Investigation, prediction, and optimization of residual stresses induced by cutting parameters during machining of hot forged aluminum alloy
Alüminyum alaşımlı dövme parçaların talaşlı imalat operasyonlarında kesme parametrelerinin kalıntı gerilmeye etkisinin, analizi, tahmini ve iyileştirme çalışmaları
- Tez No: 1011484
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL, DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TANER KUZU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Kalıntı gerilmeleri, Sıcak dövme, Residual stresses, Hot forging
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Talaşlı imalat operasyonları sırasında oluşan kalıntı gerilmeler, mühendislik bileşenlerinin yüzey bütünlüğü, boyutsal kararlılığı, yorulma ömrü ve servis performansı üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Özellikle yüksek dayanım/ağırlık oranı nedeniyle havacılık ve otomotiv sektörlerinde yaygın olarak kullanılan çökelme sertleşmeli alüminyum alaşımları, talaşlı imalat sırasında oluşan termo-mekanik yüklere karşı yüksek hassasiyet göstermektedir. Bu alaşımlar arasında yer alan AA7075-T6, yüksek mekanik dayanımıyla öne çıkmakla birlikte, talaşlı imalat süreçlerinde oluşan sıcaklık artışları ve plastik deformasyon nedeniyle istenmeyen çekme yönlü kalıntı gerilmelerine yatkın bir yapı sergilemektedir. Bu durum, parça performansında düşüşe, geometrik bozulmalara, çatlak başlama eğiliminin artmasına ve servis ömründe azalmaya neden olabilmektedir. Bu nedenle talaşlı imalat kaynaklı kalıntı gerilmelerin oluşum mekanizmalarının anlaşılması ve kontrol altına alınması, hem akademik çalışmalar hem de endüstriyel uygulamalar açısından büyük önem taşımaktadır. Literatürde talaşlı imalat kaynaklı kalıntı gerilmelerin oluşumu üzerine çok sayıda deneysel ve sayısal çalışma bulunmasına rağmen, bu çalışmaların önemli bir kısmı tek bir talaşlı imalat operasyonuna odaklanmakta veya endüstriyel gerçeklikten uzak, basit geometrili numuneler üzerinden yürütülmektedir. Oysa gerçek üretim koşullarında, özellikle otomotiv ve havacılık endüstrilerinde kullanılan yüksek dayanımlı alüminyum alaşımlı parçalar genellikle sıcak dövme ve ısıl işlem gibi ön üretim süreçlerinden geçmekte ve ardından birden fazla talaşlı imalat operasyonu ile nihai geometrilerine ulaşmaktadır. Bu çok aşamalı üretim zinciri, malzeme içerisinde karmaşık bir gerilme geçmişi oluşturmakta ve nihai yüzeyde ölçülen kalıntı gerilmelerin yalnızca talaşlı imalat operasyonlarıyla değil, önceki üretim adımlarıyla da etkileşimli olarak şekillenmesine neden olmaktadır. Bu bağlamda, sıcak dövme ve T6 ısıl işlem uygulanmış AA7075 alaşımlı parçalar üzerinde tornalama, frezeleme ve delik delme operasyonlarının birlikte ve bütüncül bir yaklaşımla ele alındığı kapsamlı çalışmalar literatürde sınırlı kalmaktadır. Bu doktora tezinin temel amacı, sıcak dövme ve T6 ısıl işlem uygulanmış AA7075 alüminyum alaşımlı parçaların talaşlı imalat operasyonlarında kullanılan kesme parametrelerinin kalıntı gerilme oluşumu üzerindeki etkilerini analiz etmek, tahmin etmek ve iyileştirmeye yönelik bilimsel ve endüstriyel çıkarımlar ortaya koymaktır. Bu kapsamda tez çalışması, tornalama, frezeleme ve delik delme operasyonlarını bütünleşik bir bakış açısıyla ele alarak, farklı talaşlı imalat süreçlerinde kalıntı gerilme oluşumunun ortak ve ayrışan mekanizmalarını ortaya koymayı hedeflemektedir. Tez boyunca deneysel çalışmalar, istatistiksel analizler, regresyon tabanlı tahmin modelleri ve enerji temelli yorumlama yaklaşımları birlikte kullanılarak, kalıntı gerilme oluşumuna dair kapsamlı bir değerlendirme sunulmuştur. Tez kapsamında gerçekleştirilen tüm deneysel çalışmalar, endüstriyel uygulamaları temsil edecek şekilde seçilmiş kesme parametreleri kullanılarak ve kuru kesme koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Talaş kaldırma sırasında oluşan kesme kuvvetleri ve momentler çok bileşenli bir dinamometre yardımıyla ölçülmüş ve böylece