CAM ELYAF TAKVİYELİ POLİMER KOMPOZİT MALZEMENİN DELİNMESİ ESNASINDA OLUŞAN YÜZEY HASARININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye CAM ELYAF TAKVİYELİ POLİMER KOMPOZİT MALZEMENİN DELİNMESİ ESNASINDA OLUŞAN YÜZEY HASARININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SURFACE DAMAGE IN DRILLING OF GLASS FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE MATERIALS Ergün EKİCİ a, *, Birhan IŞIK b a, * Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, Türkiye, e.ekici@hotmail.com.tr b Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, bisik@karabuk.edu.tr Özet Cam elyaf takviyeli polimer kompozit parçalar günümüzde uzay, havacılık, gemi, kimya ve otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu yaygın kullanım alanının yanı sıra kompozit parçaların talaşlı işlemesinde kompozit malzemelerin anizotropik yapısından dolayı sorunlar görülmüştür. Bu çalışmada delme işlemi esnasında delik yüzeyinde oluşan yüksek gerilme kuvvetleri sebebi ile delik çıkış kenarlarında oluşan yüzey hasarları incelenmiştir. İnceleme esnasında cam elyaf takviyeli polimer kompozit malzeme, değişik kesme parametreleri (kesme hızı, ilerleme ve takım uç geometrisi) altında delinerek delik çıkış yüzey hasar faktörü ölçümleri yapılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar yorumlanarak daha az yüzey hasarı için tercih edilmesi gereken optimum kesme parametreleri için önerilerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: İşlenebilirlik, Cam elyaf takviyeli polimer kompozit, Yüzey hasarları. Abstract Glass fiber reinforced polymer composite parts has been started to get extensively used at the industry of space, aviation, ship, chemistry and automotive nowadays. Other than this field of usage, at processing the composite parts by machining, some problems have been revealed due to the anisotropic structure that the composite materials have. In this study, due to stress generated on the surface of hole during drilling a damage occurred on the sides of the drill. During the investigation, the glass fiber reinforced polymer composite material has been drilled under the different cutting parameters (cutting speed, feed rate, and tool point geometry ), and measuring the damage factors of hole exit surface have been carried out. Explaining the reveled results, suggestions have been mentioned about the optimum cutting parameters which requires to get preferred for less damage of surface. Keywords: Machinability, Glass fiber reinforced polymer composite, Surface damage. 1.Giriş Son yıllarda cam elyaf takviyeli polimer kompozitler teknoloji alanında yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. [1] Cam elyaf takviyeli kompozitler (CTP) uçak ve uzay sanayisinde diğer mühendislik malzemeleri karşısında sahip oldukları üstün özellikler sebebi ile yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. [2] Bu özellikler yüksek özgül dayanım, sertlik, hafiflik, mükemmel korozyon ve ısıl direnci sebebiyle bu malzemeyi cazip kılar. [3] Kompozit malzemeler istenilen şekillerde üretilebilmeleri sebebiyle parçaların montajında yaygın olarak görülen işlem delme işlemidir. [4] Küçük bir uçakta in üstünde bağlayıcı olduğu bilinmektedir [5]. Kompozitlerin delinmesinde sıra dışı yöntemler (su jeti, lazer, elektro erozyon) denenmiş ama malzemenin sahip olduğu mekanik, ısıl özellikler sebebi ile deliklerin az hasarlı ve ekonomik olarak delinmesinde geleneksel yöntemler tercih edilmiştir. [6] Delme işlemi esnasında kesici hareketlerinden dolayı delik giriş ve çıkış bölgelerinde hasar oluşur. Endüstride delme işlemi esnasında oluşan bu hasarlar yüzünden birçok parça kullanılamamaktadır. Örneğin uçak sanayisinde oluşan bu hasarlardan dolayı parçaların % 60 ı kabul edilmemektedir. [7] Çeşitli yazarların [8-12], (CTP) kompozit malzemelerin delinmesi üzerine yapmış oldukları çalışmalarda, delik bölgesinde oluşan hasarın kesme parametreleri ve takım geometrisine bağlı olduğunu belirlemişlerdir. Davim ve Palanikumar [13], Hocheng ve Tsao [14], Bhatnagar ve Singh [15], kompozit malzemelerin delinmesinde kesme parametreleri ve takım geometrisinin önemli etkileri olduğunu belirtmişlerdir. Mohan ve arkadaşları [16], Davim ve Reis [17], düşük ilerleme ve yüksek kesme hızlarında hasar faktörünün azaldığı kanısına vardılar. Delik giriş ve çıkış bölgelerinde uygun ölçü tamlığı, istenilen yüzey kalitesini elde etmek için uygun takım geometrisi ve kesme parametrelerinin seçimi önemlidir. [18] Bu çalışmada hasır oryantasyonlu (CTP) malzemenin delinmesi esnasında oluşan yüzey hasarının en aza indirilmesi amaçlanmış ve bunu sağlayacak kesme parametreleri ve uygun takım geometrisi araştırılmıştır. 