Investigation of vegetable oil-based cutting fluids enhanced with nanoparticle additions in turning operations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Currently, the use of vegetable oil-based cutting fluids with nanoparticles is being implemented in turning operations. These fluids provide a sustainable and high-performance solution by improving lubrication, cooling, and surface quality. The use of vegetable oil-based cutting fluids with nanoparticles also promotes an eco-friendly approach in the manufacturing industry. These fluids serve as an alternative to conventional cutting fluids, which are hazardous chemical mixtures that pose a risk to both the environment and the operator. The purpose of the work. The present study focuses on the use of cutting fluids based on environmentally friendly vegetable oils in the turning process. This work investigates the performance of turning AISI 1014 steel with various nanoparticle combinations and ratios. The methods of investigation. In this study, five different vegetable oils — corn oil, coconut oil, sunflower oil, palm oil, and neem oil — were used as base fluid. CuO, Al2O3, graphene, and powdered multi-walled carbon nanotubes were added to the base fluid to create nanofluids. Cutting fluids were developed with varying weight concentrations of 0.20 %, 0.40 %, 0.60 %, 0.80 %, and 1 %, and its performance when machining AISI 1014 steel was investigated. Results and Discussion. The results indicated that, among the vegetable oils, corn oil had the greatest effect on viscosity and thermal conductivity. Graphene nanoparticles showed promising results in reducing cutting force, temperature, and surface roughness. When using corn oil containing 0.8 wt. % graphene nanoparticles, a 104 N reduction in cutting force was observed, this is 29.8 % less than that achieved with pure corn oil. At a high concentration (1 wt. %), the reduction in load decreases due to significant agglomeration of nanoparticles. The optimal nanoparticle concentration in the base fluid (corn oil) is 0.8 wt. %.

About the authors

J. E. Manikanta

Email: manijem66@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0881-4899
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Shri Vishnu Engineering College for Women (A), Bhimavaram, Andhra Pradesh, 534202, India, manijem66@gmail.com

N. Ambhore

Email: nitin.ambhore@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0001-8468-8057
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Vishwakarma Institute of Technology, SPPU, Maharashtra, Pune 411037, India, nitin.ambhore@viit.ac.in

G. R. Thellaputta

Email: drtgopalarao@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5622-4140
D.Sc. (Engineering), Professor, Department of Mechanical Engineering, St. Ann's College of Engineering & Technology (Autonomous), Chirala, Andhra Pradesh, 523187, India, drtgopalarao@gmail.com

