CNC Torna Tezgahinda 17-4 PH Paslanmaz Çeliğin ĠĢleme Parametrelerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 011, Elazığ, Turkey CNC Torna Tezgahinda 17-4 PH Paslanmaz Çeliğin ĠĢleme Parametrelerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi M. Ay 1, A. Kalyon 1 University of Marmara, Ġstanbul/Turkey, muay@marmara.edu.tr. University of Karabük, Turkey, alikalyon@gmail.com Experimental Determination of Machining Parameters of 17-4 Ph Stainless Steel in Cnc Turning Abstract--In this study, an experimental investigation on cutting forces, surface roughness and the hardness of metarial after machining in turning of 17-4 PH stainless steel using PVD coated cutting tools is presented. The influences of feed rate, tool peak radius, depth of cut on surface roughness and cutting force have been examined. In order to optimize the turning process, Taguchi optimization method has been used. The influence of each parameter on obtained results has been determined by using analysis of varience (ANOVA). The relationship between dependent parameters and independent parameters has been modeled by Regression analysis. The optimal Machinability of 17-4 PH stainless steel with PVD coated insert has been succesfully determined in this study. Keyword--Machinability, Taguchi method, PVD coated cutting tool, Surface roughness, Cutting force K I. GĠRĠġ esici takımın daha uzun ömürlü olabilmesi ve iģ parçasının ise istenilen kalitede üretilerek hammadde israfını önlemek için, kesme performansı ve Ģartlarını optimize etme gerekliliği ortaya çıkmıģtır. Bunu gerçekleģtirebilmek için, kesici takımların ömrüne tesir eden etkenler ile iģ parçasının kalitesinin belirlenmesinde etkili olan etkenler bilim adamları tarafından araģtırılmaktadır. Uzun yıllardır yapılan çalıģmalar göstermektedir ki; tornalamada kesici takım ömrünü ve iģ parçası kalitesini etkileyen birçok parametre ve durum vardır. Kesici takım ömrü ve üretilen ürünün kalitesini etkileyen faktörler; kesici takımın geometrik özellikleri, ilerleme oranı, kesme hızı, talaģ derinliği, kaplamalar, iģ parçası ve kesici takım rijitliği oranı vs. gibi parametreler hem kesici takım ömrünü hem de üretilen ürünün yüzey kalitesini artırmaktadır. Aynı zamanda üretim maliyetini ve sarf edilen enerjiyi azaltmaktadır. Tüm bunlar dikkate alındığında parametrelerin seçilmesinin önemi görülmektedir. Zdzislaw Klim ve arkadaģları yapmıģ oldukları çalıģmada 17-4 PH paslanmaz çeliğini iģleyerek takım ömrünü belirlemeye yönelik yeni bir model geliģtirmiģlerdir. OluĢturulan model ile serbest yüzey aģınması dikkate alarak takım ömrünü analiz etmiģlerdir. OluĢturulan metot sabit ve değiģken ilerleme Ģartlarında takım performansının detaylı analizinin yapılmasını sağlamıģtır [1]. A. Senthil Kumar ve arkadaģları yapmıģ oldukları çalıģmada sertleģtirilmiģ martenzitik paslanmaz çeliğin iģlenebilirliğinin takım aģınmasına ve takım ömrüne olan etkisini incelemiģlerdir. ÇalıĢmaları