Ultrasonik yardımlı işleme teknikleri

2016 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016) Çukurova University, Congress Center, October 26-28, 2016, Adana / TURKEY Pages: 3558-3566, Paper ID:991 Ultrasonik yardımlı işleme teknikleri Mehmet Alper Sofuoğlu Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Eskişehir, Türkiye, asofuoglu@ogu.edu.tr Özet Ultrasonik yardımlı işleme, takıma veya iş parçasına belirli bir titreşim uygulanarak iş parçasının işlenmesi süreci olup son işlem uygulamalarında yüzey özelliklerinin iyileşmesi ve takım ömrünü arttırmak amacıyla uygulanır. Bu çalışma kapsamında ülkemizde yaygın olmayan bu üretim yönteminin kinematiği, kullanım alanları ve avantajları incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Ultrasonik yardımlı işleme, titreşim, takım ömrü, alışılmamış imalat 1. GİRİŞ Ultrasonik yardımlı işleme, belirli frekans ve genlikte kesici takıma veya iş parçasına titreşim uygulanarak işleme operasyonlarının iyileştirilmesidir. Geleneksel işleme göre kesimi zor olan malzemelerin (sert metal alaşımları, kırılgan plastikler, yüksek sıcaklık malzemeleri, kompozitler, seramikler vb.) işlenmesinde avantaj sağlar. Bu yöntem ile gürültü ve takım aşınması azalır, yüzey pürüzlülüğü iyileşir. Kesici takım ve iş parçası için elastik şekil değiştirme miktarı, kesme sıcaklığı ve iş parçasının kesici ucun kenarına yapışması azalır. Bu çalışmada ülkemizde yaygın olmayan bir alışılmamış imalat yöntemi olan ultrasonik yardımlı işleme teknikleri incelenecektir. İşlemin kinematiği, kullanıldığı üretim yöntemleri ve malzemeler ve avantajları incelenerek önerilerde bulunulmuştur. 2. ULTRASONİK YARDIMLI İŞLEME Takıma veya iş parçasına uygulanan ultrasonik bir titreşim yardımıyla iş parçasının işlenmesi sürecidir. Bu süreçte düşük titreşim genlikleriyle hassas işleme gerçekleştirilir. 2.1. Ultrasonik Yardımlı İşlemenin Kinematiği Ultrasonik yardımlı işlemenin kinematiği bir ve iki boyutlu sistemlere göre farklılıklar göstermektedir. Bu sistemlere göre işlemenin kinematiği aşağıda özetlenmiştir [1]. 2.1.1. Bir boyutlu titreşimli işleme Takım lineer düzlem üzerinde harmonik olarak hareket ederek kesme yönünde iş parçasının üzerinde hareket eder. Verilen bir titreşim frekansı altında kritik bir kesme hızı bulunmaktadır. Bu kesmede takımın talaş yüzeyi periyodik olarak iş parçasıyla temasta bulunur. Ultrasonik yardımlı işlem aşamaları Şekil 1 de gösterilmiştir. Takım hızı ve pozisyonu aşağıdaki eşitliklerle ifade edilir (Eş. 1-3) (1) (2) (3) A: Takımın titreşim genliği. w: Açısal frekans. 3558

x(t): Belirli bir zamandaki anlık konum. x (t) : Belirli bir zamandaki anlık takım hızı. V: Takımla iş parçası arasındaki bağıl hız. Şekil 1. Ultrasonik yardımlı işlemde aşamalar; (a) yaklaşma, (b) temas, (c) kesme, (d) geri çekilme Birinci konumda takım hızı (x (t)) sıfırdan büyük olmalıdır. Takımın talaş yüzeyi iş parçasıyla temasa ve kesmeye hazırdır. İlk temas için süre t1 ile ifade edilmiştir. İkinci konumda takım lineer titreşim limitinin sınırındadır (x (t)=0). Ters yönde harekete yakındır. Hareket sonunda takımın teması kestiği süre t2 ile ifade edilir. Üçüncü konumda takım hızı (x (t)) ters yöne doğrudur. Takım iş parçasından ayrılır. Dördüncü konumda takım hızı (x (t)) yeniden pozitif yöndedir. Takım diğer çevrim için iş parçasına temas için hareket eder. t1 iş parçasına temas için süre olarak ifade edilir. Tüm çevrimde geçen süre T ile ifade edilir. Kesim için geçen süre ise t2-t1 dir. Takım için kritik kesme hızı aşağıdaki eşitlikte tanımlanır (Eş.4): (4) V<Vkritik olduğunda f frekansında periyodik olarak kesintili kesme gerçekleşir. Genel olarak takım ömrünün ve işlem kalitesinin artması istendiğinde kesintili kesme tercih edilmektedir. V Vkritik olduğunda takımla iş parçası arasındaki bağıl hız harmonik olarak değişmesine rağmen kesme sürekli olarak gerçekleşir. Bir titreşim çevriminde takım tarafından iş parçasına göre katedilen mesafe aşağıdaki eşitlikle hesaplanır (Eş.5): Yatay hız oranı eşitlik 6 daki gibi hesaplanır: (5) (6) 3559