2. Deneysel çalışma Deneyler, cam elyaf takviyeli polimer kompozit (CTP) plakaları, farklı takım geometrisi ve kesme parametreleri altında delinerek delik giriş bölgelerinde oluşan hasarlar ölçülmüştür. Deneylerde 10 mm kalınlığında 14 katmanlı plakalar halinde hazırlanan CTP malzeme kullanılmıştır. Elyaflar arası açısı 90 derece olan CTP malzeme anizotropik bir IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 yapıya sahiptir. Hasır biçiminde örülerek imal edilen CTP malzeme Şekil 1 de görülmektedir. Hasar faktörünün (HF) belirlenmesinde, deliğin iki taraftan yoğun olarak dağıldığı hasarlı bölgelerin azami noktalarından geçen bir daire çizilerek D m bulunmuştur. D m nin belirlenmesinde ise merkezden geçen aynı doğru üzerinde x 1 ve x 2 nin en büyük olduğu değerler belirlenerek D m = x 1 + x 2 + D formülü yardımıyla elde edilmiştir. Hasar faktörünün belirlenmesi Şekil 3 de görülmektedir. x1 D m = Azami hasar çapı Şekil 1. CTP kompozit malzeme. CTP kompozit malzemenin mekanik özellikleri verilmiştir. D D = Matkap çapı x 1, x 2 = Hasar genişliği Çizelge 1 CTP malzemenin mekanik özellikleri. Mekanik Özellik Değer Eğilme mukavemeti 480 N/mm 2 Çekme modülü 26,470 N/mm 2 Çekme dayanımı 480 N/mm 2 Basma mukavemeti 196 N/mm 2 Çekme uzaması 1,7 % Isı iletkenliği 0,15 W/mC 0 CTP malzemenin delinmesinde 8 mm çapında 2, 3, 4 ağızlı, 60, 90 ve 120 uç açılarına sahip matkaplar kullanılmıştır. Her uç geometrisi için 9 deney olmak üzere toplam 81 deney yapılmıştır. x2 D m = D+x 1 +x 2 HF = Hasar faktörü HF = D m /D Şekil 3. Hasar faktörünün hesaplanması. Azami hasar çapı belirlendikten sonra, hasar faktörü azami hasar çapının matkap çapına bölünmesi ile bulunmuştur. Şekil 4 de azami hasar çapının belirlenmesi görülmektedir. Deneysel çalışmada azami devri 6000 dev/dak, iş mili gücü 5,5 KW olan TAKSAN TMC500 dik işleme merkezi kullanıldı. Kesme parametrelerindeki değişimin hasara olan etkilerini net belirleyebilmek için Çizelge 2 de belirtilen kesme parametreleri kullanılmıştır. Çizelge 2. Kesme parametreleri. Kesme Hızı [m/dak] İlerleme [mm/dev] Ağız sayısı 50 0, , ,18 4 CTP kompozit plakalar oluşturulan deney düzeneği yardımıyla titreşim ve kaymalardan emin olunarak Şekil 2 de görüldüğü gibi bağlanmıştır. Şekil 4. Azami hasar çapının belirlenmesi. 3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma 2, 3, 4 ağızlı 60º, 90º ve 120º uç açılarında matkaplarla belirlenen kesme parametrelerinde deneyler yapılmış ve kesme hızı arttıkça hasar faktörünün azaldığı, ilerleme, uç açısı ve ağız sayısının artması ile hasar faktörünün arttığı belirlenmiştir. 3.1 Kesme hız ve ilerlemenin hasar faktörüne etkisi 2 ağızlı takımda kesme hızının artması ile hasar faktörünün azaldığı, ilerlemenin artması ile hasar faktörünün arttığı belirlenmiştir. Kesme hızı için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,134 ilerleme için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,132 olarak belirlenmiştir. Kesme hızı ilerleme hasar faktörü arasındaki ilişki Şekil 5 degörülmektedir. Şekil 2. Deney düzeneği.

3 Şekil 5. 2 Ağızlı takımda kesme hızı ilerleme, hasar faktörü arasındaki ilişki. 3 ağızlı takımda kesme hızının artması ile hasar faktörünün azaldığı, ilerlemenin artması ile hasar faktörünün arttığı belirlenmiştir. Kesme hızı için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,136 ilerleme için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,134 olarak belirlenmiştir. Kesme hızı ilerleme hasar faktörü arasındaki ilişki Şekil 6 da görülmektedir. Şekil 6. 3 ağızlı takımda Kesme hızı ilerleme, hasar faktörü arasındaki ilişki. 4 ağızlı takımda kesme hızının artması ile hasar faktörünün azaldığı, ilerlemenin artması ile hasar faktörünün arttığı belirlenmiştir. Kesme hızı için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,1376 ilerleme için hasar faktörünün en yüksek değeri 1,137 olarak belirlenmiştir. Kesme hızı ilerleme hasar faktörü arasındaki ilişki Şekil 7 de görülmektedir.

