Aşınmadan aynalanan hasar, gelişmiş ülelerde gayri safi milli hasılanın % 1-4 ü arasında maliyete sebep olmata ve bu maliyetin % 36 sını abrasiv aşınm

Transkript

1 TİMAK-Tasarım İmalat Analiz Kongresi 6-8 Nisan BALIKESİR RSM TEKNİĞİ UYGULANARAK DERLİN MALZEMESİNİN OPTİMUM AŞINMA DEĞERİNİN TAHMİN EDİLMESİ Aysun SAĞBAŞ 1, F.Bülent YILMAZ ve Fatih ALTINIŞIK 3 1 Mersin Üniversitesi, Maine Mühendisliği Bölümü-MERSİN asagbas@mersin.edu.tr Mersin Üniversitesi, Maine Mühendisliği Bölümü-MERSİN fbyilmaz@mersin.edu.tr 3 Mersin Üniversitesi, Maine Mühendisliği Bölümü-MERSİN fyznd@mersin.edu.tr Özet Malzemenin önemli özellilerinden biri olan aşınma; parçalar arasındai açılığın artışına, istenmeyen hareet serbestliğine ve malzeme aybına neden olduğundan, en düşü düzeye indirilmesi amaçlanır. Bu çalışmada; sahip olduğu özelliler nedeniyle, sanayide yaygın bir ullanım alanı olan Derlin malzemesinin aşınma mitarı ile süreç değişenleri (uygulanan yü mitarı ve ayma mesafesi) arasındai ilişiyi tahmin etme için aşınma tahmin modeli oluşturulmuştur. Bu amaçla; önemli istatistisel özellilere sahip merezi birleşi tasarım (Central Composite Design) uygulanmıştır. Elde edilen deney sonuçları için DesignExpert paet programı ullanılara istatistisel analizler yapılmış olup, bir optimizasyon modeli geliştirilmiştir. Sonuçta; tepi yüzeyleri ve tasarımları yalaşımı (RSM) uygulanara, geliştirilen optimizasyon modeli çalıştırılmış ve farlı istenilirli oranlarında alternatif çözümler elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: aşınma, istatistisel deneysel tasarım, RSM Abstract It is desireable to reduce wear as much as possible since wear is one of the important properties of material that results an increase in distance between the parts. In this study, wear prediction model is generated to estimate the relation of the amount of wear in Derlin material, which has a common usage area due to its having important properties betwen process variables (applied load and sliding distance). Central composite design has been carried out for this purpose since it has very good statistical properties. Statistical analysis was done for the obtained experimental data using DesignExpert software and an optimization model was developed. Finally, applying response surface and designs approach an optimization model was built. It was integrated and generated several alternative solutions with different desirability ratios. Key Words: wear, statistical experimental design, RSM 1. GİRİŞ Katı cisim yüzeyinde triboloji zorlanmalar sonucu oluşan ve istenmeyen malzeme aybı olara tanımlanan aşınma olayını etileyen ço sayıda triboloji parametrenin bulunması, aşınmayı önleme için çözüm bulmayı güçleştirmetedir. Üretim yapılan işletmelerde, maine parçalarında ortaya çıan aşınma; işgücü, zaman ve eonomi ayıplara neden olmatadır. 170

