Karabük Üniversitesi, Safranbolu Meslek Yüksekokulu, Karabük, Türkiye,

(1)

KAPLAMA ÇEŞİDİ-KATMAN SAYISI VE SICAKLIĞA BAĞLI OLARAK KESİCİ TAKIM ÜST YÜZEYİNDEKİ TAKIM-TALAŞ TEMAS ALAN BÖLGESİ VE YANAK YÜZEYİNDEKİ SICAKLIK DAĞILIMININ SONLU

ELEMANLARLA ANALİZİ

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF TEMPERATURE DISTRIBUTION ON CUTTING TOOL SURFACE AND TOOL AND CHIP INTERFACE REGION DEPEND ON TYPES AND NUMBER OF COATING, AND TEMPERATURE

Hasan GÖKKAYA^a, Muammer NALBANT^b, Mustafa YAŞAR^c

a Karabük Üniversitesi, Safranbolu Meslek Yüksekokulu, Karabük, Türkiye, hgokkaya@karabuk.edu.tr

b Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Ankara, Türkiye, nalbant@gazi.edu.tr

c Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü ,Karabük, Türkiye, myasar@karabuk.edu.tr Özet

Talaş kaldırma işlemi anında uygulanan mekanik enerjinin tamamına yakın kısmı ısıya dönüşmektedir. Talaş kaldırma işlemi sırasında kesme bölgesinde oluşan ısı takım ömrü için önemlidir. Bu nedenle; bu çalışmada kesici takımlara uygulanan kaplama katman sayısı ve kaplama malzemesinin termofiziksel özelliğine bağlı olarak kesici takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi ve yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı sonlu elemanlar (ANSYS) yöntemiyle termal analizi yapılmıştır.

Yapılan termal analiz sonucunda, kaplama katman sayısı, kaplama malzemesinin yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısının sıcaklık dağılımı üzerinde etkili oldukları tespit edilmiştir.

Anahtar Sözcükler: Kesici Takım, Kaplama Çeşidi, Katman Sayısı, Sıcaklık, ANSYS Abstract

During the processes of chip removal applied almost all mechanical energy was transferred to heat energy. Heat is important for the tool life is creating during the material removal process. Therefore, in this study, Thermal analysis were made by Finite Element Analysis (ANSYS) method on the temperature distribution of tool and chip interface region and flank surface depend on applied coating number on tools and thermophsical properties of coating material. By the thermal analysis, It is founded that number of coating level, the density of coating material, specific heat and heat conduction coefficient have significant effects on the distribution of temperature.

Key words: Cutting tools, Coating type, Coating levels, Number of levels, Temperature, ANSYS 1. Giriş

Talaşlı imalatta, iş parçasını istenilen profil ve boyuta getirmek için, kesme kuvvetine ihtiyaç vardır. İş parçası üzerinden talaş kaldırma esnasında uygulanan kesme kuvvetinin tamamına yakını ısıya dönüşür. Bu sebeple kesme bölgesinde oluşan ısı, talaş kaldırma işleminde önemli bir faktör olup, takım performansı ve iş parçası yüzey kalitesi açısından büyük bir öneme sahiptir (1-3).

Kesme parametreleri ve kesici takım kaplama

malzemelerine bağlı takım-talaş ara yüzeyinde oluşan sıcaklıkların ölçülmesinde kullanılan ısıl çift, radyasyon, termal boyalar ve tozlar yöntemlerinin yanı sıra, sıcaklık dağılımlarının tespitinde analitik modeller ve sonlu elemanlar analizleri de kullanılmaktadır (4-18). Analitik modellerde, talaşın genellikle kesme düzlemindeki kesme hareketi ile aynı zamanda oluştuğu kabul edilir. Bunun yanında, takım-talaş ara yüzeyinde sürtünmeye bağlı olarak oluşan sıcaklık, homojen bir düzlem olarak kabul edilir (18 ).

Loewen ve Shaw, talaş kaldırma sırasında oluşan takım- talaş ara yüzey sıcaklığının dağılımını tespit için yapmış oldukları analiz çalışmalarında, kesme ve sürtünme enerjisinin homojen olarak dağıldığını kabul etmişlerdir (8).