Yatay hız oranı, iş parçasının hızıyla takımın maksimum yatay titreşim hızının oranı olarak tanımlanır. Kesintili olmayan kesimde bu değer 1 den büyük olur. Bu iki parametre titreşimli işlemeyi tanımlamada büyük önem taşır. Takımın iş parçasını kestiği her titreşim çevrimi bölümü için iş çevrimi eşitlik 7 deki gibi hesaplanır: (7) İş çevriminin büyük olması takımın iş parçasını kestiği her çevrimin bölümünün büyük olması anlamına gelir. Geleneksel işlemede ve kesintisiz bir boyutlu titreşimli işlemede takım talaş yüzü iş parçasıyla sürekli temas halindedir. Bu durumlarda iş çevrimi 1 dir. Bir boyutlu işleme sistemleri hassas işlemelerde ve 0,5 mm kesme derinliğine kadar geleneksel işlemelerde kullanılır. Bir boyutlu işleme sistemlerinde frekans 20 khz ve 40 khz olabilmektedir. Titreşim genliği 2-100 μm arasında değişebilmektedir. 2.1.2. İki boyutlu titreşimli işleme İki boyutlu titreşimli işlemede bir boyutlu yatay harekete dikey hareket eklenir. Bu durum elips veya dairesel bir hareket sağlar. İş parçasına göre takımın yatay ve dikey pozisyonu eşitlik 8-9 da şu şekilde tanımlanabilir [1]: (8) İş parçasına göre takımın yatay ve dikey hızı eşitlik 10-11 de şu şekilde tanımlanabilir: (9) (10) A,B elips eksen uzunluklarını ifade eder. Takım hareketinin iş parçasına göre anlık konumu eşitlik 12 de şu şekilde tanımlanır: (11) Anlık talaş yüzey açısı ve boşluk açısı iş parçasına göre eşitlik 13 de şu şekilde tanımlanır: (12) (13) γ 0 : takım talaş açısı α 0 : takım boşluk açısı Kritik hız, bir titreşim çevriminde takım tarafından iş parçasına göre katedilen mesafe ve yatay hız oranı bir boyutlu titreşimli işlemede hesaplandığı gibidir. İş çevrimi, iş parçasıyla temasta bulunulan sürede eliptik takım yolunun uzunluğunun eliptik takım yolu çevresine oranını temsil eder. Bu çevrim aşağıdaki eşitlikle tanımlanır (Eş.15): (14) 2 2 arc (θ 2 -θ 1 )temasta bulunulan yayın uzunluğunu gösterir. 2π ( A B )/ 2 yaklaşık olarak elips çevresini temsil eder. A ve B yatay ve dikey titreşim genliklerini gösterir. Takım girişinin açısal pozisyonu olan yatay hız oranıyla ve elips boyutları A ve B yle belirlenir. Çıkış açısal pozisyonu kesme derinliği ve elips (15) 3560

boyutlarıyla belirlenir. d/b 1 olduğunda θ 2 =π olur bundan dolayı d/b=1 oranı her yatay hız oranındaki iş çevrimi için maksimum değeri alır. İş çevriminin anlamlı maksimum değeri 0,5 dir. Bu durum arka arkaya gelen eliptik çevrimler üst üste çakışmadığı zaman ve kesme derinliğinin elips dikey genliği B ye eşit veya büyük olduğu zaman gerçekleşir. İki boyutlu işleme sistemleri sadece hassas işlemelerde (1-50 μm kesme derinlikleri aralıklarında) kullanılır. 2.2. Ultrasonik Yardımlı İşlemenin Kullanıldığı Üretim Yöntemleri Titreşimli işleme yöntemleri tornalama, frezeleme, delik delme ve taşlama işlemlerinde kullanılmaktadır. 2.2.1.Ultrasonik yardımlı tornalama Ultrasonik yardımlı tornalama işlemi titanyum ve nikel gibi yüksek dayanımlı alaşımların işlenmesinde oldukça etkilidir. Ayrıca işlenmesi zor demir ve kırılgan malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Titreşim, işleme sırasında sıcaklığın yükselmesini engeller ve takım aşınmasını düşürür. Ultrasonik yardımlı tornalamada periyodik aralıklar efektif gerilmeyi ve kesme kuvvetlerini düşürür. Artık gerilmeler azalır ve yüzey kalitesi artar [2-6]. 