2 Aşınmadan aynalanan hasar, gelişmiş ülelerde gayri safi milli hasılanın % 1-4 ü arasında maliyete sebep olmata ve bu maliyetin % 36 sını abrasiv aşınma hasarları oluşturmatadır. OECD araştırma grubu, aşınmadan dolayı meydana gelen eonomi aybın A.B.D.'de gayrı safi milli hasılanın %.5'i, Almanya'da ise %4.5'i olduğunu belirtmiştir [1]. Abrasiv aşınma; ii yüzeyden birinin ço sert ve pürüzlü olduğu durumda yada arada sert partiüllerin bulunduğu şartlarda ortaya çıan ve ço hızlı gelişen aşınma türüdür. Aşınma çeşitli maine ve teçhizatın ullanımı sırasında işleme toleranslarının ötüleşmesine, istenmeyen malzeme aybına ve hareet serbestliğine neden olduğundan, aşınma mitarının tahmin edilmesi ve en düşü seviyeye indirilmesi onusunda ço sayıda araştırma yapılmatadır. Zhang ve ar., [] üç farlı polimeri malzeme (PE,PUR,EP-PUR) için, yapay sinir ağı (ANN) yalaşımını uygulayara malzemelerin aşınma mitarını incelemişlerdir. Budinsi [3], aşınma hızının tahmin edilmesi ile ilgili beş teori model incelemiştir. Bu modellerden ili, polimerin aşınma hızını tahmin etmeyi amaçlayan Ratner-Lanchester orelasyonu olara bilinen modeldir. Budinsi, önerilen modellerin tahmin gücünü, 1 polimeri malzeme için araştırmış ve yapılan testler sonucunda; malzemenin meani özellileri ile abrasiv aşınma direnci arasındai orelasyonun zayıf olduğunu belirtmiştir. Lin ve Chou [4], AISI 1045 çeliği için, aşınma hızı ile uygulanan yü ve ayma hızı arasındai ilişiyi tahmin edebilme amacıyla merezi birleşi tasarım (Central Composite Design) uygulamış ve en iyi tahmin modelinin iinci derece polinom modeli olduğu sonucuna ulaşmış, tahmin edilen sonuçları deneysel sonuçlarla arşılaştırmıştır. Shipway ve Ngao [5], malzemenin aşınma davranışının ve hızının riti olara polimer tipine bağlı olduğunu belirtmiştir. Rajesh ve ar. [6], farlı poliamid malzemeleri (PA 1, PA 4 ve PA 10) için yaptıları araştırmada; CH /CONH oranının abrasiv aşınma performansı üzerinde önemli bir etiye sahip olduğunu gözlemlemiş ve spesifi aşınma hızının, malzemenin bazı meanisel özellileri ile iyi bir orelasyona sahip olduğunu belirtmişlerdir. Ünal ve aradaşları [7], tarafından yapılan çalışmada; alifatipolieton (APK), poliosimetilen (POM), ultrayüsemoleül ağırlılı polietilen (UHWPE), poliamid 6.6 (PA6.6) ve %30 cam lifi uvvetlendirilmiş polihenilensülfit (PPS) mühendisli polimerleri oda sıcalığında, pin on dis test cihazında, 1 m/sn ayma hızı, 10 N yüleme ve 50, 100, 150 ve 00 metre ayma mesafesinde incelenmiş olup, tüm malzemelerin aşınma hızının artan aşınma mesafesi ile lineer bir şeilde arttığı sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışmada; uygulanan yü ve ayma mesafesi değişenleri ile aşınma mitarı arasındai ilişinin ve optimum aşınma değerinin tahmin edilebilmesi için tepi yüzeyleri ve tasarımları yalaşımı ile uygun regresyon modeli oluşturulmuştur. Bu amaçla Derlin malzemesi ullanılara, merezi birleşi tasarım uygulanmış olup, elde edilen sonuçlar için DesignExpert (ver. 6.0) programı ile istatistisel analizler yapılmıştır. Uygun model seçimi için F testi yapılara varyans analizi (ANOVA) tablosu oluşturulmuştur. Seçilen modelin uygunluğunun ve yeterliliğinin test edilmesi için uyum esiliği testi (Lac of Fit Test), sapma analizi (Residual Analysis) ve normalli testi yapılmış olup, optimum işlem oşulları belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, üç boyutlu tepi yüzeyleri ve izdüşüm grafileri şelinde gösterilmiştir.. DENEYSEL PLAN Yapılan araştırmada; Derlin malzemesinin abrasiv aşınma davranışının deneysel olara modellenebilmesi amacıyla, 16x9x8 mm ölçülerinde didörtgen esitli deney numuneleri hazırlanmış olup, deneylerde P 0 Grand mara aşındırıcı ağıt ullanılmıştır. Aşınma mitarı; ağırlı aybı esasına göre ölçülmüş olup, oluşan ağırlı ayıplarını ölçme için 0.01 gr hassasiyetinde ve 1500 gr tartma apasiteli eletroni terazi ullanılmıştır. Deneyler, mil çapı 40 mm ve uzunluğu 400 mm olan AT 80 tipi bir torna tezgahında gerçeleştirilmiş olup, deney düzeneği şemati olara şeil 1. de gösterilmiştir. Yapılan araştırmada; önemli istatistisel özellilere (Rotatibility ve orthogonality) sahip merezi birleşi tasarım uygulanmış olup, ii değişen için merezi birleşi tasarım, tasarım matrisi olara şeil. de gösterilmiştir. 171

