5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu [IATS 09], 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye DİK KESME İŞLEMİNDE TAKIM TALAŞ ARA YÜZEYİ SICAKLIĞININ SONLU ELEMALAR YÖNTEMİYLE MODELLENMESİ FINITE ELEMENT MODELING OF CHIP/TOOL INTERFACE TEMPERATURE IN ORTHOGONAL CUTTING PROCESS Sakıp Köksal a, *, Ergün Nart b ve Fatih Batman c a, * Sakarya Üniversitesi TEF, Sakarya, Türkiye, E-posta: skoksal@sakarya.edu.tr b Sakarya Üniversitesi TEF, Sakarya, Türkiye, E-posta: enart@sakarya.edu.tr c Sakarya Üniversitesi FBE, Sakarya, Türkiye, E-posta: fatihbatman@hotmail.com Özet Talaş kaldırma işleminde takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığının ölçülmesi işlem özelliklerinin ve/veya takım aşınma davranışının incelenmesinde büyük önem taşımaktadır. Takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığının doğrudan ölçülmesi pratik olarak çok zor olduğundan farklı birkaç teknikle dolaylı olarak gerçekleştirilmektedir. Bu noktadan hareketle, bu çalışmada sonlu elemanlar yöntemi (ABAQUS) kullanılarak, takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığının tahmin edilmesini sağlayan bir model geliştirtmiştir. Modelin geliştirtmesinde esas alınan deneysel verilerin elde edilmesinde takıma gömülmüş ısıl çift yöntemi kullanmıştır. Deneysel veriler, dik (ortogonal) tornalama yöntemiyle ST44 çelik malzemenin HSS kesici takımla işlenmesi sonucunda elde edilmiştir. Modelin geliştirtmesinde üç farklı derinlikten elde edilen deneysel veriler kullanılmıştır. Geliştirilen modelden alınan sonuçlarla deneysel veriler kıyaslandığında, takım-talaş ara yüzeyi sıcaklık dağılımının % 90 bir doğrulukla tahmin edilebildiği görülmüştür. Anahtar kelimeler: Takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığı, ısıl çift, sonlu elemanlar yöntemi Abstract It is of great importance to measure tool-chip interface temperature in analysing the properties of machining process and cutting tool behaviour. Since it is very difficult to directly measure tool-chip interface temperature in practical applications, a number of indirect techniques are used in measuring this property. Taking this difficulty into consideration, a finite element model has been developed using ABAQUS software package. The experimental data on which the model is based are obtained by means K type thermocouples embedded into the tool body at three different levels. An orthogonal turning experiment was performed on ST44 steel by using specially prepared HSS cutting tool. When the results from experimental tests are compared with that from the finite element model, it was observed that the model is able to predict tool-chip temperature with 90 % reliability. mekanik enerjinin tamamına yakını ısıya dönüşür [1, 4]. Bu sebeple, kesme bölgesinde oluşan ısı; takım ömrü, kesme kuvvetleri, talaş biçimi ve iş parçası yüzey kalitesi bakımından önemlidir [2]. İş parçasının işlenmesi sırasında oluşan ısı, kesici takımın performansını sınırlayan önemli bir faktördür. Bu durum, yüksek sıcaklıklara dayanabilen kesici takım malzemelerinin gelişmesine neden olmuştur [3]. Talaş