صنعت ماشینکاری یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین صنایع کشور بوده که خدمات آن نقش حیاتی در ساخت قطعات مورد نیاز سایر صنایع نظیر هوا – فضا، خودرو سازی، پزشکی، برق، نفت، انرژی و….. ایفا می کند.
صنعت ماشینکاری شامل تجهیزاتی همچون انواع دستگاه های سی اِن سی (CNC)، انواع دستگاه های تراش، انواع دستگاه های برش، انواع دستگاه های سنگ زنی و غیره بوده که این صنعت به کمک آنها امکان تولید قطعات از ساده ترین شکل تا پیچیده ترین و حساس ترین آنها را فراهم می آورد. استفاده از مایعات خنک کننده در این صنعت امری مهم تلقی می شود که به کاهش خطا ها، صدمات، تلفات مواد اولیه، استهلاک ابزار، هزینه های تولید و همچنین افزایش کیفیت قطعه نهایی در ماشینکاری کمک می کند.
در این مقاله قصد داریم به بررسی تاثیر نانو اکسید روی در بهبود عملکرد مایعات خنک کننده مخصوص دستگاه های ماشینکاری بپردازیم.
نقش مایعات خنک کننده در ماشینکاری
عوامل پر هزینه در صنعت ماشینکاری عبارتند از اتلاف مواد اولیه، استهلاک ابزار (مانند مته)، استهلاک دستگاه ماشینکاری و غیره که همگی آنها تحت تاثیر حرارت ناشی از اصطکاک (Friction) میان ابزار ماشینکاری و سطح قطعه کار می باشند. بر اساس مطالعات انجام شده مشخص شده است که حرارت ایجاد شده میان سطح قطعه و ابزار می تواند تا حداکثر 1200 درجه سانتی گراد افزایش یابد. لازم به ذکر است که این حرارت بسته به جنس قطعه کار، نوع ابزار و نوع ماشینکاری متغیر است. چنین حرارت زیادی میان ابزار و قطعه کار منجر به استهلاک سریع ابزار (مانند کند شدن، سوختگی و شکستگی) ، افت کیفیت سطح قطعه کار (مانند سوختگی – Burn)، ایجاد تنش های باقی مانده (Residual Stress) در سطح قطعه کار (افت کیفیت قطعه تولید شده)، هدر رفت مواد اولیه و کاهش دقت ماشینکاری می گردد که نتیجتا افزایش هزینه های این صنعت را به دنبال دارد.
علاوه بر این، نتیجه مطالعات نشان داده اند که کاهش کیفیت سطح قطعه ماشینکاری شده باعث کاهش عمر مفید قطعه تولید شده می گردد. از این رو، حتما لازم است تا حرارت ناشی از اصطکاک در فرآیند ماشینکاری کنترل شده و به حداقل برسد. استفاده از مایعات خنک کننده در دستگاه های ماشینکاری تنها راه حل کنترل حرارت ناشی از اصطکاک است.
علت استفاده از مایع خنک کننده این است که این مایع بدلیل برخورداری از قابلیت انتقال حرارت بالا می تواند از متمرکز شدن حرارت زیاد ایجاد شده میان ابزار و قطعه کار جلوگیری کرده، دمای ابزار و سطح قطعه را کاهش داده و در نتیجه مشکلاتی که قبلا به آنها اشاره شد را به حداقل برساند. به منظور درک بهتر، در تصویر زیر شماتیکی از شبیه سازی ماشینکاری سطح قطعه و گرادیان دمایی ایجاد شده میان ابزار و سطح قطعه کار نشان داده شده است.
(شماتیکی از شبیه سازی ماشینکاری سطح قطعه و گرادیان دمایی ایجاد شده میان ابزار و سطح قطعه کار)
فناوری نانو و نسل جدید مایعات خنک کننده
اما انتقال حرارت مایعات خنک کننده مرسوم همچنان ضعیف بوده و توانایی کامل در جلوگیری و کنترل حرارت زیاد ناشی از اصطکاک میان ابزار و سطح قطعه را ندارند. تلاش های گوناگونی نظیر اضافه کردن ذرات میکرومتری فلزات به مایعات خنک کننده صورت گرفتند تا خواص تِرموفیزیکی (Thermophysical) و عملکرد مایعات خنک کننده را بهبود دهند که بعلت ته نشین شدن ذرات فلزی در مایع خنک کننده، افت فشار مایع خنک کننده درون کانال انتقال و مشکلات ناشی از خوردگی و گرفتگی نتیجه بخش نبودند.
