Published August 13, 2021 | Version v1
Publication Open

Parametric analysis of turning HSLA steel under minimum quantity lubrication (MQL) and nanofluids-based minimum quantity lubrication (NF-MQL): a concept of one-step sustainable machining

Creators

  • 1. University of Engineering and Technology Taxila
  • 2. University of Engineering and Technology Lahore
  • 3. University of Strathclyde
  • 4. Imperial College London

Description

Abstract The requirement of cost-effective and ecological production systems is crucial in the competitive market. In this regard, the focus is shifted towards sustainable and cleaner machining processes. Besides the clean technologies, effective parametric control is required for machining materials (such as High Strength Low Alloy Steels) specifically designed for high strength applications having superior physio-chemical properties. Therefore, the machinability complexities require optimized solutions to reduce temperature elevation and tooling costs and improve machining of these materials. Complying to the market needs, this research examines the effectiveness of nanofluid on tool life, wear mechanisms, surface roughness (Ra), surface morphology, and material removal rate (MRR) in turning of 30CrMnSiA (HSLA) using minimum quantity lubrication (MQL) and SiO 2 -H 2 O nanofluids (NF-MQL). A systematic investigation based on physical phenomena involved is carried out considering four process parameters (cutting speed (V C ), feed rate (F r ), depth of cut (D OC ), and mode of lubrication for machining. F r is found as the vital parameter for surface roughness while MRR is highly influenced by D OC regardless of lubrication approach. One-step sustainability technique is applied, in which process variables used for roughing conditions are analogous to attain surface comparable to finished machining without compromising process efficiency and demonstrate its feasibility through optimal settings under NF-MQL. Multi-response optimization proved the NF-MQL machining condition as the best alternative which result in 28.34% and 5.09% improvements for surface roughness and MRR, respectively. Moreover, the use of SiO 2 is recommended over MQL due to lower energy consumption, low tool wear, and better surface integrity, sustainable liquid, and related costs.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

إن متطلبات أنظمة الإنتاج الفعالة من حيث التكلفة والبيئية أمر بالغ الأهمية في السوق التنافسية. في هذا الصدد، يتم تحويل التركيز نحو عمليات تصنيع مستدامة وأنظف. إلى جانب التقنيات النظيفة، هناك حاجة إلى تحكم حدودي فعال لمواد التشغيل الآلي (مثل الفولاذ منخفض السبائك عالي القوة) المصمم خصيصًا للتطبيقات عالية القوة ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفائقة. لذلك، تتطلب تعقيدات قابلية التشغيل الآلي حلولًا محسنة لتقليل ارتفاع درجة الحرارة وتكاليف الأدوات وتحسين تصنيع هذه المواد. وفقًا لاحتياجات السوق، يفحص هذا البحث فعالية السائل النانوي على عمر الأداة، وآليات التآكل، وخشونة السطح (Ra)، ومورفولوجيا السطح، ومعدل إزالة المواد (MRR) في دوران 30CrMnSiA (HSLA) باستخدام الحد الأدنى من كمية التشحيم (MQL) و SiO 2 - H 2 O nanofluids (NF - MQL). يتم إجراء تحقيق منهجي بناءً على الظواهر الفيزيائية المعنية مع الأخذ في الاعتبار أربعة معلمات عملية (سرعة القطع (V C )، ومعدل التغذية (F r )، وعمق القطع (D OC )، وطريقة التشحيم للتشغيل الآلي. تم العثور على Fr كمعلمة حيوية لخشونة السطح بينما يتأثر MRR بشدة بـ D OC بغض النظر عن نهج التشحيم. يتم تطبيق تقنية الاستدامة ذات الخطوة الواحدة، حيث تكون متغيرات العملية المستخدمة لظروف التخشين مماثلة للوصول إلى سطح قابل للمقارنة مع الآلات النهائية دون المساس بكفاءة العملية وإثبات جدواها من خلال الإعدادات المثلى تحت NF - MQL. أثبت تحسين الاستجابة المتعددة أن حالة تصنيع NF - MQL هي أفضل بديل مما يؤدي إلى تحسينات بنسبة 28.34 ٪ و 5.09 ٪ لخشونة السطح و MRR، على التوالي. علاوة على ذلك، يوصى باستخدام SiO 2 على MQL بسبب انخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض تآكل الأدوات، وتحسين سلامة السطح، والسائل المستدام، والتكاليف ذات الصلة.

