DIN Soğuk İş Takım Çeliğinin İşlenmesinde Kesme Parametrelerinin İstatistiksel Analizi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey DIN Soğuk İş Takım Çeliğinin İşlenmesinde Kesme Parametrelerinin İstatistiksel Analizi M. Zeyveli 1, M. Altuğ 2 1 Karabük Üniversitesi, Karabük/Türkiye, mzeyveli@karabuk.edu.tr, 2 İnönü Üniversitesi, Malatya/Türkiye, maltug@inonu.edu.tr, Statistical Analysis of Cutting Parameters When Machining DIN Cold Work Tool Steel Abstract In this study, machinability tests were carried out on DIN cold work tool steel workpieces. The tests were carried out at six different cutting speeds (75, 105, 140, 175, 210 and 245 m/min), three different feed rates (0.05, 0.1 and 0.15 mm/rev) and a fixed depth of cut of 1 mm without coolant. The influences of cutting parameters on surface roughness were investigated. The experimental results showed that increasing cutting speed significantly decreased the surface roughness values. However, the tests carried out at 0.05 mm feed rate and 210 and 245 m/min cutting speeds increased the surface roughness. Keywords DIN , Cold Work Tool Steel, Turning, Surface Roughness. 1. GİRİŞ Yüzey pürüzlülüğü, kesme hızı, ilerleme hızı, takım aşınması ve kesme kuvvetleri gibi kesme parametrelerine ve takım geometrisine bağlı bir işlenebilirlik parametresidir. İşlenebilirlikte, istenilen yüzey pürüzlülüğünün elde edilmesi, iş parçasının gerekli fonksiyonel özelliklerini yerine getirmesini sağlamak için önemli bir gerekliliktir. Yüzey pürüzlülüğü, iş parçalarının aşınma, ısı iletimi vb. mekaniksel ve fiziksel özelliklerini de etkilemektedir. Literatürde işlenebilirlik çalışmaları çok çeşitli olup, kendi aralarında farklı sınıflandırmalara ayrılmıştır. İşlenebilirlik göstergeleri olarak takım aşınması, yüzey pürüzlülüğü gibi faktörler genel olarak dikkate alınan parametrelerdir. Ayrıca yüzey kalitesine etki eden farklı birçok etken vardır. Bunlar ilerleme hızı, malzeme sertliği ve karakteristiği, kesme hızı, kesme derinliği, kesme zamanı, kesici takım uç radüsü, kesici takım kesme kenar açısı, takım tezgahı rijitliği ve iş parçasının bağlanması, titreşim ve kesme sıvısıdır [1]. Yüzey kalitesinin azalması ile mühendislik parçalarında oluşan yorulma dayanımı artmaktadır [2]. Yüzey pürüzlülüğü, yorulma direnci, aşınma, ısı iletimi, sürtünme ve yağlama gibi ürünün kalitesinin artırılması için gerekli olan fonksiyonel karakteristik özellikleri etkilemektedir. Yüzey pürüzlülüğünün azalması yüzey kalitesinin artmasını sağlamaktadır [3, 4]. Endüstride soğuk iş takım çelikleri, uygulama amaçlarına göre imalat ve kalıpçılık sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak DIN çeliği sık kullanılan soğuk iş çeliklerden olmakla birlikte bu çeliklerin işlenebilirliği ile ilgili yayın sayısı yok denecek kadar azdır. Genel olarak soğuk iş takım çeliklerinin işlenebilirliği ile ilgili farklı yayınlar vardır. Sertleştirilmiş AISI D2 çeliğinin seramik kesici takım ile işlenebilirliğinin araştırıldığı çalışmada; takım aşınması kesme hızından daha çok etkilenirken, kesme zamanından etkilenme oranının kesme hızına göre daha az olduğu belirtilmiştir [5]. Sertleştirilmiş çeliğin tornalama işleminde, AL2O3/TiC kesici takım aşınma mekanizmasının araştırılmasında, takım aşınmasının iş malzemesinin sertliğinden veya alaşımlı içeriğinden etkilendiğini belirlemişlerdir [6, 7]. AISI D2 çeliğinin seramik wiper kesici takım ile işlenmesinde takım yanak aşınması ve yüzey pürüzlülüğünü araştırılmış [8], AISI 01 çeliğinin işlenmesinde kesici takımda oluşan gerilmeler ve takım aşınmasının önceden belirlenmesine çalışılmıştır [9]. Yüzey pürüzlülüğüne etki