I. ULUSAL TALAŞLI İMALAT SEMPOZYUMU Yıldız Teknik Üniversitesi 2 3 Ekim 2009 0/90 Elyaf Oryantasyonuna Sahip Camelyaf Takviyeli Polimer Kompozit Malzemenin Farklı Kesme Yönlerinde Frezelenmesinin Yüzey Pürüzlülüğüne Etkilerinin İncelenmesi Ömer ERKAN*, Birhan IŞIK** * Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, KARABÜK omer.erkan@yahoo.com.tr ** Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, KARABÜK bisik@karabuk.edu.tr ÖZET Camelyaf takviyeli polimer kompozit (CTP) malzeme üretim yöntemlerinden el yatırması, vakumlama ve infüzyon yöntemleri imalat aşamasında en çok kullanılan yöntemler olup diğer yöntemlere de temel teşkil etmektedir. Kullanım alanları arasında otomotiv sanayi, tarım ve gıda sektörü, denizcilik ve yat endüstrisi, savunma sanayi, spor ve eğlence tüketim malları bulunan CTP malzemeler bilhassa hafiflik ve yüksek mukavemet özelliklerinden dolayı uzay ve havacılık sanayindeki kullanımı cazip hale gelerek kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Havacılık sanayinde ise alüminyum parçaların yerini almaktadırlar. Üretimi yapılan CTP kompozit malzemelerin istenilen ölçü ve yüzey pürüzlülüğü toleranslarına getirilmesi için uygun talaşlı imalat işlemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Talaşlı imalat işlemlerinden olan frezeleme, düzlemsel parçalar için sıklıkla kullanılıp, istenilen ölçü ve toleransların sağlanabildiği bir son işlemdir. Ancak CTP malzemenin iç yapısından kaynaklanan ve frezeleme esnasında elyafların işlenen bölgelerde oluşturduğu yüzey hasarları ve pürüzlülük istenmeyen bir durum olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca CTP malzeme, içerisindeki matris elamanını takviye eden camelyafların hacimsel orandaki fazlalığı yüzünden sert bir yapı kazanıp, işlenebilirliği zorlaştırarak yüzey hasarlarının ve pürüzlülüğünün artışına neden olmaktadır. Bu yüzden uygun kesme parametrelerini belirlemek yüzey hasarlarının ortadan kaldırılması için çok önemlidir. Bu çalışmada el yatırması yöntemi ile üretilmiş ve 0/90 elyaf oryantasyonuna sahip, hasır örgülü 14 camelyaf tabakasından oluşan CTP plakaların karbür kesici takımlar ile farklı ilerleme, kesme hızı, ağız sayısı ve sabit kesme derinliğini içeren kesme parametreleri altında 45 ve 90 kesme yönlerinde frezelenip yüzey pürüzlülüğüne olan etkileri araştırılmıştır. Yapılan deneyler neticesinde mukayeseler yapılarak optimum kesme parametreleri ve takım geometrileri belirlenmiş, tavsiyelerde bulunulmuştur. Anahtar Sözcükler: Camelyaf takviyeli polimer kompozit (CTP), işlenebilirlik, frezeleme, yüzey pürüzlülüğü. 1. GİRİŞ Camelyaf takviyeli polimer kompozit (CTP) malzeme yüksek özgül dayanım, yüksek özgül sertlik, ve hafiflik özelliklerinin bileşimine sahiptirler. Bu özellikleri bilhassa uzay uygulamaları ve havacılık için bu malzemeyi ilgi çekici kılar [1]. CTP malzemeler işlendiğinde son derece serttirler. Bu yüzden işleme sürecinde kesici takım ve kesme parametrelerinin seçimi çok önemlidir [2]. Frezeleme elyaf takviyeli plastik parçaların imalatında sıklıkla kullanılan bir işlemdir. Kalıptan çıkan kompozit malzeme olduğu gibi kullanılamaz. Bu nedenle daha önceden belirlenmiş bir ölçü veya tolerans kapsamında fazlalık malzemenin kaldırılması gereklidir. Düzeltici bir işlem olan, iyi ve istenen kalitede yüzey sağlayan frezeleme işlemi, elyaf takviyeli plastik kompozitlerin şekillendirilmesinde önemli rol oynar [3]. Yüzey pürüzlülüğü, ölçü tamlığını, parçaların mekanik performansını ve üretim maliyetlerini etkileyebilmiş bir özelliktir. Bu sebeplerden dolayı iyi bir yüzey pürüzlülüğü değeri elde edilmesi için yapılan araştırma ve geliştirmeler kesme parametrelerinin ve takım geometrisinin optimizasyonunun gerçekleşmesine zemin hazırlamıştır [4,5]. I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul 253
