16 th International Materials Symposium IMSP' Oct 2016, Pamukkale University Denizli - Turkey

Transkript

1 VERMİKÜLER GRAFİTLİ DÖKME DEMİRLERE UYGULANAN DELME OPERASYONUNDA KAPLAMANIN VE UÇ AÇISININ GEOMETRİK TOLERANS DEĞERLERİNE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI THE INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF COATING AND TIP ANGLE ON GEOMETRICAL TOLERANCES IN DRILLING OPERATION ON COMPACTED GRAPHITE IRON Bahattin YILMAZ 1, Ömer BAYRAKTAR 1, Eyüp MERT 1, Gültekin UZUN 1,Abdulkadir GÜLLÜ 1 1 İmalat Mühendisliği Bölümü/Teknoloji Fakültesi/Gazi Üniversitesi/Ankara, bahattinyilmaz@gazi.edu.tr ÖZET Vermiküler Grafitli Dökme Demir (CGI) üstün mekanik özellikleri nedeniyle birçok endüstriyel uygulamada sıklıkla kullanılan malzemelerin başında gelmektedir. CGI özellikle otomotiv, savunma ve ağır makine sanayiinde tercih edilen malzemeler arasındadır. Bu çalışmada, delme işlemlerinde önemli bir yere sahip olan delik kalitesi ve ölçü tamlığı deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler sırasında kaplamalı ve kaplamasız olmak üzere iki farklı türde, değişik uç açılarına sahip toplam dört çeşit HSS matkap kullanılmıştır. Delme operasyonu kuru şartlarda, dört farklı kesme hızında ve üç farklı ilerleme değerinde gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda delik kalitesini önemli ölçüde belirleyen tolerans değerlerinden olan dairesellikten sapma, silindiriklikten sapma ve çaptan sapma incelenmiş; seçilen kesme parametrelerinin ve kesici takımların bu değerler üzerindeki etkileri ortaya konulmuştur. Anahtar kelimeler: Vermiküler grafitli dökme demir, Delinebilirlik, Ovalite, Tolerans ABSTRACT Compacted graphite iron (CGI) is one of the most widely used materials in many industrial applications owing to the superior mechanical properties. CGI material is especially preferred in automotive, defense and heavy machinery industries. In this study, hole quality and dimensional accuracy which have important places in drilling operations were experimentally investigated. During the experiments, four different HSS drills were used which were coated, uncoated and had different tip angles. Drilling operations were conducted with four different cutting speeds and three different feed rates in dry conditions. As results of the experiments performed, deviations from ovality, cylindricality and diameter were investigated which determine hole quality significantly. In addition to these, the effects of selected cutting parameters and drills on these values were exhibited. Key Words: Compacted Graphite Iron, Drillability, Ovality, Tolerance 1. Giriş İş parçalarını istenilen toleransta ve yüzey kalitesinde işlenmesi, farklı talaşlı üretim yöntemleri ile karmaşık geometrileri rahatlıkla oluşturması ve hemen hemen her türde malzemeye uygulanabilmesi talaşlı imalatı diğer imalat proseslerinin bir adım önüne taşımıştır. İş parçasından kaldırılan fazla malzeme talaş olarak adlandırılmaktadır, bu işlem için farklı şekil, geometri ve özelliklerde kesici takımlar ve takım tezgahları kullanılmaktadır [1, 2]. Delik delme en önemli talaş kaldırma işlemlerinden biridir ve talaş kaldırma işlemlerinin yaklaşık % 33 ünü içermektedir. Yine kesici takımlarla yapılan talaş kaldırma işlemlerinde harcanan zamanın %25 i delik delme işlemi olarak tezgâhta geçirilmektedir [3]. Endüstride 1965 yılından bu yana kendine yer bulan ve dökme demir ailesi içerisinde yerini alan Vermiküler grafitli dökme demir özellikle otomotiv endüstrisinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle fren diskleri, eksoz manifoltları, motor kapağı ve motor bloklar gibi parçaların yapımında tercih edilen bir malzeme olmuştur. Mukavemet özellikleri üstün olan bu malzeme, yüksek 1841

