Anahtar Kelimeler: Östenitik paslanmaz çelik, Kesme kuvveti, Sonlu elemanlar metodu.

Transkript

1 TALAŞLI İMALATTA DEĞİŞİK KESME PARAMETRELERİYLE DENEYSEL VE NÜMERİK KESME KUVVETİ DEĞERLERİNİN UYUMLULUĞUNUN İNCELENMESİ Mehmet AYDIN, Bilecik Üniversitesi, 11210, Bilecik Kadir GÖK, Dumlupınar Üniversitesi, 43100, Kütahya Abdulkadir CENGİZ, Kocaeli Üniversitesi, 41380, Kocaeli Mehmet UÇAR, Kocaeli Üniversitesi, 41380, Kocaeli Ahmet ÇALIŞKAN, Kocaeli Üniversitesi, 41380, Kocaeli ÖZET Bu çalışmada, değişik kesme koşullarında deneysel ve nümerik kesme kuvveti değerlerinin birbiriyle uyumluluğu incelenmiştir. Deneyler, 304 paslanmaz çeliğin TiN kaplamalı tungsten karbür kesici takımla tornalama işlemlerine tabi tutulmasıyla gerçekleştirilmiştir. Nümerik analizler Deform 2D programıyla yapılmıştır. Hem deneysel çalışmalarda hem de nümerik analizlerde ilerleme miktarı sabit tutulurken, kesme hızı ve talaş derinliği değişken olarak seçilmiştir. 30, 45 ve 55m/dak düşük kesme hızlarında nümerik kesme kuvveti değerlerinin deneysel kesme kuvveti değerlerinden %30 a kadar saptığı tespit edilmiştir. 130m/dak orta kesme hızında nümerik kesme kuvveti değerleri deneysel kesme kuvveti değerleriyle iyi bir uyum göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Östenitik paslanmaz çelik, Kesme kuvveti, Sonlu elemanlar metodu. ABSTRACT In this study, experimental and numerical cutting force values were investigated in terms of compatibility to each other under various cutting conditions. Experiments were carried out by turning 304 stainless steel with TiN coated tungten carbide tool. Numerical analyses were made by program Deform 2D. While feed rate was kept constant, cutting speed and and deep of cut were selected as factors in both the experimental operations and the numerical analyses. It was determined that numerical cutting force values deviated from the experimental cutting force values to 30% at 30, 45, and 55m/min low cutting speeds. Numerical cutting force values showed a good agreement with experimental cutting force values at 130m/min median cutting speed. Keywords: Austenitic stainless steel, Cutting force, Finite element method. 307

2 1. GİRİŞ Talaş kaldırma mekaniği kesme parametrelerinin değişkenliği sebebiyle çözümü karmaşık problemleri içerir. Günümüzde bilgisayarların ve yazılımların gelişmesiyle bu karmaşık problemlerin çözümü daha kolay hale gelmiştir. Kesme simülasyonları sayesinde kesme parametrelerine göre kesme sıcaklığı ve kuvveti değerleri sayısal ve grafiksel olarak hesaplanabilmektedir. Simülasyonlar özellikle deneysel verilerin önceden tespit edilmesinde büyük kolaylık sağlamaktadır. Kesme simülasyonları talaşlı imalatta uygun kesme koşullarının araştırılmasında alternatif olarak kullanılmaktadır. Kesme analizleri ile ilgili literatürde çeşitli çalışmalar mevcuttur. Taşgetiren ve arkadaşları, kesme kalemi geometrisini göz önüne alarak kesme kuvvetleri ve çeşitli sürtünme durumlarının neden olduğu gerilmeleri sonlu elemanlar metodu (SEM) ile araştırmışlar ve takımın hasara uğramasındaki durumu incelemişlerdir. Tresca kriterine göre yapılan değerlendirmeler sonucunda alın aşınmasının öncelikli hasar türü olduğu sonucuna varmışlardır [Taşgetiren, 2000]. Aslantaş, TiN kaplanmış HSS kesici takımlar için iki boyutlu gerilme analizi yapmıştır. Takım ve talaş arasındaki sürtünme katsayısının kesici yüzeyinde ve ara yüzeyde meydana gelen gerilmeler üzerindeki etkisini araştırmıştır. Kesici takımlardaki muhtemel hasar oluşum bölgelerini tespit etmeye çalışmıştır [Aslantaş, 2003]. Kurt ve arkadaşı, AISI rulman çeliğinin bitirme torna işleminde kullanılan PCBN ucun pah açısının kesme kuvvetleri ve kesici takım gerilmeleri üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Pah açısının özelikle pasif kuvvet ve von Mises gerilme dağılımı üzerinde daha etkili olduğu sonucuna varmışlardır. Sonlu elemanlar analiz sonuçlarından AISI rulman çeliğin bitirme torna işleminde kritik pah açısının 20 olduğunu tespit etmişlerdir [Kurt, 2004]. Kim ve arkadaşları, eulerian formulasyonuna bağlı bir sonlu eleman ortogonal kesme modeli kullanarak semente karbür takım için kenar yarıçapının kesme kuvvetleri ve sıcaklık üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Simülasyon sonuçlarına göre takım uç yarıçapının artmasıyla takımın sıcaklık dağılımının değiştiği ve maksimum sıcaklığın takım ucuna daha yakın bir yerde meydana geldiği sonucuna ulaşmışlardır. Aynı zamanda takım kenar yarıçapının artmasıyla kesme kuvvetlerinin de arttığını görmüşlerdir [Kim, 1999]. Gök ve arkadaşı, tornalama işlemlerinde optimum talaş ve boşluk açısını belirlemek için kesme analizlerini nümerik olarak incelemişlerdir. Çalışmalarında talaş ve boşluk açıları 0, 5 ve 10 olarak de ğişmektedir. İş parçası malzemesi olarak AISI 1020 çelik, kesici takım olarak da karbür uç kullanmışlardır. Kesme analizleri sonucu en uygun talaş ve boşluk açısının 10 olduğunu tespit etmişlerdir [Gök, 2010]. 308

