KESİCİ TAKIM AŞINMASI VE İŞ MALZEMESİ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ VE KESME KUVVETLERİNE ETKİSİ

Transkript

1 KESİCİ TAKIM AŞINMASI VE İŞ MALZEMESİ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ VE KESME KUVVETLERİNE ETKİSİ Yusuf ÖZÇATALBAŞ G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğt. Böl., 06500, Beşevler-ANKARA/TÜRKİYE ÖZET Talaşlı imalat işlemlerinde, işlenen parçanın yüzey kalitesi ve işleme için gerekli güç sarfiyatı önemli parametrelerdir ve bunlar takım aşınmasından doğrudan etkilenirler. Bu etkileşim, işlenen malzemenin mekanik özelliklerindeki değişimler de dikkate alınarak araştırılmıştır. Yapılan talaş kaldırma işlemlerinde, tavlama ısıl işlemleriyle mekanik özellikleri değiştirilmiş SAE 4140 çelik malzeme ve değiştirilebilir sertmetal kesici uç kullanılmıştır. Yan yüzeyi farklı miktarlarda doğal olarak aşındırılmış kesici uçlar ile tornalama yaparken, gerinim-ölçer esaslı bir dinamometre vasıtasıyla kesme ve ilerleme kuvveti ölçülmüştür. Ayrıca aynı kesici uçlarla işlenen farklı mekanik özelliklerdeki malzemelerin yüzey pürüzlülükleri ölçülmüştür. Yan yüzey aşınma miktarı ve daha çok işlenen malzemenin mekanik özelliklerindeki artış, ilerleme kuvvetini önemli miktarda arttırmıştır. Aynı zamanda, takım aşınma miktarının yüzey kalitesine olan olumsuz etkisi, mekanik özellikleri yüksek olan malzemede çok daha belirgin hale gelmiştir. Anahtar Kelimeler: Takım Aşınması, Kesme Kuvvetleri, Yüzey Pürüzlülüğü THE EFFECTS OF TOOL WEAR AND MECHANICAL PROPERTIES OF WORKPIECE MATERIAL ON SURFACE ROUGHNESS AND CUTTING FORCES ABSTRACT At the metal cutting operations, surface quality of machined materials and power consumption are important parameters which are directly affected from wearing of cutting tool. This interaction was investigated by considering various mechanical properties of machined materials. For turning operations of SAE 4140 steel, whose mechanical properties were changed by annealing heat treatment, indexable carbide 1

2 inserts were used. During the turning operation of this material by carbide inserts, which was flank worn by natural turning operations, tangential and axial forces were measured by means of a strain-gauge dynamometer. Surface roughness of the materials, which had various mechanical properties, was measured after being machined by the same carbide inserts. The axial force increased as the flank wear land increases and this force increased considerably by increasing the mechanical properties of machined materials through heat treatment. Furthermore, the negative effect of flank wear land on surface quality was more pronounced at the materials which had higher mechanical properties. Key Words : Tool Wear, Cutting Forces, Surface Roughness 1. GİRİŞ Talaş kaldırma işlemlerinde, seçilen takım geometrisi, malzeme cinsi ve kesme parametrelerine göre işleme sırasındaki güç tüketimi yaklaşık olarak hesaplanabilir, işleme sonunda elde edilecek yüzey kalitesi önceden kestirilebilir (1-4). Ancak bu önceden belirlemelerde seçilen kesici takımın geometrisi sabit olarak düşünülür. Halbuki takım aşınması gibi işleme sürecindeki değişkenler bu süreci değiştirebilir. Kesici takımdaki artan aşınma miktarı ile (özellikle yan yüzey aşınması) talaş kaldırma kuvvetleri de hızla artar ve sonuçta takım kırılabilir veya tezgah durabilir. Bununla birlikte nihai üründen beklenen yüzey kalitesi ve ölçü hassasiyeti elde edilemez (4-6). Bu etkileri araştırmak ve çözüm bulabilmek amacı ile yapılmış çalışmalar, genellikle belirli bir mekanik özelliklere sahip malzemenin işlenmesi sırasında, takımdaki aşınma miktarının işleme karakteristiklerine etkilerini araştırmışlardır (7-9). Bu çalışmalardaki kesici takımlar genellikle suni olarak aşındırıldığı (taşlama ile) için doğal aşınmış (talaş kaldırma sırasında aşınan) takımın geometrisinin etkilerini tam olarak yansıtmazlar. Çünkü talaş kaldırma sırasında yan yüzeyde genellikle abrasiv etkiyle meydana gelen aşınma oyuklarının gerek uzunlukları ve gerekse derinlikleri düzensizdir. Halbuki, taşlama işlemleri ile suni aşındırılmış yan yüzeyin profili ve aşınma oyuklarının geometrisi doğal aşınmış takıma göre çok daha düzgündür. Sonuçta, suni aşındırılmış takımlardan elde edilen veriler gerçeğe yakın kabul edilir. Bu çalışmada, ISO 3685 (10) TS (11) standardına göre farklı miktarlarda doğal olarak aşındırılmış kesici uçlar kullanılarak, SAE 4140 çelik malzemenin tornalanması sırasında oluşan kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğüne malzemenin mekanik özelliklerindeki değişkenliğin etkisi araştırılmıştır. Bu sayede, aynı kalitedeki çelik bir malzemenin ısıl işlemlerle 2

