Kompakt grafitli dökme demirde frezeleme işlemi sonrası kalıntı gerilmelerin incelenmesi ve kesme parametreleri için süreç optimizasyonu

Abstract

Kullanımı günden güne artan kompakt grafitli dökme demir, özellikle içten yanmalı motor parçaları malzemesi olarak tercih edilmektedir. Kompakt grafitli dökme demir; bir yandan küresel grafitli dökme demirin sahip olduğu mekanik özelliklere yakın değerler sergilerken, diğer yandan kır dökme demirin sahip olduğu ısıl özelliklere benzer değerler ortaya koymaktadır. Kır dökme demirle kıyaslandığı zaman, çekme dayanımının %75, uzama değerlerinin ise %40'a varan değerlerde artıyor olması, bu malzemeyi kullanarak kesit kalınlıklarının inceltilebileceğini dolayısıyla da döküm parçaların hafifletilebileceğini göstermektedir. Kompakt grafitli dökme demirin bahsedilen bu avantajlarına döküm esnasında alaşıma ilave edilen magnezyum, krom ve titanyum gibi elementler sayesinde ulaşılırken bu elementlerin ilavesi kompakt grafitli dökme demirin işlenebilirliğini olumsuz şekilde etkilemektedir. Döküm parçalar, yüksek yüzey kalitesi ve sıkı toleransları karşılamak için çoğunlukla dökümden sonra talaşlı imalat işlemlerine tabi tutulurlar ve bu da bazen döküm işleminden çok daha pahalıya mal olabilmektedir. Bu nedenle, malzemenin işlenebilirliğini incelemek ve kesme parametreleri seçimini etkileyecek faktörleri belirlemek oldukça önemlidir. Bu tezde, kompakt grafitli dökme demirin frezelemenmesi sırasında iş parçası sıcaklık dağılımının tahmini için yeni bir hibrit kesme modeli sunulmuştur. Hibrit model, mekanistik yaklaşıma dayalı bir analitik kuvvet modeli ve termal modele dayalı sonlu elemanlar analizinden oluşmaktadır. Tezin 3. bölümü frezeleme işleminde kesme kuvvetlerinin modellenmesine ayrılmıştır. Kesme kuvvetleri mekanistik model kullanılarak tahmin edilmiştir. Mekanistik modelin kullanımı için gerekli kesme katsayıları, ortogonal test gerçekleştirilerek takım ve iş parçası çifti için elde edilen sürtünme açısı, kayma açısı ve kayma gerilmesi parametreleri kullanılarak hesaplanmıştır. Kayma gerilmesi, kayma açısı ve sürtünme açısı ise doğrusal regresyon kullanılarak türetilmiştir. Mekanistik model frezeleme testleri ile doğrulanmıştır. Doğrulanmış kuvvet modeli kullanılarak teğetsel kuvvet, tork, güç ve aktif iş hesaplanmış, farklı kesme parametrelerinin bu mekanik yüklere olan etkisi incelenmiştir. Enerji ve aktif iş hesaplamaları, kompakt grafitli dökme demirin frezelemesinde ilerlemenin iki katına çıkarılmasıyla, kesme kuvvetlerinin neredeyse iki katına çıkmasına rağmen yaklaşık %10'luk bir enerji tasarrufu sağlanabildiğini göstermiştir. 4. bölümde iş parçasının sıcaklık dağılımını elde etmek için hareketli ısı kaynağı modeli ile ısı transferi modeli oluşturulmuştur. Frezeleme işlemi sırasında üretilen ve iş parçasına aktarılan ısı, adveksiyon ısı paylaşım modeli aracılığıyla hesaplanabilmektedir. Frezeleme işlemi sırasında ısı akısı bölümlenmiş elemanlara uygulanmış ve takip eden çözüm adımında bu elemanlar silinerek bir yandaki gruba ısı akısı uygulanmıştır. Bu durum, hareketli ısı kaynağı ve talaş kaldırma işlemini ifade etmektedir. Çalışmada ısı yükleri, modelden elde edilen kuvvet değerleri yardımı ile hesaplanmış ve sonlu elemanlar yazılımında sınır şartı olarak kullanılmıştır. Sıcaklık modelini doğrulamak için yüzey frezeleme işlemi esnasında oluşan sıcaklıklar gömülü termokupllar yardımıyla ölçülmüştür. Geliştirilen hibrit model ile ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında aralarında iyi bir uyum olduğu gözlemlenmiştir. 5. bölümde, farklı kesme parametreleri ile frezelenmiş kompakt grafitli dökme demir yüzeylerindeki kalıntı gerilmeler X-ışını kırınımı kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen kalıntı gerilme sonuçları incelendiğinde tüm kalıntı gerilmelerin çekme yönünde olduğu görülmüştür. Kompakt grafitli dökme demirin ısıl iletkenliğinin yüksek olması nedeniyle malzeme üzerindeki termal gerilmelerin etkisi düşüktür. Bu nedenle termal yükler neticesi oluşan çekme kalıntı gerilmelerinin etkisi az olmaktadır. Mekanik yükler kaynaklı oluşan kalıntı gerilmelerin ise parça üzerinde daha etkin olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca ölçüm sonuçlarına göre, kesme hızının artmasıyla kalıntı gerilmelerin arttığı fakat belirli bir hızdan sonra ısı birikiminin iyice azalmasıyla bu etkinin tersine döndüğü tespit edilmiştir. Diş başına ilerleme miktarının artmasıyla çekme yönündeki kalıntı gerilmelerin arttığı görülmüştür. 6. bölümde öncelikle kompakt grafitli dökme demirin yüzey frezelemesinde kesme parametrelerinin takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü için regresyon modeline dayalı tahmin modelleri geliştirilmiştir. Kesme testlerinde, kesme hızı ve diş başına ilerleme işlem parametreleri olarak seçilmiştir ve etkileri ANOVA kullanılarak istatistiksel olarak araştırılmıştır. İşleme operasyonlarında kesme parametrelerinin seçimi, kaynakların verimli kullanımı için önemlidir. Bu nedenle, seçkin bir genetik algoritma yöntemi olan baskılanamayan sıralama genetik algoritması II (NSGA-II) kullanılarak Pareto-optimal çözüm kümeleri elde edilmiştir. Elde edilen çözüm kümeleri sayesinde karar vericiye daha hızlı, daha kaliteli ve daha ekonomik üretim için önerilerde bulunulmuştur. Daha hızlı bir üretim için yüksek malzeme kaldırma hızına izin veren, daha kaliteli üretim için iyi yüzey özellikleri elde edilmesini sağlayan ve ekonomik üretim için takım aşınmasını azaltacak kesme parametreleri önerilmiştir. KGDD frezeleme süreci optimize edildiğinde elde edilebilecek kazanımlar gösterilmiştir. Sonuçlar NSGA-II'nin diğer talaşlı imalat optimizasyon problemlerine de uyarlanabileceğini göstermektedir.