Evaluation of Cutting Tool Wear Characteristics and Removed Chip Volumes in Drilling of AISI D2 and AISI D3 Cold Work Tool Steels

Transkript

1 7 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 13), 30 October-1 November 2013, Istanbul, Turkey Evaluation of Cutting Tool Wear Characteristics and Removed Chip Volumes in Drilling of AISI D2 and AISI D3 Cold Work Tool Steels AISI D2 ve AISI D3 Soğuk İş Takım Çeliklerinin Delinmesinde Kesici Takım Aşınması Karakteristiklerinin ve Kaldırılan Talaş Hacimlerinin Değerlendirilmesi Ş.Okay 1, Y.Kaplan 1, A.R.Motorcu 2 ve M.Nalbant 3 1 Pamukkale University, Denizli/Turkey, senolokay@pau.edu.tr, ykaplan@pau.edu.tr 2 Çanakkale Onsekiz Mart University, Çanakkale/Turkey, armotorcu@comu.edu.tr 3 Gazi University, Ankara/Turkey, mnalbant@gazi.edu.tr Abstract In this study, characteristics of the flank wear, chisel wear and outer corner wear were evaluated by photos and SEM (Electron Scanning Microscope) images of used and worn drills in the drilling of respectively 20 HRC and 28 HRC of AISI D2 and AISI D3 steels at different levels of drilling parameters by 8mm, 10 mm diameter HSS drills. In the study, tool wear were also evaluated by comparing the volumes of chips cut of the workpieces by drills, which drilled 20 holes or 20 holes with values reaching the end of life at the three different cutting speeds (5, 10 and 15 m/min), and three different feed rate (0.04, 0.05 and 0.06 mm/rev). When evaluated the effects of drilling parameters on the tool wear, tools wear have been increased by increasing of cutting speed, feed rate, workpiece material hardness, drill length and number of holes and, tools wear have been found to faster with 8 mm diameter drill according to the 10 mm diameter drills, long drills according to the short drills. It was observed that, the flank wear and outer corner wear formed at high cutting speed and, the chisel wear formed at low cutting speed. In addition, the drilled workpiece materials is also effective on volume of the removed chip, in spite of drilled 20 holes on 20 HRC workpiece, 28 HRC workpiece, after 14 holes drilling was identified that lost the ability to drill, due to the wear. Keywords Drilling, Cold work tool steels, Cutting tool wear, Cutting parameters, SEM observation Özet Bu çalışmada, sırasıyla 20 HRC ve 28 HRC sertliğindeki AISI D2 ve AISI D3 çeliklerinin 8, 10 mm çapındaki HSS matkaplarla, delme parametrelerinin farklı seviyelerinde delinmesinde oluşan kesici kenar, uç kenarı ve dış köşe aşınmalarının karakteristikleri deneylerde kullanılmış ve aşınmış matkapların fotoğrafları ve SEM (Elektron Tarama Mikroskobu) görüntüleriyle değerlendirilmiştir. Çalışmada takımların aşınmaları, üç farklı kesme hızı (5, 10 ve 15 m/dak) ve üç farklı ilerleme miktarı (0.04, 0.05 ve 0.06 mm/dev) değerleri ile 20 delik delmiş veya 20 deliğe ulaşamadan ömrünü tamamlamış matkapların iş parçaları üzerinden kaldırdıkları talaş hacimleri karşılaştırılarak ta değerlendirilmiştir. Delme parametrelerinin takım aşınmaları üzerindeki etkileri değerlendirildiğinde; kesme hızı, ilerleme miktarı, iş parçası malzemesi sertliği, matkap boyu ve delik sayısının artmasıyla aşınmaların arttığı, 8 mm çaplı matkapların 10 mm çaplı matkaplara göre, uzun matkapların ise kısa matkaplara göre daha hızlı aşındığı görülmüştür. Matkaplarda yüksek kesme hızlarında kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınmasının; düşük kesme hızlarında ise uç kenarı aşınmasının oluştuğu görülmüştür. Ayrıca, delinen iş parçası malzemesinin de kaldırılan talaş hacmi üzerinde etkili olduğu, aynı kesme parametrelerinde 20 HRC sertliğindeki iş parçasında 20 delik delinebilmesine rağmen 28 HRC sertliğindeki iş parçasında 14 delik delindikten sonra aşınmadan dolayı matkabın delik delme becerisini kaybettiği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler Delik delme, Soğuk iş takım çelikleri, Kesici takım aşınması, Kesme parametreleri, SEM incelemeleri D I. GİRİŞ ELİK delme, iş parçasından talaş kaldıran bir takımla silindirik delik açma metotlarının tamamına verilen bir addır. Delme işlemi, talaş kaldırma işlemlerinin %33 ünü içermesiyle en önemli talaş kaldırma işlemlerinden biridir ve talaş kaldırma işlemlerinde harcanan zamanın %25 i delme işlemi olarak tezgahta geçirilmektedir [1]. Temas eden yüzeylerde mekanik etkilerle oluşan malzeme kaybı aşınma olarak tanımlanabilir. Aşınma, takım-iş parçası-işleme şartları arasındaki karşılıklı etkileşimin bir sonucudur. Takım 304