3 değiştirilen mekanik özelliklerinin ve kesici takımın aşınma miktarındaki değişkenliğin talaş kaldırma özelliklerine etkileri belirlenmiştir. 2. MALZEME VE METOT Talaş kaldırma işlemleri için, Makine Kimya Endüstrisi Kurumu mamulü sıcak haddelenmiş, 90 mm çapında SAE 4140 çelik çubuklar kullanılmıştır. Bu malzeme haddelendiği durumda dahi yüksek mukavemet ve sertliğe sahiptir. Talaş kaldırma işlemleri öncesi haddelenmiş (H) durumdaki malzemeye iki farklı soğuma hızında tavlama ısıl işlemleri uygulanarak mekanik özellikleri değiştirilmiştir. Soğuma hızı 0.4 C/dak olan numune T, soğuma hızı 1.74 C/dak olan numune ise NT olarak kodlanmıştır. Deney numunelerinin talaş kaldırma işlemleri için kullanılan en kesit derinliklerindeki mekanik özelliklerinin ortalamaları Çizelge 1 de verilmiştir. Sertlik değerleri, ısıl işlem uygulanmış numunelerin dış yüzeyinden merkezine doğru 12 mm mesafe boyunca TS 207 (12) ye göre ölçülmüş değerlerin ortalamasıdır. Diğer mekanik özellikler ise, TS 138 (13) e göre numunelerin dış yüzeyinden 12 mm derinlikte hadde doğrultusunda çıkarılıp, 5 mm çapında hazırlanan çekme numunelerinden elde edilmiştir. Burada, en yüksek sertliğe ve çekme dayanımına sahip numune H numunesidir. NT ve T numunelerine doğru sertlik ve çekme mukavemetlerinde düşüş, sünekliklerinde ise artış görülmektedir. Deney Numunesi Kodu Çizelge 1. Deney Numunelerinin Mekanik Özellikleri Akma Dayanımı N/mm 2 Mekanik Özellikler Çekme Dayanımı N/mm 2 Süneklik - %Z (Kesit Daralması) Sertlik VSD 30 H NT T Kesici takım malzemesi olarak yine talaşlı imalat endüstrisinde yaygın olarak kullanılan ve bu çeliklerin işlenmesi için uygun olan P10 kalitede sertmetal (Tungsten carbide-cobalt) değiştirilebilir, kaplamasız plaket uç kullanılmıştır. Kesici uçlar Sandvik Coromant firmasına ait ve TS 4210 a (14) uygun SPGN boyut ve toleranslarındadır. Seçilen plaket uca göre CSBPR 25x25 L 12 boyut ve toleranslarında 3

4 ISO 5610 (15) a uygun SECO firmasına ait takım tutucu kullanılmıştır. Kesici takımın geometrisi Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. Kesici Takım Açıları (Derece) ve Geometrisi Kalem Talaş Boşluk Malzemesi Açısı Açısı Ve Kalitesi Α Eğiklik Ayar Açısı Açısı λ s K r Uç Açısı ε r Uç Yarıçapı r ε (mm) P10 WC+Co Tornalama işlemleri için TEZSAN SN 50 tipi geleneksel torna tezgahı kullanılmıştır. Kesici uçlar, takım ömrü ile ilgili başka bir deneysel çalışma (16) sırasında belirli oranlarda yan yüzey ve çok az krater aşınmasına maruz kalmış (Doğal olarak aşınmış) uçlardır. Bu çalışmadaki talaş kaldırma parametreleri, takımın aşındırıldığı parametrelerle aynı tutulmuş, talaş kaldırma derinliği a=1.6mm ve ilerleme değeri f=0.24 mm/dev seçilmiştir. TS a (11) göre torna kalemlerinde tanımlanan aşınma tipleri Şekil1 de gösterilmiştir. Krater Aşınması K T VBC C B N Yan yüzey aşınma bölgeleri Şekil 1. Torna Kaleminde Meydana Gelen Aşınma Tipleri ve Aşınma Bölgeleri Tornalama kuvvetlerinin ölçümü, kesme kuvveti (F c ) ve ilerleme kuvvetini (F f ) ölçebilen iki bileşenli gerinim ölçer esaslı bir dinamometre ile yapılmıştır. Yedi farklı kesme hızında, Çizelge 3 de belirtilen oranda aşındırılmış ve yeni uçlar kullanılırken, her bir kesme hızı için 10 mm lik mesafe boyunca tornalama yapılarak F c ve F f kuvvetleri ölçülmüştür. Kesici ucun yan yüzey ve krater aşınma miktarları TS da belirtilen esaslara göre ölçülmüştür. 4