Çeşitli yazarların çalışmaları [6,7], plastik kompozit malzemelerin frezelenmesinden bahsederken, yüzey kalitesinin kesme parametreleri, takım geometrisi ve kesme kuvvetleri ile güçlü bir biçimde ilişkili olduğunu gösterdiler. Koplev ve ekibi [6], Kaneeda [8], Puw ve Hocheng [9] elyaf dizilişinin ve takım geometrisinin belli başlı kesme mekanizmalarıyla bağlantılı olduğu kanısına vardılar. Santhanakrishman ve ekibi [10], ve Ramulu ve ekibi [7] plastik kompozitlerin işlenmesi üzerine bir çalışma ortaya koydular. Ve kesme hıznın artışının iyi bir yüzey oluşmasına öncülük ettiği sonucuna vardılar. Davim ve ekibinin [11], yapmış olduğu çalışmada camelyaf takviyeli plastiklerin işlenmesinde kesme hızının artışı daha iyi bir yüzey sağlarken, ilerlemenin artışı, yüzey pürüzlüğünü arttırmıştır. İşlenmiş yüzeyde istenen kaliteyi gerçekleştirmek için talaş kaldırma mekanizmalarının, kesici takımların performanslarının, işleme süreçlerinin kinetiğine etkilerini anlamak gereklidir [12]. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneyler, CTP plakalar üzerinde, karbür parmak freze takımlar ile çeşitli kesme parametreleri altında frezelenerek geçekleştirildi. CTP malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. CTP Malzemenin Mekanik Özellikleri Mekanik Özellik Değer Eğilme mukavemeti 480 Çekme modülü 26,470 Çekme dayanımı 480 Basma mukavemeti 196 Çekme uzaması %1,7 Darbe dayanımı 150 Isı iletkenliği 0,15 El yatırması yöntemiyle üretilen CTP malzeme anizotropik bir yapıya sahip olup, elyaflar arası açı 90 derecedir. 10 mm kalınlığında olan ve 14 tabakadan meydana gelen CTP plakalar Şekil 1 de görüldüğü gibi hasır biçiminde örülerek imal edilmiştir. Şekil 1. Hasır Biçiminde Örülmüş Camelyaf Tabakası Deneyler CTP plakaların üzerine Şekil 2 de belirtilen ve 8 mm. çapında, helis açısı 30, talaş açısı 10 olan 4 ağızlı karbür takımla kanallar açılarak gerçekleştirildi. Şekil 2. Deneylerde Kullanılan 4 Ağızlı Karbür Parmak Freze 254 I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul
Bu işlemler için iş mili gücü 5.5 kw, azami devri de 6000 dev/dak olan TAKSAN TMC500 dik işleme merkezi kullanıldı. Kesme parametrelerindeki değişimin yüzey pürüzlülüğüne olan etkisini açıkça gözlemleyebilmek için Tablo 2 de belirtilen kesme parametreleri deneylerde kullanıldı. Tablo 2. Kesme Parametreleri Kesme Hızı [m/dak] İlerleme [mm/dev] Kesme Derinliği [mm] 62 (2500 dev/dak) 0,04 1 88 (3500 dev/dak) 0,08 2 113 (4500 dev/dak) 0,12 3 CTP plakalar tezgaha Şekil 3 teki gibi rijitlik sağlanarak ve uygun bağlama koşullarına dikkat edilerek yerleştirildi. 45 ve 90 kesme yönlerinde kanallar frezelendi. Şekil 3. Deneylerin Yapılışı Frezelenen kanalların yüzey pürüzlülüğü ölçümleri Mahr Marsurf PS1 cihazı ile (ISO 4287/1 standardına göre değerleri kapsamında ) Şekil 4 teki gibi değerlendirildi. Şekil 4. Yüzey Pürüzlülük Değerlerinin Ölçülmesi Her kanal için Şekil 5 te görüldüğü gibi kanalın üç farklı yerinden ölçümler yapıldı. Ölçüm sonuçlarına göre kıyaslama grafikleri oluşturuldu. Yüzey pürüzlülük cihazında, Şekil 5 te belirtildiği gibi her ölçüm için, 0,8 mm. cut off mesafesiyle altı ölçüm yaptırılarak, toplam 4,8 mm. ölçüm boyunda ortalama pürüzlülük değeri ( ) hesaplandı. I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul 255
