An Investigation on the Performance of the Ultrasonic Atomization-Based Cutting Fluid (uACF) Spray System

Abstract

Nowadays, due to limited resources and manufacturers desire to keep manufacturing costs at the lowest level, minimum quantity lubrication systems stand out. Ultrasonic atomisation based cutting fluid (uACF) spraying system, which is one of the minimum quantity lubrication methods, has been compared with conventional cooling systems on different performance parameters. The study concluded that the uACF system can outperform or compete with other cooling conditions in all performance outputs with the right choice of cutting parameter combination.In addition, the study also revealed the effects of cutting speed and feed rate levels on performance outputs under different cooling conditions. In the light of the data obtained from the study, it is concluded that the uACF system, which has a much lower installation cost compared to complex MQL methods, provides good performance under real cutting conditions with a low amount of cutting fluid consumption (0.5 ml/min) and has a high utilisation potential.

Keywords

• Atomization-based cutting fluid
• Minimum quantity lubrication
• Cutting force
• Cutting temperature
• Average surface roughness
• Chip shrinkage coefficient

Ultrasonik Atomizasyona Dayalı Kesme Sıvısı (uACF) Püskürtme Sisteminin Performansı Üzerine Bir Araştırma

Abstract

Günümüzde, kaynakların sınırlı olması ve üreticilerin imalat maliyetlerini en düşük seviyede tutmak istemesi sebebiyle minimum miktarda yağlama sistemleri ön plana çıkmaktadır. Minimum miktarda yağlama yöntemlerinden biri olan ultrasonik atomizasyon tabanlı kesme sıvısı (uACF) püskürtme sistemi geleneksel soğutma sistemlerine göre çok daha düşük seviyelerde kesme sıvısı tüketmesi ve düşük üretim maliyetiyle dikkat çekmektedir. Bu yenilikçi, kompakt ve çevreci sistemin gerçek kesme şartları altındaki performansını ortaya koymak amacıyla kısıtlı sayıda çalışma gerçekleştirilmiştir. uACF sistemi, benzer işleme parametreleri kullanılarak, sprey soğutma (SPR), basınçlı hava ile soğutma (AIR) ve kuru işleme (DRY) şartları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma parametreleri olarak, kesme hızı ve ilerleme oranı seçilmiştir. Kesme kuvveti (Fc), kesme sıcaklığı (Tc), ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) ve talaş büzüşme katsayısı (ξ) üzerine çalışma parametrelerinin etkileri değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen çalışma ile, uACF sisteminin doğru kesme parametre kombinasyonu seçimiyle bütün performans çıktılarında diğer soğutma şartlarına karşı üstünlük sağladığı veya rekabet edebileceği sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte, çalışma neticesinde kesme hızı ve ilerleme oranı seviyelerinin farklı soğutma şartları altında performans çıktıları üzerine etkileri de ortaya çıkarılmıştır. Çalışmadan elde edilen veriler ışığında, uACF sisteminin düşük işletme maliyet ile birlikte, düşük miktarda kesme sıvısı tüketimiyle (0.5 ml/dak) gerçek kesme şartları altında iyi bir performans sağladığı ve yüksek bir kullanım potansiyeline sahip olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Keywords

• Atomizasyon tabanlı kesme sıvısı
• Minimum miktarda yağlama
• Kesme kuvveti
• Kesme sıcaklığı
• Ortalama yüzey pürüzlülüğü
• Talaş büzüşme katsayısı

References

1. C. Nath, S.G. Kapoor, A.K. Srivastava, Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system, Journal of Manufacturing Processes, 28(3): 464-471, 2017.
2. M. İlhan, Talaş kaldırma işlemlerinde minimum miktarda yağlama (MQL) uygulamasının kesme hızı ve yağlama debisinin yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi, Master Thesis, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2014.
3. E. Yücel, M. Günay, M. Ayyıldız, Ö. Erkan, F. Kara, Talaşlı imalatta kullanılan kesme sıvılarının insan sağlığına etkileri ve sürdürebilir kullanımı, 6. International Advanced Technologies Symposium: 16-18 May 2011, Elazığ-Turkiye.
4. D.J. Oliveira, L.G. Guermandi, E.C. Bianchi, A.E. Diniz, P.R. Aguiar, R.C. Canarim, Improving minimum quantity lubrication in CBN grinding using compressed air wheel cleaning, Journal of Materials Processing Technology, 212(12): 2559-2568, 2012.
5. T.B. Ngoc, T.M. Ducb, N.M. Tuanb, T.T. Long, Influence of Al2O3/MoS2 hybrid nanofluid MQL on surface roughness, cutting force, tool wear and tool life in hard turning, Forces in Mechanics, 16: 100285, 2024.
6. N. Khanna, P. Shah, A.K. Singla, A. Bansal, M.A. Makhesana, Ş. Şirin, Comparison of VT-20 alloy drilling performance evaluation under dry, MQL, EMQL, and hybrid nanoparticle assisted EMQL ecological conditions, Tribology International, 199: 110025, 2024.
7. A. Shukla, V. Dubey, A.K. Sharma, Comparative study of dry machining with MQL assisted soybean oil in turning operation of AISI 304 steel, Materials today: proceedings, 2023.
8. Y.S. Liao, H.M. Lin, Y.C. Chen, Feasibility study of the minimum quantity lubrication in high-speed end milling of NAK80 hardened steel by coated carbide tool, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(11): 1667-1676, 2007.

