Makale: Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemelerin Matkap ile Delinmesi Konusunda Yapılan Çalışmaların İncelenmesi / A Review of Drilling for Aluminium Matrix Composite Materials

A REVIEW OF DRILLING FOR ALUMINIUM MATRIX COMPOSITE

MATERIALS

İbrahim Şahin Yrd. Doç Dr.,

Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Beşiktaş, İstanbul

isahin@yildiz.edu.tr

ALÜMİNYUM MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN MATKAP

İLE DELİNMESİ KONUSUNDA YAPILAN ÇALIŞMALARIN

İNCELENMESİ

ÖZET

Metal matrisli kompozit malzemelerde, alüminyum alaşımlarından matris malzemesi olarak faydala-nılması gitgide yaygınlaşmaktadır. Takviye malzemesi olarak, uygunluğu nedeniyle, en fazla SiC ve Al2O3 partiküller kullanılmaktadır. Takviye malzemelerinin sertliklerinin çok yüksek olması ise, bu

tür kompozit malzemelerin talaşlı şekillendirme yöntemleri ile işlenmesinde çeşitli sorunlar yarat-maktadır. Şekillendirme için seçilen işlem parametrelerinin takım ömrü ve iş parçası yüzey kalitesi üzerinde önemli rolleri vardır.

Bu çalışmada, matkap ile delik delme konusunda, uygun işlem parametrelerinin bulunması amacıyla yapılan çalışmalar incelenmiş ve elde edilen sonuçlar verilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Kompozit malzemeler, delik delme, takım aşınması

ABSTRACT

Aluminium alloys usage as matrix material in metal matrix composites is continuously increasing. SiC and Al₂O₃ particles are the most common elements as a reinforced material, due to theirs compli-ance. Since very high hardness reinforcing elements, several problems occur machining of these kind of composite materials. The process parameters which are selected for machining have crucial role of the tool life and the workpiece surface quality.

In this study, a literature review was made in order to find the appropriate process parameters for dril-ling processes and the results are given.

Keywords: Composite materials, drilling, tool wear

Geliş tarihi : 13.08.2013 Kabul tarihi : 30.10.2013

Cilt: 55

Sayı: 649

10

11

Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemelerin Matkap İle Delinmesi Konusunda Yapılan Çalışmaların İncelenmesi İbrahim Şahin

nusudur. Bunun nedeni, takviye malzemesi olarak kullanılan seramik esaslı güçlendiricilerin, yüksek sertlik ve aşındırma özelliğinden dolayı, kesici takımların çabuk aşınmasına sebep olması ve takım ömrünü azaltmasıdır. Dolayısıyla bu konu-da yapılan araştırmalar, MMK malzemelerin talaşlı işlenme kabiliyetini arttırmak, takım aşınmasını azaltmak ve işleme maliyetini düşürmek yönündedir.

Kompozit malzemelerin talaşlı şekillendirilmesinde kullanı-lan takımlar, metal malzemelerin işlenmesinde kulkullanı-lanıkullanı-lanlara benzerdir. Bununla birlikte, aşırı miktardaki takım aşınmasını önlemek için yüksek hız çeliğinden (HSS) takımlar, tungsten karbür, titanyum nitrür veya elmasla kaplanır. Takım ömrü açısından karbür takımlar üstündür; özellikle ince tane boyu-tuna sahip karbür takımlar kullanılır. Ancak, takım maliyeti oldukça yüksektir. Çok kristalli elmas (PCD) takımlar, yük-sek aşınma direncine sahip olması dolayısıyla, cam elyaf ve karbon takviyeli kompozit malzemelerin talaşlı şekillendiril-mesinde geniş ölçüde kullanılır. Fakat PCD takımların mali-yeti, karbür takımlara göre 10 kat daha fazladır [9].

MMK malzemelerden imal edilen parçaların matkapla delin-mesinde, yüksek hız çeliğinden (HSS) iki ağızlı spiral takım-lar tercih edilmezler. Sert metalden (WC) iki ağızlı matkaptakım-lar prototip uygulamalarda uygun olmasına rağmen, imalat sıra-sında MMK malzemelerin delinmesinde çok kristalli elmas (PCD) takımlar önerilmektedir. Takım performansı için uygun ilerleme değeri seçmek gereklidir. Aşındırıcı talaşların uzak-laştırılması da bir diğer karmaşık problemdir. Kanal tasarımı, uç tasarımı ve soğutucu kullanılması önem taşır. Soğutma ka-nallı matkap kullanılması, derin deliklerden talaşın etkili bir şekilde uzaklaştırılması için tercih edilir, fakat %5 sulu yağ çözeltisi ile dıştan soğutma, genellikle sığ delikler için uygun olmaktadır. Birleşik açılar ve ekstra gravürlü uç aşındırıcılar talaşların daha küçük parçalara kırılmasını ve kıvrımlı talaş-lardan kurtulmayı sağlarlar. Takımı geri çekmeksizin talaşın uzaklaşmasına izin vermesi için, delik asla takım çapının üç katından fazla olamaz [10].

Bu çalışmada, alüminyum alaşımı matrisli kompozit malze-melerin matkapla delinmesinde takım aşınması ve yüzey pü-rüzlülüğü ile ilgili yapılan araştırmalar ve sonuçlarının akta-rılması amaçlanmıştır.

