Silindirik Tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem Tasarımı ve İmalatı

Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 12, No: 1, 2015 (13-23) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 12, No: 1, 2015 (13-23) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Silindirik Tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem Tasarımı ve İmalatı İsmail UCUN *, İbrahim PAZARKAYA ** * Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 03200 Afyonkarahisar/TÜRKİYE ** Afyon Kocatepe Üniversitesi, Meslek Yüksek Okulu, 03200 Afyonkarahisar/TÜRKİYE iucun@aku.edu.tr Özet Bu çalışmada, silindirik tornalama işlemlerinde kullanmak için ultrasonik bir sistem tasarımı ve imalatı yapılmıştır. Ultrasonik sistem mekanik ve elektronik olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır. İlk olarak, sistemin mekanik bölümü tasarlanmıştır. Mekanik sistemin tasarımı bir CAD programında yapılmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile modal analiz yapılmıştır. Ultrasonik sistemin doğal frekansları ve mod şekilleri modal analiz ile elde edilmiştir. Elde edilen doğal frekansa göre ( 20KHz) sistemin imalatı yapılmıştır. Daha sonra ultrasonik sistem üniversal bir torna tezgâhı üzerine bağlanmış ve çalışması sağlanmıştır. Sonuç olarak, imalatı yapılan sistemin doğru çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için bazı deneyler yapılmıştır. İmalatı yapılan ultrasonik sistemin verimli çalıştığı ve geleneksel yöntem ile karşılaştırıldığında daha iyi tornalama yüzeyleri elde edildiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Ultrasonik, Tornalama, Yüzey Pürüzlülüğü, Alışılmamış İmalat Yöntemi. A New Ultrasonic System Design and Manufacture for Cylindrical Turning Process Abstract In this study, a new ultrasonic system design and manufacture has been made for the cylindrical turning process. Electronic and mechanical including ultrasonic system consists of two parts. Firstly, the mechanical portion of the system was designed. The mechanical portion of the system was performed by using a CAD software program and modal analysis was performed by finite element method. Natural frequencies and mode shapes of the ultrasonic system were obtained with the modal analysis. According to the obtained natural frequency ( 20 KHz), the system was manufactured. Later, the system was attached on a universal turning machine and it was worked. In the result, some experiments were performed to control the working of the system. It was showed that the ultrasonic system is work efficiently and it is obtained very good turning surface in compared with conventional method. Keywords: Ultrasonic, Turning, Surface Roughness, Non-traditional Manufacturing Method. 1. GİRİŞ Uzay ve bilgi teknolojisinin hızlı bir şekilde gelişmesiyle birlikte imalat süreçlerinde de önemli değişimler meydana gelmektedir. Günümüzde kullanılan tornalama, delme, frezeleme, taşlama gibi geleneksel yöntemlerin yanında, lazer, su jeti, elektro ve tel erozyon, ultrasonik gibi çok farklı geleneksel Bu makaleye atıf yapmak için Ucun İ. *, Pazarkaya İ., Silindirik Tornalama İşlemi İçin Ultrasonik Sistem Tasarımı ve İmalatı Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2015 (12) 13-23 How to cite this article Ucun İ. *, Pazarkaya İ., A New Ultrasonic System Design and Manufacture for Cyclindrical Turning Processing Electronic Journal of Machine Technologies, 2015 (12) 13-23

