ نشان سوختگی در سطح قطعات سنگ زنی شده با روش خنک کاری MQL با نانوسیالات گرافیت و اکسید مس مشاهده نمی گردد .افزایش دمای سطح کار در سنگ زنی MQL با نانوسیال اکسید مس حداکثر کاهش برابر با ۲/۶۶ در مقایسه با شرایط سنگ زنی در حالت خشک و ۵/۲ در حالت MQL با نانوسیال گرافیت نمایش می دهد، در حالی که ضریب انتقال حرارت همرفت سیستم MQL نانوسیال گرافیت بالاتر از مقدار مشابه در سیستم MQL نانوسیال اکسید مس است .براساس نتایج مدلFDM ، سهم انرژی قطعه کار در سنگ زنی با استفاده از سیستم MQL نانوسیال اکسید مس کمترین مقادیر را نسبت به مقادیر مشابه در سنگ زنی با استفاده از سیستم روانکار MQL نانوسیال گرافیت و جریان سیال دارا می باشد .همچنین میکروسختی سطوح قطعات در سنگ زنی MQL با استفاده از نانوسیال گرافیت از طریق نفوذ نانوذرات گرافیت در سطح سنگ زنی قطعات و نیز در نتیج تغییر شکل پلاستیکی زیر لای سطحی کار ناشی از لغزش سطوح آزاد دانه های ساینده بر روی سطح کار بواسط شکل گیری فیلم روانکار مؤثر در وجه مشترک چرخ سنگ با قطعه کار افزایش می یابد .بطور مشابه، تحت شرایط روانکاری MQL با نانوسیال اکسید مس، عمل تغییر شکل پلاستیکی زیر لای سطحی کار ذکر شده به همراه نفوذ نانوذرات اکسید مس در سطح سنگ زنی سبب افزایش میکروسختی سطوح کار می گردد .این میزان میکروسختی با افزایش درصد حجمی نانوذرات در سیال پای نانوسیالات مورد استفاده افزایش می یابد
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. TypeJ 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
سیدزوار، میر صادق
شبگرد،محمد رضا، استاد راهنما
محبوب خواه،محبوب، استاد مشاور
محمدپور،موسی، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
