MANYETİK ALANIN İMALAT VE MALZEMEYE ETKİLERİ ÜZERİNE LİTERATÜR TARAMASI

Mehmet Alper SOFUOĞLU

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Eskişehir/ Türkiye Öz: Manyetik alanlar elektrik akımının olduğu her yerde belirli ölçüde ortaya çıkmaktadır. Belirli değerlerin altındaki manyetik alanlar pratikte yok kabul edilirken, manyetik alanların belirli değerlerin üzerinde olması malzeme yapısı, yüzey özellikleri gibi pek çok etkiye yol açmaktadır. Manyetik alan altında tutulan malzemelerde meydana gelen değişimler ve manyetik alan etkisi altında gerçekleştirilen imalat uygulamaları genel çalışma alanlarını oluşturmaktadır. Manyetik alanın kullanıldığı talaşlı imalat uygulamalarından birisi bu alanın titreşim sönümleyici olarak kullanılmasıdır. Bu çalışmada manyetik alanın malzeme ve imalat üzerine etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda literatür araştırması gerçekleştirilmiştir. Literatürdeki çalışmalar incelenirse manyetik yardımlı işleminin ülkemizde kullanılmadığı, dünya literatüründe ise çalışıldığı görülmektedir. Çalışmanın ilk aşamasında manyetik alanın malzeme üzerine etkisi incelenmiştir. İkinci aşamada manyetik alanın talaşlı imalat alanında uygulamaları araştırılmıştır. Çalışmaların sonuçları irdelendiğinde yoğun manyetik alanın malzeme yapısındaki dislokasyonları etkilediği söylenebilir. Manyetik alanın esas olarak talaşlı işlemeyi kesme mekaniğine ve takım talaş temas tribolojisine etki ettiği anlaşılmaktadır. Manyetik alan malzeme/takım aşınma miktarını düşürür. Ayrıca tırlama titreşimlerinde ve kesme kuvvetlerinde düşüş gerçekleşir.

Sürekli talaş oluşumu tetiklenir. İlerleyen çalışmalar için manyetik yardımlı işleme ile diğer konvansiyonel olmayan imalat yöntemlerinin birleştirilmesi önerilmektedir. Ayrıca bu yöntem diğer üretim yöntemlerine (frezeleme, taşlama) de adapte edilebilir. Buna ilave olarak kriyojenik soğutma, sıcak işleme, ultrasonik işleme vb. yöntemlerle birleştirilerek yeni melez üretim yöntemleri geliştirilebilir. İlerleyen aşamada konvansiyonel/CNC tezgâhlara adapte edilebilir pratik manyetik alan oluşturan ekipmanlar geliştirilebilir.

Anahtar Kelimeler: Manyetik Alan, Manyetik Yardımlı İşleme, Sürekli Talaş, Aşınma GİRİŞ ve KURAMSAL ÇERÇEVE

Manyetik alanlar elektrik akımına bağlı olarak ortaya çıkar ve malzeme yapısı, yüzey özellikleri gibi pek çok etkiye yol açmaktadır. Manyetik alan altında tutulan malzemelerde meydana gelen değişimler ve manyetik alan etkisi altında gerçekleştirilen imalat uygulamaları genel çalışma alanlarını oluşturmaktadır. Manyetik alan, malzeme yapısındaki dislokasyonları etkilemekte yorulma ömrünü ve aşınma davranışını iyileştirmektedir. Ayrıca malzeme üzerindeki artık gerilmeleri düşürmektedir. Buna ilaveten imalat işlemlerinde titreşimin sönümlenmesi açısından olumlu etkileri vardır. Literatürdeki çalışmalar incelenirse manyetik yardımlı tornalama işleminin ülkemizde yaygın olmadığı ve dünya literatüründe ise çok yoğun çalışılmadığı görülmektedir. Özellikle manyetik yardımlı işlemi için titreşim analizine ve titreşimin sönümlenmesine yönelik çalışmalar gelişme aşamasındadır. Bu çalışmada manyetik alanın malzeme ve imalat üzerine etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda literatürdeki çalışmalar incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde manyetik alanın malzeme üzerine ve imalat üzerine etkilerine değinilerek literatürdeki çalışmalar özetlenmiştir. Bölümün sonunda çalışmaların sonuçları ayrıntılı tartışılmıştır. Son bölümde sonuç ve önerilere yer verilmiştir.