Tay, dik kesmede, iş parçası, talaş ve kesici takımda oluşan sıcaklıkları sonlu elemanlar metodunu uygulayarak hesaplamıştır (11). Chen ve Tsao, üç boyutlu sınır eleman metodunu ve ters ısı transfer tekniğini kullanarak, kesici takımın ısı transfer modelini çıkarmışlar ve zamana bağlı (esas kesici kenar esas alınarak) ısı akışının simülasyonunu yapmışlardır. Chen ve Tsao’ nun çıkarmış oldukları model, sadece takım üzerindeki ısı akışını değil, aynı zamanda takım-talaş ara yüzeyindeki sıcaklık haritasını çıkarmak için de kullanılmıştır (19). Barrow ve arkadaşları, kesici takımın talaş temas yüzeyi ile yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımları üzerine farklı kesme parametrelerinin etkisini, sonlu elemanlar analizini kullanarak incelemişlerdir. İş parçasının kesme, şekil değiştirme, şekil değiştirme miktarı ve sıcaklık ile oluşan akış gerilmesini açıklamak için bir eşitlik geliştirmişlerdir. Sonuçlar çok ilginçtir ve asıl parametrelere bağlı değişkenliği göstermektedir. Örnek olarak, takım- talaş temas yüzeyi ile yanak yüzeyindeki en yüksek sıcaklık, kesme hızı ve ilerleme miktarı ile artmakta ve kesme kenarından belirli bir mesafede oluşmaktadır (12).

Shirakashi ve arkadaşları, Lowen ve Shaw’ ın elde etmiş oldukları sıcaklık dağılım modeline benzer bir sıcaklık dağılım modeli elde etmişlerdir (20). Shirakashi ve arkadaşlarının geliştirdikleri modele göre, kesici takımın üst yüzeyindeki sıcaklık, esas kesici kenarda oluşmaktadır.

Aynı sıcaklık dağılımı sonlu elemanlar modeli kullanılarak da elde edilebilmektedir. Sonlu elemanlar modeline göre en yüksek sıcaklık, esas kesici kenara biraz uzak mesafededir (13). Deneysel sonuçlar ile sonlu elemanlar modelinin sonuçları benzerlik göstermemektedir. Dağılım, tarzların farklılığı, hesaplamanın esas kesici kenara yakın

© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

(2)

Gökkaya, H., Nalbant, M. ve Yaşar, M.

bölgede düşük sıcaklık vermesidir. Bu sıcaklık dağılımıyla ilgili örnek Şekil 1’ de görülmektedir.

650 °C 600 °C 550 °C 500 °C

1 mm

Şekil 1. Takım üst yüzeyindeki sıcaklık dağılımı (19).

Bu çalışmada, kesici takımlara uygulanan kaplama katman sayısı ve kaplama malzemesinin termofiziksel özelliğine bağlı olarak kesici takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi ve yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık

dağılımının sonlu elemanlar (ANSYS) yöntemiyle belirlenmesi amaçlanmıştır.

2. Materyal ve Metod 2.1. Sonlu Elemanlar Metodu

Bu çalışmada, elde edilen takım-talaş ara yüzey sıcaklıklarının kesici takım üzerinde takım-talaş temas alanındaki sıcaklık dağılımını ve yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımlarını belirlemek için sonlu elemanlar metodu (Finite Element Analysis (FEA)) ile sıcaklık analizleri yapılmıştır. Sonlu elemanlar için ANSYS 8.0 paket programı kullanılmıştır. Termal analiz için ANSYS 8.0 Multiphysics modülü ve bu modül içerisinde var olan termal analiz kısmı kullanılmıştır. Termal analizi ve simülasyonu yapılan takım tutucu ve kesici takımın, termal analiz akış diyagramı Şekil 2’ de verilmiştir.