2.2.2. Titreşim yardımlı frezeleme Yüksek dayanımlı, düşük termal iletkenliğe sahip ve yüksek iş sertleşmesine eğilimli malzemelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yöntemde talaş incelir, kesme kuvvetleri ve sıcaklık düşer. Ayrıca; takım ömrü, işleme verimi ve malzeme kaldırma hızı artar [7-10]. 2.2.3.Titreşim yardımlı delik delme Sert alaşımlar, kompozitler ve kırılgan malzemeler gibi işlenmesi zor malzemelere derin delikler açmak için bu yöntem kullanılır. Yöntem, kesme kuvvetini ve takım aşınmasını azaltır. Düşük itme kuvveti sayesinde tabakalı kompozitlerin delaminasyonu önlenir. Talaş (çapak) boyutu düşer ve talaş yığıntısı azalır. Bu işlem sırasında kesikli talaş oluşur [11]. 2.2.4. Ultrasonik yardımlı taşlama Yüksek taşlama sıcaklıkları ve kuvvetler nedeniyle sert ve kırılgan malzemelerin (cam, seramik, kompozitler, silikon vb.) taşlanmasında hasarlar, çatlaklar, hızlı olarak taşlama taşındaki abrasiflerin aşınmasına yol açar. Ultrasonik yardımlı taşlama bir boyutlu eksenel, yatay ve iki boyutlu eliptik olarak uygulanabilir. Geleneksel taşlama yöntemine göre kesme kuvvetlerinde azalma meydana gelir ve parlatma etkisi nedeniyle yüzey kalitesi iyileşir. Titreşim abrasiflerin parçayı birden fazla kesme kenarından kesmesini sağlar. Tanecik başına düşen yük azalır. Böylece taşlama taşının aşınması düşer [12-13]. 2.3. Ultrasonik Yardımlı İşlemenin Uygulandığı Malzemeler Ultrasonik yardımlı işleme sünek, kırılgan ve kompozit malzemelere uygulanabilmektedir [14]. 2.3.1. Sünek malzemelerin işlenmesi Bakır, alüminyum ve yumuşak çelikler iyi işlenebilirliğe sahiptir. Bu malzemelerin tek yönlü ultrasonik yardımlı işlemiyle ilgili birçok çalışma yürütülmüştür. Bu çalışmalarda kesme ve normal doğrultulardaki titreşimli kesim işlemleri geleneksel kesme işlemiyle karşılaştırılmıştır. Kesme doğrultularındaki kesim işlemleri kesme kuvvetini, takım iş parçası sürtünmelerini azaltmış ve bu işlemlerde talaş akışı ve yüzey kalitesi iyileşmiştir. Yüzey altı deformasyonlar düşmüş ve soğutucu kullanmadan yığıntı talaş oluşumu engellenmiştir. Eliptik titreşimli kesme, bakır ve alüminyum iş parçaları için farklı çalışmalarda çalışma konusu olmuştur. Bu çalışmalarda deneysel ve teorik analizler eliptik doğrultulu titreşimli kesmenin kesme yönlü titreşimli ve geleneksel kesme işlemlerine göre talaş kalınlığını ve kesme kuvvetlerini önemli derecede azalttığı görülmüştür. Bitmiş yüzeyin profil ölçümleri eliptik titreşimli kesmenin işlem duyarlılığını arttırdığını ortaya koymuştur. Kesme yönlü ve eliptik titreşimli kesmede geleneksel kesme işlemine göre iş parçası şekil hatası azalmıştır. Ayrıca eliptik titreşimli kesme talaş oluşumunu minimize etmektedir. 3561

Kesme yönlü titreşimli kesmede talaş boyu azalmıştır. Eliptik titreşimli kesme ise talaş boyunu sıfıra kadar sönümleyebilmektedir. Bu durum kesme bölgesindeki gerilmelerin minimize edilmesi anlamını taşımaktadır [14]. Eliptik titreşimli kesme işlemi düşük kesme kuvvetleri, yüksek kesme hassasiyeti ve talaş oluşumunun minimize edilmesiyle minyatür yüzeylerin üretiminde kullanılmaktadır. Geleneksel kesme işleminde işlenmiş iş parçası yüzeyi yan ve çıkış talaşları içerebilmektedir. Eliptik titreşimli kesmede kesme kuvvetleri azalır, talaş oluşumu engellenir ve işlenmiş yüzeylerin kalitesi artar. Guo ve Ehman [15-16] Al 6061 malzemenin eliptik titreşimli kesme işlemini gerçekleştirmişler ve yapısal incelemesini yapmışlardır. Ayrıca takım titreşim doğrultusunun, kesme hızının, ilerleme hızının ve takım geometrisinin etkilerini çalışmışlardır. Eliptik titreşimli kesme işleminin yüzey kalitesini arttırdığını gözlemlemişlerdir. İşlenmesi zor çelikler (yüksek karbonlu ve alaşımlı çelikler) kalıp, takım parçaları ve otomotiv-uçak yapılarında kullanılmaktadır. Bu malzemelerin doğrudan işlenmesi maliyet düşürücü olmakla birlikte yüksek takım aşınması sebebiyle yüksek kalitede yüzey elde