AMAÇ

Bu çalışmada manyetik alanın malzeme ve imalat üzerine etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır ve bu amaçla literatürdeki çalışmalar özetlenmiştir

KAPSAM

Çalışmanın kapsamı olarak manyetik alanın malzemelere ve imalat yöntemlerine etkisi ele alınmıştır ve bu konudaki literatür çalışmaları özetlenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında manyetik alanın malzeme üzerine etkisi incelenmiştir. İkinci aşamada manyetik alanın talaşlı imalat alanında uygulamaları araştırılmıştır. Literatür araştırması çalışması 1980-2019 yılları arasında Sciencedirect ve Google Scholar’dan seçilen makaleleri içermektedir.

YÖNTEM

Çalışma kapsamında Sciencedirect ve Google Scholar akademik veri araçları kullanılmıştır.

BULGULAR

Iida ve Stolarski (2009) manyetik alanın yuvarlanma temas durumlarında çelik/çelik malzeme çiftinin aşınması üzerine olan etkilerini incelemişlerdir. Çalışmada görece kuvvetli kabul edilebilecek 1,1 Tesla manyetik alan sürekli mıknatıslar yardımıyla elde edilmiştir. Çalışma sonucunda manyetik alan etkisi ile aşınan yüzeylerin daha düzgün olduğu, aşınmış partiküllerin de daha düzgün şekle sahip olduğu belirtilmiştir. Bu etkiyi ise normalde yüzeyin altında oluşan çatlak başlangıç noktasının, manyetik alan altında yüzeye kayması ile mümkün olduğu belirtilmiştir. Bu kayma işlemi ise manyetik alan etkisi ile uygulanan enerjinin dislokasyon hareketlerini teşvik etmesine bağlanmıştır. Ma vd. (2014) yüksek hız çeliği bir malzemeyi yoğun manyetik alana maruz bırakarak ortaya çıkan değişimleri raporlamıştır. Bu işlem için darbeli manyetik işlem ünitesi tasarlanmış ve kesici uç malzemesi olarak da kullanılan yüksek hız çeliği numuneye işlem uygulamışlardır. Mikro sertlik ve kızıl sertlik değerleri ölçülmüş bu ölçümler sonucu mikro sertlik değerinin manyetik işlem ile 50 HV arttığı, kızıl sertliğinde çok yüksek olmayan sıcaklıklarda belirli ölçüde iyileştiği bildirilmiştir. Elde edilen bu bulguların manyetik alan yoğunluğu ve manyetik alana maruz kalma süresi ile ilişkili olduğu bildirilmiştir. Belirli bir manyetik alan yoğunluğu değerine kadar gözlenen sertlik artışı artmış daha sonra dengelenmiştir. İşlem uygulama süresinin artmasının ise sertliğe olumsuz etki ettiği bildirilmiştir. Bu çalışmada bahsedilen süreler 5-1200 saniye; manyetik alan yoğunluğu ise 10-400 kA/m (0,01-0,5 T), pulse frekansı ise 10-100 Hz arasındadır. Çalışmayı gerçekleştiren araştırmacılar, görülen sertlik artışlarını manyetik alan etkisi ile meydana gelen dislokasyon yoğunluğu artışına bağlamışlardır. Manyetik alan altında yapılan aşınma testlerine bakıldığında ise genel bulgunun manyetik alanın şiddetine bağlı olarak yüzeydeki iyon dengesini etkilediği oksitlenme eğilimini artırdığı ve oluşan tribo-film tabakaları etkilediği bildirilmiştir (Song vd., 2017; Han vd., 2015; Zhao vd., 2015). Bu alanda yapılan çalışmaların gösterdiği bir diğer ortak nokta ise gözlenen sürtünme katsayısı zaman grafiklerinin manyetik alan altında daha az değişim göstermesi yani eğrilerin sanki filtrelenmiş gibi daha kararlı sürtünme grafikleri sunmasıdır. Bu açıdan

kanaati oluşmuştur. Bu çalışmaların sonuçları irdelendiğinde yoğun manyetik alanın malzeme yapısındaki dislokasyonları etkilediği söylenebilir.

