Effects of mistakes which made during the hole tapping manually  on tensile strength of a threaded connection
Vidalı bağlantılarda gövdeye manuel olarak delik açmada yapılan hataların bağlantının çekme mukavemetine etkisi
Yazar: KAMİL FERATOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akma dayanımı = Yield strength ; Civatalı bağlantı = Bolted joint ; Kopma direnci = Rupture strength ; Çekme dayanımı = Tensile strength

Özet:
Günümüzde, civata ve kaynak bağlantıları çelik konstrüksiyonların bir parçası olarak sık kullanılırlar. Her iki bağlantı türününde avantajları ve dezavantajları vardır. Eğer, düzgün bir şekilde tasarlanırsa iki tür bağlantıda aynı dayanıma sahip olur. Bu bağlantı türleri arasındaki en önemli fark ise, cıvatalı bağlantı eğitimsiz bir işçi tarafından bile uygulanabiliniyorken, kaynaklı bağlantı sertifikalı bir kaynakçı tarafından yapılmalıdır.Bu tezde , bir gövdeye manuel  olarak delik açılması sırsaında ortaya çıkabilecek hataların, bağlantının dayanımını nasıl etkilediği ve bu hata  geçici bir süre için nasıl telafi edilebilir soruları üzerinde durulmuştur. 

Deneylerde, piyasada mevcut bilinen bir  marka  civata kullanılmıştır. 8.8 kalite civata seçilmiştir. 8.8 kaliteyi seçmemizin sebebi piyasada istenilen özellikleri sağlayan ve en çok kullanılan civata olmasıdır. Somun malzemesi olarak AISI 1040 çeliği kullanılmıştır. Bir üreticiden  işlenmemiş olarak alınan AISI 1040 çelik çubuklara standart kılavuzlar ile manuel diş açılmıştır. İlk aşamada somun malzemesi olarak kullanılan AISI 1040 çeliğinin istenilen mekanik özellikleri sağlayıp sağlamadığını kontrol amaçlı, bu malzemeden iki adet 5mm çapa sahip numune üretilmiş ve bunlar çekme testine tabii tutulmuştur. Elde edilen sonuçlarda malzemenin maksimum dayanım yükü ortalama 14,8 kN, kopma mukavemeti ise 753 MPa'dır. 8 kalite çelik somunun dayanımının 800 MPa olduğu ve piyasada kullanılan çoğu somunundada çelik yerine demir alaşımları kullanıldığı düşünülürse, elde edilen değerler makuldür. Üretilen somunlarda kullanılan matkap çapları aşama aşama arttırılarak, somunların diş üstü çapları azaltılmış yani civata somun bağlantısında eksene dik diş temas derinlikleri azaltılmıştır. Bu yapılarak, civata somun bağlantısında meydana gelen zarar türünün hangi aralıklarda değiştiği saptanmaya çalışılmıştır. Deneylerde gerçekleşen zararlar civatanın kopması ve civata dişlerine zarar gelmesi olarak iki şekilde meydana gelmiştir. Elde edilen sonuçlarda, yaklaşık 5 mm  kalınlığa sahip bir somunun kullanıldığı bağlantılarda yaklaşık 0,365 ila 0,315 mm arasında değişen eksene dik diş temas derinliklerinde bağlantıda dişlere zarar geldiği tespit edilmiştir. Bu aralık saptandıktan sonra, bu saptanan diş yüksekliği sabit tutularak somun yüksekliği arttırılmış ve  bağlantıda dişe zarar gelmemesi için bu yüksekliğin hangi aralıklarda olması gerektiği saptanmaya çalışılmıştır. Sonuçlar, yaklaşık 0,315 mm eksene dik diş temas yüksekliğine sahip bir bağlantıda 6,12 mm somun kalınlığında dişlere zarar gelmiş, 6,18 mm somun kalınlığında ise civata kopmuştur. Yani, zararın türünü belirleyen aralık 6,12 ila 6,18 mm aralığıdır. Sonuç olarak,  0,315 mm eksene dik diş temas derinliğine sahip bağlantıda somun yüksekliği, somun minör çapının % 137 ila %139'su olduğu aralığın altındaki değerlerde dişlerde hasar oluşmakta, üstündeki değerlerde ise civata kopmaktadır. Eksene dik diş temas yüksekliğinin sabit olmadığı genel durum ele alınırsa, kullanılan matkap çapının somun yüksekliğinden küçük olduğu durumlarda matkap çapı somun yüksekliğinin yaklaşık olarak %89'u ve üstünde ise civata kopmakta, altında ise civatanın dişlerinde hasar oluşmaktadır. Matkap çapının somun yüksekliğinden fazla olduğu durumlarda ise, matkap çapı somun yüksekliğinin 1,07 katından küçük veya eşit ise civata kopmakta, 1,09 katından büyükse civatanın dişlerine hasar gelmektedir.
