Titanyum esaslı alaşımların (Ti6Al4v, Ti5553) mikro şartlarda işlenebilirliğinin araştırılması
The investigation of machinability of titanium based alloys (Ti6Al4v, Ti5553) in micro conditions
Yazar: LUQMAN KHALEEL HAYDER ALATRUSHI
Danışman: PROF. DR. FEVZİ BEDİR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAT YILMAZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, biyomedikal sektöründe sıklıkla kullanılan Ti6Al4V alaşımının,  Ti5553 alaşımı ile mikro şartlarda işlenebilirliği karşılaştırılmıştır. Her iki alaşım da aynı kesme koşullarında kesme işlemine tabi tutulmuş ve aynı kesme parametreleri kullanılmıştır. Çalışmada 0,6mm çapında, iki kesici ağıza sahip, TiCN kaplanmış karbür kesici takımlar kullanılmıştır. Çalışmada farklı kesme hızı, ilerleme değerleri ve talaş derinliği dikkate alınmak suretiyle kesme kuvvetlerindeki, yüzey pürüzlülüğündeki ve çapak genişliğindeki değişim araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre düşük kesme hızları her iki alaşım için de kesme kuvvetlerinin artmasına neden olmaktadır. Kesme kuvvetleri açısından değerlendirildiğinde, kritik bir ilerleme değeri tespit edilmiştir. Bu kritik ilerleme değeri kenar radyüsünün (Re) yaklaşık 0,3 katıdır ve alaşım türü ile değişmemektedir. Artan talaş derinliği ile kesme kuvvetleri de doğrusal olarak artmıştır. Ortalama ve maksimum yüzey pürüzlülüğü sonuçları da kritik bir ilerleme değerinin olduğunu doğrulamaktadır. Kesme kuvvetleri için elde edilen 0,3.Re değeri yüzey pürüzlülüğü sonuçları için de elde edilmiştir. Her iki Titanyum alaşımının mikro frezelenmesinde kesici takım, abrasif aşınma mekanizmasının etkisiyle aşındığı tespit edilmiştir. Artan kesme mesafesi ile birlikte, takım hem eksenel hem de çevresel olarak aşınmaktadır. Bu durum, takım çapının ve kenar radyüsünün anlık değişmesine neden olmaktadır.  Özellikle kenar radyüsünün değişimi yüzey pürüzlülüğünün de ani değişimine neden olmaktadır. Her iki alaşım için de düşük kesme hızları (Vc < 25m/dak) yüzey kalitesinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu nedenle her iki alaşım için de, hem kesme kuvvetleri hem de yüzey kalitesi açısından kesme hızının 25m/dak.' nın üzerinde seçilmelidir.

Mikro frezeleme deneyleri sonrasında, işlenen yüzey kenarlarındaki çapak genişliği malzemeye ve kesme parametrelerine bağlı olarak değişmektedir. Ti6Al4V alaşımının daha düşük sertliğe sahip olması nedeniyle, bu alaşımda elde edilen çapak genişliği daha büyüktür. Ayrıca kritik ilerleme değerlerinden daha küçük ilerleme değerlerinde çapak genişliği artmaktadır. Özellikle aynı yönlü frezeleme bölgesindeki çapak genişliklerinin daha büyük olduğu tespit edilmiştir. Artan talaş derinliği de çapak genişliğinin artmasına neden olmaktadır. Çapak genişliğinin önemli oranda artmasından dolayı 150µm'dan daha büyük talaş derinliklerinin önerilmemektedir. 

Ayrıca, bu çalışmada ve iki Titanyum alaşımı için, Taguchi yöntemi kullanılarak, kesme parametrelerinin, yüzey pürüzlülüğü ve çapak oluşumu üzerindeki etkisi optimize edilmiştir. Yapılan Taguchi analizi ile her iki alaşım için hem yüzey kalitesinin maksimum olduğu hem de çapak oluşumunun minimum olduğu kesme parametreleri tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, Ti6Al4V alloy, which is frequently used in the biomedical industry, was compared with Ti5553 alloy under micro cutting conditions. The same cutting conditions and parameters were used for both alloys in the cutting process. TiCN coated carbide cutting tools with a diameter of 0.6 mm and with two flutes were used. In this study also, the variations in cutting forces, surface roughness and the burr width were investigated for different ; cutting speed, feed value and depth of cut. According to the results obtained; low cutting speeds cause the increasing in cutting forces for both alloys. When evaluating the cutting process in terms of cutting forces, a critical feed value has been determined. This critical feed value is about 0.3 times of the edge radius (Re) and it was not changed with the alloy type. It was found that with increasing the depth of cut, the cutting forces also increased linearly. A critical feed value also has been verified from the results of the average and maximum surface roughness. The obtained value of the 0.3Re of the cutting forces results, it has been also obtained of its from the surface roughness results.

In the micro milling of both Titanium alloys, the wear of micro cutting tool has been occured by the effect of abrasive wear mechanism, and when the cutting distance is increased, the tool was weared axially and peripherally. This causes an instantaneous change of tool radius and tool edge radius. Particularly, the variation of the edge radius also causes an instantaneous change of the surface roughness. For both alloys, low cutting speeds (Vc < 25m/min) cause a deterioration of surface quality. Therefore, for both alloys, the cutting speed must be selected above of 25 m/min for different cutting forces and beter surface quality

After micro milling experiments, the burr width that formed at machined surface edges is varying depending on the material and cutting parameters. The obtained burr width for the Ti6Al4V alloy is greater because it has a lower hardness. In addition, the burr width increases at smaller feed values than the critical feed values. It was found that the burr widths in the down milling are larger compared with that in up milling.  Also the increasing of depth of cut leads to the increasing of the burr width. Due to the significant increasing in burr width, the depth of cut greater than 150μm are not recommended.

In addition, for the two studied Titanium alloys, the effect of cutting parameters on surface roughness and burr formation was optimized by using the Taguchi method. With the Taguchi analysis, the cutting parameters have been determined for both alloys in terms of both maximum surface quality and minimum burr formation.