Deney tasarımı yöntemlerinin karşılaştırmalı kullanımı ile sert seramik kaplı matkap uçlarının performans değerlendirmesi ve optimizasyonu

Comparative analysis of design of experiment techniques on the performance evaluation and optimization of hard ceramic coated driil bits

Tez No: 143067
Yazar: METİN SAVAŞKAN
Danışmanlar: PROF. DR. YILMAZ TAPTIK
Tez Türü: Doktora
Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2003
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 277

Özet

Doktora çalışması çerçevesinde hedeflenen, deney tasannu tekniklerinin bir mühendislik çalışmasına getirdiği avantajların karşılaştırmalı olarak ortaya konulmasıdır. Bu yaklaşımın detayları, son yıllarda talaşlı imalat alanında en yeni ve anlamlı gelişme olan ince sert seramik kaplamalı matkap uçlarının işletme şartları altında performans optimizasyonu örneğinde ele alınarak incelenmiştir. Böylelikle talaşlı imalatta önemli işleme şartlarının bir arada optimize edilmesi ile daha uzun takım ömürlerine ulaşılması mümkün kılınırken, bu optimizasyon için gerekli deney sayısı da büyük oranda azaltılabilmiştir. Son yıllarda geliştirilen ince sert seramik kaplı kesici takımların talaşlı imalatta kullanımı ile gerek takım performansında, gerekse işlenen parça kalitesinde önemli gelişmeler sağlanmıştır. Bu kapsamda ince sert seramik kaplamalar içinde önemli örneklerden olan TiAlN ve TİN kaplamalı matkap uçları, kaplamasız uçlarla kıyaslandığında önemli avantajlar sunmaktadır. Doğru matkap ucunun seçiminin yanı sıra, proses parametrelerinin de doğru seçilmesi maksimum performansın yakalanmasında önemlidir. Hedeflenen optimum noktaya, yani maksimum takım ömrüne ulaşabilmek için endüstriyel ortamdan en önemli faktörler olan kaplama türü, kesme hızı ve ilerleme hızının etkilerinin incelenmesi ve tüm bu faktörlerin en uygun kombinasyonunun belirlenmesi gerekir. En uzun takım ömrü ile beraber en kaliteli parça özelliklerinin elde edilmesine etki edebilecek olan matkap geometrisi gibi diğer faktörler ise çoğunlukla üretim şartlan dolayısı ile değiştirilemez şekilde sabitlenmiştir. Örnek vermek gerekirse matkap ucunun çapı ve genel geometrisi işlenen parçanın geometrik özellikleri ile belirlenmiştir. Optimizasyon amacıyla incelenen bu üç faktör teker teker ele alındığında kaplama türü karşımıza en önemli etkiyi yaratan özellik olarak çıkmaktadır. Uzun yıllardan beri kullanılan yüksek hız çeliklerinden yapılan matkap uçları yüksek ısılara göreceli olarak dayanıklılıkları, mekanik özellikleri ve ulaşabildikleri kesme ve ilerleme hızlan ile tartışmasız vazgeçilmez takım uçları malzemesi olmuşlardır. Ancak özellikle kaplama teknolojisindeki gelişmelerle (fiziksel buhar biriktirme ve kimyasal buhar biriktirme teknolojileri) ince sert seramik kaplamaların taban malzemenin tokluk ve sertlik özelliklerini bozmadan uygulanabilmeleri ile kesici takımlarda yeni bir çığır açılmıştır. İnce sert seramik kaplamaların sertlik, kimyasal ve fiziksel dayanıklılık, ısı ve kimyasal dayanıklılıkları ile yüksek hız çeliğinden taban malzemelerin tokluk özellikleri bir arada sağlanabilmiş ve takım ömrü artarken, daha yüksek kesme ve ilerleme hızlarına ulaşılabilmiştir. Tüm bu avantajlara ilaveten işlenen parçaların kalitesi de artmış, en başta yüzey pürüzlülüğünde çok daha iyi değerler elde edilmiştir. Kesme ve ilerleme hızlarındaki artış özellikle işleme maliyetlerinin düşmesinde ve daha hızlı üretimgerçekleştirilmesinde önemli avantajlar sağlamıştır. Metal işleme proseslerinde kesme hızı ve ilerleme hızının artırılması getirdiği avantajlarla beraber genel olarak kesici takımlardaki takım ömrünü önemli ölçüde azaltmaktadır. Artan hızlarda üretim yapılması aşınma