Development of an innovative mechanistic-thermal model for studying the effect of MQL in peck drilling

This dissertation initially presents the state of art of Minimum Quantity Lubrication (MQL), exploring the application and impact of this type of cooling technique in modern machining practices. The study critically examines various aspects related to MQL, including its formulation development, configurations, and effectiveness in reducing environmental impact and tool wear, while enhancing cutting performances. Indeed, in this thesis, the influence of MQL on a specific machining process, peck drilling process is investigated: theoretical models for predicting cutting forces and temperatures reached in the workpiece are reviewed and extended to include the concept of oblique cutting theory. The dissertation discusses the application of the predictive machining theories developed to analysing cutting mechanics and thermal dynamics under various machining parameters and lubrication conditions. The conceived mechanistic cutting model exploits the Oxley’s theory extended to Johnson-Cook material flow stress formulation, extending it further to the oblique cutting concept characterization. When dealing with thermal model, in this work, an extension to the partial differential solution for heat conduction is provided to analyse the temperature rise in the workpiece caused by the peck drilling strategy. The conceived models are applied to understand from a phenomenological point of view, the effects of adopting MQL on the chip formation mechanism and heat generation and propagation. In conclusion, this dissertation highlights the critical role of MQL in drilling process. MQL oil flowrate affects the mechanics of cutting decreasing the friction coefficient. This reduces the heat generated, reducing the workpiece temperature. MQL air flowrate doesn’t have any effect on mechanics of cutting but helps to decrease temperature of workpiece increasing convective refrigeration. By integrating experimental findings with theoretical models, the study contributes to advancing the understanding of this particular lubrication technique, providing the relations between the machining process dynamics and the cooling parameters used in the process.

Questa tesi presenta inizialmente lo stato dell'arte della Lubrificazione a Minima Quantità (MQL), esplorando l'applicazione e l'impatto di questa tecnica di raffreddamento nelle pratiche di lavorazione moderne. Lo studio esamina in modo critico vari aspetti relativi alla MQL, inclusi lo sviluppo delle sue formulazioni, le configurazioni e l'efficacia nella riduzione dell'impatto ambientale e dell'usura degli utensili, migliorando al contempo le prestazioni di taglio. Infatti, in questa tesi viene indagata l'influenza della MQL su un processo di lavorazione specifico, il processo di foratura a intervalli (peck drilling): vengono rivisti ed estesi i modelli teorici per la previsione delle forze di taglio e delle temperature raggiunte nel pezzo, includendo il concetto di teoria del taglio obliquo. La tesi discute l'applicazione delle teorie di lavorazione predittiva sviluppate per analizzare la meccanica del taglio e la dinamica termica sotto vari parametri di lavorazione e condizioni di lubrificazione. Il modello di taglio meccanicistico sviluppato sfrutta la teoria di Oxley estesa alla formulazione del flusso di stress del materiale di Johnson-Cook, estendendolo ulteriormente alla caratterizzazione del concetto di taglio obliquo. Per quanto riguarda il modello termico, in questo lavoro, viene fornita un'estensione della soluzione differenziale parziale per la conduzione del calore per analizzare l'aumento di temperatura nel pezzo causato dalla strategia di foratura a intervalli. I modelli concepiti vengono applicati per comprendere, da un punto di vista fenomenologico, gli effetti dell'adozione della MQL sul meccanismo di formazione del truciolo e sulla generazione e propagazione del calore. In conclusione, questa tesi evidenzia il ruolo critico della MQL nel processo di foratura. Il flusso d’olio del MQL influenza la meccanica del taglio riducendo il coefficiente di attrito. Questo riduce il calore generato, abbassando la temperatura del pezzo. Il flusso d'aria MQL non ha alcun effetto sulla meccanica del taglio, ma aiuta a diminuire la temperatura del pezzo aumentando la refrigerazione convettiva. Integrando i risultati sperimentali con i modelli teorici, lo studio contribuisce ad avanzare la comprensione e l'applicazione di questa particolare tecnica di lubrificazione, fornendo le relazioni tra le dinamiche del processo di lavorazione e i parametri di raffreddamento utilizzati nel processo.