6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Kesici Takım Kaplama Malzemesinin Mikro Frezeleme İşleminde Takım Elastik Deformasyonu Üzerindeki Etkisi İ. Ucun 1, K. Aslantaş 1, F. Bedir 2 1 Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 03200 Afyonkarahisar. irfanucun@aku.edu.tr, aslantas@aku.edu.tr 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 32000 Isparta. fbedir@mmf.sdu.edu.tr Effect of Cutting Tool Coating Material on Tool Elastic Deformation in Process Micro End Milling Abstract In this study, effect of tool wear and coating material on tool elastic deformation was investigated in micro end milling process. Cutting processes were carried out using three different uncoated and two different coated micro end mill (AlTiN, CrN) having 740 µm diameter and two flute. Nevertheless, this study was carried out for three different feed rate and depth of cut. In addition, It was carried out on 17000 rpm (39,5 m/min) constant revolution speed and under dry cutting condition. Elastic deformation value of end mills were measured by using a laser displacement measuring device. The result indicated that elastic deformation value of end mill coated with CrN was smaller as compared to another end mills. Also it showed that elastic deformation of end mills were increase as depend on tool wear. Especially It determined that wear on uncoated end mill was fastter as compared to another end mills and as a its result, elastic deformation value of end mill was increase. KeyWords Micro end milling, Inconel 718, Coated tool, Elastic deformation, Wear. I. GİRİŞ Gelişen teknolojiyle birlikte, çok daha yüksek hassasiyetli ve minyatür boyutlardaki endüstriyel ürünlere olan ilgi artmaktadır. Özellikle havacılık ve uzay sanayi, biomedikal ve tıp endüstrisi bu tür ürünlere yoğun bir şekilde talepte bulunmaktadır. Bu doğrultuda minyatür boyuttaki endüstriyel ürünlerin imalatı ise, popüler bir mühendislik araştırma konusu olarak gün yüzüne çıkmaktadır. Mikro ekipman imalatında karşılaşılan en önemli güçlüklerden birisi hiç şüphesiz kesici takımda meydana gelen hasarlardır. Özellikle, talaşlı imalatı zor olan malzemelerin işlenmesinde çok kısa takım ömrü yada takımda beklenmedik lar bu işlemin önündeki en önemli kısıtlamalardır[1-6]. Takımda meydana gelen hasar durumu elde edilen ürünün kalitesini doğrudan etkilemektedir. Özellikle mikro imalatta kritik bir parametre olan kesici takımın kesme sırasındaki elastik 106 deformasyonu, imalatı gerçekleştirilen ürünün boyutlarında ve geometrisinde hatalara sebebiyet vermektedir [7,8] (Şekil 1). Mikro frezeleme işleminde kesici takımda meydana gelen elastik deformasyonun temel nedeni takım çapının çok küçük olmasıdır. Bununla birlikte mikro takımlardaki elastik deformasyonu en fazla etkileyen parametre ilerleme hızı ve talaş derinliğidir [9-12]. Yüksek ilerleme hızı ve talaş derinliği kesici takıma gelen kuvveti artırmakta ve dolayısıyla takımda elastik bir şekil değişimi meydana getirmektedir. Kesme işlemi sırasında kesici takım rijitliğinin sağlanması ve takımın kapasitesini aşan yükün azaltılması öncelikle ilerleme hızının ve kesme derinliğinin optimize edilmesiyle sağlanabilir [13]. Aksi takdirde çok ince bir kesite sahip kesici takıma, çok daha fazla yükün gelmesi, hem takım ömrünü olumsuz etkiler hemde kesici