edilmesi önemli bir sorundur. Elmas takımların yüksek kalitede yüzey elde etmek için demir dışı malzemelerin kesilmesinde oldukça yaygın kullanılmasına rağmen demir malzemelerin kullanılmasında uygun değildir. Karbon ve demirdeki yüksek kimyasal benzeşme artan takım aşınmasına neden olur. Buna karşın Kumabe [17] ultrasonik titreşimin yardımıyla elmas takımlarla çeliklerin kesilebileceğini göstermiştir Moriwaki ve Shamoto [18] paslanmaz ve sertleştirilmiş çeliğin tek kristal elmaslı takımlarla kesme ve eliptik yönlü titreşimli işlemini gerçekleştirmiş, ultrasonik yardımlı işlemenin demir malzemelerin işleminde üstün özellikler gösterdiğini gözlemlemişlerdir (Düşük kesme kuvveti, yüksek yüzey kalitesi ve artan takım ömrü). İşlem maliyetlerini azaltmak amacıyla Zhou vd. [19] ve Zhang vd. [20], polikristal elmas takımların eliptik titreşimli kesmede kullanılmasını incelemişlerdir. Bu takımların tek kristalli elmas takımlara göre ucuz olması ve çeliklerin işlenmesinde efektif olarak kullanılabilmesi sebebiyle büyük avantajlar getirdiğini gözlemlemişlerdir. Geleneksel işleme yöntemleri yüksek takım aşınmaları üretirken kesme yönlü titreşimli işlemede takım aşınması minimize edilir. Elmas takımlarda takım aşınmasının sönümlenmesi mekanizması ultrasonik yardımlı işleme için henüz anlaşılmamıştır. İş parçası takım arasındaki aralıklı temas ve kesme kuvvetinin düşmesinin ultrasonik yardımlı işlemede daha az ısı yarattığı varsayılır. Bu durum kimyasal reaksiyon hızını ve elmas grafitlenme hızını düşürür. Fakat tüm nümerik, analitik ve deneysel araştırmalar bu hipotezi doğrulamamaktadır. Zhang vd. [21] sıcaklık ölçümleri ve kesme enerjisi hesaplamaları gerçekleştirmişlerdir. Ultrasonik yardımlı işlemede kesme sıcaklığının ve enerji tüketiminin geleneksel kesme işleminden daha düşük olmadığını gözlemlemişlerdir. Kalıpların, takım parçalarının ve farklı çelik malzemelerin mikro-nano yapıları üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmiştir. Suzuki vd. [22] nano boyuttaki işlemi gerçekleştirmek için çeliklerin elmas takımlarla işlenmesinde eliptik titreşimli kesme işlemini kullanarak mikro-nano yapı oyma yöntemini önermişlerdir. Bu işlemde genliği kontrol ederek kesme derinliği hızlıca değiştirilebilir böylece mikro-nano yüzeylerde yüksek performans sağlanabilir. Titanyum, kobalt, tungsten ve nikel esaslı süper alaşımlar havacılık, enerji, tıp ve otomotiv endüstrisinde mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklerinden dolayı (yüksek korozyon dayanımı, yüksek sertlik, yüksek çekme mukavemeti, yüksek ısıl ve aşınma dayanımları) tercih edilmektedir. Bu iyi özelliklerinin yanında düşük termal iletkenlik ve takım malzemesiyle yüksek kimyasal benzeşme işlenebilirliğe zarar vermektedir. Genel olarak bu alaşımların işlenmesi düşük kesme hızları ve kesme derinlikleriyle karakterize edilir. Bu durum düşük talaş kaldırma hızına yol açar ki bu durum istenmeyen bir durumdur. Ayrıca düşük termal iletkenlik yanal ve talaş yüzeylerinde yoğun ısı bölgelerine yol açar. Bu durum takım aşınmasını arttırır ve takım ömrünü düşürür. İşlemler gerçekleştirilirken kesme sıvısı ısıyı dağıtmak ve takım aşınmasını düşürmek için genellikle kullanılır. Fakat soğutucunun bıraktığı atıkların doğaya zararlarını engellemek pahalıdır. Ultrasonik yardımlı işleme, işlenmesi zor bu alaşımların yüksek verimlilikte işlenmesine yardımcı olur. 2.3.2. Kırılgan malzemelerin işlenmesi Kırılgan malzemeler (Amorf malzemeler, tek kristalli malzemeler, sinterlenmiş alaşımlar ve seramik- 3562