sonucunda serbest yüzey aģınmasının takım ömrüne düģük hızlarda etki ettiğini buna karģılık krater ve çentik aģınması takım ömrüne yüksek iģleme hızlarında etki ettiğini bulmuģlardır []. M.Y. Noordin ve arkadaģları yapmıģ oldukları çalıģmada sertleģtirilmiģ martenzitik malzemeyi kuru olarak kaplamalı uçlarla iģlenebilirliğini incelemiģlerdir. Yaptıkları çalıģma sonucunda kesme hızının ve ilerlemenin takım aģınmasına etkisi olduğunu bulmuģlardır [3]. ġeker U. ve arkadaģları yapmıģ oldukları çalıģmada farklı oranlarda nikel ve bakır içeren sünek malzemelerin yüzey pürüzlülüğüne ve kesme kuvvetine olan etkisini araģtırmıģlardır. YapmıĢ oldukları deneyler sonucunda en iyi yüzey kalitesini ve kesme kuvvetleri sonucunu %7 nikel ve %0,7 bakır içeren numunelerde bulmuģlardır [4]. PVD kaplama yöntemi; dekoratif ve mekanik özellikleri geliģtirici amaçlı geliģtirilen bir yüzey kaplama tekniğidir. TalaĢlı ve talaģsız üretimde kullanılan takım ve kalıpların ömürleri parça baģına maliyetlerde baģrolü oynamaktadır. Takım ve kalıplardan beklenilen, maksimum sayıda parçayı, minimum maliyetle üretim isteğini gerçekleģtirebilmek için yüzey kaplamalarına ihtiyaç duyulmaktadır[5]. Korkut Ġ. ve arkadaģları östenitik paslanmaz çeliğin semente karbür takımlarla uygun kesme hızında iģlenebilmesini araģtırmıģlardır. Yaptıkları çalıģmada yüzey pürüzlülük değerinin artan kesme hızlarında azaldığını bulmuģtur [6] PH paslanmaz çeliği iyi süneklik ve tokluk yanında, orta ila iyi derece arasında korozyon dayanımı gösterir. Bu çelikler, martenzitik çeliklerle kıyaslandığında, mukavemet ve korozyon dayanımlarının iyi bir kombinasyonu elde edilir. Bu durum yüksek miktardaki alaģım elementleri ve en çok %0,04 C bulunmasından dolayıdır. Ancak, bunun sonucunda aģınma dayanımında düģüģ gözlenir [7]. Günümüzde üretilen 17-4 PH paslanmaz çelikler, yüksek hızlı uçakların dıģ yüzeylerinde, füze gövdelerinde, deniz taģıtlarında, yakıt tanklarında, uçakların iniģ takımlarında, pompalarda, millerde, somun, cıvata, kesici aletler ve kavramalarda yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Diğer kullanım alanları içinde filtreler veya makinelerin hareketli 197

2 M.Ay, A. Kalyon parçaları gibi korozif ortamlarda kullanılan ağırlıkça hafif yüksek mukavemetli parçalar girmektedir [1]. II. MALZEME VE METOD ĠĢlenebilirlik deneylerinde adet Ø18 mm ölçüsünde 90 mm boyunda ısıl iģlem öncesi 4 HRC sertlikte olan iģ parçaları kullanılmıģtır. Numunelere ait kimyasal bileģim Tablo 1 de verilmiģtir. Tablo 1. Malzemenin kimyasal içeriği C Mn Cr Mo Ni Co Cu Nb Fe TalaĢ kaldırma iģlemi sırasında kesici takım ucu olarak KENNAMETAL firmasının üretmiģ olduğu KC5010 deformasyona karģı çok dirençli alaģımsız karbür alt yapısı üzerine geliģmiģ PVD TiAlN kaplamalı uçlarla uç kavis yarıçapları farklı finiģ uçlar kullanılmıģtır. Deneylerde Johnford TC 35 CNC Fanuc OT x-z eksenli bir tezgah kullanılmıģtır. Deneyde Mahr firmasının perhometer