Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması
Investigation and thermal modelling of compacted graphite iron drilling
Yazar: ALİ TANER KUZU
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otomotiv sanayii uzunca bir süredir kullanıcının artan performans beklentisini karşılamaya çalışırken, bir yandan da kapsamı her geçen gün genişleyen çevreyi korumaya yönelik kanunlara da uyma zorunluluğuna bir arada cevap vermeye çalışmaktadır. Bu kanunlardan özellikle emisyon standardındaki kirletici miktarlarındaki büyük düşüş beklentisi daha verimli yanmayı sağlayacak motor teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Özellikle dizel gövdelerinde, egzos manifoldunda ve silindir kafalarında önceden kullanılan kır dökme demir yerine bugün daha iyi mekanik özelliklere sahip kompakt grafitli dökme demirin kullanımı bu amaca yöneliktir. Kompakt grafitli dökme demir, kır dökme demire göre sahip olduğu yüksek çekme dayanımı, aşınma ve korozyon dayanımı sayesinde daha büyük basınçlara dayanabildiğinden daha iyi bir yanma ortamı oluşturmaktadır. Ayrıca bu özellikleri sayesinde elde edilen hafiflik de diğer bir avantajıdır.
Bu iyi özelliklere alaşıma ilave edilen magnezyum, titanyum ve krom gibi alaşım elementleri ile ulaşılırken, bu elementler işlenebilirlik özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Kullanılan malzemenin verimli yanma sağlaması yanında diğer yönleriyle de ekonomik olması günümüz koşullarının vazgeçilmez zorunluluğudur. Yoğun talaşlı imalat içeren bu motor bileşenlerinin ekonomik üretimi ancak, yüksek işlenebilirlikle sağlanabilmektedir. Bunun için uygun süreç parametrelerinin belirlenmesi ve takım aşınmasının azaltılması bu konuda atılması gereken ilk adımlardır. Takım aşınmasını arttıran yüksek deformasyon miktarı, sürtünmeye bağlı yüksek kesme sıcaklığı ve talaşın kesme bölgesinden uzaklaştırılamaması, özellikle motor gövde ve parçalarındaki soğutma ve yağlama kanallarının açılmasında kullanılan derin delik delme uygulamalarında işlenebilirliğin düşmesine neden olmaktadır. Bu yüzden kesme sırasında meydana gelen sıcaklık dağılımının ve sıcaklığın zamanla değişiminin bilinmesi, buna uygun soğutma ve yağlama yöntemi ile kesme parametrelerinin seçilmesi işlenebilirlik özelliklerini geliştirme açısından oldukça önemlidir. Yapılan çalışmada talaşın uzaklaştırma probleminden dolayı sadece hava kullaımının diğer yöntemlerden daha verimli olduğu bulunmuştur.
Minimum miktarda yağlama (MQL) sistemi otomotiv güç aktarma organlarının talaşlı üretimi dahil, son dönemde gittikçe yaygınlaşan bir sistemdir. Bu sistem imalat maliyetlerini düşürmesi ve muadillerine göre çevreye daha duyarlı olması sebebiyle tercih edilmektedir. MQL sisteminde çok az miktarda yağ ve hava karışımını basınçlı bir şekilde takım ile iş parçasının temas ettiği bölgeye uygulanır. MQL sisteminin temel olarak 3 fonsiyonu vardır; yağlama, soğutma ve talaşı uzaklaştırma. Çok az miktarda hava yağ karışımı kesme bölgesine yollandığı için soğutma hızı geleneksel sulu kesmeye göre daha az olacaktır. Özellikle derin delik delme gibi yüksek enerji gerektiren talaşlı imalat uygulamalarında bu durum bazı sorunlara yol açması beklenebilir. Bu sorunlar yüksek ısınmadan dolayı ısıl çarpılma (distorsiyon) ve toleransların sağlanamaması olarak sıralanabilir. Bu durum, güç aktarma organları gibi parçaların yağ deliklerinin açılması sırasında sıkı geometrik toleransların sağlanmasını zorlaştırır.  