ler) kendilerine has fiziksel ve mekanik özelliklerinden dolayı yoğun olarak kullanılmaktadır. Özellikle kırılgan malzemelerden komplike optik parçaların yapımında ultra-hassasiyetli işlemlerin kullanılması nedeniyle kırılgan malzemelerde istenen yüzey kalitesinin sağlanması geleneksel yöntemlerle güçtür. Çalışmalar kırılmayı engellemek için kırılgan malzemelerin sünek deformasyon rejiminde işlenmesi gerektiğini ortaya koymuştur. Pratikte sünek rejimli işleme ekonomik değildir çünkü kesme derinliği 1 mikron ve altındadır ve bu durum düşük talaş kaldırma hızlarına ve yüksek işlem sürelerine yol açar. Ultrasonik yardımlı işleme sünek işlemeler için yeterli değildir çünkü titreşim ile kırılgan kırılma (brittle fracture) başlatılır ve kolaylaştırılır. Buna karşın Moriwaki vd. [23] düşük kuvvet seviyelerinde titreşimin kırılgan kırılmaya neden olmadığını deneysel olarak göstermişlerdir. Fakat birkaç defa kritik kesme derinliğinin artması sünek kesme elde edilebilir. Bu bulgu ekonomik yönden kırılgan malzemelerin sünek bir rejimde kesilmesi için iyi bir yöntem önerir. Silikon, germanyum, kalsiyum florid fiziksel ve mekanik özelliklerinde anizotropiktir. Böylece işleme karakteristikleri (kritik kesme derinliği, spesifik enerji, talaş oluşumunun mekaniği, kesme kuvvetlerindeki değişimler) kristal yapıya ve kesme yönlerine bağlıdır. Suzuki vd. [24] tek kristalli kalsiyum floridi farklı kristal doğrultuları boyunca kesmişlerdir. Kırılma olmamış düzgün parlak yüzeyleri büyük kesme derinliklerinde özellikle [12 1] doğrultusunda elde edebilmişlerdir. Buna karşın geleneksel tornalamada kırılmalar ve ayrılmalar gözlemlemişlerdir. Kırılmasız yüzey elde etmek için kritik kesme derinliği eliptik titreşimli kesme tarafından ciddi derecede artmaktadır. (100) ve (111) yüzeylerin tüm yönlerinde bu derinlik 1 mikrona ulaşmaktadır. Bunun sebebi her titreşim çevriminde anlık kesme derinliğinde ve kesme kuvvetlerindeki düşüştür. Sinterlenmiş alaşımların sünek kesimine yönelik çalışmalar takım endüstrisinde geniş kullanım alanına sahip olduğundan dolayı tungsten karbür üzerine yoğunlaşmıştır. Tungsten karbür parçalar maliyetli ve zaman alıcı bir yöntem olan toz metalurjisi yöntemiyle üretilir. Suzuki vd. [24] tungsten karbürün eliptik titreşimli kesimini incelemişlerdir. Eliptik titreşim uygulandığında derin kesme derinliklerinde sünek işleme gözlemlenmiş fakat geleneksel işlemede aynı şey gözlemlenmemiştir. Eliptik titreşimli kesmede düzgün parlak yüzeyler elde edilirken, geleneksel tornalamada mikro çatlaklar nedeniyle kaba yüzeyler elde edilmiştir. Ayrıca 1 mikron kesme derinliğinde eliptik titreşimli kesmede kuvvet kesme doğrultusunda geleneksel işlemeye göre 17 kat düşüktür. Liu vd. [25-26] geleneksel ve ultrasonik yardımlı işlemde sünek moddan kırılgan moda geçişte bir geçiş bölgesinin olduğunu gözlemlemişlerdir. Ultrasonik yardımlı işlemede kritik kesme derinliğinin daha geniş olduğunu gözlemlemişlerdir. Ayrıca, talaş kaldırma oranının (kaldırılan malzemenin hacmi/işlenen kanalın hacmi) 1 e yaklaştığını gözlemlemişlerdir. Nath vd. [27-29] tungsten karbürün eliptik titreşimli işleminde kesme koşullarının, titreşim parametrelerinin ve takım geometrilerinin kesme kuvveti, takım aşınması, talaş oluşumu ve yüzey kalitesine etkilerini çalışmışlardır. Eliptik titreşimli kesimin kesme performansı açısından olumlu sonuç verdiğini gözlemlemişlerdir. 4 mikron değerinde kritik kesme derinliği ve takım uç radyusu 0,6 mm olarak kullanmışlardır. Bu değerlerde eliptik titreşimli kesme işlemi en iyi şekilde gerçekleştirilmiştir. Azalan hız oranının (takım ilerleme hızı/kesme doğrultusunda maksimum titreşim hızı) performansı iyileştirdiğini gözlemlemişlerdir. Seramik malzemeleri verimli işleyebilmek için geçmişte birçok geleneksel ve geleneksel olmayan yöntemler kullanılmıştır. Zirkonya, alümina, silikon nitrit ve optik seramikler üzerine yapılan ultra-hassas işlemelerde kırılmayı engellemek için kesici takıma ultrasonik titreşim uygulanmıştır. Fakat hiçbir çalışmada sünek modda işleme gözlemlenmemiştir. Cam seramiklerin karbür takımlarla ultrasonik yardımlı işlenmesinde Weber vd. [30] takım ömrünün geleneksel takıma göre 20 kat arttığını gözlemlemişlerdir. Fakat Amini vd. [31] alüminanın PCD kesici uçlarla ultrasonik titreşimlerle kesilmesinde geleneksel yöntemlere göre daha fazla aşınma gözlemlemişlerdir. 