Özel grafitlerin delik delme işleminin incelenmesi
Investigation of drilling process on speciality graphites
Yazar: MUSTAFA YILDIZ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Malzeme sektörü, ekonomide tüm faaliyetlere girdi sağlayan temel alanlardan biridir. Bu özelliği açısından diğer sektörlere yön verme kabiliyeti bulunmaktadır. Özellikle üretim sektöründe kullanılan ileri malzeme bilgilerine sahip olmak, üretim sektörlerinin verimliliğinin artması açısından önem taşımaktadır. Grafit, karbon ailesinden olup karbonun allotropu bir malzemedir. Doğada yüksek saflıkta elde edilebilme imkanları mevcuttur. Ülkemizde şu an için sınırlı olsa da grafit madenciliği yapılmaktadır. İnsan yapımı olan özel grafitler ise, özel hammadde (grafit menşeili) ve proseslerle birlikte uygun koşullar altında elde edilirler. Bu malzemeler; genel olarak yüksek sıcaklık, elektrik iletim isteyen uygulamalarda, bunun yanında birçok üretim faaliyetinde yardımcı malzeme olarak kullanılan kendine has özellikleri ve mühendislik metallerine oranla avantajları olan malzemelerdir. Kendisine rakip olan malzemelere kıyasla düşük yoğunluklarda olması, malzeme yapısının istenilen şartlarda yönlenmiş elde edilebilmesi, termal ve elektriksel özelliklerinin iyi olması, ayrıca kimyasal olarak nötr olması gibi özellikleri nedeniyle birçok sektörde kendilerine yer bulmuşlardır. Bu malzemeler tüm dünyada üretim yöntemlerine göre adlandırılırlar. Çünkü üretim yöntemleri malzeme karakteristiklerini doğrudan etkileyerek malzemenin davranışına karar veren en önemli parametrelerden biridir. 
Malzemeleri üreten firmaların üretim tesisleri çoğunlukla Çin, ABD, Japonya ve Avrupa ülkelerindedir. Bu malzemeler ingot kütük ya da bloklar halinde üretilirler. Fabrika testleri ve kalite kontrollerinden sonra malzemeler bloklar halinde diğer ülkelere gönderilmektedirler. Bu blokların istenilen boyut ve toleranslarda son ölçülere getirilmesi ise genelde son kullanıcı tarafından ya da son kullanıcı lokasyonunda bulunan firma şubesi tarafından gerçekleştirilir. Bu son ölçüye getirilme işleminde ise talaşlı imalat işlemleri tüm dünyada yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Fakat bu kapsamda üretilen ürünlerin detay imalat işleme bilgileri vs. gibi bilgileri üretici firmalarda olup, bu bilgileri kendi rekabetleri açısından piyasayla paylaşmamaktadırlar. Malzemelerin talaşlı işlemeyle ilgili literatür kayıtları,araştırmalar ve tezler yok denecek kadar azdır. Malzemelerin talaşlı işleminde sıvı soğutma-yağlama sistemleri kullanılmamaktadır. Malzemelerden çıkan talaşların formu geleneksel yöntemlerde meydana gelen talaşlardan daha farklıdır. Bu kapsamda talaşlı işleme prosesi kendilerine has yaklaşımlar üretilmesi gerektirir. Özel grafit malzemelerinin döküm kalıp, kömür fırça, ısıtıcı rezistans malzemesi vb. alanlarda kullanılması için (montaj gerektiren uygulamalarda) delik delme işlemi yoğunlukla kullanılmaktadır. Bu nedenle bu tez çalışmasında delik delme prosesinin incelenmesi uygun görülmüştür.