2 basınçlı yanma odalarının imalatında elverişlidir[11,12]. İnce cidarlı parça üretimine imkân sunduğu için daha hafif motor blokları üretimine imkân sağlamıştır. Tüm bu avantajları Vermiküler grafitli dökme demirin endüstride tercih edilen bir malzeme olmasını sağlamıştır. İşlenebilirlik acısından değerlendirildiğinde Vermiküler grafitli dökme demirin işlenebilirliği beyaz dökme demir ile ferritik dökme demir arasında yer almaktadır. Vermiküler grafitli dökme demirin yaygın kullanılışı işlenebilirlik çalışmalarına önem katmıştır[4,16]. Talaşlı imalatta, delme işlemlerinde arzu edilen delik kalitesinin elde edilmesi en önemli hususlardan birisidir. Matkap ile doğrudan delinmiş bir delikte, delik çapının istenen toleranslar dâhilinde ölçü tamlığını ve geometrik olarak daireselliğini sağlamak oldukça güçtür. Bu problemlerin önüne geçmek maksadıyla genellikle delik büyütme ve raybalama gibi ikincil işlemlerin uygulanması yaygındır [5]. İkincil işlem maliyetini azaltmak için son dönemlerde kendinden raybalı matkaplar geliştirilmiştir bu durum ise takım maliyetlerini artırmıştır[6]. İstenilen ölçü tamlığında ve kalitede deliklerin tek seferde üretilmesi, kesme maliyetleri acısından son derece önemlidir. Araştırmacılarda delik kalitesini etkileyen parametreler üzerine çalışmalar yaparak sorunları ve çözümlerini tespit etmeye çalışmışlardır. Delik delme operasyonlarında en önemli parametrelerden biri delik çapıdır. Delme operasyonlarında elde edilen çap istenilen çap değerinden genellikle büyük olmaktadır. Bu farkın kabul edilebilir toleranslar dahilinde kalması önemlidir[14,15]. Matkapla delinen deliklerin doğrudan kullanılmasının önünde en büyük problemlerden bir diğeri ise tam dairesel deliklerin delinmesidir. Daireselliğin önemli olduğu uygulamalarda istenilen toleransları yakalaya bilmek için raybalama gibi ikincil işlemler uygulanmaktadır. [7]. Yağmur yaptığı delinebilirlik çalışmasında farklı kesme parametreleri ve kesici takım türlerinin delik kalitesi üzerine etkisini incelemiştir. Dairesellikten sapma değerlerini ölçerek sapma için en etkili parametrenin kesme hızı olduğunu ortaya koymuştur[8]. Kıvak, çalışmasında süper alaşım Inconel 718 in kaplamalı ve kaplamasız karbür matkaplarla delinmesi esnasında kesme parametrelerinin; kesme kuvvetleri, yüzey pürüzlülüğü, delik kalitesi ve talaş oluşumu üzerindeki etkisini analiz etmiştir. Dairesellik değerlerinin düşük kesme hızı ve ilerleme miktarı kombinasyonlarında TiN ve TiAlN kaplı takımlardan alınan sonuçların daha iyi olduğu tespit edilmiştir. Artan kesme hızı ve ilerleme miktarlarında ise kaplamasız takımlardan elde edilen sonuçlar daha iyi olmuştur. [2]. Meral araştırmaların da kaplamalı ve kaplamasız matkaplar ile delik delme uygulamaları yapmıştır. Çalışmada kesme parametrelerinin