Tornalama işlemi için kendinden soğutuculu akıllı kesici takım tasarımı imalatı ve performansının analizi
Design manufacturing and performance analysis of internally cooled smart cutting tool for turning
Yazar: ERKAN ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. KEMAL YILDIZLI
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Metalik bir malzemenin tornalama işleminde kesici takım temas bölgesinde ısı oluşur ve soğutma yapılmazsa kesici takım ısıdan kaynaklı zamanla körelir. Bu problemi çözmek için geleneksel torna veya CNC torna tezgahlarında, talaş
kaldırılırken kesme sıvıları kesici takıma püskürtülür. Bu tez çalışmasında, tornalama işlemi için yeni bir kendinden soğutuculu akıllı kesici takım (KSAKT) peltier bazlı soğutma-kontrol ünitesi ile entegre şekilde tasarlanmış, üretilmiş ve performansı mühendislik metot ve tekniklerinden yararlanılarak analiz edilmiştir. Üretilen KSAKT kendine özgü kalibrasyon metodu ile yan yüzey sıcaklığını (Tyan), soğutucu akışkan giriş sıcaklığını (Tgiriş) ve giriş hızını (Vsıvı) ölçerek kesici takım burun sıcaklığını (Tuç) tahmin etmektedir. Kesici takımı soğutmak için özgün çalışma stratejisi
geliştirilmiştir. Tuç içten soğutmada operatör tarafından belirlenen sıcaklık aralığında sabit tutulabilmektedir. Ayrıca, KSAKT ile yapılan MS 58 pirinç çubuk işleme deneylerinde yüzey kalitesi ve Tuç değerleri irdelenmiştir. KSAKT üretiminden sonra sıvı-katı etkileşimli ısı transfer modeli (conjugate heat transfer) gerçekleştirilip kesici takımın ısıl davranışları araştırılmıştır. Saf su için simülasyonlar doğrulandıktan sonra farklı tipte glikol temelli soğutma sıvıları (saf su dahil), Vsıvı ve Tgiriş parametrelerinin Tuç üzerindeki etkisi simülasyon sonuçları Taguchi Metodu ve ANOVA istatiksel analiz ile değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, aynı sınır koşulları altında KSAKT susuz şartlara göre %53.5 oranına kadar Tuç değerinde düşüş sağlamıştır. En etkili faktör yüzde katkı oranı (%PCR) %88.32 ile Tgiriş faktörüdür. İstatistik açısından Vsıvı ve farklı soğutucu akışkan tiplerinin de Tgiriş üzerinde etkili olduğu görülmüştür. KSAKT
kullanılırken dışarıdan soğutma sıvısı püskürtülmediğinden sürdürülebilir üretim tekniği örneğidir. Soğutucu akışkanlardan etilen glikol KSAKT tasarımı için en uygun tercih bulunmuştur. 

Anahtar Sözcükler: Sürdürülebilir Üretim, Kendinden Soğutuculu Akıllı Kesici Takım, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Taguchi Metodu

Abstract:
In turning a metallic material, heat is generated in the cutting tool contact area, and if the contact area is not cooled, the cutting tool becomes dull over time due to heat. To solve this problem, cutting fluids are sprayed through the cutting tool while removing chips in conventional lathes or CNC machine tools. In this thesis, a new smart internally cooled cutting tool built-in cooling-control system (SICCT) was designed and produced for the turning operations. The SICCT can estimate the insert tip temperature (Ttip) by measuring the flank surface temperature (Tf), inlet temperature (Tinlet) and inlet flow velocity (Vf) according to the self-calibration method. The SICCT has also a self-working strategy to cool the insert. Moreover, the SICCT presents a chance for the operator to fix Ttip of the insert in a determined temperature interval. In addition, surface roughness and Ttip were compared during the brass rod machining experiments made by the SICCT. After manufacturing the SICCT, a conjugate heat transfer model for the SICCT was set to investigate the tool's thermal behavior. The tool cooling simulation was experimentally confirmed using pure water. After that, the effects of different types of glycol-based heat transfer fluids (including pure water), Vf and Tinlet on Ttip were statistically evaluated by the Taguchi method and analysis of the variance (ANOVA). In conclusion, under the same boundary conditions, the SICCT could decrease Ttip values up to 53.5 % compared with the dry condition. It was found that the most influential factor was the Tinlet at a contribution ratio level of 88.32%. Vf and the type of heat transfer fluid were found to
be significant parameters according to statistics. Hence, since no external coolant is used, the designed smart tool can be counted as being environmentally friendly and health-friendly. The glycol-based fluids can be a better choice for SICCT.

Keywords: Sustainable Manufacturing, Smart Internally Cooled Cutting Tool, Computational Fluid Dynamics, Taguchi Method