5 Çizelge 3.Kesici Uçlarda Aşınma Tipleri ve Aşınma Miktarları (mm) Kesici Uç No VB B VB C VB N K T İşlenen yüzeylerin pürüzlülüğü Mitutoyo Surftest-B marka yüzey profilometresi ile ilerleme yönünde ölçülmüştür. Profilometre iğnesi 60 uç açılı ve 12.5 m çapındadır. Pürüzlülük ölçümleri, ideal yüzey pürüzlülüğünün sağlandığı kesme hızında işlenmiş yüzeyde yapılmıştır. 3. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME Numunelerin mekanik özelliklerindeki ve kesici ucun aşınma miktarlarındaki değişimin tornalama kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğüne etkilerini değerlendirirken, Çizelge 1 deki mekanik özellikleri temsilen sertlik değerlerindeki değişimler dikkate alınmıştır. Zira Çizelge 1 den de görülebileceği gibi H, NT ve T numunelere doğru gidildikçe azalan sertlikle birlikte akma ve çekme dayanımları da azalmakta ancak süneklikleri artmaktadır Takımdaki Aşınma Miktarının Tornalama Kuvvetlerine Etkisi Şekil 2, Şekil 3 ve Şekil 4 de numunelerin sertliklerine, VBc aşınma miktarlarına ve kesme hızlarına bağlı olarak tornalama kuvvetlerindeki değişim gösterilmiştir. Her üç grafikte de düşük kesme hızlarındaki ilk yükselmeler, muhtemelen tornalanan numune sertliği ve aşınan takımın geometrisine bağlı oluşan yığıntı talaş (BUE) boyutlarındaki değişimle ilgilidir (17,18). 279 VSD sertliğindeki haddelenmiş numune yeni uçla ve farklı miktarlarda aşınmış uçlarla tornalanırken meydana gelen kesme ve ilerleme kuvvetlerinin kesme hızı ile değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir. Özellikle 50 m/dak kesme hızının üzerinde, artan kesme hızı ile birlikte her üç takım aşınma miktarı için de kesme kuvvetinde azalma eğilimi mevcuttur. Ancak VBc=0 için minimum Fc kuvveti, VBc=0.57mm için ise maksimum Fc kuvveti değerleri elde edilmiştir. Takımdaki aşınma miktarının en büyük etkisi ilerleme kuvvetine olmuştur. VBc=0 için kesme hızı - ilerleme kuvveti ilişkisi özellikle 50 m/dak kesme hızından sonra lineer hafif düşme eğiliminde görünmektedir. 5

6 Şekil 2. Takımdaki Aşınma Miktarı ve Kesme Hızının H Numunesinin Tornalama Kuvvetlerine Etkisi (f=0.24 mm/dev, a=1.6 mm) Yani kesme hızındaki artış ilerleme kuvvetini arttırmamış, aksine düşüş eğilimine sebep olmuştur. Ancak, VBc=0.34 mm ve VBc=0.57 mm aşınma miktarındaki kesici takımlarla tornalama sırasında, takımdaki artan aşınma miktarı ile birlikte ilerleme kuvvetinde de aşırı artış belirlenmiştir. Kesici takım yan yüzeyinde meydana gelen aşıma miktarı, kesme kuvvetinden çok daha fazla ilerleme kuvvetini etkilemiştir. Artan kesme hızı ile birlikte ilerleme kuvvetinde aşırı artış meydana gelmiş ve hatta kesme kuvvetinden daha yüksek değerlere ulaşmıştır. Şekil 3. Takımdaki Aşınma Miktarı ve Kesme Hızının NT Numunesi Tornalama Kuvvetlerine Etkisi (İlerleme f=0.24 mm/dev, talaş derinliği a=1.6 mm) 6