ölçü tamlığı ve geometrik sapmalar üzerindeki etkileri araştırılmıştır ve optimum kesme şartları ortaya konulmuştur. Meral kaplamalı ve kaplamasız matkapların kullanıldığı çalışmasında çaptan ve dairesellikten sapma değerleri üzerindeki en önemli parametreyi kesme hızı olarak ifade etmiştir [7]. Çiçek yaptığı kriyojenik delme işleminde takım ömrü, kesme kuvvetleri ve delik çaplarında sapmaları incelemiştir. Artan kesme hızı ve ilerleme ile delik çaplarında artış görülmüştür [10]. Özkul sıcak iş takım çeliklerini kullanarak çeşitli matkaplar ile delik delme esnasında meydana gelen eksenel kuvvetler, yüzey pürüzlülüğü, ölçü tamlığı ve ovalite değerlerini araştırmıştır. Farklı matkap tiplerinin değişen kesme parametrelerinde ovalite ve çaptan sapma değerleri belirlenmiştir [9]. Bahsedilen bütün bu çalışmalar ışığında, talaşlı imalatta büyük bir önemi olan delik delme işlemlerinin son dönemlerde araştırmacılarının ilgisini çekmiştir. Delik kalitesi, dairesellikten sapma, ve ölçü tamlığı çalışmalar içerisinde karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada uygun kesme şartlarının belirlenerek üretim maliyetini artıran ikinci işlemlerin önüne geçmek hedeflenmiştir. Bu araştırma kapsamında CGI nın delinebilirliği deneysel çalışmayla ortaya konulmuştur. Yapılan deneyler kapsamında iki farklı uç açısına ( ) sahip, kaplamasız ve kaplamalı (TiN) HSS takımlar kullanılmıştır. Deneyler dört farklı kesme hızında (21-24,2-27,8-31,9 m/dak), üç farklı ilerleme (0,1-0,125-0,15 mm/dev) miktarında ve kuru işleme şartlarında gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmaların sonucunda delinen deliklerin çaptan sapma ve silindiriklik parametreleri belirlenerek incelenmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Yapılan çalışma kapsamında delme deneyleri, maksimum 6000 devir ve 7,5 kw güce sahip Johnford VMC 850 marka CNC dik işleme merkezinde gerçekleştirilmiştir. FANUC kontrol ünitesine sahip tezgâh 0,001mm işleme hassasiyetine sahiptir. Kesici takım olarak iki farklı kesme açısına sahip, kaplamalı ve kaplamasız olmak üzere dört farklı HSS matkap kullanılmıştır. Kesici takımlara ait teknik özellikler Tablo1 de verilmiştir. 1842

3 Tablo 11. Kullanılan matkaplar ve özellikleri Takım Kodu Matkap Çapı Matkap Kaplama Standart Uç Açısı Malzeme Cinsi A mm HSS - DIN A mm HSS - DIN A002 TiN 118 8mm HSS TiN DIN A022 TiN 135 8mm HSS TiN DIN Deney numunesi olarak endüstride yaygın olarak kullanılan Vermiküler grafitli dökme demir malzemesi kullanılmıştır. Deney numunesi 100x80x14 mm boyutlarında hazırlanmıştır. Delme sırasında olası yüzey hatalarından kaçınmak için deney numunelerinin yüzeyi taşlanmıştır. Numunelere dair özellikler Tablo2 de ve Tablo3 de verilmiştir. Perlitik Tablo 12. Vermiküler grafitli dökme demirin kimyasal bileşenleri (% ağırlık) C Si Mn P S Cr Ni Mo 3,82 1,804 0,337 0,031 0,015 0,074 0,013 0,002 Cu Mg Sn Ti Al Zn Bi Fe 0,879 0,014 0,092 0,0203 0,008 0,082 0,007 Kalan Tablo 13. Vermiküler grafitli dökme demirin mekanik özellikleri Özellik Değer Çekme Dayanımı (MPa) 502,7 %0.2 Akma Sınırı (MPa) 284,3 Uzama% 0,4 Sertlik (HV) 280 Darbe Dayanımı (J/cm 3 ) 8,6 Numune ölçüleri ve parça üzerinde ki delik yerleşimi Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 135. Deney numunesi