Serbest formlu yüzeylerde kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkisinin taguchi metodu ile optimizasyonu

Transkript

1 SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ SAKARYA UNIVERSITY JOURNAL OF SCIENCE e-issn: X Dergi sayfası: Geliş/Received Kabul/Accepted Doi /saufenbilder Serbest formlu yüzeylerde kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkisinin taguchi metodu ile optimizasyonu ÖZ Harun Yaka* 1, Halil Demir 2, Arif Gök 3 Bu çalışmada, Al 7075-T6 malzemesi üzerinde serbest formlu yüzeyler CNC freze tezgâhında işlenmiş ve en iyi yüzey pürüzlülüğünü elde ettiğimiz kesme şartları belirlenmiştir. Bunun için, kesme hızı, ilerleme, yanal adım ve işleme yöntemlerine göre Taguchi L16 deney tasarımı ile deney listesi oluşturulmuştur. Bu deneyler sonucu ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) değerleri ölçülmüştür. Taguchi tasarımında sinyalgürültü oranı tespit edilmiş ve deneysel sonuçlara göre, dört faktör arasında Ra ya en önemli etkiyi yanal adımın yaptığı elde edilmiştir. Varyans analizinde yanal adımın Ra değerinde %95 güven düzeyinde etki ettiği bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Al 7075-T6, Kesme parametresi, Taguchi Metodu, Yüzey pürüzlülüğü Optimization of the cutting parameters effect to surface roughness with taguchi methot in free form surface ABSTRACT In this study, the free form surfaces were processed on Al 7075-T6 material in CNC milling machine and cutting conditions were determined that we get the best surface roughness. Therefore, experiment list was created with Taguchi L16 experimental design according to cutting speed, feed rate, step over, and machining strategy. At the end of these experiments, the avarage surface roughness (Ra) were measured. In Taguchi design, signal-to-noise ratio has been determined and according to the experiment results, step over was optained as the most important effect to Ra among the four factors. In Variance analysis, step over was found the 95% confidence level in Ra value. Keywords: Al 7075-T6, Cutting parameters, Taguchi Method, Surface Roughness * 1 Harun YAKA Tel: harunyaka@gmail.com 2 Halil DEMİR 3 Arif GÖK 2017 Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

2 1. GİRİŞ Günden güne artan üretim alanlarında talaşlı imalat sıklıkla kullanılan bir metotdur [1]. Talaşlı üretimin fazla kullanılmasının sebebi, işleme parametrelerinin optimize edilerek en uygun parametrelerin seçilebildiği için üretilen parçaların ölçü tamlığı ve yüzey kalitesi daha iyi oranlarda elde edilebilmektedir. bundan dolayı bu konu üzerinde birçok bilimsel çalışma yapılmıştır [2]. Son zamanlarda serbest formlu yüzeyler endüstrinin farklı dallarında sıklıkla kullanılmaktadır [3]. Örneğin kalıp üretiminde, hassas makine imalat endüstrilerinde, uzay ve uçak endüstrisinde, otomotiv endüstrisi ve biyomedikal cihazların üretimi gibi alanlarda yaygın olarak görünmektedir [4] [5]. Seri üretimin temel amacı düşük maliyetle ve kısa sürede yüksek kaliteli ürünler üretmektir [6]. Otomasyon ve imalat sistemleri kombinasyonu bu amaç doğrultusunda kullanılabilir [7]. Hem kısa sürede ve düşük maliyetle üretim gerçekleştirirken hemde yüksek yüzey kaliteyi sağlamak için bilgisayar kontrollü (CNC) tezgahlar kullanılmaktadır [8]. Üretim maliyetlerini düşürmek ve en optimum yüzey kalitesini sağlamak için mazlemenin, uygun parametre seviyeleri kullanılarak işlenmesi önemlidir [9]. Bu işleme parametrelerinin uygun seçilmesi ve aralarındaki