takıma ait köşe radiüsünün artmasına neden olur. Bunun sonucu olarak ta mikro frezelemenin temel sorunlarından olan kesici takımda ani lar meydana gelmekte yada işlenen makine ekipmanında ölçüsel ve geometrik hatalar oluşmaktadır. Bunun dışında kesme sırasında yeterli rijitliğin sağlanmaması ve takımda meydana gelen aşınmada elastik deformasyonu artıran bir diğer etkendir [8]. Aşınma, özellikle kesici takımın kenar geometrisini önemli oranda değiştirdiğinden, talaş kaldırma işleminin sağlıklı bir şekilde gerçekleşmemesine neden olmaktadır. Yani takımın, kesme özelliğini yitirmesi, maruz kaldığı yükün de artmasına neden olmaktadır. Şekil 1. Elastik Deformasyonun iş parçasında meydana getirdiği ölçüsel hatanın şematik bir gösterimi
Kesici Takım Kaplama Malzemesinin Mikro Frezeleme İşleminde Takım Kesme işlemi boyunca takımdaki elastik şekil değişimine yönelik literatürde farklı yaklaşımlar görmek mümkündür[7,14,15]. Bu yaklaşımlarda elastik şekil değişimi, oluşan kesme kuvvetlerinden yola çıkılarak analitik modellerle hesaplanabildiği gibi, kesici takımın geometrisi referans alınarak oluşturulan sonlu eleman modelleriyle de yaklaşık çözüm elde etmek mümkündür [14]. Ayrıca kullanılan kesici takım ankastre bir kiriş olduğu varsayılarak (Şekil 2) denklem 1 yardımıyla hesaplamak mümkündür. Burada, elastik çökme, F, kuvvet L, Kesici takımın uzunluğu, d, kesici takımın çapı E ise kesici takım malzemesinin elastisite modülünü ifade etmektedir. düzeneğine ait fotoğraf ve elastik deformasyon ölçüm yönteminin şematik ifadesi Şekil 4 te verilmiştir. Bunun için saniyede 20.000 data alma kapasitesine sahip Keyence marka lazer ünite kullanılmıştır. Lazer ünitenin ölçüm yapan kısmı tezgahın iş miline (iş milinin hareketsiz kısmına) monte edilerek iş mili ile birlikte hareket etmesi sağlanmıştır. Kesme işleminin başlamasıyla birlikte kesici takımda meydana gelen deformasyon lazer ile mikro takım arasındaki mesafe artışı şeklinde gerçekleşmiştir. Elde edilen bu veriler lazer üniteye ait özel yazılım sayesinde bilgisayara kaydedilmiştir. Şekil 2. Elastik şekil değişiminin hesaplanmasında kullanılan kiriş modeli Şekil 3. Kullanılan mikro frezeye ait geometrik özellikler. (1) Yapılan bu çalışmada ise, Inconel 718 süper alaşımının AlTiN ve CrN kaplanmış ve kaplanmamış mikro takımlar kullanılarak yapılan kesme işleminde kesici takımda meydana gelen elastik deformasyon miktarı tespit edilmiştir. Farklı talaş derinliği ve ilerleme değerleri altında her bir takım için kesme deneyleri yapılmıştır. Böylece mikro frezelemede kaplama türü ve kesme parametrelerinin takım elastik deformasyonunu ne ölçüde etkilediği araştırılmıştır. II. MATERYAL VE METOD İnconel 718 süper alaşımının mikro frezeleme işleminde,740µm çaplı ve iki kanallı üç farklı kesici takım (AlTiN, CrN kaplı ve WC-Co kaplamasız karbür) kullanılmıştır. Kesme deneylerinde 75, 150, 200 mm/dk ve 0,05, 0,1, 0,2 mm olmak üzere üç ayrı ilerleme hızı ve kesme derinliği değeri ile 17000 dev/dk (39,5 m/dk) sabit dönme hızı ve kuru kesme koşulları dikkate alınmıştır. Kullanılan mikro kesici takıma ait geometrik özellikler Şekil 3 te verilmiştir. Elastik deformasyon ölçümleri takımda meydana gelebilecek aşınma ihtimalide göz önüne alınarak 5 mm lik bir kesme işlemi boyunca gerçekleştirilmiştir. Ayrıca aşınmanın elastik deformasyon