Malzeme özelliklerinin ve sınır şartlarının

tanımlanması Geometrik modelin

oluşturulması

Sonlu elemanlar

ağının oluşturulması Termal analiz Simülasyon

Şekil 2. Termal analiz akış diyagramı 2.2. Geometrik Model ve Sonlu Elemanlar Ağının

Oluşturulması

Takım tutucu ve kesici takımın üç boyutlu modellenmesi ANSYS’in kendi içerisinde var olan modelleme kısmında yapılmıştır (Şekil 3). Kaplamasız, tek ve çok katlı kesici takımların kullanılmış olmaları nedeniyle kesici takımlardan, kaplamasız sementit karbür takım tek katman, PVD yöntemiyle 3 µm AlTiN ve TiAlN kaplanmış takımlar alt katmanında sementit karbür katman olmak üzere, üzerine tek kat AlTiN ve TiAlN kaplama monte edilerek iki katmanlı tanıtılmıştır. CVD yöntemiyle en üst katta TiN bulunan kesici takım ise en alt katmanında sementit karbür, üst katmanlarında ise üç katman (TiC, Al2O3 TiN) kaplama monte edilerek modeli oluşturulmuştur. Modeli oluşturulan çok katmanlı TiN kaplı kesici takımın kesit görünüşü Şekil 4’ de gösterilmiştir.

Şekil 3. ANSYS’ de modellenen kesici takım ve takım tutucunun üç boyutlu görüntüsü

Şekil 4. En üstte TiN kaplı çok katlı kesici takımın oluşturulan modelinin kesit görünüşü

Takım tutucu ve kesici takımlar için katı modeller oluşturulurken eleman tipi olarak SOLID87 seçilmiştir.

Takım tutucuyu elemanlara ayırma işlemi, özellikle köşe ve kavislerin daha iyi bölünebilmesi ve düz kenarlarda gereksiz bölüntüyü azaltmak amacıyla otomatik olarak gerçekleştirilmiştir. Kesici takım ise elle, elemanın bir kenarının uzunluğu 0,5 mm olacak şekilde hacimsel tetragonal (dörtgen biçiminde) olarak bölünmüştür.

Takım tutucu 24798, kesici takım ise 6035 elemana ayrılmıştır. Takım tutucu ve kesici takımın elemanlara ayrılmış hali Şekil 5’de gösterilmiştir.

(3)

(a) (b) Şekil 5. Modellerin elemanlara ayrılmış hali a) Takım tutucu, b) Kesici takım 2.3. Takım Tutucu ve Kesici Takımın Termofiziksel Özellikleri

Takım tutucu ve kesici takımın termofiziksel özellikleri Çizelge 1’ de verilmiştir (18).

Çizelge 1. Modeli oluşturulan takım tutucu ve kesici takımların termofiziksel özellikleri Yoğunluk Özgül ısı Isı iletim katsayısı Model Malzeme özellikleri

Kg/m³ J/(kg*K) W/m*k

Takım tutucu AISI 4340 7850 419 44,5

Kaplamasız kesici takım Sementit Karbür 8300 502 38

TiAlN 7400 480 28

AlTiN 7450 480 29

TiN (Al2O3, TiC) 5220 475 27

Al2O3 5100 480 25

Kaplamalı kesici takımlar

TiC 4940 485 37

Analizlerde 0,24 mm/rev ilerleme ve üç değişik kesme hızı (50, 102, 205 m/min) sonucu elde edilen takım-talaş ara yüzey sıcaklık değerleri kullanılmıştır. Takım-iş parçası ısıl çift yöntemiyle elde edilen takım-talaş ara yüzey sıcaklığı kesici takım üzerinde sıcaklığın en yüksek olduğu noktaya (esas kesici kenardan 1~2 mm uzaklıkta) uygulanmıştır (1,21). Analiz sonrası; uygulanan sıcaklığa, kaplama malzemelerine ve takımların termofiziksel özelliklerine (yoğunluk, özgül ısı, ısı iletim katsayısı) bağlı olarak kesici takım üzerinde ise takım talaş temas alanındaki sıcaklık dağılımı ile yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı tespit edilmiştir. ANSYS ile yapılan sayısal çözümlemede kullanılan ısı kaynağı süreklidir. Ancak, bu çalışmada kullanılan sıcaklık sabit olarak düşünülmüştür.

