Geri dönüşümlü kesme sıvısının tribolojik özelliklerinin incelenmesi
The study of the tribological properties recycled cutting fluid
Yazar: AHMET ENES SARAÇ
Danışman: PROF. DR. ERTUĞRUL DURAK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tornalama, frezeleme, taşlama, delik işleme gibi talaşlı imalat yönteminin yaygın kullanıldığı metal işleme alanının önemli bir parçası olan kesme sıvıları soğutma ve yağlama özelliklerine sahip akışkanlardır. Kesme sıvıları ayrıca iş parçasının korozyona uğramasını önlemenin yanında talaşı kesme bölgesinden uzaklaştırmada da önemli rol oynamaktadır. Kesme sıvıları aynı zamanda endüstriyle bağlantılı çevresel ve sağlıkla ilgili sorumlulukları da vardır. Bu yüksek lisans tez çalışmasında ticari adı "bor yağı" olarak ifade edilen yeni kesme sıvısı, talaşlı imalat sektöründen temin edilen kullanılmış (kirli) kesme sıvısı ve mobil filtrasyon makinası ile geri dönüştürülmüş kesme sıvısı numuneleri Pim Disk Aşınma Test Cihazı (PDATC) kullanılarak tribolojik özelliklerinin incelemesine ilave olarak söz konusu bu kesme sıvılarının viskozite, mikrobiyolojik, ısı transfer özellikleri de incelenmiştir.
Kesme sıvısı numuneleri, aşındırıcı çelik bilye ve St-37 (S235J0) çelik levha yüzeyinde sınır sürtünme koşullarını sağlamak için yaklaşık 175 ml kesme sıvısı kullanılmıştır. Bu nedenle deneyin başlangıcında numuneler kesme sıvısı içerisine tamamen daldırılmış konumdadır. Testler 20 N yük, 500 d/d hız (kayma hızı 0,3665 m/s) ve 1000 m kayma mesafesi, 45 dakika deney süresinde ve 23 ± 2 °C ortam sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. PTDATC ile yapılan testlerde sürtünme katsayıları değerleri ve aşınma miktarları her üç kesme sıvısı için de hemen hemen birbirine yakın değerlerde olduğu görülmüştür. Üç tekrarlı test sonuçlarının ortalaması göz önüne alındığında en düşük sürtünme katsayısı kullanılmış (kirli) kesme sıvısı ile yapılan testlerde elde edilirken, en yüksek ortalama sürtünme katsayısı ise geri dönüşümlü kesme sıvısı ile yapılan testlerde elde edilmiştir. PTDATC ile yapılan testlerdeki aşınma miktarı ölçümlerinde dikkate değer büyük bir aşınma miktarı tespit edilmemiştir. Testlerde elde edilen en yüksek aşınma miktarı kullanılmış (kirli) kesme sıvısında gerçekleşirken, en düşük aşınma miktarı kullanılmamış (yeni) kesme sıvısı ile gerçekleştirilen deney sonucunda elde edilmiştir. Numunelerin yüzeylerinden, ortalama pürüzlülük değeri (Ra) değerleri tekrarlı olarak ölçülmüştür. Deney numunelerinin tümünde Ra pürüzlülük değerlerinde düşüş gerçekleşirken en büyük değişim kullanılmamış yağ numunesindeki yüzeyde oluşurken bunu sırasıyla geri dönüşümlü ve kullanılmış (kirli) numune takip etmiştir. Aşındırıcı bilye ve karşı aşınan plaka numuneleri taramalı elektron mikroskobunda (SEM) yüzey topoğrafyası incelemeleri ve enerji dağılımlı x-ray spektroskopisi (EDS) ile çizgisel elemental yüzey analizleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılmış kesme sıvısı kullanılan sürtünme-aşınma test numunesinde partiküllerin yüzeye tabaka şeklinde sıvandığı görülmüştür. SEM görüntülerinin bilgisayar ortamında ortalama iz çapı genişlikleri hesaplandığında, en büyük iz genişliği kullanılmış (kirli) kesme sıvısı, daha sonra geri dönüştürülmüş ve kullanılmamış (yeni) kesme sıvısına aittir. Viskozite ölçümlerinde dinamik viskozite değeri küçükten büyüğe doğru kullanılmamış (yeni), geri dönüşümlü ve kullanılmış (kirli) kesme sıvısı şeklinde sıralandığı tespit edilmiştir. Kullanılmış kesme sıvısının viskozitesindeki artış, akışkan içerisindeki bakteri, kızak, yağlama yağların vb. karışımı ve kirden kaynaklamaktadır. 