talaşlı imalat sürecindeki mekanik yüklenmeler nicel olarak ortaya konmuştur. Talaşlı imalat sonrası yüzeylerde oluşan kalıntı gerilmeler ise tahribatsız bir yöntem olan X-ışını kırınımı (XRD) tekniği kullanılarak ölçülmüştür. Bu yöntem, yüzey ve yüzey altı bölgelerde oluşan gerilme durumunun malzeme yapısı bozulmadan güvenilir bir şekilde değerlendirilmesini sağlamıştır. Deneysel çalışmalar boyunca ölçüm tekrarlanabilirliği ve süreç kararlılığı gözetilerek, farklı talaşlı imalat operasyonlarının karşılaştırılmasına olanak sağlayan tutarlı bir veri seti elde edilmiştir. Tezin ilk aşamasında, sıcak dövme ve T6 ısıl işlem uygulanmış AA7075 alaşımlı parçalar üzerinde yüzey tornalama ve çevresel tornalama operasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kesme hızı, ilerleme miktarı ve talaş derinliği gibi temel kesme parametrelerinin kalıntı gerilme oluşumu üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar, kalıntı gerilme oluşumunun mekanik deformasyon ve termal yüklenme arasındaki denge tarafından belirlendiğini açıkça göstermiştir. Termal etkilerin baskın olduğu kesme koşullarında yüzeyde çekme yönlü kalıntı gerilmelerinin oluştuğu, mekanik etkilerin baskın olduğu durumlarda ise basma yönlü kalıntı gerilmelerinin hâkim olduğu gözlemlenmiştir. Tornalama operasyonlarında kesme hızının, kalıntı gerilmenin büyüklüğü ve işareti üzerinde en etkili parametre olduğu belirlenmiş ve bu etkinin özellikle yüzey bütünlüğü ve parça performansı açısından kritik olduğu ortaya konmuştur. Tezin ikinci aşamasında frezeleme operasyonları ele alınmış ve kesme parametrelerinin hem kalıntı gerilme hem de yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda Taguchi deney tasarımı ve tam faktöriyel deneysel yaklaşımlar kullanılarak, kesme hızı, ilerleme miktarı ve talaş derinliğinin etkileri sistematik olarak değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar, yüzey pürüzlülüğü üzerinde en baskın parametrenin ilerleme miktarı olduğunu, kalıntı gerilme üzerinde ise kesme hızının belirleyici bir rol oynadığını göstermiştir. Ayrıca deneysel veriler kullanılarak kalıntı gerilme ve yüzey pürüzlülüğünün tahmin edilmesine yönelik regresyon tabanlı modeller geliştirilmiştir. Bu modeller arasında Destek Vektör Regresyonu (SVR) yöntemi, Lasso ve Ridge regresyon yöntemlerine kıyasla daha yüksek tahmin doğruluğu sergilemiş ve sınırlı sayıda deney ile talaşlı imalat süreçlerinin optimize edilebileceğini ortaya koymuştur. Tezin üçüncü aşamasında delik delme operasyonları ayrıntılı olarak incelenmiş ve eksenel kuvvet, moment, aktif iş ve eksenel kalıntı gerilme arasındaki ilişkiler değerlendirilmiştir. Kalıntı gerilme ölçümleri, deliğin giriş ve çıkış bölgelerinde ayrı ayrı gerçekleştirilerek, delik boyunca oluşan gerilme dağılımı detaylı şekilde analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, ilerleme miktarının delik delme sırasında oluşan mekanik yükler ve kalıntı gerilme üzerinde baskın bir etkiye sahip olduğunu, devir sayısının ise daha çok termal ve sürtünmeye bağlı etkileri kontrol ettiğini göstermiştir. Ayrıca deliğin çıkış bölgesinde, kırılma (breakthrough) mekanizmasına bağlı olarak daha belirgin bir gerilme gevşemesi ve asimetrik bir kalıntı gerilme dağılımı oluştuğu tespit edilmiştir. Delik delme çalışmasının özgün katkılarından biri, aktif iş kavramı kullanılarak enerji tabanlı bir yorumlama yaklaşımının geliştirilmesidir. Talaşlı imalat sırasında harcanan toplam mekanik enerjinin aktif iş üzerinden ifade edilmesi, kalıntı gerilme oluşumunun termo-mekanik kökenini fiziksel olarak anlamlandırmayı mümkün kılmıştır. Aktif iş ile ölçülen eksenel kalıntı gerilmeler arasında güçlü bir ilişki olduğu ortaya konmuş ve bu ilişkinin, farklı talaşlı imalat operasyonları için genellenebilir bir yaklaşım sunduğu gösterilmiştir. Bu enerji temelli bakış açısı, kesme parametrelerinin kalıntı gerilme üzerindeki etkilerinin yalnızca geometrik veya deneysel sonuçlar üzerinden değil, fiziksel