4. Bulgular

Kesici takımlara uygulanan kaplama katman sayısı ve kaplama malzemesinin termofiziksel özelliğine bağlı olarak kesici takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi

ve yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımını tespit etmek için sonlu elemanlar yöntemiyle termal analizi yapılmıştır. Termal analizde sıcaklık olarak, AISI1015 çeliğinin dört farklı kaplama malzemesine sahip her bir kesici takım için üç farklı kesme hızı kullanımı sonucunda takım iş parçası ısıl çift yöntemiyle deneylerde elde edilen takım-talaş ara yüzey sıcaklıkları kullanılmıştır.

Kaplamasız sementit karbür kesici takım malzemesinin termofiziksel özellikleri kullanılarak yapılan termal analiz sonucunda, takım tutucu ve kesici takım üzerinde sıcaklık dağılımı Şekil 6’ da görüldüğü gibi elde edilmiştir. Diğer üç kesici takımın sıcaklık dağılımı ise kaplamasız sementit karbür kesici takımın sıcaklık dağılımı ile benzerlik göstermiştir. Kaplama katman sayısı ve kaplama malzemesinin yoğunluk, özgül ısı ile ısı iletim katsayısının sıcaklık dağılımı üzerinde etkili oldukları tespit edilmiştir.

Analiz sonrası elde edilen kesici takım üzerindeki sıcaklık dağılımının daha iyi görüntülenebilmesi için kesici takım uç bölgesinde detaylı bir çalışma yapılmıştır.

(4)

Şekil 6. Kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimumum olduğu noktaya 981 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda takım tutucu ve kesici takım üzerinde oluşan sıcaklık dağılımı (Kaplamasız sementit karbür kesici takım)

Kaplamasız kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya üç farklı kesme hızında takım iş parçası ısıl çift yöntemiyle elde edilen sıcaklık değerleri (790 ºC, 916 ºC, 981 ºC) uygulanması sonucunda takım-talaş temas ve yanak yüzeyinde elde edilen sıcaklık dağılımları Şekil 7’de, grafik olarak gösterilmiştir.

790 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı (Şekil 7a) incelendiğinde, maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 790 ºC ve esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,65 mm uzaklıkta) sıcaklık 710 ºC’ye düşmektedir. Bunun yanında maksimum sıcaklık, esas kesici kenara 0,47 mm uzaklıkta 630 ºC, 0,25 mm uzaklıkta 550 ºC esas kesici kenar üzerinde ise 470 ºC ye kadar düşmektedir.

916 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı (Şekil 7c) incelendiğinde ise, maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 916 ºC ile esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,63 mm uzaklıkta) sıcaklık 840 ºC’ye düşmektedir. Sıcaklık, esas kesici kenara 0,42 mm uzaklıkta 760 ºC, 0,21 mm uzaklıkta 680 ºC, esas kesici kenar üzerinde ise 600 ºC ye kadar düşmektedir.

Yüksek sıcaklık (981 ºC) uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerinde (Şekil 7e), düşük sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerine (Şekil 7a) göre genişleme olduğu görülmüştür. 981 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı (Şekil 7e) incelendiğinde ise maksimum sıcaklık 981 ºC ve esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,6 mm uzaklıkta) sıcaklık 880 ºC’ ye düşmektedir. Sıcaklık esas kesici kenara 0,33 mm uzaklıkta 780 ºC, 0,15 mm uzaklıkta 680 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 580 ºC ye kadar düşmektedir.

Kesici takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde kesici takımlar için kritik olan 600 ºC sıcaklık değerleri görülmüştür. Sıcaklığın 600 ºC olduğu bölgelerin kesme işlemi sırasında yığıntı talaş (YT) Built up Edge (BUE) oluşması için elverişli bölgeler olduğu söylenebilir (1,2). Diğer kaplamalı üç kesici takımlara göre yüksek sürtünme katsayısına sahip olan kaplamasız sementit karbürle düşük sıcaklığın elde edildiği düşük kesme hızında kesici takım üzerinde yığıntı talaş oluşmuştur (Şekil 8).