7 Şekil 3 ve Şekil 4 de NT (195 VSD) ve T (175 VSD) numunelerinin tornalanması sırasında takım aşınma miktarı ve kesme hızının tornalama kuvvetlerine etkisi gösterilmiştir. Şekil 4. Takımdaki Aşınma Miktarı ve Kesme Hızının T Numunesinin Tornalama Kuvvetlerine Etkisi ( f=0.24 mm/dev, a=1.6 mm) Her iki grafiğin kesme hızı/kesme kuvvetleri ilişkileri yaklaşık paralellik göstermektedir. Bu numunelerin mekanik özellikleri arasında aşırı farklılık olmaması, Fc ve F f kuvvetleri arasında da aşırı farklılık oluşturmamıştır. Ancak bu sertlikteki numunelerin işlenmesinde de takımdaki aşınma miktarı ve kesme hızındaki artışla birlikte ilerleme kuvvetinin de arttığı görülmektedir. Bu grafiklerdeki veriler Şekil 2 deki ile karşılaştırıldığında esas olarak tornalama kuvveti bileşenlerinden ilerleme kuvvetinin takım aşınma miktarı ile malzemenin mekanik özelliklerinden aşırı etkilendiği görülebilmektedir. Bu ilişki Şekil 5 de verilen grafikte açıkça görülmektedir. Burada, sabit kesme hızında, numune sertlikleri ve takımdaki aşınma miktarının ilerleme etkileri gösterilmiştir. VBc=0 durumu için, numunelerin sertliklerindeki değişimin ilerleme kuvvetini önemli derecede etkilemediği görülmektedir. Ancak numune sertliği sabit olmak şartıyla, takım yan yüzeyinde meydana gelen aşınmanın ilerleme kuvvetini fark edilir şekilde arttırdığı açıktır. Hem sertlik ve hem de takımdaki aşınma miktarındaki artış ise, ilerleme kuvvetindeki büyük artışın esas sebebidir. 7

8 Kesme hızı V=200 m/dak Talaş derinliği a=1.6mm İlerleme f=0.24 mm/dev Şekil 5. Takım Aşınma Miktarı ve Malzeme Sertliğinin İlerleme Kuvvetine Etkisi O halde yalnızca takımdaki aşınma miktarı değil, aynı zamanda işlenen malzemenin sertliğindeki artışın da, tornalama sırasında kesme kuvvetinden çok daha fazla ilerleme kuvvetini arttırdığı söylenebilir. Bu durum, işlenen malzemenin akma gerilmesindeki artış ile birlikte takımın aşınan bölgesine etkiyen normal ve sürtünme gerilmelerindeki artıştan kaynaklanmıştır (8,9) Takımdaki Aşınma Miktarının Yüzey Pürüzlülüğüne Etkisi Farklı mekanik özelliklerdeki numunelerin tornalanması sırasında oluşan yüzey pürüzlülüğüne, kesici takım yan yüzey C bölgesinde (VBc) meydana gelen aşınma miktarının etkisi Şekil 6 da gösterilmiştir. VBc=0 durumunda yüzey pürüzlülüğündeki değişim değerlendirildiğinde en yüksek sertlikteki H numunesi için minimum pürüzlülük değeri sağlanırken, minimum sertliğe sahip T numunesi için maksimum pürüzlülük değeri elde edilmiştir. Bu durumda numunelerin artan sertliğiyle ters orantı içinde yüzey pürüzlülüğü azalmaktadır (3,17,19). Zira, azalan sertlik ve artan süneklikle birlikte yığıntı talaş (BUE) oluşma eğilimi artar. Bu durum ise yüzey pürüzlülüğünün artışına sebep olur (3,17,18). VBc deki artışla birlikte her üç numunenin yüzey pürüzlülüğü de artmıştır. Ancak, en yüksek sertliğe sahip H numunesinin (279 VSD) yüzey pürüzlülüğündeki artış miktarı çok daha fazla olmuştur. 8