2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI

Monaghan ve O’Reilly, hacimce %25 SiC partikül içeren, %12 Si içeren Al alaşımı matrisli kompozit malzeme üretmiş-ler ve delik delme işlemi için yüksek kobaltlı HSS, titanyum nitrür kaplı HSS, karbür uçlu HSS ve karbür matkap ile PCD uçlu HSS spiral matkap ve düz kanallı matkap kullanmışlar-dır. İlerleme değerini 0.1, 0.2 ve 0.3 mm/dev, tezgah devrini ise 50, 102 ve 198 dev/dak seçmişlerdir. Kaplanmış ve kap-lanmamış HSS matkapların serbest yüzey ve talaş yüzeyi

aşınma davranışlarının, karbür matkaplardan farklı olduğu açıkça görülmüştür. Tahmin edildiği gibi, daha yüksek sertlik değerleri nedeniyle karbür matkaplar, her bir ilerleme ve kes-me hızı değeri için, HSS takımlara göre daha az serbest yüzey aşınması göstermişlerdir. En iyi performans karbür matkaptan elde edilmiş, sonra sırasıyla karbür uçlu, titanyum nitrür kaplı ve kaplanmamış HSS matkaplar gelmiştir. PCD uçlu takım-larla delik delmede ise 50 dev/dak ve 102 dev/dak’lık tezgah devirlerinde serbest yüzeyde ve talaş yüzeyinde ihmal edile-bilir aşınmalar görülmüştür. Düz ve spiral kanallı matkaplar, 0.33 mm/dev ilerleme değerinde ve 198 dev/dak’lık tezgah devrinde ilk delik delme teşebbüsünde, aşınma olmaksızın kırılmışlardır [10].

Coelho vd., hacimce %15 oranında 10-15 μm çaplı SiC par-tikül ile takviyeli AA2618 dövme alüminyum alaşımı matris-li kompozit malzeme üretip, ekstrüzyon yöntemi ile çubuk haline getirmişlerdir. Delme işlemi için 8 mm çaplı, PCD, WC, kaplanmış WC ve HSS takım kullanmışlardır. Tezgah devrini 1500 ve 3000 dev/dak, ilerleme değerini 0.05-0.3 mm/ dev arasında seçmişlerdir. HSS takımla sadece bir delik delme işlemi sonunda aşırı takım aşınması olduğunu, WC ve kaplan-mış WC takımla da 48 adet delik delme işlemi sonunda takım ömrü kriterinin aşıldığını saptamışlardır. PCD uçlu takımla 300 delik delme işlemi sonunda 80 µm’lik serbest yüzey aşın-ması meydana gelmiştir. Böylece fazla miktarda delik delme işlemi için PCD uçlu takımın en uygun takım olduğu görül-müştür. Ayrıca, düşük ilerleme değerinin serbest yüzey aşın-masını hızlandırdığı, kesme hızının ise takım ömrüne önemli bir etkisinin olmadığı ortaya çıkmıştır [12].

Mubaraki vd.’nin çalışmasında, Comral 85TM marka (6061 alüminyum alaşımı matris, hacimce %20 oranında katılan, ortalama 20 μm çaplı Al2O3 takviye malzemesi) kompozit malzemeden çubuklar kullanılmıştır. Delme işlemi uygulana-cak parçalara yaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Kesici takım olarak 8 mm çaplı HSS, WC uçlu HSS, ve PCD uçlu HSS matkap uçları kullanılmıştır. Tezgah devri 1800 dev/dak, iler-leme değeri 110 mm/dak olarak alınmış ve 20 mm derinliğin-de kör derinliğin-delikler derinliğin-delinmiştir. Her bir kompozit parçada 40 aderinliğin-det delik delinerek, takımın serbest yüzey aşınması incelenmiştir. HSS ve sert metal uçlu takım ile delik delmede, serbest yüzey aşınması, başlangıçta keskin takım kullanıldığından azdır, fa-kat delme işlemi sürdükçe aşınma doğrusala yakın bir şekil-de artmaktadır. Saşekil-dece 12 saniye sonra (veya bir şekil-delik şekil-delme işlemi sonunda) 1 mm’den fazla serbest yüzey aşınması gö-rülmüştür. WC takımda, 600 saniye sonra 0.16 mm serbest yüzey aşınması meydana gelmiştir. PCD uçlu takımla delik delmede 70 adet delik sayısına kadar ölçülebilecek bir serbest yüzey aşınması meydana gelmemiş ve buradan itibaren de aşınma miktarı çok yavaş artmıştır. 2210 saniye sonra (veya 184 delik delme işlemi sonunda) 0.12 mm serbest yüzey aşın-ması tespit edilmiştir [13].

1. GİRİŞ

M

veya alaşımından meydana gelen bir metal matris ile çoğunlukla partikül haldeki takviye malzeme-sinin makro ölçekte karışımından oluşur. MMK malzemeler-de partikül takviye olarak; metal karbürler (SiC, TaC, WC, B4C), metal nitrürler (TaN, ZrN, Si3N4, TiN), metal borürler (TaB2, ZrB2, TiB2, WB) ve metal oksitler (ZrO2, Al2O3, ThO2, SiO2) kullanılmaktadır [1].

MMK malzemelerde matris malzemesi olarak genellikle hafif metaller tercih edilmektedir. Al ve alaşımları, bu metallerin başında gelmektedir. Ayrıca, Cu, Mg, Ti, Zn ve Pb da metal matris malzemesi olarak kullanılmaktadır. Matris malzemesi; oksitlenme ve korozyon direnci veya diğer özellikler de göz önüne alınarak seçilebilir [2].

