Kesici ağzı yuvarlatılmış takım ile ortogonal talaş kaldırma için geliştirilen kayma hattı modeline dayalı yeni takım- talaş temas uzunluğu bağıntısı
New tool-chip contact length relationship based on the developed slip-line model for orthogonal cutting with rounded cutting edge tool
Yazar: ŞÜKRÜ KOCABAŞ
Danışman: PROF. DR. ERHAN ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Her kesici takımda mükemmel keskin bir kesici ağız olmadığı ve takım kesen ağzında küçük de olsa bir yuvarlanma olduğu bilinmektedir. Yapılan çalışmalarda kesici ağzı yuvarlama yarıçapının talaş kaldırmaya önemli etkisi olduğu da görülmüştür. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda kesici ağız yuvarlama yarıçapının takım-talaş temas boyuna etkisini inceleyen az sayıda çalışmanın olduğu ve kesici ağzında yuvarlatma bulunan takımlar ile talaş kaldırma için az sayıda takım-talaş temas boyu bağıntısı olduğu, bunların da deneysel çalışmalarla yeterince  desteklenmediği görülmüştür. Takım-talaş temas uzunluğu üzerine kesici kenar yuvarlama yarıçapının etkisini ve diğer kesme parametrelerinin etkisini inceleyen deneysel çalışmaların da yetersiz olduğu görülmüştür. 
Bu çalışmada, ortogonal talaşlı işlemede, kesici ağzı yuvarlatılmış takımlar için iki adet yeni takım-talaş temas uzunluğu bağıntısı yeni geliştirilen iki adet kayma hattı modeline dayalı olarak elde edilmiştir. Geliştirilen yeni kayma hattı modelleri yuvarlatılmış kesici ağza sahip ve kesici kenarın önünde bir ölü bölgenin varlığını  dikkate almaktadır. Önerilen ilk modelde, kesme derinliği ile belirlenen ve talaşlı işleme ile kaldırılacak olan iş parçası malzemesinin tamamının talaşa gittiği kabulü yapılırken, ikinci modelde ise bu kaldırılan iş parçası malzemesinin bir kısmının iş parçası malzemesinin içerisine doğru hareket ederken, geri kalanının da talaşa gittiği kabulü yapılmıştır. Talaş kaldırma deneylerinde ölçülen kesme kuvvetleri modellerde kullanılarak, modeller Dewhurst ve Collin's tarafından geliştirilen matris tekniği ile Matlab® programı kullanılarak çözülmüş, bu çözümlerden takım-talaş sürtünme açıları bulunmuş, bu değerler takım-talaş temas uzunluğu bağıntılarında kullanılmıştır. Geliştirilen kayma hattı modellerinden elde edilen takım-talaş temas boyu bağıntılarının doğrulanması için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmalar hem ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazında düşük kesme hızlarında, hem de daha yüksek kesme hızlarında CNC torna kullanılarak gerçekleştirilmiş, böylece oluşturulan modellerin düşük ve yüksek kesme hızlarında geçerliliği de kontrol edilmiştir. Deneysel çalışmalarda farklı talaş kaldırma parametreleri kullanılmış ve  talaş kaldırma esnasında oluşan takım-talaş temas boyları da ölçülmüştür. Ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazında iş parçası malzemesi olarak küçük kesme kızlarında da yığma ağız oluşturmayan ve sürekli talaş oluşumuna imkan veren pirinç (CuZn30) malzemesi kullanılırken, CNC tornalama deneylerinde ise 1045 çeliği kullanılmıştır.   
Yapılan deneysel çalışmaların sonuçları ile yeni geliştirilen takım-talaş temas boyu formülleri yardımıyla elde edilen sonuçların birbirleri ile oldukça iyi şekilde örtüştüğü görülmüştür. Ani duruşlu ortogonal deney koşulları için birinci kayma hattı modelinin çözümü, deneysel sonuçlara %82 oranında yaklaşım sağlarken, ikinci kayma hattı modelinin çözümü, deneysel sonuçlara %86 oranında yaklaşım sağlamıştır. Benzer şekilde, CNC ortogonal deney koşulları için bu değerler birinci ve ikinci kayma hattı modelleri için sırasıyla %86 ve %87'dir. Sonuç olarak yeni önerilen ikinci kayma hattı modeline bağlı olarak elde edilen takım-talaş temas uzunluğu eşitliğinin deneysel sonuçlara daha yakın değerler verdiği görülmüştür. 