ölçüleri ve delinen deliklerin yerleşimi Deneylerde kesme parametreleri olarak 21-24,2-27,8 ve 31,9 m/dak kesme hızları, 0,1-0,125 ve 0,15 mm/dev ilerleme miktarları seçilmiştir. Delme derinliği 14 mm olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmalarda elde edilen deliklerin çapları (çaptan sapma) ve ovalitesi (dairesellikten sapma) CMM (Coordinat Measuring Machine) tezgâhında hassas bir şekilde ölçülmüştür. Ölçümler sırasında Dea marka üç boyutlu CMM tezgâhı kullanılmıştır. Tezgâha dair teknik bilgiler Tablo 4 de verilmiştir. 1843

4 Tablo 14. CMM tezgâhı teknik özellikleri Ölçüm Alanı x,y,z (mm) 505, 405, 405 Ölçüm Hassasiyeti (mm) 0,001 Maksimum Ölçüm Hızı (mm/s) 8 Maksimum Yükseklik (mm) 545 Maksimum Ağırlık (kg) DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Çalışma kapsamında delinen her bir delik için çaptan sapma ve dairesellik parametreleri ayrı ayrı ölçülmüştür. Elde edilen sapma değerleri her bir kesme hızı için değerlendirilmiş ve ilerleme hızlarına bağlı kalarak grafikler oluşturulmuştur. Kaplamasız ve TiN kaplı, iki farklı uç acılarına göre dört farklı takım için ayrı ayrı eğriler belirlenmiştir Dairesellikten Sapma Değerleri Dairesellikten sapmanın kesme hızı, ilerleme ve matkap tipine göre değişimi grafikler aracılığı ile belirlenmeye çalışılmıştır. Matkapla delinmiş deliklerin dairesellikten sapmasında etkili olan parametrelerin belirlenmesi amacıyla, deneysel çalışmalarda girdi parametrelerine bağlı olarak elde edilmiş ölçümler Şekil 2 de verilmiştir. Şekil2. Dairesellikten sapma grafikleri Genel olarak bütün grafikler değerlendirildiğinde nispeten düşük kesme hızlarında kaplamalı takımların daha iyi dairesellikten sapma değerleri ortaya koyduğu görülmüştür. 21 m/dak lık kesme hızında kaplamasız takımların dairesellikten sapma değerinde 10 µm lık bir artış gösterdiği görülmüştür. 24,2 m/dak lık kesme hızında kaplamalı ve kaplamasız takımların benzer sapma değerleri gösterdiği tespit edilmiştir. Kesme hızının 21 m/dak kesme hızından 24.2 m/dak kesme hızına çıkarıldığında kesme hızı artışıyla dairesellikten sapma değerlerinin düştüğü görülmüştür m/dak lık kesme hızında 3-8(µm) arasında olan sapma değeri kesme hızı 27,8 m/dak ya çıkarıldığında 10 µm değerlerine kadar yükselmiştir. En yüksek kesme hızında ise sapma değerlerinin daha 1844

5 16th International Materials Symposium IMSP'2016 yükseldiği (0-20µm) görülmüştür. Kaplamalı takımların düşük kesme hızlarında daha düşük sapma değerleri ortaya koyduğu, artan kesme hızları ile birlikte kaplamasız takımlar ile kaplamalı takımların benzer özellikler gösterdiği gözlemlenmiştir. Dairesellikten sapma üzerinde kesme hızının önemli, etkili bir parametre olduğu görülmüştür. Kesme hızının dairesellikten sapma üzerindeki etkisi kesme hızına bağlı değişen titreşim ile ilişkilendirilmiştir. Düşük kesme hızlarında kaplamalı takımların daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Kaplamalı takımların sahip oldukları düşük sürtünme katsayısı nedeniyle kesme işlemi kolaylaşmış ve dairesellik değerleri nispeten iyileşmiştir. Kıvak yaptığı çalışmada düşük kesme hızı ve ilerleme değerlerinde kaplamalı takımların dairesellik açısından daha iyi sonuçlar verdiğini ortaya koymuştur[2]. Literatür çalışmaları incelendiğinde kesme hızının