Kompakt grafitli dökme demirde frezeleme işlemi sonrası kalıntı gerilmelerin incelenmesi ve kesme parametreleri için süreç optimizasyonu
Investigation of residual stresses induced by milling in compacted graphite iron and process optimization for cutting parameters
Yazar: MEHMET EMRE KARA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kullanımı günden güne artan kompakt grafitli dökme demir, özellikle içten yanmalı motor parçaları malzemesi olarak tercih edilmektedir. Kompakt grafitli dökme demir; bir yandan küresel grafitli dökme demirin sahip olduğu mekanik özelliklere yakın değerler sergilerken, diğer yandan kır dökme demirin sahip olduğu ısıl özelliklere benzer değerler ortaya koymaktadır. Kır dökme demirle kıyaslandığı zaman, çekme dayanımının %75, uzama değerlerinin ise %40'a varan değerlerde artıyor olması, bu malzemeyi kullanarak kesit kalınlıklarının inceltilebileceğini dolayısıyla da döküm parçaların hafifletilebileceğini göstermektedir. Kompakt grafitli dökme demirin bahsedilen bu avantajlarına döküm esnasında alaşıma ilave edilen magnezyum, krom ve titanyum gibi elementler sayesinde ulaşılırken bu elementlerin ilavesi kompakt grafitli dökme demirin işlenebilirliğini olumsuz şekilde etkilemektedir. Döküm parçalar, yüksek yüzey kalitesi ve sıkı toleransları karşılamak için çoğunlukla dökümden sonra talaşlı imalat işlemlerine tabi tutulurlar ve bu da bazen döküm işleminden çok daha pahalıya mal olabilmektedir. Bu nedenle, malzemenin işlenebilirliğini incelemek ve kesme parametreleri seçimini etkileyecek faktörleri belirlemek oldukça önemlidir.
Bu tezde, kompakt grafitli dökme demirin frezelemenmesi sırasında iş parçası sıcaklık dağılımının tahmini için yeni bir hibrit kesme modeli sunulmuştur. Hibrit model, mekanistik yaklaşıma dayalı bir analitik kuvvet modeli ve termal modele dayalı sonlu elemanlar analizinden oluşmaktadır. Tezin 3. bölümü frezeleme işleminde kesme kuvvetlerinin modellenmesine ayrılmıştır. Kesme kuvvetleri mekanistik model kullanılarak tahmin edilmiştir. Mekanistik modelin kullanımı için gerekli kesme katsayıları, ortogonal test gerçekleştirilerek takım ve iş parçası çifti için elde edilen sürtünme açısı, kayma açısı ve kayma gerilmesi parametreleri kullanılarak hesaplanmıştır. Kayma gerilmesi, kayma açısı ve sürtünme açısı ise doğrusal regresyon kullanılarak türetilmiştir. Mekanistik model frezeleme testleri ile doğrulanmıştır. Doğrulanmış kuvvet modeli kullanılarak teğetsel kuvvet, tork, güç ve aktif iş hesaplanmış, farklı kesme parametrelerinin bu mekanik yüklere olan etkisi incelenmiştir. Enerji ve aktif iş hesaplamaları, kompakt grafitli dökme demirin frezelemesinde ilerlemenin iki katına çıkarılmasıyla, kesme kuvvetlerinin neredeyse iki katına çıkmasına rağmen yaklaşık %10'luk bir enerji tasarrufu sağlanabildiğini göstermiştir.
4. bölümde iş parçasının sıcaklık dağılımını elde etmek için hareketli ısı kaynağı modeli ile ısı transferi modeli oluşturulmuştur. Frezeleme işlemi sırasında üretilen ve iş parçasına aktarılan ısı, adveksiyon ısı paylaşım modeli aracılığıyla hesaplanabilmektedir. Frezeleme işlemi sırasında ısı akısı bölümlenmiş elemanlara uygulanmış ve takip eden çözüm adımında bu elemanlar silinerek bir yandaki gruba ısı akısı uygulanmıştır. Bu durum, hareketli ısı kaynağı ve talaş kaldırma işlemini ifade etmektedir. Çalışmada ısı yükleri, modelden elde edilen kuvvet değerleri yardımı ile hesaplanmış ve sonlu elemanlar yazılımında sınır şartı olarak kullanılmıştır. Sıcaklık modelini doğrulamak için yüzey frezeleme işlemi esnasında oluşan sıcaklıklar gömülü termokupllar yardımıyla ölçülmüştür. Geliştirilen hibrit model ile ölçüm sonuçları karşılaştırıldığında aralarında iyi bir uyum olduğu gözlemlenmiştir.
