Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 10, No: 3, 2013 (1-6) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 10, No: 3, 2013 (1-6) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların Kesme Kuvvetleri ve Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkisi Ahmet MAVİ *, İhsan KORKUT ** * Gazi Üniversitesi Ostim MYO Elekt. ve Oto. Böl., Ankara/TÜRKİYE ** Gazi Üniversitesi Teknoloji Fak. İmalat Müh. Böl., Ankara/TÜRKİYE amavi@gazi.edu.tr Geliş Tarihi: 05.11.2013 Kabul Tarihi: 12.02.2014 1. GİRİŞ Özet Bu çalışmada, Ti-6Al-4V titanyum alaşımının işlenmesinde kesme parametreleri ve kesici takıma uygulanan işlemin; kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü üzerine etkileri araştırılmıştır. Kesici takımların bir kısmı -145 0C 0 de 24 saat kriyojenik işleme tabi tutulmuştur. Kriyojenik işlem uygulanmış ve uygulanmamış kaplamasız tungsten karbürlerin kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü üzerine etkileri incelenmiştir. İşlenebilirlik deneyleri, ıslak kesme şartlarında dört farklı kesme hızında (30, 45, 60, 75 m/ dak), üç farklı ilerleme hızında (0,20 0,25 ve 0,30 mm/dev) ve 1 mm kesme derinliğinde gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda; kriyojenik işlem uygulanmış kesici takımların kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğü açısından işlem görmemiş takımlara göre daha iyi sonuç verdikleri görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Ti-6Al-4V, Kriyojenik Proses, Kesme Kuvveti, Yüzey Pürüzlülüğü The Effect of Cryogenically Treated Tungsten Carbide Tools on Cutting Forces and Surface Roughness Abstract In this study, the effects of the treatment (applied to cutting parameters and cutting tool) on the cutting forces and surface roughness were investigated. Part of the cutting tools was subjected to cryogenically treatment at -145 0 C for 24 hrs. The effects of cryogenically treated and untreated tungsten carbides (uncoated) on the cutting forces and surface roughness were investigated. Machinability tests were carried on wet condition at four different cutting speeds (30-45- 60-75 m/min), three different feed rates (0, 20-0, 25 and 0, 30 mm/rev), and at 1 mm cutting depth. At the end of the tests; cryogenically treated cutting tools gave better results compared to untreated tools from the aspect of wear behavior, cutting forces and surface roughness. Keywords : Ti-6Al-4V, Cryogenic process, Cutting Forces, Surface Roughness Titanyum ve alaşımları yüksek dayanım, ısı ve korozyon direncine sahiptir. Titanyumla birlikte alaşım elementi olarak alüminyum, vanadyum, zirkonyum ve diğer elementler kullanılmaktadır. Titanyum alaşımlarının yüksek dayanıma sahip olması nedeniyle uçak motor ve gövdelerinde kullanılan birçok parçanın imalatında kullanılmaktadır. Aynı zamanda, korozyon ve yorulma dayanımları oldukça yüksektir [1-3]. Bu alaşımlar, talaşlı imalat esnasında, yüksek sıcaklıklarda dahi sahip oldukları özellikleri Bu makaleye atıf yapmak için Mavi, A., Korkut İ., Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların Kesme Kuvvetleri ve Yüzey Pürüzlülüğü Üzerine Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2013, (10) 1-6 How to cite this article Mavi, A., Korkut İ., The Effect of Cryogenıcally Treated Tungsten Carbıde Tools on Cuttıng Forces and Surface Roughness Electronic Journal of Machine Technologies, 2013, (10) 1-6
