Doku oluşturulmuş silicili kesici takım ile tornalamada doku özelliklerinin işleme performansına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of texture properties on machining performance in turning with textured wiper cutting tool
Yazar: HÜSEYİN BAHRİ ESKİZARA
Danışman: PROF. DR. ERHAN ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Talaşlı işlemede, talaş oluşumu sırasında mekanik enerji ısı enerjisine dönüşmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte modern endüstrilerde kullanılan iş parçası malzemeleri de değişim göstermiş, talaşlı işleme açısından yüksek sertlik ve küçük ısı iletkenliği gibi olumsuz özellikleri bulunan malzemelerin kullanımı artmıştır. Bu tür özelliklere sahip malzemelerin işlenmesi sırasında normalden daha fazla ısı açığa çıktığından kesici takım ömürleri azaldığı bilinmektedir.
Kesici takımların verimliliklerini ve sürdürülebilirliklerini arttırma konularında araştırmacılar çeşitli yöntemler denemektedir. Bu yöntemlerden endüstride en yaygın kullanılanı kesme sıvısı ile işlemedir. Kesme sıvısı kullanımıyla hem işleme sırasında oluşan ısı takımdan uzaklaştırılır hem de bu sıvıların yağlayıcı ve soğutucu özellikleri sayesinde takım ömründe artış sağlanır. Kesme sıvılarının bu olumlu özelliklerine karşın atıkların bertaraf maliyetleri, ekolojik açıdan yarattığı sorunlar ve insan sağlığına verdiği zararlar gibi olumsuz etkileri vardır. Sürdürülebilir üretim için takım ömrü, sürtünme, kesme kuvvetleri ve iş parçası yüzey pürüzlülüğü gibi konularda kesici takımların iyileştirilmeleri gerekmektedir.
Kesici takımlarda denenen iyileştirmelerden bazıları, yeni kesici takım malzemelerinin geliştirilmesi, yeni takım kaplamalarının uygulanması ve takım geometrisindeki çeşitli değişikliklerdir. Son zamanlarda çalışılan bir konu ise talaşlı işleme sırasında takım ile iş parçası ve takım ile talaş arasındaki sürtünmeyi azaltarak, takım ömrünü arttırmayı amaçlayan takım yüzeyi dokulandırma işlemidir. Temel olarak bu işlem, takımın yüzey bütünlüğünü lazer, mikro EDM, mekanik taşlama vb. yöntemlerle değiştirerek takım ömrü, kesme kuvvetleri gibi konularda iyileştirmeler sağlamayı hedeflemektedir.
Dokulandırılmış takımların işleme sırasında oluşan kesme kuvvetlerine, takım aşınmalarına, iş parçası yüzey pürüzlülüğüne ve talaş oluşumlarına etkileri konularında literatürdeki çalışmalar kısıtlıdır. Yüzey dokulandırma işlemi uygulanmış takımların talaş kaldırmaya etkilerinin incelenmesi literatüre ve imalat endüstrisine takım verimliliği açısından önemli katkılar sağlayacaktır. 
Bu çalışmada öncelikle bu tezin konusu olan yüzey dokulandırma işlemiyle ilgili literatür özeti sunulmuş devamında yüzey dokulandırma, yüzey dokulandırmanın etkisi, silici (wiper) takım geometrisi ve takım aşınmaları konularında kısaca bilgiler verilmiştir. Çalışmanın deneysel kısmında ise, literatürdeki verileri doğrulamak ve asıl deneyler için bilgi toplamak adına, bir dizi ön deneyler yapılmıştır. Bu deneyler için iki farklı lazer işleme yöntemiyle üç adet geleneksel geometrili takım dokulandırılarak, doku oluşturulmamış takımla karşılaştırılıp doku tipinin ve doku derinliğinin serbest yüzey aşınmasına etkileri incelenmiştir. Ayrıca dokulandırma işleminin iş parçası yüzey pürüzlülüğüne ve talaş oluşumuna etkileri de araştırılan konular arasındadır. Ön deneylerde elde edilen sonuçlara göre literatürdeki sonuçlara paralel olarak kesici takım serbest yüzeyinde doku bulunması takım ile iş parçası arasındaki temas yüzeyini azaltarak takım ömrünü önemli ölçüde arttırmış, dahası doku tipinin ve derinliğinin serbest yüzey aşınmasında önemli etkilerinin olduğu bulunmuştur. Dokulandırılmış takımlar ile talaş kaldırma sonucu iş parçası yüzey pürüzlülükleri doku derinliğine göre değişim göstermiştir. Son olarak talaş formları karşılaştırmasında kesici kenara göre paralel dokulu takımların işlemeye girişte ve çıkışta oluşturduğu talaşlarda talaş kalınlığı incelmiş talaşta uzama meydana gelmiştir. 
