Torna tezgahında talaş kaldırma işlemine etki eden faktörlerin bilgisayar destekli optimizasyonu


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Institute for Graduate Studies in Pure and Applied Sciences, Department of Mechanical Education, Turkey

Approval Date: 2001

Thesis Language: Turkish

Student: HABİB KÜÇÜK

Supervisor: Mustafa Kurt

Abstract:

Talaşlı üretim, imal usulleri içerisinde en önemli üretim tekniğidir. Tüm konvansiyonel ve modern üretim tekniklerinin geniş ölçüde kullanıldığı günümüz endüstrisinde; kesme koşulları ve takım geometrisi gibi işlem girdilerinin proses performansının ölçütleri olan işlem kararlılığı, takım aşınması, takım deformasyonu, yüzey hatası ve yüzey yapısını nasıl etkilediğini anlamak önemlidir. Tornalamada kesme kuvvetleri dinamiği özellikle NC ve CNC operasyonlarında optimal kontrol için kesme koşullarının tanımlanmasında belirleyici rol oynar. Sınır kesme kuvvetleri, ortalama kesme kuvvetleri ve bu ortalama kuvvetlerdeki değişimlere ilişkin bilgiler proses performansının optimize edilmesinde kesme işlem öncesi üretim mühendisine yardımcı olur. İmalat işlemlerinin otomasyon ve optimizasyonu verimin arttırılmasında önemli rol oynar. Otomatik işlemede başarılı kontrol; boyutlarda doğruluk, istenilen yüzey kalitesinde süreklilik sağlar ve takım ömrünü uzatır. Bu nedenle talaş kaldırma işlemi ve takım tezgahı sisteminin karakteristiklerini anlamak gittikçe önem kazanmıştır. Metal kesme işlemlerinde karşılaşılan önemli problemlerden birisi de işlenebilirliktir. İşlenebilirlik; "kalite" terimi gibi kişiden kişiye farklı yorumlanabilmekte olup değişik ölçütleri vardır. En çok kullanılan belirleyiciler kesme kuvvetleri (güç sarfiyatı), iş parçası yüzey kalitesi ve takım ömrüdür. Bu nedenle işlenebilirliklerini belirlemek üzere endüstride en çok kullanılan metal malzemelerden 42CrMo4 Çelik, DD 25 Dökme demir, AlSiCu Alüminyum alaşımı ve Ti Titanyum alaşımı deney malzemeleri olarak belirlendiler. Bu malzemelerden seçilen silindirik iş parçaları ön tornalama yapılarak ø65x600mm ölçülerine getirildiler. İşlem için fenermili hızı varyatörlü olan Monarch marka konvansiyonel bir torna tezgahı seçildi. İş parçaları üç ayaklı amerikan aynasına 500mm dışarıda kalacak şekilde bağlandı ve uç kısımdan döner punta ile desteklendi. Teze konu olan deneysel çalışma üç bileşeni de ölçülüp kaydedilen bir seri kesme kuvvetlerini içerir. Kuvvet ölçme aleti olarak testlerde MCL6-6 torna dinamometresi kullanıldı. Deney süresince elde edilen veriler parça malzemeleri, hız, ilerleme ve kesme derinliğine göre gruplandırıldı. Tornalama işleminden sonra Ra, Rq ve Rmax cinsinden iş parçası yüzey pürüzlükleri C40 Perthograf ve PC bağlantılı Perthometre ile ölçüldü. Tüm yüzey pürüzlük verileri kesme kuvveti verilerinde olduğu gibi monitörlendi, gruplandı, kaydedildi ve çoğaltıldı. Daha sonra bu deneysel veriler; kesme parametrelerinin (hız, ilerleme ve talaş derinliği) kesme kuvvetleri ve aynı zamanda yüzey pürüz değerlerine etkisini görmek üzere değerlendirildi. Geniş kapsamlı bir literatür taramasını içine alan bu tez yedi bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde talaşlı üretimin önemi ve bu çalışmanın amacından bahsedilir. İkinci bölümde takım tezgahlarının tarihsel gelişimi, kesme işlemine genel bakış, dik ve eğik kesme ile kesme kuvvetlerinin analizi hakkında geniş bilgi verildi. Üçüncü bölümde kesme teorisi, kayma açısı çözümleri, kesme kuvvet-çember diyagramı anlatıldı ve kesme dinamiği için gerekli bilgiler verildi. Dördüncü bölümde takım deformasyonu ve takım ömrü lendi. Yüzey yapısı ve yüzey pürüzlük kriterleri bölüm beşte anlatıldı. Deneyde kullanılan aletlere ait bilgiler ve testin yapılışı hakkındaki detaylı açıklamalar altıncı bölümde verildi. En son bölümde kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlüğü ile ilgili deneysel veriler tartışıldı ve yorumlandı. Daha sonra test esnasındaki gözlemler ve test malzemelerinin