2 aşınması negatif bir süreç değildir. Olup olmamasından daha çok olduğunda ne kadar ve hangi tipte olduğu önemlidir. Kabul edilebilir belirli bir süre zarfında, kesici kenar kayda değer ölçüde talaş kaldırma işlemi gerçekleştirdiğinde pozitif bir süreçtir [1, 2]. Matkap ucundaki aşınma, başlangıçta yavaş, zamanla ivme kazanarak artan bir süreçtir. Aşınma ilerledikçe kesici kuvvetler artmakta, daha fazla ısı ortaya çıkmakta ve sonuç olarak aşınma hızlanmaktadır [3]. Malzeme çeşidi, ilerleme hızı, kesme hızı gibi parametrelere bağlı olarak delme matkap ucunda farklı aşınma türleri oluşabilir. Literatürde yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde bu aşınmalar; dış köşe aşınması, kesici kenar aşınması, kesici kenar kırılması, krater aşınması ve uç kenarı aşınması olarak sınıflandırılmıştır (Şekil 1) [2, 4]. Araştırmacıların çoğunda dış köşe aşınması en etkin aşınma tipi olarak belirlenmiştir. Çünkü; en yüksek kesme hızı kesme kenarlarının en dış köşelerinde görüldüğünden dolayı en fazla aşınma da bu bölgede oluşmaktadır. Aşınmanın artmasıyla bu bölgedeki sürtünme artmakta, daha fazla ısı enerjisi ortaya çıkmakta ve bütün bunlar sonucunda takım aniden kırılabilmektedir. [3]. (a) Uç kenarı aşınması (c) Kesici kenar aşınması (b) Krater aşınması (d) Kesici kenar kırılması (e) Dış köşe aşınması Şekil 1: Matkapta aşınma türleri [4]. Talaşlı imalatta ürün maliyetleri, birim zamanda kaldırılan talaş hacmi ve takımın aşınma miktarı ile doğrudan ilişkilidir. Dolayısıyla bu iki maliyet unsurunun mutlaka kontrol altında tutulması gereklidir. Bir iş parçasından kaldırılan talaş hacmi teorik olarak hesaplanabilir ancak takım aşınmasının talaş kaldırma sırasında saptanması gerekmektedir. Takım aşınması, aşınmaya sebep olan etkilerin/parametrelerin etkilerinin belirlenmesi ile kontrol altına alınabilir ve bu şekilde daha yüksek takım ömürleri ve talaş hacimleri elde edilebilir. Delme işlemlerinin maliyeti üzerinde etkili olan takım aşınması/takım ömrü üzerine yapılan çalışmalar kesici takımlar ve iş parçası malzemeleri geliştikçe önemini korumaktadır. Çünkü; her malzemenin işlenebilirlik oranı farklıdır. Örneğin; dubleks alaşımları SAF 2205 ve SAF 2507 ve östenitik paslanmaz çelik 316L in delinmesinde aynı kesme şartları altında, takım aşınması, kesme kuvvetleri ve işlenmiş yüzeylerin pürüzlülükleri karşılaştırıldığında östenitik paslanmaz çeliğe göre dubleks alaşımları daha zayıf işlenebilirlik sergilemişken SAF 2507 en kötü işlenebilirlik sergilemiştir. Dubleks alaşımlar delinirken matkap üzerinde oyuk, yiv hasarlarının oluştuğu görülmüştür [5]. AISI D2 çeliğinin ve H13 çeliğinin karbür matkaplarla delik delinmesinde matkapların performansları karşılaştırıldığında, AISI H13 malzeme üzerinde 16 mm derinliğinde 210 delik delinmiş iken AISI D2 çeliği üzerinde yardımcı delik delinmesinde 6 delik, kılavuz çekilmesinde ise 9 delik eksik delinmiştir [6]. Matkapların performansları matkabın kalitesi ve malzemesi değiştikçe farklılık göstermektedir. Örneğin; karbon elyaf takviyeli kompozitlerin (CFPR) delinmesinde kaplamasız, elmas kaplı ve AlTiN kaplı karbür (WC-Co) matkapların aşınma mekanizmalarının araştırıldığı deneysel bir çalışmada ALTiN kaplı matkaplar yüksek sertliklere sahip olmalarına rağmen kaplamasız takımlara göre gözle görülebilir bir iyileşme sergileyememişlerdir [7]. İş parçası malzemesine göre matkap seçiminde uç geometrisi de önemli bir unsurdur. Kesme kanarı ve çevre üzerindeki yarıçapta kavise sahip matkaplar düz ya da iç bükey kesme kenarına sahip keskin matkaplara göre Inconel 718 in delinmesinde takım ömrü ve delinmiş yüzeylerin pürüzlülüğü açısından mükemmel performans sergilemişlerdir [8]. Sinterlenmiş tungsten karbür ve HSS takımların aşınma mekanizmalarını araştırmak için AA2024 alüminyum alaşımı üzerinde yapılan delik delme işlemleri sonrasında maksimum ve minimum delik çapı değişimleri ile yüzey pürüzlülükleri ölçüldüğünde HSS matkapların bu malzemeyi delmek için uygun olmadığı sonucuna varılmıştır [9]. HSS matkaplar kaplamasız ve kaplamalı sinterlenmiş karbür matkaplara göre düşük takım ömürlerine sahip iken kesme bölgesinin soğutulmasıyla, farklı ve etkili metotların kullanılmasıyla kesici takım ömürleri arttırılabilmektedir. Karbon çeliklerinin M2 HSS helisel matkaplar ile yüksek hızlı ve kuru delinmesinde derin kriyojenik soğutmanın (-196 C sıvı azot sıcaklığı) yapıldığı deneysel çalışma sonucunda matkap takım ömürlerinde % oranında iyileşme sağlanmıştır [10]. Döküm magnezyum alaşımlarının kaplamasız HSS matkaplarla kuru delme şartları altında delinmesinde uygun kesme parametrelerinin seçilmesi için iyi bir referans durumunda olan aşınma mekanizması haritaları Wang ve diğerleri tarafından oluşturulmuştur [11]. Magnezyum alaşımların delinebilirliği üzerine diğer bir araştırma ise 10 mm çapında, kaplamasız, PVD tekniği ile TiN, CrN ve iki farklı ZrN kaplamalı HSS matkaplarla 40 ve 60 mm derinliğinde delikler delinmiş, takım ömrü ölçülmüş, takım aşınması ve delinmiş yüzeylerin yüzey pürüzlülük durumları görüntülenmiş ve optimal kesme şartları önerilmiştir [12]. AISI 1040 ve Al 7075-T651 alüminyum alaşımının delinmesinde matkap ucu sıcaklığı üzerinde, devir sayısı, ilerleme miktarı ve delme derinliğinin TiN/TiAlN kaplı matkapların sıcaklığı üzerindeki etkilerinin araştırıldığı birbirini tamamlayan iki çalışmada matkap ucu sıcaklıkları delik boyunca yağ ile soğutmanın yapıldığı delme işlemlerinde termokupl ile ölçülmüş, elde edilen veriler sonlu elemanlar 305

3 analizi (FEA) sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır [13, 14]. Inconel 718 süperalaşım TiAlN kaplamalı karbür takımlarla delinmesinde kesme sıvısının kullanımı takım ömrünü anlamlı bir şekilde arttırmış ve işlenebilirlik maliyetlerini düşürmüştür [15]. Delme işleminde matkap seçiminde delik çapı ve delik derinliği önemli unsurlardandır. Endo ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada, bir Fourier serileri analizi kullanılarak delinmiş deliklerin doğruluğunun tahmin edilmesi için bir yöntem önerilmiş ve bu yöntem orta karbonlu çeliğin 1 mm çapında delinmesinde uygulanmıştır. Çalışma sonucunda, matkap bükülme sertliği ve matkap uç noktası incelmesinin açılan deliğin doğruluğu üzerinde büyük bir etkisi olduğu görülmüştür [16]. Zabel ve Heilmann tarafından yapılan çalışmada ise yüksek boy-çap oranları ve 2 mm den daha az çaplı delik delme operasyonlarına odaklanılmıştır. Takım tasarımı değiştirilerek talaş oluşumu optimize edilmiş ve takım aşınması en aza indirilmiştir [17]. Cantero ve diğerleri tarafından yapılan çalışmada Ti 6Al 4V alaşımının kuru delinmesinde takım aşınması, işlenmiş deliğin kalitesi ve yüzey etkileşimleri üzerine çalışılmış ve bu çalışmada takım ömrünün sona ermesi nedeniyle matkapta katostrafik hataların oluştuğu belirtilmiştir [18]. Günümüzde imalat sanayinde soğuk iş takım çeliği malzemelerinin kullanımı hızla artmaktadır. Bu çalışmada, sırasıyla 20 HRC ve 28 HRC sertliğindeki AISI D2 (DIN ) ve AISI D3 (DIN ) çeliklerinin 8, 10 mm çapındaki HSS matkaplarla, delme parametrelerinin farklı seviyelerinde delinmesinde oluşan kesici kenar, uç kenarı ve dış köşe aşınmalarının karakteristikleri deneylerde kullanılmış ve aşınmış matkapların fotoğrafları ve SEM (Elektron Tarama Mikroskobu) görüntüleriyle değerlendirilmiştir. Oldukça tercih edilen süneklik, tokluk ve işlenebilirlik özelliklerine sahip olması nedeniyle bu çalışmada AISI D2 ve AISI D3 iş parçası malzemesi olarak tercih edilmiştir. II. MATERYAL VE YÖNTEM A. İş Parçası Malzemesi Deneysel çalışmalarda; 20 HRC sertliğe sahip AISI D2 (DIN ) ve 28 HRC sertliğe sahip AISI D3 (DIN ) soğuk iş takım çelikleri kullanılmıştır. AISI D2 ve AISI D3 takım çelikleri; oldukça tercih edilen süneklik, tokluk ve işlenebilirlik özelliklerine sahiptir. Bu çelikler genellikle, soğuk ekstrüzyon, delme kalıpları, plastik kalıpları, kalıp plakaları, toz metalürjisi takımları, seramik biçimlendirme kalıpları ve soğuk zımbaların üretiminde kullanılmaktadır [2, 19]. Deneysel iş parçalarının kimyasal bileşimleri SEM cihazı kullanılarak EDS analizi ile tespit edilmiş olup kimyasal bileşim (% ağırlık) analiz sonuçları Tablo 1 de, iş parçaların fiziksel özellikleri ise Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 1: Deneysel iş parçalarının kimyasal bileşimleri (% Ağırlık) [2, 19]. AISI D2 (DIN ) iş parçasının kimyasal bileşimi Si V Cr Mn Ni Nb Mo Fe AISI D3 (DIN ) iş parçasının kimyasal bileşimi Si V Cr Mn Ni Nb Mo Fe Tablo 2: Deneysel iş parçalarının fiziksel özellikleri [2, 19]. Fiziksel özellikler İş Parçası Akma Çekme Isıl Yoğunluk Sertlik Kg/dm 3 Dayanımı Dayanımı İletkenlik HRC N/mm 2 N/mm 2 W/m.K AISI D AISI D Deneysel iş parçaları 152x52x52 mm kaba boyutlara sahiptir. İşlenebilirlik deneyleri öncesi freze tezgâhında iş parçalarının tüm yüzeylerinden 1 er mm talaş kaldırılarak, dış yüzey tabaka sertleşmesi ve eğimli yüzeylerin deneyleri etkilemesi engellenmiştir [2, 19]. B. Kesici Takımlar ve Takım Tezgahı Deneysel çalışmalarda Makina Takım firması tarafından üretilen 8 mm ve 10 mm çaplarında, iki farklı uzunlukta, DIN 338 ve DIN 340 standartlarına sahip HSS matkap uçları kullanılmıştır. Her deneye yeni bir kesici takım kullanılarak başlanılmıştır. Her matkapla delik uzunluğu 50 mm olan 20 delik delinmesi hedeflenmiştir. 