3 Attanasio ve arkadaşları, metal kesme operasyonlarında takım aşınmasını 3 boyutlu olarak tahmin etmeye çalışmışlardır. Kaplanmamış WC takımla AISI 1045 çeliğin tornalanmasından elde edilen deneysel verilerle 3 boyutlu SEM sonuçlarını karşılaştırmışlar ve iyi bir uyum olduğu sonucuna varmışlardır [Attanasio, 2008]. Duran ve arkadaşı, Castiglano teoreminden elde edilen eğilme değerleri ile sonlu elemanlar metodundan elde edilen değerleri karşılaştırmışlardır. Çalışmalarını Ç 1060 malzeme ve sabit kesme şartları altında, 60, 75 ve 90 kesici kenar açısı na sahip HSS kesici takımlar kullanarak yapmışlardır [Duran, 2005]. Ghani ve arkadaşları, sonlu elemanlar metoduyla AISI 1045 çeliğin tornalanmasında çeşitli talaş ve boşluk açılarına sahip kesici takımların efektif gerilme ve sıcaklık artışına etkisini incelemişlerdir [Ghani, 2009]. Bu çalışmada hem deneysel hem de Deform 2D programı ile nümerik olarak 304 östenitik paslanmaz çeliğin farklı kesme parametreleriyle tornalama işlemlerinde işlenebilirliği incelenmiştir. İşlenebilirlik ve analiz çalışmaları sonucu deneysel ve nümerik analiz sonuçlarının birbiriyle uyumluluğu değerlendirilmiştir. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Deneysel Çalışma Bu çalışmada, 304 östenitik paslanmaz çelik silindirik tornalama operasyonlarına tabi tutulmuştur. Deneyler, ISO PCLNR/L 2525 M12 kodlu takım tutucuya mekanik olarak rijit bir şekilde tespit edilen CNMG geometrisindeki tungsten karbür uçlarla farklı kesme parametrelerinde yapılmıştır. Kesici uç takım tutucuya bağlandığında boşluk ve talaş açısı 5 olmaktadır. Kesici uç olarak en üst yüzeyi TiN ile kaplı çoklu kaplama katmanlı uçlar kullanılmıştır. Talaş kaldırma işlemleri 1000dev/dak devir sayısına ve 6.40mm/dev ilerleme hızına kadar çıkabilen TEZSAN(TOS) marka SN50CX2000 model üniversal torna tezgâhında yapılmıştır. Kesme parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. Kesme kuvvetlerinin ölçümleri için Kistler 9257A tipi piezoelektrik dinamometre kullanılmıştır. Deneyler sırasında dinamometreden alınan analog sinyaller A/D kartı ile dijital sinyallere dönüştürülerek LabVIEW programında kaydedilmiştir. İşleme sırasında esas kesme kuvveti (Fc) olarak adlandırılan Fz kuvvet bileşeni ölçülmüştür. 309

