Inconel 718 alaşımlarının frezelenmezinde mono ve hibrit bitkisel nanoakışkan kullanılan MMY yöntemlerinin işleme performansına etkisi
Effect of MQL methods using mono and hybrid vegetable nanofluid on machining performance in milling of Inconel 718 alloys
Yazar: GÖRKEM TAZEGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞEGÜL ÇAKIR ŞENCAN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Üstün mühendislik özelliklerine sahip nikel alaşımları, günümüzde uzay, havacılık, otomotiv sanayi gibi alanlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Termal ve mekanik dayanımları çok yüksek olan bu alaşımların talaşlı imalat ile şekillendirilmesi oldukça problemlidir. Çünkü talaş kaldırma işlemlerinde kesici takımlar üzerinde oluşan ısı, takım aşınmasına ve buna bağlı olarak da iş parçası üzerinde yüzey pürüzlülüğünün artmasına neden olur. Bu nedenle, son yıllarda nikel alaşımlarının işlenebilirliklerini iyileştirmek için yapılan araştırmalar önem kazanmaktadır. Bu iyileştirmenin adımlarından birisi olarak minimum miktarda yağlama (MMY) yöntemi önde gelmektedir. Basınçlı hava yardımı ile oluşturulan yağ sisi ile, kullanılan yağ miktarı geleneksel yönteme göre azaltılarak minimum seviyelere indirilmesi sonucunda çevre ve insan sağlığına olan zararlar azaltılmaktadır. MMY yönteminde kullanılan kesme sıvılarına son dönemlerde eklenmeye başlanan nanoparçacıkların ısıl iletkenlik katsayıları ve geometrik yapıları sebebiyle işleme performansından daha iyi sonuçlar alınabileceği akıllara gelmektedir. Bu sebeple, yapılan çalışmada Inconel 718 nikel alaşımının frezelenmesi deneylerinde belirleyici etkisi olan kesme parametrelerinin ve soğutma yöntemlerinin işleme sonucu üzerindeki etkileri gözlemlenmiştir. İşleme esnasındaki ekolojik etkenler göz önünde bulundurularak baz akışkan olarak bitkisel yağ (ayçiçek yağı) tercih edilmiştir. Bitkisel yağa üç farklı nanoparçacık (Al2O3, TiO2 ve hBN) tekli (mono), ikili (hybrid) ve üçlü (ternary hybrid) olarak ilave edilmiştir. Bu şekilde 7 farklı nanoakışkan (1- Al2O3, 2- TiO2, 3- hBN, 4- Al2O3+TiO2, 5- Al2O3+hBN, 6- TiO2+hBN ve 7- Al2O3+TiO2+hBN) hazırlanmıştır. Hazırlanan her bir nanoakışkanda kullanılan toplam nanoparçacığın nanoakışkana hacimce oranının %0,5 olmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca hibrit nanoakışkanlarda kullanılan farklı nanoparçacıkların eşit hacimde olmasına özen gösterilmiştir. Deneyler içerisinde uygulanan soğutma yöntemleri ve kesme hızı girdi parametreleri olarak alınmıştır. Deneyler sonucunda işleme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü, kesme bölgesinde meydana gelen sıcaklık ve takım aşınması üzerindeki etkileri incelenmiştir. Tam Faktöriyel Deney Tasarımı kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiş, ardından sonuçlar Minitab paket programı aracılığıyla varyans analizi (ANOVA) yapılarak değerlendirilmiştir.
