Cu-Cr-Zr ALAŞIMININ AŞINDIRICI SU JETİ İLE TORNALANMASI. Fuat KARTAL, Hasan GÖKKAYA, Muammer NALBANT

Transkript

1 Cu-Cr-Zr ALAŞIMININ AŞINDIRICI SU JETİ İLE TORNALANMASI Fuat KARTAL, Hasan GÖKKAYA, Muammer NALBANT Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu Meslek Yüksekokulu, 37100, Kastamonu Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 78100, Karabük Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İmalat Mühendisliği Bölümü,06500, Ankara ÖZET Bu çalışmada, (Cu-Cr-Zr) alaşımının aşındırıcı su jeti ile tornalanması esnasında işleme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda pompa basıncı 350 MPa, aşındırıcı garnet formunda ve boyutu 80 mesh, nozul çapı 1.2 mm olarak sabit tutulmuştur. Deneylerde 30 ve 240 mm ebatlarında (Cu-Cr-Zr) alaşımı, nozul ilerleme miktarı (10, 15, 20 ve 25 mm/dk), aşındırıcı akış oranı (50, 150, 250 ve 350 gr/dk), torna aynası deviri (25, 50, 75 ve 100 dev/dk) ve nozul mesafesi (2, 5, 8 ve 11 mm) parametrelerinde aşındırıcı su jeti ile işlenmiştir. Deney sonuçlarına göre işleme parametrelerinden nozul ilerleme miktarı ve nozul yaklaşma mesafesinin artması ortalama yüzey pürüzlülüğünün artışına neden olmuştur. Torna devir sayısı ve aşındırıcı akış oranının artması ise ortalama pürüzlülüğünün azalmasına neden olmuştur. Yüzey pürüzlülüklerinin µm arasında değiştiği görülmüştür. Anahtar kelimeler: Aşındırıcı su jeti, Tornalama, (Cu-Cr-Zr) alaşımı, Ortalama yüzey pürüzlülüğü LATHING OF Cu-Cr-Zr ALLOY WITH ABRASIVE JET OF WATER ABSTRACT In this research, the effect of the processing parameters on surface roughness during the lathing of (Cu-Cr-Zr) alloy with abrasive jet of water was studied. In the experimental studies,( (Cu-Cr-Zr) alloy, 30 and 240 mm in size, was processed with abrasive jet of water. In the experiment, pump pressure was 350 MPa, in the form of garnet abresive and 80 mesh in size and nuzzle diameter were kept constant at 1.2 mm. In addition to that in the parameters of nozzle feed rates (10,15,20 and 25 mm/min), abrasive flow rates (50,150,250 and 350 gr/min) and nozzle distances (2,5,8,11 mm) were used in the tests. According to the results of the experiment, the increase in nozzle feed rate and nozzle distance led to increase in average surface roughness. On the other hand, the increase in the number of turning speed and abrasive flow rate led to decrease in average surface roughness. Average surface roughness were measured between 2.5 and 5.5 µm. Word Key: Abrasive jet of water, Lathe, (Cu-Cr-Zr) alloy, average surface roughness

