Metal delme işleminde soğutma sıvısı sıcaklığının kesme performansına etkisinin incelenmesi ve ısı geri kazanımı
Investigation of the effect of coolant temperature on cutting performance and heat recovery in metal drilling process
Yazar: OSMAN ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. DURMUŞ KARAYEL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu doktora çalışması, talaşlı imalatta soğutma suyu sıcaklığının kesme performansı üzerindeki etkisini araştırıyor ve yeni bir ısı geri kazanım sistemi sunuyor. Çalışma bu iki temel hedefe odaklanmaktadır. Bu amaçla yapılacak deneylerde kullanılmak üzere, yeni bir soğutma ve ısı geri kazanım sistemi geliştirildi ve üretildi. Deneyler için talaşlı imalatta oldukça yaygın bir yere sahip olan delme işlemi tercih edildi ve malzeme olarak AISI 1045 çeliği seçildi.  Deneyler, çeşitli soğutma suyu sıcaklıkları (15°C, 20°C ve oda sıcaklığı) altında yüksek hızlı çelik (HSS) matkap uçları kullanılarak, farklı emülsiyon oranları, ilerleme hızları ve kesme hızları altında gerçekleştirildi. Her bir deney süresince, geliştirilen sistem sayesinde, soğutma suyunun sıcaklığı sabit tutulabildi. Taguchi yöntemini uygulayarak, takım aşınmasını azaltacak, takım ömrünü uzatacak ve yüzey kalitesini artıracak şekilde optimal sonuçların elde edilebilmesi için etkili bir deneysel tasarım oluşturuldu.
Deneysel bulgular, daha düşük soğutma suyu sıcaklıklarında (15°C), takım aşınmasının önemli ölçüde azalarak kesici takımların ömrünün uzadığı, yüzey pürüzlülüğünün de iyileştiği görülmüştür. Böylece kontrollü soğutma suyu sıcaklıklarının, bir taraftan takımın çalışma ömrünü uzatırken diğer taraftan işlenmiş yüzeylerin kalitesini artırdığı açıkça ortaya çıkmıştır. Çalışmada, geliştirilen entegre soğutma ve ısı geri kazanım sistemi yalnızca soğutma suyu sıcaklıklarını yönetmekle kalmayıp aynı zamanda işleme sürecinden kaynaklanan atık ısıyı da etkili bir şekilde geri kazanmakta ve faydalı bir şekilde kullanabilmektedir. Isı geri kazanım sistemi, sadece soğutma suyundan ısı almamakta, aynı zamanda atölye ortamının ısısını da almaktadır. Böylece, düşük soğutma suyu sıcaklıklarında, tezgâh dahil tüm sistemin tükettiğinden daha fazla ısı enerjisi geri kazanılabilmektedir. Elde edilen bu ısı, kullanım  suyunun ve atölyenin ısıtılması gibi amaçlarla kullanılabilecetir. Bu sebeple sistem, işletme maliyetlerini azalttığı gibi çevresel risklerinde azaltılmasında katkı sağlamaktadır. Taguchi yönteminin kullanılması, çeşitli parametrelerin verimli bir şekilde analiz edilmesini sağlayarak, yüksek işleme performansının en aza indirilmiş çevresel etkilerle elde edilebilmesinde yardımcı olmaktadır.
Sonuç olarak, bu araştırma, CNC imalat tezgahına özel olarak geliştirilmiş soğutma ve ısı geri kazanım sistemini entegre ederek yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Bu çalışma, işleme performansında yüksek standartları korurken, operasyonel maliyetleri azaltarak sürdürülebilir üretime katkıda bulunacaktır.

Abstract:
This doctoral study investigates the impact of coolant temperature on cutting performance in machining processes and introduces a novel heat recovery system. The research is focused on these two primary objectives. For this purpose, a new cooling and heat recovery system was designed and developed to be utilized in the experiments. Drilling, a widely employed machining operation, was chosen for the study, with AISI 1045 steel selected as the workpiece material. The experiments were conducted under various coolant temperatures (15°C, 20°C, and room temperature) using high-speed steel (HSS) drill bits, and under different emulsion ratios, feed rates, and cutting speeds. During each experiment, the developed system successfully maintained a constant coolant temperature. The Taguchi method was employed to design an effective experimental framework to achieve optimal outcomes, aiming to minimize tool wear, extend tool life, and improve surface quality.
Experimental results revealed that lower coolant temperatures (15°C) significantly reduced tool wear, thereby extending the lifespan of cutting tools and improving surface roughness. These findings clearly demonstrate that controlled coolant temperatures simultaneously enhance the durability of tools and improve the quality of machined surfaces. The integrated cooling and heat recovery system not only manages coolant temperatures but also effectively recovers waste heat generated during the machining process and repurposes it for practical use. The system captures heat not only from the coolant but also from the ambient environment within the workshop. As a result, at lower coolant temperatures, the system recovers more heat energy than the total energy consumed by the machine and the overall system. This recovered heat can be utilized for applications such as heating utility water and the workshop itself, reducing operational costs while contributing to environmental sustainability. Furthermore, controlled cooling reduces the consumption of both cutting tools and coolant fluids. The application of the Taguchi method enabled efficient analysis of various parameters, facilitating the achievement of high machining performance with minimal environmental impact.
In conclusion, this research presents an innovative approach by integrating a specially developed cooling and heat recovery system into CNC machining centers. The study contributes to sustainable manufacturing by maintaining high standards of machining performance while reducing operational costs and environmental risks.