Farklı kesici ağız yerleşimi ve helis açılarına sahip freze takımlarının performans analizi
Performance analysis of milling tools with different cutting tool placement and helix angles
Yazar: ALTUĞ EMRE ÇANKAYA
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN NEŞELİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kesici takımlar = Cutting tools ; Optimizasyon = Optimization ; Titreşim = Vibration ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness

Özet:
Uzay, havacılık, otomotiv ve metal kalıp üretimi endüstrisinde yaygın olarak kullanılan talaşlı imalat yöntemlerinde üretim verimliliğinin artırılması ve buna mukabil parça başı maliyetlerin azaltılması kısıtları, halen çözüm üretilmesi gereken önemli problemler arasındadır. Sistemi etkileyen parametrelerin fazlalığı dikkate alındığında bu problemin geleneksel yollarla çözüme ulaşması imkânsız hale gelmektedir. Kesme işlemi sırasında meydan gelen dinamiklerin tespiti ve etkili parametrelerin matematiksel kontrolü, ideal kesme işleminin gerçekleştirilebilmesinde son derece önem arz eder. Özellikle frezeleme ile yapılan kesintili kesme işlemlerinde sisteme yüklenen enerjideki anlık değişimler, dinamik sapmalara yol açacak kuvvet dengesizliğine neden olur. Sisteme giriş enerjisi sistemde yayılan enerjiden daha büyük olduğunda ise istenmedik titreşim olarak bilinen kendi kendini tetikleyen titreşimlerin doğmasına neden olur. Bu durum iş parçası son yüzey pürüzlülük değerlerinin artmasına ve dolayısıyla kalitesinin azalmasına, çalışma verimliliğin düşmesine ve üretim maliyetlerinin artmasına yol açar.
Bu tez çalışmasıyla parmak freze kullanılarak yapılan frezeleme işlemlerinde yüzey pürüzlülüğünü ve istenmedik titreşimleri minimize edecek optimum kesici geometrisinin ve kesme koşullarının tespiti amaçlanmıştır. Bu maksatla L18(21x34) Taguchi ortogonal dizinine bağlı 18 adet fiziksel deney gerçekleştirilmiştir. Deneylerde sistem dinamiklerini farklı modlarda uyaracak üç farklı firma tarafından üretilmiş değişken ağız dizilişine sahip ve değişken helis açılı parmak frezeler kullanılmıştır. Deneysel kombinasyonları oluşturan giriş parametreleri, kesme dinamiği üzerinde en etkili olan ve ön kesme deneyleri ile tespit edilen yanal talaş derinliği, takım ilerleme oranı, devir sayısı, iş parçası malzemesi ve kesici takım çeşitliliğidir. Nihai ürün için kalite göstergesi olan çıkış parametreleri ise yüzey pürüzlülüğü ve takım titreşimleridir. İdeal pürüzlülük ve titreşim değerlerine ulaştıracak optimal giriş parametre kombinasyonunun tespiti için ise Taguchi metodu kullanılmıştır. 
Yapılan istatistiki analize göre; en küçük Ra pürüzlülük değeri için Ç4140 malzemede YG marka kesici takım seçilmiştir. Bu takım-malzeme ilişkisinde en ideal kesme parametreleri ise minimum kesme derinliği ile maksimum kesme hızı ve ilerleme hızı olması gerektiği tespit edilmiştir. En küçük Rz pürüzlülük değeri için Ç4140 malzemede Nachi marka kesici takım seçilmiştir. Bu takım-malzeme ilişkisinde en ideal kesme parametreleri ise minimum kesme derinliği ile maksimum kesme hızı ve ilerleme hızı olması gerektiği tespit edilmiştir.
Titreşim verileri analiz edildiğinde ise; Vx titreşim değeri için GGG50 malzemede Iscar marka kesici takım seçilmiştir. Bu takım-malzeme ilişkisinde en ideal kesme parametreleri ise minimum kesme derinliği ile maksimum kesme hızı ve ilerleme hızı olması gerektiği tespit edilmiştir. Vy titreşim değeri için GGG50 malzemede Iscar marka kesici takım seçilmelidir. Bu takım-malzeme ilişkisinde en ideal kesme parametreleri ise ikinci seviye kesme derinliği ile maksimum kesme hızı ve ilerleme hızı olması gerektiği tespit edilmiştir. Vz titreşim değeri için GGG50 malzemede Iscar marka kesici takım seçilmelidir. Bu takım-malzeme ilişkisinde en ideal kesme parametreleri ise maksimum kesme derinliği ile maksimum kesme hızı ve ilerleme hızı olması gerektiği tespit edilmiştir. Problemin komplike olduğu dikkate alınarak ideal pürüzlülük ve titreşim değerlerinin tahmin edilmesinde yardımcı olacak ve geçerlilikleri sırasıyla Ra için %90, Rz için %94 ve Vx için %84, Vy için %95 ve Vz için %90 olan kuadratik tahmin modelleri oluşturulmuştur. Parametre % etkililikleri ise ANOVA analizi kullanılarak bulunmuştur. Buna göre en ideal Ra pürüzlülük için en etkili parametre %52,26 ile malzeme, Rz pürüzlülük için en etkili parametre %43,98 ile kesici takım olmuştur. Titreşim değerleri için en etkili parametreler incelendiğinde Vx titreşim değeri için en etkili parametre %63,10 ile malzeme, Vy titreşim değeri için en etkili parametre %86,39 ile malzeme, Vz titreşim değeri için en etkili parametre %67,77 ile malzeme olmuştur.