Matkap takımları, radyal ağız ve kesme ağzı olmak üzere iki ana kesme bölgelerinden meydana gelir. Radyal ağız matkabın ortasında yer alır ve matkabın iş parçası üzerinde merkezlemesi görevini görür. Matkap radyal ağzı, genellikle büyük talaş açısına sahip olduğu için iş parçası malzemesi, kesilme yerine kazınarak (ploughing action) aşırı plastik deformasyona uğrar. Radyal ağız düzgün ve istikrarlı bir kesim sağlanmasından sorumlu iken, kesme ağzı matkapın asıl kesme işleminde rol oynamaktadır. Bu tezde, kesme kuvveti, kesme işleminin gerçekleştiği bu iki ana bölgede; kesme ağzı ve radyal ağız için ayrı ayrı modellenmiştir. Matkap radyal ağzı kuvvet modeli  bölüm 3.3.1'de açıklanmıştır. Buradaki kuvvetler ayrıca batma (indentation) ve dik kesme bölgeleri olarak iki ayrı alan için  hesaplanmıştır. Kesme ağzının kuvvet modeli ise bölüm 3.3.2'de eğik kesme mekaniği kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sonra tüm bu bölgeden oluşan kuvvetler toplanarak toplam kesme kuvveti hesaplanmıştır. Eğik kesme mekaniğine geçiş için gereken parametreler, kesme açısı, kayma gerilmesi ve sürtünme açısı, dik  kesme testlerinden elde edilmiştir. Dik kesme testler geniş talaş açısı ve kesme hızı aralığında yapılmıştır. Diferansiyel kesme kuvvetleri dik  kesme testlerinden elde edilen veriler kullanılarak ve eğik kesme dönüşüm yaklaşımından yararlanarak hesaplanmıştır. Mekanistik kuvvet modeli delik delme testleri ile doğrulanmıştır.  
Delme işlemi sırasında iş parçası sıcaklıklarının bilinmesi/modellenmesi, artık gerilme, boyutsal hata ve mikro sertlik değerleri gibi ürün kalitesini etkileyen parametreleri etkilediği için önemlidir. Tezin 4. bölümünde iş parçasının sıcaklık dağılımını elde etmek için hareketli ısı kaynağı modeli ile ısı transferi modeli oluşturulmuştur. Isı geçişi problemi Abaqus 6.10 yazılımı kullanılarak çözülmüştür. Sonlu elemanlar analizinde iş parçası, 2 boyutlu simetrik model olarak modellenmiştir. Delik delme işlemi sırasında ısı akısı ilgili elemanlara uygulanmış ve takip eden çözüm adımında bu elemanlar silinerek bir alttaki gruba ısı akısı uygulanmıştır. Bu durum, hareketli ısı kaynağı ve talaş kaldırma işlemini ifade etmektedir. Çalışmada ısı yükleri modelden elde edilen kuvvet ve moment değerleri yardımı ile hesaplanmış ve sonlu elemanlar yazılımında sınır şartı olarak kullanılmıştır. Buna ek olarak matkabın zırhındaki sürtünmeden kaynaklanan ısı oluşumu ters ısı transferi yöntemi ile hesaplanmıştır. Ters ısı trasferi yöntemi üç kısımdan oluşur: test verilerin toplaması, direkt çözüm ve tersine çözüm. Test verileri gömülü termal elemanlar yardımı ile toplanmıştır. Direkt çözüm ABAQUS sonlu elemanlar yazılımı ile çözülürken tersine çözüm MATLAB kullanılarak yapılmıştır. Derin delik işleminde MQL'den kaynaklanan soğutma etkisi ve delik delme prosesinden kaynaklı yan duvarlardaki ısı oluşumu tersine ısı transferi metodu ile hesaplanmıştır. Bu değerler, sonlu elemanlar yöntemine başlangıç koşulu ve sınır değerleri olarak girilmiş ve ısı dağılımları hesaplanmıştır. Sıcaklık modellerini doğrulamak için delik delme işlemi esnasında  oluşan sıcaklıklar gömülü termal eleman yöntemi ile ölçülmüştür. 