5. bölümde, farklı kesme parametreleri ile frezelenmiş kompakt grafitli dökme demir yüzeylerindeki kalıntı gerilmeler X-ışını kırınımı kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen kalıntı gerilme sonuçları incelendiğinde tüm kalıntı gerilmelerin çekme yönünde olduğu görülmüştür. Kompakt grafitli dökme demirin ısıl iletkenliğinin yüksek olması nedeniyle malzeme üzerindeki termal gerilmelerin etkisi düşüktür. Bu nedenle termal yükler neticesi oluşan çekme kalıntı gerilmelerinin etkisi az olmaktadır. Mekanik yükler kaynaklı oluşan kalıntı gerilmelerin ise parça üzerinde daha etkin olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca ölçüm sonuçlarına göre, kesme hızının artmasıyla kalıntı gerilmelerin arttığı fakat belirli bir hızdan sonra ısı birikiminin iyice azalmasıyla bu etkinin tersine döndüğü tespit edilmiştir. Diş başına ilerleme miktarının artmasıyla çekme yönündeki kalıntı gerilmelerin arttığı görülmüştür.
6. bölümde öncelikle kompakt grafitli dökme demirin yüzey frezelemesinde kesme parametrelerinin takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda takım ömrü ve yüzey pürüzlülüğü için regresyon modeline dayalı tahmin modelleri geliştirilmiştir. Kesme testlerinde, kesme hızı ve diş başına ilerleme işlem parametreleri olarak seçilmiştir ve etkileri ANOVA kullanılarak istatistiksel olarak araştırılmıştır. İşleme operasyonlarında kesme parametrelerinin seçimi, kaynakların verimli kullanımı için önemlidir. Bu nedenle, seçkin bir genetik algoritma yöntemi olan baskılanamayan sıralama genetik algoritması II (NSGA-II) kullanılarak Pareto-optimal çözüm kümeleri elde edilmiştir. Elde edilen çözüm kümeleri sayesinde karar vericiye daha hızlı, daha kaliteli ve daha ekonomik üretim için önerilerde bulunulmuştur. Daha hızlı bir üretim için yüksek malzeme kaldırma hızına izin veren, daha kaliteli üretim için iyi yüzey özellikleri elde edilmesini sağlayan ve ekonomik üretim için takım aşınmasını azaltacak kesme parametreleri önerilmiştir. KGDD frezeleme süreci optimize edildiğinde elde edilebilecek kazanımlar gösterilmiştir. Sonuçlar NSGA-II'nin diğer talaşlı imalat optimizasyon problemlerine de uyarlanabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Compacted graphite iron (CGI) is a material with higher specific strength and fatigue strength compared to traditional gray cast iron, and higher vibration damping properties compared to aluminum, and thus suitable for the production of cast engine blocks with lower thickness and weight, especially as an engine block material. First introduced in 1948, the production of compacted graphite iron in foundries has increased since the 2000s. One of the reasons for this is that the requirement for very precise control of the casting process parameters for the production of compacted graphite cast has only been met in the last 20 years with the developing technology and experience. Another reason for the increase in production is that as a result of the pressure on emission values in new-generation engines, compacted graphite iron has come to the forefront as a material that can be produced at lower weights than existing blocks and is more resistant to in-cylinder pressures caused by combustion in the search for new and economical materials for engine blocks. Compacted graphite iron exhibits values close to the mechanical properties of spheroidal graphite cast iron on the one hand and similar to the thermal properties of gray cast iron on the other. Compared to gray cast iron, tensile strength increases by 75% and elongation values increase by up to 40%, indicating that by using this material, cross-sectional thicknesses can be thinned, and thus cast parts can be lightened.
While these advantages of compacted graphite iron are achieved by adding elements such as magnesium, chromium, and titanium to the alloy during casting, the addition of these elements adversely affects the machinability of compacted graphite iron. In order to meet high surface finishes and tight tolerances, cast parts are often machined after casting, which can sometimes be much more expensive than casting. Therefore, it is very important to study the machinability of the material and identify the factors that will influence the choice of cutting parameters.