8 mm çaplı bir matkapla 20 delik sonunda mm³, 10mm çaplı bir matkapla 20 delik sonunda mm³ talaş kaldırılmıştır. Deneylerde kullanılan matkapların şekil ve boyut özellikleri Tablo 3 te, kimyasal bileşimleri ise Tablo 4 te sunulmuştur [2, 19]. Tablo 3: Matkapların şekil ve boyut özellikleri [2, 19]. Özellikler Matkaplar Matkap standardı DIN 338 DIN 340 DIN 338 DIN 340 Matkap çapı, mm Matkap malzemesi HSS HSS HSS HSS Matkap tipi Helisel, N Helisel, N Helisel, N Helisel, N Matkap uzunluğu, mm Kesici kanal uzunluğu, mm Kesici kenar uzunluğu, mm Zırh genişliği, Uç açısı, º Helis (talaş) açısı, º Uç kenar açısı, º Kaplama Yok Yok Yok Yok 306

4 Tablo 4: Matkapların kimyasal bileşimleri (% Ağırlık) [2, 19]. Si V Cr Mn Ni Nb Mo Co Fe İşlenebilirlik deneyleri FANUC kontrol ünitesine sahip Johnford VMC-550 sanayi tipi CNC freze tezgâhında yapılmıştır [2,19]. C. Kesme Parametreleri Deneysel iş parçaları, üç farklı kesme hızı (5 m/dak, 10 m/dak ve 15 m/dak) ve üç farklı ilerleme miktarında (0.04 mm/dev, 0.05 mm/dev ve 0.06 mm/dev) delinmiştir. Deneylerde kullanılan kesme parametreleri ve seviyeleri Tablo 5 te verilmiştir [2,19]. Tablo 5: Bağımsız değişkenler ve seviyeleri [2,19]. Malzeme AISI D2 (DIN ) AISI D3 (DIN ) Kesme hızı, m/dak Kesici takım Ø8 HSS DIN 338 Ø8 HSS DIN 340 Ø10 HSS DIN 338 Ø10 HSS DIN 340 Ø8 mm için devir sayısı, dev/dak İlerleme miktarı, mm/dev Ø10 mm için devir sayısı, dev/dak Deneysel çalışmaların tertibinde deneysel tasarım tekniği olarak Tam Faktöriyel tasarım tekniği kullanılmıştır. Tam Faktöriyel deneysel tasarım tekniğinde yapılacak deney sayısı fazla olmasına rağmen bağımlı parametreler/değişkenler üzerinde bağımsız parametrelerin/değişkenlerin etkileri sistematik bir yaklaşımla gözlemlenebildiği için deneysel çalışmalarda araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. D. Kesici Takım Aşınmalarının Değerlendirilmesi Aşınmaların değerlendirilmesi, kesici takımlar 50 mm uzunluğunda 20 delik deldikten sonra veya kesici takım ömrünü tamamladıktan sonra çekilen dijital ve SEM fotoğrafları yardımıyla yapılmıştır. Adobe Photoshop CS4 programı yardımıyla fotoğraflar üzerinden alınan aşınma değerleri ile grafikler çizilmiş ve analizler yapılmıştır. Takım aşınmasının değerlendirilmesi için kaldırılan talaş hacminin karşılaştırılmasının değil de delik uzunluğunun kullanılmasının sebebi matkaplarda bu yöntemin daha geçerli olacağının düşünülmesinden dolayıdır. Örneğin aynı kesme parametrelerinde 5 mm çaplı bir matkapla 16 delik delindiğinde kaldırılan talaş hacmi ile 20 mm çaplı matkapla bir delik delindiğinde kaldırılan talaş hacmi birbirine eşit olmasına rağmen 5 mm çaplı matkap 20 mm çaplı matkaptan daha fazla aşınacaktır. Bu sebepten dolayı aşınma, delinen delik uzunluğu üzerinden değerlendirilmiştir [2]. III. BULGULAR VE TARTIŞMA A. AISI D3 Çeliğinin Delinmesinde Kesme Hızının Takım Aşınması Üzerinde Etkisi Deneylerde matkapla bir delik delmede malzemeden kaldırılan talaş hacmi 10 mm çaplı matkap deliği için 3926 mm 3 ve 8 mm çaplı matkap deliği için 2513 mm 3 tür. 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliğinin üç farklı kesme hızı kullanılarak delinmesiyle kesici takımda oluşan kesici kenar aşınması, uç kenarı aşınması, dış köşe aşınması, yığıntı talaş oluşumunu gösteren SEM görüntüleri ve fotoğraflar Şekil 2 ve Şekil 3 te verilmiştir. AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla delinmesinde en düşük seviyedeki kesici takım aşınmasının V=10 m/dak kesme hızında olduğu ve meydana gelen aşınmanın uç kenarı aşınması şeklinde gerçekleştiği Şekil 2.b de görülmektedir. Şekil 2 ve Şekil 3 te; V=15 m/dak kesme hızında aşınma büyüklüğünün ve çeşidinin arttığı, takımın kesici kenarlarında ve dış köşelerinde aşınmaların olduğu, ayrıca 0,06 mm/dev ilerlemede matkabın kesici kenarından dış köşesine doğru yığıntı talaş oluştuğu görülmektedir. Şekil 2 ve Şekil 3 teki aşınma türleri sınıflandırıldığında V=5 m/dak ve V=10 m/dak kesme hızlarında delme yapan kesici takımlarda meydana gelen en önemli aşınma tipi uç kenarı aşınmasıdır. Bununla birlikte az da olsa kesici kenar ve dış köşe aşınması da görülmektedir. V=15 m/dak kesme hızında ise