mekanizmalar üzerinden de yorumlanabilmesini sağlamıştır. Sonuç olarak bu doktora tezi, sıcak dövme ve T6 ısıl işlem uygulanmış AA7075 alüminyum alaşımlı parçaların tornalama, frezeleme ve delik delme operasyonlarında kalıntı gerilme oluşumunu bütüncül bir bakış açısıyla ele almaktadır. Deneysel ölçümler, istatistiksel analizler, tahmin modelleri ve enerji tabanlı yaklaşımlar bir arada kullanılarak, kalıntı gerilme oluşum mekanizmalarına dair derinlemesine bir anlayış geliştirilmiştir. Elde edilen bulgular, talaşlı imalat süreçlerinde uygun kesme parametrelerinin seçilmesiyle kalıntı gerilme durumunun etkin bir şekilde kontrol edilebileceğini ve yüzey bütünlüğünün iyileştirilebileceğini göstermektedir. Bu çalışma, akademik literatüre özgün katkılar sunmasının yanı sıra, endüstriyel uygulamalarda üretim kalitesinin artırılmasına ve süreç optimizasyonuna yönelik yol gösterici sonuçlar ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Residual stresses generated during machining operations play a decisive role in determining the surface integrity, dimensional stability, fatigue performance, and service life of engineering components. This effect is particularly critical in high-strength, precipitation-hardened aluminum alloys such as AA7075-T6, which are extensively used in aerospace and automotive applications due to their superior strength-to-weight ratio. The thermo-mechanical loads imposed during machining processes may lead to undesirable tensile residual stresses, surface distortion, and premature failure if not properly controlled. Although machining-induced residual stresses have been widely investigated, existing studies predominantly focus on individual machining operations or simplified geometries, and a unified understanding covering multiple machining processes applied to industrially relevant hot-forged components remains limited. This doctoral thesis aims to analyze, predict, and optimize the effects of cutting parameters on residual stress formation in hot-forged and T6 heat-treated AA7075 aluminum alloy components. The research addresses turning, milling, and drilling operations in an integrated manner in order to establish a comprehensive understanding of residual stress evolution under different machining conditions. The thesis combines systematic experimental investigations with statistical analysis, predictive modeling, and energy-based interpretation to provide both fundamental insight and practical guidelines for industrial applications. All experimental studies were conducted under dry cutting conditions using cutting parameters representative of industrial practice. Machining forces and torque were measured using a multi-component dynamometer to characterize the mechanical loading during material removal. Residual stresses induced on the machined surfaces were determined non-destructively by X-ray diffraction (XRD), enabling reliable evaluation of near-surface stress states without altering the material condition. The experimental methodology ensured repeatability and consistency across all machining operations, allowing meaningful comparison between turning, milling, and drilling processes. In the turning study, both face turning and circumferential turning operations were investigated to evaluate the influence of cutting speed, feed rate, and depth of cut on residual stress formation. The results revealed that residual stress evolution is governed by the balance between mechanical deformation and thermal loading. When thermal effects dominated the cutting process, tensile residual stresses developed on the machined surface, whereas mechanically dominated conditions promoted compressive stress states. Among the examined parameters, cutting speed was identified as the most influential factor affecting residual stress magnitude and sign in turning operations. In the milling study, the combined effects of cutting parameters on residual stress and surface