CAM ELYAF TAKVİYELİ PLASTİK KOMPOZİT MALZEMENİN İŞLENMESİ ESNASINDA KESME PARAMETRELERİNİN YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye CAM ELYAF TAKVİYELİ PLASTİK KOMPOZİT MALZEMENİN İŞLENMESİ ESNASINDA KESME PARAMETRELERİNİN YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ INVESTIGATION OF CUTTING PARAMETER EFFECTS ON SURFACE ROUGHNESS DURING MACHINING OF GLASS FIBER REINFORCED PLASTIC COMPOSITE MATERIAL Ömer ERKAN a, * ve Birhan IŞIK b a, * Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, Türkiye, omer.erkan@yahoo.com.tr b Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, bisik@karabuk.edu.tr Özet Çeşitli mühendislik uygulamalarında metallerin yerine tercih edilen polimer kompozitler, sadece hafiflik, mekanik dayanım gibi özellikleri nedeniyle değil, bunların yanında "elektriği bakırdan daha iyi iletebilen sistemler", "insan dokuları ile uyum sağlayan ve sertlik derecesi ayarlanabilen yapay doku ve organlar" gibi uygulamaların dışında "optik elyaf" ve "basınç ile elektrik üretebilen piezoelektrik özellikli ve istenildiği gibi işlenebilen özel sistemlerin yapımında" da metal ve seramik malzemelerin yerlerine kullanılmaktadır. Bu avantajlarının yanında talaşlı şekillendirilmeleri oldukça karmaşık bir durum içermektedir. Anizotropik yapılarından dolayı elyaf takviyeli kompozit malzemelerin talaşlı işlemesinde, hem elyaflardan hem polimerden hem de elyaf-polimer ikilisinin birlikte hareketinden dolayı ortaya farklı bir durum çıkmaktadır. Bu çalışmada cam takviyeli plastik kompozit malzeme, değişik kesme parametreleri (kesme hızı, ilerleme ve takım geometrisi) altında frezelenerek yüzey pürüzlülüğü ölçümleri yapılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar yorumlanarak daha iyi yüzey kalitesi için tercih edilmesi gereken optimum kesme parametreleri için önerilerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: İşlenebilirlik, Cam elyaf takviyeli polimer kompozit, Yüzey pürüzlülüğü, Takım aşınması. Abstract Glass fiber reinforced plastic (GFRP) composite materials are preferred to metals in the various engineering applications not only due to their light weights and high mechanical properties but also for being used, instead of metals and ceramic materials, in conducting electricity better than copper, in making artificial tissue and organs that can be good harmony with human tissue and having arranged hardness scale. Out of these applications they are used in producing optic fiber and employed in making specific piezoelectric systems that can produce electricity with pressure and producing easy machinable materials. In addition to the advantageous, however, machinability of GFRP s are quite complex. It is due to their anisotropic structures, moving fibers and polymers as well as moving fiber-polymer pairs together. In this study, a GFRP material was milled in various cutting parameters (cutting speed, feed rate and tool geometry) and surface roughness values were measured. The results obtained were evaluated, optimum cutting parameters for better surface roughness values were advised. Keywords: Machinability, Glass fiber reinforced plastic composite (GFRP), Surface roughness, Tool wear. 1.Giriş Cam elyaf takviyeli plastik kompozit (CTP) malzeme yüksek özgül dayanım, yüksek özgül sertlik, ve hafiflik özelliklerinin bileşimine sahiptirler. Bu özellikleri bilhassa uzay uygulamaları ve havacılık için bu malzemeyi ilgi çekici kılar [1]. CTP malzemeler işlendiğinde son derece serttirler. Bu yüzden işleme sürecinde kesici takım ve kesme parametrelerinin seçimi çok önemlidir [2]. Frezeleme elyaf takviyeli plastik parçaların imalatında sıklıkla