kaldırma işlemi esnasında ortaya çıkan ısı iş parçası malzemesine, takım geometrisine, işlem türüne ve işlem parametrelerine göre farklılıklar gösterir. Talaş kaldırmada esnasında oluşan ısının % 10 40 oranında bir kısmının takıma geçtiği gösterilmiştir [4, 5]. Takım talaş ara yüzeyi sıcaklık ölçümleri 3 metotla yapılmaktadır; takım iş parçasının temasından oluşan elektromotor kuvvetin [EMK] ölçümü, ısıl çift kullanımı ve kızılötesi/termal kamera kullanımı. Ayrıca takım talaş ara yüzeyi sıcaklığının doğru ölçülmesi için yığıntı talaş oluşumu istenmeyen bir durumdur [6,7]. Sıcaklık tahmin yöntemleri olarak da, sonlu farklar ve sonlu elemanlar metodu gibi analitik teknikler kullanılmaktadır. Deneysel verilerle desteklenmeyen matematiksel modellerin geçerliliğini saptamak çok zordur [8]. Bu çalışmada st44 çelik malzemenin yüksek hız çeliği kesici takımla tornalanması işleminde takım-talaş ara yüzeyinde meydana gelen sıcaklığın sonlu elemanlar tekniğiyle modellenmesi gerçekleştirilmiştir. 2. Materyal ve Metot 2.1. Deney Numuneleri Deney çalışmaları için st44 çelik malzemeden hazırlanmış deney numuneleri kullanılmıştır. Deney numuneleri spektral analizle belirlenen kimyasal birleşimi ve mekanik özellikleri Tablo 1 ve 2 de verilmiştir. Tablo 1. St 44 malzemenin kimyasal bileşimi Key words: tool-chip interface temperature, orthogonal turning, finite element modelling %C %Si %Mn %P %S %Cr Fe 1. Giriş Talaş kaldırma işlemlerinde, malzeme plastik olarak deforme edildiği zaman, uygulanan kuvvetlerden oluşan 0,19 0,20 0,4 0,01 0,012 0,096 kalan IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Tablo 2. St 44 malzemenin termofiziksel özelikleri Akma Mukv. (N/mm 2 ) Çekme Mukv. (N/mm 2 ) % Uzama 291 424 34 40 Üniversal torna tezgahında, dik işlenecek ø 42 200 mm et kalınlığı 1,5 mm olan boyutlarında deney numuneleri hazırlanmıştır ve 15 mm boydan işlenmiştir. Deneylerde kullanılan kesici takım özellikleri Tablo 3 ve 4 te verilmiştir. Tablo 3. HSS torna kaleminin kimyasal bileşimi DIN No %C %Si %Mn %Cr %Mo %V %W %Co Şekil 1. HSS torna kaleminin ölçüleri ve bilgisayar (CAD) modeli 1,3207 1,26 0,25 0,30 4 3,6 3,2 9,3 10 Tablo 4. HSS torna kaleminin termofiziksel özelikleri Burada 3 farklı ölçü kullanılmasındaki amaç kalem üzerindeki sıcaklık dağılımının mesafelere göre bulunmasıdır. Buradan yola çıkarak bir model oluşturulmuştur. Oluşturulan modelle takım talaş ara yüzeyi sıcaklıkları bulunacaktır. 2.3. Deney Düzeneği Yoğunluk kg/dm 3 Isı İletkenliği W/(m.K) Özgül Isı J/(kg.K) Sıcaklık Genleşme katsayısı 10-6.K -1 Elastikiyet modülü N/mm 2 Kurulan sistem, takıma gömülmüş ısıl çift yöntemi kullanılarak takım talaş ara yüzeyi sıcaklığını ölçmeyi hedeflenmiştir. Şekil 2 de şematik olarak görülmektedir. 