Manyetik alanın talaşlı imalat uygulamalarına olan etkilerinin incelendiği çalışmalar ise görece daha kısıtlıdır. Talaşlı imalat sonucunda ortaya çıkan nihai ürün özelliklerinin geleneksel yöntemlerle üretilen ürünlere göre önemli ölçüde farklı olması arzu edilmez. Bu nedenle çok güçlü manyetik alan altında kesme işlemi yapılması özellikle nihai son işlemlerde beklenmedik sonuçlar doğurabilir. Buna karşın kaba kesimler için incelenmesinin faydalı olabileceği söylenebilir. Manyetik alanın kullanıldığı talaşlı imalat uygulamalarında birisi titreşim sönümleyici olarak kullanılmasıdır (Munoa, 2016). Burada aktif sönüm elemanı olarak elektromanyetik etkiden faydalanılan çalışmalar vardır (Sims vd., 2005). Ayrıca benzer mantıkla entegre olarak geliştirilen manyetik sönümleyiciler ile ilgili çalışmalar da mevcuttur (Munoa vd., 2013). Manyetik karakter gösteren sıvılar ile titreşim sönümlemesi olarak kullanıldığı araştırmalar da gerçekleştirilmiştir (Milecki, 2001). Bu çalışmalar manyetik etkinin kesme kararlılığını artırmada kullanılabileceğini göstermektedir. Kesme işleminde iş parçasına manyetik alan uygulanan çalışmalar incelendiğinde ise El Mansouri ve Mkaddem (2007) 1 kA/m yaklaşık 0,001 Tesla altında 55-110 m/dk kesme hızları altında tornalama işlemleri gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmada manyetik alan etkisi ile kuru şartlar altında 1045 çelik alaşımının tornalanmasında takım aşınmasının önemli ölçüde azaldığı bildirilmiştir. Özellikle kesme yüzeyinde plastik deformasyonu artırdığı malzemenin daha sünek davranarak kesik yerine sürekli talaş oluşumunu teşvik ettiği bildirilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları düşük yoğunlukta manyetik alan uygulamanın kesme karakteristiğini etkilediği göstermektedir. Gözlenen talaş şeklindeki değişim ise farklı metal şekillendirme uygulamalarında manyetik alan etkisinin ortaya çıkarabileceği sonuçlar açısından incelenmeye açıktır. Necib vd. (2011) benzer bulgulara XC 38 çelik alaşımını işlerken ulaşmışlardır. Bu çalışmanın sonuçlarında ise optimum sonuçları 16,5 kA/m yaklaşık 0,02 T altında olduğunu raporlamışlardır. Ayrıca manyetik alan etkisi ile aşınma mekanizmalarında değiştiğini belirtmişlerdir. Ti6Al4V alaşımının mikro işlenmesiyle ilgili olan güncel bir çalışmada ise 0,02 T yoğunluğundaki manyetik alan kalıcı mıknatıslar yardımıyla sağlanmıştır. Bu çalışmada manyetik alan etkisi ile Ti6Al4V alaşımından kaldırılabilecek minimum talaş kalınlığının önemli ölçüde azaltılabileceği raporlanmıştır (Yip ve To, 2019). Bu etkiyi sağlayan temel mekanizmayı ise manyetik alanın elmas uç ve iş parçası arasındaki sürtünme katsayısını artırmasına bağlamışlardır. Dehgani vd. (2017) geliştirdikleri düzenek ile hem iş parçasına hem kesici uca kesme sırasında manyetik alan uygulamışlardır. Deney sonuçlarını istatistiksel metotlarla irdeleyen araştırmacılar düşük kuvvetli manyetik alan uygulamanın çelik numuneleri yüksek hız çeliği takımlar ile kesmede takım aşınmasını ve kesme kuvvetlerini önemli ölçüde azalttığını belirtmişlerdir. Galei’nin (1973) yaptığı çalışmada, bazı takımların benzer koşullarda manyetik ortamda normal kesime kıyasla takım ömründe % 200 ila % 400 oranında bir gelişme ürettiğini gösterdi. Neema ve Pandey (1980) çelik numunelerin tornalanması sırasında mıknatıslanmış ve mıknatıslanmamış yüksek hız çeliği takımların takım aşınma özelliklerini incelemek için yüzey yanıt yöntemini kullandılar. Deneyin sonuçlarına göre belirli bir kesme koşullarında takım ömründe olumlu sonuçlar elde edildiği bildirilmiştir. El Mansori vd. (2003) işleme operasyonu sırasında manyetik alan gibi harici elektromotor kuvvet (EMF) kaynaklarının sıcaklık, talaş morfolojisi ve takımın aşınma direnci üzerindeki etkisini araştırmış ve rapor etmişlerdir. Takım aşınmasının manyetik alan yoğunluğu ile azaldığını gözlemlemişlerdir. El Mansori vd. (2004) farklı bir kurulum ile deneyler yaptılar. 3D ferromanyetik karbon çeliklerindeki çalışmalar, harici bir manyetik alan kullanımının takım ömrünü 2-3 kat arttırdığını göstermiştir. Bu çalışmada manyetik olmayan karbür takımlar kullanılarak mıknatıslanmış ferromanyetik AISI 1045 çeliğin kuru kesilmesinde yapılan dikey kesme testlerinin sonuçları verilmiştir. Mekanik işlemede talaşta (kayma gerilmesi açısı ve kayma kesme ilişkisi) ve takım-talaş kontağının (talaş yığıntısı oluşumu) tribolojik davranışlarında değişiklik yarattığı görülmüştür. Patwari vd. (2012) tornalama işlemi sırasında