Hem ani duruşlu ortogonal talaş kaldıran cihazla hem de CNC ortogonal tornalama ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalar neticesinde; kesici ağız yuvarlama yarıçapının artmasıyla birlikte takım-talaş temas uzunluğu değerlerinin azaldığı, ancak kesme kuvvetlerinin arttığı görülmüştür. Ayrıca, kesme derinliğinin artmasıyla birlikte takım-talaş temas uzunluğu ve kesme kuvvetleri artarken, kesme hızının artmasıyla birlikte takım-talaş temas uzunluğunun ve kesme kuvvetlerinin bir miktar azaldığı gözlemlenmiştir. Bunlarla birlikte, ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazıyla yapılan deneylerde talaş açısının artmasıyla birlikte takım-talaş temas uzunluğunun ve kesme kuvvetlerinin bir miktar azaldığı belirlenmiştir. Kayma hattı modellerinin çözülmesi ile; kesici ağız yarıçapı arttıkça birinci kayma bölgesi kalınlığının arttığı, bununla beraber kesme hızının ile kesme derinliğinin birinci kayma bölgesi kalınlığı üzerinde çalışmada kabul edilen kesme parametreleri için belirgin bir etkisi olmadığı görülmüştür. Farklı talaş açıları için (0° ve 6° derece) ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazıyla yapılan deneylerde talaş açısı arttıkça birinci kayma bölgesi kalınlığının da bir miktar arttığı görülmüştür. Kesici ağız yarıçapı arttıkça,  ölü bölge uç noktası ile işlenmiş yüzey arasındaki dik uzaklığın ve ölü bölge alt kenar uzunluğunun belirgin bir şekilde arttığı buna karşın, kesme derinliği ve kesme hızının artmasıyla birlikte çok az arttığı görülmüştür. Ayrıca farklı talaş açıları için (0° ve 6° derece) ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazıyla yapılan deneylerde talaş açısı arttıkça ölü bölge uç noktası ile işlenmiş yüzey arasındaki dik uzaklığın  bir miktar arttığı görülmüştür. CNC ortogonal tornalama deneylerine ait çözümlerde, kesici ağız yarıçapı arttıkça üçüncü kayma bölgesi alt kenar uzunluğunun belirgin bir şekilde arttığı buna karşın, kesme derinliği ve kesme hızının artmasıyla birlikte çok az arttığı görülmüştür. Bununla birlikte, farklı talaş açıları için (0° ve 6° derece) ani duruşlu ortogonal talaş kaldırma cihazıyla yapılan deneylerde, kesici ağız yarıçapı arttıkça bu değerin belirgin bir şekilde arttığı, talaş açısı arttıkça ise bu artışın çok az olduğu görülmüştür. 
Günümüzdeki üretim yöntemlerinden kaynaklı olarak kesici uçlar hiçbir zaman tam olarak keskin üretilemediği için ve  kesici uçtaki  yuvarlama yarıçapının talaş kaldırmaya önemli etkisi olduğundan, yeni önerilen ve kesici ağız yuvarlanmasını dikkate alan  kayma hattı modelleri ve bu modellere bağlı kalınarak elde edilen ve kesici ağız yarıçapını bir parametre olarak dikkate alan yeni takım-talaş temas uzunluğu  eşitliklerinin, günümüz metallerin talaşlı işlenmesinde gerçeğe yakın çözümler sunduğu ve kullanılabilir olduğu görülmüştür.

Abstract:
It is known that not all cutting tools have perfectly sharp cutting edges and that there is a small amount of rounding on the tool's cutting edge. Studies have also shown that the radius of the cutting-edge has a significant effect on chip removal. In the studies conducted so far, it has been observed that there are few studies examining the effect of cutting-edge radius on tool-chip contact length and few tool-chip contact length equations for chip removal with rounded-edge cutting tools, and these equations are not sufficiently supported by experimental studies. Experimental studies examining the effects of cutting-edge radius and other cutting parameters on tool-chip contact length have also been found to be insufficient.