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 1-6 Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların korumaktadırlar. Dolayısıyla, titanyum alaşımları genellikle işlenmesi zor malzeme grubunda yer almaktadır. Farklı özelliklere sahip olan bu alaşımlar içerisinde, endüstriyel uygulamalardaki yaklaşık %60 lık kullanım alanıyla, en büyük payı Ti-6Al-4V alaşımı almaktadır [4,5]. İşlem anında ortaya çıkan çok yüksek sıcaklıklarda titanyum alaşımı mukavemetini korurken, kesici takım bu yüksek sıcaklık ve basınç altında mukavemetini yitirebilmektedir. Yüksek sıcaklıklarda kesici takım malzemesiyle reaksiyona girme eğilimleri ve kesici takım ucuna yapışmalar gibi nedenler, işlemin maliyetini ve verimliliğini önemli derecede etkilemektedir [6-8]. Bu bakımdan, bu malzemelerin işlenmesinde uygun işleme şartlarının araştırılması önemlidir. Kriyojenik işlem, genellikle yüksek aşınmaya maruz kalan malzemelerde aşınma direncini arttırma amacıyla uygulanan ısıl işlemi tamamlayıcı bir işlemdir. Sıfır altı işlem olarak da bilinmektedir. Kaplamaların aksine parçanın tüm bölümünü etkileyen, bir kereye mahsus yapılan ucuz ve kalıcı bir işlemdir. Bu yöntem ile geleneksel ısıl işlem uygulanmış malzeme içerisindeki kalıntı östenitin martenzite dönüşmesi, ince karbür çökeltilerinin oluşumu ve homojen karbür dağılımı sağlanmaktadır. Böylece malzemelerin sertlik ve aşınma direnci gibi mekanik özelliklerinde ciddi iyileşmeler elde edilmektedir. Önceleri kalıp malzemelerine uygulanan kriyojenik işlem günümüzde işlenebilirlik çalışmalarında kesici takımlara uygulanarak, takım aşınması ve kesme şartlarının iyileşmesi yönünde ciddi gelişmeler sağlanmıştır[9-12]. Kesici takım, titanyumun işlenmesi için kesici takım firmaları tarafından önerilen ve literatür çalışmaları ışığında seçilmiştir. Titanyum alaşımlarının işlenmesinde kaplamasız tungsten karbür takımlar genel amaçlı talaş kaldırma işlemlerinde 45 m/dak dan daha yüksek kesme hızlarında yaygın olarak kullanılmaktadır [7,13]. Bu nedenle deneylerde kaplamasız tungsten karbür takımlar tercih edilmiştir. Bu çalışmada; kesme parametrelerinden kesme derinliği, kesme hızı ve ilerlemenin farklı kombinasyonlarının, Ti-6Al-4V alaşımının ıslak kesme şartında kriyojenik işlem uygulanmış ve uygulanmamış kaplamasız tungsten karbür takımlarla tornalanmasında; kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri incelenmiştir. 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1 Malzeme Deneylerde, titanyum alaşımlarından AMS 4928özelliklerine sahip Ti6Al4V alaşımı kullanılmıştır. Malzemenin kimyasal bileşenleri Çizelge 1 de, fiziksel özellikleri Çizelge 2 de verilmiştir Tablo 1. Ti-6Al-4V Alaşımının kimyasal bileşimi (wt%) N C H Fe O Al V 0.08 2.0 0.75 0.045 0.03 16.0-18.0 10.0-14.0 Tablo 2. Ti-6Al-4V Alaşımının mekanik özellikleri Çekme Dayanımı Akma Dayanımı Sertlik, Rockwell C % Uzama 900-1100 MPa 830 MPa 36 10 2.2 İşlenebilirlik Deneyleri Deneyler Gazi Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İmalat Mühendisliği Laboratuarlarında bulunan Johnford TC35 CNC Torna tezgahında, dört farklı kesme