Translated Description (French)

Résumé L'exigence de systèmes de production rentables et écologiques est cruciale sur un marché concurrentiel. À cet égard, l'accent est mis sur des processus d'usinage durables et plus propres. Outre les technologies propres, un contrôle paramétrique efficace est nécessaire pour l'usinage de matériaux (tels que les aciers faiblement alliés à haute résistance) spécialement conçus pour des applications à haute résistance ayant des propriétés physiochimiques supérieures. Par conséquent, les complexités d'usinabilité nécessitent des solutions optimisées pour réduire l'élévation de température et les coûts d'outillage et améliorer l'usinage de ces matériaux. Conformément aux besoins du marché, cette recherche examine l'efficacité du nanofluide sur la durée de vie de l'outil, les mécanismes d'usure, la rugosité de surface (Ra), la morphologie de surface et le taux d'enlèvement de matière (MRR) dans la rotation de 30CrMnSiA (HSLA) en utilisant une lubrification en quantité minimale (MQL) et des nanofluides SiO 2 -H 2 O (NF-MQL). Une enquête systématique basée sur les phénomènes physiques impliqués est réalisée en tenant compte de quatre paramètres du processus (vitesse de coupe (V C ), vitesse d'avance (F r ), profondeur de coupe (D OC ) et mode de lubrification pour l'usinage. F r est le paramètre essentiel pour la rugosité de la surface, tandis que MRR est fortement influencé par D OC, quelle que soit l'approche de lubrification. Une technique de durabilité en une étape est appliquée, dans laquelle les variables de processus utilisées pour les conditions d'ébauche sont analogues pour atteindre une surface comparable à l'usinage fini sans compromettre l'efficacité du processus et démontrer sa faisabilité grâce à des réglages optimaux sous NF-MQL. L'optimisation multi-réponse a prouvé que la condition d'usinage NF-MQL était la meilleure alternative, ce qui se traduit par des améliorations de 28,34 % et 5,09 % pour la rugosité de surface et le MRR, respectivement. De plus, l'utilisation de SiO 2 est recommandée par rapport au MQL en raison de la faible consommation d'énergie, de la faible usure des outils et d'une meilleure intégrité de surface, d'un liquide durable et des coûts associés.

Translated Description (Spanish)

Resumen El requisito de sistemas de producción rentables y ecológicos es crucial en el mercado competitivo. En este sentido, el enfoque se desplaza hacia procesos de mecanizado sostenibles y más limpios. Además de las tecnologías limpias, se requiere un control paramétrico efectivo para el mecanizado de materiales (como los aceros de baja aleación de alta resistencia) diseñados específicamente para aplicaciones de alta resistencia que tienen propiedades fisicoquímicas superiores. Por lo tanto, las complejidades de maquinabilidad requieren soluciones optimizadas para reducir la elevación de la temperatura y los costos de utillaje y mejorar el mecanizado de estos materiales. Cumpliendo con las necesidades del mercado, esta investigación examina la efectividad del nanofluido en la vida útil de la herramienta, los mecanismos de desgaste, la rugosidad de la superficie (Ra), la morfología de la superficie y la tasa de eliminación de material (MRR) en el giro de 30CrMnSiA (HSLA) utilizando lubricación de cantidad mínima (MQL) y SiO 2 -H 2 O nanofluidos (NF-MQL). Se lleva a cabo una investigación sistemática basada en los fenómenos físicos involucrados considerando cuatro parámetros del proceso (velocidad de corte (V C ), velocidad de alimentación (F r ), profundidad de corte (D OC ) y modo de lubricación para el mecanizado. F r se encuentra como el parámetro vital para la rugosidad de la superficie, mientras que MRR está muy influenciado por D OC, independientemente del enfoque de lubricación. Se aplica la técnica de sostenibilidad de un solo paso, en la que las variables de proceso utilizadas para las condiciones de desbaste son análogas para lograr una superficie comparable al mecanizado terminado sin comprometer la eficiencia del proceso y demostrar su viabilidad a través de configuraciones óptimas bajo NF-MQL. La optimización de respuesta múltiple demostró que la condición de mecanizado NF-MQL es la mejor alternativa, lo que resulta en mejoras del 28.34% y 5.09% para la rugosidad de la superficie y la MRR, respectivamente. Además, se recomienda el uso de SiO 2 sobre MQL debido a un menor consumo de energía, bajo desgaste de la herramienta y una mejor integridad de la superficie, líquido sostenible y costos relacionados.