3 Şeil 1. Deney Düzeneği ve Numunenin Bağlanması (0, α ) (-1,1) (1,1) (-α,0) 0,0 (α,0) (-1,-1) (0,- α ) (1,-1) Şeil. İi Değişen İçin Merezi Birleşi Tasarım Merezi birleşi tasarımlarda ii önemli paramtre; merez notalarının sayısını ifade eden n c ve tasarım merezinden esenel notaların uzalığı gösterenα değerleridir. Tasarımın döndürülebilirli özelliğine sahip olması için : parametre sayısı olma üzere, α olara alınır. Döndürülebilirli; iinci derece modellerde ilgilenilen bölgede, tasarım merezinden eşit uzalıtai tüm notalarda tepi değerinin tahmin varyansının eşit olmasını sağlar [8]. Kayma mesafesi ve uygulanan yü değişenleri için merezi birleşi tasarım (CCD) matrisi, odlanmış ve gerçe değişenler şelinde çizelge 1. de verilmiştir. = Çizelge 1. Uygulanan Yü ve Kayma mesafesi İçin Merezi Birleşi Tasarım Matrisi Fatör seviyeleri Fatörler En Düşü Düşü Merez Yüse En Yüse (-1.414) (-1) (0) (1) (1.414) X 1: Uygulanan Yü (N) X : Kayma Mesafesi (m)

4 3. TEPKİ YÜZEYİ METODOLOJİSİ (RSM) RSM; tepi (response) değişenine eti eden ço sayıda değişenin olması durumunda; problemlerin analiz edilmesinde ve modellenmesinde ullanılan istatistisel tenilerin ve matematisel ifadelerin birleşimidir. Yeni ürünün formülasyonunda, var olan ürün tasarımının iyileştirilmesinde, süreç optimizasyonuında, sürecin geliştirilmesinde ve iyileştirilmesinde yaygın olara ullanılır [9]. Tepi yüzeyleri metodu için işlem aışı şeil 3. de verilmiştir. Optimum bölge Süreç için çalıştırılabilirli bölgesi İyileştirme Yolu Mevcut çalışma oşulları Şeil 3. Tepi Yüzeyleri Metodu İçin İşlem Aışı [9] Tepi yüzeyleri ve tasarımları yalaşımında merezi birleşi tasarımların ullanılması durumunda iinci derece modeller daha uygun olmatadır. İinci derece bir polinom modeli, en genel şeliyle eşitli 1. de gösterilmiştir. y Bu eşitlite; = j j jj j y = tepi değişeni β β, β,..., =, 1 β + β x + β x + β xx + ε 0 ij i j (1) j= 1 j= 1 i< j= β 0 bilinmeyen regresyon parametreleri x i, x j = süreç (arar) değişenleri ( i 1,,..., = ε hata terimi ile gösterilir. = ) ve (j= 1,,3,...) Yapılan çalışmada; uygun tasarımın seçilmesinden optimum işlem oşullarının belirlenmesine adar olan işlem aışı şeil 4. de verilmiştir. 173

5 Tepi ve Süreç Değişenlerinin Belirlenmesi Süreç Optimizasyonu Tasarımı (Central Composite Design) Aşınma Tepi Yüzeyi Modeli Uydur Model Yeterli mi? H E Önemli Model İstatistilerinin Belirlenmesi Optimizasyon Modelinin Oluşturulması Optimum İşlem Koşullarının Belirlenmesi Şeil 4. Optimizasyon Yalaşımı İçin İşlem Sırası 4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE BULGULAR 4.1. Tepi Yüzeyi Tasarımı Deney Sonuçları Derlin malzemesinin aşınma mitarını minimum yapan süreç değişenlerinin değerinin belirlenmesi amacıyla merezi birleşi tasarım uygulanmış olup, sonuçlar çizelge. de verilmiştir. Çizelge. Uygulanan Merezi Birleşi Tasarım Deney Sonuçları Deney No Kodlanmış değişenler Gerçe değişenler Tepi değişeni X 1 X ξ 1: Yü (N) ξ :ayma mesafesi(m) y (gr) aşıınma Elde edilen deney sonuçları için DesignExpert paet programı [10] ullanılara istatistisel analizler yapılmış olup, en uygun regresyon modeli oluşturulmuştur. 174