4 Şekil 7. 4 ağızlı takımda Kesme hızı ilerleme, hasar faktörü arasındaki ilişki. 3.2 Uç açısının ve ağız sayısının hasar faktörüne etkisi Düşük kesme hızı (50 m/dak) ve düşük ilerleme (0,06 mm/dev) değerlerinde ağız sayısının ve uç açısının artması ile hasar faktörünün arttığı görülmüştür. Hasar faktörünün en düşük değeri 2 ağızlı 60º uç açılı takımda 1,134 olarak belirlenmiştir. Ağız sayısı uç açısı hasar faktörü arasındaki ilişki Şekil 8 de görülmektedir. Şekil 8. Ağız sayısı - uç açısı, hasar faktörü arasındaki ilişki. Yüksek kesme hızı (90m/dak) ve yüksek ilerleme (0,18 mm/dev) değerlerinde ağız sayısı ve uç açısının artması ile hasar faktörünün arttığı, görülmüştür. Hasar faktörünün en düşük değeri 2 ağızlı 60º uç açılı takımda 1,133 olarak belirlenmiştir. Ağız sayısı uç açısı hasar faktörü arasındaki ilişki Şekil 9 da görülmektedir.

5 Şekil 9. Ağız sayısı, uç açısı hasar faktörü arasındaki ilişki. 3.3 Takım aşınması Cam parçacıklarının iş parçası yüzeyi ile takım arasına gelmesi sonucunda kesici takımlarda kenar aşınması (edge wear) oluşmuştur. Kenar aşınması Şekil 10 da görülmektedir. Şekil 10. Kesici takımda oluşan kenar aşınması. Deneysel sonuçların daha iyi elde edilebilmesi için her üç deneyde bir takımların değiştirilmelerinden dolayı çok ciddi aşınma kayıpları gözlenmemiştir. 4. Sonuçlar Yapılan bu çalışmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır: - Yüksek kesme hızı ve düşük ilerleme hasar faktörünü azaltmıştır. - Kesici takım uç açısının ve ağız sayısının artması ile hasar faktörü de artmıştır. - En düşük hasar faktöre 90 m/dk kesme hızında, 0,06 mm/dev ilerleme hızında 60º uç açısına sahip iki ağızlı kesici takımla ulaşılmıştır. Kaynaklar [1] Davim JP, Reis P, Antonio C, Experimental study of drilling glass fiber reinforced plastics (GFRP) manufactured by hand lay up. Composites science and techology 2004;64: [2] Piping manual, Strategic Engineering (P) Ltd., Chennai; [3] Davim JP, Palanikumar K, Mathematical model to predict tool wear on the machining of glass fiber reinforced plactic composites. Metarials&Desing 2006 [4] Davim JP, Reis P. Drilling carbon fiber reinforced plastics (CFRP) manufactured by autoclave experimental and statistical study. Mater Des 2003;24: [5] El Sonbaty I, Khashaba UA, Machly T, Factor affecting the machinability of GFRP epoxy compositespiping manual, Strategic Engineering (P) Ltd., Chennai; Compos Struct 2004:63(3-4): [6] W. Ko nig, Ch. Wulf, P. Graß, H. Willerscheid, Machining of fiber reinforced plastics, Annals of CIRP 34 (1985) [7] Khashaba UA. Delamination in drilling GFRP-thermoset composites. Compos Struct 2004:63(3-4): [8] Hocheng H, Puw H. On drilling characteristics of fiberreinforcedthermoset and thermoplastics. Int J Mach Tools Manufact 1992;32(4): [9] Chen W. Some experimental investigations in the drilling of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composite laminates. Int J Mach Tools Manufact 1997;37(8): [10] Chambers A, Bishop G. The drilling of carbon fiber polymer matrix composites. Processing and Manufacturing 1995;III: [11] Lin SC, Chen IK. Drilling of carbon fiber-reinforced composite material at high speed. Wear 1996;194(1-2):

6 [12] Piquet R, Ferret B, Lachaud F, Swider P. Experimental analysis of drilling damage in thin carbon/epoxy laminate using special drills. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2000;31(10): [13] Davim JP, Reis P, Antonio C, Drilling fiber reinforced plastics (FRPs) manufactured by hand lay-up: influence of matrix (Viapal VUP 9731 and ATLAC ). Journal of Materials Processing Technology (2004) [14] Tsao CC, Hocheng H. Taguchi analysis of delamination associated with various drill bits in drilling of composite material. Int J Mach Tools Manufact 2004;44(10): [15] I. Singh N. Bhatnagar Drilling of unidirectional glass fiber reinforced plastic (UD-GFRP) compositelaminates Int J Adv Manuf Technol (2006) 27: Tsao CC [16] Mohan NS, Ramachandra A, Kulkarni SM. Delamination analysis in drilling process of glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite materials Journal of Materials Processing Technology 186 (2007); [17] Davim JP, Reis P, Drilling carbon fiber reinforced plastics manufactured by autoclave-experimental and statistical study. Materials and Design 24 (2003); [18] S. Arul L. Vijayaraghavan S.K. Malhotra R. Krishnamurthy Influence of tool material on dynamics of drilling of GFRP composites. Int J Adv Manuf Technol (2006) 29: [19] Rubio, J.C., Abroa, A.M. Correia, A.E. Davim J.P. Effect of high speed in the drilling of glass fibre reinforced plastic: Evaluation of the delamination factor, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48: (2008).