2 1. GİRİŞ 15. Uluslararası Makina Tasarım ve İmalat Kongresi Alışılmamış imalat yöntemlerinden olan aşındırıcı su jetiyle işleme (ASJ (AWJM)), diğer işleme teknolojilerine göre üstünlüklere sahiptir. İlk olarak, madencilikte kullanılan su jetinin, günümüzde makine imalat sanayinde kullanımları ve tercih edilmeleri sürekli olarak artmaktadır [1]. Aşındırıcı su jetiyle kırılgan, sünek ve kompozit gibi malzemeler çok rahat bir şekilde işlenebilinmektedir [2]. Bu çalışmaya yön vermek üzere yapılan literatür çalışmasında; Zhong ve arkadaşları, aşındırıcı su jeti ile 25 mm çapındaki camı tornalarken, farklı işleme parametrelerin (devir sayısı, su jeti nozulunun yaklaşma mesafesi, su basıncı, nozul ilerleme miktarı ve aşındırıcı akış oranı) yüzey pürüzlülüğüne etkilerini incelemişlerdir. Elde edilen verilerin, klasik torna tezgâhından elde edilen verilerle mukayesesi yapılmıştır. Çalışma sonucunda ilerleme miktarı oranı artışı yüzey pürüzlülük değerini ve dalgalanmaları arttırmıştır. Ayrıca su jeti nozulu ile iş parçası arasındaki yaklaşma mesafesi azaldıkça yüzey pürüzlülüğü iyileşme göstermiştir. Deney sonuçlarına göre en iyi yüzey pürüzlülüğü için aşındırıcı akış oranı 300 gr/dk olarak tespit edilmiştir. Yüzey pürüzlülüğünün iyileştirilmesi için nozulun düşük ilerlemede ve torna tezgahın yüksek devirde çalışması gerektiğini belirtmişlerdir [1]. M. Selvan ve arkadaşı Alüminyumun ve bakır malzemelere ait numunelerin aşındırıcı su jeti ile kesme derinliğinin deneysel olarak gözlenmesi isimli çalışmasında aşındırıcılı su jeti ile alüminyum ve bakır numunelerinin işlenmesi esnasında, işleme parametrelerinin etkisini belirlemek için deneysel veri kümesini kullanılmışlardır. Kesme derinliğini tahmin edebilmek için regresyon analizi kullanarak elde edilen verileri deneysel sonuçlarla karşılaştırmışlardır. Karşılaştırma sonucunda bilgilendirici tablo ve parametrik seçim kılavuzu oluşturmuşlardır [3]. Liu ve arkadaşları, Aşındırıcı su jeti kesme özelliklerinin CFD simülasyonu ile incelenmesi adlı çalışmalarında, ultra yüksek hızlı su jeti ve aşındırıcı su jeti modellerini, (CFD) hesaplamalı akışkanlar dinamiği Fluent6 akış çözücü programı kullanılarak oluşturulmuştur. Nozul tasarımı için gerekli optimize edilebilir karakteristik özellikleri tespit etmişlerdir. Ayrıca aşındırıcı su jeti ile kesme işleminde jet taneciklerine etki eden parametreleri matematiksel olarak modellemiştir [4]. Akkurt ve arkadaşları, Aşındırıcı su jeti ile Al-6061 alüminyum alaşımı, pirinç-353, AISI 1030 ve AISI 304 çelik plaka parçalarının kesim uygulamalarında nozul ilerleme miktarının ve iş parçası kalınlığının artması iş parçası yüzey pürüzlülüğünü arttırdığını belirtmektedirler [5]. Aydın ve arkadaşları, aşındırıcı su jeti ile kesmede, işleme parametrelerinin kerf açısına etkisinin araştırılması çalışmalarında, deney numunesi olarak granit kullanmışlardır. Deneysel çalışmalar, Taguchi deney tasarımı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarında, yüksek su jeti hızları ve iş parçası nozul arasındaki mesafe artışı, kerf açılarında artış meydana getirdiğini belirtmektedir. Çalışma basıncındaki artış beklenenin aksine kerf açılarını arttırmıştır [6]. Hashish, aşındırıcı su jeti ile silindirik iş parçası üzerinde talaş kaldırma esnasında talaş kaldırmaya etki eden en önemli işleme parametrelerinin nozul hızı ve kesme derinliğinin

