ORTOGONAL KESME İŞLEMİNDE KAPLAMA MALZEMESİNİN TALAŞ MORFOLOJİSİ ÜZERİNDE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi Kasım Balıkesir ORTOGONAL KESME İŞLEMİNDE KAPLAMA MALZEMESİNİN TALAŞ MORFOLOJİSİ ÜZERİNDE ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI Fuat KARA*, Kubilay ASLANTAŞ**, Adem ÇİÇEK*** Düzce Üniversitesi, Makine Eğitimi Bölümü, Düzce ** Afyon Kocatepe Üniversitesi, Makine Eğitimi Bölümü, Afyonkarahisar Düzce Üniversitesi, Makine Eğitimi Bölümü, Düzce ÖZET Bu çalışmada, AISI 316L paslanmaz çeliğin ortogonal kesme şartlarında karbür kesici takımlar ile işlenmesi sonucunda oluşan talaş şekillerinin kaplama türüne göre değişimi araştırılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar, elde edilen talaşın daha çok testere talaş formatında olduğunu ortaya koymuştur. Artan ilerleme değerine bağlı olarak talaşın minimum ve maksimum kalınlığı da artmaktadır. Bununla birlikte kaplama türünün talaşın kıvrılma yarıçapını ve talaş morfolojisini önemli oranda etkilediği sonucuna varılmıştır. Minimum kıvrılma yarıçapı Al 2 O 3 kaplı kesici takımda elde edilirken, kaplamasız kesici takımda şerit talaş oluşumu gözlemlenmiştir. Bu durum Al 2 O 3 kaplı kesici takımın düşük bir termal iletkenlik sahip olmasına atfedilmiştir. Daha düşük termal iletkenlik, talaşa geçen ısı miktarı arttıracağı için talaşın takımla temas eden yüzeyi ile üst yüzeyi arasında ısı farkı artacaktır. Bu da talaşın kıvrılma çapının azalmasına neden olmaktadır. Anahtar Sözcükler: Karbür kesici takım, Talaş morfolojisi, AISI 316L ABSTRACT In this study, variation of chip forms generated in turning of AISI 316L austenitic stainless steel with carbide cutting tools under orthogonal cutting conditions according to coating types was investigated. The experimental results indicated that the obtained chip forms were equal to saw chip forms. Minimum and maximum chip thicknesses increased depending on multiplied feed rates. Therefore, it was observed that the coating types significantly influenced curl radius of chip and chip morphology. It was also observed sliver chip formation by the uncoated cutting tools while minimum curl radius of chip was obtained by Al 2 O 3 coated cutting tools. This attributed to lower thermal conductivity of Al 2 O 3 coated cutting tools. Because lower thermal conductivity will increase heat quantity passed to chip, heat difference between contact surface of tool and chip, and chip upper surface will increase. This causes to reduce curl diameter of chip. Keywords: Carbide cutting tool, Chip morphology, AISI 316L 95

2 1. GİRİŞ Demir esaslı malzemeler arasında yer alan paslanmaz çelikler, son 25 yılda kullanımı hızla yaygınlaşan önemli bir malzeme grubudur. Paslanmaz çeliklerin mükemmel korozyon dayanımları, düşük ve yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir olmaları, kolay şekillendirilebilmeleri ve estetik görünümleri bu malzemeye geniş bir kullanım alanı açmaktadır. Bu nedenle paslanmaz çelik malzemeler birçok çalışmaya konu olmuştur. Paslanmaz çelik malzemeler arasında, çalışmalara en çok konu olanları ise AISI 304 ve 316 dır. Bu çalışmalarda kendi içerisinde işlenebilirlik, takım aşınması ve kesme parametrelerinin optimizasyonu şeklinde sınıflandırmak yanlış olmayacaktır. Hem 304 hem de 316 paslanmaz çelik malzemenin