Material removal and wear on materials by means of carbon nano tube yarn

Abstract

Geleneksel olmayan bir işleme yöntemi olan elektriksel deşarj ile işleme (EDM), çeşitli sertlikteki metalleri işlerken yüksek yoğunluklu elektriksel deşarjlardan faydalanır. Olağanüstü iletkenlikleri ve dayanımları sebebiyle, son zamanlarda EDM'de de karbon nanotüpler (CNT'ler) araştırılmaktadır. Fakat CNT iplik (CNTY) ile işleme tam olarak incelenmemiştir. Bu çalışma, saf bir CNTY’nin bir EDM takım malzemesi olarak kullanılmasını önermektedir. Bunun uygulanabilirliği, karakterizasyon ve işleme testleri ile incelenmiştir. Ölçümler, (100 µm daha az bir çapa sahip) CNTY’nin 2.66x104 S/ m elektriksel iletkenliğe ve 1.76x103 A/ cm2 akım taşıma kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Hava ve hidrokarbon yağ dielektrikler içinde gerçekleştirilen işleme testlerinde çelik ve alüminyum iş parçaları kullanılmıştır. Hava dielektrik ortamında kayda değer bir işleme ve daha uzun bir takım ömrü elde edilmiştir. Hava ortamındaki metal oksidasyonunun, işlemeyi arttırırken takım ömrünü azalttığı düşünülmektedir. Ayrıca, kalın (>100 µm) çok-katlı takımlar, işleme süresini hava ortamında 14 saniyeden, yağ ortamında ise 2.5 saniyeden fazla arttırmaktadır. Takım ömrünü sınırlayan diğer etkenlerin, iş parçası üzerinde ısı kalkanı görevi gören (muhtemelen karbür) bir katmanın oluşumu ve elektriksel deşarjların yoğunluğunun artması olduğu düşünülmektedir. Buna ek olarak, alüminyumun hava dielektrik ortamında işlenmesinde düşük voltaj (16 V) ve tepe akımı (0.1 A), takım ömrünü ve kesme verimini arttırmaktadır. Düşük bir vuruş oranı (%25), verimi iyileştirmiş ve takım aşınmasını azaltmıştır. Ayrıca, sadece mekanik sürtünmenin kesme verimi üzerinde çok küçük bir etkisi olmuştur. Buna ilaveten, pozitif takım polaritesi kesme verimini düşürürken takımın eksenel iki yönlü hareketi ise takım ömrünü uzatmıştır.

Electrical discharge machining (EDM), a non-traditional material removal method, utilizes high-intensity electrical discharges when machining metals of various hardnesses. Due to their extraordinary conductivity and strength, carbon nanotubes (CNTs) are recently being explored in EDM too. However, material removal with CNT yarn (CNTY) has not been studied thoroughly. This work suggests the use of a pristine CNTY as an EDM tool. Its feasibility has been examined through characterization and material removal experiments. The measurements show that the CNTY (<100 µm in diameter) has electrical conductivity and current carrying capacity of 2.66x104 S/ m and 1.76x103 A/ cm2, respectively. Steel and aluminum are the workpieces for machining experiments conducted in air and hydrocarbon oil dielectrics. Significant material removal and extended tool life are obtained in the air dielectric. It is suggested that metal oxidation in the air medium improves material removal while reducing tool life. Moreover, thicker (>100 µm) multi-ply tools extend machining time by more than 14 s in the air and nearly 2.5 s in the oil. The formation of a heat-shielding (possibly carbide) layer on the workpiece and intensified discharges could be other factors limiting tool life. In addition, decreased voltage (16 V) and peak current (0.1 A) increase tool life and cutting efficiency when machining aluminum in the air dielectric. A low duty cycle (25%) increased efficiency and reduced tool wear. Furthermore, mechanical frictions had only a minor effect on cutting efficiency. In addition, positive tool polarity decreased cutting efficiency, while reciprocal tool movement increased tool life.