eden parametrelerin araştırılmasında, pürüzlülüğe etki eden en önemli parametrenin sırasıyla ilerleme ve kesme hızı olduğu belirtilirken [10, 11], işleme parametrelerinin işlenebilirlik üzerindeki etkilerinin araştırıldığı çalışmada bue oluşumu incelenmiş ve pürüzlülüğü etkileyen en önemli parametrelerin sırasıyla ilerleme, takım uç radüsü ve kesme hızı şeklinde çıktığı belirtilmiştir [12, 13]. Literatürde takım çeliklerinin işlenebilirliğinin araştırılmasında istatistiksel tekniklerin kullanıldığı çalışmalara da rastlanılmaktadır. Bu çalışmalarda deneysel tam tarama deney sonuçları ile Anova ve diğer istatistik metotlar ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu kıyaslamada asıl amaç işlenebilirlik yani yüzey pürüzlülüğü veya takım aşınmasına etki eden parametreleri belirlemek ve etki derecelerine göre sıralayarak işlenebilirliğe etki eden en önemli parametreleri belirlemek olmuştur [14-20]. 192

2 Pürüzlülük değeri Ra, (µm) DIN Soğuk İş Takım Çeliğinin İşlenmesinde Kesme Parametrelerinin İstatistiksel Analizi 2.1. Malzeme 2. MATERYAL METOD Bu çalışmada kullanılan malzeme DIN soğuk iş takım çeliğidir. Bu çelik, sertleşebilirliği ve tokluğu yüksek bir çeliktir. Çatal kaşık kalıpları, darphane kalıpları, yüksek oranda soğuk şekillendirme yapan kalıplar, kalın sacların kesiminde kullanılan bıçaklar ve makaslar, yüksek sertlikte yüksek tokluk özelliği gerektiren plastik ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplarında kullanılır. Piyasaya arz sertliği tavlanmış olarak maksimum 260 HB olan malzemenin kimyasal bileşiği Tablo 1 de verilmektedir [20]. Tornalama deneyleri için çeliği malzemeden 30X250 mm boyutlarında numuneler hazırlanmış ve kuru şartlar altında işlenebilirlik deneyleri yapılıp, işlenmiş yüzeylerin üç tekrarlı yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. Tablo 1: DIN kimyasal bileşimi. Kimyasal bileşim (% ağırlık) C Cr Mo Ni 0,45 1,40 0,30 4, Takım Tezgahı, Kesici Takım ve Kesme Parametreleri Tornalama deneyleri Taksan TMC 500V CNC torna tezgâhında yapılmıştır. Tezgâhın gücü 10 kw, iş mili devri 6000 dev/dk. dır. Deneylerde kullanılan kesici takım ticari kalitede CVD yöntemiyle çoklu kaplanmış sementit karbür kesici takım olup Kennametal marka WNMG FP formunda ve KU10T kalitesindedir. Bu kesici takımda en üst kaplama AL 2 O 3 ve onun altındakiler de sırasıyla TiCN ve TiC dür. Kesici takım yanaşma açısı 95 olacak şekilde tasarlanmış DWLN R/L 2020K08KC040 metrik formundaki takım tutucuya mekanik sıkmalı olarak tespit edilmiştir (Şekil 1). 3. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Deneysel Çalışma 2767 soğuk iş takım çeliği seçilen kesme hızı ve ilerleme miktarlarında işlendikten sonra yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. İşlenmiş yüzeylerin yüzey pürüzlülüğü ölçümleri "Mahr" marka yüzey pürüzlülük ölçme cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Ölçümler iş parçası eksenine paralel olacak şekilde ve iş parçası her ölçüm sonrası kendi ekseni etrafında yaklaşık 120 döndürülerek üç farklı yerde gerçekleştirilmiştir. Ölçümler sonucu bulunan değerlerin aritmetik ortalaması alınarak ortalama yüzey pürüzlülük (Ra) değerleri hesaplanmıştır Yüzey pürüzlülüğü Yedi farklı kesme hızı (70, 105, 140, 175, ve 320 m/dak) ile üç farklı ilerleme hızında (0,05; 0,1; 0,15 mm/dev) deneyler yapılmıştır. İşleme parametrelerinden kesme hızının yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisi Şekil 2 deki grafikte görülmektedir. Kesme hızının artması ile genel olarak yüzey pürüzlülüğünün azaldığını söyleyebiliriz. Bununla birlikte 0,05 ve 0,15 mm/dev ilerleme değerlerinde kesme hızını artması ile yüzey