9. J.P. Davim, P.S. Sreejith, J. Silva, Turning of brasses using minimum quantity of lubricant (MQL) and flooded lubricant conditions, Materials and Manufacturing Processes, 22 (1): 45-50, 2007.
10. A. Attanasio, M. Gelfi, C. Giardini, C. Remino, Minimal quantity lubrication in turning: Effect on tool wear, Wear, 260(3): 333–338. 2006.
11. A.C. Hoyne, C. Nath, S.G. Kapoor, On cutting temperature measurement during titanium machining with an atomization-based cutting fluid spray system, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 137(2): 024502, 2015.
12. V. Sivalingam, Z. Zan, J. Sun, B. Selvam, M.K. Gupta, M. Jamil, M. Mia, Wear behaviour of whisker-reinforced ceramic tools in the turning of Inconel 718 assisted by an atomized spray of solid lubricants, Tribology International, 148: 106235, 2020.
13. N.R. Dhar, M.W. Islam, S. Islam, M.A.H. Mithu, The influence of minimum quantity of lubrication (MQL) on cutting temperature, chip and dimensional accuracy in turning AISI-1040 steel, Journal of Materials Processing Technology, 171(1): 93–99, 2006.
14. C.H. Vikram, R. Kumar, B. Ramamoorthy, Performance of coated tools during hard turning under minimum fluid application, Journal of Materials Processing Technology, 185(1-3): 210–216, 2007.
15. M. Rahman, A.S. Kumar, M.U. Salam, Experimental evaluation on the effect of minimal quantities of lubricant in milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 42(5): 539–547, 2002.
16. M.M.A. Khan, M.A.H. Mithu, N.R. Dhar, Effects of minimum quantity lubrication on turning AISI 9310 alloy steel using vegetable oil-based cutting fluid, Journal of Materials Processing Technology, 209(15-16): 5573-5583, 2009.
17. F. Kafkas, Evaluation of the efficiency of an ultrasonic atomization-based coolant (uACF) spray system in external turning using different nozzle tips, Journal of Manufacturing Processes, 81: 991-1004, 2022.
18. T. Elgnemia, K. Ahmadia, V. Songmeneb, J. Namc, M.B.G. Junc, Effects of atomization-based cutting fluid sprays in milling of carbon fiber reinforced polymer composite, Journal of Manufacturing Processes, 30: 133-140, 2017.
19. L.B. Abhang, M. Hameedullah, Experimental investigation of minimum quantity lubricants in alloy steel turning, International Journal of Engineering Science and Technology, 2(7): 3045-3053, 2010.
20. S. Ganguli, S.G. Kapoor, Improving the performance of milling of titanium alloys using the atomization-based cutting fluid application system, Journal of Manufacturing Processes, 23: 29-36, 2016.
21. S. Potta. Effect of cryogenic coolant on turning performance: a comparative study, SN Applied Sciences, 1: 67, 2018.
22. O. Zurita, V. Di-Graci, M. Capace, Effect of cutting parameters on surface roughness in turning of annealed AISI-1020 steel, Revista Facultad de Ingeniería, 27(47): 109-116, 2017.
23. M. Akgün, H. Demir, İ. Çiftçi, Mg2Si partikül takviyeli magnezyum alaşımlarının tornalanmasında yüzey pürüzlülüğünün optimizasyonu, Journal of Polytechnic, 21(3): 645-650. 2017.
24. Y. Gan, Y. Wang, K. Liu, S. Yu, Q. Wang, C. Che, H. Liu, The development and experimental research of a cryogenic internal cooling turning tool, Journal of Cleaner Production, 319: 128787, 2021.
25. M. Yasir, T.L. Ginta, B. Ariwahjoedi, A.U. Alkali, M. Danish, Effect of Cutting Speed and Feed Rate on Roughness of AISI 316L SS Using End-mill, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 11(4): 2496-2500, 2016.
26. A. Kumar, K.K. Joshi, R.K. Das, Analysis of chip reduction coefficient in turning of Ti-6Al-4V ELI, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 390: 012113, 2018.
27. M. Kamruzzaman, N.R. Dhar, Effect of high-pressure coolant on temperature, chip, force, tool wear, tool life and surface roughness in turning AISI 1060 steel, G.U. Journal of Science, 22(4): 359-370, 2009.