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Silindirik tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem. olmayan yöntemlerin kullanımı da gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle geleneksel olmayan metotlar ile işlenmesi zor olan malzeme ve karmaşık şekilli parçaların imalatı yapılmaktadır. Ultrasonik imalat sürecinde kullanılan ve gün geçtikçe kullanımı artan geleneksel olmayan bir imalat yöntemidir [1-4]. Yeni malzemelerin üretilmesi, yüksek teknolojili endüstrinin meydana gelmesini sağlamıştır. Üretilen bu yeni malzemeler, yüksek mukavemetli, paslanmaz ve ısıya dayanıklı çelik ve alaşımları, titanyum, seramikler, kompozitler ve diğer metalik olmayan malzemelerdir. Bu malzemeleri şekillendirmek için düşük yüzey kalitesi ve ürün kalitesi açısından alışılmış imalat yöntemleri uygun değildir. Bu gibi malzemeleri genellikle alışılmamış imalat yöntemleri ile işlenmektedir. Çok çeşitli yöntemler olmasına rağmen, son yıllarda ultrasonik yöntemin kullanılması giderek artmakta ve 20-40 KHz frekanslar ile kesme işlemi yapmaktadır [5-7]. Ultrasonik ile son yıllarda önemli çalışmalar yer almaktadır. Bu çalışmalardan birisinde Azarhoushang ve Akbari, Inconel 738LC malzemesi normal ve ultrasonik ile delme işlemlerindeki delme performansını deneysel olarak incelemiştir. Çalışma sonucunda, ultrasonik ile yapılan delme işlemi ile kesme sıcaklığının yaklaşık % 60 azaldığı ve bununla birlikte çapak oluşumu önemli ölçüde azalmıştır [8]. Zhou ve arkadaşları, geleneksel tornalama ile ultrasonik tornalama operasyonunu karşılaştırmışlardır. Ultrasonik tornalama ile yapılan deneylerde yüzey pürüzlüğünün daha düşük olduğu, kesme kuvvetlerinin daha düşük ve kesici takım aşınmasının daha iyi olduğu görülmüştür [9]. Celaya ve arkadaşları ultrasonik tornalamanın avantajları ve dezavantajları üzerine yaptıkları çalışmada yumuşak çelik kullanmışlardır. Ultrasonik titreşimi farklı yönlerde, kesme yönü ve ilerleme yönünde yüzey pürüzlülüğünü ölçmüşlerdir. Yüzey kalitesinin ultrasonik tornalama ile daha iyi olduğu gözlenmiştir [10]. Nath ve Rahman, Inconel 718 malzemesi üzerinde ultrasonik kesmenin titreşim frekansı, iş parçası malzemesi ve titreşim genliğinden etkilendiğini görmüşlerdir. Fakat bu üç etki arasında bir ilişki kuramamışlardır. Yaptıkları deneylerde, geleneksel yöntemlere göre ultrasonik kesmede, yüzey kalitesinde artış, kesme kuvvetlerinde düşüş olduğu görülmüştür [11]. Bu çalışmada ise, silindirik tornalama işlemi için yeni bir ultrasonik sistemin tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. İmalatı gerçekleştirilen sistem ile tornalama deneyleri yapılmış ve yüzey pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Ultrasonik sisteminin kullanılması ile yüzey pürüzlülük değerlerinin önemli ölçüde azaldığı görülmüştür. 3. MATELYAL ve METOT 3.1. Ultrasonik Sistem Tasarımı ve İmalatı Ultrasonik sistem elektronik ve mekanik olmak üzere iki kısımdan meydana gelmektedir. İlk olarak, sistemin mekanik bölümünün tasarımı yapılmıştır. Ultrasonik sistemin mekanik parçaları Şekil 1 de verilmiştir. Mekanik sistem, piezo seramik halkalar, transducer (güçlendirici) ve horn dan meydana gelmektedir. Sistemde dört piezo seramik halka kullanılmıştır. Bu halkalar yaklaşık 20 Khz frekansta titreşim üretmekte ve sistemde bu frekans değerinde çalışmaktadır [12]. Güç kaynağından piezo seramik halkalara elektrik enerjisi verildiğinde, halkalar elastik deformasyonla birbirine çarpmakta ve küçük genlikte titreşim üretmektedir. 14

Ucun İ., Pazarkaya İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Şekil 1. Ultrasonik sistemin şematik görünümü. Piezoseramik halkalar yaklaşık 20 KHz frekansta titreşim elde etmek için seçilmiştir. Bu halkaların ürettiği genlik yaklaşım 0,2 m civarındadır. Sistemde kullanılan transducer (güçlendirici) ise piezoseramik halkaların ürettiği küçük genlikteki titreşimleri çok büyük genliklere çıkarmak için kullanılmaktadır. Sistemde kullanılan horn, transducer de olduğu gibi sistemdeki genlikleri daha büyük seviyelere çıkarmaktadır. Ultrasonikte ihtiyaç olan en büyük genlik hornun uç kısmında oluşmaktadır. Buradaki genlik yaklaşık 15 20 mikron civarındadır ve bu genlik değerleri 20 KHz frekans değerlerinde elde edilmektedir. Üniversal torna tezgâhına bağlanan ultrasonik deney düzeneği Şekil 2 de verilmiştir. 15

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Silindirik tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem. Şekil 2. Üniversal torna tezgâhına bağlanan ultrasonik sistem. Ultrasonik sistemin mekanik parçalarının üç boyutlu görüntüsü Şekil 3 de verilmiştir. Ayrıca kullanılan malzemeler ve mekanik özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Öncelikle, ultrasonik sistemin bir parçası olan hornun tasarımı yapılmıştır. Horn üç boyutlu olarak bir CAD programında modellenmiştir. Modelleme işleminden sonra ANSYS programına aktarılarak, doğal frekansları ve mod şekilleri elde edilmiştir [12]. Analizlerde güçlendiricinin (transducer) etrafından tutulu olarak kabul edilmiştir. Şekil 3. Ultrasonik sistemin mekanik modeli. 16

