Predicting the coolant lubricating properties based on its density and wetting effect

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. The processes occurring in the cutting zone contribute to the rapid wear of the cutting tool and a decrease in the quality of the workpiece. It is possible to reduce the impact of negative factors during metal cutting through a rational choice of coolant. The aim of the work is to develop a methodology for the accelerated assessment of the coolant lubricating properties. Methods. Experimental studies of the lubricating effect of seven different grades of coolant, during friction of a T15K6 (15% TiC–79% WC–6% Co) hard alloy pad and a rotating roller made of carbon structural Steel 45 (0.45% C) are presented. As a parameter of coolant efficiency in terms of lubricating effect, paper proposes an efficiency coefficient Kc, which is equal to the ratio between the friction coefficient that occurs when using coolant and the friction coefficient during friction without coolant. The lower the coefficient Kc, the more effective this coolant is in terms of lubricating effect. Results. Empirical dependences of the coefficient Kc on the coolant density ρ and the limiting wetting angle Θ (Kc = f(ρ;Θ)) are established. Since the low significance of the parameter ρ is established, the formula for the dependence of the Kc only on the limiting wetting angle Θ (Kc = f(Θ)) is established in the work. It is established that the dependence formula (Kc = f(Θ) provides the highest accuracy of calculations. Discussion. After evaluating the research results presented in this paper, the following conclusions are made: 1) the paper establishes the influence of the coolant density and the limiting wetting angle on the coolant efficiency coefficient for the lubricating effect determined for the friction between a roller made of Steel 45 and a pad made of T15K6 alloy: Kc = f(ρ;Θ) and Kc = f(Θ); 2) the greatest accuracy of calculations from 2.75 to 15% is provided by the formula for the dependence Kc = f(Θ); 3) the dependence Kc = f(Θ)is proposed to be used for the method for the accelerated assessment of the coolant lubricating properties during friction of a pad made of T15K6 alloy and a rotating roller made of Steel 45. The proposed method consists in measuring the limiting wetting angle of a coolant drop on the surface of the workpiece and calculating the derived empirical dependence of the coolant efficiency coefficient on the lubricating effect.

About the authors

A. G. Kisel'

Email: kisel1988@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Kaliningrad State Technical University, 1 Sovetsky Prospekt, Kaliningrad, 236022, Russian Federation, kisel1988@mail.ru

V. G. Churankin

Email: churvg@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Omsk State Technical University, 11 Prospekt Mira, Omsk, 644050, Russian Federation, churvg@mail.ru

