AL 7050-T7451 malzemesinin frezeleme sonrası parça distorsiyonuna ilerleme hızı ve kesme derinliğinin etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of feed rate and depth of cut on part distortion of AL 7050-T7451 after milling
Yazar: NAZLI KEŞİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Alüminyum ve alüminyum esaslı alaşımlar; düşük yoğunluk, yüksek korozyon direnci, yüksek mukavemet ve kolay şekillendirilebilme gibi üstünlükleri sebebiyle havacılık endüstrisinde en çok tercih edilen malzemelerdendir. Alüminyum malzemelerin bu avantajlarının yanı sıra önemli bir dezavantajı vardır. Alüminyum malzemeden üretilen parçalar, düşük katılık ve yüksek başlangıç artık gerilmeleri sebebiyle talaşlı imalat sonrasında çarpılmaya uğrayabilir. Talaşlı imalat yöntemiyle üretilecek olan parça, fikstür yardımıyla tezgaha bağlanır. Proses tamamlandıktan sonra fikstürden ayrılan nihai parçanın form veya geometrisinde, orijinal parça tasarımına kıyasla meydana gelen sapmaya parça distorsiyonu adı verilir. Distorsiyon, ham malzemede bulunan başlangıç artık gerilmeleri ile talaşlı imalat kaynaklı artık gerilmelerin sonucunda ortaya çıkar. Talaşlı imalat prosesi, malzeme yüzeyindeki başlangıç artık gerilmelerini kaldırır ve işlenen yüzeyde yeni artık gerilmeler meydana getirir. Bu gerilmelerin oluşumuna etki eden pek çok parametre vardır. Bunlardan başlıcaları; parça geometrisi, parça malzemesi, ham malzeme prosesi, kesme derinliği, ilerleme hızı, iş mili hızı, kesme stratejisi, kesici takım, bağlama metodu ve kesme sıvısıdır. Bahsedilen gerilmeler neticesinde meydana gelen form veya geometri bozuklukları, parçanın uygunsuzluğuna sebebiyet verir. Bu uygunsuzluk sonucunda parça ya hurda olur ya da düzeltme işlemleri yardımıyla uygun hale getirilir. Her iki durumda parça maliyeti artar. Ayrıca meydana gelen hurdalar ve düzeltme işlemleri sebebiyle zaman kayıpları oluşur ve bu durum teslimatta gecikmelere yol açar. Bu etkiler göz önünde bulundurulduğunda parça distorsiyonunun havacılık sanayiindeki önemli problemlerden biri olduğu söylenebilir.
Havacılık sanayiinde "Konsol Destek Parçası" olarak kullanılan parça frezeleme işlemi sonrası çarpılmaya uğramaktadır. Çarpılma sonrası parça, düzeltme işlemleri gerektirmekte olup hurda olduğu durumlar da meydana gelmektedir. Al 7050-T7451 malzemesinden üretilen parça 1,52 mm kalınlığındadır.
Bu çalışmada "Konsol Destek Parçası"nın çarpılma problemi incelenmiştir. Talaşlı imalat sürecinde meydana gelen çarpılmalar, ilerleme hızı ve kesme derinliği değişken olarak belirlenerek 6 farklı tekrarlı test yapılarak incelenmiştir. Testler sonrasında yapılan distorsiyon ölçümleri neticesinde optimum parametreler belirlenerek proses iyileştirmesi yapılmıştır.
İlk olarak literatür araştırması yapılarak distorsiyona etki eden parametreler belirlenmiştir. Bu parametreler içerisinden ilerleme hızı ve kesme derinliğinin etkilerinin incelenmesine karar verilmiştir. Havacılık sektöründe kullanılan Al 7050-T7451 malzemesinden üretilen, 457,2 x 101,6 x 19,05 mm boyutlarında "Konsol Destek Parçası" iş parçası olarak belirlenmiştir.
Sonrasında parçanın üç boyutlu çizimleri CATIA ile yapılmıştır. İmalat prosesi tasarlanarak NC programları hazırlanmıştır. Programlar VERICUT yardımıyla doğrulanarak 4 adımda işlenmek üzere proses oluşturulmuştur. İş parçalarının üretiminde Kırıcılı Karbür Freze Ø16 ve Karbür Freze Ø12 kesici takımları kullanılmıştır. Kesici takımlar 3 ağızlı ve kaplamasızdır. Frezeleme işlemi 3 eksenli Deckel Maho DMC 835 V tezgahında gerçekleştirilmiştir. İşlenecek parçalar tezgaha fikstür ile sabitlenmiştir. Fikstür, tezgah tablasına M12 civatalar yardımıyla bağlanmıştır. Ham malzeme ise fikstüre M10 civatalar ile yerleştirilmiştir. Her bir parça için 1. ve 2. adımlarda kaba işlemeler, 3. ve 4. adımlarda ince işlemeler yapılmıştır. Kabalama işlemlerinde Kırıcılı Karbür Freze Ø16, bitirme işlemlerinde ise Karbür Freze Ø12 kesici takımları kullanılmıştır. Adımlar arası geçişlerde parça y-ekseni üzerinde 180 ° takla attırılmıştır. Kesme stratejisi olarak helisel takım yolu metodu seçilmiştir. Deneyler boyunca soğutucu olarak bor yağı esaslı kesme sıvısı kullanılmıştır.