hızı (30, 45, 60, 75 m/dak), üç farklı ilerleme (0,20-0,25-0,30 mm/dev) ve 1 mm kesme derinliğinde gerçekleştirilmiştir. Deneylerde, SANDVİK Coromant firmasına ait kaplamasız tungsten karbür uçlar kullanılmıştır. Bu uçların yarısı karşılaştırma yapmak amacıyla kriyojenik işleme tabi tutulmuştur. Yapılan kriyojenik işleme ait işlem basamaklarını gösteren grafik Şekil 1 de verilmiştir. Deneyler ıslak kesme şartlarında yapılmıştır. Soğutma sıvısı olarak Q8 BARANI XCI-H yarı sentetik emülsiyon (%10 Brix) kullanılmıştır. Soğutma sıvısı kesici takım firmalarının önerileri ve literatürde yapılan çalışmalar baz alınarak seçilmiştir. 2
Mavi A., Korkut İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 1-6 Şekil 1. Kesici takımlara uygulanan kriyojenik proses işleminin şematik gösterimi 3. DENEYSEL SONUÇLAR 3.1. Kesme Kuvvetlerinin Değerlendirilmesi Şekil 2 de kesme hızı, ilerleme hızına bağlı olarak kriyojenik proses uygulanmış ve uygulanmamış kesici takımlar için esas kesme kuvvetindeki değişim görülmektedir. Şekilden anlaşıldığı üzere kesme hızının artmasıyla esas kesme kuvvetinde bir düşüş gözlenmektedir. Bu eğilimin her iki kesici içinde aynı olduğu anlaşılmaktadır. Bu durumun başlıca nedeni, talaşlı imalat işlemlerinde kullanılan güç çoğunlukla kayma düzleminde, kesici uç çevresinde ısıya dönüşür. Kayma düzleminde oluşan ısının büyük bir bölümü talaşla atılır, ancak belli bir miktar ısı iş parçasına iletilir. İletilen bu ısı iş parçasının sertliğini azaltır. Sertlik azaldığında süneklik artacağından iş parçasından talaş kaldırmak kolaylaşır. Ancak bu ısı geçişi daha da artarsa BUE eğilimi başlayacağından, kesme kuvvetlerinde değişiklikler olabilir [12-14]. Şekil 2. Kesme hızı, ilerleme hızı ve kesici takıma uygulanan işlemlere bağlı olarak esas kesme kuvvetlerindeki değişim 3
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 1-6 Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların İlerleme miktarı tarafından oluşturulan, talaş kesit alanı esas kesme kuvvetini belirleyen en önemli faktördür. Dolayısıyla ilerlemedeki artışla beraber kesme kuvvetlerinin artması beklenen bir eğilimdir. Şekilden de anlaşıldığı gibi ilerleme miktarının artmasıyla esas kesme kuvvetlerinde de bir artış gözlenmiştir. İlerleme miktarının artmasıyla esas kesme kuvvetindeki artış eğilimi bu çalışmada da gözlenmiştir ve bunun nedeni artan ilerleme miktarına bağlı olarak artan talaş kesitine atfedilmiştir [15]. Kriyojenik işlem uygulanmış kesici takımlarda esas kesme kuvvetleri, kriyojenik işlem uygulanmamış kesici takımlara göre daha düşük çıkmıştır. Bu durum, kriyojenik işlem uygulanmış kesici takım ucunda oluşan ısının düşük olması ve kesici kenarın daha az aşınmaya maruz kalmasıyla açıklanabilir. Esas kesme kuvvetleri açısından en iyi sonuç kriyojenik proses uygulanmış kesici takımlarda, 75 m/dak de ölçülmüştür. 