2.3.3. Kompozit malzemelerin işlenmesi Kompozit malzemeler kendilerine özgü dayanım, sertlik/ağırlık oranları nedeniyle oldukça yoğun olarak kullanılmaktadır. Buna karşın homojen olmayan, anizotropik ve abrasif parçacıklarla takviyeli durum nedeniyle bu malzemelerin işlenmesi oldukça zordur. Geleneksel yöntemlerin kullanılması kompozit iş parçalarına büyük zarar vermekte ve kesici takımlar yüksek aşınmalara maruz kalmaktadırlar. SiC parçacık takviyeli alüminyum alaşımlı matrisler (SiCp/Al) bu konuda başlıca çalışmaları oluştur- 3563

maktadır. Ultrasonik yardımlı kesmenin yararları metal matrisli kompozitlerde birçok çalışmada gözlemlenmiştir. Geleneksel işleme yüzeyde çukurlar ve çatlaklar bırakır fakat ultrasonik yardımlı işlemle daha iyi yüzeyler elde edilebilir. Zhao vd. [32] metal matrisli kompozitlerde talaş kaldırmanın gevrek olduğunu fakat ultrasonik yardımlı işlemede bu sürecin sünek olduğunu gözlemlemişlerdir. Ayrıca, ultrasonik yardımlı işleme yırtılmaların, plastik deformasyonun ve yığıntı talaş oluşumunun etkisini azaltmaktadır. PCD takımlarla yüzey düzgünlüğü karbür takımlara göre daha iyi elde edilmiştir. Takeyama ve Iijima [33], Kim ve Lee [34] cam ve karbon fiberle güçlendirilmiş kompozitlerin kesme doğrultusunda titreşimli kesmelerini çalışmışlardır. Kesme kuvvetlerinin ve yüzey kalitesinin iyileştiğini gözlemlemişlerdir. Xu vd. [35-37] fiberle güçlendirilmiş plastik kompozitlerin kesme, normal ve eliptik doğrultuda titreşimli kesme işlemleri için deneysel ve nümerik çalışma gerçekleştirmişlerdir. Kesme doğrultusunda titreşimli kesmelerin kesme kuvvetlerini düşürmede daha etkili olduğunu fakat normal doğrultusundaki titreşimli kesmenin talaş kaldırma açısından avantajlı olduğu gözlemlenmiştir. Eliptik titreşimli kesmede her iki doğrultuda titreşim uygulandığı zaman optimum kesme prosesine ulaşıldığı, daha düşük kesme kuvvetlerinin elde edildiği, daha gelişmiş yüzey bütünlüğünün sağlandığı ve takım ömrünün arttığı görülmüştür. Buna ilave olarak kesme doğrultusunda takım ilerleme hızı/maksimum titreşim hızı oranının ve tek titreşim çevrimindeki kesme mesafesinin fiber çapına oranının önemli parametreler olduğunu gözlemlemişlerdir. Eliptik titreşimli kesmenin avantajlarından yararlanmak için bu iki parametrenin kritik değerlerden düşük olması gerekir. 2.4. Ultrasonik Yardımlı İşlemenin Yararları Ultrasonik yardımlı işlemenin yararları aşağıdaki şekilde özetlenebilir [1]: 1. Kesme kuvvetlerinin ve gerilmelerin düşmesi: Bir ve iki boyutlu titreşimli kesme talaş geometrisini değiştirir, ayrıca iş parçası-takım arasındaki etkileşim değişerek daha ince ve küçük talaşlar oluşur. Böylece talaşı kaldırmak için gerekli kuvvet düşer. Kesme kuvvetlerinin düşmesi düşük gerilmelere yol açar. Periyodik kopmalar gerilme yönünden işlemi rahatlatır ve iyi bir soğutma sağlar. Takım hızının talaş hızını geçmesi azalan itme kuvveti sayesinde ters yönlü takım-talaş sürtünmesi oluşturur. 2. Kesme sıcaklıklarının düşmesi: Takım-iş parçasının periyodik hareketi sayesinde boşluk oluşması ısının takım ve iş parçası arasında dağılmasını sağlar ve ciddi bir soğutma etkisi yaratır. Özellikle iki boyutlu eliptik titreşimli işlemede iş parçası-takım temas alanı farklı noktalarda değişerek sıcaklığını düşürür. 3. Takım ömrünün artması: Kesme kuvvetlerinin, gerilmelerin azalması ve periyodik aralıklar zor işlenen malzemelerde takım ömrünü ciddi derecede iyileştirir. Kesikli temas takımı soğutur ve aşınmayı azaltır. 