4 Tablo 1 Kesme parametreleri. Kesici uç Uç yarıçapı [mm] 0.8 Talaş açısı [ ] 0 Boşluk açısı [ ] 0 Takım tutucu Talaş açısı [ ] 5 Boşluk açısı [ ] 5 Kesme hızı [m/dak] 30, 45, 55, 130 Talaş derinliği [mm] 0.15, 0.35, 0.50, 0.75 İlerleme hızı [mm/dev] 0.11 Ortam sıcaklığı [ C] 20 Isı iletim katsayısı [W/mK] 45 Kesme uzunluğu [mm] 25 Sürtünme katsayısı Sonlu Elemanlar Metoduyla (SEM) Nümerik Analiz Nümerik analizler Deform 2D programında iki boyutlu dik (ortogonal) kesme olarak yapılmıştır. Deform 2D sonlu elemanlar metoduna dayalı bir analiz programıdır. Kesme esnasında yeniden ağ (mesh) yapısı oluşturularak tekrar veri kaydedilebilmesi programı avantajlı kılmaktadır. Aynı zamanda programın, takım ve iş parçası temas bölgelerinde daha yoğun bir ağ yapısı oluşturabilmesi, daha hassas sonuçlar elde edilmesini sağlamaktadır. Kesme analizinde kesici uç ve iş parçası ağ yapısı oluşturularak elemanlara bölünmüştür. Ağ yapısında kesici takım için 884 eleman ve 945 düğüm ve iş parçası için 1022 eleman ve 1115 düğüm kullanılmıştır. Elemanların ağ yapıları Şekil 1 de gösterilmiştir. Daha sonra, kesici takım ve iş parçasının sınır şartları atanmıştır. Kesici takım ve iş parçasına uygulanan sınır şartları ve takım üzerinde oluşan kesme kuvvetleri Şekil 2 de gösterilmiştir. 310

5 Şekil 1 Kesici takım ve iş parçasına ait ağ yapısı. Şekil 2 Uygulanan sınır şartları ve oluşan kuvvetler. 3. DENEYSEL VE NÜMERİK SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Kesme Kuvveti Hem talaş kaldırma esnasında meydana gelen kesme kuvveti değişimi hem de Deform 2D programında yapılan kesme analizi sonucu elde edilen kesme kuvveti değişimi Şekil 3 de gösterilmiştir. Deneysel çalışmalar ve Deform 2D ile yapılan nümerik analizlerden elde edilen ve kesme hızına bağlı olarak kesme kuvvetindeki değişimi gösteren bu grafikler karşılaştırıldığında; 130m/dak kesme hızında yapılan deneysel çalışmalar ve nümerik analiz sonuçlarının birbiriyle çok uyumlu olduğu görülmüştür. 130m/dak kesme hızında ve 0.15, 0.35, 0.50, 0.75mm talaş derinliklerinde nümerik analiz sonucunda hesaplanan kesme kuvvetleri ve deneysel çalışmalardan elde edilen kesme kuvvetleri arasındaki fark sırasıyla %0, %3.03, %10.49 ve %2.61 olarak tespit edilmiştir. Bu sonuçlar, kesme kuvvetine göre çok küçük olduğu için ihmal edilebilir. 30m/dak kesme hızında ve 0.15, 0.35, 0.50, 0.75mm talaş derinliklerinde deneysel kesme kuvvetlerine göre nümerik analiz kesme kuvvetlerinde % arasında değişen sapmalar görülmüştür. Aynı talaş derinlikleri için 45 ve 55m/dak 311

