CNC tornada talaş kaldırma işlemlerinde talaş kırıcı geometrisinin işlenebilirliğe etkilerinin deneysel ve sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara Üniversitesi, Turkey

Approval Date: 2008

Thesis Language: Turkish

Student: Gürcan Atakök

Supervisor: MUSTAFA KURT

Abstract:

CNC TORNADA TALAŞ KALDIRMA İŞLEMLERİNDE TALAŞ KIRICI GEOMETRİSİNİN İŞLENEBİLİRLİĞE ETKİLERİNİN DENEYSEL VE SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ Günümüzde tornalama prosesi, talaşlı imalat işlemlerinden en yaygın kullanılanlardan birisidir. Tornalama prosesi otomotiv, uzay, havacılık, medikal ve diğer uygulama endüstrilerinde çok yaygın olarak kullanılan proses çeşididir. Bu talaşlı imalat yönteminde, uygun kesici takımların tasarımı; imalatçılar için önemli bir ilgi alandır. Kesici takımın ve kesme şartlarının belirlenmesi imalat prosesinin planlanmasında en temel işlemlerdir. Bununla beraber, bu sürecin öneminden dolayı, imalatçılar tarafından geleneksel olarak imalat elkitapları veya takım katalog kullanılarak belirlenmektedir. İmalatçılar, imalat prosesi süresince bazı zorluklarla karşılaşmaktadır. Bunun sebebi, kullanımı yaygınlaşan, çok sayıda gelişmiş kesici takımların değişik malzeme, kaplamalar ve yüksek aşınma direnci için talaş kırıcı kanalı yapısı ve efektif talaş kırıcı gibi özellikleriyle ilgili yeterli miktarda bilgisinin olmamasıdır. Tüm bunlar dikkate alındığında, işlenebilirliğin imalat endüstrisindeki önemi araştırmacılar ve proses planlamacılar tarafından daha iyi anlaşılabilmektedir. Bilhassa da, değişik geometrik özelliklere sahip kesici uçlarla yapılacak deneysel çalışmalar, bu konudaki tecrübe ve bilginin artarak endüstri ile paralel olması açısından önemlidir. Literatür çalışmaları kapsamlıca incelenerek ve endüstrinin gereksinimleri de dikkate alınarak, bu çalışmada tornada talaş kaldırma işlemlerinde talaş kırıcı geometrisinin işlenebilirliğe etkisi üzerinde durulmuştur. Tecrübelerle görülmüştür ki talaş kontrolü imalat için vazgeçilmez öneme sahip bir konudur. Diğer taraftan, talaşın kırılabilirliği otomasyon için hayli önemli ve vazgeçilmez bir beklentidir. Talaşlı imalatta, prosesinin kompleks olması ve kompleks kesici takımlara ve kapsamlı malzeme değişimlerini gereksinim duyulduğu için; birçok pratik imalat operasyonunda talaş kontrolü göz ardı edilme eğilimine girmiştir. Bu çalışmada, kuru tornalama prosesinde iş parçası olarak AISI 1040 ve AISI 1060 çelikleri kullanılmıştır. Bu malzemelerin iş parçası olarak seçilme sebebi, imalat sanayinde çok yaygın olarak kullanılıyor olmalarıdır. Bu çalışmada, birçok deney yapılmış ve talaş kırıcı geometrisinin işlenebilirlik açısından avantaj ve dezavantajları, yüzey pürüzlülüğü, maksimum kesme kuvvetleri ve talaş form ölçümleri dikkate alınarak gözlemlenmiş ve kaydedilmiştir. Ayrıca, Simülasyon sonuçları ile kıyaslamak için talaşlar geometrik ve boyutsal olarak analiz edilmiştir. Deneysel çalışmaları doğrulamak ve talaş kırıcı geometrisinin talaş oluşumuna etkisini tahmin etmek için, Sonlu elemanlar modeli simülasyonu yapıldı. Talaş oluşum ve kırılmasının simülasyonu için Lagrangian formülasyonlu DEFORM 3-D yazılımı kullanılmıştır. Talaş oluşumu ve kırılmasında deneysel ve tahmini modeller arasında kabul edilebilir uyuma ulaşılmıştır. Elde edilen sonuçlar bu alan için, kayda değer katkılar sağlayabilir ve bu alandaki boşluğu; çözüm için etkin yaklaşımlarla doldurabilir. Taguchi ortogonal tasarım yöntemi tornalama parametrelerinin tasarlanmasında kullanılmıştır. Taguchi, S/N oranı, Varyans Analizi ve Regresyon analizi; kuru tornalamada talaş kırıcı geometrisi ve tornalama parametrelerinin; talaş kırılmasına, yüzey pürüzlülüğüne ve kesme kuvvetlere etkisinin optimal seviyelerini belirlemede kullanılmıştır. Tornalamada optimal seviyeler ile Doğrulama Deneyleri yapılarak Taguchi optimizasyon yönteminin bu