Al ve alaşımları, düşük yoğunluğa sahip olması, kolay şekil-lendirilebilmesi ve takviye malzemesi ile iyi uyum göstermesi nedeniyle en yaygın kullanılan matris malzemesidir. Düşük yoğunluk, mükemmel dayanım, tokluk ve korozyon direnç-leri nedeniyle havacılık alanında önemli uygulama alanları bulmaktadır. Özellikle Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu ve Al-Li alaşımları, çökelme sertleşmesi gösterebilen çok önemli ala-şımlardır [3]. MMK malzemelerde matris malzemesi olarak en çok kullanılan Al alaşımları 2014, 2124, 6061, 7075 ve 8090’dır [1].

Döküm Al-Si-Mg alaşımları, matris malzemesi olarak özel bir grup oluştururlar. A356 ve A357 alaşımlarının yüksek saflığından dolayı, sünekliği yüksektir ve ekstrüzyon işlemi, pürüzsüz yüzeyli mükemmel sonuçlar vermektedir. SiC takvi-yeli MMK’lerin sıvı faz yöntemleriyle üretilmeleri için uygun matris malzemeleridir [4].

Seramik partikül takviyeli Al alaşımı matrisli kompozit mal-zemelerin mekanik özellikleri; matris özelliklerine, ıslatma kabiliyetine, takviye miktarına ve partikül takviyenin çapına bağlı olarak değişmektedir [1].

Otomotiv, ulaşım ve inşaat endüstrilerindeki uygulamalar için maliyet ana faktörlerdendir. Matris olarak Al alaşımının kul-lanılması, düşük maliyet ve taşıma kolaylığını da içine alan bazı avantajlarından dolayı tercih edilmektedir. 1960’lardan beri Al alaşımlı otomotiv parçalarının, dökme demirin yerini aldığı görülmektedir. Toyota Motor Company, 1983 başında, MMK’lerin ilk ticari uygulaması olarak dizel motor pistonu-nu imal etmiştir [5].

Japonya’da 1981’de bir araştırma-geliştirme programı başla-tılmıştır. MMK malzeme için, matris malzemesi olarak Al ve Ti alaşımı, takviye malzemesi olarak da SiC ve Al2O3 fiberler ve diğer birçok malzeme seçilmiştir. Araştırma esas olarak, üretim ve şekillendirme teknolojisi ile tasarım teknolojisi

yö-nünde olmuş ve bu araştırmaların sonuçları, enerjiyle ilgili cihazlar ve uzay araçlarında kullanılmışlardır [6].

1989’da Honda şirketi, Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya’da benzinli motorlarda silindir bloğunda yeni bir MMK teknolojisi uygulamış; Al ve Al esaslı MMK malze-meden silindir bloğu imal etmiştir. Önceki Al motorlarla kar-şılaştırıldığında, ağırlıkta %20’ye varan bir azalma, dökme demirden yapılmış bir silindir bloğuyla karşılaştırmada ise %50’lik bir ağırlık azalması sağlanmıştır [5].

Al matrisli kompozit malzemeden imal edilen parçalara veri-lebilecek diğer örnekler fren diskleri ve fren kampanalarıdır. Bunlar partikül takviyeli olarak imal edilmektedir. Böylece fren diskleri için önemli olan düşük ağırlık elde edilmiş ol-maktadır. Ayrıca aşınma direnci iyileşmektedir ve iyi bir ısı iletimi sayesinde, oluşan ısı uzaklaştırılmaktadır [7]. Bir diğer uygulama, aşınma direncinin ve düşük ağırlığın önemli oldu-ğu kış şartlarındaki yollarda kullanılan, bir Duralcan malze-mesi olan %15 Al2O3 takviyeli AA6061’den dövme tekerlek çivilerinin imalatıdır [7]. Partikül takviyeli Al matrisli kom-pozit malzemenin önemli bir potansiyel ticari uygulaması, otomotiv şaftlarının imalatıdır.

Partikül takviyeli, özellikle Al ve Mg gibi hafif MMK’ler, spor malzemeleri uygulamalarında da kullanılmaktadır. Mü-kemmel bir örnek, dağ bisikleti yapımında Duralcan partikül takviyeli MMK’lerin kullanılmasıdır. Bu bisikletler, yaklaşık %10 Al2O3 partikül içeren 6061 Al alaşımından ekstrüzyon borularından yapılmış bir gövdeye sahiptir. Başlıca avantajı, rijitlikteki artıştır [3]. Golf sopası baş kısımları, %20 SiC par-tikülle takviyeli Al9Si alaşımı matrisli kompozit malzemeden üretilmektedir; burada sertlik ve düşük ağırlık önem taşımak-tadır [7].

Mikrodalga ve elektronik paket sistemleri için ısıl çevrim, birleştirilmiş parçalarda ayrılmalar nedeniyle, büyük hasar-lara sebep olabilmektedir. Bu malzemeler -65°C ile +125°C arasında bir ısıl çevrime maruz kalırlar. Bu amaçla kullanılan malzemeler, kullanım yerine göre farklı oranlarda SiC parti-kül içeren AA6061 Al alaşımı matristen yapılmış kompozit malzemelerdir [7].