 Deneylere ek olarak, dişlerde hasar oluşan somun ölçülerinde somun ile civata dişleri arasına reçine bazlı yapıştırıcılar sürülerek bağlantının dayanımı arttırılmaya çalışılmıştır, ancak tutarlı sonuçlar elde edilememiştir.Somunların diş yüksekliklerinin daha az olması, yarı mamül somuna delik açılırken kullanılan standart matkap çaplarından daha büyük matkap çapları kullanılarak delik çapları arttırılmış ve standart kılavuzlar kullanılarak sağlanmıştır. Üniversal çekme cihazında, civata bağlantısını çekebilmek için hazır bir aparat olmadığı için, M6,M8 ve M10'luk civata bağlantılarının kullanıldığı deneylerin yapılabileceği bir çekme aparatı tasarlanmış ve İTÜ Makine Fakültesi Makine Elemanları laboratuvarlarında üretilmiştir.Deneylerde kullanılan 3 ton kapasiteye sahip  Universal çekme cihazının kapasitesi göz önünde bulundurarak deneylerde  M6 civata kullanılmak üzere seçilmiştir. Somunlar, İTÜ Makine Fakültesi Makine Elemanları laboratuvarlarında üretilmiş, Işık Üniversitesi Makine mühendisliği laboratuvarlarında deneyler gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Nowadays, bolted and welded joint are commonly used as parts of steel construction. Both joint types have advantages as well as disadvantages. If bolted and welded joint are designed properly, they will result in the same strength. The difference between these joint types is that bolt joint can be performed by untrained worker; meanwhile weld joint must be performed by certified welder. Bolt and nut connection at steel joint starts working due to the application of shear force and/ or tension force in the longitudinal axis of the bolt. The strength of bolted joint is affected not only by the quality of steel, which is used as bolt material, but also by the strength of bolt and nut connection. The strength of this connection depends on thread size, thread length(number of thread), and the thickness of nut.In bolted joints which are used in machine manufacturing, material, sizing, position and number of bolts is very important. Beside that, fundamentals like notch effect on bolt, uniform load distribution on bolt, connection surfaces, loosening safety are the matters which must be paid attention. 
There are two main failure type in the bolted joints. These failure types are bolt rupture and thread failure. % 65 of bolt ruptures occur in first thread that bolt and nut are contact with eachother, %20 in the region which threads starts on the bolt, %15 bolt head and shank transition region. To prevent this rupture, proper transitions in the region which thread starts on bolt and the region between shank and bolt head are the possible solutions.
Applied loads to the bolted joints are not distributed uniformly to the threads which carry the load. The first engaged thread carries the most of the load. Therefore, the first damage is occured on the first engaged thread and then the other threads are damaged. This damage mostly occurs in two different types. These are thread bending and thread stripping. Rate between ultimate tensile strength of nut's material and bolt's material specify the type of thread failure in the connection. Using elastic material for the nut material or using elastic nut are the most used methods to prevent thread failure in the bolted joints. To determine the mechanical properties of a material, tensile test is performed. This test is performed by applying a force to the specimen which is taken from the material and measuring the stress and strain on the specimen. 
In this thesis, how  the mistakes which could be made during the process of tapping manually to a hole of a part could effect the strength of a threaded connection and how these mistakes could be compensated is studied. In the experiments, standard bolts are used and nuts are used as tapped hole. Nuts are manufactured non-standard. During the manufacturing process of nuts, two main parameters which are minor diameter of nut and nut height are considered. Threaded connection's strength is examined with the different variations of these two parameters.  In the experiments,  avaliable and known brand standard bolts are used. 8.8 is chosen as quality for bolts because 8.8 quality bolts are widely used in the market. M6 is chosen as nominal diameter. Because, available tensile testing device has a capasity of 3000 kgf. M8 bolt which has 8.8 quality has ultimate tensile strength of 800 Mpa and if M8 Bolt's stress cross sectional area is considered, this strength is correspond to 2988 kgf approximately and this load is very close to tensile testing device's loading capacity. Thus, M6 8.8 quality bolt which loads the tensile testing device 1641 kgf approximately under the ultimate tensile strength is chosen. 