çalışmada etkisi ortaya konmuştur. Sonuçlar göstermiştir ki; kuru tornalamada yukarıda bahsedilen deneysel çalışmanın optimizasyonu başarıyla yapılabilmiştir. ABSTRACT THE EFFECT OF THE CHIP BREAKER GEOMETRY ON THE MACHINABILITY DURING CHIP REMOVAL PROCESS OF CNC LATHE BY USING EXPERIMENTAL AND FEA METHODS Nowadays, the turning process is the most widespread method among the metal cutting methods. Also, turning process is the most common machining operation performed in automotive, aerospace, aircraft, medical and other application industries. In this metal cutting method, designing suitable tools is of vital interest to manufacturers. In addition, determination of cutting tools and cutting conditions represent main decision points in process planning for machining. This task is traditionally performed on the basis of the experience by using machining handbooks or/and tool catalogs. Manufacturers have been experiencing difficulties due to lack of performance information on the great number of new commercial cutting tools with different materials, coatings and chip-groove configurations and effective chip breaking. Considering all of them, the significance of the machining in manufacturing industry can be better understood by the researchers and process planners. Especially, experimental studies with inserts of different geometric properties are essential for increasing the information and experience for industry applications. The present literature in this field have been examined and demands of the industry have been taken into account. Therefore, in this study the influence of the chip breaker geometry on the machinability during CNC lathe process have been investigated. The chip control is vital for manufacturing and this fact has been shown by earlier works. On the other hand, the chip breaking is very significant and indispensable for automated manufacturing. In metal cutting operations, chip control tends to be overlooked in most practical machining operations because of the complexity of the process requiring complex tool geometry and the inherent material property variation. In this study, the AISI 1040 steel and AISI 1060 steel were used in a dry turning process. The reason of selecting these materials is that they are used commonly in manufacturing industry. In the experimental studies, the advantage and disadvantage of the geometry of chip breaker for machinability have been observed and measurements results of surface roughness, peak cutting forces and chip formation have been collected. Additionally, the geometrical and dimensional analyses have been performed on the chip to compare with the results of finite element model simulation. In order to verify the experimental results and predict the effect of the chip breaker geometry on chip formation, the finite element model simulations have been carried out. Lagrangian formulation DEFORM 2D software have been used for the simulation of chip formation and breaking. A reasonable agreement was obtained between the measured and predicted results of chip formation and breaking. The results obtained can be a considerable contribution to the effective solution to chip removal problems. The settings of turning parameters were determined by using Taguchi experimental design method. Orthogonal arrays of Taguchi, the signal-to-noise (S/N) ratio, the analysis of variance (ANOVA) and regression analyses were carried out to determine the optimal levels and to analyze the effect of the chip breaker and turning parameters on chip breaking, surface roughness and cutting forces during dry turning. Confirmation tests with the optimal levels of machining parameters were performed to illustrate the effectiveness of Taguchi optimization method. The results showed that this optimization method can be successfully applied for turning process.