CGI malzemenin nanoakışkan kullanılarak MMY yöntemi İle talaşlı şekillendirilmesi
Machining of CGI material using nanofluid assisted MQL method
Yazar: UTKU DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ALPER UYSAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: CNC frezeleme = CNC milling ; Demir alaşımları = Iron alloys ; Karbon emisyon sertifikaları = Carbon emission certificates ; Talaşlı şekillendirme = Machining forming ; Yağlama = Lubrication

Özet:
CGI (Compacted Graphite Iron) ya da diğer bir ismiyle vermiküler dökme demir 1950 yıllarında keşfedilmesine rağmen, son yıllarda, özellikle yeni nesil dizel motorların üretilmesinde kullanımı gitgide artmaktadır. Artan güç talebine bağlı olarak, silindir içi basıncın yükselmesi ile birlikte özellikle ağır iş makinesi dizel silindir bloklarında konvansiyonel olarak lamel grafitli dökme demir yerini, artan bir hızla CGI malzemeye bırakmaktadır.
Talaşlı imalat prosesinde, maliyetlerin azaltılması oldukça önemlidir. Soğutucu/yağlayıcı olarak kullanılan kesme sıvıları talaşlı imalatın maliyet kalemlerinden biridir. Geleneksel kesme işleminin yerine MMY (Minimum Miktarda Yağlama) yöntemi kullanılarak maliyet açısından daha sürdürülebilir sonuçlar elde edilirken; aynı zamanda karbon ayak izi düşürülebilmekte ve hem çevre hem de insan sağlığı açısından olumlu sonuçlar elde edilebilmektedir.
Kesme sıvısına ilave edilen nano parçacıklar, kesme sıvısının yağlayıcılık ve termal iletkenlik özelliklerini iyileştirmektedir. Bu sayede, kesme sıcaklıkları, kesme kuvvetleri, yüzey pürüzlülük değerleri vb. olumlu etkilenmektedir. Bu tez çalışmasında, ticari bitkisel esaslı kesme sıvısına ağırlıkça %0,2 oranında nano MoS2 (Molibden disülfür), MWCNT (Çok Duvarlı Karbon Nanotüp) parçacıklar eklenerek nanoakışkanlar hazırlanmış ve kesme işleminde kullanılmıştır. Ayrıca, bu iki nano parçacığın beraber kesme sıvısına katıldığı hibrit nanoakışkanlar da hazırlanmıştır.
Deneysel çalışmalar, üç farklı kesme hızı (90 m/dak, 110 m/dak, 130 m/dak) ve ilerleme (0,08 mm/dev, 0,1 mm/dev, 0,12 mm/dev) değerlerinde ve sabit kesme derinliğinde (1,2 mm) gerçekleştirilmiş ve kesme kuvvetleri, kesme sıcaklıkları ve işlenmiş parçaların yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. Ayrıca, sürdürülebilirlik indislerinden karbon emisyonu ve talaşlı işleme maliyeti hesaplanarak deneysel sonuçlar ile birlikte optimizasyon gerçekleştirilmiştir. Literatürde, CGI malzeme ile yapılan çalışmalar sınırlı olmakla birlikte hibrit nanoakışkan kullanılarak MMY yöntemiyle sürdürülebilir frezelenmesi konusunda bu şekilde kapsamlı bir çalışma bulunamamıştır. Çalışmada, kesme koşulları arasında en iyi sonuç MWCNT takviyeli nanoakışkan kullanılan MMY yönteminde elde edilmiştir. MWCNT takviyeli MMY yöntemini, hibrit nanoakışkan kullanılan MMY yöntemi izlemiştir.
Kesme hızının 130 m/dak, ilerlemenin 0,1 mm/dev ve MWCNT takviyeli nanoakışkan kullanılan MMY şartında CGI malzemenin frezelenmesinde kuru kesmeye göre, yüzey pürüzlülüğünde %22, bileşke kuvvet değerinde %25, kesme sıcaklığında %28, karbon emisyonunda %2 ve talaşlı işleme maliyetinde %0,03 düşüş gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ile nanoakışkan takviyeli MMY yönteminin sürdürülebilir talaşlı şekillendirme yöntemi olduğunun ortaya konulduğu düşünülmektedir. Genetik algoritma yöntemi kullanılarak, optimum kesme şartının 101 m/dak kesme hızı, 0,01 mm/dev ilerleme ve MWCNT takviyeli nanoakışkan kullanılan MMY yöntemi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Although CGI (Compacted Graphite Iron) or otherwise known as vermicular (nodular graphite) cast iron was discovered in 1950, its use has been increasing in recent years, especially in the production of new generation diesel engines. Due to the increasing power demand, with the increase in the in-cylinder pressure, especially in heavy-duty diesel cylinder blocks, Lamellar Graphite Cast Iron is being replaced by CGI material with an increasing speed.
Reducing the costs per piece is very important in the machining process. One of these cost items is cutting fluids used as coolant/lubricant. By using the MQL (Minimum Quantity Lubrication) method, more sustainable results were obtained in terms of cost; at the same time, the carbon footprint can be reduced by using a minimum amount of vegetable cutting fluid instead of the traditional cutting process and positive results can be obtained in terms of both the environment and human health.
The nanoparticles added to the cutting fluid improve the lubricating and thermal conductivity properties of the cutting fluid during the cutting process. In this way, cutting temperatures, cutting forces, roughness of machined surfaces etc. are positively affected. In this thesis, nanofluids were prepared by adding 0.2% by weight nano MoS2 (Molybdenum Disulfide) and MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotube) particles to commercial vegetable cutting fluid and used in cutting process. In addition, hybrid nanofluids have been prepared in which these two nanoparticles are added to the cutting fluid together.
Experimental studies were conducted at three different cutting speeds (90 m/min, 110 m/min, 130 m/min), feeds (0.08 mm/rev, 0.1 mm/rev, 0.12 mm/rev), a constant depth of cut (1,2 mm) and cutting forces, cutting temperatures and surface roughness values of machined parts were measured. In addition, carbon emissions and machining cost were calculated as sustainability indices and optimization was carried out together with the experimental results. In the literature, although studies with CGI material are limited, no such comprehensive study has been found on sustainable milling by MQL method using hybrid nanofluid. In this study, the best result among cutting conditions was obtained with the MWCNT-MQL method. The MQL method using MWCNT reinforced nanofluid was followed by the MQL method using hybrid nanofluid.
According to dry cutting, in the milling of CGI material under MQL condition where cutting speed is 130 m/min, feed is 0.1 mm/rev and MWCNT reinforced nanofluid is used, 22% in surface roughness, 25% in resultant force, 28% in cutting temperature, 2% in carbon emission and 0.03% in machining cost reductions were observed. With the results obtained, it is thought that the nanofluid reinforced MQL method is a sustainable machining method. By using the genetic algorithm method, it was determined that the optimum cutting condition was the cutting speed of 101 m/min, feed of 0.01 mm/rev and MQL method using MWCNT reinforced nanofluid.