Tezin asıl konusu olan deneylerde ise, doku tipi, dokular arası genişlik ve lazer gücü parametreleriyle Taguchi L9 (3^3) deneysel tasarım yöntemine göre dokuz adet silici geometrili takım dokulandırılarak en uygun doku parametresi belirlenmiştir. Ayrıca tüm dokulandırılmış takımlar için serbest yüzey aşınmaları, iş parçası yüzey pürüzlülük değerleri ve talaş formları incelenmiştir. Son olarak dokusuz referans takım ile doku tiplerine göre en iyi serbest yüzey aşınmalarına sahip takımlarla işleme sırasında oluşan kuvvetler karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre silici geometrili takımların serbest yüzeyinde doku oluşturulmasının uygun parametrelerle takım ömrünü yaklaşık %27'ye kadar arttırdığı fakat iş parçası yüzey pürüzlülüğü açısından olumsuz etkiye sahip olduğu görülmüştür. Oluşan kuvvetlere bakıldığında kesme ve ilerleme kuvvetleri dokulandırma işleminden etkilenmezken, radyal kuvvetlerde artış görülmüştür. Son olarak dokulandırılmış takımlarla malzeme kaldırma sonucu oluşan talaşların benzerlik gösterdiği görülmüş, dokusuz takımın aksine işlemeye girişte ve çıkışta oluşan talaşların talaş kalınlığında incelme ve talaş boyunda uzama meydana gelmiştir.

Abstract:
In machining, mechanical energy transforms into thermal energy. With the advancing technology, the workpiece materails used in modern industries have also changed and the usage of materials with negative properties such as high hardness and low thermal conductivity has increased. During the machining of such materials, tool life decreases because of more heat releasing than normal.
Researchers are trying various methods to increase the productivity and sustainability of cutting tools. Of these methods, the most widely used in the industry is machining with the cutting fluids. With the usage of cutting fluids, both the generated heat during machining decreases and the lubrication effects of these fluids increases the tool life. Despite these posivite effects of cutting fluids, they are harmful to ecology and human health and also they have expensive disposal costs. For the sustainable production, cutting tools has to be improved in terms of tool life, cutting forces and workpiece surface roughness values. 
Some of the improvements that have been tried on cutting tools are the development of new cutting tool materials, the application of new tool coatings, and various changes in tool geometry. A recent research topic is the tool surface texturing, which aims to increase tool life depending decrease the friction between tool and workpiece. Basically, this process aims to change the surface integrity of the tool by laser, micro EDM, mechanical grinding etc. methods and to improve the tool life and cutting forces.
Studies in the literature on the effects of textured tools during machining are limited. Investigation of the effects of surface texturing tools in machining will make significant contributions to literature and manufacturing industry.
In this study, firstly the literature summary about the surface texturing process which is the subject of this thesis is presented and then surface texturing, effect of surface texturing, wiper tool geometry and tool wear subjects are explained. In the experimental part of the study, a series of preliminary experiments were conducted to confirm the data in the literature and to gather information for the actual experiments. For these preliminary experiments, three conventional tools were textured by using two different laser processing methods, and the effects of texture type and depth on flank wear were investigated. In additon, the effects of texturing on Ra value of workpiece and chip formations were also investigated. According to the results obtained in the preliminary experiments, in parallel with the results in the literature, the surface texture on the cutting tool flank face decreased the contact area between tool and workpiece and significantly increased the tool life. Moreover, it was found that the texture type and depth had important effects on the flank wear. The surface roughness of the workpiece as a result of machining with textured tools varied according to the texture depth. In addition, it was seen that there was no visible changes on chip forms but during machining on entering and exiting of both parallel textured tools, irrespective of depth, different chip formation occured. 
In the actual experiments, which are the main subject of the thesis, nine wiper tools were textured according to Taguchi L9 (3^3) experimental design method and the most appropriate texture parameters were determined with texture type, width and laser power parameters. Moreover, flank wear, workpiece surface roughness values and chip forms were investigated for all textured wiper tools. Finally, the generated forces during machining were compared with the non-textured reference tool and the tools with the best free surface wear according to the texture types. According to the results of the experiment, it has been seen that the surface texturing on the flank face of wiper tools increased the tool life up to 27% with suitable parameters but it was observed that surface texturing has negative effect on workpiece avarage surface roughness. In terms of the generated forces during machining with textured wiper tools, the cutting and feed forces were not affected by the texturing process, whereas radial forces increased. Finally, it was observed that the chip forms showed similarity during machining with all cutting tools but during machining on entering and exiting of textured wiper tools, different chip formation occurred.