3.2 Yüzey Pürüzlülüğünün Değerlendirilmesi Şekil 3 te kesme hızının artmasıyla yüzey pürüzlülükleri önce düşmüş ancak özellikle 0,25, 0,30 mm/dev ilerleme hızlarında kesme hızı 60 m/dak seviyesini geçtikten sonra yüzey pürüzlülüğünü olumsuz olarak etkilemiş ve ani bir artış göstermiştir. Kesme hızının artması ile iyileşen yüzey pürüzlülüğü, yüksek hızlarda artan sıcaklığa bağlı olarak, deformasyon işleminin kolaylaşması, iş parçası malzemesinin, kesici kenar ve uç radyüsü çevresinde rahat bir şekilde deforme edilmesi ve bu yüksek sıcaklıklarda oluşan akma bölgesine bağlı olarak açıklanabilir [14,16]. Kesme hızının 60 m/dak ya çıkmasıyla artan yüzey pürüzlülüğü, kesme hızının artmasıyla kesici takımda meydana gelen aşınmalara atfedilmiştir Artan aşınma ile kesici takım sahip olduğu geometriyi koruyamamakta bunun sonucu olarak artan sürtünme yüzey kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Şekil 3. Kesme parametrelerine göre ortalama yüzey pürüzlülüğündeki değişim Artan ilerleme miktarları ile bütün kesme hızlarında ortalama yüzey pürüzlülüğünün arttığı Şekil 3 te açıkça görülmektedir. İlerleme miktarının 0,20 mm/dev den 0,25 mm/dev e çıkması ile ilerlemedeki %25 lir artışa karşılık elde edilen yüzeylerin pürüzlülük değerinde % 35 lik bir artış, yine ilerleme miktarının 0,20 mm/dev den 0,30 mm/dev e çıkması ile ilerlemedeki %50 lik artışa karşılık yüzey pürüzlülüğünde % 55 lik bir artış tespit edilmiştir. İlerleme miktarının artmasıyla ortalama yüzey pürüzlülüğündeki oluşan bu artış literatürdeki çalışmalarla paralellik göstermektedir [17-19]. 4
Mavi A., Korkut İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 1-6 Kriyojenik işlem uygulanmış kesici takımlarda ortalama yüzey pürüzlülüğü, kriyojenik işlem uygulanmamış kesici takımlara göre daha düşük çıkmıştır. Talaşlı imalatta yüzey pürüzlülüğünün artmasında en önemli etken, kesici takımın zamanla aşınmasıdır. Artan aşınma ile kesici takım sahip olduğu geometriyi koruyamamakta bunun sonucu olarak artan sürtünme yüzey kalitesini olumsuz yönde etkilemektedir. Kriyojenik işlemin kesici takımların mikroyapısında meydana getirdiği değişimlerin kesici takımların aşınma direncini arttırarak uzun süre sahip olduğu geometriyi koruması sağlamaktadır. Bu da kriyojenik işlem görmüş takımların daha iyi yüzey pürüzlülük değerleri sergilemesinde en önemli etkendir. Bu durum literatürle paralellik teşkil etmektedir [20,21]. 4. SONUÇLAR Tüm kesme hızlarında esas kesme kuvvetleri açısından kriyojenik işlem uygulanmış kesici takımlar daha düşük çıkmıştır. Kesme hızının 30 ve 45 m/ dak olduğu durumlarda yüzey pürüzlülüğü düşmüş ancak kesme hızının daha da artmasıyla ortalama yüzey pürüzlülüğü de artmıştır. İlave bir sonuç cümlesinde Ra nın her iki takım için bulunan değerleri verilmelidir. Esas kesme kuvveti ve ortalama yüzey pürüzlülüğü açısından kriyojenik işlem görmüş kesici takımlar daha iyi performans sergilemiştir. TEŞEKKÜR Yazarlar, bu çalışmanın gerçekleşmesinde finansman desteği sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi ne (Proje Kodu: 07/2011-58) teşekkür eder. 5. KAYNAKLAR 1. Ezugwu, E.O., et al., 2003, An Overview of The Machinability of Aero-engine Alloys, Journal of Materials Processing Technology, 134, 233-253. 2. Nabhani F., 2001, Machining of aerospace titanium alloys, Robotics and Computer Integrated Manufacturing, vol. 17, p. 99-106. 3. Ezugwu, E.O., Wang, Z.M., 1997, Titanium alloys and their machinability a-review, Journal of materials processing technology, Vol.68, p. 262 274. 4. Kishawy H. A., Wilcox J., 2003, Tool wear and chip formation during hard turning with selfpropelled rotary tools, International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 43, p. 433 439. 