Çin’de MMK malzemeler üzerine yapılan araştırmalar; uydu yapımında kullanılan SiC fiber takviyeli Al matrisli uç kap-laması, Cp / Z1108 kompozit malzemesinden yapılmış moto-siklet pistonu, SiCf / LD2 malzemeden yapılmış tank pistonu, SiC_p /Al’dan yapılmış uydu yapısal parçaları, SiC_p / Al’dan yapılmış içten yanmalı motorun piston segmanı için silindirik yuvaların imalatı olarak belirtilebilir [8].

Kompozit malzemelerin üretiminin ve üretim sonrası yapılan şekillendirme işlemlerinin geliştirilmesi, teknolojik uygula-malar açısından büyük önem taşımaktadır. MMK malzeme-lerin talaşlı şekillendirilmesinde yüksek maliyetler söz

ko-Dhavamani ve Alwarsamy, ortalama 25 mm çapında, ağır-lıkça %10, %15 ve %20 SiC ile takviye edilmiş 2124 alü-minyum alaşımı matrisli kompozit malzeme üretmişlerdir. Karbür matkaplar kullanarak, 400, 1000 ve 1500 m/dak’lık kesme hızlarında ve 0.12, 0.22 ve 0.40 mm/dev ilerleme oranlarıyla yaptıkları delme işlemleri sonucunda oluşan ta-kım aşınması ve yüzey pürüzlülüğünü incelemişlerdir. Tak-viye oranının artması ile takım aşınmasının arttığı, yüzey pürüzlülüğünün ise azaldığı görülmüştür. Kesme hızının artması ile takım aşınması ve yüzey pürüzlülüğü artmıştır. İlerleme oranının artması da takım aşınmasını arttırmıştır. Matkap çapının değişmesinin yüzey pürüzlülüğüne herhangi bir etkisi olmamıştır [23].

Rajmohan ve Palanikumar, 25 µm ortalama çapında SiC partikül ve 45 µm ortalama çapında Mika takviyeli Al 356 alüminyum alaşımlı hibrit kompozit malzeme üzerinde çalış-mışlardır. SiC partikül ağırlıkça %5, %10 ve %15 oranların-da, Mika ise ağırlıkça %3 oranında katılmıştır. Delme işlemi için kaplamasız karbür matkaplar kullanılmıştır. Tezgah devri olarak 1000, 2000 ve 3000 dev/dak, ilerleme oranı olarak 50, 100 ve 150 mm/dak seçilmiş ve kesme sıvısı kullanılmamıştır. İlerleme oranının ve hızın, yüzey kalitesinde etkili paramet-reler olduğu ve yüzey kalitesinin iyileşmesini sağladığı gö-rülmüştür. Optimum parametreler olarak, %15 SiC takviyeli kompozit malzemede, tezgah devrinin 1855 dev/dak, ilerleme oranının 50 mm/dak olduğu belirlenmiştir. Bu parametrelerde yüzey pürüzlülüğü 1.67 µm ve çapak çıkış yüksekliği 0.16 mm olmuştur. SEM yardımı ile takım aşınmasına da bakılmış, yığma ağız oluştuğu ve serbest yüzeyde adhezyon meydana geldiği görülmüştür [24].

3. SONUÇLAR

Alüminyum matrisli kompozit malzemelerin matkap ile de-linmesinde, matkap ucu aşınması (takım ömrü) ve delik yü-zeyi kalitesi konusunda literatürde yayınlanan çalışmaların incelenmesi sonucunda, en uygun takım malzemesinin PCD olduğu görülmektedir. HSS ve karbür takımların çok kısa

sürede aşındığı ve bu tür malzemelerin delinmesi için uygun takım malzemeleri olmadıkları belirlenmiştir.

Yapılan çalışmalarda takım ömrü konusunda aşağıdaki sonuç-lar gözlemlenmiştir:

• Karbür takım ile delmede ilerleme değeri arttıkça takım aşınması artmaktadır.

• PCD takım ile delmede ilerleme değeri arttıkça takım aşınması azalmaktadır.

• Kesme hızının aşınmaya etkisinin çok fazla olmadığı belirlenmiştir. Buna rağmen tüm takım malzemeleri için genel olarak kesme hızı arttıkça takım aşınmasının arttığı görülmüştür.

• Ayrıca, karbür takım ile delmede takviye oranının artması ile takım aşınması artmaktadır.

Yapılan çalışmalarda delik yüzey kalitesi konusunda aşağıda-ki sonuçlar gözlemlenmiştir:

• HSS takım ile delmede ilerleme değeri arttıkça yüzey pü-rüzlülüğü azalmaktadır.

• Karbür takım ile delmede ilerleme değeri arttıkça yüzey pürüzlülüğü iş parçası malzemesine göre değişmektedir. • PCD takım ile delmede ilerleme değeri arttıkça yüzey

pü-rüzlülüğü artmaktadır.

• HSS takım ile delmede kesme hızı arttıkça yüzey pürüzlü-lüğü artmaktadır.

• Karbür takım ile delmede kesme hızı arttıkça yüzey pü-rüzlülüğü azalmaktadır.

• PCD takım ile delmede kesme hızının yüzey pürüzlülüğü-ne etkisi olmamaktadır.

• Ayrıca, karbür takım ile delmede takviye oranının artması ile yüzey pürüzlülüğü ise azalmaktadır.