4. Yüzey kalitesinin ve hassasiyetinin artması: Düşük kesme kuvvetleri, iş parçasına bağlı titreşimin genliğini azaltır. Düşük sürtünme düşük sıcaklıkları tetikler, yüzey altındaki çatlamalar azalır ve sürekli olmayan talaş oluşumu yüzey pürüzlülüğünü azaltır. 5. Kırılgan malzemelerin sünek rejimde kesilmesi: Kesici takım üzerindeki düşük kesme kuvvetleri işlenmiş yüzeyin altındaki kesme derinliğini azaltır ve mikro çatlakların ilerlemesini önler. Sünek kesme rejimini arttırır. 6. Talaş yığıntı oluşumunun önlenmesi: Anlık basınç ve eğme gerilmelerinin azalması ve kesme kuvvetinin düşmesi kesintili talaş oluşumunu sağlar. 3. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada ülkemizde yaygın olmayan bir üretim yöntemi olan ultrasonik yardımlı işleme tekniği incelenmiştir. Bu tekniğin işlenmesi zor olan malzemelerde hassas işlem konusunda avantajlı olduğu görülmüştür. Bu yöntemle geleneksel yönteme göre kesme kuvvetleri, yüzey pürüzlülüğü ve takım aşınması azalır. Kesme sıcaklığı düşer ve iş parçasının daireselliği artar. İlerleyen çalışmalarda bu yöntemle diğer yöntemler birleştirilerek melez üretim yöntemleri çalışılabilir (Isı+ultrasonik titreşim vb.) 3564

TEŞEKKÜR Yazar, Tübitak kurumuna TÜBİTAK 2228-B programı desteği için teşekkür eder. REFERANSLAR [1] Brehl, D.E. ve Dow, T.A., (2008), Review of vibration-assisted machining, Precision machining, 32, 153-172. [2] Adnan, A.S. ve Subbiah, S., (2010), Experimental investigation of transverse vibration-assisted orthogonal cutting of Al-2024, Int. J. Mach. Tools Manuf. 50, 294 302. [3] Ahmed, N., 2013, Ultrasonically assisted Turning: effects on surface roughness, World Appl. Sci. J. 27, 201-206. [4] Jamshidi, H. ve Nategh, M.J., (2013), Theoretical and experimental investigation of the frictional behavior of the tool chip interface in ultrasonic vibration assisted turning, Int. J. Mach. Tools Manuf. 65, 1 7. [5] Muhammad, R. Ahmed, N. Roya, A.. Silberschmidta, V.V., (2012), Numerical modeling of vibration-assisted turning of Ti-15333, Procedia CIRP. 1 377 382. [6] Patil, S. Joshi, S. Tewari, A. Joshi S.S., (2014), Modelling and simulation of effect of ultrasonic vibrations on machining of Ti6Al4V, Ultrason. 54, 694-705. [7] Cerniway, MA, (2001), Elliptical diamond milling: kinematics, force, and tool wear. MS thesis. North Carolina State University. [8] Ding, H. Ibrahim, R. Cheng, K. Chena, S.-J. (2010), Experimental study on machinability improvement of hardened tool steel using two dimensional vibration-assisted micro-end-milling, Int. J. Mach. Tools Manuf. 50, 1115 1118. [9] Liana, H. Guoa, Z. Huanga, Z. Tanga, Y. Songa, J., (2013), Experimental research of Al-6061 on ultrasonic vibration assisted micro-milling, Procedia CIRP. 6, 561 564. [10] Shen, X.-H. Zhang, J.-H. Li, H. Wang, J.-J. Wang, X.-C.,(2012), Ultrasonic vibration-assisted milling of aluminum alloy, Int. J. Adv. Manuf. Technol. 63, 41 49. [11] Kumar, M.N., Subbu, K., Krishna, V., Venugopal, A., (2014), Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining: A Review, Procedia Engineering, 97, 1577-1586. [12] Liang, Z. Wub, Y. Wanga, X., (2010), A new two-dimensional ultrasonic assisted grinding (2D-UAG) method and its fundamental performance in mono crystal silicon machining, Int. J. Mach. Tools Manuf. 50,728 736. [13] Liu, J. Zhang, D. Qin, L. Yan, L., (2012), Feasibility study of the rotary ultrasonic elliptical machining of carbon fiber reinforced plastics (CFRP), Int. J. Mach. Tools Manuf. 53, 141 150. [14] Xu W, Zhang L, 2015, Ultrasonic vibration-assisted machining: principle, design and application, Adv. Manufacturing, 3(3), 173-192. [15] Guo, P, Ehmann, K.F., (2013a), An analysis of the surface generation mechanics of the elliptical vibration texturing process, Int. J. Mach. Tools Manuf. 