etkileşimlerin deneysel çalışmalarla incelenmesi imalat alanında büyük önem arz etmektedir [10]. İşleme yöntemi, seçilen malzeme, kesici takımın türü, fiziksel, kimyasal ve ısıl etkenler, işleme esnasında kullanılan soğutucu, kesici takım ve işlenen malzeme arasındaki mekanik hareketler yüzey kalitesini etkileyen parametrelerdir [11]. Kaliteli işlenmiş bir yüzey yorulma mukavemetinde, korozyon direncinde ve sürtünme ömründe önemli derecede iyileştirme sağlamaktadır. Deneyler sırasında ölçüm yapılırken ölçü aletlerinin kalibrasyonunun gerçekleştirilmesi ölçü tamlığı açısından önemlidir. Deney sonuçlarının elde edilmesi kadar önemli bir konuda yorumlanmasıdır [12]. Araştırmacıların amaçları tasarımda, imalatta veya bakım çalışmalarında en ideal değerleri bulmaktır. Bunun için yapılan çalışmalarda optimum değeri bulmak için matematiksel programlama metotları yaygın olarak kullanılmaktadır [13]. Taguchi, regresyon modelleri, yüzey cevap metodu, yapay sinir ağları gibi yöntemler karar verme aşamasında araştırmacılara yardımcı olmaktadır [14]. Taguchi yöntemi, üretim maliyetlerini düşürme özelleğine sahip olan, üretim miktarını arttıran ve zamandan tasarruf sağlayan bir problem çözme aracıdır. Böylelikle üretimde verimliliği elde etmemize yardımcı olmaktadır [15]. Bu yöntem, üretimde maliyeti düşürerek zamandan tasarruf sağlayan, verimliliği en optimum düzeye çıkarmak için en etkili parametreleri seçerek deneysel ve analitik kavramları birleştirir. Bunu elde etmek için Taguchi yöntemi, bütün prosesi içerisine alarak ve deney sayısını azaltarak en uygun yöntemi belirlemek için özel ortogonal dizilerden yararlanır [16]. Yapılan bu çalışmada, AL 7075-T6 malzemesi üzerinde işlenen serbest formlu yüzeylerde işleme sonucunda oluşan ortalama yüzey pürüzlülük değerleri deneysel olarak ölçülmüştür. Deney tasarımı olarak Taguchi L16 tasarım kullanılmıştır. Taguchi analizi ile optimum kesme parametreleri belirlenmiştir. Ulaşılan sonuçlar memnuniyet vericidir. 2. MATERYAL VE METOT Çok düşük yoğunluğuyla hafif bir metal olan, yüzeyinde oluşan oksit filmi sayesinde korozyona karşı dirençli, yüksek mukavemete ve işlenebilirliğe sahip olan Al7075-T6 serisi malzemeler bu özelliklerinden dolayı otomotiv, uçak ve gemi sanayiinde ve askeri amaçlı hafif zırhlı araçlarda yaygın olarak kullanılmaktadır [4]. Deneylerde kullandığımız Al7075-T6 malzemesinin mekanik ve kimyasal özelikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. a- Malzemenin mekanik özelliği, b- Malzemenin kimyasal özelliği Malzeme Çekme Gerilmesi (a) Akma Gerilmesi Yoğunluk Uzama Sertlik (Mpa) (Mpa) (Kg/m3) (%) (HRb) Al % (b) Element Zn Si Mn Cr Ti Al Cu % 0,5 0,13 0,3 0,28 0,2 Base 2.0 Deneylerde 253x148x60mm ebatlarında olan Al7075-T6 malzeme kullanılmıştır. Deneyler Şekil 1 de görüldüğü gibi kütük üzerinde 30x40 mm ölçülerinde serbest formlu yüzeyler oluşturularak işlenmiştir. 0825

3 Sembol A B C Tablo 2. Kesme parametreleri ve seviyeler Kesme Parametreleri Kesme Hızı (m/dk) İlerleme Hızı (mm/dk) Yanal Adım (mm) 1 D İşleme Şekli Paralel ,5 0,8 1,1 1,4 Zig- Zag Spiral Tek yön Şekil 1. Deney numuneleri [3] Deneylerde TAKUMA JVH-710 CNC freze tezgâhı kullanılmıştır. Deneylerde herhangi bir soğutucu kullanılmamış, kuru kesme şartlarında frezeleme işlemi yapılmıştır. Kesici takımı bağlamak için takım tutucu ve pens sistemi tercih edilmiştir. Bunun sebebi, diğer tutucuların tam sıkma işlemini gerçekleştirememesinden dolayı titreşim veya boyutsal problemlerle