(5)

710-790 °C

1 mm 550-470 °C 630-710 °C 470-550 °C

a) 790 ºC sıcaklık b) 790 ºC sıcaklık

916-840 °C

1 mm 600-680 °C 680-760 °C 760-840 °C

c) 916 ºC sıcaklık d) 916 ºC sıcaklık

880-981 °C

1 mm 580-680 °C 680-780 °C 780-880 °C

e) 981 ºC sıcaklık f) 981 ºC sıcaklık

Şekil 7. Kaplamasız kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya 790, 916 ve 981 ºC sıcaklık değerleri uygulanması sonucunda takım üzerinde elde edilen sıcaklık dağılımları

(6)

Şekil 8. Düşük takım-talaş ara yüzey sıcaklığında oluşan yığıntı talaş görüntüsü

981 ºC sıcaklık uygulandığında yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı incelediğinde (Şekil 7f), en yüksek sıcaklık esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden 1,7 mm uzaklıkta (takım tutucuya doğru), 916 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 7d) esas kesici kenar üzerinden 1,6 mm uzaklıkta ve 790 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 7b) ise 1,5 mm uzaklıkta elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık uygulanması sonucunda yanak yüzeyinde elde edilen izoterm eğrilerinde (Şekil 7f), düşük sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerine (Şekil 7b) göre genişleme olduğu görülmüştür. Analiz sonrası yanak yüzey termal eğrileri esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden takım tutucuya doğru 790 ºC’ de 3,1 mm, 916 ºC 3,5mm ve 981 ºC ise 3,8 mm uzaklığa kadar uzamaktadır. Kaplamasız kesici takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi ve yanak yüzeyinde elde edilen izoterm eğrilerinde farklılık görülmüştür. İzoterm eğrilerinde farklılık görülmesinin nedeni, uygulanan sıcaklık değerinin farklı olmasına bağlanabilir.

AlTiN kaplı kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya belirli sıcaklık değerleri (886 ºC, 817 ºC, 685 ºC) uygulanması sonucunda takım-talaş temas ve yanak yüzeyinde elde edilen sıcaklık dağılımları Şekil 9’

da, grafik olarak gösterilmiştir.

AlTiN kaplı (tek kat) kesici takıma 886 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerinde (Şekil 9e), düşük sıcaklık (685 ºC) uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerine (Şekil 9a) göre genişleme olduğu görülmüştür. Fakat izoterm eğrilerinin yayıldığı alanın kaplamasız sementit karbür kesici takım kullanılarak elde edilen izoterm eğrilerine göre daha dar bölgeye yayıldığı görülmüştür. AlTiN kaplı takımla elde edilen izoterm eğrilerinin kaplamasız takımla elde edilen izoterm eğrilerine göre daha dar bölgede oluşması AlTiN kaplı kesici takımın kaplamasız kesici takıma göre (Çizelge 1) düşük yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısına sahip olmasına (özellikle ısı iletim katsayısına) bağlanabilir.

685 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 9a), maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 685 ºC ve esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,7 mm uzaklıkta) sıcaklık 605 ºC’

ye düşmektedir. Bunun yanında maksimum sıcaklık, esas kesici kenara 0,55 mm uzaklıkta 525 ºC, 0,31 mm uzaklıkta 445 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 365 ºC ye kadar düşmektedir. Kaplamalı TiAlN ve TiN kesici

takımlara göre yüksek sürtünme katsayısına sahip olan AlTiN kesici takımda düşük sıcaklığın elde edildiği düşük kesme hızında kesici takım üzerinde yığıntı talaş oluşmuştur (Şekil 10).

Şekil 10. Düşük takım-talaş ara yüzey sıcaklığında oluşan yığıntı talaş görüntüsü

817 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 9c) ise maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 817 ºC ve esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,66 mm uzaklıkta) sıcaklık 735 ºC’

ye kadar düşmektedir. Sıcaklık esas kesici kenara 0,46 mm uzaklıkta 655 ºC, 0,29 mm uzaklıkta 575 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 495 ºC ye kadar düşmektedir.

