Havacılık endüstrisinde kullanılan karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin işlenebilirliğinin optimizasyonu
Optimization of the machinability of carbon fiber reinforced polymer composites used in the aviation industry
Yazar: AYSUN ŞİRİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYHAN AYTAÇ
Milli Savunma Üniversitesi / Alparslan Savunma Bilimleri ve Milli Güvenlik Enstitüsü / Harp Silah ve Araçları Anabilim Dalı / Silah Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: CNC frezeleme = CNC milling ; Lifli kompozitler = Fiber composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Havacılık sektöründe yoğun olarak kullanılan Karbon Fiber Takviyeli Polimer (KFTP) kompozitlerin heterojen ve anizotropik yapısı, malzemenin işlenmesini zorlaştırarak ihtiyaç duyulan kesme kuvvetini arttırmaktadır. Bu durum yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon gibi birçok probleme neden olmaktadır. Malzemenin işlenebilirliği üzerinde önemli olumsuz etkilere sahip olan bu problemler işlem verimliliği, ürün mekanik özellikleri ve yüzey kalitesini düşürerek parçanın reddedilmesine sebep olabilmektedir. Bu nedenle, uzun servis ömrüne ve yüksek güvenilirliğe sahip kompozit bileşenler elde etmek için işleme kaynaklı hasarların en aza indirilmesi gereklidir.
Bu çalışmadaki amaç, KFTP kompozitlerin frezeleme işleminde en uygun kesme şartlarının elde edilmesiyle üretimin istenilen kalitede ve verimlilikte olmasını sağlamaktır. Bu amaçla frezelemede meydana gelen kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon derinliği değerlerini düşürmeye yönelik optimizasyon çalışması yapılmıştır. Kesme parametreleriyle değişen bu değerler deneysel ve istatistiksel olarak incelenmiştir. KFTP kompozit malzemenin frezelenmesi işleminde, belirlenen üç faktörün (ilerleme hızı, kesme hızı ve kesici takım kaplaması) üç yanıt (kesme kuvveti, delaminasyon derinliği ve yüzey pürüzlülüğü) üzerindeki etkisini incelemek için iki aşamalı deneysel çalışma yapılarak tam faktöriyel ve merkezi kompozit deney tasarımları kullanılmıştır. Farklı ilerleme ve kesme hızı parametreleriyle yapılan deneylerde her bir numune için frezeleme işlemi sonucu oluşan kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon derinliği ölçülmüştür. En uygun yanıt değerlerinin elde edilebilmesi için Cevap Yüzeyi Yöntemi (CYY) ve Varyans Analizi (ANOVA) ile optimum kesme parametreleri kombinasyonu belirlenmiştir. Geliştirilen matematiksel modellerle yanıt değerleri yüksek doğrulukta tahmin edilmiştir.
Deney sonuçları ve analizlere göre en düşük kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon derinliği için optimum kesme koşulları AlCrN kaplamalı takım ile kesme hızı 285,35 m/dk ve ilerleme hızı 358,57 mm/dk olarak bulunmuştur. Bu koşullarda elde edilebilecek en düşük kesme kuvveti 190,97 N; en iyi yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon derinliği değerleri ise sırasıyla 1,562 mm ve 1,431 μm olarak hesaplanmıştır. Elde edilen yüzey pürüzlülüğü ve delaminasyon değerlerinin havacılıkla ilgili literatür çalışmalarına, sektörel verilere ve standartlara uygun olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The heterogeneous and anisotropic structure of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites, which are used extensively in the aviation industry, makes the material difficult to process and increases the required cutting force. This situation causes many problems such as surface roughness and delamination. These problems, which have significant negative effects on the machinability of the material, can reduce the process efficiency, product mechanical properties and surface quality, causing the part to be rejected. Therefore, it is necessary to minimize machining-induced failures to obtain composite components with long service life and high reliability.
The aim of this study is to ensure that the production is of the desired quality and efficiency by obtaining the most suitable cutting conditions in the milling process of CFRP composites. For this purpose, an optimization study was carried out to reduce the cutting force, surface roughness and delamination depth values occurring in milling. These values, which vary with cutting parameters, were examined experimentally and statistically. In the milling process of KFTP composite material, a two-stage experimental study was conducted to examine the effect of the three determined factors (feed rate, cutting speed and cutting tool coating) on three responses (cutting force, delamination depth and surface roughness) and full factorial and central composite experimental designs were used. In experiments conducted with different feed and cutting speed parameters, the cutting force, surface roughness and delamination depth resulting from the milling process were measured for each sample.
In order to obtain the most appropriate response values, the optimum combination of cutting parameters was determined by Response Surface Method (RSM) and Analysis of Variance (ANOVA). Response values were predicted with high accuracy with the developed mathematical models.
According to the experimental results and analysis, the optimum cutting conditions for the lowest cutting force, surface roughness and delamination depth were found to be 285,35 m/min and feed rate 358,57 mm/min with the AlCrN coated tool. The lowest cutting force that can be achieved under these conditions is 190.97 N; the best surface roughness and delamination depth values were calculated as 1,562 mm and 1,431 μm, respectively. It has been determined that the surface roughness and delamination values obtained are in accordance with aviation literature studies, sectoral data and standards.