Alüminyum 2024 T351 malzemenin delik delme işleminde kesme parametrelerinin kesme kuvveti ölçümü ile optimizasyonu
Optimization of cutting parameters with cutting force measurement in drilling of aluminum 2024 T351 material
Yazar: YUNUS ZÜBEYİR TURGUT
Danışman: DOÇ. DR. MURAT ÖZSOY
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Tasarım ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Kesme kuvveti = Cutting force ; Kesme parametreleri = Cutting parameters ; Optimizasyon = Optimization

Özet:
Talaşlı imalat oldukça yaygın bir üretim yöntemidir. Ayrıca delik delme operasyonları da tüm talaşlı imalat proseslerinin %33'ünü ve tüm talaş kaldırma proseslerinde harcanan enerjinin %25'ini oluşturmaktadır. Delik delmenin imalat sektörü içerisindeki yaygınlığı göz önünde bulundurulduğunda, delik delinen proseslerde takım aşınmasını, harcanan enerjiyi ve süreyi minimize ederek maliyeti düşürmek amaçlanır. Bu da delik delmeye etki eden parametrelerin optimizasyonu ile mümkündür.
Bu çalışma kapsamında havacılık ve uzay endüstrisinde oldukça fazla tercih edilen dolayısıyla binlerce delik delme işlemine tabi tutulan Al 2024 T351 alaşımı kullanılarak delik delme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen kesme kuvveti değerlerine göre kesme parametrelerinin optimum seviyeleri tespit edilmiştir. Kesme parametreleri olarak, kesme hızı (50, 70, 90 ve 110 m/dk) ve diş başı ilerleme miktarı (0,06/0,08/0,1 ve 0,12 mm/diş) ele alınmıştır. Deneyler Taguchi L16(4^2) deney tasarımına göre 8 mm çaplı üç takım türü (HSS, HSSE-Co5, HSSE-Co5 TiAlN kaplamalı) için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Deneylerin gerçekleştirilip kuvvetlerin elde edilmesinde; FANUC kontrol paneline sahip Taksan TMC-700 V CNC dik işleme tezgâhı, ESİT AX3 yük hücresi, NI cDAQ-9188 veri toplama ünitesinin NI 9237 modülü ve FlexLogger yazılımı kullanılmıştır. Deneylerde elde edilen tüm kuvvet verilerine, Excel yazılımında üstel düzeltme veri çözümleme metodu uygulanarak sinyal gürültülerinin neden olduğu anlam ifade etmeyen veriler azaltılmaya çalışılmıştır. Her bir delik için işleme yönündeki (z ekseni) maksimum kuvvetler tespit edilmiştir. Tespit edilen bu maksimum kesme kuvvetleri kullanılarak Minitab 19 yazılımı yardımıyla Taguchi optimizasyonları, varyans analizleri (ANOVA) ve regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca maksimum kesme kuvveti ve işlem süresini birlikte minimize eden kesme parametrelerinin çoklu yanıt optimizasyonları (yanıt yüzey metodu) da gerçekleştirilmiştir.
Üç takım türü için de maksimum kesme kuvvetleri açısından parametrelerin optimum seviyeleri; kesme hızı için 50 m/dk olarak, diş başı ilerleme miktarı için ise 0,06 mm/diş olarak Taguchi optimizasyonu ile tespit edilmiştir. Üç takım türünde de kesme kuvveti üzerinde en etkili kesme parametresinin diş başı ilerleme miktarı olduğu sonucuna varyans analizi yardımıyla varılmıştır. Regresyon analizleri neticesinde maksimum kesme kuvveti ile kesme parametreleri arasındaki ilişkiyi tanımlayan matematiksel modeller elde edilmiştir. Maksimum kesme kuvveti ve işlem süresini birlikte minimize eden kesme parametrelerinin optimum seviyeleri, kesme hızı için 110 m/dk olarak diş başı ilerleme miktarı için ise 0,06 mm/diş olarak çoklu yanıt optimizasyonu ile tespit edilmiştir.

Abstract:
Machining is a very common production method. In addition, hole drilling operations constitute 33% of all machining processes and 25% of the energy consumed in all machining processes. Considering the prevalence of hole drilling in the manufacturing sector, it is aimed to reduce the cost by minimizing tool wear, energy consumption and time in hole drilling processes. This is possible by optimizing the parameters that affecting the drilling.
In this study, hole drilling experiments were carried out using Al 2024 T351 alloy, which is highly preferred in the aerospace industry and therefore subjected to thousands of hole drilling processes. Optimum levels of cutting parameters were determined according to the cutting force values obtained from the experiments. Cutting speed (50, 70, 90 and 110 m/min) and feed rate (0.06/0.08/0.1 and 0.12 mm/tooth) were considered as cutting parameters. Experiments were performed separately for three tool types (HSS, HSSE-Co5, HSSE-Co5 TiAlN coated) with 8 mm diameter according to Taguchi L16(4^2) experimental design. In performing the experiments and obtaining the forces; Taksan TMC-700 V CNC vertical machining centre with FANUC control panel, ESIT AX3 load cell, NI 9237 module of NI cDAQ-9188 data acquisition unit and FlexLogger software was used. The insignificant data caused by the signal noises were tried to be reduced by applying the exponential smoothing data analysis method in Excel software to all the force data obtained in the experiments. The maximum forces in the machining direction (z-axis) were determined for each hole. Taguchi optimizations, analysis of variance (ANOVA) and regression analyses were performed with the help of Minitab 19 software using these determined maximum cutting forces. Also, multiple response optimizations (response surface method) of cutting parameters, which minimize the maximum cutting force and processing time, were carried out.
Optimum levels of parameters in terms of maximum cutting force for all three tool types were determined by Taguchi optimization as 50 m/min for cutting speed and 0,06 mm/tooth for feed rate. With the help of analysis of variance, it was concluded that the most effective cutting parameter on the cutting force in all three tool types was the feed rate. As a result of the regression analysis, mathematical models describing the relationship between maximum cutting force and cutting parameters were obtained. Optimum levels of cutting parameters that minimize the maximum cutting force and processing time together were determined by multiple response optimization as 110 m/min for cutting speed and 0.06 mm/tooth for feed rate.