işlenebilirliği üzerine yapılan bir çalışmada [1] çok kaplamalı kesici takımlar kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, TiC/TiCN/TiN kaplanmış karbür kesici takım için elde edilen kesme kuvvetlerinin TiCN/TiC/Al 2 O 3 kaplanmış kesiciye nazaran daha düşük olduğu saptanmıştır. Umbrello vd. [2] yapmış oldukları çalışmada, AISI 316L paslanmaz çeliğin işlenmiş yüzeyindeki artık gerilme dağılımları üzerine takım geometrisi, takım kaplaması ve kesme rejiminin etkisini deneysel ve nümerik olarak incelemişlerdir. Kesme hızı, deforme olmamış talaş kalınlığı ve kesici takım uç radüsünü kapsayan kesme parametrelerindeki artışla birlikte artık gerilmelerin arttığı ifade edilmektedir. Özer ve Bahçeci [3] talaş kökü morfolojisi, kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlüğü incelemek amacıyla yaptıkları çalışmalarında, TiC+TiN, TiC kaplı sementit karbür, kaplamasız sementit karbür ve CBN kesici takımların AISI 410 martensitik paslanmaz çeliğin işlenebilirlik özelliklerine etkilerini araştırmışlardır. CBN takım en düşük kesme kuvvetlerini vermesine karşın, kısa işleme mesafelerinde takımda kırılmalar meydana gelmiştir. Kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü ve talaş morfolojisi bakımından optimum değerler TiC kaplı sementit karbür takım ile talaş kaldırma işleminde elde edilmiştir [3]. Kishawy ve Wilcox sertleştirilmiş çelik için, dairesel kesici takım ile belirli kesme parametrelerinde karbür, kaplamalı karbür ve seramik takımlar ile işlenebilirlik deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Kaplamalı karbür takımlar üstün aşınma dayanımı göstermiştir. Ayrıca azalan sıcaklığın difüzyon aşınmasını sonlandırarak abrasif aşınmayı etkin hale getirdiği görülmüştür [4]. Yüksek kesme hızı, sıcaklık ve basıncın bir arada bulunduğu metal kesme işlemleriyle ilgili kesin belirlemelerin yapılması son derece zordur. Bu amaçla kesme işlemleri ile ilgili teorik ve ampirik tanımlamalar yapılmış ve modeller geliştirilmiştir. Kalhori [5], iş parçası yüzeyindeki artık gerilmelerin bir önceki kesmeden kaynaklandığını bulmak ve bunun talaş oluşum sürecine etkilerini incelemek amacıyla gerçekleştirdiği simülasyonlar sonucunda, ikinci kesmedeki talaş oluşumu üzerinde birinci kesmedeki artık gerilme etkilerinin ihmal edilecek kadar az olduğunu ancak artık gerilmelerin ciddi bir şekilde etkilendiğini tespit etmiştir. Valiorgue ve diğerleri, AISI 316L östenitik paslanmaz çelik için kesme operasyonlarının ve artık gerilmelerin daha kesin bir sonuç alacak şekilde modellenmesinde kolaylık sağlayacak sıcaklık ve basınca bağlı olan bir sürtünme modeli geliştirmişlerdir. Geliştirilen malzeme modeli kullanılarak yapılan sonlu eleman çözümlerinden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır [6]. Bu çalışmaların yanı sıra, optimum kesme şartlarını belirlemek ve kesme işleminde kesin belirlemelerin yapılabilmesi için literatürde talaş morfolojisini inceleyen çalışmalar yer almaktadır [7-10]. Yapılan literatür araştırması sonucunda kaplamanın talaş oluşumu üzerindeki etkisinin çokta dikkate alınmadığı sonucuna varılmıştır. Bu noktadan hareketle, farklı kaplama malzemelerine sahip karbür kesici takımlar kullanılarak ortogonal şartlarda kesme 96