3. DENEYSEL SONUÇLAR İşlenmiş yüzey Şekil 5. Frezelenmiş Kanalda Yapılan Yüzey Pürüzlülüğü Ölçümleri Dört ağızlı takım ile 45 ve 90 kesme yönlerinde CTP malzemenin parmak frezelenmesinde elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri farklılıklar göstermiştir. 45 kesme yönünde frezelenen kanallar üzerinde yapılan ölçümlerden çıkan yüzey pürüzlülük değeri sonuçları, 90 kesme yönünde frezelenmiş kanalların yüzey pürüzlülük değerlerinden yüksek bulunmuştur. Şekil 6 da farklı kesme derinliklerinde, 45 ve 90 kesme yönlerinde ölçülen yüzey pürüzlülüğü değerleri verilmiştir. İlerleme, f [mm/dev] a. İlerleme, f [mm/dev] b. 256 I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul
İlerleme, f [mm/dev] c. Şekil 6. Farklı Kesme Derinliklerinde Ölçülen Yüzey Pürüzlülüğü Değerleri. a. 1mm, b. 2mm, c. 3mm 45 kesme yönü 90 kesme yönü 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Her iki kesme yönünde yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar ışığında aşağıdaki ifadeler belirlenmiştir; İlerleme arttıkça yüzey pürüzlülüğü artmıştır. Kesme hızı arttıkça yüzey pürüzlülüğü azalmıştır. Kesme derinliğinin değişimi yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkili olmamıştır. Yüzey pürüzlülüğü değerleri 45 kesme yönünde, 90 kesme yönünden büyüktür. Hasır örgülü camelaf takviyeli polimer kompozit malzemelerin işlenmesinde yüksek kesme hızı, düşük ilerleme ve elyaf yönlenmesi doğrultusunda kesme yönü seçimi istenen yüzey kalitesinin sağlanmasında önemli rol oynamaktadır. 5. KAYNAKLAR [1] Smith, WF. Principles of materials science and engineering. MacGraw-Hill; 1990. p. 699 724. [2] Rahmanh M, Ramakrisha S, Prakash JRS, Tan DCG. Machinability study of carbon fiber reinforced composite. J MaterProcess Technol 1999;89 90:292 7. [3] S. Jahanmir, M. Ramulu, P. Koshy, Machining of Ceramics and Composites, Marcel Dekker, Inc., New York, 2000, pp. 267 293. [4] Ramulu M, Wern CW, Garbini JL. Effect of the direction on surface roughness measurements of machined graphite/epoxy composite. Compos Manuf 1993;4(1):39 51. [5] Erisken, E. Influence from production parameters on the surface roughness of a machine short fibre reinforced thermoplastic. Int J Machine Tools Manuf 1999;39:1611 8. [6] Koplev, A. Lystrup, A. Vorm, T. The cutting process, chips and cutting forces in machining CFRP. Composites 1983;14(4):371 6. [7] Ramulu, M. Arola D, Colligan. K, Preliminary. investigation of effects on the surface integrity of fiber reinforced plastics. In:Engineering systems design and analysis 2, PD-vol-64-2. ASME; 1994. p. 93 101. [8] Kaneeda, T. CFRP cutting mechanism. In: Proceeding of the 16th North American Manufacturing Research Conference. 1989. p. 216 21. I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul 257
[9] Puw, HY. Hocheng, H. Anisotropic chip formation models of cutting of FRP. In: ASME Symposium on Material Removal and Surface Modification Issues in Machining Processes, New York, 1995. [10] Santhanakrishman, G. Krishnamurthy, R. Malhota, SK. Machinability characteristics of fibre reinforced plastics composites. J Mech Working Technol 1988;17:195 204. [11] Davim, J. Reis, P. Antonio, C. A Study on milling of glass fiber reinforced plastics manufactured by hand-lay up using statistical analysis (ANOVA), Composite Structures 64 (2004) 493 500. [12] P.S, Sreejith. R, Krishnamurthy. S.K, Malhota. K, Narayanasamy. Evaluation of PCD tool performance during machining of carbon/phenolic ablative composites, J. Mater. Process. Technol. 104 (2000) 53 58. 258 I. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS2009), 2 3 Ekim 2009, İstanbul