INVESTIGATING THE EFFECTS OF PROCESSING PARAMETERS OVER THE BUILT-UP LAYER AND BUILT-UP EDGE FORMATION WITH SEM DURING THE PROCESSION OF AA2014 ALLOY

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye AA2014 ALAŞIMININ İŞLENMESİ SIRASINDA İŞLEME PARAMETRELERİNİN YIĞINTI KATMAN VE YIĞINTI TALAŞ OLUŞUMU ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN SEM İLE İNCELENMESİ INVESTIGATING THE EFFECTS OF PROCESSING PARAMETERS OVER THE BUILT-UP LAYER AND BUILT-UP EDGE FORMATION WITH SEM DURING THE PROCESSION OF AA2014 ALLOY Hasan GÖKKAYA Karabük Üniversitesi, Safranbolu Meslek Yüksekokulu, Karabük, Türkiye, Özet İşleme parametreleri temel aşınma mekanizmalarında yapışma ile aşınma (Adhezyon) üzerinde etkili bir parametredir. Bu nedenle bu çalışmada, AA2014 alaşımının işlenmesi sırasında işleme parametrelerinden kesme hızı ve ilerlemenin Yığıntı Katman (Built-Up layer) ve (Built-Up Edge) oluşumu üzerindeki etkileri araştırılmıştır. AA2014 alaşımı CCGT FN-ALU geometrisine ve K10 kalitesine sahip değiştirilebilir kaplamasız sementit karbür kesici takımla bilgisayarlı sayısal denetimli (BSD) torna tezgâhında, kuru olarak işlenmiştir. Deneylerde, dört farklı kesme hızı (200, 300, 400, 500 m/min), beş farklı ilerleme hızı (0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30 mm/rev) ve sabit talaş derinliği (1.5 mm) işleme parametreleri olarak seçilmiştir. Talaş kaldırma işlemleri sonucunda, kesici takım üzerinde en fazla YK ve YT 200 m/min kesme hızı ve 0.30 mm/rev ilerleme hızında yapılan talaş kaldırma işleminde oluştuğu tespit edilmiştir. Kesme hızının artırılması YK ve YT oluşumunu azaltmış fakat YK ve YT oluşumu engellenememiştir. Anahtar Sözcükler: AA2014 alaşımı, İşleme parametreleri, İşleme,, Abstract Processing parameters are effective over adhesion and abrasion in basic abrasion mechanism.therefore, in this study, the effects of processing parameters;cutting speed and feed rate; over Built-up Layer ( BUL ) and Built-Up Edge ( BUE ) during the procession of AA2014 alloy were investigated. AA2014 alloy was processed on a Computer Numeric Control ( CNC ) in dry conditions with uncoated cemented carbide insert that has the CCGT 12040FN-ALU geometry and K10 quality. In the experiments, four different cutting speeds (200,300,400,500 m/min), five different feed rate (0.10, 0.15, 0.20,0.25,0.25,0.30) and constant depth of cut were selected as processing parameters. As the result of the experiments,it was stated that BUL and BUE were formed on cutting tool mostly in machining at 200 m/min cutting speed and 0.30 mm/rev feed rate. Increasing the cutting speed decreased BUL and BUE formation but they could not be stopped. Key Words: AA2014 alloy, Processing parameters, Processing, Built-Up Edge (BU ), Built-Up Layer (BUL). 