Literatür incelemesinden elde edilen sonuçlar, bu konuda ya-pılacak çalışmalara kolaylık sağlaması açısından, işlem para-metreleri ve etkileri ile birlikte, Tablo 1’de verilmektedir. Morin vd.’nin çalışmasında iş parçası malzemesi olarak

Du-ralcan marka, T6 ısıl işlemi uygulanmış 6061 alüminyum ala-şımı matrisli, 12 μm çaplı hacimce %20 SiC partikül takviyeli kompozit malzeme (Duralcan F3S.20S) kullanılmıştır. Delme işlemi için kesici takım olarak 10 mm çaplı HSS matkap uçla-rı kullanılmıştır. Tezgah devri 1120 dev/dak (kesme hızı 35.2 m/dak), ilerleme oranı ise 0.16, 0.31 ve 0.63 mm/dev alın-mıştır. Serbest yüzey aşınması-delik derinliği diyagramında 10 mm derinliğe kadar hızlı bir artış görülmüştür. Bu değer-den sonra artış çok daha yavaş ve lineere yakındır. İlerleme oranı, kesme kuvvetlerini ve aşınmayı etkilemektedir. Kesme hızının ise, uygulanan hız değerlerinde, önemli bir etkisinin olmadığı gözlenmiştir [14].

Davim ve Baptista’nın çalışmasında, 20 μm çapında, hacimce %20 SiCp ile takviye edilmiş A356 alüminyum alaşımı mat-risli kompozit malzeme sürekli dökümle üretilmiş ve T6 ısıl işlemi uygulanmıştır. Takım olarak DIN 338 standardına uy-gun PCD malzemeden 5 mm çapında matkap kullanılmıştır. Kesme derinliği 2.5 mm sabit değerde alınarak, 30, 40 ve 50 m/dak kesme hızlarında ve 0.05, 0.1 ve 0.2 mm/dev ilerleme değerlerinde delme işlemleri yapılmıştır. İşlemlerde kesme sıvısı kullanılmıştır. Kesme hızının artmasıyla serbest yüzey aşınmasında artış gözlenmiştir, ancak deneyde kullanılan hız değerlerinde yeterli aşınma elde edilememiştir. Örneğin 40 m/ dak kesme hızında 14 dakikalık delme işleminde, 300 adet kör delik (her biri yaklaşık 12 mm) için VBmax=0.15 mm ol-muştur. VBmax-İşleme zamanı grafiğinde, ilerleme değerinin artışı ile aşınmanın azaldığı görülmektedir [15].

Davim ve Antonio’nun çalışmasında, 20 μm çapındaki hacim-ce %20 oranında SiC partikül ile takviyeli A356 alüminyum alaşımı matrisli kompozit malzeme üretilmiş ve T6 ısıl işle-mine tabi tutulmuştur. Yatay milli CNC matkap tezgahında, PCD matkapla (DIN 338) 15 mm kalınlığındaki bu kompozit malzeme disklere delik delme işlemi yapılmıştır. Kesme de-rinliği 2.5 mm olarak sabit tutulmuş, kesme hızı değeri 30, 40 ve 50 m/dak, ilerleme 0.1, 0.05, 0.15 ve 0.2 mm/dev olarak alınmış ve kesme sıvısı kullanılmıştır. Deney sonunda takım-larda abrazif aşınma görülmüştür. Farklı kesme şartları için Ra değerleri yaklaşık 0.25 ve 1.2 μm arasında çıkmıştır. Sabit bir kesme hızında, ilerleme oranının arttırılmasıyla, deliklerin yüzey kalitesinde düşüş görülmüştür, fakat kesme hızı değiş-tirildiğinde önemli bir değişiklik olmamıştır [16].

Tosun ve Muratoğlu, AMC (Aerospace Metal Composite) ta-rafından üretilen, hacimce %17 oranında ortalama 3 μm çap-lı SiC partikül ile takviyeli 2124 dövme alüminyum alaşımı matrisli kompozit malzeme üzerinde çalışmışlardır. Toz meta-lürjisi yöntemiyle üretimden sonra, dövme ve sıcak haddele-me yapılmıştır. Deney parçalarının bir kısmına üç farklı şartta çözme tavı uygulanmıştır. Delme işlemi için 5 mm çaplı, üç farklı uç açılı, 30°±3 helis açılı HSS takım kullanmışlardır.

Tezgah devri 260 ile 1330 dev/dak, ilerleme oranı ise 0.08 ile 0.16 mm/dev alınmıştır. Matkap malzemesi olarak HSS, TiN kaplı HSS ve karbür takım kullanılmıştır. Deneyler sonucun-da takım aşınması açısınsonucun-dan, en uygun takımın karbür takım olduğu, en uygun işleme şartlarının ise 130º uç açısı, 1330 dev/dak kesme hızı ve 0.16 mm/dev ilerleme oranı olduğu be-lirlenmiştir [17].

Yine aynı malzeme üzerinde yapılan yüzey pürüzlülüğü öl-çümleri sonucunda, tüm kesme hızlarında ilerleme oranının artmasıyla yüzey pürüzlülüğünün azaldığı belirlenmiştir. Kesme hızının artmasıyla, HSS matkapla delmede yüzey pü-rüzlülüğü artmış, diğerlerinde ise belirgin bir sonuç çıkma-mıştır. Karbür takımla delmede diğerlerine göre daha iyi bir bitmiş yüzey elde edildiği görülmüştür [18].