3 deneyleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen talaş şekillerinin kaplama malzemesiyle nasıl bir ilişkisi olduğu sorgulanmıştır. 2. MATERYAL VE METOT Bu çalışmada, AISI 316L paslanmaz çelik malzemesi iş parçası olarak seçilmiştir. Farklı kesme parametrelerinde kaplamalı ve kaplamasız olmak üzere üç farklı kesici takım kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılan kesici takımlar ISO standardına göre tek noktadan kesme yapan talaş kırıcısız ve farklı kaplama kalınlıklarında WC-Co kesici takımlar kullanılmış, üretici firmanın tavsiye ettiği kesme parametreleri sınırları içinde kalmak şartı ile bir dizi testler gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen talaşların taramalı elektron mikroskop (SEM) analizleri yapılarak talaş oluşum mekanizması ve kaplamanın etkisi ortaya konulmuştur. 2.1 İş Malzemesinin Özellikleri Deneysel çalışmada ortogonal kesme işlemi gerçekleştirebilmek için, 60,3 mm çap ve 2 mm et kalınlığına sahip AISI 316L östenitik paslanmaz çelik boru malzemesi kullanılmıştır(şekil 1). Kesme hızı, V İlerleme, f Şekil 1. Ortogonal kesme işleminde kullanılan deney numunesi Kullanılan iş parçası 165 HB sertliğinde olup; kâğıt, selüloz, suni ipek sanayi, boya endüstrisi, hastane ekipmanları ve gıda sanayinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada kullanılan 316L östenitik paslanmaz çeliğinin uluslararası geçerliliği olan (MILL TEST SERTIFICATE) malzeme sertifikasındaki kimyasal bileşimi ve fiziksel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. AISI 316L malzemesine ait kimyasal (% ağırlık) özellikler C Mn Si P S Ni Cr Mo Fe 0,017 1,50 0,520 0,029 0, ,20 16,75 2,15 67, Kesici Takım Özellikleri Talaş kaldırma işlemi sırasında kesici takım ucu olarak ISCAR firmasının üretmiş olduğu TNMA serisine ait IC20 kaplamasız karbür kesici takım, IC4028 TiCN+AL 2 O 3 +TiN kaplı karbür kesici takım ve IC428 AL 2 O 3 kaplı karbür kesici takım 97

4 olmak üzere 3 farklı kesici takım kullanılmıştır. Tablo 2 de çalışmada kullanılan her üç kesici takımın özellikleri verilmiştir. Tabloda verilen sertlik ve eğilme mukavemeti değerleri tam değerleri ifade etmemekle birlikte ISO sınıfına karşılık gelen değerlerdir. Tablo 2. Çalışmada kullanılan kesici takımların özellikleri ISO Sınıfı Sertlik (HRA) [11] Eğilme Mukavemeti (MPa) [11] Kaplama Yöntemi Kaplama Türü P05-P15 K05-K20 91,5±1, CVD Al 2 O 3 IC428 K05-K20 91, CVD TiCN+Al 2 O 3 +TiN IC4028 M10-M25 K10-K IC20 Kesici takım tutucusu olarak SANDVIK Coromant firmasının kesme işlemi esnasında 90 yaklaşma açısına sahip PTGNL 2525M16 seri numaralı takım tutucusu kullanılmıştır. Deneylerde kesici takımın aşınması sonucunda ortaya çıkan faktörleri bertaraf etmek amacıyla her bir kesme parametresi için farklı bir kesici takım/kesici kenar kullanılmıştır. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1 Talaş Morfolojisi Yapılan deneysel çalışma sonrasında elde edilen talaşların bir kısmının SEM fotoğrafları alınmıştır. Talaşların SEM görüntülerinden faydalanılarak testere talaş tipinin maksimum yüksekliği (valley), minimum yüksekliği (peak) ve adım (pitch) değerleri ölçülmüştür (Şekil 2). Şekil 2. SEM analizlerinde testere talaş geometrisi üzerinden alınan ölçümlerin geometrik tanımı 98