3 olduğunu belirtmiştir [7]. Kartal ve Gökkaya aşındırıcı su jeti ile tornalamada aşındırıcı taneciklerinin torna düzeneğini olumsuz yönde etkilememesi için hibrid deney düzeneği tasarımı yaparak, aşındırıcı su jeti ile işleme ortamına uygun torna tertibatı düzeneğini geliştirmişlerdir [8]. BURAYA ARAŞTIRMANIN AMACINI YAZILMALI 2. AŞINDIRICI SU JETI İLE TORNALAMA Aşındırıcı su jeti ile işlemede kesme kuvveti çok düşüktür. Küçük işleme kuvvetine sahip olması nedeniyle kırılgan, esnek, deforme olabilir malzemelerin (cam, seramik) tornalanmasına olanak sağlamaktadır [9]. ASJ ile tornalamada işlenecek parçanın çapı ne olursa olsun klasik torna imalat işleminde olduğu gibi kesme kuvvetine duyarlı değildir. Uzun ebatlı parçaların alışılmış torna tezgahında döndürülmesiyle büyük momentler, titreşim ve esneme gibi olumsuzluklar meydana gelmektedir. ASJ ile tornalama işlemi ile titreşim ve kuvvetten meydana gelen sapma deformasyonları gibi olumsuzluklar ortadan kalkmaktadır. Ayrıca son paso işlemleri için (yüzey pürüzlülüğü), kesici takım değiştirme ve güçlü bağlama kalıpları gereksinimi ve zaman kaybı ortadan kalkmaktadır [10]. ASJ ile bir proseste değişik formlarda iş parçası tek nozul ile işlenebilinmektedir [1]. Alışılmış imalat yöntemlerinden olan klasik torna tezgahı ile değişik formlarda iş parçasının işlenmesi sırasında her bir form için farklı forma sahip kesici takım gerekli olmaktadır. Alışılmamış imalat yöntemlerinden olan aşındırıcı su jeti ile işlemede ise tüm formların tek bir nozul ile yapılabiliyor olması aşındırıcı su jeti ile işlemenin avantajlarındandır. Şekil 1 de kesme nozul kafası X,Y ve Z koordinatları boyunca hareket edebilmekte ve boyuna tornalama ve kanal açma işlemi sorunsuzca ve ayrıca X ve Y ye bağlı hareket denklemi ile konik tornalama helis ve vida açma işlemleri yapılabilmektedir [11]. Şekil 1: Aşındırıcı su jeti ile tornalama [11]

4 3. MATERYAL VE METOD 3.1. Tornalama Deney Düzeneği Bu çalışmada, aşındırıcı su jeti ile tornalamada kullanılmak üzere geliştirilen hibrid torna tertibatı düzeneğini kullanılmıştır. Torna düzeneğinde kullanılan elektrik motorunun gücü 0.37 KW seçilmiş, motorun hız kontrolünü sağlamak için ATV V-220V kontrol kartı kullanılmıştır. Bu kartın özelliği üç fazlı motoru 220 volt elektrik ile kontrol edebilen ve dönüş yönü ve hızı ayarlamalarını yaparak motorun tork değerini sabit tutabilmektir. Ayrıca bu kartın sağladığı bir diğer avantaj ise, motor hızının sabit bir şekilde kalmasını sağlamaktır. Dönüş yönü, kart üzerinde bulunan ayar düğmesi ile yapılmaktadır. Sistem kayış kasnak ve kamalı mil bağlantısı kullanılarak oluşturulmuştur. Fener mili olarak yüzeyi sertleştirilmiş krom malzemesinden yapılmış piston mili kullanılmıştır. Mil uçlarından 20 mm iç çapında yataklı rulman kullanılmıştır. Kullanılan rulmanın özelliği eksenel kaçıklıkları sönümleyebilme özelliğinin olmasıdır. Geliştirilen torna tezgahında iş parçasının bağlanabilmesi için 100 mm çapında üç ayaklı torna aynası kullanılmıştır. Sistemin eksenel sapmasını tespit edebilmek için 0.001birim? hassasiyette dijital komparatör kullanılmıştır. Bu sistemde ölçülen fener mili ve torna aynası eksenel kaçıklık değeri mm olarak kaydedilmiştir. Şekil 2 de aşındırıcı su jeti ile tornalamada kullanmak üzere geliştirilen ve prototipi oluşturulan hibrid tornalama deney düzeneği görülmektedir. Şekil 2: Aşındırıcı su jeti ile tornalamada kullanmak üzere geliştirilen hibrid torna deney düzeneği 3.2. Deney Numunesi ve İşleme parametreleri Deneysel çalışmalarda kullanılan 30 ve 240 mm ebatlarında deney numunesi (Cu-Cr-Zr) bileşenlerinden oluşan kromlu bakır alaşımıdır. Yaklaşık olarak %1 Krom ve %0,1 Zirkonyum