9 YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜ Ra - m Politeknik Dergisi Şekil 6. Kesici Takımdaki Aşınma Miktarının Numunelerin Yüzey Pürüzlülüğüne Etkisi Diğer NT ve T numunelerin sertlikleri ve mekanik özellikleri farkı, H numunesine göre daha azdır. Bu sebeple NT ve T numunelerin VBc/Pürüzlülük ilişkisinde yaklaşık paralellik görülmektedir ve artan VBc değeri ile düşük sertlikteki numunelerde daha fazla olmak kaydıyla pürüzlülük değerleri de artış göstermiştir. Ancak H numunesindeki bu ilişki diğerlerinden farklıdır ve artan numune sertliği ile takımdaki aşınma miktarının yüzey pürüzlülüğüne etkisi daha fazla olmuştur. H numunesinin yüksek mekanik özellikleri, kesici takımın VBc=0 durumu için diğer numunelere göre minimum yüzey pürüzlülüğünü oluşturmuştur. Bu nedenle, VBc de artan aşınma miktarının yüzey kalitesine etkisi H numunesinde daha belirgin olarak görülmüştür denilebilir. 4. SONUÇLAR Kesici takım yan yüzeyindeki aşınma miktarının ve işlenen malzemenin mekanik özelliklerinin, tornalama kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi, aşağıdaki gibi özetlenebilir. 1. Kesici takım yan yüzeyi aşınma miktarındaki (VBc) artış, talaş kaldırma kuvvetlerinden kesme ve ilerleme kuvvetlerinde de artışa sebep olur. Ancak artan kesme hızı ile birlikte ilerleme kuvvetinin takım aşınma miktarından etkileşimi kesme kuvvetinden daha fazladır. 9

10 2. İşlenen malzemelerin sertliğindeki, kesici takım yan yüzey aşınma miktarındaki ve kesme hızındaki artış, özellikle ilerleme kuvvetinin aşırı artışına sebep olur. Bu kombinasyonda en etkin faktör işlenen malzemenin sertliğindeki artıştır. 3. Kesici takım yan yüzeyindeki artışla birlikte işlenen yüzeyin pürüzlülüğünde de artış meydana gelir. Ancak bu olumsuz durumdan sertliği yüksek olan malzemeler çok daha fazla etkilenir. KAYNAKLAR 1. Boothroyd, G., Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools, McGraw- Hill, Singapore, Trent, E.M., Metal Cutting, Tanner Ltd., London, AB Sandvik Coromant, Modern Metal Cutting, Sandvik Coromant Technical Editorial Dept., Sweden, Shaw, M.C., Metal Cutting Principles, Oxford University, New York, Mills, B., Redford, A.H., Machinability of Engineering Materials, Applied Science Publishers Ltd., New York, Abeyame, S., Nakmura, S., Machinability Evaluation of Steel in Automatic Screw Machining, Machinability Testing and Utiliz. of Mach. Data, (Produc. Confer.), Redford, A.H., On-Line Asessment of Tool Wear Using Wear-Temperature Gradient Relationships, Machinability Testing and Utilization of Machining Data, (Produc. Confer.), pp , Boothroyd, G., Eagle, J.M., Chısholm, W.J., Effect of Tool Flank Wear on The Temperatures Generated During Metal Cutting, Advances in Machine Tool Desig and Research, Part 2, pp , Mesquita, R.M.D., Marques B.M.J.M., Experimental Determination of the Dynamic Shear Stress in Metal Cutting, Journal of Material Processing Technology, V 33, pp , ISO 3685-E, Tool Life Testing With Single-Point Turning Tools, Int. Standart, TS 10329, Torna Kalemleri-Ömür Deneyi, TSE, Haziran TS 207, Metalik Malzemelerin Vickers Sertlik Deneyi, TSE, Şubat

11 13. TS 138, Çekme Deneyi (Metalik Malzemeler İçin), TSE, Mart TS 4210, Sertmetal Uçlar - Lehimlenen veya Mekanik Sıkmalı, TSE, ISO 5610, Single-Point Tool Holders For Turning and Copying, For Indexable Inserts-Dimensions, Int. Standart, Özçatalbaş Y., 1050, 4140 ve 8620 Çeliklerinin Isıl İşlemle Değişen Mikroyapı ve Mekanik Özelliklerine Bağlı İşlenebilirlikleri, Doktora Tezi, G.Ü.F.B.E., Eylül Özçatalbaş Y., Isıl İşlemlerin Cr-Mo Esaslı Bir Çeliğin İşlenebilirliğine Etkisi, 10. Uluslar arası Metalurji ve Malzeme Kongresi, Mayıs 2000, İstanbul 18. Özçatalbaş Y., Düşük Alaşımlı Çelikte Yığıntı Talaş Oluşumunun İşleme Özelliklerine Etkisi, 8. Uluslar arası Mak. Tas. Ve İmalat Kongresi, ODTÜ, Kuşak, E., Savaş, M.A. ve Altıntaş, S., Otomat Çeliklerinde İşlenebilirlik, 4. Ulusal Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, Eylül, 1990, ODTÜ, Ankara 11