886 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 9e), ise maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 886 ºC esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,62 mm uzaklıkta) sıcaklık 805 ºC’ ye düşmektedir. Sıcaklık esas kesici kenara 0,44 mm uzaklıkta 725 ºC, 0,26 mm uzaklıkta 645 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 565 ºC ye kadar düşmektedir. Yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı incelediğinde, 886 ºC’ lik sıcaklık uygulandığında (Şekil 9f), en yüksek sıcaklık esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden 1,6 mm uzaklıkta (takım tutucuya doğru) 580 ºC, 817 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 9d) esas kesici kenar üzerinden 1,55 mm uzaklıkta 520 ºC ve 685 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 9b) ise 1,45 mm uzaklıkta 435 ºC elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık uygulanması sonucunda yanak yüzeyinde elde edilen izoterm eğrilerinde (Şekil 9f), düşük sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrilerine (Şekil 9b) göre genişleme olduğu görülmüştür. Analiz sonrası yanak yüzey termal eğrileri esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden takım tutucuya doğru 685 ºC’ de 2,9 mm, 817 ºC 3,3 mm ve 886 ºC ise 3,6 mm uzaklığa kadar uzamaktadır.

TiN kaplı kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya belirli sıcaklık değerleri (795 ºC, 699 ºC, 596 ºC) uygulanması sonucunda takım-talaş temas ve yanak yüzeyinde elde edilen sıcaklık dağılımları Şekil 11’

de grafik olarak gösterilmiştir.

(7)

1 mm 605-685 °C

525-605 °C 445-525 °C 365-445 °C

a) 685 ºC sıcaklık

b) 685 ºC sıcaklık

655-735 °C

1 mm 735-817 °C

575-655 °C 495-575 °C

1 mm 805-886 °C

725-805 °C 645-725 °C 565-645 °C

Şekil 9. AlTiN Kaplı kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya 685, 817 ve 886 ºC sıcaklık değerleri uygulanması sonucunda takım üzerinde elde edilen sıcaklık dağılımları

(8)

1 mm 465-530 °C 400-465 °C 335-400 °C

530-596 °C

a) 595 ºC sıcaklık b) 595 ºC sıcaklık

1 mm 630-699 °C

565-630 °C 500-565 °C 435-500 °C

665-790 °C 600-665 °C 535-600 °C

1 mm 790-795 °C

Şekil 11. En üstte TiN çok katlı kaplamalı kesici takım üzerinde sıcaklığın maksimum olduğu noktaya 595, 699 ve 795 ºC sıcaklık değerleri uygulanması sonucunda takım üzerinde elde edilen sıcaklık dağılımları

En üstte TiN kaplanmış çok katlı kesici takıma, 795 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda elde edilen izoterm eğrisi

(Şekil 11e), kaplamasız kesici takıma uygulanan 790 ºC sıcaklık sonucunda elde edilen izoterm eğrisine (Şekil 11a)

(9)

göre daha dar bölgeye yayıldığı görülmüştür. Aynı zamanda maksimum sıcaklığı içine alan bölgenin esas kesici kenara yakın olan eğrisinin sıcaklığı 0,66 mm uzaklıkta 730 ºC, kaplamasız kesici takımda ise esas kesici kenara 0,63 mm uzaklıkta 710 ºC sıcaklıkta olduğu tespit edilmiştir. Uygulanan sıcaklık değerleri aynı olmasına rağmen izoterm eğrileri ve sıcaklık dağılımı arasında görülen fark en üstte TiN kaplı kesici takımın kaplamasız takıma göre düşük yoğunluk, özgül ısı ve özellikle düşük ısı iletim katsayısına sahip olmasına bağlanabilir. Aynı zamanda TiN kaplı kesici takımın, kaplamasız kesici takıma göre çok katlı kaplamaya sahip olmasına da bağlanabilir.

596 ºC sıcaklık uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 11a), maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 596 ºC ve esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,68 mm uzaklıkta) sıcaklık 530 ºC’

ye düşmektedir. Bunun yanında maksimum sıcaklık, esas kesici kenara 0,47 mm uzaklıkta 465 ºC, 0,22 mm uzaklıkta 400 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 335 ºC ye kadar düşmektedir.

699 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 11c) ise maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 699 ºC esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,67 mm uzaklıkta) sıcaklık 630 ºC’ ye düşmektedir. Sıcaklık esas kesici kenara 0,42 mm uzaklıkta 565 ºC, 0,2 mm uzaklıkta 500 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 435 ºC olduğu görülmüştür..