In the bolted joint, nut and bolt's quality is usually same. So, nut's quality is chosen as 8 which correspond to 800 Mpa ultimate tensile strength. AISI 1040 steel which is widely used in the market is chosen as nut material and  supplied from a manufacturer as a semi-product of nut. This chosen material's ultimate tensile strength is tested in tensile testing device. From the derived results, material's tensile strength is 750 Mpa averagely. Considering other nut's materials using in the market, this value is fairly enough. AISI 1040 steel bars which are bought from a supplier as a semi-product are processed to desired nut height and tapped manually by using standard taps. By reducing the nut's depth of thread, depth of thread  ranges which thread failure and bolt failure occurs are determined. Reducing the nut's depth of thread is provided by using drill which has bigger diameter then the satndards. Using drill with the bigger diameter provides bigger hole in the nut. Therefore, using standard taps for bigger hole provides less depth of thread then the standards.  Two failure type are occured during the test. These failures are bolt rupture and thread failure. In the threaded connections, thread failure has two types which are thread stripping and thread bending. In the tests, thread failure type was thread bending. No stripping is occured. Because, thread engagement depth is almost half of the standards and this means less cross sectional area which bolt and nut threads engaged on. Decreasing in the cross sectional area provides more pressure on the threads and bending will occur.Nut threads are not damaged during the experiments, all damages happen on bolt threads. According to a research, if ratio between ultimate tensile strength of nut material and ultimate tensile strength of bolt material is above 0,88, bolt threads will damaged. 8.8 M6 bolt's material has 800 Mpa ultimate tensile strength and supplied AISI 1040 steel has 750 MPa ultimate tensile strength. Ratio between nut and bolt ultimate tensile strength is approximately 0,9. 
In the experiments, standard nut height which means standard length of engagement of 5mm is used and depth of thread engagement which is vertical to the axis is reduced step by step. In the  connections which have 0,515, 0,415, 0,365 mm depth of thread engagement, the failure occurs with bolt rupture. In the engagement of 0,315 and 0,265 mm thread failure occurs. To prevent this thread failure on 0,315 mm thread engagement depth, nut height is increased step by step and range between 6,12 and 6,18 mm nut height identify the failure type. While thread failure occurs under 6,12 mm nut height, above 6,18 mm nut height bolt is ruptured. Therefore, 6,18mm nut height is enough for 0,315 mm thread engagement depth to prevent thread failure. As a result, if  ratio between nut height and minor diameter of nut is equal or less then %137 thread failure will happen, if it's equal or more then %139 bolt will rupture. For 0,265mm thread engagement, small ranges which identify the failure type for nut height couldn't be obtained. When nut height is 6mm thread failure occurs, 8mm nut height provides enough strength to prevent thread failure and bolt is ruptured. In the case that nut height is greater than drill diameter, if ratio between drill diameter and nut height is less than 0,89 bolt will rupture, if this ratio is greater than or equal to 0,89 thread failure will occur. In the case that nut height is less than drill diameter, if ratio between drill diameter and nut height is less than or equal to 1,07  bolt will rupture, if this ratio is greater than or equal to 1,09 thread failure will occur. The other examined results is the results which shows the relation between thread engagement depth and nut height. If the thread engagement depth is less than %4,42 of nut height or greater than %7,3 of nut height bolt will rupture, rates apart from these stated ranges are the rates which thread failure occurs. In addition to these results, from the graph which shows the relation between maximum load that connection could handle and nut height, a regression equation is obtained from datas for 0,315 mm thread engagement depth. Since, the pitch is 1mm for the M6 bolt and nut, nut height is equal to number of thread which carry the tensile load. Equation shows that, one additional thread to the number of thread which carry the tensile load increases the maximum load which the connection could handle 1,7 times. This graph contains the nut height values between 6,1mm and 6,18mm. If this range is expanded to between 5mm and 8mm, the regression equation indicates that, maximum load that can be supported by the thread connection is equivalent to number of thrad to the 0,91th power.Additionally, the nuts which have geometry that cause thread failure in the connection are used with resine based adhesive. The adhesive is rubbed on threads between nut and bolt to increase the strength of the connection. However, the results were not consistent. Two apparatus are designed and mount to upper and lower holders of the tensile testing device to perform the experiments. These apparatus are designed for testing M6,M8 and M10 bolt and nut connections. Manufacturing  process of these apparatus are done in İstanbul Technical University Machine Elements Laboratory.Nuts with different minor diameters and different heights  are produced in İTÜ Machine Elements Laboratory. Experiments are performed with Testometric 3000 kgf capacity tensile testing device in Işık University Materials and Instrumentation Laboratory.