büyük oranda kesici kenar aşınması, dış köşe aşınması ve yığıntı talaş oluşumu görülmektedir. Bu tespitler doğrultusunda; düşük kesme hızlarında uç kenarı aşınmasının oluştuğunu, yüksek kesme hızlarında ise kesici kenar ve dış köşe aşınmalarının meydana geldiğini söylemek mümkündür. Ayrıca, farklı kesme hızlarında yapılan delme işlemi ile kaldırılan talaş hacimlerine bakıldığında Şekil 2 de de belirtildiği üzere 10 mm çaplı matkaplarla f=0.06 mm/dev de en fazla talaş sırasıyla; V=10 m/dak (20 delik mm³), V= 5 m/dak (17 delik mm³) ve V= 15m/dak (14 delik mm³) kesme hızlarında kaldırılmıştır. Şekil 3 ten de görüleceği üzere, ilerleme miktarının azaltılmasıyla yine 10 çaplı matkapla en fazla talaş sırasıyla; V=10 m/dak (20 delik mm³), V=5 m/dak (20 delik mm³) ve V=15 m/dak (10 delik mm³) kesme hızlarında kaldırılmıştır. Dolayısıyla kaldırılan talaş hacmi değerlendirmelerinden yola çıkarak, AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla farklı kesme hızlarında delinmesinde en hızlı takım aşınması en yüksek kesme (V=15 m/dak) hızında gerçekleşmiştir. Çünkü; bu kesme hızında matkaplar 20 delik delemeden takım ömürlerini yitirmişlerdir. Yine, ilerleme miktarının azaltılmasıyla bir matkabın delmiş olduğu delik sayısı ve kaldırdığı toplam talaş hacmi de artmıştır. Yüksek kesme hızlarında aşınmanın artmasının sebebi takımın talaş yüzeyindeki sıcaklığın önemli biçimde artmasından kaynaklanmaktadır. Sıcaklığın artması ise takım ömrünün azalmasına sebep olur [20]. Aynı ilerleme miktarında düşük kesme hızlarındaki kırılmaların sebebinin 307

5 matkabın delme yapmakta zorlanması olduğu düşünülmektedir (Şekil 2.a). Bu sebeplerden dolayı, kesici takım aşınması ve kaldırılan talaş hacmi açısından değerlendirildiğinde, AISI D3 çeliğinin delinmesinde, V=10 m/dak en uygun kesme hızı değeridir. (a) V=5 m/dak da 17 delik (66742 mm³) sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması (b) V=10 m/dak da 20 delik (78520 mm³) sonrası meydana gelen kesici kenar aşınması, yan kesici kenar ve dış köşe aşınması (c) V=15 m/dak da 14 delik (54964 mm³ ) sonrası meydana gelen kesici kenar aşınması Şekil 2: AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla, f=0.06 mm/dev ve farklı kesme hızlarında delinmesi sonucunda meydana gelen aşınmalar [2]. (a) V=5 m/dak da 20 delik (78520 mm³) sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması (b) V=10 m/dak da 20 delik (78520 mm³) sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. (c) V=15 m/dak da 10 delik (39260 mm³) sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. Şekil 3: AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla f=0.05 mm/dev ve farklı kesme hızlarında delinmesi sonucunda meydana gelen aşınmalar [2]. B. AISI D3 Çeliğinin Delinmesinde İlerleme Miktarının Takım Aşınması Üzerinde Etkisi 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliğinin sırasıyla V=15 m/dak ve V=5 m/dak kesme hızlarında, üç farklı ilerleme miktarında delinmesiyle matkaplarda meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması, dış köşe aşınması ve yığıntı talaş oluşumu Şekil 4 ve Şekil 5 te verilmiştir. Şekil 4 te en az aşınmanın en düşük ilerleme miktarı olan f=0.04 mm/dev de gerçekleştiği, ilerleme miktarının f=0.05 mm/dev ve f=0.06 mm/dev e arttırılmasıyla kesici takımların kesici kenar, dış köşe ve uç kenarlarında aşınmaların arttığı görülmektedir. Şekil 5 te ise f=0.04 mm/dev ve f=0.05 mm/dev de meydana gelen uç kenarı ve kesici kenar aşınmalarının büyüklüğünün f=0.06 mm/dev de meydana gelen aşınmaların büyüklüğünden daha az olduğu görülmektedir. Kaldırılan talaş hacimleri açısından değerlendirildiğinde Şekil 4 te de görüleceği üzere en fazla talaş f=0.04 mm/dev ve f=0.05 mm/dev ilerleme miktarlarında 20 delik delinip mm 3 talaş kaldırılarak gerçekleşmiştir. Ayrıca, Şekil 4 ve Şekil 5 te görüleceği üzere f=0.05 mm/dev ilerleme miktarında, V=15 m/dak daki aşınma büyüklüğünün V=5 m/dak da oluşan aşınma büyüklüğünden fazla olması yüksek kesme hızlarında aşınmanın arttığını göstermektedir. Özetle, ilerleme hızının artmasıyla takım aşınmasının özellikle arttığı Şekil 4 ve 5 te görülmektedir. İlerleme miktarının artmasıyla takım aşınması artışı, artan ilerleme miktarıyla birlikte birim zamanda kesilen talaş hacminin artmasından dolayı metalin kopmaya daha fazla direnç göstermesine ve iş parçasıyla takım arasındaki temasın artmasına atfedilebilir [21]. 308