References

  1. Quantitative analysis of cooling and lubricating effects of graphene oxide nanofluids in machining titanium alloy Ti6Al4V / G. Li, S. Yi, N. Li, W. Pan, C. Wen, S. Ding // Journal of Materials Processing Technology. – 2019. – Vol. 271. – P. 584–598. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.04.035.
  2. Joseph Babu K., Prabhakaran Nair K., Joy M.L. Development of cutting fluid from transesterified coconut oil and evaluation of its tribological properties // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2019. – Vol. 233 (3). – P. 369–379. – doi: 10.1177/1350650118785467
  3. Synergism of TiO2 and graphene as nano-additives in bio-based cutting fluid – An experimental investigation / R. Anand, A. Raina, M. Irfan Ul Haq, M.J. Mir, O. Gulzar, M.F. Wani // Tribology Transactions. – 2021. – Vol. 64 (2). – P. 350–366. – doi: 10.1080/10402004.2020.1842953
  4. Investigation of the influence of MWCNTs mixed nanofluid on the machinability characteristics of PH 13-8 Mo stainless steel / O. Öndin, T. K?vak, M. Sar?kaya, Ç.V. Y?ld?r?m // Tribology International. – 2020. – Vol. 148. – P. 106323. – doi: 10.1016/j.triboint.2020.106323
  5. Investigation of the role of tribolayer formation in improving drilling performance of Ti-6Al-4V using minimum quantity of lubrication / S. Bhowmick, B. Eskandari, M.Z.U. Khan, A.T. Alpas // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2021. – Vol. 235 (2). – P. 396–409. – doi: 10.1177/1350650120933420.
  6. Synthesis and tribological characteristics of a nano CuO particle-filled water-based lubricants / T. Rajmohan, D. Hemanth Kumar, R. Nivithetha, Elamburthi, V.V. Kalyan Chakravarthy // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 954. – P. 012045. – doi: 10.1088/1757-899X/954/1/012045.
  7. Kumar Rakesh G., Suresh Kumar Reddy N. Tribological studies of EN31 steel and Ti-6Al-4V alloy materials using pin-on-disc tribometer // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 28 (2). – P. 1216–1220. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.01.509.
  8. Ionic liquids as additives to cutting fluids to reduce machine tool friction and wear / C. Ferri, M. Troise, S. Lizarazo, P. Iglesias // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition: Proceedings (IMECE). – 2018. – Vol. 12. – P. V012T11A046. – doi: 10.1115/IMECE2018-86810
  9. Experimental investigations to enhance the tribological performance of engine oil by using nano-boric acid and functionalized multiwalled carbon nanotubes: A comparative study to assess wear in bronze alloy / B.S. Ajay Vardhaman, M. Amarnath, J. Ramkumar, P.K. Rai // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27 (6). – P. 2782–2795. – doi: 10.1007/s11665-018-3384-9.
  10. The tribological properties of titanium carbonitride TiCN coating lubricated with non-toxic cutting fluid / M. Madej, J. Kowalczyk, D. Ozimina, K. Milewski // Materials Research Proceedings. – 2018. – Vol. 5. – P. 47–53. – doi: 10.21741/9781945291814-9.
  11. Wu Z., Li S., Zhou F. Electrochemical and tribological properties of TiSiCN coatings in coolant // Materials Science-Medziagotyra. – 2019. – Vol. 25 (2), pp. 159–165. – doi: 10.5755/j01.ms.25.2.19252
  12. Electrochemical and tribological properties of CrAlN, TiAlN, and CrTiN coatings in water-based cutting fluid / Z. Wu, Z. Cheng, H. Zhang, Z. Xu, Y. Wang, F. Zhou // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29 (4), pp. 2153–2163. – doi: 10.1007/s11665-020-04772-3
  13. Development of a tribotester for investigation of ferrofluids lubrication performance on the thrust pad bearing / M. Chhattal, L. Tonggang, Y. Kun, L.Ü. Xin, L. Guangsheng // Tribology Transactions. – 2020. – Vol. 63 (6). – P. 1095–1102. – doi: 10.1080/10402004.2020.1794092
  14. Investigation of the tribological performance of ionic liquids in non-conformal EHL contacts under electric field activation / M. Michalec, P. Svoboda, I. Krupka, M. Hartl, A. Vencl //2020. – Vol. 5). – P. 982–994. – doi: 10.1007/s40544-019-0342-y.
  15. Preliminary investigations on the tribological performance of hexagonal boron nitride nanofluids as lubricant for steel/steel friction pairs / J. He, J. Sun, Y. Meng, X. Yan //1). – P. 015022. – doi: 10.1088/2051-672X/ab0afb.
  16. Zhao C., Chen Y.K., Ren G. A study of tribological properties of water-based ceria nanofluids //2017. – Vol. (3). – P. 56–66.
  17. A comprehensive review on minimum quantity lubrication (MQL) in machining processes using nano-cutting fluids / Z. Said, M. Gupta, H. Hegab, N. Arora, A.M. Khan, M. Jamil, E. Bellos // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 105 (5–6). – P. 2057–2086. – doi: 10.1007/s00170-019-04382-x.
  18. Investigation on the effects of nanoparticles on cutting fluid properties and tribological characteristics / N. Madanchi, S. Zellmer, M. Winter, F. Flach, G. Garnweitner, C. Herrmann //. – 2019. – Vol. 6 (3). – P. 433–447. – doi: 10.1007/s40684-019-00053-0.
  19. Cetin M.H., Korkmaz S. Investigation of the concentration rate and aggregation behaviour of nano-silver added colloidal suspensions on wear behaviour of metallic materials by using ANOVA method //2020. – Vol. .
  20. Tribological investigation of r-GO additived biodegradable cashew nut shells liquid as an alternative industry lubricant / S. Bhaumik, V. Paleu, R. Pathak, R. Maggirwar, J.K. Katiyar, A.K. Sharma //2019. – Vol. . – P. 500–509. – doi: 10.1016/j.triboint.2019.03.007.
  21. Influence of C content on the structure, mechanical and tribological properties of CrAlCN films in air and water-based cutting fluid / M. Zhang, F. Zhou, H. Fang, Z. Wu //2020. – Vol. (8). – doi: 10.1007/s00339-020-03782-1.
  22. Ozimina D., Madej M., Kowalczyk J. Determining the tribological properties of diamond-like carbon coatings lubricated with biodegradable cutting fluids // 2017. – Vol. 4). – P. 2065–2072. – doi: 10.1515/amm-2017-0306.
  23. Tribological properties of cutting fluid sterilized by atmospheric-pressure plasma treatment / J. Miyamoto, M. Kodama, S. Kawada, R. Tsuboi //– 2018. – Vol. 5). – P. 248–253. – doi: 10.2474/trol.13.248.
  24. Panneer R., Panneerselvam T. Experimental investigation on the effect of ionic liquids (C16H36BrP and C16H36BrN) on the tribological performance of neem oil // International Journal of Surface Science and Engineering. – 2020. – Vol. 14 (1). – P. 16–33. – doi: 10.1504/ijsurfse.2020.105877.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».