Aısı 52100 rulman çeliğinin ultrasonik tornalama yöntemi ile işlenebilirliğinin araştırılması
Investigation machinability of aisi 52100 bearing steel by ultrasonic turning method
Yazar: SALİH AĞAR
Danışman: PROF. DR. NİHAT TOSUN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Malzeme işleme = Material processing ; Metal işleme = Metal processing

Özet:
Bu çalışmada, AISI 52100 çeliğinin geleneksel ve ultrasonik tornalanmasında, farklı soğutma/yağlama tekniklerinin ve işlem parametrelerinin performans karakteristikleri üzerindeki etkileri yani AISI 52100 çeliğinin işlenebilirliği deneysel, sayısal ve istatistiksel olarak araştırıldı. Çalışmada, işlenebilirliğin tespit edilmesi amacıyla, bağımsız değişkenlerin iş parçası yüzey pürüzlülüğü, yüzey topografisi, işleme sıcaklığı, kesme kuvveti, takım aşınması/ömrü, talaş formu, talaş kalınlık oranı ve işleme indeksi üzerine olan etkileri belirlendi. Deneysel çalışmalar, 50, 100 ve 150 m/dak kesme hızları, 0.1 mm/devir sabit ilerleme ve 0.5 mm sabit talaş derinliği gibi işleme şartları altında, sementit karbür ve kübik bor nitrür (CBN) kesici takımlar kullanılarak hem kuru işleme hem de nano boyutlu Al2O3 içeren nano kesme sıvılı minimum miktarda yağlama (MMY) yöntemi kullanılarak yürütüldü. Ultrasonik tornalamada, kesici takıma iki farklı titreşim genliği (5 ve 10 µm) ve iki farklı titreşim frekansı (20 ve 30 kHz) uygulandı. DEFORM paket programı yardımıyla kesme kuvveti ve işleme bölgesi sıcaklık analizi gerçekleştirildi. Deneylerden elde edilen veriler ve DEFORM analiz sonuçları karşılaştırıldı. Bağımsız değişkenlerin, bağımlı değişkenlere olan etkilerinin önem derecelerini belirlemek amacıyla varyans analizi (ANOVA) gerçekleştirildi. 
Deneysel çalışma sonuçlarına göre; kesici takıma uygulanan titreşimin her koşulda, yüzey pürüzlülüğünü iyileştirdiği, kesme kuvvetlerini ve kesici takım aşınmasını azalttığı tespit edildi. Kuru işleme şartı altında yapılan ultrasonik tornalamada, kesme hızının artmasıyla, işleme bölgesi sıcaklığı geleneksel tornalamaya göre daha fazla arttığı görüldü. Ancak MMY yöntemi ile yapılan ultrasonik tornalama deneylerinde oluşan işleme bölgesi sıcaklığındaki artış kuru işlemeye göre oldukça sınırlı kaldı. Ayrıca titreşim frekansının artmasıyla, iş parçası yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvveti azaldı. CBN kesici takımlarda serbest yüzey aşınmaları yaygın olarak görülürken, sementit karbür kesici takımlarda düzenli bir aşınma görülmeyip, uç kırılmaları, çentik aşınması ve takım üzerine talaş sıvanması yaygın olarak görüldü. Yüzey topografi sonuçlarına göre, geleneksel tornalamada ilerlemeye bağlı oluşan izler baskın yüzey dokusunu oluştururken, ultrasonik tornalamada mikro girinti ve çıkıntı oluşumu görüldü. Düşük kesme hızında süreksiz talaş oluşurken, artan kesme hızı ile geleneksel tornalamada şerit talaş, ultrasonik tornalamada ise helisel talaş formları görüldü. Ultrasonik tornalamada işleme indeksinin geleneksel tornalaya göre yüksek çıktığı belirlendi.
Sonlu elemanlar analizlerinde kesme sıcaklığı ve kesme kuvvetlerinin deneysel çalışmalarda elde edilen verilere oldukça yakın olarak elde edildi. Varyans analiz sonuçlarına göre; yüzey pürüzlülüğü, kesme sıcaklığı, takım aşınması ve talaş kalınlık oranına etki eden en önemli bağımsız değişkenin kesme hızı olduğu, kesme kuvvetine etki eden en önemli bağımsız değişkenin işleme yöntemi olduğu ve işleme indeksine etki eden en önemli bağımsız değişkenin ise soğutma yöntemi olduğu belirlendi.

Abstract:
In this study, effects of lubrication techniques and cutting parameters on performance characteristics in conventional and ultrasonic turning of AISI 52100 steel, machinability of AISI 52100 steel, were investigated as experimentally, numerically and statistically. In order to determine machinability, effects of independent variables on workpiece surface roughness, surface topography, machining temperature, cutting force, tool wear/life, chip form, chip thickness ratio and machining index were determined. Experimental studies were carried out using cemented carbide and cubic boron nitride (CBN) cutting tools under machining conditions such as 50, 100 and 150 m/min cutting speeds, 0.1 mm / revolution constant feed and 0.5 mm constant cutting depth, under cooling method as both dry machining and minimum quantity lubrication method (MQL). Al2O3 nano particle cutting fluid was used in minimum quantity lubrication method. In Ultrasonic Turning experiments, 5 and 10 µm as amplitudes and 20 and 30 kHz as vibration frequencies values were applied to cuttingtool. Cutting force and machining zone temperature Analysis were performed in the Deform software program. Experimental and Deform Software results were compared each other. Analysis of Variance (ANOVA) was performed to determine significance effects of independent variables on dependent variables.
According to experimental results; it has been determined that vibration which applied to cutting tool improved surface roughness, reduced cutting forces and cutting tool wear under all conditions. In Ultrasonic Turning which carried out under dry machining, it was determined that with increasing cutting speed, cutting temperature results exceeded more than conventional turning. However, lower cutting zone temperature values were obtained in Ultrasonic Turning experiments carried out under MQL Method compared to dry machining. Furthermore, increasing values of vibration frequency, workpiece surface roughness and cutting force were reduced. While flank wear was commenly observed in CBN cutting tool, cemented carbide cutting tools did not show regular flank wear, but also fracture, notch wear, and built up edge on tool were intensively observed. According to surface topography results, traces due to feed in conventional Turning formed dominant surface texture, while micro indentation and protrusion were observed in Ultrasonic turning. While discontinuous chip types were observed at low cutting speed, continuous and helical types chip formed respectively in conventional and Ultrasonic turning. Higher machining index values occured in Ultrasonic Turning operations according to conventional turning.
Infinite element analysis, the cutting temperature and forces were obtained very close to experimental results. According to the analysis of variance; cutting speed is the most important independent variable effecting on surface roughness, cutting temperature, tool wear and chip thickness ratio, machining method is the most important independent variable effecting cutting force and cooling method is the most important independent variable effecting the machining index.