karşılaşılabilmektedir. Bu sistemde ise kesici uç çevresinden dairesel olarak sıkılmaktadır. Deneylerde takım tutucu olarak BT40-ER40x80- PB ve pens olarak da ER40 pens kullanılmıştır. Kesici takım olarak serbest formlu yüzeylerin imalatında sıklıkla kullanılan TaeguTec marka dıştan soğutmalı karbür yekpare küresel uçlu parmak freze çakısı seçilmiştir. Kesici takım, tutucu ve pense ait özellikler Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 3. Deney Şeması Tablo 2 de verilen kesme parametreleri uygulandıktan sonra oluşan Ra değerleri Mitutoyo Surftest SJ-210 yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı ile işleme yönlerine dik olarak ölçülmüştür. Şekil 4 de yüzey pürüzlülüğü ölçümü verilmiştir. Şekil 2. Takım tutucu, pens ve kesici takım Kesme parametreleri üretici firma kataloğuna uygun olarak dört farklı değerde ve dört farklı işleme şeklinde belirlenmiştir. Kesme parametreleri Tablo 2 de, deney şeması da Şekil 3 de görülmektedir. Şekil 4. Yüzey Pürüzlülüğü ölçümü Taguchi L16 Ortogonal dizilim kullanılarak oluşturulan deney tasarımına göre elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri Tablo 3 de verilmiştir. 0826

4 Tablo 3. L 16 Ortogonal dizilim kullanarak oluşturulan deney tasarımı ve deney sonuçları Deney No A B C D Ra , , , , , , , , , , , , , , , , Taguchi ile Sonuçların Değerlendirilmesi Taguchi metodunda en iyi yüzey pürüzlülüğü için gerekli olan optimum kesme şartları, en küçük en iyi sinyal gürültü oranı seçilerek yapılmıştır. MINITAB 14 programında en küçük en iyi denklemi kullanılarak S/N oranları, seviye değerleri hesaplanmıştır. Bu denklem sonucuna göre elde edilen S/N oranları Tablo 4 de verilmiştir. Taguchi metodunda deneysel verilerin analizleri için en temel kriter sinyal/gürültü (S/N) oranıdır. Bu çalışmada Taguchi metoduna göre optimum kesme şartlarını elde etmek için S/N oranı maksimum değeri almalıdır. Bu duruma göre, L16 ortogonal dizilimde Tablo 4 de en optimum kesme şartı Ra için 2,62 S/N oranı olarak bulunmuştur ortogonal dizilim, yani 220 m/dk. kesme hızı, 1100 mm/dk. ilerleme hızı, 0,5 mm yanal adım ve spiral işleme şeklinde en iyi Ra değeri için optimum kesme şartları elde edilmiştir. Taguchi dizaynına göre Ra için MINITAB 14 programından elde edilen faktörlerin seviye değerleri Tablo 5 de verilmiştir. Şekil 5 te de, Tablo 5 de verilen seviye değerlerinin grafiği verilmiştir. Bundan sonra aynı şartlarda yapılacak deneylerin optimum kesme şartlarının belirlenmesinde Tablo 5 deki ve Şekil 5 te belirtilen A, B, C ve D faktörlerinin seviye değerlerine göre yorum yapılır. Bu durumda, A faktörünün (kesme hızı) dördüncü seviyesi, B faktörünün (ilerleme hızı) dördüncü seviyesi, C faktörünün (yanal adım) birinci seviyesi ve D faktörünün (İşleme şekli) üçüncü seviyesi yüksek olduğu Şekil 5 ve Tablo 5 de görülmektedir. Dolayısıyla yapılacak deneyler için aynı şartlarda belirlenen en uygun kesme şartları kesme hızı için 220 m/dk, ilerleme hızı 1100 mm/dk, yanal adım 0,5 mm ve işleme şekli spiral olacaktır. Tablo 5 de ayrıca kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etki gücü sırasıyla yanal adım (C), işleme şekli (D), ilerleme hızı (B) ve kesme hızı (A) olarak elde edilmiştir. Tablo 4. L 16 Ortogonal diziliminde Ra için S/N oranları Deney No A B C D Ra S/N ,69-4, ,78-5, ,84-5, ,14-6, ,49-3, ,38-2, ,28-7, ,30-7, ,03-6, ,75-4, ,56-3, ,73-4, ,48-7, ,24-7, ,02-6, ,74 2,62 Tablo 5. Yüzey pürüzlülüğü faktörü ve Ra için S/N cevap tablosu Level A B C D 1-5,368-5,515-2,151-5, ,164-4,918-4,835-5, ,909-5,606-6,421-2, ,596-3,997-6,629-5,416 Delta 0,771 1,609 4,479 3,247 Rank