Tez çalışmasında kullanılmış olan malzemelerin kodları MSG215, MSG30 ve MSG46 malzemeleridir. Bu malzemelerden MSG215 malzemesi ekstrüzyon yöntemi ile üretilmiş-kaba taneli (ortalama tane büyüklüğü 0,9 mm), MSG30 ve MSG46 malzemesi ise soğuk izostatik presleme yöntemi ile üretilmiş- ince taneli( ortalama tane büyüklüğü 0,08 mm)özellikte olan özel grafitlerdir. MSG46 ile MSG30 malzemeleri birbirine benzer malzemelerdir, fakat dayanım özellikleri açısından MSG46 malzemesi daha üstün bir malzeme olarak göze çarpmaktadır. Bu farklı malzemelerden kuvvet- dönme momenti ve sıcaklık tespitleri için farklı geometrilerden parçalar hazırlanmıştır.Bu parçaların tezgaha bağlanması için aparatlar dizayn edilmiş ve bu aparatların üretimi gerçkeleştirilmiştir. 
Matkap takımları,  radyal ve kesme ağzı olarak iki ana kesme bölgesinden oluşur. Radyal ağız matkabın ortasında yer alır ve matkabın iş parçası üzerinde merkezleme vazifesini görür. Matkap radyal ağzı ise aşınmanın yüksek oranda meydana geldiği bölgedir. Radyal ağız, düzgün bir merkezde delik delme işlemini sağlarken kesme ağzı ise asıl kesme işlemini gerçekleştirmektedir. Bu çalışmada kesme kuvvet değerleri üç farklı grafit malzeme için iki farklı matkap( yüksek hız çeliği ve karbür) takımıyla belirlenen parametrelerde delik delme işlemi yapılmıştır. Bu deliklerin hızlı bir şekilde delinebilmesi için Spinner CNC dik işlem merkezinde G kodları yazılmış, böylece bir malzeme-takım çifti için 27 adet yan yana delik delme işlemi gerçekleştirilmiştir. Özel bir dinamometre, yükseltici ve bilgisayar vasıtasıyla bu kuvvet verileri bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Bu veriler MATLAB ve Excel'e aktarılmış, çıkan grafikler kesme işleminlerinin yorumlanması için kullanılmıştır. Sonrasında ise MATLAB'in Curve Fitting modülüyle polinomial regresyon gerçekleştirilmiş ve kesme kuvvetlerine dair bir yorum alabilmek amaçlanmıştır. Böylece grafitlerin delik delmesi için genel bir perspektif çizilmeye çalışılmıştır. 
Delik delme işlemi sırasında iş parçası sıcaklıklarının bilinmesi imal edilen parçanın teknik özelliklerini etkilediği için önemlidir. Delik delme esnasında meydana gelen ısı; iş parçası, tezgah ve takımda genleşmelere neden olabilmektedir. Özellikle hassas işlemlerde imalat toleransının belirlenen değerden sapmasına sebep olabilmektedir. Talaşlı imalat işlemlerinden meydana gelen ısının ne kadarının takım, iş parçası ve talaşla atıldığı sorusu ise bilim adamlarınca hala tartışılan konulardan biridir. Bu bölümde özel grafitlerin delik delmesi esnasında ortaya çıkan kuvvetlerin neticesinde sıcaklıkların ne kadar arttığı anlaşılmak istenmiştir. Ayrıca grafit malzemelerin yüksek termal ısıl iletkenliğinden ötürü kesme bölgesinde oluşan ısının parça tarafından iletilme oranının yüksek olacağı düşünülmüştür. Deney parçaları silindirik olarak dizayn edilmiştir. Farklı malzemeler ve parametreler için deney düzenekleri hazırlanmıştır. Böylece her parçanın tek bir delik delmesinde sıcaklıklar ölçülmeye çalışılmıştır. Delik derinliği ise testlerde (D/L oranı) 3,5 olarak tasarlanmıştır. 9 mm aralıklarla parça üzerine açılan deliklerden veriler gömülü termal elemanlar yardımıyla ısıl çiftlerden sıcaklık verileri alınmıştır. Toplamda dört farklı derinlik bölgesinden veriler alınmıştır. 1 mm çapında olan deliklerin delme bölgesine uzaklığı 0,2 mm olarak ayarlanmaya gayret edilmiştir. HIOKI datalogger tarafından 50 Hz frekansında alınan veriler MATLAB programının grafik modülüyle grafiğe dökülmüştür. Elde edilen grafikler, malzemeler ve parametrelere bağlı kalınarak yorumlanmaya çalışılmıştır.
