İnconel 718 malzemesinin mikro işlenebilirliği ve kaplama malzemesinin etkisinin araştırılması
Investigation of effect of coating materials and micromachinability of inconel 718 material
Yazar: İRFAN UCUN
Danışman: DOÇ. DR. FEVZİ BEDİR ; PROF. DR. KUBİLAY ASLANTAŞ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sonsuz elemanlar analizi = Infinite elements analysis

Özet:
Bu çalışmada, İnconel 718 nikel alaşımının mikro işlenebilirliği ve kaplama malzemesinin performansı araştırılmıştır. Çalışma, deneysel ve nümerik olmak üzere iki aşamadan meydana gelmektedir. Deneysel safhada, TiAlN+AlCrN, DLC, AlTiN, TiAlN+WC/C, AlCrN kaplanmış ve kaplanmamış WC-Co mikro kesici takımların performansı, sabit bir kesme hızında (Vc=48 m/dk) ve dört farklı ilerleme hızı (1,25-2,5-3,75-5 µm/ağız) ile üç farklı kesme derinliğinde (0,1 0,15 0,2 mm), takım aşınması, kesme kuvveti, yüzey pürüzlülüğü ve çapak oluşumu açısından değerlendirilmiştir. Ayrıca minimal miktar yağlama ve parça üzerine yapılan kriyojenik ön soğutma işlemlerinin de kesme işlemi üzerindeki etkisi AlCrN kaplı kesici takım için araştırılmıştır. Bununla birlikte, kaplamasız takım kullanılarak sabit bir kesme derinliği (0,1 mm) ve dört ayrı ilerleme hızında kesme bölgesindeki sıcaklık oluşumu FLIR ThermaCAM E45 termal kamerayla görüntülenmiştir. Çalışmanın nümerik aşamasında ise, çoğunlukla plastik deformasyon problemlerinin çözümünde kullanılan Deform 2D sonlu eleman yazılımı kullanılmıştır. Kaplamasız takım için dört farklı ilerleme hızında (1,25-2,5-3,75-5 µm/ağız) nümerik çözümler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca farklı kesici kenar açıları (+8?, 0? ve -8?) içinde analizler yapılmıştır. Nümerik analizlerde her bir ilerleme ve kesici kenar türüne bağlı olarak kesme kuvveti, takım gerilmesi ve kesme sıcaklığı değerleri tahmin edilmiştir. Bununla birlikte, minimum talaş kalınlığı da yine nümerik çalışma kapsamında elde edilmiştir. Çalışma sonunda elde edilen sonuçlara bakıldığında, AlTiN,  TiAlN+AlCrN, AlCrN kaplı kesici takımların, TiAlN+WC/C ve DLC kaplı takımlara nispeten, daha iyi bir aşınma performansı sergilediği görülmüştür. Fakat, DLC ve TiAlN+WC/C kaplı takımlar ise, talaş yapışmasına (BUE) karşı daha iyi bir direnç göstermişlerdir. Bunun bir sonucu olarak ta DLC ve TiAlN+WC/C kaplanmış kesici takımların yüzey pürüzlülüğü performansları daha iyidir. Kesme kuvveti sonuçlarında da DLC ve TiAlN+WC/C kaplı kesici takımlarla nispeten daha küçük kuvvet değerleri elde edilmiştir. Çapak oluşumu üzerinde ise, kaplama malzemesinin etkisinin olmadığı görülmüştür. Fakat, kriyojenik ön soğutma işleminin ise, çapak oluşumunun önlenmesine önemli bir katkı sağlamıştır. Yapılan nümerik analiz sonuçlarında ise, elde edilen kesme kuvveti ve kesme sıcaklığı değerlerinin deneysel ölçümlerle iyi bir uyum içinde olduğu saptanmıştır. Buda kullanılan malzeme modelinin doğruluğunu göstermektedir. Bununla birlikte, ilerleme hızına bağlı olarak kesme sıcaklığının arttığı, hem nümerik hem de deneysel sonuçlardan görülmüştür. Ayrıca, kesici kenarda oluşan gerilmelerin de ilerleme hızına ve kesici kenar açısına bağlı olarak değişiklik gösterdiği anlaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Mikro frezeleme, İnconel 718, Kaplanmış mikro takım, Sonlu eleman analizi.

Abstract:
In this study, micromachinability of Inconel 718 super alloy and the performance of different coating materials were investigated. The study had two phases experimental and numerical. In the experimental phase, performance of TiAlN+AlCrN, DLC, AlTiN, TiAlN+WC/C, AlCrN coated and uncoated micro end mills were evaluated in terms of wear, cutting force, surface roughness and burr formation at a constant cutting speed (Vc=48 m/min), four different feed rates (1.25-2.5-3.75-5 µm/flute) and three depths of cut (0.1, 0.15, 0.2 mm). Besides, effect of minimum quantity lubrication and the cryogenic pre-cooling of the workpiece during cutting process were also investigated for AlCrN coated micro end mill. Additionally, temperature of the cutting zone at a constant cutting speed (Vc=48 m/min) and four different feed rates (1.25-2.5-3.75-5 µm/flute) for uncoated micro end mill was measured by FLIR ThermaCAM E45 thermal camera. In the numerical phase of the study, Deform 2D Finite element code often used to analysis of plastic deformation problems was used. The numerical solutions were carried out for uncoated tool at four different feed rates (1.25-2.5-3.75-5 µm/flute). The numerical analyses were also carried out for different cutting edge angles (+8?, 0? -8?). Cutting force, tool stress and cutting temperature were estimated from the numerical analyses depending on feed rates and the cutting edge angles. Besides, minimum chip thickness was also obtained in the numerical study. At the end of the study, the results show that the wear performance of AlTiN,  TiAlN+AlCrN, AlCrN coated micro end mills are better than those of TiAlN+WC/C and DLC coated micro end mills. However,  TiAlN+WC/C and DLC coated micro end mills have better resistance to BUE formation compared to the others. As a result of this, the surface roughness performance of DLC and TiAlN+WC/C coated tools are also better than the others.  Cutting forces are smaller in cutting processes carried out with DLC and TiAlN+WC/C coated tools. The low friction coefficient of coating materials has an important effect in the this result. On the other hands, the coating materials do not have any effect on burr formation. However, cryogenic pre-cooling process has a significant contribution to prevent burr formation. The cutting force and cutting temperature values obtained from numerical analysis consistent with experimental measurement. Besides, an increase in cutting force and cutting temperature values with an increase in feed rate is observed from numerical and experimental results. The results also show that the stresses occurred on the cutting edge are change depending on feed rate and cutting edge angle.
Keywords: Micro end milling, Inconel 718, Coated micro tool, Finite element analysis.