5. bölüm matkaptaki sıcaklıkların modellenmesi ile ilgilidir. Takımdaki sıcaklık oluşumunun temel nedeni takım talaş yüzeyi ile talaşın birbirine sürtmesidir. Diğer nedenler ise matkabın zırhındaki sürtünme ve boşaltma kanalındaki sıcak talaştır. Çalışmada bu etkiler dikkate alınmamıştır. Delik delme işlemlerinde takım ve iş parçasını soğutmak ve talaşı uzaklaştırmak için soğutucu akışkan kullanılabilir. Bu çalışmada takımı soğutmak için 6 bar basınçlı hava kullanılmıştır. 3D zamana bağlı ısı transferi probemini çözmek ve takımdaki sıcaklık dağılımını elde etmek için ABQAUS sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır. Bu modelde, talaş ve takımın talaş yüzeyi temas alanı 5 eşit bölgeye ayrılmış, radyal ağız ise tek bölge olarak incelenmiştir. Bu altı bölgede meydana gelen ısı oluşumu Shaw'nun ısı paylaşım oranı kullanarak hesaplanıp ilgili alanlara uygulanmıştır. Matkabın deliği dışında kalan bölgesine 20 W/m2K ısı taşınım katsayısı uygulanmıştır. Matkabın içinden geçen hava ise ANSYS CFX yazılımı ile modellenmiş ve helisel soğutma kanalı yüzeyine ve matkabın serbest yüzeyine uygulanmıştır. Geliştirilen model matkabın serbest yüzeyine gömülen termal elemanlar yardımı ile kuru ve hava kullanılan testler için doğrulanmıştr.
6. bölümde delik delme ve derin delik delme işlemi için işlenebilirlik çalışması yapılmıştır. Bölüm 6.1'de yüksek verimli delik delme işlemi için KGDD'nin  işlenebilirliği incelenmiştir. Bu çalışmada 4 mm çapında kaplamalı karbür takım kullanılmış ve testler 26,5 mm/s ilerleme hızında gerçekleştirilmiştir. Üç farklı kesme akışkanı ile 2 tekrarlı testler gerçekleştirilmiştir. Kesme akışkanları kuru, hava ve MQL olarak seçilmiş ve bu koşullarda sırası ile maksimum 1740, 3150 and 2948 adet delik açılmıştır. Çalışmada ayrıca talaş şekli, boyu ve hızı hesaplanmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki sadece hava kullanarak verimli bir KGDD delik delme işlemi yapmak mümkündür ve talaşın uzaklaştırılması ve soğutma takım ömrü için en önemli faktörlerdir. Bölüm 6.2'de ise derin delik delmede işlenebilirlik 10 mm çapındaki kaplamasız karbür takım kullanılarak incelenmiştir. Bu kısımda takım aşınması, sertlik ve artık gerilmenin kesme parametreleri ile değişimi incelenmiştir.

Abstract:
The automotive industry has been trying to meet the demanding user expectations for a long time besides expanding environmental protection regulations.  The most stringent regulation is the emission limitations. The engine designers spend huge energy to improve their technology in order to have a more effective combustion process in engines. However, this in not the only solution method for reducing emission, engine material change and creating same power with lighter engine weight is also another curative solution for this purpose. Nowadays, compacted graphite iron (CGI) is used instead of gray cast iron due to it's better mechanical properties in the diesel engine blocks, exhaust manifold and cylinder heads. The higher tensile strength, better corrosion and wear resistance of CGI providing a more efficient combustion environment than that of gray cast iron. 
By the help of alloying elements such as magnesium, titanium and chromium, CGI has improved mechanical properties. However, same alloys deteriorate the machinability significantly. The economical attainability and efficiency of the engine is the inevitable necessity of the present-day. An economic production of the engine can only be achieved with high machinability of the selected material. The knowing the cutting tool temperature distribution, selection of the appropriate cutting parameters and cooling/lubrication method are significantly crucial for understanding and improving the machinability characteristics of CGI. 
In this dissertation, CGI drilling and deep hole drilling were covered in seven chapters. First two chapters were refer to state of the art on CGI drilling process. Chapter 3 includes cutting mechanics of drilling process and force model development. The workpiece and tool temperature distribution were developed in  Chapter 4 and chapter 5, respectively. The machinability analysis results were presented in Chapter 6. Finally, all results were summarized in Chapter 7. 
Solid twist drill bits consisting two main cutting regions: the cutting lips and the chisel edge. The chisel edge is located at the center position, which strategically provides the necessary center position for the workpiece. The chisel edge influences the provision of a smooth and stable cutting. In most instances, the chisel edge has a large rake angle influencing the plastic deformation through the integration of inward indentation and the consequent ploughing of the material. Cutting lips are identified as the primary cutting edges of the drill, vital for the cutting process. Oblique cutting mechanics are regarded as the cutting lips due to the variation of the rake and inclination angle. The identification of rake and inclination angles are vital in the calculation of cutting forces and torque along the cutting lip. Because of the different cutting behaviors, cutting forces were analyzed at the chisel and cutting lips separately. In chapter 3 section 3.3.1, the study incorporates an analysis of the thrust force and torque at the chisel edge through the division of the chisel edge into two parts. The indentation mechanism was integrated within the center of the chisel where the tool plows the material, and orthogonal cutting mechanics were incorporated within the cutting region between the center of the drill and the chisel edge-lip intersection. In chapter 3 section 3.3.2, using the discretizing method, thrust force and torque were evaluated for each element employing oblique cutting mechanics. The force and torque values for all elementary cutting tools were determined utilizing orthogonal-to-oblique transformation. The approach used in the force modeling considers the cutting force coefficient and the cutting velocity of each segment. The required parameters for calculating cutting force coefficients, shear angle, shear stress and friction angle were obtained from orthogonal tube cutting experiments. Orthogonal tests were performed using a range of rake angles and cutting speeds. The force model was experimentally verified for the chisel and cutting lip sections.