Ucun İ., Pazarkaya İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Tablo 1. Horn ve sistemde kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri Malzemenin Adı Elastisite Modülü (MPa) Özgül Ağırlığı (kg/m 3 ) Possion Oranı Alüminyum 71000 2770 0,33 Bakır 11000 8300 0,34 Çelik 200000 7850 0,3 Piezo Seramik 50000 8000 0,36 Polietilen hortum 1100 950 0,42 Ultrasonik tornalama için gerekli olan frekans değeri 20-21 KHz olmalıdır. Tasarlanan sistemin analizi yapıldığında 27. modda istenilen frekans değeri elde edilmiştir. 27. frekans boyuna mod şeklini vermektedir. Bulunan frekans değerleri Şekil 4 de gösterilmiştir. Frekans değerleri ve mod şekilleri sonlu elemanlar tabanlı ANSYS programında elde edilmiştir. Ayrıca, deneysel olarak frekans titreşim ölçüm cihazında yapılmıştır. ANSYS ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Frekansın 20 KHz civarında olduğu kısımlarda pikler oluşmuştur ve bu pikler istenilen modun bulunduğunu göstermektedir. Deneysel ve nümerik olarak elde edilen frekans değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Şekil 4. Ultrasonik sistemin farklı frekanslardaki mod şekilleri. 17

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Silindirik tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem. Tablo 2. Ultrasonik sistemin farklı modlarda elde edilen frekans değerleri. Modlar ANSYS ile bulunan frekans Deneysel olarak bulunan frekans değerleri (Hz) değerleri (Hz) 25 19419 26 19524 27 20475 20800 28 21151 29 21199 30 21753 3.2 Deneylerde Kullanılan Malzemeler Bu projede, hem ultrasonik yardımıyla hem de geleneksel tornalama ile deneyler yapılmıştır. Deneyler AISI 310 paslanmaz çelik kullanılmıştır. Deneyler süresince TNMG 220408 666X kesici takım tercih edilmiştir. Kesici takım ve kater Şekil 5 de verilmiştir. Tornalama işlemlerinden sonra yüzey pürüzlülük değerleri pertometre cihazı ile ölçülmüştür. Tornalama deneylerinde, 0,2 ve 0,3 mm talaş derinlikleri (a p ), 30, 60 ve 90 m/dk kesme hızları (v), 0,08, 0,14 ve 0,2 mm/dev ilerleme değerleri (f) kesme parametreleri olarak kullanılmıştır. Tornalama deneylerinde soğutma sıvısı kullanılmamıştır. Deneylerde kullanılan malzemenin kimyasal özellikleri Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. AISI 310 paslanmaz çeliğin kimyasal özellikleri. Kimyasal Bileşim (% Ağırlıkça) C Cr Ni Si Mn S P AISI 310 0,2 25 21 2 2,0 0,030 0,045 Şekil 5. Deneylerde kullanılan kesici takım ve katerin görünümü. Kesici uç ve katere ait, boşluk açıları ve yanaşma açısı Tablo 4 te verilmiştir. Deneyler yapılırken yanaşma açısı 90 o olarak ayarlanmıştır. 18