Toplam 6 adet test parçasından 3 adet için ilerleme hızı 8000 mm/dk, diğer 3 adet için 6000 mm/dk olarak belirlenmiştir. Farklı ilerleme hızlarındaki her 3 parça için kesme derinlikleri sırayla 0,5 mm, 1 mm ve 1,5 mm olacak şekilde deneyler yapılmıştır. Her deneyde iş mili hızı 14000 dev/dk olarak sabit tutulmuştur. Deneyleri tekrarlamak amacıyla aynı parametreler kullanılmak suretiyle 6 adet parça daha işlenmiştir.
Talaşlı imalat süreçleri tamamlandıktan sonra Mitutoyo Dijital Yükseklik Ölçer 192-613 ile distorsiyon ölçümleri yapılmıştır. Her bir parça için x-ekseninde 15 mm aralıklarla toplam 11 ölçüm yapılmıştır. Öncelikle 1. ve 2. test sonuçları ayrı ayrı kıyaslanmış, sonrasında her iki ölçüm sonuçlarının ortalaması alınarak değerlendirme yapılmıştır.
Bu ölçümler neticesinde yüksek ilerleme hızlarında çarpılmanın daha fazla olduğu, 8000 mm/dk ilerleme hızı için kesme derinliğinin artmasıyla çarpılmanın azaldığı (yaklaşık %15), 6000 mm/dk ilerleme hızı için ise kesme derinliğinin artmasıyla çarpılmanın arttığı (yaklaşık %10) gözlemlenmiştir. Tekrarlanan testler benzer sonuçları  vermiştir. Tekrarlı testlere göre maksimum çarpılma farkı %20'dir. 0,5 mm kesme derinliği ile işlenen parçalarda ilerleme hızı 6000 mm/dk'dan 8000 mm/dk'ya çıktığında çarpılma %85 artmaktadır. 1 mm kesme derinliği ile işlenen parçalarda ilerleme hızı 6000 mm/dk'dan 8000 mm/dk'ya çıktığında çarpılma %45 artmaktadır. 1,5 mm kesme derinliği ile işlenen parçalarda ilerleme hızı 6000 mm/dk'dan 8000 mm/dk'ya çıktığında çarpılma % 10 artmaktadır. Kesme derinliği arttıkça ilerleme hızı kaynaklı çarpılma artışı oranı azalmaktadır.
Test parçalarının distorsiyon ölçümleri tamamlandıktan sonra aynı yüzeylerden herhangi bir tesviye işlemi yapılmaksızın yüzey pürüzlülüğü ölçümleri yapılmıştır. 6 deney parçası için 5 ayrı yüzey pürüzlülüğü ölçümü yapılmıştır. Ölçümlerde Mahr PGK 120 pertometre kullanılmıştır. 5 farklı ölçümün ortalamaları hesaplanmıştır. Yüzey pürüzlülüğü ölçüm sonuçlarına göre 8000 mm/dk ilerleme hızı için kesme derinliğinin artmasıyla yüzey pürüzlülüğü azalmıştır (yaklaşık %15), 6000 mm/dk ilerleme hızı için kesme derinliğinin artmasıyla yüzey pürüzlülüğü artmıştır (yaklaşık %25).
Her iki deneyin ortalama distorsiyon ölçümleri ile yüzey pürüzlülüğü ölçüm sonuçları kıyaslandığında çarpılmanın arttığı koşullarda yüzey pürüzlülüğünün de arttığı, çarpılmanın azaldığı koşullarda ise yüzey pürüzlülüğünün azaldığı görülmektedir. Nihai olarak sabit kesme derinliğinde yüksek ilerleme hızında çarpılmanın arttığı söylenmektedir.
Test sonuçlarına göre 4. test parçası en düşük çarpılmaya ve en düşük yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Belirtilen parçaya ait olan 6000 mm/dk ilerleme hızı ve 0,5 mm kesme derinliği optimum kesme koşulları olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Aluminum and aluminum base alloys are one of the most commonly used materials due to their high strength, high corrosion resistance, low density and forming ability in aviation industry. Beside these advantages aluminum has a significant drawback. The parts that contain aluminum can be distorted after machining because of their low rigidity and residual stress. The specimen that will be machined is fixed to the table by using fixture. The difference between the design of the original part and final part that has machined and left from the fixture in terms of form and geometry called distortion. There are two main reasons for distortion, one of them is the residual stress that occurred after production the raw material and also the part that is not machined yet. The second one is also residual stress but occurs by metal cutting process. Metal cutting process remove the residual stress occurred during material production but creates new residual stresses. There are many parameters that affect these stresses. Some of these parameters are part geometry, material, raw material production process, cut depth, rate of feed, cutting strategy, type of cutting tool, fixing methods and cutting fluid. Deformity of the parts that caused by mentioned stresses is an unwanted situation and need to be corrected. Because after this deformity the part can be useless or can be shaped correctly with extra effort. Both of these situations increases the material costs. In addition to this time wastes and causes delaying the delivery time. Taking into account all of these it can be said that, distortion is one of the main problem in aviation industry.