795 ºC sıcaklık değeri uygulanması sonucunda takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde (Şekil 11e) ise maksimum sıcaklık takım-talaş temas bölgesinde 795 ºC esas kesici kenardan 1,5 mm uzaklıkta iken, kesici kenara yaklaştıkça (esas kesici kenardan 0,65 mm uzaklıkta) sıcaklık 730 ºC’ ye düşmektedir. Sıcaklık esas kesici kenara 0,4 mm uzaklıkta 665 ºC, 0,19 mm uzaklıkta 600 ºC ve esas kesici kenar üzerinde ise 535 ºC olduğu görülmüştür.

Yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı incelediğinde, 795 ºC’ lik sıcaklık uygulandığında (Şekil 11f) en yüksek sıcaklık esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden 1,55 mm uzaklıkta (takım tutucuya doğru) 510 ºC, 699 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 11d) esas kesici kenar üzerinden 1,5 mm uzaklıkta 445 ºC ve 596 ºC sıcaklık uygulandığında (Şekil 11b) ise 1,40 mm uzaklıkta 385 ºC olduğu görülmüştür. Analiz sonrası yanak yüzey termal eğrileri esas kesici kenar üzerinde burun uç radyusunden takım tutucuya doğru 596 ºC sıcaklıkta 2,5 mm, 699 ºC sıcaklıkta 2,8 mm ve 795 ºC ise 3 mm uzaklığa kadar uzamaktadır.

TiAlN kaplı kesici takımla yapılan termal analiz sonuçları AlTiN kaplı takımla elde edilen sonuçlarla benzerlik göstermiştir

5. Sonuçlar

Talaş kaldırma sırasında takım-talaş ara yüzeyinde oluşan sıcaklığın kesici takım ve takım tutucu üzerindeki sıcaklık dağılımını belirlemek için yapılan termal analiz sonucunda elde edilen önemli bulgular aşağıda verilmiştir,

• Sıcaklık dağılımı üzerinde kesici takımların termofiziksel özellikleri (yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısı) etkili olduğu tespit edilmiştir.

• Kaplamasız kesici takım üst yüzeyindeki takım- talaş temas alan bölgesi ve yanak yüzeyinde elde edilen izoterm eğrilerinde farklılık görülmüştür.

İzoterm eğrilerinde farklılık görülmesinin nedeni, uygulanan sıcaklık değerinin farklı olmasına bağlanabilir.

• Analiz sonucunda AlTiN kaplı takımla elde edilen izoterm eğrilerinin kaplamasız takımla elde edilen izoterm eğrilerine göre daha dar bölgede oluşmuştur. Bu durumun AlTiN kaplı kesici takımın kaplamasız kesici takıma göre düşük yoğunluk, özgül ısı ve ısı iletim katsayısına sahip olmasına (özellikle ısı iletim katsayısına) bağlanabilir.

• En dar bölgeli izoterm eğrileri TiN kaplı takımda elde edilmiştir. Sıcaklık dağılımı arasında görülen bu fark en üstte TiN kaplı kesici takımın diğer kesici takımlara göre düşük yoğunluk, özgül ısı ve özellikle düşük ısı iletim katsayısına sahip olmasına aynı zamanda TiN kaplı kesici takımın, çok katlı kaplamaya sahip olmasına da bağlanabilir.

• TiAlN kaplı kesici takımla yapılan termal analiz sonuçları AlTiN kaplı takımla elde edilen sonuçlarla benzerlik göstermiştir.

• Takım üst yüzeyindeki takım-talaş temas alan bölgesi sıcaklık dağılımı incelendiğinde burun radyusune ve takım tutucuya doğru gidildiğinde sıcaklıkta düşüş tespit edilmiştir.

• Yanak yüzeyindeki (serbest yüzey) sıcaklık dağılımı incelediğinde, burun uç radyusunden takım tutucuya doğru gidildiğinde sıcaklıkta düşüş tespit edilmiştir.

Kaynaklar

[1] Modern Metal Cutting, Practical Handbook, Sandvik, 1994.

[2] Şeker, U., Takım Tasarımı Ders Notları 1997.