6 7 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 13), 30 October-1 November 2013, Istanbul, Turkey (a) f=0.04 mm/dev de 20 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. (b) f=0.05 mm/dev de 10 delik sonrası uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. (c) f=0.06 mm/dev de 14 delik sonrası meydana gelen kesici kenar aşınması ve yığıntı talaş oluşumu. Şekil 4: AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla, V=15 m/dak da ve farklı ilerleme miktarlarında delinmesinde meydana gelen aşınmalar [2]. (a) f=0.04 mm/dev de 20 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması ve kesici kenar aşınması. (b) f=0.05 mm/dev de 20 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması ve kesici kenar aşınması. (c) f=0.06 mm/dev de 17 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. Şekil 5: AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla V=5 m/dak da ve farklı ilerleme miktarlarında delinmesinde meydana gelen aşınmalar [2]. C. İş Parçası Sertliğinin Takım Aşınması Üzerinde Etkisi 20 HRC sertliğindeki AISI D2 ve 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliklerinin delinmesinde İş parçası sertliğinin kesici takım aşınmaları üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla farklı sertliklerdeki iş parçaları V=15 m/dak, f=0.06 mm/dev kesme şartlarında 10 mm çaplı matkaplarla delinmiştir. Deliklerin delinmesinde kesici takımlarda meydana gelen aşınmalar Şekil 6 da görülmektedir. İş parçası sertliğinin kesici takım aşınmasına etkisi incelendiğinde, 20 HRC sertlikteki malzemede delik delinmesi sonucunda matkabın kesici kenarlarında yoğun şekilde yığıntı talaş (BUE) oluştuğu görülmektedir (Şekil 6.a). 28 HRC sertlikteki malzemede delik delinmesi sonucunda ise kesici takımda yığıntı talaşın pek oluşmadığı fakat kesici takımın dış kenarı, uç kenarı ve kesici kenarlarının büyük oranda aşınmış olduğu görülmektedir (Şekil 6.b). Ayrıca, aynı kesme parametrelerinde 20 HRC sertlikte 20 delik (78520 mm³) delinebilmesine rağmen 28 HRC sertlikte 14 delik (54964 mm³) delindikten sonra aşınmadan dolayı matkap delik delme becerisini kaybetmiştir. Dolayısıyla malzeme sertliğinin artması kesici takımdaki aşınma sürecini hızlandırmıştır. D. Farklı Sertliklerdeki İş Parçalarının Delinmesinde Matkap Çapının Takım Aşınması Üzerinde Etkisi Farklı sertlikteki iş parçalarının delinmesinde matkap çapının takım aşınması üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla, AISI D2 ve AISI D3 çelikleri, V=15 m/dak, f=0.06 mm/dev kesme şartlarında 8 mm ve 10 mm çapındaki matkaplarla delinmiştir. İş parçalarının delinmesi sonucunda kesici takımda meydana gelen uç kenarı, dış köşe, kesici kenar aşınmaları, plastik deformasyon ve BUE oluşumu Şekil 6 ve Şekil 7 de görülmektedir. Şekil 7.a da düşük sertlikteki AISI D2 çeliğinin delinmesinde, deneylerin planlanma aşamasında matkapların delmesi için yeterli olacağı düşünülen delik sayısına (20 delik) ulaşmış matkapların aşınmaları görülmektedir. 8 mm çapındaki matkapta aşınmanın artması ve kesme bölgesinde oluşan sıcaklığın etkisiyle plastik deformasyon meydana geldiği, 10 mm lik matkapta ise yan kesici kenarlarında yığıntı talaş oluştuğu görülmektedir (Şekil 7.a, b). Bu nedenle, aynı 309

7 kesme şartlarında 8 mm çapındaki matkapların 10 mm çapındaki matkaplara göre daha hızlı aşındığı söylenebilir. (a) 20 HRC sertlikte 20 delik (78520 mm³) sonrası meydana gelen (b) 28 HRC sertlikte 14 delik (54964 mm³) sonrası meydana gelen yığıntı talaş oluşumu uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması Şekil 6: Farklı sertlikteki iş parçalarının 10 mm çapında matkapla V=15 m/dak ve f=0.06 mm/dev kesme şartlarında delinmesinde meydana gelen aşınmalar [2]. (a) 8 mm çaplı matkapla delmede 20 delik sonrası meydana gelen (b) 10 mm çaplı matkapla delmede 20 delik sonrası meydana gelen plastik deformasyon. yığıntı talaş oluşumu. Şekil 7: 20 HRC sertliğindeki AISI D2 çeliğinin V=15 m/dak, f=0.06 mm/dev kesme şartlarında 8 mm ve 10 mm çaplı matkaplarla delinmesinde meydana gelen aşınmalar [2]. Şekil 8 de verilen SEM görüntüleri incelendiğinde, her iki çaptaki matkabında oldukça aşındığı görülmektedir. Farklı çaplardaki kesici takımlarda yüksek derecede dış köşe aşınması ve kesici kenar aşınması meydana gelmiştir (Şekil 8.a,b). Delik delme sayıları göz önünde bulundurulduğunda 10 mm çapındaki matkabın 8 mm çapındaki matkaptan üç delik daha fazla delerek ömrünü tamamladığını görülmektedir. (a) 8 mm çaplı matkapla delmede 11 delik sonrası meydana gelen (b) 10 mm çaplı matkapla delmede 14 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması, dış köşe aşınması ve yığıntı talaş oluşumu. Şekil 8: 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliğinin V=15 m/dak, f=0.06 mm/dev kesme şartlarında 8 mm ve 10 mm çaplı matkaplarla delinmesinde meydana gelen aşınmalar [2]. 310