üzerindeki etkisini ortaya koymak adına herbir takımla 75 mm/dk ilerleme hızı ve 0,1 mm kesme derinliğinde toplam 100 mm lik bir kesme işlemi boyunca elastik deformasyon ölçülmüş ve kesme işlemi sonunda takımlarda meydana gelen aşınmalar mikroskop vasıtasıyla görüntülenmiştir. Mikro takımda meydana gelen elastik deformasyon miktarı lazer deplasman ölçüm ünitesiyle kesme anında tespit edilmiştir. Deney Şekil 4 lazer ölçüm işleminin şematik gösterimi ve deney düzeneği III. SONUÇLAR ve TARTIŞMA A. Kaplamanın Elastik Deformasyon Üzerindeki Etkisi Şekil 5 te kaplama malzemesinin ve kesme parametrelerinin elastik deformasyon üzerindeki etkisi verilmiştir. Grafiklerde dikkat çeken ilk nokta, elastik deformasyonun kaplamasız karbür takımda daha fazla olmasıdır. Elastik deformasyon açısından performansı en iyi takım ise, CrN kaplı kesici takımdır. 200 mm/dk ilerleme hızında yapılan bir değerlendirmede, CrN kaplı kesici takımda elastik deformasyon 0,05 mm kesme derinliğinde yaklaşık 5 µm olarak görülürken, aynı 107
Elastik Deformasyon ( ) (mm) Elastik Deformasyon ( ) (mm) İ. Ucun, K. Aslantaş, F. Bedir koşullar altında, kaplamasız kesici takımda bu değer, yaklaşık 2 kat artarak 10 µm civarında elde edilmiştir. Bunların dışında, AlTiN kaplı kesici takım ise, kaplamasız karbür takıma nazaran iyi, fakat CrN kaplı kesici takıma nazaran elastik deformasyon miktarı daha büyüktür. Kaplamalı kesici takımların elastik deformasyon noktasında gösterdikleri bu olumlu performans, kaplama malzemesinin mikro sertlik değerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Artan mikro sertlik değeri kesme sırasında takımın daha rijit bir davranış göstermesine sebep olmaktadır. Nitekim yapılan bazı bilimsel çalışmalarda sertlik değerinin takımın elastik deformasyonu konusunda belirleyici bir parametre olduğuna değinilmiştir [15-16]. Şekil 5 teki grafiklerden çıkarılacak bir diğer sonuç ise, ilerleme hızı ve kesme derinliğinin takım elastik deformasyonu üzerindeki etkisidir. Her iki grafiğe de bakıldığında ilerleme hızı ve kesme derinliği parametrelerinin elastik deformasyon noktasında benzer bir karakteristik sergilemektedir. 200 mm/dk ilerleme hızında kesme derinliğinin artmasıyla birlikte elastik deformasyonun arttığı görülmektedir. Bütün takımlar için en düşük değer 0,05 mm kesme derinliğinde meydana gelirken max. sonuç ise 0,2 mm kesme derinliğinde oluşmuştur. Şekil 5b de 0,1 mm kesme derinliği referans alınarak elde edilen grafikte ise, ilerleme hızıyla birlikte elastik deformasyon miktarındaki değişim görülmektedir. Kesici takımda meydana elastik deformasyon miktarını belirleyen en önemli parametreler şüphesiz ilerleme hızı ve kesme derinliği değerleridir. Çünkü deformasyon miktarı kesme sırasında takıma gelen yükle doğru orantılıdır. Bu iki parametre ise, kesme işleminde kaldırılan talaş hacmini artırdığı için, artan talaş hacmiyle birlikte kesici takıma etkiyen kuvvet te artmaktadır. Dolayısıyla elastik deformasyon miktarı da buna paralel olarak artmaktadır. Literatürde yapılan çalışmalarda ise elastik deformasyonun azaltılması için öncelikle kesme kuvvetlerinin azaltılması gerektiği bunun sağlanması içinde ilerleme hızı, kesme derinliği gibi parametrelerin optimizasyonuyla sağlanabileceği yönünde yaklaşımlar vardır [17]. 