5 Şekil 3 te artan ilerleme değerine bağlı olarak her üç kesici takım için talaş tan alınan maksimum yükseklik değerlerinin değişimi verilmiştir. Dikkati çeken ilk nokta, elde kaplama türüne bağlı olarak maksimum yüksekliğin değişmesidir. Şekil 3 de kaplamasız karbür takım için, ilerlemenin artması ile elde edilen maksimum yükseklik değerinin lineer bir şekilde arttığı görülmektedir. Fakat aynı şekilde yer alan kaplama yapılmış takımlarda bu durum söz konusu değildir. TiCN+Al 2 O 3 +TiN kaplı kesici takımla yapılan deneylerde, düşük ilerleme hızlarındaki (0,05 ve 0,1 mm/dev) maksimum yükseklik değerleri neredeyse aynı olduğu, bu duruma paralel olarak yüksek ilerleme hızlarındaki (0,2 ve 0,3 mm/dev) maksimum yükseklik değerlerinin de çok yakın olduğu dikkati çekmektedir. Benzer durum Al 2 O 3 kaplı kesici takım içinde geçerlidir. Genel olarak bir değerlendirme yapıldığında, h 1 değerlerinin kaplamasız karbür kesici takımdan elde edilirken, minimum değerlerin ise Al 2 O 3 kaplı kesici takımdan elde edildiğini söylemek mümkündür. Şekil 3. Talaşlarda oluşan maksimum yükseklik değerinin ilerleme ve kaplama türüne göre değişimi Şekil 4 ve 5 te elde edilen talaşlardan elde edilen h 2 ve L 1 değerlerinin ilerlemeye ve kesici takım türüne bağlı olarak değişimi verilmiştir. Şekil 3, 4 ve 5 beraber değerlendirildiğinde, kaplamasız takımda elde edilen her üç büyüklük (h 1, h 2 ve L 1 ) artan ilerleme değerlerine bağlı olarak lineer şekilde artmaktadır. Fakat Al 2 O 3 kaplı kesici takım için bunu söylemek pek mümkün değildir. Özellikle h 2 değerleri artan ilerleme değeriyle farklı bir seyir izlemektedir. Ayrıca Şekil 3 ve 5 te görüldüğü üzere f=0.1mm/dev ve daha küçük ilerleme değerlerinde h 1 ve L 1 değerleri kaplamalı takımlarda daha küçük iken f=0.2mm/dev ve daha büyük ilerleme değerlerinde ani bir artış göstermektedir. Ortaya çıkan bu tablonun daha açık yorumlanabilmesi için talaş oluşumu sırasında oluşan kayma bandlarının mikroskobik incelemesinin yapılması gerekmektedir. Özellikle kaplama malzemesiyle takım talaş ara yüzeyindeki sürtünme katsayısının değişimi talaşın şeklini etkileyebileceği kuvvetli bir ihtimaldir. 99

6 Şekil 4. Talaşlarda oluşan minimum yükseklik değerinin ilerleme ve kaplama türüne göre değişimi Şekil 5. Talaşlarda oluşan adım değerinin ilerleme ve kaplama türüne göre değişimi 3.2 Kaplama Türünün ve Kesme Parametrelerinin Etkisi Kaplama türünün talaş şekli üzerindeki etkisini gözlemlemek amacıyla benzer kesme şartlarında farklı kesici takımlardan elde edilen talaş şekli Şekil 6 da verilmektedir. Şekilde dikkati çeken ilk unsur; kesici takımın kaplamalı olup olmamasının talaş şeklini önemli oranda etkilediğidir. Kaplamasız karbür kesici takımda elde edilen talaş şekli ISO 3685 standardında verilen kısa şerit talaş şekline daha çok benzemektedir. TiCN+Al 2 O 3 +TiN kaplı kesici takımla yapılan kesme işleminde talaş şekli helisel bir form alırken, Al 2 O 3 kaplı kesici takım için talaş şekli daha çok konik helisel bir forma sahiptir. 100