1. Giriş Al-Cu alaşımlarından biri olan AA2014 alaşımı, genellikle talaşlı imalat yöntemleriyle şekillendirilmektedir. Tornalama işlemleri talaşlı imalatın büyük bir kısmını içermektedir. İdeal talaşlı işleme özelliklerinin sağlanmasında, malzemenin mekanik özelliklerinin yanında kesme hızı ve kesici uç geometrisi gibi işleme parametreleri etkili olmaktadır (1-3). Talaş kaldırma işlemlerinde (Tornalama) iki farklı kesme işlemi (Dik-Eğik) uygulanmaktadır. Çoğu kesme işlemleri genellikle eğik kesme işlemidir. Fakat işleme parametrelerinin etkisini belirlemek için yapılan deneysel çalışmalarda, mekanik davranışın iki boyutlu olmasından dolayı dik kesme işlemi uygulanmaktadır (4-6). Talaşlı imalatta takım ömrü üzerinde kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü v.b gibi kriterlerin yanında, genelde takım aşınması kriter alınarak belirlenir (4,7,8). Bu nedenle, kesici takımın aşınması çalışmalarında; takımın en uzun ömürle kesme yapabilmesi, araştırılması gereken en önemli konulardan biridir (9-11). Takım aşınması, kesici kenar üzerindeki yük faktörlerinin (Mekanik, Termal, Kimyasal, Aşındırıcı) kombinasyonu sonucu meydana gelir. Yük faktörleri tek başlarına takım aşınmasının belirli bir aşamasında etkili olabilirler. Genellikle yükler ayrı olarak davranmazlar, talaş kaldırma işlemi devam ettikçe yüklerin birleşimi sinerjik olarak artar (7). Talaş kaldırma sırasında kesme parametrelerine bağlı olarak oluşan sıcaklıklar, aşınma mekanizmalarının oluşma eğilimini artırır (Yapışma, Oksidasyon, Yorulma, Aşındırıcı, Difüzyon) (4,8,9). Yapışma (Adhesion) ve difüzyon aşınması mekanizmaları, kesici takım aşınması üzerinde etkili olan mekanizmalardır (12). Kesme sıcaklıklarının en geniş aralığında yapışma mekanizması oluşur. Yapışma aşınması, genel olarak iş parçası malzemesinin kesici takım yüzeyine eklenmesi şeklinde gerçekleşir (10,11,13). Takım yüzeyine yapışan iş parçası malzemeleri, sabit (durağan) değildir ve kesme esnasında üretilen yüksek kesme kuvvetleri ile takım yüzeyinden yırtılıp (kopup) uzaklaşır ve talaş kaldırma işlemi devam ettikçe tekrar takım üst yüzeyinde talaş birikmeye başlayabilir veya kesici kenardan küçük parçaların kırılıp uzaklaşmasına sebep olabilir (11,13,14). Talaşlı imalat işleminde, iş parçası malzemesi kesici takım üzerine iki şekilde yapışır/kaynaklanır. Birincisi, kesici kenar üzerine iş parçasının kaynak olması. Bu durum yığıntı talaş oluşumu olarak bilinen bir durumdur. Diğeri ise, iş parçasının kesici takım talaş yüzeyinde daha geniş bir alana yayılarak yığıntı katmanı olarak bilinen yapışma mekanizmasıdır. Bu olay çoğunlukla sünek malzemelerin işlenmesinde sıkça görülür. Şekil 1 de YT ve YK bölgeleri açıkça IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 görülmektedir. Alüminyum alaşımların işlenmesi esnasında iş parçası malzemesi ile kesici takım arasında çok güçlü bir birleşme olduğu bilinmektedir (15). Dolayısıyla bu malzemelerin işlenmesinde YT ve YK oluşumunun mutlaka dikkate alınması gerekmektedir. yüzeyleri hassas işlenmiş 10 mm kalınlığındaki numuneler üzerinde Reicherter marka Brinell sertlik ölçüm cihazında yapılmıştır. Sertlik ölçüm deneyinde 5 mm çapında bilya uç ve 125 kg yük kullanılmıştır. Malzeme sertlik değerleri belirlenirken, numunelerin dış yüzeyinden merkeze doğru yapılan 10 ölçümün ortalaması alınmıştır İşleme Parametreleri, Kesici Takım ve Takım Tutucu Beş farklı kesme hızı 200, 300, 400 ve 500 m/min olacak şekilde seçilmiştir. 