8,3 19 460 9,6 217000 2.2. Kesici Takım Takıma gömülmüş ısıl çift kullanımında, ölçüm noktasının takım talaş ara yüzeyinden uzaklığından dolayı gerçek sıcaklık ölçülememektedir. Takım talaş ara yüzeyi ile ölçülen noktası arasındaki sıcaklık farkını tahmin etmek için bir keskin kenarlı torna kalemi üzerinde 3 farklı derinlikte kör delik açılmıştır ve bu deliklerden ısıl çift [K tipi] yardımıyla ölçüm alınmıştır (Şekil1). Ölçümlerde deneylerde kullanılacak kesme şartları altında yapılmıştır. Deneylerde HSS DIN 4964 kare kesitli torna kalemleri kullanılmıştır. Şekil 2. Deney düzeneği şeması Deney düzeneği üniversal torna tezgahında dik kesme işleminde kullanılmıştır. Kesici takımlara belirlene mesafelerde kör delikler açılmıştır. Kesme işlemi esnasında kör deliklerden K tipi ısıl çift aracılıyla sıcaklıklar ölçülmüştür. Sıcaklıkların kayıt edilmesi ve bilgisayara aktarılması için HP Data toplayıcı kullanılarak ölçümler yapılmıştır. 2
a Şekil 3. Dik tornalama işlemi b Şekil 5. Takım-Talaş ara yüzeyi ve sonlu eleman modeli 2.4.1. SINIR ŞARTLARI Oluşturulan termal model ile zamana bağlı sonlu elemanlar ısı transferi analizinde yüzey ısı akısı olarak q alınmıştır. Şekil 4. Sıcaklık ölçme sistemi 2.4. Sonlu Elemanlar Analizi ve Kullanılan Model Takım ara-yüzeyinde meydana gelen ısı transferini modellemek için fiziksel şatlara uygun bir sonlu elemanlar modeli kurmak zorunludur. Şekil 1 de görüldüğü gibi HSS torna kalemi Abaqus CAE de modellenmiştir. Bu modelde kesim yüzeyine 0,2, 0,4 ve 0,6 mm yakınlıkta ısıl-çiftler için kanallar oluşturulmuştur. Kalem üzerinde kesme şartlarına bağlı olarak bir takım-talaş ara yüzeyi oluşur. Bu yüzeyin boyutları işlem sonrasında takım üzerinden belirlenebilir. Kesme esnasında takıma geçen ısı üretimi bu alan da ortaya çıkar. Modellemede bu alanın 1,5x0,3 mm ölçülerinde dikdörtgen olduğu kabul edilmiştir (Şekil 5a). Ara yüzeydeki en sıcak bölgenin kesici kenardan 0,1 mm daha içerde olduğu varsayılmıştır [3]. Dikdörtgen ara yüzlü 0,4 mm ısıl-çift yakınlıklı model ve oluşturulan tetrahedral bölüntüleme görülmektedir (Şekil 5b). Modelde 14456 adet 10 düğümlü tetrahedron eleman kullanılmıştır. Modelin malzeme tanımlanmasında HSS takım malzemesinin ısı iletim, özgül ısı, ve yoğunluk değerleri kullanılmıştır. Ck. Fs. Vk q = A ka q : Yüzey Isı Akısı ( W/m 2 ) F s : Kesme Kuvveti (3300 N) V k : Kesme Hızı (m/s) C k : İşlem-Malzeme Katsayısı (0.01) A ka :Takım-talaş ara yüzeyi alanı (m 2 ) Takım-talaş ara yüzeyi hariç diğer yüzeylerde 20 W/(C.m 2 ) ısı taşınımı tanımlanmış olup, zamana bağlı analizde başlangıç sıcaklığı için 20 C o alınmıştır. 3. Deney ve FEM Analiz Sonuçları 1. Aynı kesme şartlarında farklı noktalardan ölçülen takım talaş ara yüzeyi sıcaklıklarının karşılaştırılması Aynı kesme şartlarında, kesici takım üzerinde, talaş yüzeyine 3 farklı uzaklıktan ısıl çift metoduyla sıcaklık ölçümü yapılmıştır. Ölçülen sıcaklık değerleri Şekil 6 da verilen grafikte görülmektedir. 3
Şekil 6. Takım-talaş ara yüzeyinden 0,2 0,4 0,6 mm düşey derinlikte ölçülen sıcaklıklarının karşılaştırılması Şekil 9. Deliksiz takım üzerinde takım-talaş ara yüzeyi ve farklı derinlikler için FEM analizinden elde edilen sıcaklık verileri. Şekil 7. Delikli takım üzerinde farklı derinlikler için FEM modeliyle elde edilen sıcaklık verileri. Şekil 8. Kesici takım üzerinde FEM analizi sonucu elde edilen sıcaklık dağılımı. 