Tornalama takımlarına nano grafen ve karbon nanotüp katkılı epoksi kullanılarak yapıştırılmış kesici ucun performansının incelenmesi
An investigation of performance of cutting tools with bonded insert by nano graphene and carbon nanotube reinforced epoxy
Yazar: ERDEM ERYILDIZ
Danışman: PROF. DR. ERHAN ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kaynak, lehim, perçin, cıvata gibi çeşitli yöntemler endüstriyel alanlardaki yapısal elemanların birleştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak yapıştırma yöntemi, geleneksel birleştirme yöntemlerine önemli bir alternatif oluşturmakta ve sağladığı avantajlardan dolayı endüstriyel uygulamalarda yer almaktadır. İşlem hızı, uygulama kolaylığı, düşük maliyet, düşük gerilim konsantrasyonu ve çeşitli malzemelere uygulanabilirliği yapıştırma bağlantıların avantajlarına örnek olarak verilebilir. Yapıştırma bağlantıların dayanımları, yapıştırma işlem parametreleri, yapıştırılan malzemelerin çeşitleri gibi faktörlere bağlı olmalarına rağmen, bağlantı dayanımını belirleyen en önemli faktör, yapıştırıcının dayanımıdır. Yapıştırıcıların dayanımını arttırmak, günümüze kadar pek çok araştırmanın konusu olmuştur. Günümüzde de yapıştırıcıların mekanik dayanımlarını arttırmak için çalışmalar devam etmektedir. Yapıştırıcıların mekanik dayanımlarını arttırmak için uygulanan yöntemlerden birisi de, yapıştırıcı içerisine dayanımı yüksek çeşitli tozlar ilave etmektir.

Bu çalışmada, sıcaklıkla kürlenen tek bileşenli epoksi yapıştırıcı içerisine, dayanımı yüksek olan nano grafen ve çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) parçacıklar katılarak nanokompozit yapıştırıcılar üretilmiştir. Yapıştırıcı içerisine katılan nano parçacıkların ergime sıcaklıkları, yapıştırıcının kürleme sıcaklığından daha yüksek olduğu için nano parçacıkların yapısında bir bozulma olmamıştır. Bu nanokompozit yapıştırıcılar, çelik-çelik ve çelik-sert metal (Tungsten Karbür) tek katlı bindirme bağlantıların oluşturulmasında kullanılmıştır. Küçük miktarda nano parçacık ilave edilerek hazırlanan nanokompozit yapıştırıcılarla hazırlanan numunelerin bağlantı dayanımları, yalın epoksi yapıştırıcı ile hazırlanan numunelerin dayanımından daha yüksek çıkmıştır.

Talaşlı şekillendirmede, kesici uçların takım tutucusuna tutturulmasında genellikle mekanik sıkma ve sert lehimleme yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemlere alternatif olarak yapıştırma yöntemiyle tutturulmuş kesici uçlarla işlenen iş parçalarının daha iyi yüzey kalitesi sunduğu bilinmektedir. Ancak; yapıştırma bağlantıların dayanımları sınırlıdır. Bu sebeple, bu çalışmada, yalın epoksi yapıştırıcıya göre daha üstün mekanik özelliklere sahip olan nanokompozit yapıştırıcılar, kesici uçların takım tutucuya tutturulmasında kullanılmıştır. Mekanik sıkma yöntemi, yalın epoksi yapıştırıcı veya MWCNT parçacık takviyeli ve nano grafen parçacık takviyeli nanokompozit yapıştırıcılar kullanılarak takım tutucuya tutturulmuş kesici uçlar kullanılarak AISI 1040 çeliğin silindirik tornalamasında oluşan kesme kuvvetleri, sıcaklık ve iş parçası yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Yapıştırılmış kesici uç kullanıldığı durumda ölçülen kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülük değerleri, yapıştırıcı tabakanın sönümleme özelliğinden dolayı C tipi mekanik sıkma yöntemi ile tutturulmuş kesici uçların kullanıldığı durumda ölçülen değerlere göre daha az çıkmıştır. Ancak sıcaklıklar, yapıştırma tabakasının ısıl iletkenliğinin az olması nedeniyle yapıştırılmış kesici uçlarda mekanik sıkmalı kesici uçlara göre daha yüksek ölçülmüştür. Yalın epoksi yapıştırıcı içerisine katılan nano parçacıklar, epoksinin viskozitesinin artmasına ve sönümleme özelliğinin azalmasına neden olduğundan kesme kuvvetlerini ve yüzey pürüzlülüklerini bir miktar arttırmıştır. Ayrıca yüksek ısı iletkenliğine sahip nano parçacıklar, yalın epoksi yapıştırıcının ısı iletkenliğini arttırarak nanokompozit yapıştırıcılar ile takım tutucuya tutturulmuş kesici uçlarda ölçülen sıcaklıkların azalmasını sağlamışlardır. Takviye malzemesi olarak kullanılan nano parçacıklar arasında karşılaştırma yapıldığında ise, yapıştırılan yüzeylere daha iyi tutunan ve matris içerisinde daha homojen bir dağılım sağlayan nano grafen parçacıklar, MWCNT parçacıklara göre daha iyi sonuçlar vermiştir.