0.4 mm uç radyüsüne bağlı olarak ISO 3685 de tavsiye edilen aralıkta 0.30 mm/dev ilerleme ile 1.5 mm kesme derinliği seçilmiştir. Kesici takım olarak CCGT FN-ALU geometrisine ve K10 kalitesine sahip değiştirilebilir kaplamasız karbür kesici takımlar kullanılmıştır (Şekil 2). Şekil 1. YT ve YK oluşmuş kesici takım görüntüsü Sanchez ve arkadaşları, AA2024 ve AA7050 gibi iki farklı alüminyum alaşımının kuru işlenmesi sırasında kesici takım üzerine yapışan malzemenin mikro yapısal özelliğini incelemişlerdir. Yapmış oldukları çalışma sonucunda YK ve YT oluşumuna termo mekanik mekanizmaların neden olduğunu belirtmektedirler (5,15). YK oluşumu ve kesme şartları, YT oluşumunu değiştirmektedir. YT kalınlığı, talaş kaldırdıkça kritik kalınlığa kadar artar. Bundan sonra YT plastik olarak deforme olur ve takım yüzeyine doğru uzayabilir. Bu nedenle; daha önce oluşan YK altta kalarak üzeri örtülebilir. YK ve YT ın oluşumu kesici takım geometrik formunu bozar. Kesici takım geometrisi ve etkinliğinin bozulması, iş parçası yüzey pürüzlülüğü ve ölçüsünün bozulmasına neden olur (12). Bu çalışmada, kaplamasız karbür takımla, işleme parametresi olarak dört farklı kesme hızı, beş farklı ilerleme ve sabit kesme derinliği kullanılarak, AA2014 alüminyum alaşımı malzemede talaş kaldırılmıştır. İşleme parametrelerinden kesme hızının YK ve YT oluşumu üzerindeki etkilerinin SEM vasıtasıyla belirlenmesi amaçlanmıştır. 2. Materyal ve Metod 2.1. Deney Numuneleri Deneysel çalışmalar için, AA2014-T4 alaşımı malzemeden, Ø60x600 mm boyutlarında hazırlanmış deney numuneleri kullanılmıştır. Deney numunelerinin spektral analiz ile elde edilen kimyasal bileşimi, Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Deney numunesi AA2014-T4 alaşımının kimyasal bileşimi (% Ağırlık) Si Fe Cu Mn Mg Zn Al Kalan (AA2014-T4). alaşımı, 415 N/mm 2 çekme dayanımı ve 98 BSD (Brinell sertlik) değerine sahiptir. Sertlik deneyleri, Şekil 2. Deneylerde kullanılan CCGT FN-ALU geometrisine sahip kaplamasız karbür kesici takım Deneylerde kullanılan değiştirilebilir uçlara (ISO 5608 e göre) uygun CSRNR 2525 M125 takım tutucusu kullanılmıştır. Takım tutucunun yanaşma açısı 90 dir Tezgah ve Tarama Elektron Mikroskop (SEM) Cihazı Talaş kaldırma işlemleri için 10 KW güce sahip 50 ve 3500 arasında devir ayarı yapabilen JOHNFORD T35 sanayi tipi Bilgisayarlı Sayısal Denetimli (BSD) torna tezgahı kullanılmıştır. Kesici takımlar üzerindeki YK ve YT oluşumları, JEOL JSM 6060 tipi tarama elektron mikroskobunda (SEM) incelenmiştir. 3. Bulgular Bu çalışmada, kaplamasız karbür takımla dört farklı kesme hızı, beş farklı ilerleme ve sabit kesme derinliğinde AA2014 alüminyum alaşımı malzemede talaş kaldırılmıştır. Beş farklı ilerleme değeri kullanılmasına rağmen YT ve YK nın en fazla görüldüğü 0.3 mm/rev ilerleme değerinde elde edilen SEM görüntüleri değerlendirilmiştir. Şekil 3 de AA2014 alüminyum alaşımının 200 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında işlenmesinde kaplamasız karbür kesici takım üzerinde oluşan YK ve YT ın SEM fotoğrafı görülmektedir. Şekil 3 de görüldüğü gibi YK kesici takım talaş yüzeyinde oluşurken YT ise kesici takım esas kesme kenarı boyunca oluşmuştur ve burun radyusu yakınlarında takım talaş yüzeyine doğru devam etmektedir.

