Kesici takımlara uygulanan kriyojenik işlemin ti-6Al-4V alaşımının delinebilirliği üzerindeki etkilerinin araştırılması
Investigation of the effect of cryogenic treatment applied on cutting tools on drillability ti-6Al-4V alloy
Yazar: TURGAY KIVAK
Danışman: PROF. DR. ULVİ ŞEKER
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Delme = Drilling ; Kesme kuvveti = Cutting force ; Mikrosertlik = Microhardness ; Mikroyapı = Microstructure ; Takım aşınması = Tool wear ; Takım ömrü = Tool life ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Bu çalışmada, Ti-6Al-4V titanyum alaşımının delinmesinde kesme parametreleri, kesme şartları ve kesici takımlara uygulanan işlemlerin; kesme kuvvetleri, moment, yüzey pürüzlülüğü, delik çapı, dairesellik ve silindiriklikten sapma ile takım aşınması ve takım ömrü üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Kesici takım olarak kaplamasız ve TiAlN/TiN kaplı M42 HSS ile tungsten karbür matkaplar kullanılmıştır. Her iki kesici takım malzemesinde de kaplamasız takımların bir kısmına -145 oC'de 24 saat bekletmek suretiyle kriyojenik işlem diğer bir kısmına ise kriyojenik işlem ardına 200 oC'de iki saat bekletmek suretiyle temperleme işlemi uygulanmıştır. Dolayısıyla her kesici takım malzemesinden kaplamasız, TiAlN/TiN kaplı, kriyojenik işlem uygulanmış (Kİ) ve kriyojenik işlem ardına temperleme işlemi uygulanmış (KİT) olmak üzere dört farklı takım test edilmiştir. Delme deneylerinde kesme parametreleri olarak HSS ve tungsten karbür takımlar için ayrı ayrı belirlenen dört farklı kesme hızı ve üç farklı ilerleme hızı kullanılmıştır. 5 mm çapında matkaplarla kuru ve ıslak kesme şartları altında CNC dik işleme merkezinde 15 mm derinliğinde boydan boya delikler delinmiştir. Ayrıca kriyojenik işlem ve kriyojenik işlem ardına uygulanan temperleme işleminin işlemsiz takımlara göre mikroyapıda meydana getirdiği değişimleri belirlemek amacıyla SEM analizleri yapılmıştır.Mikroyapı incelemeleri, HSS takımlara uygulanan kriyojenik işlemin, karbür boyutlarını küçülterek homojen karbür dağılımı sağladığını ve geleneksel ısıl işlem sonrası yapıdaki kalıntı östeniti martensite dönüştürdüğünü göstermiştir. Ayrıca kriyojenik işlem sonrası yapılan temperleme işlemi ile küçük ikincil karbürlerin yoğunluğunun arttığı görülmüştür. Tungsten karbür takımlarda ise kriyojenik işlem ve temperleme işlemi eta karbürlerinin yoğunluğunu artırmıştır. Mikroyapıdaki bu değişimler kesici takımların sertlik ve aşınma direncinin artmasında önemli bir rol oynamıştır.Delme deneyleri sonucunda, soğutma sıvısı kullanımının kesme kuvvetleri ve moment dışındaki tüm deney çıktıları üzerinde olumlu etkilere sahip olduğu görülmüştür. Özellikle her iki kesici takım malzemesinde de takım ömründe önemli artışlar sağlamıştır. Hem HSS hemde tungsten karbür takımlar için delik kalitesi ve takım ömrü açısından en iyi sonuçlar TiAlN/TiN kaplı takımlardan alınmıştır. Kriyojenik işlem ve kriyojenik işlem ardına yapılan temperleme işleminin HSS ve tungsten karbür takımların işleme performansını arttırmada önemli etkilere sahip olduğu görülmüştür. Islak kesme şartlarında KİT HSS ve tungsten karbür takımlar işlemsiz takımlara göre takım ömründe sırasıyla %87 ve %83 ömür artışı sağlamıştır. İşleme çıktıları üzerindeki etkileri göz önüne alındığında kriyojenik işlemin HSS takımlar üzerindeki etkisinin karbür takımlara göre daha fazla olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, for the drilling of Ti-6Al-4V titanium alloy, the effects of cutting parameters, cutting conditions and of the processes (applied to the cutting tools) on the cutting forces, momentum, surface roughness, hole diameter, deviation from circularity and cylindricity, tool wear and tool life were investigated. As the cutting tool, uncoated and TiAlN/TiN coated M42 HSS and tungsten carbide drills were used. On both of the two cutting tool materials, part of the uncoated tools was cryogenically treated at -145 oC for 24h and the other part was tempered at 200 oC for 2h right after the criyogenic treatment. Hence, four different tools (uncoated, TiAlN/TiN coated, criyogenically treated, and tempered) from every cutting tool material were tested. In the drilling tests, for HSS and tungsten carbide tools , the cutting parameters of four different cutting speed and three different feed rate were used. At the CNC vertical machining center longitudinal holes of 15 mm depth were drilled with 5mm diameter drills under dry and wet cutting conditions. Additionally, SEM analyses were made in order to determine the changes in the microstructure caused by criyogenic treatment and tempering with respect to the uncoated tools.Microstructure examinations showed that criyogenical and tempering treatments reduced the carbide sizes and provided homogeneous carbide distribution and converted the retained austenite to martensite after the conventional heat treatment. Furthermore, it was observed that the intensity of secondary carbides increased with tempering which was made after the criyogenical treatment. Whereas in the tungsten carbide tools, criyogenical and tempering treatments increased the intensity of eta carbides. These changes in the microstructure played a significant role in the increase of hardness and wear resistance of cutting tools.At the end of the drilling tests, it was observed that the use of cooling liquid had a positive effect on the test outputs except cutting forces and momentum. Especially, significant increases were obtained in tool life for both of the cutting tool materials. For both of HSS and tungsten carbide tools the best results from the aspect of hole quality and tool life were obtained with TiAlN/TİN coated tools. It was observed that criyogenical and tempering treatment had significant effects in increasing the machining performance of HSS and tungsten carbide tools. In wet cutting conditions criyogenically treated and tempered HSS and tungsten carbide tools provided 87% and 83% life increase with respect to the untreated tools. When taking into consideration the effects on the machining outputs, the effects of criyogenical treatment on HSS tools were much more than the effects on carbide tools.