kullanılan bir işlemdir. Kalıptan çıkan kompozit malzeme olduğu gibi kullanılamaz. Bu nedenle daha önceden belirlenmiş bir ölçü veya tolerans kapsamında fazlalık malzemenin kaldırılması gereklidir. Çokça kullanılan bir işlem olan, iyi ve istenen kalitede yüzey sağlayan frezeleme işlemi, elyaf takviyeli plastik kompozitlerin şekillendirilmesinde önemli rol oynar [3].Yüzey pürüzlülüğü, ölçü tamlığını, parçaların mekanik performansını ve üretim maliyetlerini etkileyebilmiş bir özelliktir. Bu sebeplerden dolayı iyi bir yüzey pürüzlülüğü değeri elde edilmesi için yapılan araştırma ve geliştirmeler kesme parametrelerinin ve takım geometrisinin optimizasyonunun gerçekleşmesine zemin hazırlamıştır [4, 5]. Çeşitli yazarların çalışmaları [6,7], plastik kompozit malzemelerin frezelenmesinden bahsederken, yüzey kalitesinin, kesme parametreleri, takım geometrisi ve kesme kuvvetleri ile güçlü bir biçimde ilişkili olduğunu gösterdiler. Koplev ve ekibi [6], Kaneeda [8], Puw ve Hocheng [9] elyaf dizilişinin ve takım geometrisinin belli başlı kesme mekanizmalarıyla bağlantılı olduğu kanısına vardılar. Santhanakrishman ve ekibi [10], ve Ramulu ve ekibi [7] plastik kompozitlerin işlenmesi üzerine bir çalışma ortaya koydular. Ve kesme hıznın artışının iyi bir yüzey oluşmasına öncülük ettiği sonucuna vardılar. 2. Deneysel çalışma Deneyler, cam elyaf takviyeli plastik kompozit (CTP) plakalar üzerinde, karbür parmak freze takımlar ile çeşitli kesme parametreleri altında frezelenerek geçekleştirildi. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 CTP malzemenin mekanik özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. 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 % Darbe dayanımı 150 kj/m 2 Isı iletkenliği 0,15 W/mC 0 Çizelge 2. Kesme parametreleri. Kesme Hızı [m/dak] İlerleme [mm/dev] Ağız sayısı 26 (1000 dev/dak) 0, (2000 dev/dak) 0, (3000 dev/dak) 0,15 4 Her üç kesme hızı için kullanılan kesme derinliği 3mm olarak sabit tutuldu. El yatırması yöntemiyle üretilen CTP malzeme anizotropik bir yapıya sahip olup, elyaflar arası açı 90 derecedir.10 mm kalınlığında olan ve 14 tabakadan meydana gelen CTP plakalar Şekil 1 de görüldüğü üzere hasır biçiminde örülerek imal edilmiştir. CTP kompozit plakalar tezgaha Şekil 3 teki gibi tezgahın rijitliği sağlanarak ve uygun bağlama koşullarına dikkat edilerek yerleştirildi. Şekil 1. Hasır biçiminde örülmüş cam elyaf tabakası. Deneyler CTP plakaların üzerine Şekil 2 de belirtilen ve SECO firmasının 99080, ve kodlu, 8mm çaplı, helis açısı 30, talaş açısı 10 olan 2, 3 ve 4 ağızlı karbür takımlarıyla kanallar açılarak gerçekleştirildi. Kesme parametrelerinin kombinasyonu neticesinde her bir takım için 9 deney olmak üzere, toplam 27 deney yapıldı. Şekil 3. CTP plakanın tezgaha uygun bir biçimde bağlanması ve deneylerin yapılışı.. Frezelenen kanalların yüzey pürüzlülüğü ölçümleri Mahr Marsurf PS1 cihazı kullanılarak ISO 4287/1 standardına göre değerleri kapsamında ele alınmıştır. Şekil 4 te yüzey pürüzlülüğü ölçümü görülmektedir. a) b) Şekil 4. Frezelenmiş kanalların yüzey pürüzlülük değerlerinin ölçülmesi. c) Şekil 2. Kullanılan karbür parmak frezeler a) 2 ağızlı, b) 3 ağızlı, c) 4 ağızlı Her kanal için Şekil 5 te görüldüğü gibi kanalın sol, orta, ve sağ yanlarından olmak üzere üç ölçüm yapıldı. Neticesinde uygun değerler alınarak kıyaslama grafikleri oluşturuldu. Bu işlemler için iş mili gücü 5,5 KW, azami devri de 6000 dev/dak olan TAKSAN TMC500 dik işleme merkezi kullanıldı. Kesme parametrelerindeki değişimin yüzey pürüzlülüğüne olan etkisini açıkça gözlemleyebilmek için Çizelge 2 de belirtilen kesme parametrelerinin kombinasyonu deneylerde kullanıldı.