3 (c) Şekil 3. AA2014 alaşımın kaplamasız karbür kesici takımla 200 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucu kesici takım üzerinde gerçekleşen YK ve YT görüntüsü a) Kesici takım talaş yüzeyi x50 büyültmeli SEM görüntüsü, b) Kesici takım üç boyutlu x35 büyültmeli SEM görüntüsü, c) YT ın kesici takım geometrisini değiştirdiği görüntü. 200 m/min kesme hızında oluşan YT, kesici takımın uç radyusu ve esas kesici kenar biçimini değiştirdiği tespit edilmiştir. Esas kesme kenarında YT ve takım talaş yüzeyinde YK oluşumu kesici takım biçimini değiştirmektedir (7,15). 300 m/min ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında oluşan YK ve YT görüntüsü Şekil 4 de gösterilmiştir. Şekil 4. AA20142 alaşımın kaplamasız karbür kesici takımla 300 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucu kesici takım üzerinde gerçekleşen YK ve YT yığıntı talaş görüntüsü a) Kesici takım talaş yüzeyinin x50 büyültmeli SEM görüntüsü, b) Kesici takım üç boyutlu x35 büyültmeli SEM görüntüsü, 300 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında oluşan YK ve YT büyüklüklerinin 200 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında oluşan YK ve YT göre azalma olduğu görülmüştür. 200 m/min de burun radyusu yakınlarında kesici takım talaş yüzeyine doğru oluşan YT oluşumu görülmemiştir. Bu durum, kesme hızının YT

4 oluşumu üzerinde etkili bir parametre olduğunun göstergesi olarak değerlendirilmiştir. Bu husus; Rubio ve arkadaşları ile Gökkaya ve Nalbant tarafından yapılan araştırma sonuçlarına uygunluk göstermektedir (15,16). Şekil 5, 400 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında AA2014 alaşımını işleme sonrasında kesici takım üzerinde oluşan YK ve YT ı göstermektedir. Şekil 5 de, YK nın yine kesici takım talaş yüzeyinde oluştuğu görülmektedir. YT ise esas kesme kenarında oluşmuştur. 200 m/min ve 300 m/min kesme hızlarında oluşan YT ve YK dan daha küçük boyutlarda oluşmuştur. Fakat YT uzayarak kesici takım talaş yüzeyine doğru yığılma yaparak uzamıştır. (c) Şekil 5. AA2014 alaşımın 400 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucu kesici takım üzerinde gerçekleşen YK ve YT görüntüsü a) Kesici takım talaş yüzeyinin x22 büyütmeli SEM görüntüsü, b) Kesici takımın üç boyutlu x35 büyütmeli SEM görüntüsü c) Kesici takım talaş yüzeyinin x50 büyültmeli SEM görüntüsü. Şekil 6, 500 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında oluşan YK ve YT ı göstermektedir. YT oluşumlarında 200, 300 ve 400 m/min kesme hızlarında oluşan YT lara göre azalma gözlenmiştir. Bu azalmanın sebeplerinin yüksek kesme hızında artan sıcaklığa bağlı olarak deforme işleminin kolaylaşması, iş parçası malzemesinin kesici kenar ve burun radyüsü çevresinde rahat bir şekilde deforme edilmesi ve yüksek sıcaklıklarda oluşan akma bölgesine (Fz) bağlı olması gibi faktörlerin olduğu söylenebilir. Kesme hızının artışına bağlı olarak oluşan sıcaklıklar, meydana gelen katmanları yumuşatır ve onların bir akma bölgesine dönüşmesine sebep olarak YK ve YT oluşumunu engeller (15,17). Yapılan deneylerdeki gözlemlere dayalı olarak YK ve YT oluşmasını engellemek (azaltmak) için 500 m/min den daha yukarı kesme hızlarında deneme yapılması gerektiği söylenebilir.