Ucun İ., Pazarkaya İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Tablo 4. TNMG 220408 kesici uç ve katere ait geometrik özellikler. Açılımlar Değerler Kesme kenarı açısı Boşluk açısı Gövde boyutları 90 derece 7.5 derece 25 x 25 mm 4. DENEYSEL SONUÇLAR VE TARTIŞMA Tasarımı ve imalatı gerçekleştirilen ultrasonik sistemin çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde hem ultrasonik sistem hem de geleneksel sistem kullanılmıştır. Yüzey pürüzlülüğünün talaş derinliği ve ilerleme miktarına bağlı değişimleri incelenmiştir. Yüzey pürüzlülüğünün ilerleme ve talaş derinliğine bağlı değişimi Şekil 6 da verilmiştir. Hem ultrasonik hem de geleneksel tornalama işlemlerinde ilerleme hızının artması ile yüzey pürüzlülükleri artmıştır. Maksimum yüzey pürüzlülük değerleri 0,2 mm/dev ilerleme değerinde görülürken, minimum değerler ise en düşük ilerleme hızında elde edilmiştir. Geleneksel yöntemde elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri, ultrasonik yöntemden daha fazladır. Bununla birlikte, talaş derinliğinin artması hem geleneksel hem de ultrasonik yöntemde avantaj olarak görülebilir. Şekil 6. Yüzey pürüzlüğünün talaş derinliği ve ilerleme miktarına bağlı değişimi (V=30 m/dk). 60 m/dk kesme hızında, ilerleme değerine bağlı olarak elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 7 de verilmiştir. 30 m/dk kesme hızında olduğu gibi, ilerleme değerinin artmasıyla yüzey pürüzlülük değerleri artmıştır. Ayrıca, geleneksel yöntemde elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri ultrasonik ile elde edilen değerlerden daha büyüktür. Küçük talaş derinliklerinde (2mm) geleneksel ve ultrasonik sonuçları arasında önemli bir fark bulunmaktadır. Talaş derinliğinin artmasıyla bu fark azalmıştır. Maksimum ilerleme değerinde (0,2 mm/dev) elde edilen yüzey pürüzlülük değerlerinin birbirine yakın olduğu görülmüştür. 19

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Silindirik tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem. Şekil 7. Yüzey pürüzlüğünün talaş derinliği ve ilerleme miktarına bağlı değişimi (V=60 m/dk). 90 m/dk kesme hızında, ilerleme değerlerine bağlı olarak elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 8 de verilmiştir. 30 ve 60 m/dk kesme hızlarında olduğu gibi, ilerleme değerinin artmasıyla yüzey pürüzlülük değerleri önemli ölçüde artmıştır. Fakat 90 m/dk kesme hızındaki artış diğer kesme hızlarına göre daha fazla olmuştur. Özellikle 2 mm/dev ilerleme değerindeki yüzey pürüzlülük değerleri daha büyüktür. Geleneksel yöntemde elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri ultrasonik yönteme göre daha fazladır. Hem geleneksel hem de ultrasonik ile yapılan tornalama işlemlerinde 0,14 mm/dev ilerleme değerlerindeki değerler birbirine yakın elde edilmiştir. Benzer çalışmalarda, ultrasonik sistemin kullanılmasıyla yüzey pürüzlülük değerlerinin önemli ölçüde azaldığı görülmüştür [11, 13, 14]. Şekil 8. Yüzey pürüzlüğünün talaş derinliği ve ilerleme miktarına bağlı değişimi (V=90 m/dk). Kesme hızlarına bağlı olarak yüzey pürüzlülük değerleri Şekil 9 de verilmiştir. Kesme hızının artmasıyla yüzey pürüzlülük değerlerinde azalma meydana gelmektedir. Ancak, 60 m/dk kesme hızından 90 m/dk a çıktığında yüzey pürüzlülük değerleri bir miktar artmıştır. Geleneksel tornalama işlemi ile elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri daha büyük elde edilmiştir. Ultrasonik sisteminin kullanılması ile yüzey 20

Ucun İ., Pazarkaya İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 pürüzlülük değerleri önemli ölçüde azalmıştır ve bu azalma maksimum % 38 dir. Mimimum azalma ise yaklaşık % 20 civarındadır. Şekil 9. Yüzey pürüzlüğünün talaş derinliği ve kesme hızına bağlı değişimi (f=0,08 mm/dev). Tornalama işlemlerinden sonra farklı talaşlar elde edilmiş ve görüntüleri Tablo 5 te verilmiştir. Ultrasonik sistemin kullanılmasıyla talaş boyutları daha küçük ve daha az kıvrımlı olmasına rağmen, geleneksel yöntemde ise daha uzun ve kıvrımlı talaşlar elde edilmiştir. Yüzey pürüzlülük değerleri talaş oluşumu ile ilişkilidir. Geleneksel yöntemde takım ile iş parçası sürekli temas halindedir ve bundan dolayı işlenen yüzey sıcaklık, sürtünme, talaş yığılması (built-up edge), iş parçasının yer değiştirmesi, doğal frekans gibi durumlar ile bozulmaktadır. Ultrasonik sistemde ise, talaş yığılması nadiren meydana gelmektedir [6]. Tablo 5. Tornalama işleminden sonra elde edilen talaş şekilleri (V=30 m/dk) Ultrasonik Geleneksel Ultrasonik Geleneksel a p =0,2 mm a p =0,3 mm f=0,08 mm/dev f=0,14 mm/dev 21

Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 Silindirik tornalama İşlemi İçin Yeni Bir Ultrasonik Sistem. 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada, tornalama işlemi için ultrasonik bir sistem tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Sistemin tasarımı üç boyutlu olarak CAD programında yapılmıştır. Sistemin frekans ve mod şekillerini belirlemek için modal analiz yapılmıştır. Sistemin titreşim frekansı 20475 HZ olarak belirlenmiş ve deneysel sonuçlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Sistem bu tasarım parametrelerine göre imal edilmiştir. Sistemin genliği 15-20 µm civarındadır ve bu genlik tornalama işlemi için önemlidir. Sistemde piezo seramik halkalar çok düşük genlikler oluşturmakta ve bu genlikleri belirli seviyeye (15-20 µm ) çıkarmak için mekanik sistemde horn ve güçlendirici kullanılmıştır. İmalatı yapılan sistemin çalışmasını kontrol etmek için belirli parametrelerde tornalama işlemleri yapılmıştır. Tornalama işlemlerinde yüzey pürüzlülük değerleri elde edilmiştir. Geleneksel tornalama ile elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri, ultrasonik işlemle elde edilen değerlerden daha büyük olduğu görülmüştür. Bundan sonra yapılacak farklı çalışmalar ile sistemin çalışması test edilecektir. 6. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Bilimsel Araştırmaları Projeleri Komisyonu tarafından 10.TEF.03 nolu proje ile desteklenmiştir. 7. KAYNAKLAR 1. Nath, C., Rahman, M. and Neo, K.S., 2009 A Study on the Effect of Tool Nose Radius in Ultrasonic Elliptical Vibration Cutting of Tungsten Carbide, J. Mat. Processing Tech., 209, 5830 5836. 2. Neugebauer, R. and Stoll, A., 2004, Ultrasonic Application in Drilling, J. of Materials Processing Tech., 149, 633 639. 3. Mitrofanov, A.V. Ahmed, N Babitsky, V.I. and Silberschmidt, V.V., 2005, Effect of Lubrication and Cutting Parameters on Ultrasonically Assisted Turning of Inconel 718, J. Mat. Processing Tech., 162 163, 649 654. 4. Voronina S. and Babitsky, V.I., 2008, Autoresonant Control Strategies of Loaded Ultrasonic Transducer for Machining Applications, Journal of Sound and Vibration, 313, 395 417. 5. Babitsky, V.I., Kalashnikov, A.N. and Molodtsov F.V., 2004, Autoresonant Control of Ultrasonically Assisted Cutting, Mechatronics, 14, 91 114. 6. Nath, C., Rahman, M. and Andrew S.S.K., 2007, A Study on Ultrasonic Vibration Cutting of Low Alloy Steel, J. Mat. Processing Tech., 192 193, 159 165. 7. Ahmed, N., Mitrofanov, A.V. Babitsky, V.I. and Silberschmidt, V.V. 2007, Analysis of Forces in Ultrasonically Assisted Turning, Journal of Sound and Vibration, 308, 845 854. 8. Azarhoushang, B. and Akbari, J., 2007, Ultrasonic-assisted Drilling of Inconel 738-LC, Int. J. Machine Tools & Manufacture 47, 1027 1033. 9. Zhou, M., Eow, Y.T., Ngoi, B.G.A. and Lim, E.N., 2003, Vibration-Assisted Precision Machining of Steel with PCD Tools, Materials and Manufacturing Proc., 18, 5, 825 834. 10. Celaya, A., Norberto López de Lacalle L., Javier Campa F. and Aitzol Lamikiz, 2010, Ultrasonic Assisted Turning of Mild Steels, Int. J. Materials and Product Technology, 37, 1/2. 11. Nath, C. and Rahman, M., 2008, Effect of Machining Parameters in Ultrasonic Vibration Cutting, Int. J. Machine Tools & Manufacture, 48, 965 974. 22

Ucun İ., Pazarkaya İ. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) 13-23 12. Pazarkaya, İ., 2013, Silindirik Tornalama İçin Ultrasonik Sistem Tasarımı ve İmalatı, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Afyonkarahisar. 13. Liao, Y.S., Chen Y.C. and Lin H.M., 2007, Feasibility Study of the Ultrasonic Vibration Assisted Drilling of Inconel Superalloy, Int. J. Machine Tools and Manufacture, 47, 1988-1996. 14. Hsu, C.Y., Lin, Y.Y., Lee W.S. and Lo S.P., 2008, Machining Characteristics of Inconel 718 using Ultrasonic and High Temperature-Aided Cutting, J. Mat. Proces. Tech., 198, 359-365. 23