3 3. Deney Sonuçları 2, 3 ve 4 ağızlı takımlar ile gerçekleştirilen deney sonuçları neticesinde, metallerin işlenmesinde ortaya çıkan genel sonuçlarla bir paralellik gösterdiği gözlenmiştir. Kesme hızı arttıkça yüzey pürüzlüğü azalmış, ilerleme miktarı arttıkça yüzey pürüzlülüğü artmıştır. 3.1 Kesme hızı ve ilerlemenin 2 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi İşlenmiş yüzey Şekil 5. Frezelenmiş kanalda yapılan yüzey pürüzlülüğü ölçümleri Yüzey pürüzlülük cihazında, Şekil 5 te belirtildiği gibi her ölçüm için, 0,8 mm ölçüm adımı (cut off) mesafesiyle altı ölçüm yaptırılarak, toplam 4.8 mm ölçüm boyunda ortalama pürüzlülük değeri (R a ) hesaplandı. Şekil 6 da belirtilen grafikten görüleceği üzere 2 ağızlı takımda kesme hızı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Ayrıca ilerleme miktarı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü de artmıştır. 2 ağızlı takım için asgari ve azami yüzey pürüzlülük değerleri µm ile µm arasında olup, en iyi yüzey pürüzlülüğü değeri 76 m/dak kesme hızında ve 0.05 mm/dev ilerlemede, yaklaşık olarak 3.5 µm olarak ölçülmüştür. Şekil 6. Kesme hızının ve ilerlemenin, 2 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi. 3.2 Kesme hızı ve ilerlemenin 3 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi Şekil 7 de belirtilen grafikten görüleceği üzere 3 ağızlı takımda kesme hızı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü düşüş göstermiştir. Ayrıca ilerleme miktarı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü de atmıştır. 3 ağızlı takım için Asgari ve azami yüzey pürüzlülük değerleri µm ile µm arasında olup, en iyi yüzey pürüzlülüğü değeri 76 m/dak kesme hızında ve 0.05 mm/dev ilerlemede, yaklaşık olarak µm arasında ölçülmüştür.

4 Şekil 7. Kesme hızının ve ilerlemenin, 3 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi. 3.3 Kesme hızı ve ilerlemenin 4 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi Şekil 8 de belirtilen grafikten görüleceği üzere 4 ağızlı takımda kesme hızı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü düşüş göstermiştir. Ayrıca ilerleme miktarı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü de artmıştır. 4 ağızlı takım için asgari ve azami yüzey pürüzlülük değerleri µm ile µm arasında olup, en iyi yüzey pürüzlülüğü değeri 76 m/dak kesme hızında ve 0.05 mm/dev ilerlemede, yaklaşık olarak 2.5 µm olarak ölçülmüştür. Şekil 8. Kesme hızının ve ilerlemenin, 4 ağızlı takımda yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi.

5 3.4 Ağız sayısının yüzey pürüzlülüğüne etkisi Şekil 9 dan görülebileceği üzere ağız sayısı arttıkça yüzey pürüzlüğü azalmıştır. En pürüzlü yüzey 2 ağızlı takımla frezelenen kanallarda ölçülürken, 3 ve 4 ağızlı takımlarla frezelenen kanallarda daha iyi ve birbirlerine yakın pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Şekil 9. İlerlemenin 0.05 mm/dev olduğu anda, ağız sayısı ve ilerlemenin, yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi. İlerlemenin 0.15 mm/dev olduğu anda, Şekil 10 üzerinden çıkarılabilecek sonuçlar, 0.05 mm/dev kesme hızında ortaya çıkan sonuçlarla paralellik göstermektedir. Böylece En pürüzlü yüzey 2 ağızlı takımla işlenen kanallarda oluşurken, 3 ve 4 ağızlı takımlarla işlenen kanallarda daha iyi ve birbirlerine yakın yüzey pürüzlülük değerleri ölçülmüştür. Ağız sayısının artmasından dolayı, CTP kompozit malzeme üzerindeki herhangi bir noktaya, dönme esnasında kesici kenarlar daha fazla etki etmektedir. Bu nedenle plastik deformasyonun daha hızlı gelişmesine imkan sağlamaktadır. Sonuç olarak elyaflar, malzemeden daha hızlı uzaklaşarak yüzey pürüzlülüğünü olumlu yönde etkilemektedir. Şekil 10. İlerlemenin 0.15 mm/dev olduğu anda, ağız sayısı ve ilerlemenin, yüzey pürüzlülüğüne olan etkisi.