5 Şekil 6. AA2014 alaşımın 500 m/min kesme ve 0.30 mm/dev ilerleme hızında işlenmesi sonucu kesici takım üzerinde gerçekleşen YK ve YT görüntüsü a) Kesici takım talaş yüzeyinin x50 büyültmeli SEM görüntüsü, b) Kesici takım x35 büyültmeli üç boyutlu SEM görüntüsü 4. Sonuçlar Talaş kaldırma işlemi sonrasında işleme parametrelerinin kesici takım üzerinde YK ve YT oluşumlarına etkilerini belirlemek için kesici takımlar SEM ile incelenmiştir. Denenen sınırlar içerisinde deneme bulgularına göre elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir; YT, kesici takımın esas kesme kenarında oluşmuştur. Kesici takım esas kesme kenarı boyunca YT oluşumu, takımın esas kesme kenarı özelliğini değiştirmiştir. YK, kesici takım talaş yüzeyinde oluşmuştur. Düşük kesme hızında (200 m/min) oluşan YT, burun radyusu yakınlarında kesici takım talaş yüzeyine doğru devam etmiştir. AA2014 alaşımını işlemede, denenen kesme hızları içerisinde düşük kesme hızından yüksek kesme hızlarına doğru gidildikçe YK ve YT oluşması azalmış, ancak YK ve YT oluşumu engellenememiştir. AA2014 alaşımının kaplamasız karbür kesici takımla işlenmesi esnasında kesici takım üzerinde YK ve YT oluşmasını engellemek veya önlemek için 500 m/min den daha yukarı kesme hızlarında deneme yapılması gerektiği söylenebilir. Kaynaklar [1] Aydın, B. ve Özçatalbaş, Y., AA2014 Alaşımının İşlenebilirliğine Yaşlanma Süresinin Etkisi, 11. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi, syf , İstanbul [2] Trent, E.M., Metal Cutting, Tanner Ltd, London1998. [3] Özçatalbaş, Y. Aydın, B., Mekanik özellik ve kesme geometrisinin aa2014 Alaşımının işlenebilme özelliklerine etkileri Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 1, 21-27, [4] Modern Metal Cutting, Practical Handbook, Sandvik Coroman, Sweden, [5] Sanchez-Carrilero, M. Sanchez-Sola, J.M. Gonzalez, J.M. Contreras, J.P. Marcos, M., Cutting Forces Compatibility Based On A Plasticity Model. Application To The Oblique Cutting Of The AA2024 Alloy, International Journal of Machine Tools & Manufacture Vol.42 PP , [6] Şahin, Y., Talaş Kaldırma Prensipleri, 1. Cilt, Gazi Kitabevi, Ankara, [7] Carrilero, M.S. Marcos, M., J. Mech. Behav. Mater. vol. 7 (3), pp , 1996 [8] Carrilero, M.S. Bienvenido, R. Sanchez, J.M. Alvarez, M. Gonzalez, A. Marcos, M., A SEM and EDS Insight into the YK and YT Difference in the Turning Processes of AA2024 Al-Cu Alloy, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 42, pp , [9] Sanchez, J.M. Rubio, E. Alvarez, M. Sebastian, M.A. Marcos, M., Microstructural Characterisation of Material Adhered Over Cutting Tool in the Dry Machining of Aerospace Aluminium Alloys, Journal of Materials Processing Technology, vol , pp , [10] Sanchez, M. Marcos, M., Relaciones Parametricas en el Mecanizado, Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cadiz, Cadiz, Spain, [11] Kendall, L.A., Friction and Wear of Cutting Tools and Cutting Tool Material, ASM Metal Handbook, Friction, Lubrication and Wear, vol. 18, ASM International, Ohio, USA, [12] List, G. Nouari, M. Gehin, D. Gomez, S. Manaud, J.P. Le Petitcorps, Y. Girot, F., Wear Behaviour of Cemented Carbide Tools in Dry Machining of Aluminium Alloy, Wear, vol. 259, pp , [13] Boothroyd, G., Kinght, W.A., Fundamentals of Machining and Machine Tools, Marcel Dekker, New York, [14] Çakır, M.C., Modern Talaşlı İmalat Yöntemleri, Vipaş, Bursa, (2000). [15] Rubio, E.M. Camacho A.M., Sanchez-Sola, J.M. Marcos, M., Surface Roughness of AA7050 Alloy Turned Bars Analysis of the Influence of the Length of Machining, Journal of Materials Processing Technology, vol , pp , [16] Gökkaya, H. Nalbant, M., The Effects of Cutting Tool Geometry and Processing Parameters on the Surface Roughness Of AISI 1030 Steel, Materials and Design, Article in Pres, [17] Oishi, K., Mirror Cutting of Aluminium with Sapphire Tool, Journal of Materials Processing Technology, vol. 62, pp , 1996.