olgusunun teknik açıdan daha da karmaşık hale gelmesi demektir. Artan hızlar ile tüm aşınma özellikleri değişmekte ve farklı aşınma etkenleri devreye girmektedir. Bu farklı aşınma etkileri dolayısı ile faktörlerin etkilerinin teker teker değerlendirilmesi anlamım yitirmekte, sistemin davranışının incelenebilmesi için tüm faktörlerin etkilerinin bir arada değerlendirilmesi gerekmektedir. Prosesi etkileyerek aşınma değerini ve takım ömrünü değiştiren, sistem üzerinde etkili her bir faktörün sistemin performansı üzerindeki farklı derecelerde etkilerinin olduğu gibi, bu faktörlerin birbirleri aralarındaki etkileşimlerinin de değerlendirme yapılırken göz önüne alınması gerekmektedir. Faktörler arasındaki etkileşimlerin de göz önüne alınması gerekliliği ile kastedilen, incelenen proses için örnek olarak, kaplamasız matkap uçları için kesme hızının etkisinin, kaplamalı bir matkap ucu için olan etkiden farklı olabileceğidir. Veya aynı şekilde ilerleme hızının etkisi de farklı kesme hızlarında değişik şekilde görülebilir. Faktörlerin etkilerini doğru şekilde değerlendirebilmek için faktörlerin bu farklı seviyelerinde deneyler yapılmış ve sonuçlan değerlendirilerek optimum performansı yakalamak için gerekli seviyeler bulunmuştur. Bu optimizasyon hedefinin yanı sıra doktora çalışmasının en önemli özelliği ve ağırlıklı olarak yoğunlaştığı konu, yapılacak olan deneylerin gerçekleştirilmesi için gerekli zaman ve diğer maliyetleri minimuma indirmek ve sonuçların analizini en verimli şekilde gerçekleştirmektir. Bunun için deney taşanım metodu ve buna bağlı istatistiksel analiz yöntemlerinden faydalanılmıştır ve performans değerlendirmesi ve optimizasyon için kesme kuvvetleri kriter olarak alınmış ve değerlendirilmişlerdir. Deney tasannu, gerekli deneyleri gerçekleştirmeden önce planlama safhası için sistematik bir yaklaşım getirerek çeşitli deney tasannu metodlarından birinin kullanılmasına dayanmaktadır. Bu amaçla öncelikle delme prosesini etkileyen tüm faktörler beyin fırtınası uygulanarak ve şimdiye kadar yapılmış olan çalışmalar değerlendirilerek ortaya konmuştur. Yukarıda belirtilen yaklaşımla incelenecek faktörler seçildikten sonra bu faktörlerin araştırılacak seviyeleri belirlenmiştir. Bu aşamada şimdiye kadar mevcut olan çalışmalar ve onların sonuçlarından, üretici ve kullanıcı firmaların tavsiye ve deneyimlerinden ve endüstriyel standartlardan faydalanılmıştır. Böylece kaplama türü için kaplamasız uçlar, TiAlN kaplamalı ve TİN kaplamalı uçlar olmak üzere 3 seviye belirlenmiştir. İlerleme hızı için 134 ila 194 mm/dak. arasının, kesme hızı için ise 25 ila 45 m/dak. aralığının araştırılması hedeflenmiştir. Faktörlerin bu seviyeler içindeki etkilerinin sadece doğrusal olması beklenmediği için minimum ve maksimum değerlerde deney yapılması yeterli olmayacaktır. Bu nedenle hem en az sayıda kaynak kullanılması, hem de uygulanacak olan deney tasarım yöntemlerinin gereklilikleri de göz önüne alınması amacıyla ilerleme ve kesme hızlan için de üçer seviye kullanılması uygun görülmüştür. Üçer seviyeli üç faktör için toplam deney kombinasyonu sayısı 27'dir. Yani tüm faktörlerin ana etkilerinin ve aralarındaki etkileşimlerinin değerlendirilebilmesi için 33 = 27 deney yapılması gerekmektedir. Bu yaklaşım, tüm kombinasyonlar denendiğiiçin Tam Faktöriyel Deney Tasarımı olarak adlandırılmaktadır. Ancak Tam Faktöriyel Deney Tasarımı yaklaşımında deney sayısı faktör sayısı ile beraber hızla arttığı için maliyet de aynı hızla artmaktadır. Bu sebeple daha az sayıda deney gerçekleştirerek optimizasyon probleminin çözümü için modern deney tasannu yöntemlerinden yararlanılmış ve Taguchi Deney Tasannu ve Cevap Yüzeyi Metodu