işlenebilirlik düzeyleri tartışıldı. SUMMARY OPTIMIZATION OF CUTTING CONDITIONS FOR TURNING OPERATION Metal cutting is the most important manufacturing technique among the production methods. As with all conventional and modern machining processes widely used in today's Industry, it is important o understand how the process inputs such as cutting conditions and tool geometry, affect such measures of process performance as process stability, tool wear, tool breakage and surface texture. Dynamics of cutting forces in turning play a decisive role in determining the cutting condition for optimal control especially in NC and CNC operations. Knowledge of the peak cutting forces and variations of these average forces can aid production engineer "in optimizing the performance of the process well" aheat of the cut. The automation and optimization of the manufacturing process play an important role in improving productivity. A successful control in automated operation can assure the dimensional accuracy, maintain desired surface quality and prolong tool life. Therefore it is becoming more and more important to understand the characteristics underlying such a process as well as the overall machine structure system. Machinability is one of the other problems confronted in metal cutting process. Machinability is a term like "quality" that my have a different definition for different people. It can the measured by different indications. The most common indicators are cutting forces (power consumption), work piece surface finish and tool life. For this reason; 42CrMo4 Steel, GG 25 Gray Cast Iron, AlSiCu Aluminum alloy and Ti Titanium alloy are selected as test materials among the common materials widely used in industry and machinability of these materials investigated as well. Work pieces selected from these were cylindrical bars and preturned to ø65x600mm in long. Monarch type a conventional lathe with variable speed spindle drive is selected for turning. The work pieces were held in a 500mm 3-jaw self centering scroll chuck and the out board end was supported by a revolving center. The experimental procedure described in this thesis covers a series of test-cuts in which three components of force were measured and recorded. Force measuring equipment used for the tests is MCL6-6 type lathe dynamometer. All force data obtained through experimentation are grouped according to work piece materials, speed, feedrate and depth of cut. After turning operation, surface roughness of the work pieces in terms of Ra , Rq and Rmax are measured by Perthometer linked to the C40 Perthograf and PC. All surface roughness data are monitored, grouped, recorded and printed as well as cutting forces data. Later these experimental data are evaluated to see the effects of cutting parameters (speed, feed and depth of cut) on cutting forces and also surface roughness values. This thesis consists of seven sections including a comprehensive literature survey. The first section deals with the importance of the metal cutting and the objective of the study. Second section gives detailed information about historical background of the cutting and machine tools, machining overview, orthogonal and oblique cutting and analysis of the cutting forces. In the third section; cutting theory, shear angle solutions, cutting force circle diagram are described and a description of background needed to understand cutting dynamics is given. In section 4, the deformation of cutting tool and tool life are reviewed. Surface textures and surface roughness criteria are described in section 5. Detailed information about instruments used in the tests and the test procedure are given in section 6. In the last section, experimental data related to cutting forces and surface roughness are discussed and interpreted. Furthermore observations during turning experiment and comparison of of different test material machinability are discussed.