Talaşlı imalatta kesme sıvısının diğer bir görevi de takım ve kesme bölgesinin sıcaklık kontrolünü sağlamaktır. Bu nedenle deney numune kesme sıvılarının ısı transfer katsayısı ölçümleri yapılmıştır. Yapılan testlerde en yüksek ısı transferi katsayısı kullanılmamış (yeni) kesme sıvısında elde edilirken, daha sonra ısı transferi yönünden geri dönüşümlü ve kullanılmış (kirli) kesme sıvısı takip etmiştir. Testlerde aşındırıcı bilyede ölçülen sıcaklık değerlerinde büyük bir fark olmamasına rağmen ortalama sıcaklık değişimi en az geri dönüşümlü kesme sıvısında, en fazla ise kullanılmış (kirli) kesme sıvısında ölçülmüştür. Yapılan mikrobiyoloji testlerinde mikrobiyolojide canlı bakteri sayısını tahmin etmede kullanılan Koloni Oluşturan Birim (KOB) sayısı en yüksek kullanılmış kesme sıvısında görülürken geri dönüşüm yapıldığında mikrobiyolojik faaliyetin azaldığı ve neredeyse tamamen bittiği görülmektedir. Geri dönüşümlü kesme sıvısından elde edilen ilk veriler ışığında talaşlı imalatta kullanılma potansiyeli olduğu görülmüştür.

Abstract:
Cutting fluids, an essential component of the metalworking sector where machining methods such as turning, milling, grinding, and drilling are widely used, possess cooling and lubrication properties. Additionally, cutting fluids play a crucial role in preventing workpiece corrosion and in removing chips from the cutting area. However, cutting fluids also entail environmental and health-related responsibilities associated with the industry. In this master's thesis study, the new cutting fluid, whose trade name is "boron oil", the used (dirty) cutting fluid obtained from the machining industry, and recycled cutting fluid samples with mobile filtration machine were tested for their tribological properties using the Pin Disc Wear Test Rig (PDWTR). In addition, the viscosity, microbiological and heat transfer properties of these cutting fluids were also examined.
Approximately 175 ml of cutting fluid was used to ensure boundary friction conditions on the cutting fluid samples, abrasive steel ball and St-37 (S235J0) steel plate surface. Therefore, at the beginning of the experiment, the samples were completely immersed in the cutting fluid. The tests were conducted under a 20 N load, at a speed of 500 rpm (sliding speed of 0.3665 m/s), over a sliding distance of 1000 m, for duration of 45 minutes, and at an ambient temperature of 23 ± 2 °C. The friction coefficients and wear amounts obtained from the PTDATC tests were almost similar for all three cutting fluids. Considering the average results of three repeated tests, the lowest friction coefficient was obtained with the used (dirty) cutting fluid, while the highest average friction coefficient was found with the recycled cutting fluid. No very much significant wear was detected in the wear measurements from the PDWTD tests. While the highest amount of wear was obtained with used (dirty) cutting fluid, the lowest amount of wear was obtained as a result of the experiment carried out with unused (new) cutting fluid. The surface roughness parameters of the samples, including the average roughness value (Ra) were measured repeatedly. While the Ra roughness values decreased in all test samples, the most significant change was observed on the surface with the unused oil sample, followed by the recycled and used (dirty) samples. Surface topography examinations and elemental surface analyses were conducted on the abrasive ball and counter-wear plate samples using a scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The analysis of the surface of the sample tested with used cutting fluid had particles smeared onto the surface in a layer. The SEM images showed that the widest wear track was associated with the used (dirty) cutting fluid, followed by the recycled and new cutting fluids. Viscosity measurements indicated that the dynamic viscosity values, in ascending order, were for the new (non-used), recycled, and used cutting fluids. The increase in the viscosity of the used cutting fluid was attributed to contamination and the presence of bacteria and slideway, lubricating oils mixed into the fluid.
Another important function of cutting fluids in machining is to control the temperature of the tool and cutting area. For this reason, heat transfer coefficient measurements of the test sample cutting fluids were made. The highest heat transfer coefficient was obtained with the new cutting fluid, followed by the recycled and used cutting fluids. Although there was no significant difference in the temperature values measured at the abrasive ball in the tests, the smallest average temperature change was observed with the recycled cutting fluid, while the largest change was with the used (dirty) cutting fluid. Microbiology tests showed that the Colony Forming Unit (CFU) count, which is used for estimating the number of live bacteria, was highest in the used cutting fluid, whereas microbial activity decreased significantly and almost ceased after recycling. The initial data obtained from the recycled cutting fluid indicate its potential for use in machining.