64, 85-95. [16] Guo P, Ehmann KF, (2013b), Development of a tertiary motion generator for elliptical vibration texturing. Precis Eng 37:364 371 [17] Kumabe J., (1979), Fundamentals and applications: ultrasonic cutting. Jikkyou Publishing Co. [18] Moriwaki T, Shamoto E, (1991), Ultraprecision diamond turning of stainless steel by applying ultrasonic vibration. CIRP Ann 40:559 562 [19] Zhou M, Eow YT, Ngoi BKA, (2003), Vibration-assisted precision machining of steel with PCD tools. Mater Manuf Process 18:825 834 [20] Zhang XQ, Kumar AS, Rahman M, (2011), Experimental study on ultrasonic elliptical vibration cutting of hardened steel using PCD tools. J Mater Process Technol 211:1701 1709 [21] Zhang XQ, Liu K, Kumar AS, (2014), A study of the diamond tool wear suppression mechanism in vibration-assisted machining of steel. J Mater Process Technol 214:496 506 3565

[22] Suzuki N, Yokoi H, Shamoto E, (2011), Micro/nano sculpturing of hardened steel by controlling vibration amplitude in elliptical vibration cutting. Precis Eng 35:44 50 [23] Moriwaki T, Shamoto E, Inoue K, (1992), Ultraprecision ductile cutting of glass by applying ultrasonic vibration. CIRP Ann 41:141 144 [24] Suzuki N, Masuda S, Haritani M, (2004), Ultraprecision micromachining of brittle materials by applying ultrasonic elliptical vibration cutting. In: Proceedings of the 2004 International symposium on micro-nanomechatronics and human science, pp 133 138. [25] Liu K, Li XP, Rahman M., (2004), Study of ductile mode cutting in grooving of tungsten carbide with and without ultrasonic vibration assistance. Int J Adv Manuf Technol 24:389 394 [26] Liu K, Li XP, Rahman M, (2008), Characteristics of ultrasonic vibration-assisted ductile mode cutting of tungsten carbide, Int J Adv Manuf Technol 35:833 841 [27] Nath C, Rahman M, Neo KS, (2009a), Machinability study of tungsten carbide using PCD tools under ultrasonic elliptical vibration cutting. Int J Mach Tool Manuf 49:1089 1095 [28] Nath C, Rahman M, Neo KS, (2009b), A study on the effect of tool nose radius in ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide. J Mater Process Technol 209:5830 5836 [29] Nath C, Rahman M, Neo KS, (2009c), A study on ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide. J Mater Process Technol 209:4459 4464 [30] Weber H, Herberger J, Pilz R, (1984), Turning of machinable glass ceramics with an ultrasonically vibrated tool. CIRP Ann 33:85 87 [31] Amini S, Khosrojerdi MR, Nosouhi R, (2014), An experimental investigation on the machinability of Al2O3 in vibrationassisted turning using PCD tool. Mater Manuf Process 29:331 336. [32] Zhao B, Liu CS, Zhu XS, (2002), Research on the vibration cutting performance of particle reinforced metallic matrix composites SiCp/Al., J Mater Process Technol 129:380 384 [33] Takeyama H, Iijima N, (1988), Machinability of glassfiber reinforced plastics and application of ultrasonic machining. CIRP Ann 37:93 96 [34] Kim JD, Lee ES, (1994), A study of the ultrasonic-vibration cutting of carbon-fiber-reinforced plastics. J Mater Process Technol 43:259 277 [35] Xu WX, Zhang L, Wu YB, (2012), Micromechanical modelling of elliptic vibration-assisted cutting of unidirectional FRP composites. Adv Mater Res 591:531 534 [36] Xu W, Zhang L, (2014a), On the mechanics and material removal mechanisms of vibration-assisted cutting of unidirectional fibrereinforced polymer composites. Int J Mach Tools Manuf 80:1 10 [37] Xu W, Zhang LC, Wu Y, (2014b), Elliptic vibration-assisted cutting of fibre-reinforced polymer composites: understanding the material removal mechanisms. Compos Sci Technol 92:103 111 3566