roughness were examined using Taguchi and full-factorial experimental designs. The results demonstrated that feed rate was the dominant parameter controlling surface roughness, while cutting speed played a critical role in regulating residual stress magnitude. To enable predictive capability and reduce experimental cost, regression-based modeling approaches were employed. Support Vector Regression (SVR) models provided higher prediction accuracy for residual stress and surface roughness compared to Lasso and Ridge regression models, demonstrating the effectiveness of machine learning techniques for machining optimization with limited experimental datasets. In the drilling study, the formation mechanisms of thrust force, torque, active work, and axial residual stress were systematically analyzed. Residual stresses were evaluated at two distinct locations along the hole depth, namely the hole entrance and the hole exit, in order to capture the effects of cyclic tool engagement and breakthrough mechanics. The results indicated that feed rate was the dominant parameter influencing thrust force, torque, and residual stress formation, while spindle speed primarily affected thermal and frictional conditions in the cutting zone. A pronounced asymmetry in residual stress distribution was observed between the entrance and exit regions, with the hole exit exhibiting enhanced stress relaxation behavior due to breakthrough-induced instability. An explicit energy-based framework was introduced by correlating active work with axial residual stress evolution, providing a physically meaningful interpretation of drilling-induced residual stress formation. Overall, this thesis establishes a unified thermo-mechanical and energy-based framework for interpreting machining-induced residual stresses in hot-forged AA7075-T6 aluminum alloy components across turning, milling, and drilling operations. The findings contribute to a deeper understanding of residual stress formation mechanisms and provide practical guidance for selecting cutting parameters to control residual stress states, enhance surface integrity, and improve component performance in industrial manufacturing applications.
Benzer Tezler
- Kompakt grafitli dökme demirde frezeleme işlemi sonrası kalıntı gerilmelerin incelenmesi ve kesme parametreleri için süreç optimizasyonu
Investigation of residual stresses induced by milling in compacted graphite iron and process optimization for cutting parameters
MEHMET EMRE KARA
Doktora
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Predictive modeling and multi-objective optimization of machining-induced residual stresses: İnvestigation of machining parameter effects
Talaşlı imalat ile oluşan kalıntı gerilimlerin tahminsel modellemesi ve çok hedefli optimizasyonu: İşleme parametrelerinin etkisinin incelenmesi
DURUL ULUTAN
Doktora
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiRutgers, The State Unıversıty Of New Jersey-New Brunswıck CampusEndüstri ve Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞRUL ÖZEL
- Numerical and experimental investigation of fatigue life in deep drawn parts
Derin çekme parça ömürlerinin numerik ve deneysel olarak incelenmesi
OĞUZ AYTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF.DR. ERES SÖYLEMEZ
PROF.DR. METİN ERSOY
- Soğuk çekilmiş elektrolitik bakır tellerin yeniden kristallenme kinetiğinin incelenmesi
Investigation of recrystallization kinetics of cold drawn electrolytic copper wires
JABER RAOUGUI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YILDIZ
- Sürtünme karıştırma kaynağının ısıl modellemesi için 2.5 boyutlu sonlu farklar yönteminin geliştirilmesi: Alüminyum-bakır örneği
Development of 2.5-dimensional finite difference method for thermal modeling of friction stir welding: An aluminum-copper case study
MURAT FİLİZOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT VURAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ POYRAZ AYDINER