5. Schueller, J.K., Tlusty, J., Smith, S., Leigh, E., 2000, Advanced machining techniques on titanium rotor parts, American Helicopter Society, 56th Annual form, Virginia, VA. 6. Haron, C.H. C. Jawaid, A., 2005, The effect of machining on surface integrity of titanium alloy Ti 6Al 4V, Journal of Materials Processing Technology, vol.166, p.188 192. 7. Jawaid, A., Che Haron, C.H., Abdullah, A., 1999, Tool wear characteristics in turning of titanium alloy Ti 6246, Journal of Materials Processing Technology, vol. 92, p. 329 334. 8. Kitagawa, T., Kubo, A., Maekawa, K., 1997, Temperature and wear of cutting tools in high speed machining of Inconel 718 and Ti 6Al 6V 2Sn, Wear, vol. 202, p. 142 148. 9. Huang, J.Y., Zhu, Y.T., Liao, X.Z., Beyerlein, I.J., Bourke, M.A., Mitchell, T.E., 2003, Microstructure of Cryogenic Treated M2 Tool Steel, Mater. Sci. Eng., Vol. 339, p. 241 244. 5
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2013 (10) 1-6 Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların 10. Collins, D.N., 1996, Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: A Review, Heat Treat. Met., Vol. 23, p. 40 42. 11. Molinari, A., Pellizzari, M., Gialanella, S., Straffelini, G., Stiasny, K.HJ., 2001, Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: A Review, Mater Process Tech., vol.5, p. 118-350. 12. Lacalle, L.N., Lopez de, P.J., Llorente, J.I., Sanchez, J.A., 2000, Advanced cutting conditions for the milling of aeronautical alloys, Journal of Materials Processing Technology, vol.100, p. 1-11. 13. Ezugwu, E.O., et al., 1999, The Machinability of Nickel-Based Alloys: A Review, Journal of Materials Processing Technology, 86, 1-16. 14. Trent, E.M., 1989, Metal cutting. Butterworths Press, London. 15. Korkut, İ., Dönertaş, M.A., 2003, Kesme Parametrelerinin Frezelemede Oluşan Kesme Kuvvetleri Üzerine Etkileri, Politeknik dergisi, Ankara, 6(1):385-389, 16. Çiftçi, I., 2005, Östenitik paslanmaz çeliklerin işlenmesinde kesici takım kaplamasının ve kesme hızının kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 20, no. 2, p. 205-209. 17. Yavuz, K., 2006, GGG-70 Küresel Grafitli Dökme Demir Kam Millerinin İşlenebilirliğinin Deneysel Olarak Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. 18. Işık, Y., Çakır, M. C., 2001, Hız Çeliği Takımlar İçin Kesme Parametrelerinin Yüzey Pürüzlülüğüne Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Teknoloji dergisi, Karabük, Sayı 1(2): 111-118. 19. 57. Güllü, A., Özdemir, A., 2003, Prizmatik Parçaların Frezelenmesinde Kesme Parametreleri ile Yüzey Pürüzlülüğü Arasındaki İlişkilerin Deneysel Olarak Bulunması, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Dergisi, Ankara, 16(1):127-134. 20. Sreerama Reddy, T.V., Sornakumar, T., VenkataramaReddy, M., Venkatram. R., 2009, Machinability of C45 steel with deep cryogenic treated tungsten carbide cutting tool inserts, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 27: 181-185. 21. Ramji, B.R., Narasimha Murthy, H.N., Krishna, M., 2010, Performance study of cryo treated HSS drills in drilling cast iron, International Journal of Engineering Science and Technology, 2: 2530-2536. 6