Basavarajappa vd. yaptıkları çalışmada, %15 SiC ile takviyeli Al 2219 kompozit malzeme ile %15 SiC+%3 Gr takviyeli Al 2219 hibrit kompozit malzemeye delme işlemi uygulamışlar-dır. Takım malzemesi olarak 5 mm çaplı kaplamalı ve kapla-masız karbür takım seçmişlerdir. Üç farklı devirde ve 0.05, 0.15 ve 0.25 mm/dev’lik üç farklı ilerleme değeriyle 10 mm derinlikte delme yapmışlardır. Yüzey pürüzlülüğü ilerleme oranının artmasıyla artmış, kesme hızının artmasıyla azalmış-tır. Kaplamalı takım, bitmiş yüzey açısından kaplamasız takı-ma göre daha iyi bir perfortakı-mans göstermiştir [19, 20]. Noorul Haq vd. yaptıkları çalışmada, 25 μm çapındaki %10 SiC takviyeli LM25 esaslı alüminyum alaşımı kompozit mal-zeme üzerinde, kesme sıvısı kullanmadan delme işlemi yap-mışlardır. Delme için 10 mm çaplı ve 90°, 115° ve 140° uç açılı TiN kaplamalı HSS spiral matkaplar kullanılmıştır. Kes-me hızı olarak 35.15, 56.54 ve 87.96 m/dak, ilerleKes-me değeri olarak 0.05, 0.125 ve 0.20 mm/dev seçmişlerdir. Yüzey pü-rüzlülüğü, kesme kuvveti ve tork ölçülmüş ve Gri İlişki Ana-lizi yapılmıştır. Bunlara, uç açısının etkisinin, kesme hızı ve ilerlemeden daha fazla etki ettiği görülmüştür. En iyi verim, 90° uç açılı takımla, 0.2 mm/dev ilerleme değerinde, 87.96 m/ dak kesme hızında elde edilmiştir [21].

Ahamed vd. yaptıkları çalışmada, hacimce %5 SiC+%5 B4C partikül ile takviyeli 1100 alüminyum alaşımı matrisli hibrit kompozit malzeme üretmişlerdir. Delme işlemi için 5 mm ça-pında, 118° uç açılı, 30°±3 helis açılı HSS matkap kullanılmış olup, kesme sıvısı kullanılmamıştır. Tezgah devri olarak 160, 315 ve 630 dev/dak, ilerleme değeri olarak da 0.125, 0.200 ve 0.315 mm/dev seçilerek, takım aşınması ve yüzey pürüz-lülüğü ölçülmüştür. İncelemeler sonucunda, 315 dev/dak’da, 0.315 mm/dev ilerleme değerinde minimum takım aşınma-sının oluştuğu görülmüştür. Kesme hızının artmasıyla takım aşınması artmıştır. Kesme hızı, yüzey pürüzlülüğünde daha fazla etkin olmuştur. Tüm ilerleme değerlerinde daha düşük hızlarda, daha iyi bitmiş yüzeyler elde edilmiştir [22].

Cilt: 55

Sayı: 649

14

15

Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemelerin Matkap İle Delinmesi Konusunda Yapılan Çalışmaların İncelenmesi İbrahim Şahin

Kaynak Malzeme İşlem Parametreleri Sonuçlar [18] 2124+ hacimce %17 SiCp Takım malzeme si: HSS, TiN kaplamalı HSS,

Karbür 0.08, 0.16 mm/dev 260, 1330 dev/dak Takım çapı: 5 mm Uç açısı: 90°, 1

18°, 130° Helis açısı: 30 °±3 Tüm kesme hızlarında ilerleme oranının artmasıyla yüzey pürüzlülüğü azalmıştır . Kesme hızının artmasıyla, HSS takım ile delmede yüzey pürüzlülüğü artmıştır . Kar

-bür takım ile delmede daha iyi bir bitmiş yüzey elde edilmiştir

.

[19, 20]

Al 2219+ hacimce %15 SiCp ve Al 2219+ hacimce %15

SiCp

+%3

Gr

Takım malzemesi: Karbür

, Kaplamalı karbür

0.05, 0.15, 0.25 mm/dev 1000, 2000, 3000 dev/dak Takım çapı: 5 mm

Karbür takım ile delmede yüzey pürüzlülüğü, ilerleme oranının artmasıyla artmış, kesme hızının artmasıyla azalmıştır . Kaplamalı takım, bitmiş yüzey açısından kap

-lamasız takıma göre daha iyi bir performans göstermiştir

.

[21]

LM25+ hacimce %10 SiCp

Takım malzemesi:

TiN kaplamalı HSS

0.05, 0.125, 0.20 mm/dev 35.18, 56.54, 87.96 m/dak Takım çapı: 10 mm Uç açısı: 90°, 1

15°, 140 ° TiN kaplamalı HSS takım ile delmede uç açısının etkisinin, kesme hızı ve ilerleme -den daha fazla etki ettiği görülmü ştür . En iyi verim, 90° uç açılı takımla, 0.2 mm/dev

ilerleme değerinde, 87.96 m/dak kesme hızında elde edilmiştir

.

[22]

1100+ hacimce % 5SiCp+%5 CpB4 Takım malzemesi: HSS 0.125, 0.20, 0.315 mm/dev 160, 315, 630 d/dak Takım çapı: 5 mm Uç açısı:1

18 ° HSS takım ile delmede 315 dev/dak’da, 0.315 mm/dev ilerleme değerinde mini -mum takım aşınması oluşmuş, 160 dev/dak’da, 0.125 mm/dev ilerleme değerinde ise takım aşınması artmıştır . Kesme hızının artmasıyla takım aşınması artmıştır . Kesme hızı, yüzey pürüzlülüğün de daha fazla etkin olmuştur . Tüm ilerleme değer

-lerinde daha düşük hızlarda, daha iyi bitmiş yüzeyler elde edilmiştir

. [23] 2124+ hacimce %10, %15, %20 SiCp

Takım malzemesi: Karbür 0.12, 0.22, 0.40 mm/dev 400, 1000, 1500 d/dak Takım çapı: 4, 7, 10 mm

Karbür takım ile delmede takviye oranının artması ile takım aşınması artmış, yü -zey pürüzlülüğü ise azalmıştır . Kesme hızının artması ile takım aşınması ve yüzey pürüzlülüğü artmıştır . İlerleme oranının artması da takım aşınmasını arttırmıştır .