5 içermektedir. İşleme parametreleri olarak; nozul ilerleme miktarı, aşındırıcı akış oranı, torna aynası deviri ve nozul mesafesi değerleri kullanılmıştır (Tablo 1). Tablo 1. Aşındırıcı Su Jeti ile tornalamada kullanılan işleme parametreleri ve seviyeleri. Parametre Seviyeleri İlerleme miktarı, mm/dk Aşındırıcı akış oranı, gr/dk Ayna devir sayısı, dev/dk Nozul mesafesi, mm Aşındırıcı Su jeti Tezgahı Aşındırıcı su jeti ile tornalaması yapılan 30 ve 240 mm uzunluğunda bakır numuneleri aşındırıcı su jeti ile belirlenen işleme parametrelerinde işlenirken pompa basıncı 350 MPa, nozul çapı 1.2 mm ve aşındırıcı boyutu 80 mesh olarak sabit tutulmuştur. Şekil 3 te silindirik (Cu-Cr-Zr) alaşımı deney numunesinin aşındırıcı su jeti ile tornalanması verilmiştir. Şekil 3: (Cu-Cr-Zr) alaşımının aşındırıcı su jeti ile tornalanması Talaş kaldırma işleminde 0.01 hassasiyetli, 4150 bar SL-V 50 KMT pompa basıncına sahip dik işleme özelliğine sahip CNC aşındırıcı su jeti tezgahı kullanılmıştır Yüzey Pürüzlülüğü Ölçü Cihazı Deneyler gerçekleştirildikten sonra talaş kaldırılan yüzeylerin pürüzlülük ölçümleri Mitutoyo SJ-301, masa üstü sütunlu ve yazılı çıktı alınabilen yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı ile yapılmıştır. Kullanılan yüzey pürüzlülüğü cihazının teknik özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Yüzey pürüzlülüğü ölçüm cihazının teknik özellikleri [12]. Model SJ-301

6 Tarama hızı Tarama kuvveti İğne uç yarıçapı Ölçüm aralıkları Filtre Örnekleme uzunluğu Ölçme uzunluğu Ölçülebilen parametreler Yaklaşık ağırlık 0.25, 0.5 mm/s 4 mn ve 0.75 mn 2 μm, 5 μm 350μm (-200μm +150μm) Gaussian 0.25, 0.8, 2.5 (mm) 0.08, 0.25, 0.8, 2.5, 8 (mm) Ra, Rz, Rmax 0.2 kg Pürüzlülük ölçümlerinde sadece ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri ölçülmüştür. Ra pürüzlülük değerleri, dört farklı noktada (nerelerden alındı aralıkları varmı ) ölçüm yapılmış, dört değerin ortalaması alınarak grafiklerde kullanılmıştır. 4. BULGULAR VE TARTIŞMA (Cu-Cr-Zr) bakır numunesinin aşındırıcı su jeti ile işlenmesi sonucunda torna aynası deviri ile ortalama yüzey pürüzlülüğü ilişkisi Şekil 4 te grafik olarak verilmiştir. Devir sayısı 25 dev/dk dan 50 dev/dk ya yükseltildiğinde ortalama yüzey pürüzlülük değerinde yaklaşık %12 lik iyileşme olurken devir 25 dev/dk dan 100 dev/dk ya çıkarıldığında ise ortalama yüzey pürüzlülük değerinde %37'lik iyileşme olmuştur. Elde edilen bulgular literatür ile örtüşmektedir [1,6]. Şekil 4: Devir sayının ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi Dört farklı nozul ilerleme miktarı kullanılarak yapılan talaş kaldırma işleminden sonra ölçülen ortalama yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 5 de verilmiştir. Nozul ilerleme miktarı 10 mm/dk dan 15 mm/dk ya yükseltildiğinde yüzey pürüzlülük değerinde % 0.8 lik artış görülmüştür.