pürüzlülüğünde dalgalanmalar olduğu, belirli değerlerde artma ve azalmalar görülmektedir. Yapılan deneylerdeki gözlemler neticesinde bu değişimlerin kesme hızı ile ilerleme miktarı değişimi neticesinde oluşan sürekli talaşın iş parçası yüzeyinde oluşturduğu hasardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Grafikteki eğrilerin eğilim yapısı da kesme hızının artması ile pürüzlülüğün azalan yönde bir değişim gösterdiğini ifade etmektedir. Kesme hızının değişimi ile görülen bu durum, literatürde karşılaşılan çalışmalarla da uygunluk göstermektedir [14]. 1,5 1, mm/dev 0.1 mm/dev 0.15 mm/dev 1,1 0,9 0,7 WNMG- FN A86 Şekil 1: Kesici Takım ve Takım Tutucu Özellikleri Deneyler, 70, 105, 140, 175, ve 320 m/dak kesme hızlarında, 0,05; 0,1; ve 0,15 mm/dev ilerleme miktarlarında ve 1 mm talaş derinliğinde iş parçası üzerinde 25 mm uzunluklar işlenerek yapılmıştır. 0, Kesme hızı V, (m/dak) Şekil 2: Kesme hızı-yüzey pürüzlülüğü ilişkisi. hızı-yüzey pürüzlülüğü ilişkisi ise Şekil 3 de görülmektedir. Bu grafikte, ilerleme hızının artması ile genel olarak pürüzlülüğün arttığını söyleyebiliriz. Burada her ilerleme değeri kendi içersinde incelendiğinde, kesme hızının artması ile pürüzlülük değerinin azaldığı genel olarak söylenebilir. Ancak grafiğe göre ilerleme hızı 0,05 mm/dev de kesme hızı 70, 210 ve 245 m/dak ile ilerleme hızı 0,15 mm/dev de kesme hızı 105, 145 ve 210 m/dak değerlerinde bu durumun tersi görülmektedir. Bu durum talaş kaldırma 193

3 M. Zeyveli, M. Altuğ esnasında oluşan talaşın, kesici takım ile malzeme ara yüzeyinde sıkışması ile yüzeyin hasar görmesine ve pürüzlülük değerlerinin yüksek çıkmasına neden olduğu tespit edilmiştir. Grafiğe göre en düşük yüzey pürüzlülüğü, literatürde de belirtildiği şekilde, yüksek kesme hızı (320 m/dak) ve düşük ilerleme miktarı (0,05 mm/dev) değerinde 0,581 µm olarak oluşmuştur. Bu durum, kesme hızının artmasıyla kesme kuvvetlerinin düşmesi, talaş yüzeyinde takım-talaş temas uzunluğunun azalması ve kısmen de artan kesme hızı sonucu sıcaklığın artmasıyla takım talaş yüzeyindeki akma bölgesinde yapışan malzemenin kayma dayanımının azalmasıyla açıklanabilir [21]. değeri 0,00<0,05 çıkmıştır. Bu sonuçlara göre her bir kesme hızı ve ilerleme değerinin yüzey pürüzlülüğü üzerinde birbirlerinden bağımsız etkilerinin olduğu söylenebilmektedir. İşlenebilirlik parametresi olarak dikkate alınan yüzey pürüzlülüğü üzerinde en büyük etkiyi yapan faktörün (parametrenin) % 29,58 oranında ilerleme miktarı olduğu görülmüştür. Kesme hızının etki değeri ise %17,30 oranında çıkmıştır. Bu sonuçlardan pürüzlülük üzerinde en fazla etki yapan işleme parametresinin ilerleme miktarı olduğu anlaşılmaktadır. Tablo 3: Değişken parametrelerin istatistiksel sonuçları. Tanımlayıcı Değişken: Ortalama Yüzey Pürüzlülüğü (Ra) Pürüzlülük değeri Ra, (µm) 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,05 0,1 0,15 f, (mm/dev) Şekil 3: hızı-yüzey pürüzlülüğü ilişkisi. 4. İSTATİSTİKSEL ANALİZ 70 m/dak 105 m/dak 140 m/dak 175 m/dak 210 m/dak 245 m/dak 320 m/dak Deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen verilere göre, işlenebilirlik parametrelerinden biri olan yüzey pürüzlülüğü üzerinde, işleme parametrelerinin etkisini belirlemek için istatistiksel analiz uygulanmıştır. Bu amaçla Anova testlerinin uygulanabilmesi için öncelikle değişken faktörler ve seviyeleri belirlenmiş ve bunlara faktöryel deney tasarımı uygulanmıştır. İşlenebilirlik deneylerinde kullanılan faktörler ve seviyeleri Tablo 2 de, değişken parametreler ve bunlara ait istatistiksel değerleri ise Tablo 3 de, verilmiştir. Faktörler Kesme - Vc (m/dak) - f (mm/dev) Talaş derinliği - a (mm) Tablo 