kullanılmıştır. Bu değişik deney tasannu yaklaşımlarının birbirleri arasında analiz ve yorumlamadaki farklar da birbirleri ile karşılaştırılarak her birinin sağladıkları avantaj ve dezavantajlar değerlendirilmiştir. Doktora çalışmasının en önemli hedefi belirtildiği gibi bu modern deney tasannu yöntemlerinin getirdikleri avantajları ortaya koymaktır. Bunun için Tam Faktöriyel Deney Tasannu yaklaşımında gereken 27 deney sayışma karşılık 9 deney gerektiren Taguchi L9 tasarımı, 16 deney gerektiren Box Behnken Deney Tasannu (4 merkez noktası ile) ve yine 16 deney gerektiren Yüzey Merkezli Merkezi Kompozit Deney Tasannu (2 merkez noktası ile) metodları değerlendirilmiştir. Bu amaçla öncelikle tüm deney kombinasyonlarında deneyler gerçekleştirilerek Tam Faktöriyel Deney Tasannu için gereken 27 deney sonucu elde edilmiştir. Her deney istatistiksel olarak güvenilirliği sağlamak amacıyla 10'ar kere tekrarlanmıştır. Daha sonra ise Taguchi L9 Deney Tasannu, Box Behnken ve Yüzey Merkezli Merkezi Kompozit Deney Tasarımlan için gerekli deney sonuçlan bu 27 deney sonucu arasından seçilmiştir. Böylece dört ayrı yaklaşım için deney sonuçlan incelenmiş ve her biri arasındaki farklılıklar değerlendirilmiştir. Deneyler için gerekli kaplamasız takımlar (DİN 338, 605 Profil HSS-E) yerli bir kesici takım üreticisi firmadan temin edilmiş ve kaplamalar yerli bir firmaya yaptırılmıştır. Kaplamasız takımlar yüksek hız çeliğinden olup, kaplamalar fiziksel buhar biriktirme metodu ile yapılmıştır. Delme işleminin gerçekleştirildiği taban malzeme (1.2312, 40CrMnMoS8-6) yurt dışından temin edilmiş olup, tüm deneylerde aynı malzeme kullanılarak sonuçlan etkileyecek bu faktör böylece sabit tutulmuştur. Delik delme işlemleri ise modern bir CNC tezgahta gerçekleştirilmiştir. Doktora çalışmasının bir diğer özgün yaklaşımı ise matkap uçlarının performansının değerlendirilmesinde kesme kuvvetlerinin kullanılması olmuştur. Optimizasyon yaklaşımında ulaşılmak istenen asıl hedef maksimum takam ömrünü sağlayacak kombinasyonun bulunmasıdır. Takım ömrünün belirlenmesinde yaygın yaklaşım ise aşınma değerinin değerlendirilmesi olmuştur. Ancak bunun için yapılması gereken deney sayısı her matkap ucu için kritik aşınma değerine ulaşılacak olan deney sayısıdır. Halbuki kesme kuvvetinin değerlendirilmesi ile delinecek ilk delikte takım ömrü hakkında bir yorum yapılması mümkün olmakta ve farklı matkap uçları ve farklı deney parametreleri için karşılaştırma yapılabilmektedir. Bu amaçla bir dinamometre yardımı ile kesme kuvvetleri ve kesme momenti kaydedilmiş, bu değerler içerisinden Fz kesme kuvveti değeri optimizasyon hedefine ulaşmak için kullanılmıştır ve en düşük kesme kuvvetinin elde edilerek en uzun takım ömrüne ulaşılması amaçlanmıştır. Deney sonuçlarının analizi ve gerek faktörlerin ana etkilerinin, gerekse faktörler arası etkileşimin belirlenmesinde varyans analizi, sinyal/gürültü oram ve regresyon analizi kullanılmıştır. Tam Faktöriyel Deney Tasarımına göre yapılan analizler elde edilen deney sonuçlan içinden en düşük kesme kuvvetini veren deneyin seçilmesine ve deney sonuçlarının birleştirilerek üç boyutlu grafik haline getirilmesinedayanmaktadır. Taguchi Deney Tasarımında sonuçların değerlendirilmesi için varyans analizi tablosu ve her faktör için oluşturulan sinyal/gürültü oranı grafikleri ile F -testi değerleri kullanılmıştır. Cevap Yüzeyi metoduna dayanan Box Behnken ve Yüzey Merkezli Merkezi Kompozit Tasarımlarda ise regresyon analizi yardımı ile çıktı değeri olan kesme kuvveti Fz ile faktörler arasındaki bağlantı bir formül haline getirilebilmiş ve gerek çeşitli istatistiksel değerler ile (korelasyon katsayıları, F -testi değerleri vs.), gerekse