Matkap çapının değişmesinin yüzey pürüzlülüğüne herhangi bir etkisi olmamıştır

. [24] Al 356+ hacim -ce %5,%10,%15 SiCp+%3Mika

Takım malzemesi: Karbür 50, 100, 150 mm/dak 1000, 2000, 3000 d/dak

Karbür takım ile delmede ilerleme oranı ve hız, yüzey kalitesinde etkili parametreler olmuş ve yüzey kalitesini iyileştirmiştir . SEM yardımı ile takım aşınmasına bakılmış,

yığma ağız oluştuğu ve serbest yüzeyde adhezyon meydana geldiği görülmüştür

. Kaynak Malzeme İşlem Parametreleri Sonuçlar [1 1] AlSi12+ hacimce %25 SiCp Takım malzemesi: Yüksek Co’lı HSS, TiN kapla -malı HSS, Karbür uçlu HSS, Karbür , PCD uçlu

HSS 0.1, 0.2, 0.3 mm/dev 50, 102, 198 dev/dak Takım çapı: 6 mm Uç açısı: 1

18°

Helis açısı: 32°

Karbür matkapta, HSS takımlara göre serbest yüzey aşınması daha azdır

. En iyi performans karbür matkaptan elde edilmiştir . Sonra sırasıyla karbür uçlu,

titanyum nitrür kaplı ve kaplanmamış HSS matkaplar gelmiştir

. PCD uçlu takımlarla delik delme de hem serbest yüzeyde hem de talaş yüzeyinde

ihmal edilebilir aşınmalar vardır

.

[12]

AA2618+ hacimce %15 SiCp

Takım malzemes i: HSS, Karbür , Kaplamalı kar -bür , PCD

0.05, 0.1, 0.2, 0.3 mm/dev 1500, 3000 dev/dak Takım çapı: 8 mm Helis açısı: 25°-30°

HSS takımda aşırı takım aşınması vardır ve uygun değildir

. WC ve kaplanmış WC takımla sadece 48 adet delik delme işlemi sonunda takım ömrü kriteri aşılmıştır .

PCD uçlu takım daha fazla miktarda delik delme işlemi için uygundur

.

Düşük ilerleme değeri serbest yüzey aşınmasını hızlandırır

.

Kesme hızının takım ömrüne önemli bir etkisi yoktur

. [13] 6061+ hacimce %20 AlO2 3p Takım malzemesi: HSS, karbür uçlu HSS, PCD

uçlu HSS 110 mm/dak 1800 dev/dak Serbest yüzey aşınması; • HSS takım ile delmede 12 saniye sonra 1 mm’den fazla, • WC takım ile delmede 600 saniye sonra 0.16 mm, • PCD uçlu takım ile delmede 2210 saniye sonra 0.12 mm olmuştur

.

[14]

Duralcan

6061+

hacimce %20SiCp Takım malzemesi: HSS 0.16, 0.31, 0.63 mm/dev 1120 dev/dak Takım çapı: 10 mm

HSS takım ile delmede 10 mm derinliğe kadar serbest yüzey aşınmasında hızlı bir artış olmuş, bundan sonra çok daha yavaş ve lineere yakın artmıştır . İlerleme oranı aşınmayı etkilemiştir . Kesme hızının ise, uygulanan hız değerlerinde, önemli bir etkisi olmamıştır . [15]

A356+ hacimce %20 SiCp

Takım malzemesi: Karbür

, PCD 0.05, 0.1, 0.2 mm/dev 30, 40, 50 m/dak PCD takım ile delmede kesme hızının artmasıyla serbest yüzey aşınması artmış, ancak deneyde kullanılan hız değerlerinde yeterli aşınma olmamıştır . İlerleme de

-ğerinin artışı ile aşınma azalmıştır

.

[16]

A356+ hacimce %20 SiCp Takım malzemesi: PCD 0.05, 0.1, 0.15, 0.2 mm/dev 30, 40, 50 m/dak

PCD takım ile delmede farklı kesme şartları için Ra değerleri yaklaşık 0.25 ve 1.2 µm arasında çıkmıştır . Sabit kesme hızında, ilerleme oranında artırılmasıyla, deliklerin yüzey kalitesi düşmüş, kesme hızı değiştirildiğinde ise önemli bir değişiklik olmamıştır . [17] 2124+ hacimce %17 SiCp Takım malzeme si: HSS, TiN kaplamalı HSS,

Karbür 0.08, 0.16 mm/dev 260, 1330 dev/dak Takım çapı: 5 mm Uç açısı: 90°, 1

18°, 130° Helis açısı: 30 °±3 Takım aşınması açısından, en uygun takımın karbür takım olduğu, en uygun işleme şartlarının ise 130° uç açısı, 1330 dev/dak kesme hızı ve 0.16 mm/dev ilerleme

oranı olduğu belirlenmiştir

.