6 kesme hızlarında nümerik kesme kuvvetinde sırasıyla % ve % arasında değişen sapmalar tespit edilmiştir. Bu durumun nedenlerinden birisi; östenitik paslanmaz çeliğin düşük kesme hızlarında sünek yapısından dolayı göstermiş olduğu mekanik davranış olarak tanımlanabilir. Kesme kuvveti, Fc [N] [mm] Talaş Derinliği Deneysel SEM Kesme kuvveti, Fc [N] [mm] Talaş Derinliği Deneysel SEM Kesme hızı, V [m/dak] Kesme hızı, V [m/dak] [mm] Talaş Derinliği [mm] Talaş derinliği Kesme kuvveti, Fc [N] Deneysel SEM Kesme kuvveti, Fc [N] Deneysel SEM Kesme hızı, V [m/dak] Kesme hızı, V [m/dak] Şekil 3. Kesme hızına göre kesme kuvveti değişimi. Kesme kuvveti grafikleri incelendiğinde, yüksek talaş hacminin oluştuğu yani yüksek talaş derinliği ve yüksek kesme hızının uygulandığı durumlarda deneysel sonuçlar ve simülasyon sonuçları arasında daha iyi bir uyum olduğu görülmüştür. Bu sonuç, farklı talaş derinlikleri ve 130 m/dak kesme hızı için Şekil 3 de gösterilmiştir. 4. SONUÇ Talaşlı imalatta değişik kesme parametreleriyle kesme kuvveti değerlerinin deneysel ve nümerik olarak uyumluluğunu incelemek için yapılan bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir: 312

7 I. Kesme kuvveti değerlendirildiğinde; 130m/dak kesme hızında yapılan deneysel çalışmalar ve nümerik analiz sonuçlarının birbiriyle çok uyumlu olduğu görülmüştür. 130m/dak kesme hızında nümerik analiz sonucunda hesaplanan kesme kuvvetinin deneysel çalışmalar sonucunda bulunan kesme kuvvetinden en fazla %10 saptığı tespit edilmiştir. II. 30, 45, ve 55m/dak düşük kesme hızlarında kesme kuvveti değerlendirildiğinde ise, nümerik analiz sonuçlarının deneysel çalışmalar ile elde edilen sonuçlardan yaklaşık %30 a kadar saptığı tespit edilmiştir. Bu durum, östenitik paslanmaz çeliğin sünek yapısından dolayı işleme sırasında gösterdiği mekanik davranışa bağlanabilir. III. İki boyutlu olarak gerçekleştirilen analiz sonuçları ve deneysel sonuçlar arasındaki farklılıklar, analiz sırasında yan boşluk açısının verilememesi, uç yarıçapının etkisinin gösterilememesi ve işleme sırasında malzeme içerisinde oluşan değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Bu eksikliklere rağmen, sonuçların tatmin edici şekilde birbirleriyle uyumlu olduğu söylenebilir. Sonuç olarak, östenitik paslanmaz çeliklerin işlenebilirlik çalışmalarında, yüksek kesme hızı veya yüksek talaş derinliğinde iki boyutlu analiz sonuçlarıyla deneysel sonuçların kabul edilebilir uygunlukta olduğu görülmüştür. KAYNAKÇA 1. Taşgetiren, S., Aslantaş, K., Kurt, A. (2000), Torna Kesme Kaleminde Gerilmeler: Sürtünme Katsayısının Etkisi, Teknoloji, 3(2-3), Aslantaş, K. (2003), Tin Kaplanmış Kesici Takımlarda Gerilme Analizi ve Takım-Talaş Ara Yüzeyindeki Sürtünme Katsayısının Etkisi, Mühendislik Bilimleri Dergisi, 9(2), Kurt, A., Şeker, U. (2004), Kesici Uç Pah Açısının Kesme Kuvvetleri ve Kesici Takım Gerilmelerine Etkisi, Politeknik Dergisi, 7(4), Kim, K.W., Lee, W.Y., Sin, H.C. (1999), A finite-element analysis of machining with the tool edge considered, Journal of Materials Processing Technology, 86(1-3), Gök, A., Gök, K., (2010), Tornalama İşleminde Optimum Talaş ve Boşluk Açısının Belirlenmesi, Metal Makina Dergisi, 182, Attanasio, A., Ceretti, E., Rizzuti, S., Umbrello, D., Micari, F., (2008), 3D Finite element analysis of tool wear in machining, CIRP Annals Manufacturıng Technology, 57,

8 7. Duran, A., Nalbant, M., (2005), Finite Element Analysis of Bending Occurring While Cutting With High Speed Steel Lathe Cutting Tools, Materials and Design, 26(6), Ghani, J.A., Wahid, S.W., Che Haron, C.H., Nuawi, M.Z., Ab Rahman, M.N., (2009), The Effect of Uncoated Carbide Tool Geometries in Turning AISI 1045 Using Finite Element Analysis, European Journal of Scientific Research, 28(2),