manyetik alan kullanıldığında işlenebilirliğin iyileştirilmesiyle ilgili bir çalışma sundular. Tırlamanın takım aşınması ve yüzey kalitesi üzerindeki etkileri araştırıldı. Manyetik alanın uygulanmasının tırlama titreşimlerini etkileyebileceğini gözlemlediler. Ayrıca talaş davranışında bariz bir değişiklik ve yüzey pürüzlülüğünde önemli bir iyileşme gözlenmiştir. İşlemeden sonra takımlar incelenirse manyetik alan olmadan aşınmanın manyetik takım aşınmasından daha fazla olduğu açıktır. Manyetizmanın çelik tornalama üzerindeki etkileri hakkındaki makalede yüksek hız çeliği takımları kullanarak çelik tornalama prosesi üzerindeki manyetik etkileri incelemiştir (Yip ve To, 2018). Burada, manyetik alan iş parçasına ve takıma aynı anda uygulanır ve kapalı manyetik devre kullanımı, alanın önemli faydalarının daha düşük manyetik yoğunlukta elde edilmesini sağlar. Yan kenar aşınması, manyetik işlem, kesme derinliği, kesme kuvveti, iş mili hızı ve ilerleme hızı gibi çeşitli takım ve iş parçası parametrelerini inceleyerek ve ANOVA tekniğini uygulayarak, manyetik alanın talaş kaldırma oranı ve takım aşınmasına etkilerinin anlamlı olduğunu gözlemlemişlerdir. Takım aşınması yaklaşık %94 azalırken, kesme kuvveti % 66 azaltıldı.

Manyetik alan esas olarak tornalama süreçlerini iki şekilde etkiler: (1) kesme mekaniğini değiştirerek ve (2) takım talaş temas tribolojisini değiştirerek. Manyetizmanın malzeme/imalat üzerindeki etkileri aşağıda verilmiştir:

1. Manyetik alan, dislokasyon hareketliliğini arttırır ve böylece yüzeye daha yakın hareket ettirilen çatlak başlangıcını geciktirerek malzemenin yorulma ömrünü uzatır.

2. Manyetik alan, manyetik doygunluğa ulaşma üzerine farklı alanları tek bir alana değiştirerek malzemenin yapısal olarak yeniden düzenlenmesine neden olur, böylece malzemeyi yumuşatır ve daha yüksek plastisite ve düşük artık gerilmelere yol açar.

3. Zayıf dış katmanlar oksitlenir ve yüzeyler arasında doğrudan teması önleyerek yağlama görevi görmeye başlar.

4. Manyetik alan konusunda herhangi bir tornalama işlemine uygulamadan önce incelenmesi gereken önemli bir parametre bağıl sertlik oranıdır. Temas yüzeyinde, daha düşük manyetik geçirgenlik gövdesinin daha düşük yapışkan aşınmaya maruz kalacağına dikkat edilmelidir.

SONUÇ

Bu çalışmada manyetik alanın malzeme ve imalat üzerine etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda literatürdeki çalışmalar incelenmiştir. Manyetik alan malzeme yapısındaki dislokasyonları etkilemekte yorulma ömrünü ve aşınma davranışını iyileştirmektedir. Ayrıca malzeme üzerindeki artık gerilmeleri düşürmektedir. Buna ilaveten imalat işlemlerinde titreşimin sönümlenmesi açısından olumlu etkileri

Dehghani A, Amnieh SK, Tehrani AF, ve Mohammadi A, (2017). Effects of magnetic assistance on improving tool wear resistance and cutting mechanisms during steel turning, Wear, c. 384-385, ss. 1-7, doi: 10.1016/j.wear.2017.04.023.