dairesellik adına önemli bir parametre olduğu görülmüştür[8,13]. Deneysel çalışmalar sonucunda 27.8 m/dak lık kesme hızı dışındaki tüm hızlarda, 1180 uç açısının dairesellik acısından 1350 uç açısına göre daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Kesici takım uç açısının etkisi özellikle küçük kesme hızlarında kaplamasız takımlarda daha belirginken kaplamalı takımlar farklı uç açılarında benzer sapma değerlerini vermiştir uç açısına sahip takımlar ile daha iyi bir batma sağlanmış ve böylece uç açısına göre daha sağlıklı sonuçlar elde edilmiştir Çaptan Sapma Değerleri Delme operasyonu sırasında çaptan sapma değerlerinin kesme hızı, ilerleme ve matkap tipi arasında ilişkinin açıklanması için Şekil 3 de verilen grafiklerden yararlanmıştır. Her bir delik için yapılan ölçümler sonucunda, belirlenen çaptan sapma değerleri ile hazırlanan grafikler yardımıyla, çaptan sapma için etkili kesme parametrelerinin belirlemesi amaçlanmıştır. Şekil3. Çaptan sapma grafikleri Grafikler genel olarak değerlendirildiğinde ölçülen sapma değerlerinin, bütün şartlarda delik çapının anma çapından büyük elde edildiği, kaplamalı takımların kaplamasız takımlara oranla çaptan sapma değerlerinin daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu duruma takım üzerindeki kaplama kalınlığının neden olabileceği düşünülmüştür. 21 m/dak kesme hızı ve 0,125 mm/dev ilerleme altında 118 takımlar değerlendirildiğinde kaplamasız takımın %35 lere varan bir üstünlüğü olduğu görülmüştür. Çaptan sapma değerlerinin sadece 27,8 m/dak kesme hızı ve 1845

6 0,1 mm/dev ilerleme değerinde 40 µm nin altına düştüğü diğer tüm kesme parametrelerinde çaptan sapma değerlerinin bu değerin üzerine çıktığı görülmüştür. Yapılan deneyler sonucunda H6, H7 ve H8 tolerans değerlerine uygun delikler delinememiştir. En yüksek kesme hızı olan 31,9 m/dak lık kesme hızında çaptan sapma değerlerinin tüm takımlarda birbirine daha yakın ve diğer kesme hızlarına oranla daha düşük olduğu görülmüştür. Bu kesme hızında çaptan sapma değerinin µm değerleri arasında değiştiği belirlenmiştir. En büyük çaptan sapma değerlerinin 118 kaplamalı takımda görüldüğü bu takım ile delinen deliklerde çaptan sapma değerlerinin 130 µm değerlerine kadar çıktığı tespit edilmiştir. Kaplamasız takımlar kıyaslandığında uç açısına sahip takımın, uç açısına sahip takıma göre daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. 4. SONUÇLAR Kesme hızı, dairesellikten sapma değerleri için önemli bir parametredir. Kaplamalı takımların dairesellik açısından daha iyi bir performans koyduğu görümüştür lik uç açısına sahip takımların dairesellikten sapma değerlerinde daha iyi performans ortaya koyduğu belirlenmiştir. Belirlenen kesme parametreleri ve takımlar ile H6,H7 ve H8 tolerans değerlerine uygun delikler delinemediği çaptan sapmanın bu aralıkların üstünde olduğu ortaya çıkmıştır m/dak lık kesme hızında çaptanm sapma değerlerinin düşük seviyeye ulaştığı görülmüştür. Bu çalışmada kaplamalı takımların kaplamasız takımlara kıyasla, daha kötü çaptan sapma degerleri ortaya koyduğu görülmüştür. 