Kesici takımlara uygulanan kriyojenik işlemin ınconel 625 nikel esaslı süperalaşımın işlenebilirliğine etkisinin deneysel nümerik ve istatistiksel araştırılması
Experimental numerical and statistical investigation of the effect of cryogenic treatment applied on cutting tools on machinability of inconel 625 nickel based superalloy
Yazar: MAHİR AKGÜN
Danışman: PROF. DR. HALİL DEMİR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Inconel 625 süper alaşımın farklı bekleme sürelerinde sığ ve derin kriyojenik işlem uygulanmış takımlar ile işlenebilirliği araştırılmıştır. Kesici takım olarak kaplamasız, AlTiN ve TiCN-Al2O3 kaplamalı tungsten karbür takımlar kullanılmıştır. İlk aşamada kesici takımlara 12, 24 ve 36 saat olmak üzere üç farklı sürede sığ (-80°C) ve derin (-196°C) kriyojenik işlemler uygulanmıştır. Kriyojenik işlemin kesici takımlara etkisini belirlemek için mikroyapı incelemeleri, mikrosertlik ölçümleri, EDS ve XRD analizleri yapılmıştır. İkinci aşamada, işlenebilirlik deneyleri CNC torna tezgahında kuru kesme şartlarında gerçekleştirilmiştir. İşlenebilirlik deneyleri kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü değerleri üzerinden değerlendirilmiştir. Tornalama deneylerinin tasarımında Taguchi metodu kullanılmıştır. Tornalama deneyleri L18 dizinine göre kesici takımın altı farklı seviyesinde, kesme hızının, ilerleme miktarının ve talaş derinliğinin üç farklı seviyesinde, yapılmıştır. Kesme parametrelerinin optimum seviyelerini ve çıktı parametreleri üzerindeki etki oranlarını belirlemek için sırasıyla, S/N oranı ve varyans analizleri kullanılmıştır. Sonrasında, kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğünü tahmin edebilmek için doğrusal ve ikinci derece regresyon analizleri uygulanmıştır. Buna ek olarak, geliştirilen bu matematiksel denklemlerin doğrulukları test edilmiştir. Son aşamada, sonlu elemanlar metodu tabanlı Deform 3D yazılımında tornalama simülasyonları yapılarak elde edilen sonuçlar deneysel sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, kriyojenik işlem sonrası kesici takımların sertliğinin arttığı ve bu sertlik artışına bağlı olarak tornalama deneylerinde esas kesme kuvveti ve yüzey pürüzlülüğü değerlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Analiz sonuçlarına göre esas kesme kuvveti için kesme parametrelerinin optimum seviyeleri 24 saat derin kriyojenik işlem uygulana takım, 180 m/dak kesme hızı, 0,12 mm/dev ilerleme miktarı ve 0,5 mm talaş derinliği olarak belirlenmiştir. Bu parametreler kullanılarak yapılan tornalama deneylerinde esas kesme kuvveti 82 N olarak elde edilmiştir. Yüzey pürüzlülüğü için ise kesme parametrelerinin optimum seviyeleri 24 saat derin kriyojenik işlem uygulana takım, 120 m/dak kesme hızı, 0,12 mm/dev ilerleme miktarı ve 1,5 mm talaş derinliği olarak belirlenmiştir. Bu parametreler kullanılarak yapılan tornalama deneylerinde yüzey pürüzlülüğü 0,21 mm olarak elde edilmiştir. Varyans (ANOVA) analiz sonuçlarına göre esas kesme kuvveti üzerinde en fazla etkiye sahip parametre ise %90,03 katkı oranı ile talaş derinliği iken yüzey pürüzlülüğü üzerinde en fazla etkiye sahip parametre ise %63,55 katkı oranı ile kesici takımdır. Regresyon analizi sonuçları, ikinci dereceden regresyon modeli ile elde edilen tahmini Fc ve Ra değerlerinin lineer regresyon modeline göre daha etkili olduğunu göstermektedir. İstatistiksel sonuçlar, Taguchi yönteminin Inconel 625 alaşımının işlenmesinde optimum kesme parametrelerinin belirlenmesinde başarılı olduğunu göstermektedir. Deneysel olarak ölçülen kesme kuvveti ile simülasyon sonucunda elde edilen kuvvet değerleri arasında ortalama %12'lik bir fark olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, was investigated the machinability of Inconel 625 superalloys by cutting tools applied with the shallow and deep cryogenic treatment at different soaking times. The uncoated cutting tool, AlTiN and TiCN-Al2O3 coated tungsten carbide tools were used as cutting tools. In the first step, the shallow (at -80°C) and deep cryogenic (at-196°C) processes were applied to cutting tools in three different soaking times, 12, 24 and 36 hours. Then, the analysis of the microstructure, EDS, XRD and measurements of microhardness, were performed to determine the effect of the cryogenic process on cutting tools. In the second step, machinability experiments were performed on CNC lathe with dry cutting conditions. Machinability was evaluated according to cutting forces and surface roughness values. Taguchi method was used in the design of turning experiments. Turning experiments were performed according to L18 index at six different levels of the cutting tool, three different levels of cutting speed, feed and depth of cut. The S/N ratio and variance analyzes were used to determine the optimum levels of cutting parameters and their effect rates on output parameters. Then, linear and quadratic regression analyses have been applied to predict the cutting force and surface roughness. In addition, these developed mathematical equations have been tested with the accuracy test. At the last stage, turning simulations are performed in the finite element method based Deform 3D software and compared with the experimental results. Consequently, it was found that the hardness of the cutting tools increased after cryogenic processing, and due to this increase in hardness, the values of the main cutting force and surface roughness decreased in turning experiments. Statistical results revealed that it was concluded that the A5B3C1D1 (cutting tool= 24h -196° cryogenic treated, cutting speed = 180 m/min, feed rate = 0.1 mm/rev, depth of cut = 0,5 mm) parameters were the optimal cutting parameters for cutting forces. The cutting forces was obtained as 82 N in the turning test performed using these parameters. On the other hand, it was concluded that was concluded that the A3B3C1D1 (cutting tool= 24h -196° cryogenic treated, cutting speed = 120 m/min, feed rate = 0.12 mm/rev, depth of cut = 1,5 mm) parameters were the optimal cutting parameters for the surface roughness. The surface roughness was obtained as 0.21 mm in the turning test performed using these parameters. The analysis of variance results indicates that the depth of cut is the most significant parameter affecting Fc with a 90.03% contribution rate while the cutting tool is the most significant parameter affecting Ra with a 63,55% contribution rate. Regression analysis results show that estimated Fc and Ra values obtained by quadratic regression model are more effective than linear regression model. The statistical results show that the Taguchi method is successful in determining the optimum cutting parameters for machining Inconel 625 alloy. It was determined that there is an average of 12% difference between the experimentally measured cutting force and the cutting force values obtained as a result of the simulation.