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 AlTiN WC 200 mm/dk CrN 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0,1 mm WC AlTiN CrN 0 0 50 100 150 200 250 300 İlerleme Hızı (mm/dk) b) Şekil 5. Kaplama malzemesi ve kesme parametrelerinin elastik deformasyon üzerindeki etkisi. B. Aşınmanın Elastik Deformasyon Üzerindeki Etkisi 75 mm/dk ilerleme hızı ve 0.1 mm kesme derinliğinde yapılan deneylerde kesici takımda meydana gelen aşınmanın takımın elastik deformasyonu üzerindeki etkisi Şekil 6 da verilmiştir. Her üç kesici takım içinde ortak olan nokta kesici takımda meydana gelen elastik deformasyon miktarının zamana bağlı olarak artmış olmasıdır. Grafikler, Şekil 7 de verilen ve kesme işlemi sonunda kesici takımlar üzerinde yapılan mikroskobik inceleme sonucunda elde edilen takım resimleriyle birlikte değerlendirildiğinde, meydana gelen bu artışın nedeninin takımda meydana gelen aşınmanın olduğu güçlü bir ihtimal olarak görülmektedir. Çünkü kesme işlemini gerçekleştiren kesici takımda meydana gelen bir aşınma, kesme işleminin karakterini doğrudan etkileyecektir. Aşınmayla birlikte kesici kenarın yarıçapı büyüyerek takım daha fazla sürtünmeye ve daha fazla yüke maruz kalacaktır. Mikro frezeleme işleminde kesici kenar radüsünün aşırı büyümesi ise, kazınmaya neden olur. Bunun sonucunda talaş, takım üzerinde yığılır ve çapak oluşumu artar. Kesici özelliğini kaybeden takım, kesme işlemi boyunca daha fazla elastik deformasyona hatta bir noktadan sonra ya maruz kalır. WC-Co ve AlTiN kaplı kesici takımlara ait grafiklerine bakıldığında, belirli bir seviyeye kadar artan deformasyonun daha sonra azalmaya başladığı görülmektedir. Bu takımlara ait mikroskop görüntülerinde kesici takımların kesici kenarlarında ların olduğu gözlemlenmiştir. Kesici takımın uç geometrisinde meydana gelen mikro boyutundaki lar kesilmeye çalışılan talaş kesitinin değişmesine/azalmasına neden olmuştur. Bunun sonucunda takıma etkiyen kesme yükü azaldığından elastik deformasyon miktarı da azalmıştır. 0,01 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Talaş derinliği (mm) a) 108
Kesici Takım Kaplama Malzemesinin Mikro Frezeleme İşleminde Takım WC-Co Takım kenarında AlTiN Takım kenarında CrN Kesici kenarda aşınması Takım kenarında Şekil 6 Aşınmanın kesici takım elastik deformasyonu üzerindeki etkisi. Şekil 7 kesme işlemi boyunca takımlarda meydana gelen hasarlar 109
İ. Ucun, K. Aslantaş, F. Bedir IV. SONUÇ İnconel 718 süper alaşımının mikro frezelenmesin de kesici takım kaplama malzemesinin ve takım aşınmasının takım elastik deformasyonu üzerindeki etkisinin araştırılmasına yönelik yapılan bu çalışmanın sonunda kaplama malzemesinin kesme işlemi boyunca takımın elastik deformasyonu üzerinde olumlu bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Bu duruma özellikle kaplama malzemelerinin sahip olduğu sertlik değerlerinin sebep olduğu literatürdeki çalışmalar ışığında düşünülmektedir. Elastik deformasyon üzerinde, ilerleme hızı ve kesme derinliği değerlerinin de büyük bir etkiye sahip olduğu saptanmıştır. Artan ilerleme hızı ve kesme derinliği değerlerinin kesici takıma gelen kuvveti artırması bu duruma sebep olmaktadır. Kesme işlemi boyunca kesici takımda meydana gelen aşınmanın da elastik deformasyonu artırdığı elde edilen sonuçlar arasındadır. Yapılan mikroskobik incelemeler sonrasında takımda küçük lar ve abrasiv