Files

s00170-021-07776-y.pdf.pdf

Files (7.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3b182b113aad56a1b57e191d8a47cf80
7.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحليل البارامتري لتحويل فولاذ HSLA تحت الحد الأدنى من التشحيم الكمي (MQL) والتشحيم الكمي الأدنى القائم على السوائل النانوية (NF - MQL): مفهوم التصنيع المستدام من خطوة واحدة
Translated title (French)
Analyse paramétrique du tournage de l'acier HSLA sous lubrification à quantité minimale (MQL) et lubrification à quantité minimale à base de nanofluides (NF-MQL) : un concept d'usinage durable en une étape
Translated title (Spanish)
Análisis paramétrico de torneado de acero HSLA bajo lubricación de cantidad mínima (MQL) y lubricación de cantidad mínima basada en nanofluidos (NF-MQL): un concepto de mecanizado sostenible en un solo paso

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3195839878
DOI
10.1007/s00170-021-07776-y

Is supplement to
https://openalex.org/W3150003624 (Other)
https://openalex.org/W2886903305 (Other)
https://openalex.org/W2809186558 (Other)
https://openalex.org/W2754636322 (Other)
https://openalex.org/W2417012169 (Other)
https://openalex.org/W2063777876 (Other)
https://openalex.org/W2062536116 (Other)
https://openalex.org/W1996389928 (Other)
https://openalex.org/W1938556690 (Other)
https://openalex.org/W1592210008 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1610219422
  • https://openalex.org/W1971291868
  • https://openalex.org/W1973769190
  • https://openalex.org/W1983810766
  • https://openalex.org/W1983853165
  • https://openalex.org/W1984002118
  • https://openalex.org/W1992341553
  • https://openalex.org/W2029213541
  • https://openalex.org/W2056677069
  • https://openalex.org/W2057846248
  • https://openalex.org/W2060527484
  • https://openalex.org/W2064898442
  • https://openalex.org/W2073506628
  • https://openalex.org/W2076289148
  • https://openalex.org/W2129260138
  • https://openalex.org/W2328864537
  • https://openalex.org/W2394074107
  • https://openalex.org/W2399652305
  • https://openalex.org/W2412906078
  • https://openalex.org/W2600878036
  • https://openalex.org/W2605444032
  • https://openalex.org/W2610451083
  • https://openalex.org/W2767112209
  • https://openalex.org/W2769451965
  • https://openalex.org/W2804028722
  • https://openalex.org/W2894113882
  • https://openalex.org/W2904411620
  • https://openalex.org/W2904831738
  • https://openalex.org/W2911352911
  • https://openalex.org/W2911374908
  • https://openalex.org/W2911769105
  • https://openalex.org/W2913732344
  • https://openalex.org/W2944045245
  • https://openalex.org/W2969374467
  • https://openalex.org/W2977723009
  • https://openalex.org/W2995572284
  • https://openalex.org/W3016698728
  • https://openalex.org/W3016983410
  • https://openalex.org/W3040996786
  • https://openalex.org/W3042162832
  • https://openalex.org/W3047557225
  • https://openalex.org/W3049632659
  • https://openalex.org/W3082012568
  • https://openalex.org/W3089720213
  • https://openalex.org/W3093151066
  • https://openalex.org/W3108921633
  • https://openalex.org/W3121442534
  • https://openalex.org/W3133848483
  • https://openalex.org/W3162379711
  • https://openalex.org/W3162449121
  • https://openalex.org/W3165804920
  • https://openalex.org/W599582135