7 İlerleme hızı 10 dev/dk dan 25 dev/dk ya artırıldığında ise ortalama yüzey pürüzlülük değerinde %4.35 lik artış görülmüştür. Şekil 5: Nozul ilerleme miktarının ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi Dört farklı aşındırıcı akış oranı ve nozul yaklaşma mesafesi kullanılarak yapılan talaş kaldırma işleminden sonra ölçülen ortalama yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 6 ve Şekil 7 de verilmiştir. Aşındırıcı akış oranı 50 gr/dk değerinden 150 gr/dk değerine artırıldığından ortalama yüzey pürüzlülük değerinde %7 oranında iyileşme olmuştur. Aşındırıcı akış oranı 50 gr/dk değerinden 350 gr/dk değerine artırıldığından ise ortalama yüzey pürüzlülük değerinde % 31 iyileşme olmuştur. Aşındırıcı akış oranı miktarının artışı ortalama yüzey pürüzlülüğünün iyileşmesine neden olmaktadır [1,5-7] Şekil 6: Aşındırıcı akış oranının ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi

8 Nozul yaklaşma mesafesindeki artışın ortalama yüzey pürüzlülüğüne olumsuz yönde etki ettiği tespit edilmiştir (Şekil 7). Bunun sebebi; nozulun çıkışında jet oluşumu ve mesafe arttıkça oluşan saçaklanmaya bağlanabilir. Deney numunesinin aşındırıcı su jeti ile tornalanmasında yüzey pürüzlülüğüne etki eden en büyük etmenlerde biriside nozul yaklaşma mesafesi olduğu söylenebilir [1]. Şekil 7: Nozul yaklaşma mesafesinin ortalama yüzey pürüzlülüğüne etkisi 5. SONUÇLAR Denenen sınırlar içerisinde deneme bulgularına göre elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir; Aşındırıcı su jetinin, denenen malzeme ve bazı malzemeler için tornalama amaçlı kullanılabilir olduğu görülmüştür. Aşındırıcı akış oranı ve devir sayısı arttıkça ortalama yüzey pürüzlülüğü azalmaktadır. Nozul ilerleme miktarı arttıkça ortalama yüzey pürüzlülüğünde artmaktadır. Aşındırıcı akış oranı arttıkça ortalama yüzey pürüzlülüğü azalmaktadır. Nozulun iş parçasına olan mesafesinin artışı ortalama yüzey pürüzlülüğünün artışına neden olmaktadır. KAYNAKÇA [1] Zhong, Z.W., and Han, Z.Z., Turning of Glass with Abrasive Waterjet, Materials and Manufacturing Processes, Vol. 17, No.3, 17 June 2002, pp [2] Ergür, H. Aşındırıcı Su Jetinin Teorik Analizi Ve Yapay Sinir Ağı Yöntemiyle Modellenmesi Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, Vol: XXII, No:2, 2009.

9 [3] M.Chithirai Pon Selvan et al. An Experimental Investigation On Depth Of Cut In Abrasive Water jet Cutting Of Aluminum International Journal of Engineering Science and Technology, ISSN : Vol. 3 No. 4 April [4] Liu, H., et al. A study of abrasive waterjet characteristics by CFD simulation, Journal of Materials Processing Technology (2004) [5] Akkurt, A., et al. Effect of feed rate on surface roughness in abrasive waterjet cutting applications Journal of Materials Processing Technology 147 (2004) [6] Aydin, G., et al. Investigation of Effect of the Process Parameters on KerfAngle of the Granite in Abrasive Water jet Cutting Madencilik, Vol.49, No.2, pp 17-26, June [7] M. Hashish, "A modeling study of metal cutting with abrasive waterjets," ASME J. of Eng. Mat. and Tech., vol. 106, no. 1, pp , [8] Kartal, F. Gokkaya, H. Aşındırıcı Su Jeti İle Tornalama Deney Düzeneği Tasarımı International Iron & Steel Symposium, Nisan 2012, Karabük, Türkiye. [9] Duflou, J. R., Kruth, J.P., and Bohez, E.L., Contour cutting of pre-formed parts with abrasive waterjet using 3-axis nozzle control. Journal of Materials Processing Technology, 115, [10] Hashish, M. Advances in Abrasive Waterjet Machining, Proceedings of the 1st Asian Conference on Jetting Technology, Singapore, 1991; [11] Zohoor, M., Zahourkari, İ. modeling of abrasive waterjet Turning Australian journal of basic and applied Science 5(8): 70-79, [12] Mitutoyo SJ-301 Surface Roughness Tester, User s Manual.