M1 tipi yüzey pürüzlülüğü ölçüm aleti kullanılmıģtır. DIN, ISO, JIN, AISI standartlarına göre çeģitli parametrelerle yüzey pürüzlülüğü tayin edilir. Bulunan değer ekranda görülmesiyle birlikte Ra, Rz vb yüzey pürüzlülük değerlerinde çıktı alınabilir. Deneylerde kuvvet ölçümü için KISTLER 911 kuvvet sensörü, KISTLER 5019b tipi yük amplifikatörü ve DynoWare analiz programı kullanılmıģtır ( ġekil 1.) Parametreler Tablo. Deney parametreleri (A) Ġlerleme (mm/dev ) (B) TalaĢ Derinliği (mm) (C) KöĢe Radüsü (mm) Seviye I Seviye II Seviye III Deney No. Tablo 3. L 9 Deney tasarımı DeğiĢkenler (A) F (mm/dev) (B) D (mm) (C) R (mm) 1 A 1 B 1 C A 1 B C 1 3 A 1 B 3 C A B 1 C 1 5 A B C A B 3 C A 3 B 1 C A 3 B C A 3 B 3 C 3 3 III. SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME III.I. YÜZEY PÜRÜZLÜLÜK SONUÇLARININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ Yapılan dokuz deneyde elde edilen sonuçlara göre ilerleme 0,1 mm/dev, talaģ derinliği 1 mm ve uç kavis yarıçapı 0,8 olduğunda en iyi yüzey kalitesinin elde edileceği anlaģılmaktadır. Ġlerleme ve talaģ derinliğin artması yüzey pürüzlülüğünü olumsuz olarak etkilemektedir. Uç köģe radyüsünün artmasına rağmen ve talaģ derinliğinin artması yüzey pürüzlülüğünü artırmaktadır. ġekil 1. Deney düzeneği II. I DENEYSEL PROSEDÜR Bu çalıģmada deneysel parametreler olarak, Ġlerleme (f), devir (N) ve talaģ derinliği (d) seçilmiģtir. Deneylerde iģ parçasının CNC torna tezgahında ortogonal kesme yapılarak sonuçlar elde edilmiģtir. Deneyde kullanılacak parametreler ve seviyeleri Tablo ve Tablo 3 te L 9 deney tasarımı sunulmuģtur. ġekil. TalaĢ derinliğinin ve ilerlemenin yüzey pürüzlülüğüne etkileri 198

3 CNC Torna Tezgahinda 17-4 PH Paslanmaz Çeliğin İşleme Parametrelerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi ġekil 3. TalaĢ derinliğinin ve uç köģe radyüsünün yüzey pürüzlülüğüne etkileri ġekil 6. Uç köģe radyüsünün ve ilerlemenin kesme kuvvetine etkisi ġekil 4. Uç köģe radyüsünün ve ilerlemenin yüzey pürüzlülüğüne etkileri III. II KESME KUVVETI SONUÇLARI DEĞERLENDIRILMESI Yapılan deneylerde elde edilen 0. ilerleme mm/dev, 0.4 mm talaģ derinliği ve 1. köģe radyüsü ile en düģük kesme kuvvetinin elde edildiği anlaģılmaktadır. ġekil 5 ve 6 da görüldüğü gibi ilerleme artınca kesme kuvveti de artmaktadır. TalaĢ derinliği artıkça kesme kuvveti artmaktadır. ġekil 7. TalaĢ derinliği ve uç köģe radyüsünün kesme kuvvetine etkisi III. III DOĞRULAMA DENEYLERI Taguchi optimizasyon metodu kullanılarak, yapılan deneysel çalıģmada optimal sonuçları elde edilmektedir. Elde edilen bu sonuçlar bazı zamanlarda mevcut deneylerden herhangi biri olabilirken, bazı zamanlarda ise yapılan deneylerin haricinde bir deney yaparak optimal sonuca ulaģmayı da gerektirebilir. Doğrulama deneyinde elde edilen sonuçlar, yapılan optimizayonun baģarısını yansıtmaktadır. Bu bağlamda optimal Ģartların tahmin edildiği ve hesaplamalar sonucu elde edilen değerler ile doğrulama deneyleri sonucunda elde edilen ilerleme oranı, kesme kuvveti, uç köģe radüsü değerleri aģağıdaki tablolarda sunulmuģtur. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, elde edilen sonuçların gayet tatminkar olduğu görülmektedir. Bu sonuçlar, yapılan deneylerde Taguchi Optimizasyon metodunun baģarı ile uygulanabildiği sonucuna ulaģılmıģtır. Tablo 3. Yüzey Pürüzlülüğü Ġçin Optimal Sonuçlar Tahmin Edilen Doğrulama Deneyi ġekil 5. TalaĢ derinliği ve ilerlemenin kesme kuvvetine etkisi Seviye A 1 B 3 C A 1 B 3 C Pürüzlülük değeri (µm)

4 M.Ay, A. Kalyon Tablo 4. Kesme Kuvveti Ġçin Optimal Sonuçlar Tahmin Edilen Doğrulama Deneyi Seviye A B 1 C 3 A B 1 C 3 Kesme Kuvveti değerleri (N) III.IV ANOVA ANALĠZĠ PH çeliği üç değiģik faktör, üç değiģik seviyede kullanılarak ince ve kaba paso olmak üzere dokuzar deney yapılmıģ ve bu deneylerin her birinden farklı Ra yanıt değeri ölçülmüģtür. Bu farklılıkların tamamen tesadüf mü yoksa faktörlerinden mi kaynaklandığı ve her faktörün bu yanıta etkisini belirlemek için varyans analizi kullanılmaktadır. ĠĢ parçasının iģleme parametrelerinin varyans analizi sonuçları Tablo 5 de sunulmuģtur. Tablo 5 de görüldüğü gibi, 17-4 PH paslanmaz çeliğinin iģlenmesi sonucu iģlenen yüzeydeki pürüzlülüğünün oluģumunda en etkili faktör %81,3 ile ilerlemedir. Tablo 5. Ra değerlerine göre ANOVA sonuçları Notasyonlar A B C Hata (e) Toplam Serbestlik Derecesi 8 Karelerin Toplamı DeğiĢkenler F oranı Yüzde Oran (%) ĠĢ parçasının iģleme parametrelerinin varyans analizi sonuçları Tablo 6 da sunulmuģtur PH paslanmaz çeliğinin iģlenmesi sonucu iģleme esnasında kesme kuvvetleri değerlerinin oluģumunda en etkili faktör %48,17 ile talaģ derinliğidir. Tablo 6. Kesme kuvveti değerlerine göre ANOVA sonuçları Notasyonlar Serbestlik Derecesi Karelerin Toplamı DeğiĢkenler F oranı A B C Hata (e) Toplam Yüzde Oran (%) Yüzey Pürüzlüğü (Ra µm) = A B C R = %90.8 (1) ĠĢ parçası için oluģturulmuģ kesme kuvveti denklemi aģağıda denklem de sunulmuģtur. Kesme Kuvvet (N) = A B C R = %98.6 () Bu denklemlerde A ilerleme, B talaģ derinliğini ve C uç köģe radyüsünü sembolize etmektedir. R katsayısı değerleri sırasıyla %90.8, %98.6 olarak elde edilmiģtir. Bu değerlerde tahmin modelinin gerçek iliģkiye yakınlığını ifade etmektedir. 80% üzeri olması durumunda kuvvetli iliģki olarak kabul edilmektedir. Bu çalıģmada elde edilen tahminsel denklemde R 80% üzeri olduğu için kabul edilebilir sınırlar içindedir ve kuvvetli iliģkiye sahiptir. IV. SONUÇLAR Yapılan çalıģmada, sonuçların daha sağlıklı ve kabul edilebilir değerlerde çıkmasına yardımcı olacağı ve optimal sonuçlara ulaģılarak zaman ve maliyetten kazanımların olacağı düģünülerek, istatistiksel bir yöntem olan Taguchi metodu kullanılmıģtır. Taguchi ile hem deney tasarımı yapılarak daha az deney ile daha verimli sonuçlara ulaģılmıģ ve böylece gereksiz deneylere harcanacak zaman ve maliyetten tasarruf edilmiģ hem de deney sonuçlarında elde edilen