Torna takımlarında mikro yüzey teksürü uygulamasının kesme kuvvetlerine etkisinin incelenmesi
Investigation of micro surface texture application on turning tools on cutting forces
Yazar: EMRE AKI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANAN GAMZE GÜLERYÜZ PARASIZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TANER KUZU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Makine mühendisliği = Mechanical engineering ; Malzeme bilimi = Material science ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Talaş kaldırma = Layer removal ; Talaşlı üretim = Machining ; Yüzey dokusu = Surface texture

Özet:
Günümüz imalat teknolojileri dikkate alındığında talaşlı imalat yöntemleri en yaygın olarak kullanılan üretim yöntemlerinden biridir. Farklı mühendislik uygulamaları için istenilen çözümlerin bulunması yönünde talebin karşılanması ve bunu gerçekleştirirken talaşlı işleme prosesinin daha verimli hale getirilmesi ilk günden bugüne kadar yapılmış çalışmalarda ve gelecek çalışmalarda temel amaç olarak gözetilmektedir. Bu çalışmalara örnek verilecek olursa farklı malzeme ve kesici takımlar için optimum proses parametrelerinin belirlenmesi, talep edilen yüzey pürüzlülüğünü sağlayacak optimum proses parametrelerinin belirlenmesi veya takım ömrünün arttırılmasına yönelik çalışmalar verilebilir.
Yapılan tez çalışması kapsamında birçok farklı uygulama alanı olan mikro yüzey tekstürü uygulamasının kesici takımlar üzerinde uygulanması ve kesme kuvvetlerine etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu alanda yapılan deneysel çalışmalar ışığında mikro yüzey tekstürü uygulamasının prosesi  geliştirebileceği ve kesme kuvvetlerinin düşmesi ile takım ömrünün arttırılabileceği görülmüştür. Ancak günümüz teknolojisi ile sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan analizler ile birçok farklı mühendislik problemi bilgisayar ortamında simüle edilebilmektedir. Bunun sağladığı avantajlar ise bir parçanın üretilip test edilmeden önce bilgisayar ortamında çalışma koşullarını simüle edilebilir kılması nedeniyle çok daha düşük maaliyetler ve zaman ile işlemlerin sonuçlarının görülmesi kapsamında kayda değer bir ilerleme kaydedilebilmesidir.
Yüzey tekstürü uygulamasının ana etkisi, aşınmayı, kesme kuvvetlerini, kayma açısını ve aşınmayı azaltarak takımların kesme performansını arttırmaktır. Genellikle kesici takımların eğim veya yan yüzeyine doku desenleri uygulanır. Bunun temel mantığı, bu yüzeylerdeki doku geometrilerinin, takım-iş parçası ve takım-talaş arayüzlerine havaya ve kesme sıvısına kolay erişim sağlamasıdır.
Yüzey tekstürü uygulaması hem kuru hem de ıslak kesme işlemleri için faydalıdır. Kuru kesme koşullarında aşınma kalıntılarını yakalar ve takım-talaş arayüzündeki temas alanını azaltır. Islak kesme koşullarında doku kanalları kesme sıvısını depolar ve kesme sıvısının kesme bölgesine ulaşması için bir kanal oluşturur. Bu özellikle derin delme gibi işlemler için faydalıdır. Bunun yanı sıra, kuru kesme koşullarına benzer şekilde ıslak kesme koşulları için dokular aşınma kalıntılarını yakalar ve takım-talaş arayüzündeki temas alanını azaltır.
Son parçanın kalitesi büyük ölçüde takım aşınmasına ve sürtünmesine bağlıdır. Yüksek kesme kuvvetleri ve şiddetli takım aşınması, final parçanın düşük yüzey kalitesine sahip olması ile sonuçlanacaktır. Yüzey tekstürü uygulamaları kesme kuvvetlerini ve bunun sonucunda takım aşınmasını azaltma fırsatı yaratır. Kesme kuvvetlerinde ve takım aşınmasında azalma, takım ömrü üzerinde olumlu etkilere sahiptir ve bu da proses verimliliğinin artmasına yardımcı olur.