7 Şekil 6. Kaplamanın talaş şekli üzerindeki etkisi (V= 75m/dak, f=0,05 mm/dev) İlerlemenin etkisini daha net olarak ortaya koymak amacıyla aynı kesici takım için farklı ilerleme değerlerinde elde edilen talaş şekilleri Şekil 7, 8 ve 9 da verilmektedir. Bu üç şekilde verilen talaş şekilleri dikkatle incelenecek olursa ilerlemenin, kaplama kadar talaş şekli üzerinde belirleyici olmadığı söylenebilir. Fakat yine de talaş formunun bir miktar değişimine neden olmaktadır. Bu durum özellikle Al 2 O 3 ve TiCN+Al 2 O 3 +TiN kaplı kesici takım için daha net olarak görülmektedir (Şekil 7-8). Kaplamasız kesici takımda ilerlemenin artması, sadece deforme olmuş talaş kalınlığının artmasına neden olmuştur (Şekil 9). Şekil 7. İlerlemenin talaş şekli üzerindeki etkisi (V= 250m/dak, Al 2 O 3 ). f = 0.05 mm/dev f = 0.1 mm/dev f = 0.3 mm/dev Şekil 8. İlerlemenin talaş şekli üzerindeki etkisi (V= 150m/dak, TiCN+Al 2 O 3 +TiN). Şekil 9. İlerlemenin talaş şekli üzerindeki etkisi (V= 75m/dak, Kaplamasız). 101

8 Talaş şeklinin bu denli ciddi bir değişikliğe uğramasının altında yatan sebep; kaplamasız karbürün ve kaplama malzemelerinin sahip olduğu farklı termal iletkenlik katsayısıdır. Kullanılan takım kaplamasız olduğunda, ortaya çıkan ısının bir kısmı takıma iletilecektir. Kaplamalı kesici takım kullanıldığında ise, kaplama malzemesi takıma iletilen ısı için bir termal bariyer özelliği üstlenecektir. Bunun sonucunda, kaplamasız takıma oranla kesme esnasında ortaya çıkan ısının, büyük bir kısmı talaşa iletilecektir. Nihayetinde talaşın temas eden yüzeyi ile serbest yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı artacaktır. Bu da talaşın daha çok kıvrılmasına neden olacaktır. 3.3 Talaş Şeklinin SEM Analizi Yapılan SEM analizleri, talaş oluşumunun daha mikro boyutta incelenmesine imkân tanımıştır. Böylece, hem kesme parametrelerinin hem de kaplama türünün etkisi daha net olarak anlaşılmasına yardımcı olacaktır. Şekil 10 ve 11 de deneysel çalışmada elde edilen talaşların SEM görüntüleri yer almaktadır. Bölüm 3.1 de de belirtildiği üzere, hem düşük (V=75m/dk) hem de yüksek (V=250m/dk) kesme hızlarında elde edilen talaş şeklinin testere talaş formundadır. Fakat artan kesme hızıyla birlikte testere formu daha net olarak ortaya çıkmaktadır (Şekil 10). Bilindiği üzere artan kesme hızıyla birlikte, birinci deformasyon bölgesindeki şekil değiştirme hızı da önemli oranda artacaktır. Ayrıca artan kesme hızı birinci deformasyon bölgesindeki kayma bant genişliğinin azalmasına neden olmaktadır [12]. Bu da talaşın, bir önce oluşan talaşın üzerinden daha kolay kayarak testere formunu (Merchant ın talaş oluşumu açıklarken kullandığı kart modeli şeklini) almasını kolaylaştırmaktadır. Al 2O 3 V = 75m/dak f= 0.2mm/dev Al 2O 3 V = 200m/dak f= 0.2mm/dev Şekil 10. Kesme hızının talaş formu üzerindeki etkisi Şekil 11 de aynı kesme şartlarında farklı kesici takımlar için elde edilen talaş şekillerinin SEM fotoğrafları verilmiştir. İlk bakıldığında talaş şekilleri arasında çokta önemli bir farklılığın olmadığı görülebilir. Şekil 11 de 1 numarayla verilen yüzeyler, talaşın her bir segmentinin birbiri üzerinde kaydığı yüzeylerdir. Bir anlamda birinci deformasyon bölgesinde kaymanın meydana geldiği yüzeydir. Dolayısıyla yüzeyin paralelinde kayma izlerini görmek mümkündür. Kaplamasız takımda bu izlerin çokta net olmadığı görülebilir. Bununla birlikte birinci deformasyon bölgesindeki plastik deformasyonun bir sonucu olarak 3 numaralı bölgelerde tane yapısının değiştiği gözlemlenmiştir. İş parçasının orijinal/deforme olmamış tane yapısı 2 numaralı bölge ile gösterilmiştir. 2 numaralı bölge ile gösterilen alanlarda sünek bir kırılma/kopmanın olduğu da açıktır. 102

