İşlenmesi zor malzemelerin yüksek talaş kaldırma oranlarıyla işlenmesi için ısı destekli hibrid sistemin geliştirilmesi ve çalışma parametrelerinin belirlenmesi
Developing of thermal-aided hybrid system for machining difficult-to-machine materials with high material removal rate and determining of its operation parameters
Yazar: ATAKAN UĞRAŞ
Danışman: DOÇ. DR. FIRAT KAFKAS
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isıl işlem = Heat treatment ; Kararlılık = Stability ; Konvansiyonel torna tezgahları = Conventional lathe machinery ; TIG kaynağı = TIG welding ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness ; Özgül kesme enerjisi = Spesific cutting energy

Özet:
İşlenmesi zor malzemelerin konvansiyonel yöntemlerle işlenmesinde yüksek kesme kuvvetleri, boyutsal toleransların sağlanamaması ve kötü yüzey kalitesi karşılaşılan başlıca sorunlardır. Kesme parametrelerinin düşük seviyelerde kullanılması, yüksek maliyetli kesici takımların kullanılması, yüzey kalitesini iyileştirmek için ilave operasyonların yapılması sorunları azaltmak amacıyla başvurulan yaklaşımlardır. Isı destekli işleme (IDİ), işlenmesi zor malzemeleri işlemek için başvurulan yöntemlerden birisidir. Ön ısıtma ile malzemenin akma dayanımı ve sertliği düşmektedir. Lazer, plazma arkı, oksi-gaz alevi ve elektrik akımı ısıtma için kullanılan başlıca enerji kaynaklarıdır. Enerji kaynağı ısıtmayı dar bir bölgede yapmalı, ekonomik ve ulaşılabilir olmalı ve hassas parametrik ayarlara sahip olmalıdır. Bu özellikler göz önüne alındığında Tungsten Inert Gase (TIG) tekniği alternatif bir enerji kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada TIG tekniğinin IDİ için uygulanabilirliği, diğer enerji kaynakları arasındaki yeri ve konvansiyonel işlemeye göre sağladığı üstünlükler araştırılmıştır. TIG tekniği kullanılarak IDİ yapabilen bir sistem geliştirilmiştir. Deneylerde AISI 4340 çeliğinin sertleştirilmemiş ve 49 HRC sertliğinde sertleştirilmiş numuneleri yüksek talaş kaldırma oranlarında (TKO) konvansiyonel yöntem ve TIG destekli IDİ yöntemi ile işlenmiştir. Ön ısıtma sayesinde spesifik kesme enerjisi (ESK) düşmüş ve talaşın plastik deformasyonu kolaylaşmıştır. Konvansiyonel işlemeye göre kesme işleminde harcanan güç (Pc) değerinde maksimum %20,92 azalma sağlanmış ve yüzey kalitesinde (Ra) maksimum %22,28 iyileşme sağlanmıştır. Numunelerin boyutsal kararlılık özellikleri iyileştirilmiş ve çap ölçüsündeki sapma (ÇÖS) değerlerinde 40 µm' a varan azalma sağlanmıştır. TIG tekniği IDİ için uygulanabilir ve alternatif bir enerji kaynağıdır. TIG tekniğinin kesme işlemlerinde kullanımının yaygınlaşması için gelişime açık yönleri bulunmaktadır. Kesme ile eş zamanlı gerçekleştirilemeyen ön ısıtma nedeniyle numunelerin çap ölçüsünde genleşmeye bağlı boyutsal daralma (GBD) olduğu belirlenmiştir. Kısa devre nedeniyle kaynak arkının sonlanması TIG esaslı IDİ yönteminin diğer bir dezavantajıdır.

Abstract:
In the processing of difficult-to-process materials by conventional methods high cutting forces, failure to ensure dimensional tolerances and poor surface quality are the main problems encountered. To use of cutting parameters at low levels, to use high-cost cutting tools, making additional operations for improving surface quality are the approaches used to reduce problems. Heat-assisted machining (HAM) is one of the methods used to process difficult-to-process materials. With preheating, the yield strength and hardness of the material decrease. Laser, plasma arc, oxy-gas flame and electric current are the main energy sources used for heating. The energy source should make heating in a narrow area, it should be economical and accessible and it should have precise parametric settings. Considering these features, Tungsten Inert Gas (TIG) technique appears as an alternative energy source. In this study, the applicability of TIG technique for HAM, its place among other energy sources and its advantages over conventional processing were investigated. A system capable of performing HAM has been improved using the TIG technique. In the experiments, AISI 4340 of steel non-hardened and with 49 HRC hardness hardened samples were processed conventional method and TIG assisted HAM at high material removal rates (MRR). By means of preheating, the specific cutting energy (ESC) is reduced and plastic deformation of the chip is facilitated. According to conventional machining a maximum reduction of 20,92 % was achieved in the value of power consumed in the cutting process (Pc) and a maximum improvement of 22.28% was achieved in surface quality (Ra). The dimensional stability properties of the samples were improved and the deviation values in diameter (DVD) were reduced by up to 40 µm. The TIG technique is a viable and alternative energy source for HAM. There are aspects that are open to development for the widespread use of TIG technique in cutting processes. Due to preheating, which could not be performed simultaneously with cutting, it was determined that the samples had dimensional contraction due to expansion (DCE) in diameter. Another disadvantage of the TIG technique-based HAM method is termination of welding arc due to short circuit.