Distortion may occur on the "Frame Support Part" after machining in aviation industry. Distorted part need to be fixed because it can cause to scrap the part. The thickness of the part that consist of Al 7050-T7451 material is 1,52 mm. 
In this study, distortion problem of the "Frame Support Part" was investigated. The aim of these thesis is optimization of machining process parameters and analyzing the distortion. The distortions that occurred during material cutting process investigated by considering rate of feed and depth of cut experimentally. Process improvements are applied as a result of measurement of the parts that had machined systematically.
Firstly, the parameters that affect distortions are defined by investigating the resources that are done in the past. As mentioned before there are many parameters that affect deformity but by investigating the past resources it is decided that depth of cut and rate of feed are main parameters that need to be investigated experimentally. Bracket support is our specimen that sized 457,2 and 101,6 length and width respectively and with a high of 19,05 in millimeters. 
CATIA packet program was used for 3D drawing. Production process were designed and NC programs were prepared by means of CATIA. These programs were corrected by using VERICUT and processes were designed for machining including four steps. While machining process carbide cutting tools that sized Ø16 and Ø12 are used. Cutting tools are three flute and uncoated. Milling process are done on 3-axis Deckel Maho DMC 835 V. Parts are fixed to the table by using fixture. The fixture was fixed to the table with the M12 bolt connection. The raw material was fixed to the fixture with M10 bolts. As mentioned before machining process had four steps and for all specimen first and second steps are rough cut and third and fourth steps are finishing cut. Carbide cutting tool which has 16 mm diameter used for rough cutting and 12 mm for finish cutting. While passing from one step to another the specimen turned 180 degrees along y direction. Helical tool path method was chose for cutting strategy. Boron oil was used as coolant.
As stated previously there are six specimens and all processed with two different rate of feed. First three specimen machined in speed of 6000 mm / min and the other three machined in speed of 8000 mm / min. These two groups had three different depths of cut within themselves. First and second tree parts had 0,5 mm 1 mm and 1,5 mm depth respectively. Rotational speed was constant and determined as 14000 rev/min. All these processes are performed again for six parts to obtain reliable results.
After machining process, the measurements are performed with Mituyoto Digital Height Gauge 192-613 to observe distortion situation. The specimens high measured at 11 marked places and each marked places had 15 mm distance between each other along x direction. Primarily, the results of first and second experiments were compared and then the average of these results is calculated and accepted as a final result.
After comparing the result it can be said that, the part distortion on 8000 mm / min feed rate is bigger than the part distortion on 6000 mm / min feed rate. For 8000 mm/min feed rate, increasing cutting depth results in decreasing distortion (approximately 15 %) but for the 6000 mm / min feed rate, increasing the cutting depth end up with increasing distortion (approximately 10 %). Repeated experiment is also end up with same result. The difference of maximum distortion between first and second experiments is 20 %. For 0,5 mm depth of cut, increasing feed rate from 6000 mm / min to 8000 mm / min causes to increase part distortion 85 %. For 1 mm depth of cut, increasing feed rate from 6000 mm / min to 8000 mm / min causes to increase part distortion 45 %. For 1,5 mm depth of cut, increasing feed rate from 6000 mm / min to 8000 mm/min results in  increasing part distortion 10 %. Increasing the depth of cut causes to decrease the rate  of increasing part distortion induced feed rate.
After the measurement of the distortion, surface roughness was measured from the top surface which is not smoothened. Surface roughness was measured for all parts and all parts were measured five times with Mahr PGK 120 perthometer measurement device. After that, mean values were calculated for five measurements.
According to surface roughness measurements, surface roughness decreases with increasing depth of cut at 8000 mm / min feed rate (approximately 15 %). On the other hand surface roughness increases with increasing depth of cut at 6000 mm / min feed rate (approximately 25 %).
Mean distortion measurements for two experiments and surface roughness measurements were compared. It is seen that the surface roughness increases in conditions where the part distortion increases and the surface roughness decreases in the conditions where part distortion decreases. Finally, it is said that the part distortion increases at high feed rate for constant cutting depth.
According to the experimental results, the 4th experiment part has the lowest distortion value and the lowest surface roughness value. The feed rate of 6000 mm / min and the cutting depth of 0.5 mm for the specified part were determined as optimum cutting conditions.