üç boyutlu cevap yüzeyi grafikleri ile sonuçların değerlendirilmesi yapılmıştır. İstatistiksel değerler incelenirken sonuçların %95 güvenilirlik seviyesinde olmasına dikkat edilmiş, regresyon analizi ile elde edilen formüllerde en uygun korelasyon seviyesine ulaşılarak R?dii2emmis değerinin en yüksek değerde olması sağlanmıştır. Tüm bu çalışmalar sonucunda değişik yaklaşımlarla da olsa birbirine yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçların kıyaslanması göstermiştir ki deney tasarım metodlarının uygulanması deney sayışım azaltarak zaman ve maliyetlerden yana avantaj sağlarken, deney sonuçlarının da daha iyi yorumlanmasını mümkün kılmaktadırlar. Optimizasyon problemlerinde bu sayede daha hızlı ve daha verimli şekilde sonuca ulaşılabilmektedir. Deney tasarımı yöntemleri arasındaki karşılaştırmada ise prosesin özelliklerine göre uygun metodun seçilmesi önemli olmakla beraber sonuç olarak Taguchi Deney Tasarımı minimum deney sayısı ile yorum yapabilmeyi sağlayan metot olarak kendini göstermiştir. Diğer metodlarda elde edilen bilgi nicel olarak daha çok olmakla beraber deney sayısında kayda değer artışlar söz konusu olmaktadır. Deney tasannu metodlarının uygulanmasının bir diğer avantajı da verilerin istatistiksel olarak güvenilir olmaları ve hata kaynaklarının kontrol altına alınarak yol açtıkları yorumlama hatalarının azaltılmasıdır. Sistem içerisinde incelenen her faktörü teker teker ele aldığımızda kaplama türü faktörü içinde açık şekilde TiAIN kaplamalar üstün bir performans sergilerken, TİN kaplamalar ikinci sırada yer almışlar; kaplamasız uçlar ise en düşük performansı göstermişlerdir. Kesme hızı söz konusu olduğunda da sonuç tüm deney tasarım yöntemleri için eşit olmuş, kesme hızı arttıkça kesme kuvvetinin de orantılı olarak arttığı yani takım ömrünün düştüğü gözükmüştür. Böylece 25 m/dak. ile en düşük kesme hızında en uzun takım ömrünün söz konusu olacağı belirlenmiştir. İlerleme hızı ise karşımıza kesme kuvveti üzerinde etkisi daha karmaşık bir faktör olarak çıkmış ve deney tasarım yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarını bu faktörün etkisini incelerken açıkça görebilmek mümkün olmuştur. İlerleme hızı diğer iki faktörden farklı olarak incelenen 134 - 194 mm/dak.'lık bölgede minimum değer olan 134 mm/dak.'lık seviyesinden artışıyla beraber önce kesme kuvvetinde bir düşüşe sebep olmakta, ancak 170 mm/dak. değeri civarında bir optimum noktaya (en düşük kesme kuvveti değerine) ulaştıktan sonra kesme kuvveti tekrar artmaktadır. Tam Faktöriyel Deney Tasarımı sonuçlarına göre yapılan analizler böyle bir optimum noktayı tespit edememektedir. Bu yaklaşımda optimum noktanın söz konusu olduğu 25 m/dak. Tık kesme hızı bölgesinde ilerleme hızı için en düşük değerden en yüksek değere kadar kesme kuvvetinde sürekli bir düşüş gözükmektedir. Bunun sonucu olarak da 194 mm/dak. Tık ilerleme hızı en uygun değer olarak karşımıza çıkmaktadır. Halbuki diğer kesme hızlarında, ilerleme hızına bağlı olarak kesme kuvvetinin değişimi daha ayrıntılı şekilde ortaya konulabilmektedir. Taguchi Deney Tasarımı yöntemi öncelikle belirtmek gerekir ki Tam Faktöriyel Deney Tasarımının sadece üçte biri sayıda deney ile sonuçlan doğru şekildeyansıtmayı başarmaktadır. Taguchi Deney Tasarımı ile sinyal/gürültü oranlarına bağlı olarak yapılan analizde optimum nokta olarak TiAlN kaplamalı matkap uçları ve 25 m/dak. kesme hızı değerleri ile beraber ilerleme hızının 164 mm/dak. olduğu seviye verilmektedir. Ancak deney tasarımlarının analizinde tecrübeli olan bir araştırmacının rahatça görebileceği bir sonuç da 164 ve 194 mm/dak. değerleri için söz konusu olan kesme kuvvetleri ve sinyal/gürültü oranlan arasındaki