Bu bağlamda yapılan yüksek lisans tez çalışması kapsamında sonlu elemanlar analiz yöntemleri yardımıyla bilgisayar ortamında Inconel 718 malzemesinin tornalama işlemindeki davranışının tekstürsüz ve farklı tekstür parametrelerinin uygulanması durumundaki incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik, ilk olarak literatürde yapılmış çalışmalar incelenmiş ve deneysel çalışmalar için deney senaryoları belirlenmiştir. Referans çalışmadaki kesici takım malzemesi, geometrisi, kesme parametreleri ve benzeri sınır koşulları dikkate alınarak tekstürsüz kesici takım için model kurulup modelin deneylerle kontrol edilmesi hedeflenmiştir. Modelin  onaylanmasının ardından tekstür derinliği, tekstürler arası mesafeler vb. tekstür uygulama parametreleri kesici takımın 3 boyutlu modeline uygulanarak incelenmiştir.
Bu çalışma kapsamında farklı kesme hızları ve ilerleme oranları dikkate alınarak dört farklı test koşulu tanımlanmıştır. Her test koşulu için üç test yapıldı ve ölçüm sonuçlarının ortalaması, simülasyon sonuçları için referans değerler olarak kullanıldı. Her test koşulu için, dokusuz takım geometrisi için simülasyonlar yapılmış ve deneysel sonuçlara göre hata oranı en düşük olan takım geometrisi için, doku geometrilerinin etkisini araştırmak amacıyla bu simülasyonun kesme sınır koşulları kullanılmıştır.  
Çalışmalar sırasında ABAQUS/Explicit programı kullanılmıştır. Literatürde de birçok benzer sonlu elemanlar analizi çalışmalarında kullanılmış olan Johnson-Cook malzeme modeli dikkate alınarak modelleme yapılmıştır. ABAQUS/Explicit programının ilgili arayüze sahip olması bu yazılımı ilgili problemin çözümü için kullanılabilir kılmaktadır. Günümüzde Deform, Advantedge gibi yaygın olarak kullanılan talaşlı imalat analiz programları yüksek lisans ücretlerinden dolayı tercih edilmemiştir.

Abstract:
When today's manufacturing technologies are taken into account, machining processes are the most common and extensively used production methods. Meeting the market demand to find the desired solutions for different engineering applications and making the machining process more efficient while doing this, has been considered as the main objective in the studies carried out from the first day until today and will be considered in the future studies. Examples of these studies can be given as to obtain optimum cutting conditions for specific metals and machining tools or that will meet the demanded surface roughness requirements, or studies to increase the tool life.
 Cutting forces have been widely investigated because of their significant effect on tool life and therefore on roughness of the final part. Patterning of surfaces became increasingly popular since that it is beneficial for reducing machining forces. Process modelling of texture geometries contribute to determine the effect of the texture shape, texture depth, texture width, texture angle and choose the most effective geometry for machining operation.
This thesis study has started with a literature review. After literature review, results showed that studies can fall two main groups, which are experimental studies for micro surface texturing in turning process and modelling approach with finite element analysis of turning process. It was also decided to study on Inconel 718 being an important superalloy for turbines.
Main effect of the surface texturing is improving the cutting tool life by lowering the wear and cutting forces. Generally, patterns are implemented on rake or flank surfaces of machining tools. Main rationale of that is having the texture geometries on those surfaces allowing easy access to air and cutting fluid to tool-workpiece and tool-chip interfaces. 
It has been observed that ABAQUS/Explicit, DEFORM 3D and ThirdWave finite element analysis softwares are commonly used in literature. Each software has Johnson Cook modelling approach for modelling of such turning process investigations. During this thesis studies, the ABAQUS/Explicit program has been used. Finite element models have been generated with consideration of Johnson-Cook material model, which has been used in many similar finite element analysis studies in the literature. The fact that the ABAQUS/Explicit program has the relevant interface makes this software ready to solve the related problem; widely used machining analysis programs such as DEFORM and AdvantEdge have not been preferred due to their high license costs.
Johnson-Cook material modelling can be considered as a type of von Mises plasticity model with consideration of yield stress, hardening behaviour, strain rate dependence and thermal softening of the considered material due to high temperatures. This approach was released in the 1983 and represents plasticity theory and reproduces material behaviour in such situations such as impact and penetration on metallic parts. After the literature on the subject was reviewed, it has been revealed that Johnson Cook material modelling is the most common modelling approach for the cutting simulations. Main reason of that is Johnson-Cook modelling approach is suitable to model high strain rate deformation of the many materials and progressive damage and failure of the material.