2: Faktörler ve seviyeleri. Faktör Seviyeleri ,05 0,1 0,15 1 Deneysel çalışma sonucunda, işleme parametrelerinden kesme hızı ve ilerleme miktarının yüzey pürüzlülüğü üzerinde nasıl bir etki yaptığını analiz etmek için yapılan Anova sonuçları Tablo 4 de görülmektedir. Analiz sonuçlarına göre p Kesme Ortalama Standart N (Ra) Sapma 70 0,05 1,2630, ,1 1,1097, ,15 1,0460, ,05 0,9157, ,1 1,0490, ,15 1,3297, ,05 0,6373, ,1 1,0723, ,15 1,5617, ,05 0,5873, ,1 0,8423, ,15 1,4053, ,05 0,9687, ,1 0,6960, ,15 0,9257, ,05 0,9383, ,1 0,6740, ,15 0,7133, ,05 0,5813, ,1 0,6617, ,15 1,4807, Tablo 4. Yüzey pürüzlülüğü için Anova testi sonuçları. Varyans Kaynağı Kareler Toplamı Serbestlik Derecesi Kareler Ortalaması F-Değeri P- Değeri (P<0.05) % Etki Değeri Kesme 1, ,170 15,468 0,000 17,30 hızı 1, ,872 79,370 0,000 29,58 K. hızı* 2, ,222 20,243 0,000 45,275 Hata 0, ,011 7,83 Toplam 5, Sonuçlara göre yüzey pürüzlülüğü için kesme hızı verilerinin birbirlerine göre farklılıklarının hangi deneysel 194

4 DIN Soğuk İş Takım Çeliğinin İşlenmesinde Kesme Parametrelerinin İstatistiksel Analizi uygulamalarda önemli olduğunu belirlemek için Duncan testi uygulaması yapılmıştır (Tablo 5). Tablo 5 e göre kesme hızı için seçilen parametrelerden 70, 105 ve 140 m/dak değerleri 3. homojenlik gurubunda, 175, 320, 210 m/dak değerleri 2. homojenlik gurubunda, 210 ve 245 m/dak değerleri 1. Homojenlik gurubunda yer almıştır. Burada dikkat çekici bir nokta 210 m/dak değerinin 1. ve 2. homojenlik gurubunda yer almasıdır. Bu sonuçlara göre yüzey pürüzlülüğü açısından aynı homojenlik gurubunda yer alan kesme hızı parametrelerinden yalnız bir tanesinin yapılmasının istatistiksel olarak yeterli olacağını göstermektedir. Tablo 5. Kesme hızı için duncan testi sonuçları. Kesme Ortalama değerlerin homojenlik gurupları , ,8634 0, , , , , ,1396 Yüzey pürüzlülüğü için ilerleme hızı verilerinin birbirlerine göre farklılıklarının hangi deneysel uygulamalarda önemli olduğunu belirlemek için yapılan Duncan testi Tablo 6 da verilmiştir. Bu verilere göre 0,05 ve 0,1 mm/dev ilerleme değerleri aynı homojenlik gurubunda çıktığından bu iki değerde benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bu nedenle yüzey pürüzlülüğü analizi için aynı homojenlik gurubunda çıkan parametre değerlerinden bir tanesinin seçilmesi ve bu değer için deneysel çalışma yapılması yeterli olacaktır. Tablo 6. hızı için duncan testi sonuçları. Ortalama değerlerin homojenlik gurubu 2 1 0,05 0,8417 0,1 0,8721 0,15 1, SONUÇLAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada kalıpçılık sektöründe yaygın kullanılan DIN çeliğinin yüzey pürüzlülüğü açısından işlenebilirliği araştırılmıştır. Bu deneysel çalışmadan şu sonuçlar çıkartılmıştır. Kesme hızının artması ile yüzey pürüzlülüğünün genel olarak azaldığı söylenebilir. En düşük yüzey pürüzlülüğü 320 m/dak kesme hızında elde edilmiştir. hızlarında ise ilerlemenin artması ile pürüzlüğün arttığı görülmüştür. Her bir ilerleme değerinde ise kesme hızının artması ile pürüzlülüğün genel olarak düştüğü görülmüştür. Deneysel verilerden elde edilen sonuçlara istatistiksel analiz uygulanmıştır ve deneyde kullanılan tüm parametrelerin yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkilerinin olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca yüzey pürüzlülüğü üzerinde en fazla etkili olan işlenebilirlik parametresinin ilerleme hızı olduğu görülmüştür. Duncan testi sonuçlarına göre kesme hızı ve ilerleme değerlerinde aynı homojenlikte çıkan parametreler için bir tanesi ile deney yapılmasının aynı pürüzlülük değerinin elde edilmesi için yeterli olacağı sonucuna varılmıştır. Bu malzemenin