9 Al 2O 3/250/0.3 TiCN+Al 2O 3+TiN /250/0.3 Kaplamasız/250/0.3 3 Şekil 11. Aynı kesme şartlarında farklı kaplama türleri için elde edilen testere talaş formu 4. SONUÇ Bu çalışmada, AISI 316L paslanmaz çeliğinin kaplamasız, TiCN+Al 2 O 3 +TiN ve Al 2 O 3 kaplı karbür kesici takımlarla ortagonal şartlarda kesilmesi sonucunda elde edilen talaş morfolojisi araştırılmıştır. Kesme deneyleri sonucunda elde edilen talaş şeklinin Merchant ın kart modeli ile tanımladığı talaş şekli tüm kesme hızlarında elde edildiği görülmüştür. Artan kesme hızına bağlı olarak, testere talaş formu daha net olarak ortaya çıkarken, ilerlemenin değişimi h 1, h 2 ve L 1 değerlerinin artmasına neden olmaktadır. Mikro boyutta, kaplama malzemesinin talaş şekli üzerinde çokta etkisinin olmadığı ama makro boyutta kaplama malzemesinin talaşın kıvrılma yarıçapını önemli oranda değiştirdiği saptanmıştır. Bununda nedeninin, kaplama malzemesinin termal iletkenlik katsayısından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Düşük termal iletkenlik katsayısı, kesme esnasında oluşan ısının büyük bir kısmını talaşa iletilmesine neden olmaktadır. Bu da talaşın (özellikle küçük talaş kesitlerinde) daha çabuk kıvrılmasına neden olmaktadır. 5. KAYNAKLAR [1] ÇİFTÇİ, İ., Machining of austenitic stainless steels using CVD multi-layer coated cemented carbide tools, Tribology International, 39, , (2006). [2] OUTEIROA, J.C., UMBRELLO, D., M SAOUBIC, R., Experimental and numerical modeling of the residual stresses induced in orthogonal cutting of AISI 316L steel, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 46, , (2006). [3] ÖZER, A., BAHÇECİ, E., AISI 410 martensitik paslanmaz çeliklerin kesici takim ve kaplamasına bağlı işlenebilirliği, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 24, 4, , (2009). [4] KISHAWY H.A., WILCOX, J., Tool wear and chip formation during hard turning with self-propelled rotary tools, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 43, , (2003). [5] KALHORI, V., Modelling and simulation of mechanical cutting, PhD Thesis, Luleå University of Technology, (2001). 103

10 [6] VALIORGUE, F., RECH, J., HAMDI, H., BONNET, C., GILLES, P., BERGHEAU, J.M., Modelling of friction phenomena in material removal processes, Journal of Materials Processing Technology, 201, , (2008). [7] DAYMI, A., BOUJELBENE, M., BEN SALEM S., HADJ SASSI, B., TORBATY S., Effect of the cutting speed on the chip morphology and the cutting forces, Computational Materials Science and Surface Engineering, 1, 2, 77-83, (2009). [8] KOUNTANYA, R., Al-ZKERI, I., ALTAN, T., Effect of tool edge geometry and cutting conditions on experimental and simulated chip morphology in orthogonal hard turning of 100Cr6 steel, Journal of Materials Processing Technology, 209, , (2009). [9] LUO, J., DING, H., SHIH, A.J., Induction-heated tool machining of elastomers-part 2: chip morphology, cutting forces, and machined surfaces, Machining Science and Technology, 9, , (2005). [10] MABROUKI, T., RIGAL, J.F., A contribution to a qualitative understanding of thermo mechanical effects during chip formation in hard turning, Journal of Materials Processing Technology, 176, , (2006). [11] (Erişim tarihi: ) [12] SUTTER, G., FAURE, L., MOLINARI, A., DEIIME, A. and DUDZINSKI D., Experimental Analysis of the Cutting Process and Chip Formation at High Speed Machining, J., PHYS IV FRANCE 7, (1997). 104