5. KAYNAKÇA [1] Şahin,Y., İmal Usulleri, Gazi Kitapevi, Ankara, (2003). [2] Kıvak, T., Inconel 718 in Delinebilirliğinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2007). [3] Tonshoff, H.L., Spintig, W., Konig, W., Neises, A., Machining of Holes Developments in Drilling Techonolgy, Annals of the CIRP, 43 (2): (1994). [4] Mert E., Yılmaz B., 5-7 Kasım 2015, Vermiküler grafitli Dökme Demirin Delinebilirliğinin İncelenmesi, 6. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Sabancı Üniversitesi, İstanbul [5] Sandvik Coromant, Modern Metal Cutting, Sandvikens Tryckeri, Sweden, 2-61, (1994) [6] Medvedeva, A., Bergstrom, J., Gunnarsson, S., Krakhmalev, P., & Nordh, L. (n.d). Influence of nickel content on machinability of a hot-work tool steel in prehardened condition. Materials & Design, 32 (2), , [7] Meral, G., AISI 1050 Malzemenin Delinmesinde Delme Parametrelerinin Kesme Kuvvetleri ve Delik Kalitesi Üzerindeki Etkisinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2010). [8] Yağmur S., Acır A., Şeker U., AISI 1050 Çeliğinin Delinmesinde Kesme Parametrelerinin ve Kaplama Uygulamasının Dairesellikten Sapma (Ovalite) Üzerindeki Etkilerinin Araştırılması, Journal of Polytechnic, Vol: 16 No: 3 pp , 2013 [9] Özkul, İ., Buldum, B.B., Akkurt, A., Dievar Sıcak İş Takım Çeliğinin Delinmesinde Kesme Parametrelerinin Kesme Kuvvetleri ve Yüzey Kalitesine Etkisinin Regrasyon Analiziyle Modellenmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1-9 (2013). [10] Çiçek A., Kıvak T., Turgut Y., Uygur İ., Ekici E., Mayıs 2011, Derin Kriyojenik İşlemin Kesme Kuvvetleri, Delik Çapları ve Takım Ömrü Üzerine Etkileri, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11),Elazığ, Türkiye [11] Cooper, K. P., Loper, C. R., Some Properties of Compacted Graphite Cast Iron, American Foundry Society Transactions, 86: (1978). [12] Melleras, E., Guesser, W.L., Boehs, L., Study of Machinability of Compacted Graphite Iron for Drilling Process, Journal of the Brezilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 26, 22-27, (2004). [13] Han-Ming Chow, Shin-Min Lee, Lieh-Dai Yang, Machining characteristic study of friction drilling on AISI 304 stainless steel Journal of Materials Processing Technology, (2008). 1846

7 [14] Endo, H., Murahashi, T., 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, Internatioanl Journal of Machine Tools & Manufacture, 47: , (2007). [15] Endo, H., Murahashi, T., 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, Internatioanl Journal of Machine Tools & Manufacture, 47: , (2007). [16] Mavi, A., Korkut, İ., Mayıs2009, Vermiküler Grafitli Dökme Demirin İşlenebilirliğinin Deneysel Olarak Araştırılması, 5. Uluslararası İleri Teknolojileri Sempozyumu, Karabük Yazışma Adresi: Ad, Bahattin YILMAZ Posta adresi, Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İmalat Mühendisliği Bölümü Yenimahalle/ANKARA Telefon numarası, adresi, BİYOGRAFİ 1991 yılında Konya nın Selçuklu ilçesinde dünyaya geldim. Lise eğitimimi Konya da Karatay S. D. M. P. Anadolu Lisesi nde başarılı bir şekilde tamamladım. Lise eğitimimin hemen ardından 2009 yılında Sakarya Üniversitesi, Makine Mühendisliği bölümünü başarılı bir şekilde 2013 yılında tamamladım. Üniversiteyi tamamladıktan hemen sonra yine 2013 yılında Gazi Üniversitesi İmalat Mühendisliği Bölümü bünyesinde Araştırma Görevlisi olarak akademik hayata ilk adımımı attım. Şuan hala aynı bölüm bünyesin de akademik çalışmalarıma devam etmekteyim. 1847