işlenebilirliğinde en düşük yüzey pürüzlülüğünün elde edilmesi için, kesme hızının 175 ile 320 m/dak arasında, ilerleme miktarının ise 0,05 mm/dev seçilerek talaş kaldırılmasının uygun sonuçlar vereceği gözlemlenmiştir. KAYNAKLAR [1] P.V.S. Suresh, R.P. Venkateswara and S.G. Deshmukh, A genetic algorithmic approach for optimization of surface roughness prediction model, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 42, pp: , [2] D. Arola, and C.L. Williams,, Estimating the fatigue stress concentration factor of machined surfaces, International Journal Of Fatigue, vol. 24, pp: , [3] H. Dagnal,, Exploring Surface Texture, Rank Taylor Habson Limited, England, [4] M.Y. Wang, and H.Y. Chang, Experimental Study Of Surface Roughness in Slot End Milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 44, pp. 51 7, [5] J. P. Davim, L. Figueira, Machinability evaluation in hard turning of cold work tool steel (D2) with ceramic tools using statistical techniques, Materials and Design, vol. 28, pp , [6] J. Barry, G. Bryne, Cutting tool wear in the machining of hardened steels-part I: alumina/tic cutting tool wear, Wear, vol. 247(2), pp , [7] J. Barry, G. Bryne, Cutting tool wear in the machining of hardened steels Part II: cubic boron nitride cutting tool wear, Wear, vol. 247(2), pp , [8] T. Özel,, Y. Karpat, L. Figueira, and J.P. Davim, Modelling of Surface Finish and Tool Flank Wear in Turning of AISI D2 Steel with Ceramic Wiper Inserts, Journal of Materials Processing Technology, vol. 189, pp , [9] M.C. Cakır, And Y. Isık,, Finite Element Analysis of Cutting Tools Prior to Fracture in Hard Turning Operations, Materials and Design, vol. 26, pp , [10] C.X.J. Feng, and X. Wang,, Development of Empirical Models for Surface Roughness Prediction in Finish Turning, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 20, pp , [11] I.A. Choudhury, and M.A. El-Baradie,, Surface Roughness In The Turning Of High-Strength Steel By Factorial Design Of Experiments, Journal of Materials Processing Technology, vol. 67, pp , [12] I. Ciftci, Machining of Austenitic Stainless Steels Using CVD Multi- Layer Coated Cemented Carbide Tools, Tribology International, vol. 39, pp , [13] P.M. Escalona, and Z. Cassier, Influence of The Critical Cutting Speed on The Surface Finish of Turned Steel Wear, vol. 218, pp , [14] M. Zeyveli, H. Demir, AISI 01 Soğuk İş Takım Çeliğinin İşlenebilirliğinin Kesme Kuvvetleri Ve Yüzey Pürüzlülüğü Açısından Araştırılması, E-Journal of New World Sciences Academy, vol. 4(3), pp , [15] P.J. Ross, Taguchi Techniques for Quality Engineering: Loss Function, Orthogonal Experiments, Parameter and Tolerance Design, New York, McGraw-Hill, [16] J.P. Davim, A note on the determination of optimal cutting conditions for surface finish obtained in turning using design of experiments, Journal of Materials Processing Technology, vol. 116, pp ,

5 M. Zeyveli, M. Altuğ [17] J. Kopac, M. Bahor, M. Sokovic, Optimal machining parameters for achieving the desired surface roughness in fine turning of cold preformed steel workpieces, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 42, pp , [18] I.A. Choudhury, M.A. El-Baradie, Surface roughness in the turning of high-strength steel by factorial design of experiments, Journal of Materials Processing Technology, vol. 67, pp , [19] K.H. Fuh, C.F. Wu, A proposed statistical model for surface quality prediction in end milling of Al alloy, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 35, pp , [20] (2011,Ocak), Soğuk iş takım çeliklerinin özelikleri, Sağlam Metal Sanayi ve Ticaret A.Ş., [21] Trent EM., Metal Cutting, London, Butterworth s Pres,