Kriyojenik ısıl işlem uygulanmış özel tasarlanmış matkap uçları ile fiber takviyeli cam-epoksi kompozitin delme performansı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of drilling performance and mechanical properties of fiber reinforced glass-epoxy composite with cryogenically treated special design drill bits
Yazar: MEHMET ŞÜKRÜ ADİN
Danışman: PROF. DR. BAHATTİN İŞCAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞEHMUS BADAY
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Delaminasyon analizi = Delamination analysis ; Delik-işi = Open-work ; Kesici takımlar = Cutting tools ; Kriyojenik yöntem = Cryogenic method ; Matkap = Auger ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness ; Çekme kuvveti = Tensile force

Özet:
Bu çalışmada, özel tasarlanarak imal edilen 8 mm çapında, farklı uç açılarına (118°, 128° ve 138°), helis açılarına (26°, 33° ve 40°) ve boşluk açılarına (8°, 10° ve 12°) sahip derin kriyojenik işlem (-196°C) uygulanmış ve uygulanmamış HSS matkaplar ile farklı devir sayısı (800, 1200 ve 1800 dev/dk) ve ilerleme (0.01, 0.02 ve 0.03 mm/dev) parametrelerinde delinen fiber takviyeli cam-epoksi kompozitin kesme kuvvetleri, delaminasyon faktörleri, yüzey pürüzlülükleri, talaş şekilleri ve işlem süreleri incelenerek değerlendirilmiştir. Ayrıca, kesici takımlara XRD analizi yapılarak mikroyapılarındaki değişimler incelenmiş ve art arda delik delme işlemleri yapılarak takım aşınmaları, talaş sıcaklıkları, kesici takım sıcaklıkları ve ASTM standartlarına göre hazırlanan kompozit iş parçası numunelerinin çekme kuvvetleri bulunarak değerlendirilmiştir. Derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkabın karbür tanelerinin daha küçük ve homojen dağılması ve faz değişimi sayesinde sertlik değeri daha yüksek olan karbürlerin artışı, kesici takımın sertliğini artırmıştır. Delik delme işlemleri sırasında, devir sayısı ve ilerlemenin artışına bağlı olarak kesme kuvvetlerinin azaldığı ve kesme kuvvetlerine (Fx) göre en uygun kesici takımın 128° uç açısı, 33° helis açısı ve 12° boşluk açısına sahip derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkap olduğu görülmüştür. Ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri incelendiğinde, devir sayısı ve ilerlemenin artışına bağlı olarak ortalama yüzey pürüzlülüğü değerlerinin arttığı ve ortalama yüzey pürüzlülüğü değerlerine göre en uygun kesici takımın, 128° uç açısı, 26° helis açısı ve 8° boşluk açısına sahip derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkap olduğu belirlenmiştir. Delaminasyon faktörlerine bakıldığında, devir sayısının artışına bağlı olarak azalma eğiliminde olduğu, ilerlemenin artışına bağlı olarak ise arttığı ve delaminasyon faktörlerine göre en uygun kesici takımın, 118° uç açısı, 26° helis açısı ve 8° boşluk açısına sahip derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkap olduğu bulunmuştur. Delme işlemleri sırasında oluşan talaşların, ilerleme oranı arttıkça hacimlerinin büyüdüğü, devir sayısı arttıkça küçüldükleri görülmüştür. Derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkapların işleme sürelerinin genel olarak işlem uygulanmamış HSS matkaplardan daha kısa olduğu belirlenmiştir. Kesici takım ömrü deneylerinde, matkaplarda radyal ağız aşınması, dış köşe aşınması ve serbest yüzey aşınmasının meydana geldiği görülmüştür. Derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkapların aşınma değerlerinin daha az olması nedeniyle takım ömürlerinin arttığı belirlenmiştir. İşlem uygulanmamış HSS matkapların çıkardığı talaşın sıcaklığının derin kriyojenik işlem uygulanmış HSS matkapların çıkardığı talaştan daha yüksek olduğu görülmüştür. Matkap sıcaklarının, işlem uygulanmamış HSS matkaplarda daha yüksek olduğu bulunmuştur. Düşük ilerlemelerde ve derin kriyojenik işlem uygulanmış matkaplar ile delinen kompozitlerdeki deformasyonların daha az olması nedeniyle çekme kuvvetleri daha yüksek çıkmıştır.

Abstract:
In this study, the cutting forces, delamination factors, surface roughness, chip shapes and processing times of fiber reinforced glass-epoxy composite drilled with specially designed 8 mm diameter HSS drills with different point angles (118°, 128° and 138°), helix angles (26°, 33° and 40°) and clearance angles (8°, 10° and 12°), with and without deep cryogenic treatment (-196°C) application were investigated. Drilling operations were performed at three different spindle speeds (800, 1200 and 1800 rev/min) and feeds (0.01, 0.02 and 0.03 mm/rev). In addition, the changes in the microstructure of the cutting tools were examined by XRD analysis. The tool wear, chip temperatures and cutting tool temperatures were measured by performing consecutive drilling operations on the composite workpiece. Moreover, the tensile forces of composite workpiece samples prepared according to ASTM standards were investigated. The smaller and homogeneous distribution of the carbide grains of the deep cryogenically treated HSS drill and the increase of the carbides with higher hardness values due to the phase change increased the hardness of the cutting tool. During drilling operations, it was observed that the cutting forces decrease depending on the increase in the number of revolutions and feed, and the most suitable cutting tool according to the cutting forces (Fx) was the deep cryogenically treated HSS drill with 128° point angle, 33° helix angle and 12° clearance angle. Also, it was found that the average surface roughness (Ra) values increased depending on the increase in the number of revolutions and feed, and accordingly, the most suitable cutting tool was the deep cryogenically treated HSS drill with 128° point angle, 26° helix angle and 8° clearance angle. The delamination factors were negatively correlated to the number of revolutions, but positively correlated to the feed, and the most suitable cutting tool according to the delamination factors was the deep cryogenically treated HSS drill with 118° point angle, 26° helix angle and 8° clearance angle. The volume of chips formed during drilling operations increased as the feed rate increased and decreased as the number of revolutions increased. Processing times of deep cryogenically treated HSS drills were generally shorter than untreated HSS drills. Chisel wear, outer corner wear and flank wear occurred in drills during the cutting tool life experiments. The tool life of HSS drills with deep cryogenic treatment increased owing to lower wear values. The temperatures of the chip produced by the untreated HSS drills were higher than that of the deep cryogenically treated HSS drills. Drill temperatures were higher in untreated HSS drills. Tensile forces were higher due to less deformations in composites drilled at low feeds and with deep cryogenically treated drills.