Yapıştırma yönteminin mekanik sıkmaya göre maliyetinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Kesici ucun takım tutucuya yapıştırma yöntemiyle tutturulması nedeniyle oluşan maliyet incelemesinde, nano kompozit yapıştırıcının yalın yapıştırıcıya göre maliyeti bir miktar daha arttırdığı belirlenmiştir. Ancak; hassas parçaların bitirme işlemlerinde, kesici ucu yapıştırılmış takımların kullanılmasının, ilave maliyetine rağmen tercih edilebileceği görülmüştür.

Abstract:
Various methods such as welding, soldering, riveting, bolt etc. are widely used for joining structural components in the industrial areas. However the bonding method has been an important alternative to the traditional joining methods and gained a place in the industrial applications due to offering some advantages. The process speed, ease of application, low cost, low stress concentration and applicability to the various materials can be given as examples to these advantages, although the joint strength depends on the factors such as bonding parameters, type of adherents etc. the most important factor indicating the joint strength is the strength of adhesive. An improvement on the strength of adhesive has been a subject for many researches up to the present. And nowadays these studies have been continued. The reinforcement of the adhesive with various high strength particles is one of the methods to enhance the strength of adhesives.

In this study, nanocomposite adhesives were produced by reinforcing the one part heat epoxy adhesive with high strength nano graphene and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) particles. There is not any failure in the structure of the nano particles due to the fact that the melting temperatures of nano particles are higher than the curing temperature of the adhesive. These nanocomposite adhesives were applied to produce steel-steel and steel-hard metal (Tungsten Carbide) single lap joints. The joint strength of the samples bonded by nanocomposite adhesives prepared with small amount of nano particles were higher than that of the samples bonded by pure epoxy adhesive.

In machining, mechanical clamping and brazing methods are usually applied to attach the cutting inserts to the tool holder. It is known that the workpieces machined with bonded cutting tools as an alternative of these methods providing better surface quality. However, the strength of the bonded joints is limited. Therefore, in this study, nanocomposite adhesives having better mechanical properties than pure epoxy adhesive were used to attach the cutting inserts to the tool holder. The cutting forces, cutting temperature and workpiece surface roughness values occurring in the cylindrical turning of AISI 1040 steel by using cutting tools attached with mechanical clamping method, pure epoxy adhesive or MWCNT particle reinforced and nano graphene particle reinforced nanocomposite adhesives to the tool holder were measured and the results were compared by each other. The cutting forces and surface roughness values measured in the case of performing bonded cutting tools were lower than the values measured in the case of performing C type mechanical clamping method due to damping properties of the adhesive layer. But the cutting temperatures measured on the bonded cutting tools were higher than that measured on the mechanical clamped cutting tools because of the low thermal conductivity of the adhesive layer. The nano particles reinforcing the pure epoxy adhesive increased the cutting forces and surface roughness' a little due to increasing the viscosity of the epoxy and decreasing the damping properties. In addition, the nano particles having high thermal conductivity caused a decrease in the cutting temperatures measured on the cutting tools attached with nanocomposite adhesives to the tool holder by increasing the thermal conductivity of pure epoxy adhesive. When compared between nano particles as reinforcement materials, nano graphene particles adsorbing better on the adherend surface and providing more homogeneous distribution in the matrix gave better results than MWCNT particles.
It is seen that the cost of the bonding method is higher than that of the mechanical clamping. In the cost analysis due to the attachment of cutting inserts to the tool holder by bonding method, it was determined that the nanocomposite adhesive increased the cost slightly more than the pure adhesive. Hovewer, in finishing operations of precision parts, the use of bonded cutting tools could be preferred despite the additional cost.