Kesici ağzı yuvarlatılmış aşınmış kesici takımlar ile ortogonal talaş kaldırmanın kayma hatları ile modellenmesi ve analizi
Slip-line field modeling and analysis of orthogonal cutting with rounded edge worn tool
Yazar: ALPER UYSAL
Danışman: PROF. DR. ERHAN ALTAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kesici takımlar = Cutting tools ; Talaşlı şekillendirme = Machining forming

Özet:
Talaşlı imalat işlemlerinde kullanılan kesici takımlar, üretim yöntemleri ne olursa olsun kesici ağızlarında belirli bir miktar yuvarlaklığa sahiptirler. Bazı durumlarda, takımların kesici ağızları özellikle yuvarlatılmaktadır. Büyük bir uygulama alanına sahip olan kesici ağzı yuvarlatılmış takımların kullanıldığı talaşlı imalat işlemlerinde, takımın önünde iş parçası malzemesinin plastik akışını belirleyen ve ölü bölge olarak adlandırılan küçük bir bölgenin oluştuğu deneysel çalışmalardan görülmüştür. Ayrıca uygulamada kullanılan kesici takımlar literatürde yer alan birçok modelde kabul edildiği gibi aşınmamış değil, aksine kısa bir süre kullanımdan sonra aşınmış olarak işleme devam etmektedirler.Bu çalışmada, kesici ağzı yuvarlatılmış kritik değerden az aşınmış takımlara ait ölü bölge oluşumunu da göz önüne alan kayma hattı modeli geliştirilmiş ve deneysel çalışmalar ile incelenmiştir. Çalışmada öncelikle kesici ağzı yuvarlatılmış aşınmamış takımlara ve sonra kesici ağzı sivri aşınmış takımlara ait kayma hattı modelleri oluşturulmuş ve deneysel olarak incelenmiştir. Son olarak kesici ağzı yuvarlatılmış aşınmış takımlara ait kayma hattı modeli oluşturularak yapılan deneyler ile modelin çözümü sağlanmıştır.Mikro talaş kaldırma deneyleri, sivri ve üç farklı kesici ağız yuvarlatma yarıçapına sahip takımlar kullanılarak, üç farklı serbest yüzey aşınma miktarı, kesme derinliği, kesme hızı ve iki farklı talaş açısı değerlerinde ani duruşlu ortogonal talaş kaldıran test cihazında gerçekleştirilmiş ve kesme kuvveti, radyal kuvvet ve bileşke kuvvet değerleri cihazdan elde edilen gerinim değerlerinin kalibrasyon denkleminde yerine konulması sonucunda elde edilmiştir. Deneyler sonucunda, serbest yüzey aşınma miktarının, kesici ağız yuvarlatma yarıçapının ve kesme derinliğinin artması ile kesme kuvvetinin, radyal kuvvetin ve dolayısıyla bileşke kuvvetin arttığı görülmüştür. Kesme hızının ve talaş açısının arttırılması ise kuvvet değerlerinde azalmaya neden olmuştur.Oluşturulan kayma hattı modelleri, geliştirilen algoritmalar sayesinde deneysel sonuçlar kullanılarak çözülmüş ve doğrulukları kontrol edilmiştir. Modellerin çözdürülmesi ile dalma kuvveti, sürtünme kuvveti, birinci kayma bölgesinin kalınlığı, talaş kıvrılma yarıçapı ve talaş kalınlığı teorik olarak bulunmuş ve talaş kaldırma parametreleri ile değişimleri incelenmiştir. Kesici ağız yuvarlatma yarıçapı, serbest yüzey aşınma miktarı ve kesme derinliği arttıkça dalma kuvvetinin arttığı, kesme hızı ve talaş açısı arttıkça dalma kuvvetinin azaldığı görülmüştür. Sürtünme kuvvetinin, serbest yüzey aşınma miktarı ve kesme derinliği arttıkça artmakta, kesme hızı ve talaş açısı arttıkça azalmakta olduğu belirlenmiştir. Diğer yandan kesici ağız yuvarlatma yarıçapının arttırılması sürtünme kuvvetinin bileşke kuvvet üzerine etkisini azaltmıştır. Birinci kayma bölgesi kalınlığının kesici ağız yuvarlatma yarıçapı ve aşınma miktarı arttıkça arttığı, kesme hızı ve talaş açısından fazla etkilenmediği görülmüştür. Talaş kıvrılma yarıçapının, serbest yüzey aşınma miktarının ve kesici ağız yuvarlatma yarıçapının artması ile arttığı ve kesme derinliğinin artması ile azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca kesme hızı ve talaş açısı arttıkça da talaş kıvrılma yarıçapı çok az miktarda azalmaktadır. Talaş kalınlığı incelendiğinde ise serbest yüzey aşınma miktarının arttırılmasının talaş kalınlığını az miktarda arttırdığı ve kesici ağız yuvarlatma yarıçapının büyümesinin talaş kalınlığını az miktarda azalttığı belirlenmiştir.Takım ucunda oluşan ölü bölgenin kesici ağız yuvarlatma yarıçapı ve serbest yüzey aşınması ile değişiminin araştırılması için ani duruşlu ortogonal talaş kaldıran test cihazından elde edilen deney numunelerinde mikro yapı incelemeleri yapılmış ve kesici ağız yuvarlatma yarıçapı arttıkça ölü bölgenin büyüdüğü ve ölü bölge büyüdükçe dalma kuvvetinin ve kesme kuvvetlerinin de arttığı görülmüştür. Serbest yüzey aşınması arttıkça ölü bölge oluşumuna neden olan kesici ağız yuvarlaklığının azaldığı ve ölü bölgenin ufaldığı belirlenmiştir. Ölü bölgenin küçülmesiyle dalma kuvveti azalmakta ancak aşınma miktarındaki artıştan dolayı sürtünme kuvveti artmaktadır. Bu durum kesme kuvvetlerinin artmasına neden olmaktadır.