In this study, two new tool-chip contact length equations were obtained for cutting tools with rounded edges in orthogonal machining based on the newly developed slip-line models. The newly developed slip-line models a have rounded-edge cutting and take into account the existence of a dead metal zone in front of the cutting edge. In the first proposed model, it is assumed that all of the workpiece material to be removed by machining, determined by the uncut chip thickness, goes into the chip, while in the second model, it is assumed that some of this removed workpiece material moves into the workpiece material, while the rest goes into the chip. The cutting forces measured in the machining experiments were used in the models, which were solved using the Matlab® program with the matrix technique developed by Dewhurst and Collins, the tool-chip friction angles obtained from these solutions were found, and these values were used in the tool-chip contact length equations.
Experimental studies have been conducted to verify the tool-chip contact length equations obtained from the developed slip-line models. Experimental studies have been conducted both in a shaping-based quick-stop device at low cutting speeds and using a CNC lathe at higher cutting speeds, thereby verifying the validity of the developed models at both low and high cutting speeds. Different cutting parameters were used in the experimental studies, and the tool-chip contact lengths that occurred during the chip removal were also measured. Brass (CuZn30) material, which allows continuous chip formation without built-up edge was used as the workpiece material in the shaping-based quick stop device and 1045 steel was used in CNC lathe experiments. It has been observed that the results of the experimental studies and the results obtained with the help of the newly developed tool-chip contact length equations were in good agreement with each other. For orthogonal experimental conditions with a shaping-based quick-stop device, the solution of the first slip line model provided an approximation of 82% to the experimental results, while the solution of the second slip line model provided an approximation of 86% to the experimental results. Similarly, for CNC orthogonal experimental conditions, these values are 86% and 87% for the first and second slip-line models, respectively. As a result, it has been observed that the tool-chip contact length equation obtained based on the newly proposed second slip-line model provides values closer to the experimental results. 
As a result of the experimental studies conducted with both the shaping-based quick-stop device and CNC orthogonal machining, it has been observed that as the cutting-edge radius increases, the tool-chip contact length values decrease, but the cutting forces increase. Additionally, it was observed that the tool-chip contact length and cutting forces increased with the increase in uncut chip thickness, while the tool-chip contact length and cutting forces decreased slightly with the increase in cutting speed. Also, in the experiments carried out with the shaping-based quick stop device, it was observed that the tool-chip contact length and cutting forces decreased slightly with the increase in rake angle. By solving the slip line models, it was found that the thickness of the primary shear zone increases with the cutting edge radius, however, cutting speed and uncut chip thickness have no significant effect on the thickness of the primary shear zone for the cutting parameters considered in the study. In the experiments carried out with the shaping-based quick stop device for different rake angles (0° and 6° degrees), it was observed that as the rake angle increases, the thickness of the primary shear zone increases slightly. It was observed that the vertical distance between the endpoint of the dead metal zone and the machined surface, and the length of the lower edge of the dead zone increased significantly with an increase in cutting edge radius, whereas it increased only slightly with an increase in uncut chip thickness and cutting speed. In addition, in the experiments carried out with the shaping-based quick stop device for different rake angles (0° and 6° degrees), it was observed that as the rake angle increases, the vertical distance between the end point of the dead metal zone and the machined surface increases slightly. In the solutions of CNC orthogonal turning experiments, it was observed that the lower edge length of the tertiary shear zone increased significantly as the cutting edge radius increased, but it increased slightly with the increase in uncut chip thickness and cutting speed. In addition, in the experiments carried out with the shaping-based quick stop device for different rake angles (0° and 6° degrees), it was observed that this value increased significantly as the cutting edge radius increased, while the increase was very small as the rake angle increased. 
Due to the nature of modern manufacturing methods, cutting tools can never be produced perfectly sharp, and because the cutting edge radius has a significant impact on chip removal, newly proposed slip line models that take into account the rounding of the cutting edge and the new tool-chip contact length equations derived based on these models that consider the cutting edge radius as a parameter, provide realistic and applicable solutions for machining of contemporary metals.