aşınma mekanizmasının etkin olduğu görülmüştür. Ayrıca takımda meydana gelen hasar tipi ve seviyesi deformasyonun karakteristiğini de değiştirdiği bir gerçektir. [12] Y., Altintas, Direct Adaptive Control of End Milling Process, Int.Mach. Tools Manufact., Vol. 34, No. 4, pp. 461-472, 1994. [13] D., Philippe, H., Jean-Yves Active integration of tool deflection effects in end milling. Part 1. Prediction of milled surfaces, International Journal of Machine Tools & Manufacture 46 937 944, 2006. [14] E., Uhlmann, and K., Schauer, Dynamic Load and Strain Analysis for the Optimization of Micro End Mills Berlin University of Technology, Berlin, 2002. [15] M. Y. Yang, J. G. Choi A Tool Deflection Compensation System for End Milling Accuracy Improvement, Journal Of Manufacturıng Scıence And Engıneerıng, 120, 222-229, 1998. [16] A. D., Thomas, L. M., Edward, G., Kenneth Tool force and deflection compensation for small milling tools, Precision Engineering 28, 31 45, 2004. [17] V.S. Rao, P.V.M. Rao, Tool deflection compensation in peripheral milling of curved geometries, International Journal of Machine Tools & Manufacture 46, 2036 2043, 2006. KAYNAKLAR [1] A. Simoneau, E. Ng, M.A. Elbestawi, Chip formation during microscale cutting of a medium carbon steel, International Journal of Machine Tools and Manufacture 46, 467 481, 2006. [2] X., Liu, R.E., DeVor, S.G., Kapoor, and K.F., Ehman, The mechanics of machining at the micro scale: assessment of the current state of the science. Journal of Manufacturing Science and Engineering 126, 666 678, 2004. [3] C.K. Ng, S.N. Melkote, M. Rahman, A.S. Kumar, Experimental study of micro-and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6, International Journal of Machine Tools and Manufacture 46, 929 936, 2006. [4] G. Bissacco, H.N. Hansen, L.D. Chiffre, Micromilling of hardened tool steel for mould making applications, Journal of Materials Processing Technology 167, 201 207, 2005. [5] T. Ozel, X. Lui, A. Dhanorker, Modelling and simulation of micro-milling process, in: Proceedings of the Fourth International Conference and Exhibition on design and production of machines and Dies/Molds. Cesme, Turkey, 21 23 June 2007. [6] O., Tansel, M., Rodriguez, E., Trujillo, Paz,W. Li, Micro-endmilling-I.Wear and breakage, International Journal of Machine Tools and Manufacture 38, 1419 1436, 1998. [7] D., Philippe, H., Jean-Yves Active integration of tool deflection effects in end milling.part 2. Compensation of tool deflection International Journal of Machine Tools & Manufacture 46, 945 956, 2006. [8] L.N. Lopez, Lacalle, A. Lamikiz, J.A. Sanchez M.A. Salgado Effects of tool deflection in the high-speedmilling of inclined surfaces Int J Adv Manuf Technol, 24: 621 631, 2004. [9] C. G., Sim, and M. Y., Yang, The Prediction of the Cutting Force in Ball-End Milling with a Flexible Cutter, Int. Mach. Tools Manufact., Vol. 33, No. 2, pp. 267-284, 1993. [10] Z., Yazar, K. F., Koch, T., Merrick, and T., Altan, Feed Rate Optimization Based on Cutting Force Calculations in 3-Axis Milling of Dies and Molds with Sculptured Surfaces, Int. Mach Tools Manufact., Vol. 34, No. 3, pp. 365-377, 1994. [11] Y. S Tarng, and S. T., Cheng, Fuzzy Control of Feed Rate on End Milling Operations, Int. Mach. Tools Manufact., Vol. 33, No. 4, pp. 643-650, 1993. 110