Tezin son bölümünde ise kesme kuvvetlerinin temini için 81 adet delik delme işleminin sonrasında meydana gelen takım aşınmaları optik mikroskop yardımıyla incelenmiştir. Karbür ve yüksek hız çeliği takımlarında görülen aşınma oranları yorumlanmış, takım ömrü üzerine fikir edinilmeye çalışılmıştır. Ek olarak, grafit malzemelerin hassas yüzey olarak çalıştığı/hassas toleranslarda montajının olduğu yerlerde son kullanıcı tarafından yüzey pürüzlülüğü değerleri istenmektedir. Genellikle grafit piyasasında ortalama yüzey pürüzlülüğü değerleri olan R_a değeri kullanılır, bu kapsamda ısıl deneyler sonrasında elde edilen numunelerin iç yüzeyinden 10 mm derinliğinde 120 derece açıyla tüm numuneyi tarayacak şekilde üç farklı noktadan Mitutoyo SJ201 cihazı yardımıyla ortalama yüzey pürüzlülük değerleri alınmıştır. Bu değerler tablo haline getirilerek parametreler ve malzemelerle birlikte yorum yapılmaya çalışılmıştır.  Son olarak ise delik kalitesini-boyutsal doğruluğu anlamak amacıyla işlenmiş numuneler üzerinden delik çapları ölçülmüştür. Ölçüm işlemi ise ZEISS Contura CMM ölçüm cihazıyla gerçekleştirilmiştir.  Matkap çapları  ve elde edilen veriler   yorumlanarak sapma oranı bulunmuştur.

Abstract:
Material sector is the basic area which contributes inputs to economics. Thanks to this attribute, it ables to give directions to other sectors. Especially, advanced materials information is important to improve efficiency on production industry.  Graphite belongs to carbon family and allotrope of carbon element. It can be mined high purity from natural sources. The speciality graphite which is man made is manufactured by special raw materials and processes. This materials generally get used on high temperature application, electric electronic industry etc. as auxiliary materials. The advantages of this materials in comparison with competitors is that, low density, good structure orientation and high thermal features. This materials named as production method. The production technique indicates material characteristic. Extruded, isostatic and molded type are the production types and names of te speciality graphites. Carbon and graphite materials are manufactured according to processes based on conventional ceramic technologies. Raw materials such as petroleum cokes, pitch cokes, carbon black or graphite materials with a defined grain size distribution are mixed with a thermoplastic binder at elevated temperatures. Coal tar or petroleum based pitches as well as synthetic resins are used as binders. Mineral additives or metal powders can be employed to achieve special material properties. Natural graphite, which is found in abundance in many areas of the world, has been used since historical times, but its applications always were and still are limited. In the last century, the advent of synthetic graphite and carbon has considerably increased the scope of applications, although natural graphite still remains the material of choice in a few cases. A large majority of graphite and carbon products are now synthetic and these products are continuously being improved and upgraded.
The production facilities of the materials producing companies mostly are in China, USA, Japan and European countries.. These materials are produced in ingots or blocks. After quality control, the materials are sent to other countries as blocks. The final dimensions of these blocks to final dimensions and tolerances are usually carried out by the end user or company branch there. In this final measure, machining operations are widely used all over the world. However, the detailed production and processing information of the products produced within this scope are in the manufacturer companies and they do not share this information with the market in terms of their competitiveness. The literature works on the machining of materials - the theses are almost negligible. Liquid cooling-lubrication systems are not used in the machining of materials. The form of the chip from the materials is different from the metal engineering materials. In this context, the machining process requires specific approaches. Drilling is used intensively on materials of mold, carbon brush, heater resisting material and so on. Therefore, the drilling process of these materials was considered on this thesis. 
