Ti-5553 alaşımın talaşlı imalat sürecinin ve yüzey bütünlüğünün deneysel ve sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Finite element modeling and experimental analysis of metal cutting process and surface integrity of Ti-5553 alloy
Yazar: MELİH ÖZKÜTÜK
Danışman: DOÇ. DR. YUSUF KAYNAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Titanyum alaşımları = Titanium alloys

Özet:
Havacılık sektöründe Ti6Al4V alaşım malzemesine oranla gün geçtikçe kullanımı ve önemi artan Ti-5553 alaşım malzemesinin talaşlı işlenebilirliği ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Ti-5553 alaşım malzemesinin Ti6Al4V alaşım malzemesine oranla çekme ve yorulma dayanımı gibi özelliklerinin daha yüksek olması talaşlı işlenebilirlikte problemler çıkarmaktadır. Meydana gelen bu problemleri daha iyi anlayabilmek ve çözüm üretebilmek için sonlu elemanlar yöntemlerinden yararlanılmaktadır. 
Bu tez kapsamında, Ti-5553 havacılık alaşım malzemesinin dik kesme işleminde talaş açısının, kesme hızının ve kriyojenik, minimum miktarda yağlama (MQL) gibi kesme koşullarının kesme kuvvetleri, kesme sıcaklıkları, talaş morfolojisi ve yüzey bütünlüğü gibi çıktılara etkileri ilk kez araştırılmıştır. Ti-5553 alaşım malzemesi için sonlu elemanlar yöntemiyle farklı kesme koşulları ve parametrelerinde dik kesme simülasyonları yapılmıştır. Farklı koşullar ve farklı kesme parametreleri altında kesme kuvvetleri, talaş morfolojisi ve sıcaklıkların tahmin edilebilmesi için Johnson-Cook bünye denkleminden yararlanılmıştır. Model Fortran dilinde kod olarak yazılmış ve Deform-2D sonlu elemanlar yazılımına entegre edilmiştir. Böylece çok farklı kesme koşulları ve parametrelerinde meydana gelen kesme kuvvetleri, talaş morfolojisi ve sıcaklıklar tahmin edilerek, deneysel olarak elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Modelin Ti-5553 alaşımın talaş kaldırma sürecini çok iyi tahmin edebilme kabiliyetine sahip olduğu görülmüştür.
Dik kesme sonucu elde edilen numunelerin yüzey bütünlüğü analizleri kapsamlı şekilde yapılmıştır. Kesme koşullarının ve kesme parametrelerinin iş parçası yüzey bütünlüğü karakteristiklerini önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Farklı koşullarda talaş kaldırma operasyonu sonucu faz dönüşümleri ve tane küçülmeleri gözlemlenmiştir. Bu malzemenin yüzey bütünlüğü özelliklerinin talaş açısı, kesme hızı ve kesme koşulları ile doğrudan ilişkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. 
Ti-5553 alaşımın yüzey bütünlüğü tahmini kapsamında Zener-Hollomon modeli Fortran dilinde kod olarak yazılarak, Deform-2D sonlu elemanlar yazılımında talaş kaldırma simülasyonuna entegre edilmiş ve farklı kesme koşulları, kesme parametreleri için tane küçülmesini tahmin edebilen simülasyonlar gerçekleştirilerek deneysel verilerle kıyaslanmıştır.

Abstract:
In the aviation sector, studies are being conducted on the machinability of Ti-5553 alloy material, which is increasingly used and increasing in importance compared to Ti6Al4V alloy material. Ti-5553 alloy material has higher properties such as tensile strength and fatigue strength compared to Ti6Al4V alloy material, which causes problems in machinability. In order to better understand these problems and to be able to produce solutions, finite element methods are used.
In this thesis, in the machinability of Ti-5553 aerospace alloys, the effects of rake angle, cutting speed and dry, MQL and cryogenic coolant on machining performance of this Ti-5553 alloy by measuring cutting forces, cutting temperature, chip morphology etc. were investigated. Ti-5553 alloy material, different cutting conditions and parameters were simulated by finite element method. The Johnson-Cook constitutive equation has been used to estimate cutting forces, chip morphology and temperatures under different conditions and different cutting parameters. The model was written as subroutine using Fortran and integrated into Deform-2D finite element model software to simulate chip formation process. Thus, cutting forces, chip morphology and temperatures were predicted and compared to the experimental results obtained in very different cutting conditions and parameters. Experimental comparision shows that the model is well capable of predicting chip formation process of this alloy. 
Surface integrity characteristics of the parts obtained from orthogonal cutting tests have been extensively investigated. It was found that cutting conditions and parameters substantially affects surface integrity characteristics. Machining process leads to occuring phase transformation and grain refinement under various conditions. It was demonstrated that surface integrity characteristics of this alloy is very sensitive to rake angle, cutting speed and cutting conditions.
Zener-Hollomon model was utilized to predict surface integrity characteristcs of this alloy. The model was written as Fortran code and integrated into Deform 2D during cutting simulation to predict surface integrity characteristics including grain size induced from cutting parameters and conditions. Simulation results are compared with experimental data.