The study/modeling of cutting forces and cutting temperatures is very important in machining as it has an impact on process-related parameters such as surface roughness, hardness, and residual stresses which affect product quality. In this thesis, a new hybrid cutting model is presented for the prediction of workpiece temperature distribution during dry milling of compacted graphite iron. The hybrid model consists of an analytical force model based on a mechanistic approach and a finite element analysis based on a thermal model. Chapter 3 of the thesis is devoted to the modeling of cutting forces in the milling process. The shear forces are estimated using the mechanistic model. The shear coefficients required for the use of the mechanistic model were calculated using the friction angle, shear angle, and shear stress parameters obtained for the tool and workpiece pair by performing orthogonal testing. Shear stress, shear angle, and friction angle were derived using linear regression. The mechanistic model was validated by milling tests. Tangential force, torque, power, and active work were calculated using the validated force model, and the effect of different cutting parameters on these mechanical loads was investigated. The energy and active work calculations showed that by doubling the feed rate for milling compacted graphite iron, an energy saving of about 10% can be achieved, although the cutting forces are almost doubled.
In chapter 4, a heat transfer model was created with a moving heat source model to obtain the temperature distribution of the workpiece. The heat generated during the milling process and transferred to the workpiece can be calculated through the advection heat partition model. During the milling process, the heat flux is applied to the segmented elements, and in the following solution step, these elements are deleted and the heat flux is applied to the next group. This represents a moving heat source and chip removal process. In the study, heat loads were calculated with the help of force values obtained from the model and used as boundary conditions in the finite element software. To validate the temperature model, the temperatures generated during the face milling process were measured with the help of embedded thermocouples. A good agreement was observed between the developed hybrid model and the measured results.
Plastic deformations during machining operations cause residual stresses. Residual stresses can occur in the surface and subsurface layers of the material due to the different effects of mechanical loads, heat treatments, and microstructural transformations. Residual stresses affect fatigue life, dimensional integrity, and stress corrosion. The presence of undesirable residual stresses in the milled surface can cause part damage, especially as a result of repetitive mechanical and thermal loads. Therefore, manufacturing and materials engineers need to study the machining-induced residual stress profiles to avoid unwanted damage. In Chapter 5, residual stresses on compacted graphite iron surfaces milled with different cutting parameters were determined using X-ray diffraction. With this method, residual stress measurements are made by taking into account the changes in the lattice structures of materials with polycrystalline structures. The method is based on the fact that the residual stress locked on the part changes the distances between the lattice planes. In this way, the distance between the lattice planes on the surface subjected to residual stress can be measured and the amount of residual stress can be calculated with the help of Bragg's law. The distance is measured by changing the angle between the beams sent to the surface and the returning beams. This angle difference indicates the presence of residual stress and means that there are strain in the microstructure of the material. The amount of these strain changes, the modulus of elasticity, and Poisson's ratio of the material can be used to determine the stresses. Due to the mechanical properties and high thermal conductivity of compacted graphite iron, the effect of thermal stresses on the material is low. Therefore, the effect of tensile residual stresses resulting from thermal loads is low. When the residual stress results obtained were analyzed, it was seen that all residual stresses were tensile. It is concluded that the residual stresses caused by mechanical loads with compacted graphite iron milling are more effective on the part. In addition, according to the measurement results, with the increase in cutting speed, the residual stresses tend to be more tensile due to the heat gradient formation caused by high plastic deformation. However, after a certain speed, this effect is reversed as the heat accumulation decreases. It was observed that the tensile residual stresses increased with increasing feed per tooth.
Milling is a widely used method for many sectors in the manufacturing industry. In machining parts with the milling method, it is important to ensure that the surface quality of the part is as required and desired. Especially in the aerospace, defense, and automotive industries, the surface quality of the machined parts comes to the fore. In the conditions of international technological competition, while companies strive to improve product quality, they also have to compete with the costs brought by increasing quality. Although the developments in CNC machine tools where the material is processed provide answers to these questions, the quality of the machined parts depends on many factors. By considering these factors in the milling process, it is possible to select the optimum cutting parameters.
In this study, the effects of cutting parameters on tool life and surface roughness in face milling of compacted graphite iron, which is increasingly used as an internal combustion engine part material, were experimentally investigated. Based on the results obtained, prediction models for tool life and surface roughness were developed based on the regression model. In cutting tests, cutting speed and feed per tooth were selected as process parameters and their effects were statistically investigated using ANOVA. The selection of cutting parameters in machining operations is important for the efficient utilization of resources. Therefore, Pareto-optimal solution sets were obtained using the non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II), an elitist genetic algorithm method. Thanks to the obtained solution sets, recommendations are made to the decision maker for faster, higher quality, and more economical production. Cutting parameters that allow a high material removal rate for faster production, good surface properties for better quality products, and reduced tool wear for economical production are proposed. The success achieved when CGI milling process parameters are optimized is demonstrated. The results show that NSGA-II can also be adapted to other machining optimization problems.