8 7 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 13), 30 October-1 November 2013, Istanbul, Turkey E. Matkap Uzunluğunun Takım Aşınması Üzerinde Etkisi Matkap uzunluğunun takım aşınması üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla AISI D2 ve AISI D3 çelikleri farklı kesme şartlarında 8 mm ve 10 mm çaplarındaki matkaplarla delinmiştir. İş parçalarının delinmesi sonucunda kesici takımda meydana gelen aşınmalar Şekil 9 ve Şekil 10 da görülmektedir. AISI D2 çeliğinin V=5 m/dak, f=0.05 mm/dev kesme şartlarında, farklı uzunluklarda ve 10 mm çapındaki matkaplarla delinmesinde, 20 delik delme sonucunda oluşan aşınmalar Şekil 9.a ve b de görülmektedir. Aşınma oranlarına bakıldığında 133 mm uzunluğundaki matkabın çok fazla aşınmadığı, 184 mm uzunluğundaki matkabın ise uç ve kesici kenarında, dış köşesinde aşınmalar, zırh bölgesinde de kırılmalar olduğu görülmektedir. Bu tespitlere dayanarak uzun matkapların daha hızlı aşındığı söylenebilir. Şekil 10 da aynı kesme parametrelerinde delme işlemi yapan her iki kesici takımında özellikle dış köşelerinin ve kesici kenarlarının büyük oranda aşındığı bununla birlikte 165 mm uzunluğundaki matkapta yığılmaların olduğu ve dış köşesinin aşınmadan dolayı yok olduğu söylenebilir. Kesici takımların ömrünü tamamlayana kadar deldikleri delik sayılarına bakıldığında 165 mm uzunluğundaki matkabın 6 delik deldikten sonra ömrünü tamamladığı görülmektedir. (a) 133 mm uzunluğunda matkapla delmede 20 delik sonrası meydana gelen kesici kenar aşınması. (b) 184 mm uzunluğunda matkapla delmede 20 delik sonrası meydana gelen uç kenarı, kesici kenar, dış köşe aşınmaları ve zırh bölgesindeki kırılmalar. Şekil 9. AISI D2 çeliğinin V=5 m/dak, f=0.05 mm/dev kesme şartlarında, farklı uzunluklarda ve 10 mm çapındaki matkaplarla delinmesinde oluşan aşınmalar [2]. (a) 117 mm uzunluğunda matkapla delmede 11 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. (b) 165 mm uzunluğunda matkapla delmede 6 delik sonrası meydana gelen uç kenarı aşınması, kesici kenar aşınması ve dış köşe aşınması. Şekil 10: AISI D3 çeliğinin V=15 m/dak, f=0.06 mm/dev kesme şartlarında, farklı uzunluklarda ve 8 mm çapındaki matkaplarla delinmesinde oluşan aşınmalar [2]. IV. SONUÇLAR 20 HRC ve 28 HRC sertliğindeki AISI D2 ve AISI D3 çeliklerinin farklı çap ve boylardaki HSS matkaplarla delinmesinde kesici takımlarda oluşan aşınmalar ve kaldırılan talaş hacimleri üzerinde kesme parametreleri, iş parçası sertliği, matkap çapı ve boyunun etkilerini belirlemek amacıyla yapılan bu çalışmada; Sadece 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliği üzerinde delme işlemleri uygulanarak kesme hızının takım aşınması üzerindeki etkileri incelendiğinde; düşük kesme hızlarında matkaplarda uç kenarı aşınması, yüksek kesme hızlarında ise kesici kenar ve dış köşe aşınmaları oluşmuştur. AISI D3 çeliğinin 10 mm çapında matkaplarla delinmesinde en hızlı takım aşınması en yüksek kesme (V=15 m/dak) hızında gerçekleşmiş; matkaplar 20 delik delemeden takım ömürlerini 311

9 yitirmişlerdir. V=10 m/dak en uygun kesme hızı olarak tespit edilmiştir. En az aşınmanın en düşük ilerleme miktarı olan f=0.04 mm/dev de gerçekleşmiş, ilerleme miktarının f=0.05 mm/dev ve f=0.06 mm/dev e arttırılmasıyla kesici takımların kesici kenar, dış köşe ve uç kenarlarında aşınmalar artmıştır. İlerleme miktarının azaltılmasıyla bir matkabın delmiş olduğu delik sayısı ve kaldırdığı toplam talaş hacmi de artmıştır. 20 HRC sertliğindeki AISI D2 çeliğinin delinmesinde matkabın kesici kenarlarında yoğun şekilde BUE oluştuğu gözlenmiş iken 28 HRC sertliğindeki AISI D3 çeliğinin delinmesinde ise yığıntı talaşın pek oluşmadığı fakat kesici takımın dış kenarı, uç kenarı ve kesici kenarlarının büyük oranda aşınmış olduğu tespit edilmiştir. Aynı kesme şartlarında, 20 HRC sertlikte iş parçasında 20 delik (78520 mm³) delinebilmesine rağmen 28 HRC sertlikteki iş parçasında 14 delik (54964 mm³) delindikten sonra aşınmadan dolayı matkap delik delme becerisini kaybetmiştir. 