Johnson-Cook material modelling has a wide range of usage for the solving different engineering problems such as cutting simulations, car crash analysis on chassis frame. It has been observed that Johnson-Cook material model parameters differs depending on the simulation boundary conditions and work material constants in the literature and needs to be modified to usage of the right properties under considered boundary conditions. Defined approach in literature was basically defining the material properties with the error ratio less than 10 percent when the simulations results compared with the experimental results. After several simulations this target achieved with the defined material properties of the Inconel 718 in this study.
Within the scope of this thesis study, it was aimed to implement micro surface texture, which has many different application areas, on cutting tools and to examine its effect on cutting forces. Experimental studies in the subject showed that the implementation of micro surface texture can improve the process and increase tool life by reducing the cutting forces. However, many different engineering problems can be simulated in the computer environment with the analyses performed using finite element method of today's technology. The advantages are that by making the working conditions of a part can be simulated in a computer environment before it is produced and tested, a significant progress can be made in the validation of the parts with much lower costs and time.
Surface texturing is beneficial for both dry and wet cutting. For dry cutting conditions, it traps wear debris and reduces the contact surface at tool-chip interface. Under wet cutting conditions, texture channels store the cutting fluid and creates a path for cutting fluid to reach cutting zone. This is beneficial especially for the processes such as deep drilling. Besides that, for wet cutting conditions, function of the surface textures is similar to dry cutting conditions: forming a well to keep wear debris and decreasing the area of cutting tool and the chip.  
Finish quality of the final part is highly dependent on how worn the tool is and how high the friction is. High forces in machining and severe tool wear will result in a low finish quality of the final part. Surface texturing methodology creates an opportunity to reduce forces in machining process hence, tool wear. Reduction in these forces, also reduction of tool wear has beneficial effects on tool life, which helps to increase efficiency of the process.
In this thesis, it was targeted to test the behaviour of Inconel 718 material in the turning process under various cutting conditions for applied texture geometry and without texture geometry in the computer environment with the help of finite element analysis method, Initially, the literature was surveyed on Inconel 718 and similar materials and experimental tests performed. Cutting speeds and feed rates as being boundary conditions for the modelling study were defined by experimental studies by taking metal to be cut and the tool into account. The objective was to create a reliable finite element model for the untextured cutting tool; therefore, the model was validated comparing with results of our experiments After validating the model, the effect of texture application parameters such as the depth of texture grooves, distances between grooves and texture angle between texture direction and the cutting edge were examined with the help of cutting tool 3D model.
In this study, four groups of test conditions were defined as cutting speeds and feed rates. For each test condition, three tests were conducted, average of the cutting force results used as reference values for simulation results. For each test condition, simulations were performed for non-textured tool geometry and the cutting parameters with lowest error ratio with respect to forces recorded in the experiments were used a basis for the boundary conditions of simulations to investigate the effect of texture geometries were used.
After the definition of the boundary conditions, seven different texture geometries were investigated to observe the effect of texture parameters. Initially, texture direction angle was investigated with three different models with the angles to the cutting edge of 0º, 30 ° and 90°. Results of those simulations showed that a texture angle of 0o, where the texture direction is parallel to the cutting edge, has the best performance to reduce cutting forces. 
Following to that study, the effect of texture depth was investigated for three different values as 0.025 mm, 0.050 mm and 0.075 mm. Results showed that a texture depth of 0.050 mm had the better performance to lower forces in machining and for remaining texture depths simulated, cutting forces were higher.
As the last modelling study, the effect of texture width was investigated for three different values as 0.040 mm, 0.050 mm and 0.060 mm. Results showed that a groove width of 0.050 mm has the better performance to reduce the cutting forces and for the other texture depth values cutting forces were higher.
Johnson-Cook material modelling allowed us to check the chip formation both for the non-textured and textured tools. As observed in literature studies, texture channels also behave as chip-breaker features. Continuous chip formation was the chip formation type that is observed during the experimental studies that has been performed with non-textured tool in all of the tests and simulation results showed same type of chip formation. When it comes to tools with texture geometries, simulation results showed similar chip-breaker behaviour of those texture channels. As a result of the chip-breaker behaviour, chip formation type that is observed in the textured tool simulations was discontinuous chip formation.
In this research, it is observed that the micro surface texturing parameters may activate different mechanisms that has an impact on reducing or increasing the cutting forces. Therefore, those parameters need to be defined carefully to achieve the optimum texture parameters such as texture direction angle, texture depth and texture width. Hence, defining the optimum parameters with the experimental studies is more time consuming and costly, improving and the usage of the finite element models can help the industry to save time and money to define optimum micro surface texturing parameters.