[3] Duran, A. and M. Nalbant. Finite element analysis of bending occurring while cutting with high speed steel lathe cutting tools. Material and Design 26(6):549-554, 2005.

[4] Gökkaya, H. Şeker, U. İzciler, M., Takım Talaş Arayüzey Sıcaklığının Ölçülmesi İçin Yapılmış Deneysel Çalışmalar Üzerine Bir Değerlendirme, Makine Tasarım ve İmalat Teknolojileri Kongresi, Matit 2001, s 91-94, Konya, 2001.

[5] Chow, J.G. Wright, P.K., On-line Estimation of Tool Chip Interface Temperature For a Turning Operation, Trans. ASME. J. Eng. Ind. 110, pp. 56-64, 1998.

[6] Shaw, M.C., Metal Cutting Principles, Oxford University Press, London, ISBN 0-19-859002-4. pp.

594, (1984).

(10)

[7] Stephenson, D.A., Tool-Work Thermocouple Temperature Measurements Theory and Implementation Issues, Trans. ASME J. Eng. Ind., Vol.

115, pp. 432-437, 1993.

[8] Loewen, E.G. Shaw,M.C., On The Analysis of Cutting Tool Temperatures, Trans. ASME 76, pp. 217-221, (1954).

[9] Stephenson, D.A., Assessment of Steady-State Metal Cutting Temperature Models Based on Simultaneous Infrared and Thermocouple Data, Trans.ASME, J.

Eng. Ind., 113, pp. 121-128, 1991.

[10] Lo Casto, S. Lo Valvo, E. Piacentini, M. Rusis, V. F., Metodo Perla Determinazione di Taglio All Interno di Utensili in Materiale Ceramico, Metall, Ital, 85 (12), pp.

751-755, 1993.

[11] Tay, A.O. Stevenson, M.G. Vahl Davis, G., Using the Finite Element Method to Determinite Temperature Distribution in Orthogonal Machining, Proc. Inst. Mech.

Eng. 188, pp 627-638, 1974.

[12] Muraka, P.D. Barrow, G. Hinduja, S., Influence of the Process Variables on the Temperature Distribution in Orthogonal Machining Using the Finite Element Method, Int. J. Mech. Sci 21, pp.445-456, 1979.

[13] Stevenson, M.G. Wright,P.K. Chow, J.G., Further Developments in Applying the Element Method to the Calculation of Experiment, Trans. ASME.J. Eng. Ind.

106, pp. 149-154, 1983.

[14] Dawson, P.R. Malkin, S., Inclined Moving Head Source Model For Calculation Metal Cutting Temperatures, Trans. ASME. J. Eng. Ind. 106, pp.

179-186, 1988.

[15] Ber, A. Goldbllat, M., The Influence of Temperature Gradient on Cutting Tool’s Life, Ann. of CIRP 38, pp.

69-73, 1989.

[16] Obikawa, T. Usyi, E., Computational Machining of Titanium Alloy-Finite Element Modelling and a Few Results, Trans. ASME. J. Manuf. Sci. Eng. 118, pp.

208-215, 1996.

[17] Chan, C.L. Chandra, A., A Boundary Element Method Analysis of the Thermal Aspects of Metal Cutting Processes, ASME. J. Eng. Ind. 113. pp. 311-319, 1991.

[18] Gökkaya, H., Takım-talaş ara yüzey sıcaklığının ısıl çift yöntemiyle ölçülmesi ve kesici takım ile takım tutucu üzerindeki etkilerinin sonlu elemanlarla incelenmesi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Ankara, 2004.

[19] Wen-Chou Chen and Chung–Chen Tsao, Determination of Temperature Distribution on the Rake Face of Cutting Tools Using a Remote Method, Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol 24, no:2 pp.161- 170, 1997.

[20] Usui, E. Shirakashi, T. Kitagawa, T., Analytical Prediction of Tree Dimensional Cutting Process, part 3: Cutting Temperature and Creater Wear of Carbide Tool, Trans. ASME. J. Eng. Ind. 100, pp. 236-243.

1978.

[21] Akkurt, A., Talaş Kaldırma Yöntemleri ve Takım Tezgahları, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1996.