Abstract:
Cutting tools used in machining operations have slight roundness on the cutting edge regardless of their manufacturing methods. In some cases, edge of cutting tools is specially rounded. In machining operations with those rounded edge cutting tools having extensive application area is used, it is seen that a small region called as dead metal zone is formed in front of the tool and this region is very influence on the plastic flow of workpiece material. Besides cutting tools continue the metal cutting operations as worn tool after being used for a period of time on the contrary to the models in literature in which cutting tools are accepted as perfectly sharp.In this study, a slip-line model for rounded edge worn tool, which considers the dead metal zone, was developed and analyzed by experimental studies. Firstly, a slip-line model for rounded edge tools and then a slip-line model for sharp worn tools were established and analyzed. Finally, a slip-line model for rounded edge worn tools was developed and analysis of the model was obtained by experiments.Micromachining experiments carried out by quick-stop orthogonal cutting device as using sharp and three different rounded edge cutting tools on values of three different flank wear rates, uncut chip thickness, cutting speeds and two different rake angles and cutting force, thrust force and resultant force values were obtained. As results of experiments it was seen that cutting force, thrust foce and thus resultant force values increased when flank wear rate, cutting edge radius and uncut chip thickness were increased. Increasing of cutting speed and rake angle caused to decreasing of force values.Developed slip-line models were analyzed with established algorithms by using experimental results and were controlled their accuracy. Ploughing force, friction force, thickness of primary shear zone, chip curl radius and chip thickness were theoretically calculated by solving developed slip-line models and analyzed their changing with machining parameters. It was seen that ploughing force increased when cutting edge radius, flank wear rate and uncut chip thickness decreased and ploughing force decreased when cutting speed and rake angle increased. It was observed that friction force increased when flank wear rate and uncut chip thickness increased and it decreased when cutting speed and rake angle increased. On the other hand effect of friction force to resultant force decreased when cutting edge radius was increased. It was seen that thickness of primary shear zone increased when cutting edge radius and flank wear rate increased and it was not too much affected from cutting speed and rake angle. It was determined that chip curl radius increased by increasing of flank wear rate and cutting edge radius and decreased by increasing of uncut chip thickness. When cutting speed and rake angle also increased, chip curl radius slightly decreased. When chip thickness was analyzed it was determined that chip thickness slightly increased by increasing of flank wear rate and it slightly decreased by increasing of cutting edge radius.Micro structures of samples obtained from quick-stop orthogonal cutting device were investigated to research the changing of dead metal zone with cutting edge radius and flank wear rate and it was seen that dead metal zone became bigger when cutting edge radius increased and ploughing force and cutting forces also increased by increasing of dead metal zone. It was specified that cutting edge radius, which caused to formation of dead metal zone, decreased and dead metal zone became smaller when flank wear rate increased. Decreasing of dead metal zone caused the decreasing of ploughing force, but friction force increased by increasing flank wear rate. In this case, cutting forces increased.