The materials used in the thesis study are MSG215, MSG30 and MSG46 materials. MSG215 material is produced by extrusion method - coarse grained (average grain size 0.9 mm), MSG30 and MSG46 material is produced by cold isostatic pressing method - fine grained (average grain size 0.08 mm) special graphite. Although MSG46 and MSG30 materials are similar materials, MSG46 material stands out as a superior material in terms of their strength properties. Parts of different geometries were prepared from these different materials for strength-torque and temperature determinations. Apparatus was designed for connecting these parts to the machine and the production of these apparatus was realized.
Solid twist drill tools consisting of two main cutting zones, the cutting lips and the chisel edge. The chisel edge is located at the center position, which strategically provides the necessary center position for the workpiece. The chisel edge influences the provision of a smooth and stable cutting. In most instances, the chisel edge has a large rake angle influencing the plastic deformation through the integration of inward indentation and the consequent ploughing of the material. Cutting lips are identified as the primary cutting edges of the drill, vital for the cutting process. Oblique cutting mechanics are regarded as the cutting lips due to the variation of the rake and inclination angle. The identification of rake and inclination angles are vital in the calculation of cutting forces and torque along the cutting lip. Oblique cutting mechanics are regarded as the cutting lips due to the variation of the rake and inclination angle. The identification of rake and inclination angles are vital in the calculation of cutting forces and torque along the cutting lip. Because of the different cutting behaviors, cutting forces were analyzed at the chisel and cutting lips separately.  
In chapter 3, the study contains of an analysis of the thrust force and torque when the drilling process of speciality graphites. In this study, the drilling force values were determined by two different drill tool material (high speed steel, carbide) for three different graphite materials. So, the opportunity was found to compare of the thrust force and torque values according to workpiece and drill tool material. This force data was transferred to the computer via a special dynamometer, amplifier and computer. These data were transferred to MATLAB and Excel and the resulting graphs were used to interpret the cutting process. After that, regression was performed with the Curve Fitting module of MATLAB and the cutting force coefficients were determined, so that a general perspective was tried to be made for drilling operations of the graphites.

Knowing workpiece temperatures during drilling is important because it affects the parameters that occur in the machined part. The heat generated during drilling may cause expansion of workpiece, workbench and tool and production tolerance in sensitive processes. The question of how much of this heat is shared by tool, workpiece and chip is still one of the issues discussed. It was aimed to understand how the temperatures increased as a result of the forces that emerged during hole drilling of graphite. In addition, due to the high thermal thermal conductivity of the graphite materials, it is thought that the rate of heat transfer in the cutting zone will be high. The test pieces are designed cylindrical. Experimental setups were prepared for different materials and parameters. Thus, it has been tried to measure temperatures in a single hole drilling of each part. The D / L ratio is considered to be 3.5. The data from the holes drilled on the pieces at 9 mm intervals were taken from the thermocouples with the help of embedded thermal elements. In total, data were obtained from four different regions. The distance of the holes having a diameter of 1 mm to the drilling zone was set to 0.2 mm. Data received by the HIOKI datalogger at the frequency of 50 Hz are plotted on the graphical module of the Excel. The resulting graphs, materials and parameters are tried to be interpreted by the values.
In the last part of the thesis, after the 81 hole drilling process, tool wear was examined with the help of optical microscope. Wear rates in carbide and high speed steel tools were examined. In addition, especially on some special applications, surface roughness values are requested by the end user. The Ra value is generally used in industry. In this context, average surface roughness values were taken from three different points by using Mitutoyo SJ201 device to scan the whole sample at a 120-degree angle at a depth of 10 mm from the inner surface of the samples.. Finally, hole diameters were measured over the processed samples in order to understand the dimensional accuracy. The measurement was performed with the ZEISS Contura CMM measuring table.