6 3.5 Takım aşınması Şekil ağızlı takımda aşınma. Deneylerde kullanılan üç farklı ağızlı (2, 3 ve 4) kesici takımlar için dikkate alınamayacak boyutta kenar aşınması meydana gelmiştir. Şekil 15 te, 2 ağızlı takımda, aşınmanın meydana geldiği kenarlar gösterilmiştir. 4. Genel Sonuçlar Aşınmanın oluştuğu kenarlar Deneylerden elde edilen sonuçlar ışığında tavsiye edilen optimum kesme parametreleri aşağıda sıralanmıştır; i. En iyi yüzey pürüzlülüğü değerini, 76 m/dak kesme hızında, 0.05 mm/dev ilerleme miktarında 4 ağızlı takım sağlamıştır. ii. Kesme hızının artışı daha iyi yüzey pürüzlülüğü değerlerinin elde edilmesini sağlamaktadır. Ramulu ve ekibi [7], polimerik kompozitlerin işlenmesi üzerine bir çalışma ortaya koydular ve kesme hızının artışının iyi bir yüzey oluşmasına öncülük ettiği sonucuna vardılar. Elde edilen sonuçlar ışığında kesme hızı arttıkça yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Dolayısıyla Ramulu ve ekibinin yapmış olduğu çalışma ile paralellik göstermektedir. iii. İlerlemenin azalması yüzey kalitesini arttırmaktadır. Davim ve ekibinin [12], yapmış olduğu çalışmada cam elyaf takviyeli plastiklerin işlenmesinde kesme hızının artışı daha iyi bir yüzey sağlarken, ilerlemenin artışı, yüzey pürüzlüğünü arttırmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar neticesinde kesme hızının artışının, yüzey pürüzlülüğünü azaltacağı ve ilerlemenin artışının da yüzey pürüzlülüğünü arttıracağı gözlenmiştir. Böylece Davim ve ekibinin çalışmasındaki sonuçlarına paralel bir sonuç ortaya çıkmıştır. iv. Kesici takımın ağız sayısı arttıkça yüzey pürüzlülüğü azalmaktadır. Davim ve Reis [13], yaptıkları çalışmada ağız sayısının artışı ile yüzey pürüzlülüğünün arttığını gözlemlediler. Deneylerden çıkan sonuçta ise ağız sayısı arttıkça yüzey pürüzlülüğü azalma eğilimindedir. Bu sebepten dolayı elde edilen sonuçlar Davim ve Reis in yaptığı çalışma ile zıtlık göstermektedir. Kaynaklar [1] Smith, WF. Principles of materials science and engineering. MacGraw-Hill; p [2] Rahmanh M, Ramakrisha S, Prakash JRS, Tan DCG. Machinability study of carbon fiber reinforced composite. J MaterProcess Technol 1999;89 90: [3] S. Jahanmir, M. Ramulu, P. Koshy, Machining of Ceramics and Composites, Marcel Dekker, Inc., New York, 2000, pp [4] Ramulu M, Wern CW, Garbini JL. Effect of the direction on surface roughness measurements of machined graphite/epoxy composite. Compos Manuf 1993;4(1): [5] Erisken, E. Influence from production parameters on the surface roughness of a machine short fibre reinforced thermoplastic. Int J Machine Tools Manuf 1999;39: [6] Koplev, A. Lystrup, A. Vorm, T. The cutting process, chips and cutting forces in machining CFRP. Composites 1983;14(4): [7] Ramulu, M. Arola D, Colligan. K, Preliminary. investigation of effects on the surface integrity of fiber reinforced plastics. In:Engineering systems design and analysis 2, PD-vol ASME; p [8] Kaneeda, T. CFRP cutting mechanism. In: Proceeding of the 16th North American Manufacturing Research Conference p [9] Puw, HY. Hocheng, H. Anisotropic chip formation models of cutting of FRP. In: ASME Symposium on Material Removal and Surface Modification Issues in Machining Processes, New York, [10] Santhanakrishman, G. Krishnamurthy, R. Malhota, SK. Machinability characteristics of fibre reinforced plastics composites. J Mech Working Technol 1988;17: [11] P.S, Sreejith. R, Krishnamurthy. S.K, Malhota. K, Narayanasamy. Evaluation of PCD tool performance during machining of carbon/phenolic ablative composites, J. Mater. Process. Technol. 104 (2000) [12] Davim, J. Reis, P. Antonio, C. A Study on milling of glass fiber reinforced plastics manufactured by hand-lay up using statistical analysis (ANOVA), Composite Structures 64 (2004) [13] Davim, J. Reis, P. Damage and dimensional precision on milling carbon fiber reinforced plastics using design experiments, Journal of Materials Processing Technology 160 (2005)