Ortaya konulan istatistiki yaklaşımla, Ra pürüzlülük değeri için YG marka kesici takımın, Rz pürüzlülük değeri için Nachi marka kesici takımın daha performanslı olduğu, titreşim değeri için ise Iscar marka takımın performansının yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte, işlenecek malzemenin cinsine göre takımın seçilmesi gerektiği, titreşim sönümleyici olarak geçen parmak frezelerinin de helis ve ağız yerleşim açılarının pürüzlülük ve titreşime etkisi bu çalışmada gösterilmiştir. Bu pratik katkıya ek olarak, bu çalışma, belirli koşullar altında değişken dağılımlı ağızlara ve helis açılarına sahip frezeleme takımlarının deneysel doğrusal olmayan dinamiklerine yeni bir bakış açısı sağlamıştır.

Abstract:
The constraints of increasing the production efficiency and reducing the cost per part in machining methods, which are widely used in the aerospace, automotive and metal mold manufacturing industries, are still among the important problems that need to be solved. Considering the excess of parameters affecting the system, it becomes impossible to solve this problem by traditional means. The determination of the dynamics occurring during the cutting process and the mathematical control of the effective parameters are extremely important in realizing the ideal cutting process. Especially in interrupted cutting operations with milling, instantaneous changes in the energy loaded on the system cause a force imbalance that will lead to dynamic deviations. When the input energy to the system is greater than the energy emitted in the system, it causes self-excited vibrations known as unwanted vibrations. This situation leads to an increase in the final surface roughness values of the workpiece and therefore a decrease in its quality, a decrease in working efficiency and an increase in production costs.
In this thesis, it is aimed to determine the optimum cutter geometry and cutting conditions that will minimize the surface roughness and unwanted vibrations in milling operations using end mills. For this purpose, 18 physical experiments based on the L18(21x34) Taguchi orthogonal array were carried out. In the experiments, end mills with variable pitch and variable helix angle, produced by three different companies, were used to stimulate system dynamics in different modes. The input parameters that make up the experimental combinations are the lateral depth of cut, the tool feed rate, the number of revolutions, the workpiece material and the cutting tool diversity, which are the most effective on the cutting dynamics and determined by the pre-cutting experiments.
The output parameters, which are quality indicators for the final product, are surface roughness and tool vibrations. Taguchi method was used to determine the optimal input parameter combination to achieve ideal roughness and vibration values.
According to the statistical analysis; For the smallest Ra roughness value, YG brand cutting tool should be selected for Ç4140 material. It has been determined that the most ideal cutting parameters in this tool-material relationship should be minimum depth of cut and maximum cutting speed and feed rate. For the smallest Rz roughness value, Nachi brand cutting tool should be chosen for Ç4140 material. It has been determined that the most ideal cutting parameters in this tool-material relationship should be minimum depth of cut and maximum cutting speed and feed rate.
When the vibration data is analyzed; For Vx vibration value, Iscar brand cutting tool should be selected in GGG50 material. It has been determined that the most ideal cutting parameters in this tool-material relationship should be minimum depth of cut and maximum cutting speed and feed rate. For the Vy vibration value, Iscar brand cutting tool should be selected in GGG50 material. It has been determined that the most ideal cutting parameters in this tool-material relationship should be the second level cutting depth and the maximum cutting speed and feed rate. For Vz vibration value, Iscar brand cutting tool should be selected in GGG50 material. It has been determined that the most ideal cutting parameters in this tool-material relationship should be maximum depth of cut, maximum cutting speed and feed rate. Considering the complexity of the problem, quadratic estimation models were created that will help in estimating the ideal roughness and vibration values, and their validity is 90% for Ra, 94% for Rz, 84% for Vx, 95% for Vy and 90% for Vz. Parameter % effectiveness was found using ANOVA analysis. Accordingly, the most effective parameter for the ideal Ra roughness was the material with 52.26%, the most effective parameter for the Rz roughness was the cutting tool with 43.98%. When the most effective parameters for vibration values are examined, the most effective parameter for Vx vibration value is material with 63.10%, the most effective parameter for Vy vibration value is material with 86.39%, and the most effective parameter for Vz vibration value is material with 67.77%.
With the statistical approach, it was concluded that YG brand cutting tool for Ra roughness value, Nachi brand cutting tool for Rz roughness value, and Iscar brand tool for vibration value were higher. In addition, the tool should be selected according to the material of the material to be processed, and the effect of helix and mouth placement angles on the roughness and vibration of the end mills that act as vibration dampers are shown in this study. In addition to this practical contribution, this work provides a new perspective on the experimental nonlinear dynamics of milling cutters with variable dispersion flutes and helix angles under certain conditions.