8 mm çapındaki matkapla delmede; aşınmanın artması ve kesme bölgesinde oluşan sıcaklığın etkisiyle matkap ucunda plastik deformasyon oluşmuş iken 10 mm çapındaki matkapta yan kesici kenarlarında yığıntı talaş oluşmuştur. Aynı kesme şartlarında 8 mm çapındaki matkaplar 10 mm çapındaki matkaplara göre daha hızlı aşınmıştır. Aşınma oranlarına ve desenlerine bakıldığında; kısa boylu matkapların çok fazla aşınmadığı, uzun boylu matkapların ise uç ve kesici kenarlarında, dış köşelerinde aşınmaların, zırh bölgesinde de kırılmaların olduğu tespit edilmiştir. Kesici takımların ömrünü tamamlayana kadar deldikleri delik sayıları dikkate alındığında; 165 mm uzunluğundaki matkapların 6 delik deldikten sonra ömrünü tamamladığı belirlenmiştir. KAYNAKLAR [1] Şeker U. Kesici Takım Tasarımı Ders Notları, G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Ders Notları, Ankara, (2008). [2] Kaplan, Y., Delik Delmede Farklı Parametrelerin Kesme Kuvveti, Moment, Titreşim, Yüzey Pürüzlülüğü, Aşınma ve Çapak Oluşumuna Etkileri, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, [3] Ertunç H. M. ve Sevim I. Kesici takımların aşınmasını gözlemleme üzerine yapılan çalışmalar, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol.14, pp , [4] Mahfouz I. A., Drilling wear detection and classification using vibration signals and artificial neural network, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 43, pp , [5] Nomani, J., Pramanik, A., Hilditch, T. ve Littlefair, G., Machinability study of first generation duplex (2205), second generation duplex (2507) and austenite stainless steel during drilling process, Wear, vol. 304, pp , [6] Coldwell, H., Woods, R., Paul, M., Koshy, P., Dewes, R. ve Aspinwall, D., Rapid machining of hardened AISI H13 and D2 moulds, dies and press tools, Journal of Materials Processing Technology, vol. 135, pp , [7] Wang, X., Kwon, P.Y., Sturtevant, C., Kim, D.W. ve Lantrip, J., Tool wear of coated drills in drilling CFRP, Journal of Manufacturing Processes, vol. 15, pp , [8] Sharman, A.R.C., Amarasinghe, A. ve Ridgway, K., Tool life and surface integrity aspects when drilling and hole making in Inconel 718, Journal of Materials Processing Technology, vol. 200, pp , [9] Nouari, M., List, G., Girot, F. ve Ge hin, D., Effect of machining parameters and coating on wear mechanisms in dry drilling of aluminum alloys, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 45, pp , [10] Firouzdor, V., Nejati, E. ve Khomamizadeh, F., Effect of deep cryogenic treatment on wear resistance and tool life of M2 HSS drill, Journal of Materials Processing Technology, vol. 206, pp , [11] Wang, J., Liu, Y.B:, An, J. ve Wang, L.M., Wear mechanism map of uncoated HSS tools during drilling die-cast magnesium alloy, Wear, vol. 265, pp , [12] Gariboldi, E., Drilling a magnesium alloy using PVD coated twist drills, Journal of Materials Processing Technology, vol. 34, pp , [13] Ozcelik, B. ve Bagci, E., Experimental and numerical studies on the determination of twist drill temperature in dry drilling: A new approach, Materials and Design, vol. 27, pp , [14] Bağci, E. ve Ozcelik, B., Investigation of the effect of drilling conditions on the twist drill temperature during step-by-step and continuous dry drilling, Materials and Design, vol. 27, pp , [15] Chen, Y.C. ve Liao, Y.S., Study on wear mechanisms in drilling of Inconel 718 superalloy, Journal of Materials Processing Technology, vol. 140, pp , [16] Endo, H., Murahashi, T. ve Marui, E., Accuracy estimation of drilled holes with small diameter and influence of drill parameter on the machining accuracy when drilling in mild steel sheet, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 47, pp , [17] Zabel, A. ve Heilmann, M., Deep hole drilling using tools with small diameters Process analysis and process design, CIRP Annals- Manufacturing Technology, vol. 61, pp , [18] Cantero, J.L., Tardı o, M.M., Canteli, J.A., Marcos, M. ve Migue lez, M.H., "Dry drilling of alloy Ti 6Al 4V, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 45, pp , [19] Kaplan, Y., Nalbant, M. ve Gökkaya, H., The experimental investigation of the effect of machining parameters on burr formation in drilling of AISI D2 and AISI D3 cold work steels, Karaelmas Science and Engineering Journal, vol. 1, no.1, pp , [20] Nouari, M., List, G., Girot, F. ve Gehin, D., Effect of machining parameters and coating on wear mechanisms in dry drilling of aluminium alloys, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 45, pp , [21] Fnides, B., Aouici, H. ve Yallese, M. A., Cutting forces and surface roughness in hard turning of hot work steel X38CrMoV5-1 using mixed ceramic, Mechanika, vol. 2, pp ,