References

  1. Ghosh S., Rao P.V. Application of sustainable techniques in metal cutting for enhanced machinability: a review // Journal of Cleaner Production. – 2015. – Vol. 100. – P. 17–34. – doi: 10.1016/j.jclepro.2015.03.039.
  2. O’;Sullivan D., Cotterell M. Temperature measurement in single point turning // Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 118 (1–3). – P. 301–308. – doi: 10.1016/S0924-0136(01)00853-6.
  3. Waydande R.P., Ghatge D.A. Performance evaluation of cutting parameters for surface roughness & power consumption in turning of 904l stainless steel using vegetable oil based cutting fluids // Advanced Manufacturing and Materials Science: Selected Extended Papers of ICAMMS. – Springer, 2018. – P. 317–325. – doi: 10.1007/978-3-319-76276-0_32.
  4. Evaluation of vegetable based cutting fluids with extreme pressure and cutting parameters in turning of AISI 304L by Taguchi method / M.H. Cetin, B. Ozcelik, E. Kuram, E. Demirbas // Journal of Cleaner Production. – 2011. – Vol. 19. – P. 2049–2056. – doi: 10.1016/j.jclepro.2011.07.013.
  5. Manikanta J.E., Ambhore N., Nikhare C. Application of sustainable techniques in grinding process for enhanced machinability: a review // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2024. – Vol. 46. – doi: 10.1007/s40430-024-04801-5.
  6. Katna R., Suhaib M., Agrawal N. Nonedible vegetable oil-based cutting fluids for machining processes – a review // Materials and Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 35 (1). – P. 1–32. – doi: 10.1080/10426914.2019.1697446.
  7. Examining the role of cutting fluids in machining and efforts to address associated environmental/health concerns / D.P. Adler, W.S. Hii, D.J. Michalek, J.W. Sutherland // Machining Science and Technology. – 2006. – Vol. 10 (1). – P. 23–58. – doi: 10.1080/10910340500534282.
  8. Agrawal S.M., Patil N.G. Experimental study of non edible vegetable oil as a cutting fluid in machining of M2 steel using MQL // Procedia Manufacturing. – 2028. – Vol. 20. – P. 207–212.
  9. Sankaranarayanan R., Krolczyk G.M. A comprehensive review on research developments of vegetable-oil based cutting fluids for sustainable machining challenges // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 67. – P. 286–313. – doi: 10.1016/j.jmapro.2021.05.002.
  10. Sharif M.N., Pervaiz S., Deiab I. Potential of alternative lubrication strategies for metal cutting processes: a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 89. – P. 2447–2479. – doi: 10.1007/s00170-016-9298-5.
  11. Evaluation of crude watermelon oil as lubricant in cylindrical turning of AISI 1525 steel employing Taguchi and grey relational analyses techniques / R.A. Kazeem, D.A. Fadare, I.G. Akande, T.C. Jen, S.A. Akinlabi, E.T. Akinlabi // Heliyon. – 2024. – Vol. 10 (3). – doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e25349.
  12. Machining performance on SS304 using nontoxic, biodegradable vegetable-based cutting fluids / J.E. Manikanta, B.N. Raju, C. Prasad, B.P. Sankar // Chemical Data Collections. – 2022. – Vol. 42. – doi: 10.1016/j.cdc.2022.100961.
  13. Experimental evaluation of the lubrication properties of the wheel/workpiece interface in minimum quantity lubrication (MQL) grinding using different types of vegetable oils / Y. Wang, C. Li, Y. Zhang, M. Yang, B. Li, D. Jia, Y. Hou, C. Mao // Journal of Cleaner Production. – 2016. – Vol. 127. – P. 487–499. – doi: 10.1016/j.jclepro.2016.03.121.
  14. Shaikh J.B., Sidhu J.S. Experimental investigation and optimization of process parameters in turning of AISI D2 steel using different lubricant // International Journal of Engineering and Advanced Technology. – 2014. – Vol. 3 (5). – P. 189–197.
  15. Puttaswamy J.T., Ramachandra J.S. Experimental investigation on the performance of vegetable oil based cutting fluids in drilling AISI 304L using Taguchi technique // Tribology Online. – 2018. – Vol. 13. – P. 60–66. – doi: 10.2474/troll.13.60.
  16. Grinding temperature and energy ratio coefficient in MQL grinding of high-temperature nickel-base alloy by using different vegetable oils as base oil / B. Li, H. Li, Y. Zhang, Y. Wang, D. Jia, M. Yang // Chinese Journal of Aeronautics. – 2016. – Vol. 29 (4). – P. 1084–1095.
  17. End milling of AISI 304 steel using minimum quantity lubrication / M.N. Babu, V. Anandan, N. Muthukrishnan, M. Santhanakumar // Measurement. – 2019. – Vol. 138 (2). – P. 681–689. – doi: 10.1016/j.measurement.2019.01.064.
  18. Radhika A., Rao S., Yogesh K.B. Evaluating machining performance of AISI 1014 steel using gingelly oil as cutting fluid // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2021. – Vol. 19 (4). – P. 445–456. – doi: 10.1080/14484846.2019.1636517.
  19. Experimental evaluation of the lubrication performance of mixtures of castor oil with other vegetable oils in MQL grinding of nickel-based alloy / S. Guo, C. Li, Y. Zhang, Y. Wang, B. Li, M. Yang, X. Zhang, G. Liu // Journal of Cleaner Production. – 2017. – Vol. 140 (3). – P. 1060–1076.
  20. Nanofluids application in machining: a comprehensive review / X. Wang, Y. Song, C. Li, Y. Zhang, H.M. Ali, S. Sharma, R. Li, M. Yang, T. Gao, M. Liu, X. Cui // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2023. – Vol. 131 (5). – doi: 10.1007/s00170-022-10767-2.
  21. Nanoparticle enriched cutting fluids in metal cutting operation: a review / J.E. Manikanta, R.B. Naga, B.S.S. Phanisankar, M. Rajesh, T.K. Kotteda // Recent Advances in Mechanical Engineering. – Springer, 2023. – doi: 10.1007/978-981-19-2188-9_14.
  22. Nam J.S., Lee P.H., Lee S.W. Experimental characterization of micro-drilling process using nanofluid minimum quantity lubrication // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2011. – Vol. 51. – P. 649–652.
  23. Shen B., Shih A., Tung S.C. Application of nanofluids in minimum quantity lubrication grinding // Tribology Transactions. – 2008. – Vol. 51 (6). – P. 730–737.
  24. Vasu V., Reddy G.P.K. Effect of minimum quantity lubrication with Al2O3 nanoparticles on surface roughness, tool wear and temperature dissipation in machining Inconel 600 alloy // Journal of Nanoengineering and Nanosystems. – 2011. – Vol. 225 (1). – P. 3–16.
  25. Reinforced lubrication of vegetable oils with graphene additive in tapping ADC12 aluminum alloy / J. Ni, G. Feng, Z. Meng, T. Hong, Y. Chen, X. Zheng // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 94. – P. 1031–1040.
  26. Experimental assessment of an environmentally friendly grinding process using nanofluid minimum quantity lubrication with cryogenic air / J. Zhang, C. Li, Y. Zhang, M. Yang // Journal of Cleaner Production. – 2018. – Vol. 193. – P. 236–248.
  27. Manojkumar K., Ghosh A. Assessment of cooling-lubrication and wettability characteristics of nano-engineered sunflower oil as cutting fluid and its impact on SQCL grinding performance // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 237. – P. 55–64.
  28. Manikanta J.E., Ambhore N. Nikhare C. Application of sustainable techniques in grinding process for enhanced machinability: a review // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2024. – Vol. 46. – doi: 10.1007/s40430-024-04801-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».