3. Deney Ve FEM Sonuçlarının Karşılaştırılması ve Değerlendirme Deneysel sıcaklık verileri takım üzerine açılan deliklerden ısıl çift yardımıyla ölçülmüştür. Eşdeğer bir kesici takım modeli kullanılarak yapılan FEM analizi sonucunda elde edilen sıcaklık değerleri deneysel verilerle yüksek oranda benzerlik göstermektedir. Şekil 10. Dolu ve delikli modellere göre tahmin edilen ara yüzey sıcaklıkları. Örneğin kararlı bölge içerisinde 10. sn de elde edilen deneysel sonuçlar FEM analiz sonuçlarıyla kıyaslandığında tüm ölçüm noktaları için hata oranının en fazla % 10 olduğu hesaplanmıştır. Deneyde kullanılan takıma açılan delikler termal bariyer işlevi göreceğinden, ölçüm noktalarında ısı yoğunlaşmasına neden olacak ve bu durum gerçek takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığının tahmin edilmesinde yüksek hata oranlarına neden olacaktır [8]. Bu nedenle her iki durumu birbiriyle kıyaslamak, doğabilecek hata oranını tahmin etmek için, hem delikli hem de deliksiz/dolu takım modeli kullanarak FEM analizi yapılmıştır. Dolu model kullanımı daha doğru sonuçlar vereceğinden, takım-talaş ara yüzeyi sıcaklığı Şekil 9 da görüldüğü gibi bu model üzerinden hesaplatılmıştır. Şekil 6 da verilen deneysel verilerle Şekil 9 da sunulan FEM analizi kıyaslandığında, delikli ve deliksiz takımlar üzerindeki ölçüm noktalarında elde sıcaklıklar arasında %15-35 arasında değişen bir fark olduğu görülmektedir. Bu oran dolu takım FEM modelinin daha doğru sonuçlar vereceğini ispat eder. Şekil 10 da görüldüğü gibi, FEM analizi onucu elde edilen takım-talaş ara yüzeyi sıcaklıkları arasında yaklaşık %35 oranında bir fark bulunmaktadır. Dolu takım modeline göre yapılan FEM sonuçları, Trent [3] tarafından yapılan benzer takım, malzeme ve kesme parametrelerinin kullanıldığı deneysel takım-talaş ara yüzeyi sıcaklık verileriyle büyük oranda benzerlik göstermektedir. 4
Kaynaklar [1] GÖKKAYA, H.,Takım- Talaş Ara Yüzey Sıcaklığının Isıl Çift Yöntemiyle Ölçülmesi ve Kesici Takım ile Takım Tutucu Üzerindeki Etkilerinin Sonlu Elemanlarla İncelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara 2004 [2] ÖZÇATALBAŞ, Y., BAŞ, A., Tornalamada Hava Püskürtme İle Soğutmanın Kesme Kuvvetleri Ve Takım Ömrüne Etkilerinin Araştırılması, Metal Eğitimi Bölümü, Teknik Eğitim Fakültesi, Gazi Üniversitesi, 06500, Beş evler, Ankara [3] TRENT, E. M. 1984. Metal Cutting,2nd ed., Butterwoths, London ISBN 0-408-10856 [4] M.C. Shaw, Metal Cutting Principles, MIT Press, USA, 1996 [5] H.T. Young, T.L. Chou, Modelling of Tool/chip Interface Temperature Distribution in Metal Cutting, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 36 [10] [1994], pp 931 943. [6] I. Lazoglu, Y. Altintas, Prediction of Tool and chip Temperature in Continuous and Interrupted Machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 42 [2002], pp 1011-1022. [7] A. J. R. Smith, and E. J. A. Armarego, Temperature Prediction in Orthogonal Cutting with a Finite Difference Approach, Annals of CIRP [1981], pp 9-16 [8] E. NART, A. SAHIN, "Modeling of Thermal Stresses around a Barrier in an Infinite Strip", 4th International Advanced Technologies Symposium, Vol.2,pp.712-721, Konya, 2005, Türkiye 5