The drilling process is one of the widely used machining processes to assemble manufactured parts. During the drilling process, temperature distribution in the workpiece is an important parameter as it adversely affects product quality including residual stress, dimensional error and the hardness of the machined surface. Therefore, thermal modeling is critical for the correct understanding of the process. In Chapter 4, the study utilized the transient heat transfer problem with a moving heat source model in the determination of the temperature distribution of the workpiece. The development of a direct solution to the problem was realized through a numerical process that integrates ABAQUS commercial software. The workpiece was developed as a 2D axis-symmetric model. The heat load variation was estimated for the chisel and cutting lip by using force and torque values that are calculated by a mechanistic model in Chapter 3. To obtain workpiece temperature distribution, calculated heat loads were employed in finite elemental analysis. Additionally, the heat load from the drill margin to the workpiece was calculated by an inverse heat transfer method, and it was integrated to the thermal model in dry drilling condition. The inverse heat transfer method has three main steps: Collecting experimental data, direct solution, and inverse solution. Experimental data were collected by embedded thermocouples. The direct problem was then solved via Abaqus, and the inverse problem was solved using MATLAB. Temperature measurement experiments were performed to confirm the thermal model of dry drilling. After that temperature distribution of KGDD workpiece was modeled under internal MQL condition.  Heat fluxes at the margin, accumulated hot chips on the spiral drill flute, and the heat convection coefficient of the air–oil mixture were calculated using the inverse heat transfer method as well. 
	
The temperature distribution model of drill bit was covered in Chapter 5. The main reason of temperature rise on the tool is the friction between tool rake face and chip.  The other reasons are the friction on the margin and the hot chip in the flute, which their effects on heat input were neglected in this dissertation. Accordingly, cooling and/or lubrication fluid can be applied in order to cool the drill and workpiece, and evacuate the hot chips. In this study, 6 bar air was used to cool the workpiece by heat convection during deep-hole drilling. Abaqus Standard Commercial Software was used to solve 3D transient heat transfer problems to predict temperature distribution of drill. In the finite element model, the contact surface between rake face and chip were divided by five partitions on the cutting lip region and one partition on the chisel region. Heat loads for six different partitions were estimated by Shaw's heat partition equation and heat flux was applied to divided surfaces. The heat transfer coefficient of air was set to 20 W/m2K and applied to free surfaces except hole surfaces. The heat transfer coefficient of air was calculated by using ANSYS CFX and applied to helical cooling hole surface and drill flank surfaces. The developed thermal model was verified by using embedded thermocouples for dry and using air, and good agreements were obtained between experimental and predicted temperature results. 
In chapter 6, the machinability of CGI was investigated for drilling and deep hole drilling cases. In section 6.1, the high-throughput and sustainable drilling of compacted graphite iron was studied. CGI drilling experiments were conducted using a 4 mm diameter coated carbide drill at 26.5 mm/s feed rate.  In two repeated tests under three lubrication conditions: dry, dry with through-the-drill compressed air, and through-the-drill MQL, the drills were able to produce a maximum of 1740, 3150 and 2948 holes, respectively, before the breakage of the drill.  The Joule-Thomson effect due to the expansion of high pressure air from through-the-drill holes at the drill tip, chip shape, chip size, and chip speed were also investigated. Results indicate that dry machining of CGI is technically feasible and chip evacuation and advanced tool cooling are important factors that affect drill life for high-throughput sustainable dry drilling of CGI.  In section 6.2, the machinability studied for deep hole drilling case. Experiments were conducted using a 10 mm diameter uncoated carbide drill at different cutting parameters. The change of hardness, tool wear, microstructure and residual stress according to cutting parameters were observed.