El Mansori M, Perron F, and Paulmier D, (2003). Reduction of tool wear in metal cutting using external electromotive sources, Surface and Coatings Technology, c. 163–164, ss. 472-477

El Mansori M, Iordache V, Seitier P, and Paulmier D, (2004). Improving surface wearing of tools by magnetization when cutting dry, Surface and Coatings Technology, c. 188–189, ss. 566-571 El Mansori M, ve Mkaddem A, (2007). Surface plastic deformation in dry cutting at magnetically

assisted machining, Surf. Coat. Technol., c.202, sy 4-7, ss. 1118-1122, doi:

10.1016/j.surfcoat.2007.07.104.

Galei MT, (1973). Increasing tool-life by magnetization, Mach. Tool U.S.S.R, c.5.

Han H, Gao Y, Zhang Y, Du S, ve Liu H, (2015). Effect of magnetic field distribution of friction surface on friction and wear properties of 45 steel in DC magnetic field, Wear, c. 328-329, ss. 422-435, doi: 10.1016/j.wear.2015.02.062.

Iida Y ve Stolarski T, (2009). Alternation on rolling contact properties of steel due to magnetic field, Wear, c. 266, sy 11-12, ss. 1098-1105, doi: 10.1016/j.wear.2009.02.024.

Ma L vd., (2014). An investigation on the mechanical property changing mechanism of high speed steel by pulsed magnetic treatment, Mater. Sci. Eng. A, c. 609, ss. 16-25, doi:

10.1016/j.msea.2014.04.100.

Milecki A, (2001). Investigation and control of magneto–rheological fluid dampers, Int. J. Mach. Tools Manuf., c. 41, sy 3, ss. 379-391, doi: 10.1016/S0890-6955(00)00085-7.

Munoa J, Mancisidor I, Loix N, Uriarte LG, Barcena R, ve Zatarain M, (2013). Chatter suppression in ram type travelling column milling machines using a biaxial inertial actuator, CIRP Ann., c. 62, sy 1, ss. 407-410, doi: 10.1016/j.cirp.2013.03.143.

Munoa J vd., (2016). Chatter suppression techniques in metal cutting, CIRP Ann., c. 65, sy 2, ss. 785-808, doi: 10.1016/j.cirp.2016.06.004.

Necib D, Bouchoucha A, Zaidi H, Amirat M, ve Eyidi D, (2011). Influence of the magnetic field on the wear behavior of a cutting tool during the turning operations, World J. Eng., c. 8, sy 1, ss. 53-60, doi: 10.1260/1708-5284.8.1.53.

Neema ML ve Pandey APC, (1980). The effect of magnetization on the wear of high speed steel tools, Wear, c. 59, ss. 355-362

Patwari AU, Mahmood MN, Arif MD, (2012). Improvement of Machinability of Mild Steel during Turning Operation by Magnetic Cutting, Advanced Science Engineering Information Technology, c. 2, ss. 9-12

Sims ND, Amarasinghe A, ve Ridgway K, (2005). Particle Dampers for Workpiece Chatter Mitigation, Manufacturing Engineering and Materials Handling, Parts A and B, Orlando, Florida, USA, c.

2005, ss. 825-832, doi: 10.1115/IMECE2005-82687.

Song YL, Yu C, Miao X, Han XH, Qian DS, ve Chen X, (2017). Tribological Performance Improvement of Bearing Steel GCr15 by an Alternating Magnetic Treatment, Acta Metall. Sin. Engl. Lett., c.

30, sy 10, ss. 957-964, doi: 10.1007/s40195-017-0587-2.

Yip WS ve To S, (2018). Sustainable manufacturing of ultra-precision machining of titanium alloys using a magnetic field and its sustainability assessment, Sustain Mater Technol,c.16, ss.38–46 Yip WS ve To S, (2019). Reduction of Minimum Cutting Thickness of Titanium Alloys in Micro Cutting

by a Magnetic Field Assistance, IEEE Access, c.7, ss.152034-152041, doi:

10.1109/ACCESS.2019.2945526.

Zhao K, Fan J, Gao F, ve Hu Z, (2015). Research on tribo-magnetization phenomenon of ferromagnetic materials under dry reciprocating sliding, Tribol. Int., c. 92, ss. 146-153,doi:

10.1016/j.triboint.2015.05.025.

EKSTRÜDER VİDALAR İÇİN AŞINMAYA DİRENÇLİ KROM OKSİT ESASLI