5 Parametrelerin Yüzey Pürüzlülüğüne Etkileri Şekil 5. Ra nın en küçük - en iyi S/N oranına göre A, B, C, D faktör seviyelerinin grafiği Yüzey Pürüzlülüğü Değerlerinin Varyans Analizi Taguchi metodu ile elde edilen S/N oranından optimum kesme şartları belirlenirken, varyans analizi ile de kesme parametreleri arasındaki ilişki tespit edilmiştir. S/N nın kesme hızı, ilerleme hızı, yanal adım ve işleme şekilleri arasındaki ilişkiler değerlendirilmiştir. Yapılan S/N ANOVA sonuçları Tablo 6 da verilmiştir. ANOVA sonuçlarına göre p<0,01 veya p<0,05 anlamlılık düzeyinde olması gerekir. Bu sonuçlara göre en anlamlı değer sırası ile yanal adım, işleme şekli, ilerleme hızı ve kesme hızıdır. Yanal adım % 95 güven düzeyinde etkinlik göstermiştir. Bu sonuç aynı zamanda Tablo 5 deki önem sırasını doğrular niteliktedir. Tablo 6. S/N-Kesme hızı, ilerleme, yanal adım ve işleme şekilleri arasındaki ilişki Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P A 3 0,03 0,03 0,01 0,25 0,86 B 3 0,12 0,12 0,04 1,05 0,49 C 3 1,71 1,71 0,57 15,18 0,03 D 3 0,83 0,83 0,28 7,39 0,07 Residual Error 3 0,11 0,11 0,04 Total 15 2,80 Şekil 6. Parametrelerin yüzey pürüzlülüğüne üzerine etkileri ve S/N oranları S/N oranları ölçüm değerine göre Şekil 6 de yüzey pürüzlülüğü için optimum seviyeler, kesme hızı için seviye dört (220 m/dak), ilerleme hızı için seviye dört (1100 mm/dak), yanal adım için seviye bir (0,5 mm), takım yolu tarzı için seviye üç (Sprl) tür. Elde edilen sonuçlar Şekil 5 de verilen kesme parametrelerinin optimum seviyelerini de doğrular niteliktedir. Şekil 6 incelendiğinde kesme hızı arttıkça genel olarak yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Yanal adım arttığında ise yüzey pürüzlülüğünde artış gözlemlenmiştir. İlerleme değerinin farklı seviyelerinde yüzey pürüzlülüğünün arttığı veya azaldığı görülmektedir. Bu da işleme esnasında çevresel faktörlerden veya takımda meydana gelen sehimden veya tezgahtaki tireşimden kaynaklanmış olabilir. Ancak genel olarak ilermedeki artış yüzey pürüzlülüğünde azalmaya neden olmuştur. Spiral işleme tekniği yüzey pürüzlülüğü değerleri açısından küçük çıkmıştır. 3. SONUÇLAR Serbest formlu yüzeylerin optimizasyonu için Taguchi deney tasarımı kullanılarak kesme parametrelerine göre Ra değerleri analizi yapılmıştır. Yapılan çalışmada elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. Kesme faktörleri; kesme hızı, ilerleme hızı, yanal adım ve işleme şekli olan dört parametre ve her birinde dört farklı seviye ile MINITAB 14 programında Taguchi metodu kullanarak L16 ortogonal dizilim elde edilmiştir. Bu sayede tam faktöriyel

6 deney yerine 16 deney yapılmıştır. L16 ortogonal dizilimine göre yapılan deneyler neticesinde Ra nın S/N oranları bulunmuştur. En küçük en iyi (the smaller-the better) S/N oranı denklemi kullanılarak, S/N oranında maksimum değer aranmıştır. Maksimum S/N oranı en optimum kesme parametrelerini vermektedir. Serbest formlu yüzeylerin işlenmesinde en düşük yüzey pürüzlülüğü için Ra değerinin maksimum 2,62 S/N değerine karşılık gelen optimum kesme şartları (4413), 220 m/dk kesme hızı, 1100 mm/dk ilerleme, 0,5 mm yanal adım ve spiral işleme şekli olmuştur. Parametrelerin etkinlik sıralaması yanal adım, işleme şekli, ilerleme ve kesme hızı olarak sıralanmıştır. S/N oranlarına varyans analizi uygulanarak, kesme parametrelerinin Ra üzerindeki ilişki düzeyleri belirlenmiştir. ANOVA