6 4.. Tepi Yüzeyi Deneyinin Analizi Aşınma regresyon modelinin seçiminde alternatif modellerin analizi tablosu incelenmiş ve F testi yapılara en uygun modelin eşitli. de verilen lineer regresyon modeli olduğu görülmüştür. ya sinma X = 0 X () Kodlanmış değişenler ullanılara, seçilen aşınma regresyon modeli için uygulanan yü ve ayma mesafesi ile aşınma mitarı arasındai izdüşüm grafiği şeil 5. de verilmiştir Aşınma Mitarı Kayma Mesafesi Uygulanan Yü Şeil 5. Uygulanan Yü ve Kayma Mesafesi İle Aşınma Mitarı Arasındai Tepi Yüzeyi Grafiği Şeil 5. incelendiğinde, Derlin malzemesinin aşınma mitarını minimum yapan sonuç (en iyi sonuç) düşü yü mitarı ve üçü ayma mesafelerinde çalışıldığı zaman elde edilmetedir. Yapılan çalışmanın bir sonrai adımında, geliştirilen optimizasyon modeli çalıştırılara, optimum işlem oşulları belirlenmiş ve alternatif çözüm önerileri çizelge 3. de verilmiştir. Alternatif Çözümler Çizelge 3. Optimum İşlem Koşulları Tepi Değişeni Süreç Değişenleri y (gr) ξ aşıınma 1: Uygulanan Yü (N) ξ :ayma mesafesi (m) y min aşıınma y range a sinma ( ) Çizelge 3. incelendiği zaman, malzemenin aşınma mitarının minimum olabilmesi için 10 N yü ve 11 metre ayma mesafesinde çalışılması gereiren, aşınmanın belli değerler (

7 0.4) arasında olması istendiğinde ise; N ve metre ayma mesafesinde çalışılması geretiği görülmetedir. 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Bu çalışmada; Derlin malzemesinin aşınma mitarını minimum yapan süreç değişenlerinin değerinin belirlenmesi amacıyla merezi birleşi tasarım uygulanmış olup, geliştirilen optimizasyon modeli DesinExpert paet programı ullanılara çalıştırılmış ve düşü yü ve ayma mesafesi oşullarında çalışılması durumunda; aşınma mitarının minimum olacağı sonucuna ulaşılmıştır. İleride yapılaca benzer çalışmalarda; aynı süreç değişenleri için malzemenin aşınma hızını minimum, sertli değerini masimum yapan çolu bir optimizasyon modeli geliştirilebilir. Ayrıca, aynı malzeme için farlı test cihazları ve yapay sinir ağları ve geneti algoritma gibi diğer optimizasyon tenileri ullanılara minimum aşınma mitarı incelenere elde edilece sonuçlar arşılaştırılabilir. 6. KAYNAKÇA [1] SARI, N.Y., AKAY, S., KALUÇ, E., Aşınmayı Önlemede Etili YöNemler: Isıl Püsürtme, Mühendis ve Maine, cilt: 38, sayı: 448, [] ZHANG, Z., BARKOULA, N.M., KERGER-KOCSİS, J., FRİEDRİCH, K., Artificial Neural Networ predictions on erosive wear of polymers, Wear, 55, , 003 [3] BUDİNSKİ, K.G,. Resistance to particle abrasion of selected plastics, Wear, 03-04, , 1997 [4] LİN J.F., CHOU C.C., The response surface method and the analysis of mild oxidational wear, Tribology, 35, , 00 [5] SHİPWAY, P.H., NGAO, N.K., Microscale abrasive wear of polymeric materials. Wear, 55, , 003 [6] RAJESH, J.J., BİJWE, J., TEWARİ U.S., Abrasive wear performance of various polyamides Wear, 5, , 00 [7] ÜNAL, H., SEN, U., MİMAROĞLU, A., Abrasive wear behaviour of polimeric materials, Materials &Design, 6, , 005 [8] MYERS, R.H., MONTGOMERY, D.C., Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments (nd edition), John Wiley & Sons Inc, New Yor, (00) [9] MONTGOMERY, D.C., Design and Analysisi of Experiment, John Wiley&Sons Inc, New Yor, (00) [10] Stat-Ease, Inc., DesignExpert (Ver. 6.0), 176