از این رو، نسل جدیدی از مایعات خنک کننده که با استفاده از فناوری نانو تولید شده بودند معرفی شده و تحت عنوان نانو سیالات (Nanofluids – نانو سیال به سیال یا مایعی گفته می شود که حاوی ذرات نانومتری از جنس اکسید ها، کاربید ها و غیره بوده و این ذرات در سرتاسر مایع معلق هستند) شناخته شدند. نانو سیالات از انتقال حرارت و ضریب انتقال حرارت همرفتی (Convection Heat Transfer Coefficient) به مراتب بالاتری نسبت به مایعات خنک کننده مرسوم برخوردار هستند که همین موضوع عملکرد و بازدهی بالاتر آنها در دستگاه های ماشینکاری را نشان می دهد.
ویژگی های حرارتی برتر نانو سیالات ناشی از حضور نانو ذرات معلق شده در آنها می باشد. تابحال مطالعات زیادی روی تاثیر نانو سیالات در ماشینکاری انجام شده اند که نتایج تمامی آنها تایید کننده ویژگی های حرارتی منحصر بفرد نانو سیالات بوده و همچنین گزارش شده است که استفاده از نانو سیالات اصطکاک میان ابزار و سطح قطعه کار را کاهش می دهد.
عملکرد نانو اکسید روی در مایع خنک کننده
نانو اکسید روی ترکیبی ایده آل برای استفاده در مایعات خنک کننده می باشد چرا که در این مایعات از عنصر روی همواره بعنوان عامل کاهنده زنگ زدگی استفاده می گردد. در سال 2014 تحقیقی روی مقایسه عملکرد نانو سیال پایه آب حاوی نانو ذرات اکسید روی با عملکرد مایع خنک کننده تجاری در ماشین سنگ زنی (Grinding Machine) صورت گرفت.
نتایج به دست آمده از تحقیق نشان دادند که نانو ذرات اکسید روی دارای خواص تریبولوژی (Tribological Properties) ویژه می باشند (به این معنی که میزان لغزش، اصطکاک و روانکاری در میان نانو ذرات بهینه است) که چنین خواصی به تقویت عملکرد آنها در ماشینکاری کمک می کند.
بر اساس نتایج گزارش شده در این تحقیق مشخص شد که صرف نظر از شرایط ماشینکاری نظیر سرعت میز (Table Speed)، تعداد پاس و عمق برشکاری، نرخ لایه برداری ماده از سطح قطعه کار در حضور نانو سیال حاو نانو اکسید روی همواره کمتر از نرخ لایه برداری در حضور مایع خنک کننده تجاری است. علت این نتیجه کاهش اصطکاک میان ابزار و سطح قطعه کار در اثر استفاده از نانو اکسید روی است. نتیجه آزمایشی که روی میزان سایش ابزار (Tool Wear) انجام شد نشان داد که نانو اکسید روی منجر به کاهش 50 درصدی سایش ابزار در مقایسه با مایع خنک کننده تجاری شده است.
مبحث سایش ابزار در ماشینکاری نه تنها روی کیفیت سطح قطعه تاثیر می گذارد بلکه اثری مستقیم بر عمر مفید ابزار و عملکرد دستگاه ماشینکاری دارد.
نتیجه گیری
با توجه به مطالب ذکر شده در این مقاله مشخص است که استفاده از نانو اکسید روی در مایعات خنک کننده تاثیر مثبت و تقویت کننده بر کاهش اصطکاک میان ابزار و سطح قطعه کار، کاهش حرارت زیاد میان ابزار و سطح، کاهش سایش ابزار، کاهش نرخ لایه برداری ماده از سطح قطعه کار، کاهش هدر رفت ماده اولیه، افزایش کیفیت سطح قطعه کار، افزایش عمر مفید ابزار، افزایش عملکرد کلی دستگاه و در نهایت کاهش هزینه تولید در صنعت ماشینکاری می گردد. نانو اکسید روی تولید شده در آرمان نانو فناور رابین با برخورداری از Flow Motion بالا گزینه ای مطلوب برای استفاده در مایعات خنک کننده مخصوص دستگاه های ماشینکاری می باشد.
منابع
