Kriyojenik İşlem Uygulanmış Tungsten Karbür Takımların Kesme

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
*
[email protected]
Geliş Tarihi: 05.11.2013
Kabul Tarihi: 12.02.2014
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
0C0’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 0C
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
1. GİRİŞ
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
0.08
2.0
0.75
0.045
0.03
Tablo 2. Ti-6Al-4V Alaşımının mekanik özellikleri
Çekme Dayanımı Akma Dayanımı
Sertlik, Rockwell C
900-1100 MPa
830 MPa
36
Al
16.0-18.0
V
10.0-14.0
% Uzama
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: 25302536.
6