Tablo 1.

Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemelerin Delinmesi Konusunda Yapılan Çalışmalar

Tablo 1 devamı.

KAYNAKÇA

1. Kaczmar, J.W., Pietrzak, K., Wlosinski, W. 2000. "The

Production and Application of Metal Matrix Composite Ma-terials," Journal of Materials Processing Technology, 106, p.58-67.

2. Huda, M.D., Hashmi, M.S.J., El-Baradie, M.A. 1995.

"MMCs: Materials, Manufacturing and Mechanical Proper-ties," Key Engineering Materials, 104-107, p.37-64.

3. Chawla, K.K. 1998. Composite Materials-Science and

En-gineering Second Edition, Springer-Verlag New York Inc., USA.

4. Midling, O.T., Grong, O. 1995. "Processing and Properties

of Particle Reinforced Al-SiC MMCs," Key Engineering Ma-terials, 104-107, p.329-354.

5. Kervorkijan, M.V. 1998. "MMCs for Automotive Applicati-ons," American Ceramic Society Bulletin, Columbus, 77(12), p.53-61.

6. Noguchi, M., Takahashi, K. 1997. "Status and Prospects for

Metal Matrix Composites in Japan," Key Engineering Mate-rials, 127-131, p.153-164.

7. Eliasson, J., Sandström, R. 1995. "Applications of

Alumi-nium Matrix Composites," Key Engineering Materials, 104-107, p.3-36.

8. Libin, Z., Jintao, H. 1998. "Metal Matrix Composites in

China," Journal of Materials Processing Technology, 75, p.1-5.

9. Mazumdar, S.K. 2002. Composites Manufacturing:

Materi-als, Product and Process Engineering, CRC Press, USA.

10. Persson, H. 2001. Machining Guidelines of Al/SiC

Particu-late MMC, MMC-Assess Thematic Network, vol.6, EU. 11. Monaghan, J., O'Reilly, P. 1992. "The Drilling of an Al/SiC

Metal-Matrix Composite," Journal of Materials Processing Technology, 33, p.469-480.

12. Coelho, R.T., Yamada, S., Aspinwall, D.K., Wise, M.L.H. 1995. "The Application of Polycrystalline Diamond (PCD) Tool Materials When Drilling and Reaming Aluminium Ba-sed Alloys Including MMC," International Journal of Machi-ne Tools & Manufacture, 35(5), p.761-774.

13. Mubaraki, B., Bandyopadhyay, S., Fowle, R., Mathew,

P., Heath, P.J. 1995. "Drilling Studies of an Al₂O₃-Al Metal Matrix Composite Part I Drill Wear Characteristics," Journal of Materials Science, 30, p.6273-6280.

14. Morin, E., Masounave, J., Laufer, E.E. 1995. "Effect of

Drill Wear on Cutting Forces in the Drilling of Metal-Matrix Composites," Wear, 184, p.11-16.

15. Davim, J.P., Baptista, A.M. 2000. "Relationship Between Cutting Force and PCD Cutting Tool Wear in Machining Si-licon Carbide Reinforced Aluminium," Journal of Materials Processing Technology, 103, p.417-423.

16. Davim, J.P., Conceiçao, A.C.A. 2001. "Optimal Drilling of Particulate Metal Matrix Composites Based on Experimental and Numerical Procedures," International Journal of Machine Tools & Manufacture, 41, p.21-31.

17. Tosun, G., Muratoğlu, M. 2004. "The Drilling of an Al/SiCp Metal-Matrix Composites, Part I: Microstructure," Composi-tes Science and Technology, 64, p.299-308.

18. Tosun, G., Muratoğlu, M. 2004. "The Drilling of Al/SiCp

Metal-Matrix Composites. Part II: Workpiece Surface Integ-rity," Composites Science and Technology, 64, p.1413-1418.

19. Basavarajappa, S., Chandramohan, G., Prabu, M., Mu-kund, K., Ashwin, M. 2007. "Drilling of Hybrid Metal

Mat-rix Composites-Workpiece Surface Integrity," International Journal of Machine Tools & Manufacture, 47, p.92-96. 20. Basavarajappa, S., Chandramohan, G., Paulo, D. J.,

Pra-bu, M., Mukund, K., Ashwin, M., Prasannakumar, M.

2008. "Drilling of Hybrid Aluminium Matrix Composites," International Journal of Advanced Manufacturing Techno-logy, 35, p.1244-1250.

21. Noorul Haq, A., Marimuthu, P., Jeyapaul, R. 2008. "Mul-ti Response Op"Mul-timiza"Mul-tion of Machining Parameters of Dril-ling Al/SiC Metal Matrix Composite Using Grey Relational Analysis in the Taguchi Method," International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 37, p.250-255. 22. Ahamed, A.R., Asokan, P., Aravindan, S., Prakash, M.K.

2010. "Drilling of Hybrid Al-5%SiCp-5%B4Cp Metal Matrix

Composites," International Journal of Advanced Manufactu-ring Technology, 49, p.871-877.

23. Dhavamani, C., Alwarsamy, T. 2012. "Optimization of

Machining Parameters for Aluminium and Silicon Carbide Composite Using Genetic Algorithm," Procedia Engineering, 38, p. 1994-2004.

24. Rajmohan, T., Palanikumar, K. 2013. "Application of the

Central Composite Design in Optimization of Machining Pa-rameters in Drilling Hybrid Metal Matrix Composites," Mea-surement, 46, p.1470-1481.