Tam faktöriyel deney tasarımı ile yapılan deneylerden elde edilen varyans analizi sonuçları incelendiğinde, yüzey pürüzlülüğünü en fazla etkileyen parametrenin kesme hızı olduğu görülmüştür. Kesme hızının artışı yüzey pürüzlülüğünü azalttığı açık bir şekilde belirlenmiştir. Kesme bölgesinde oluşan sıcaklığı en yüksek miktarda etkileyen parametrenin soğutma yöntemleri olduğu görülmüştür. Takım aşınmalarını en fazla etkileyen parametrenin kesme hızının olduğu saptanmıştır. Kesme hızında olan artış ile takımdaki aşınma artırmıştır. Tüm çıktılarda nanoakışkan uygulanan MMY yöntemlerinde işleme performansında belirgin bir artış gözlenmiştir. Tüm çıktıları birlikte değerlendirerek optimum şartı bulmak için gerçekleştirilen gri ilişkisel analiz sonuçlarına göre, 40 m/dk kesme hızında Al2O3+hBN hibrit nanoakışkanın MMY yöntemiyle kesme bölgesine uygulandığı koşulların optimum kesme şartı olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmayla kuru kesme ve sade yağ uygulamasına kıyasla mono ve hibrit nanoakışkanların MMY yöntemiyle kesme bölgesine uygulanmasının işleme performansında belirgin bir iyileşme sağladığı ortaya konmuştur.

Abstract:
Nickel alloys, which have superior engineering properties, are frequently used in aerospace, aviation, automotive industry, etc. today. These alloys, which have very high thermal and mechanical strength, are quite problematic to shape by machining. Because the heat generated on the cutting tools in the machining process causes tool wear and, accordingly, an increase in the surface roughness on the workpiece. Therefore, research conducted in recent years to improve the machinability of nickel alloys has gained importance. One of the steps in this improvement is the minimum quantity lubrication (MQL) method. With the oil mist created with the help of compressed air, the amount of oil used is reduced to minimum amounts compared to the traditional method, thus reducing its harm to the environment and human health. It comes to mind that better values can be obtained as a result of machining due to the thermal conductivity properties and geometric structures of nanoparticles recently added to the cutting fluids used in the MMY method. For this reason, in this study, the effects of cutting parameters and cooling methods on the machining performance in milling experiments of Inconel 718 nickel alloy were investigated. Considering the ecological factors during processing, vegetable oil (sunflower oil) was preferred as the base fluid. Three different nanoparticles (Al2O3, TiO2 and hBN) were added to vegetable oil as mono, hybrid and ternary hybrid. In this way, 7 different nanofluids (1- Al2O3, 2- TiO2, 3- hBN, 4- Al2O3+TiO2, 5- Al2O3+hBN, 6- TiO2+hBN and 7- Al2O3+TiO2+hBN) were prepared. Care was taken to ensure that the volume ratio of total nanoparticles to nanofluid used in each prepared nanofluid was 0.5%. In addition, care was taken to ensure that the different nanoparticles used in hybrid nanofluids were in equal volumes. In the experiments, cutting speed, feed and cooling methods were taken as input parameters. At the end of the experiments, the effects of these parameters on surface roughness, temperature in the cutting zone and tool wear were examined. Experimental designs were made using Full Factorial Experimental Design, and then the results were evaluated by variance analysis (ANOVA) via the Minitab package program. 
As a result of the variance analysis obtained from the experiments conducted with full factorial experimental design, it was seen that the parameter that affects the surface roughness the most is the cutting speed. It was clearly seen that the increase in the cutting speed reduces the surface roughness. It was seen that the parameter that affects the temperature in the cutting zone the most is the cooling method. It was seen that the parameter that affects the tool wear the most is the cutting speed. The increase in the cutting speed increased the wear on the tool. A clear increase in the machining performance was observed in the MQL methods applied with nanofluid in all outputs. According to the results of the grey relational analysis performed to find the optimum condition by evaluating all the outputs together, it was determined that the conditions in which Al2O3+hBN hybrid nanofluid was applied to the cutting zone with the MQL method at a cutting speed of 40 m/min were the optimum cutting conditions. As a result, this study has shown that the application of mono and hybrid nanofluids to the cutting zone with the MQL method provides a significant improvement in machining performance compared to dry cutting and pure oil application.