veriler optimize edilerek en iyileģme gerçekleģtirilmiģtir. Bu çalıģma ile ulaģılan sonuçlar aģağıda sunulmuģtur. i. Deneysel ve istatistiksel yöntemler kullanılarak yapılan bu çalıģmada, elde edilen sonuçlar; deney tasarımı aģamasında belirlenen parametreler ile bu çalıģma ile hedeflenen, yüzey kalitesi ve kesme kuvveti parametreleri uyuģmuģ ve böylece çalıģma baģarıyla tamamlanmıģtır. Kısaca, bağımlı değiģkenler için tahmin edilen bağımsız değiģkenler probleme çözüm getirmiģtir. ii. Bu çalıģma ile 17-4 PH paslanmaz çeliğinin, ilerleme oranı, talaģ derinliği ve uç köģe radyüsü farklı sertlik değerlerindeki iģ parçalarının yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetine olan etkisi belirlenmiģtir. iii. Yapılan deneysel çalıģmada ilerlemenin artmasıyla parçanın yüzey pürüzlülük değerinin artığı gözlenmiģtir. DüĢük ilerleme hızlarında daha iyi yüzey kalitesi elde edilmiģtir. Bu da literatürdeki çalıģmalarla bağdaģmaktadır. iv. Yapılan deneysel çalıģmada kesme kuvvetine talaģ derinliği, ilerleme ve uç radyüsünün etkisi incelenmiģ artan talaģ derinliği ve ilerleme hızlarında kesme kuvvetlerinin arttığı belirlenmiģtir. III.V REGRESYON ANALĠZĠ TalaĢ kaldırma için kontrol faktörleri (ilerleme oranı, talaģ derinliği ve uç köģe radüsü) ile (ortalama yüzey pürüzlülüğü) arasında tahmini denklem oluģturma ve bunlar arasındaki iliģkiyi tanımlayabilmek için doğrusal regresyon analizi kullanılmıģtır. ĠĢ parçası için oluģturulmuģ Ra ve kesme kuvveti denklemi aģağıda denklem 1 ve de sunulmuģtur. TEġEKKÜR Bu çalıģma Marmara Üniversitesi FEN-C-YLP nolu projeden destek almıģtır. 00

5 CNC Torna Tezgahinda 17-4 PH Paslanmaz Çeliğin İşleme Parametrelerinin Deneysel Olarak Belirlenmesi KAYNAKLAR [1] K. Zdzislaw, E. Elmekki, M. Balazinski, C. Fortin, Cutting tool reliability analysis for variable feed milling of 17-4 PH stainless steel, Wear, vol. 195, p.p , [] A. S. Kumar, A. R. Durai, T. Sornakumar: The effect of tool wear on tool life of alumina-based ceramic cutting tools while machining hardened martensitic stainless steel, Journal of Materials Processing Technology, vol. 173, p.p , 006. [3] M.Y. Noordin, V.C. Venkatesh, S. Sharif: Dry turning of tempered martensitic stainless tool steel using coated cermet and coated carbide tools, Journal of Materials Processing Technology, vol. 185, p.p , 007. [4] U. ġeker, I. Çiftçi, H. Hasırcı, The effect of alloying elements on surface roughness and cutting forces during machining of ductile iron Materials and Design, vol. 4, p.p , 003. [5] E. Ġnçal, PVD Yöntemi Ġle Kaplanan HSS Takım Çeliklerinin Karakterizasyonu Ve AĢınma Dayanımının Ġncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ġstanbul, 007. [6] I. Korkut, M. Kasap, I. Çiftçi, U. ġeker, Determination of optimum cutting parameters during machining of AISI 304 austenitic stainless steel, Materials and Design, vol. 5, pp , 004. [7] U. OdabaĢ, Paslanmaz Çelikler, Kaynak Yöntemleri,. Baskı, ġubat