analizine göre Ra değerinde yanal adımın %95 güven düzeyinde etki ettiği sonucuna varılmıştır. Kesme hızı arttıkça genel olarak yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Yanal adım arttığında ise yüzey pürüzlülüğünde artış gözlemlenmiştir. En düşük yüzey pürüzlülüğü spiral işleme yönteminde meydana gelmiştir. REFERANSLAR [1] J. Yan ve L. Li, Multi-objective optimization of milling parameters-the trade-offs between energy, production rate and cutting quality, Journal of Cleaner Production, vol. 52, pp , [2] H. Sarı, Frezelemede takım geometrisi ve tırlama titreşimlerinin yüzey pürüzlülüğüne etkileri, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, [3] M. Kurt, S. Hartomacıoğlu, B. Mutlu ve U. Köklü, Minimization of the surface roughness and form error on the milling of free-form surfaces usinga grey relational analysis, Materiali in tehnologije, vol. 46, no. 3, pp , [4] İ. Lazoğlu, C. Manav ve Y. Murtezaoğlu, Tool path optimization for free form surface machining CIRP Annals- Manufacturing Technology, vol. 58, no. 1, pp , [5] N. Mohri, N. Saito, M. Higashi ve N. Kinoshita, A new process of finish machining on free surface by EDM methods, CIRP Annals-Manufacturing Technology, vol. 40, no. 1, pp , [6] W. B. Rashid, S. Goel, J. P. Davim ve S. N. Joshi, parametric design optimization of hard turning of AISI 4340 steel (69 HRC) The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 82, no. 1, pp , [7] M. Gupta ve S. Kumar, Investigation of surface roughness and MRR for turning of UD-GFRP using PCA and Taguchi method, Engineering Science and Technology, International Journal, vol. 18, no. 1, pp , 2015 [8] J. L. Yang ve J. C. Chen, A systematic approach for identifying optimum surface roughness performance in end-milling operations, Journal of industrial technology, vol. 17, no. 2, pp. 1-8, [9] K. Shi, D. Zhang, J. Ren, C. Yao ve X. Huang, Effect of cutting parameters on machinability characteristics in milling of magnesium alloy with carbide tool, Advances in Mechanical Engineering, vol. 8, no. 1, [10] M. Hamamcı, Yüksek Hızlı İşlemede Kesme Parametrelerinin Yüzey Kalitesi Açısından Optimizasyonu, Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri enstitüsü, Kayseri, [11] N. R. Dhar, M. Kamruzzaman ve M. Ahmed, Effect of minimum quantity lubrication (MQL) on tool wear and surface roughness in turning AISI-4340 steel, Journal of materials processing technology, vol. 172, no. 2, pp , [12] J. T. Krishankant, M. Bector ve R. Kumar, Application of Taguchi method for optimizing turning process by the effects of machining parameters, International Journal of Engineering and Advanced Technology, vol. 2, no. 1, pp , [13] T. Rajasekaran, K. Palanikumar ve S. Arunachalam, Investigation on the turning parameters for surface roughness using 0829

7 Taguchi analysis, Procedia Engineering, vol. 51, pp , [14] S. Ramesh, R. Viswanathan ve S. Ambika, Measurement and optimization of surface roughness and tool wear via grey relational analysis, TOPSIS and RSA techniques, Measurement, vol. 78, pp , [15] G. Samtaş, Optimisation of cutting parameters during the face milling of AA5083-H111 with coated and uncoated inserts using Taguchi method, International Journal of Machining and Machinability of Materials, vol. 17, no. 3, pp , [16] İ. Tekaüt, M. Günay ve U. Şeker, Optimization of cutting parameters and chip breaker form by taguchi method in turning operations, 6th International Advanced Technologies Symposium,