farkın minimum seviyede olduğu ve bu iki seviye arasında bir optimum noktanın mevcut olma zorunluluğudur. Salt analiz sonuçlarına bakıldığında Taguchi Deney Tasannu metodu bu değeri ortaya koyamamakta, sadece deney noktalan içerisinden bir optimum nokta gösterebilmektedir. Cevap Yüzeyi Analizine dayanan Box Behnken ve Yüzey Merkezli Merkezi Kompozit Tasarımlar ise çizdikleri cevap yüzeyi grafikleri ile faktörlerin etkilerini son derece açık bir şekilde yansıtabilmişlerdir. Hesaplanan korelasyon değerleri regresyon analizi ile elde edilen fonksiyonların, yani faktörler ve çıktı arasındaki matematiksel bağlantının, sistemi güvenilir şekilde yansıtmakta çok başarılı olduğunu bize göstermektedir. Ancak hemen belirtmek gerekir ki gerekli deney sayısı Tam Faktöriyel Deney Tasarımına göre %40 kadar daha düşük olsa da (27 deney yerine 16 deney) Taguchi Deney Tasarımı yöntemine kıyasla yaklaşık %50 daha fazla deney gerektirmektedir (9 yerine 16 deney). Bu da maliyetlerin deney sayışma orantılı olarak arttığı göz önüne alınırsa ciddi bir maliyet artışı demektir. Sonuç olarak cevap yüzeyi metoduna dayanarak yapılan analizler ilerleme hızı için beklenen optimum seviyenin yaklaşık 170 mm/dak. civarında olduğunu ortaya koymuştur. Kaplama faktörü için TiAlN kaplama türü, kesme hızı için ise 25 m/dak. değeri en düşük kesme kuvvetlerinin oluştuğu seviyelerdir. Yapılan bu optimizasyon hesaplamaları sırasında her faktörün etkileri ayrı ayrı incelendiği gibi, faktörler arasındaki etkileşimler de dikkate alınmış ve ortaya konulmuştur. Deney tasarımının kullanılmasının avantajları açısında bakıldığında ise öncelikle deney tasarımı metotlarının uygulanmasının alışılagelmiş konvansiyonel yöntemlere göre (özellikle Tam Faktöriyel Deney Tasarımlarına göre) önemli ölçüde daha az deney sayısı ve maliyetle daha iyi sonuçlar verdiği ispatlanmıştır. Taguchi Deney Tasarımı uygulanarak Tam Faktöriyel Deney Tasarımı yaklaşımının üçte biri sayıda deney ile eşdeğer, hatta matematiksel olarak daha güvenilir sonuçlar elde edilmiştir. Cevap yüzeyi metotları ile gerekli deney sayısı Taguchi Deney Tasarımına oranla artmış, fakat deney sonuçlarının değerlendirilmesi daha sağlam bir temele oturmuş, sonuçlar daha ayrıntılı şekilde analiz edilerek faktörlerin etkisi daha iyi belirlenebilmiştir. Taguchi Deney Tasarımı ile cevap yüzeyi tasarımlarını kıyaslarken karşımıza çıkan kritik soru, gerekli daha fazla deney ile elde edilen daha fazla bilginin değeri, deney sayısındaki ve maliyetlerdeki artışla kıyaslandığında buna artı bir değer getirip getirmediğidir. Görülen kadarı ile deneyimli bir araştırmacının Taguchi Deney Tasarımı yaklaşımına göre elde edilen sonuçlara dayanarak yapacağı yorumlar, şayet planlama aşamasında proses hakkında yeteri kadar bilgi sahibi olunabilmişse, cevap yüzeyi yaklaşımı ile elde edilen sonuçlara yaklaşabilmektedir. Bu durum endüstriyel çalışmalarda Taguchi Deney Tasarımının kullanılmasının yeterli olduğunu göstermektedir. İncelenen sistem hakkında daha az ön bilginin söz konusu olma ihtimali yüksek olan durumlarda, özellikle de temel bilimsel araştırmalarda ise cevap yüzeyi yaklaşımlımı kullanılması alışılagelmiş yaklaşımlara göre daha az deney sayısı ile sistem hakkında ayrıntılı bilgi sahibi olunmasını sağlayacaktır.

Özet (Çeviri)

The intention of the dissertation is to analyze and compare the benefits of design of experiment techniques in solving engineering problems. The details of design of experiment approaches has been investigated by example of performance optimization of hard ceramic coatings, the most recent and major development in the field of metal cutting operations, under industrial conditions. Thereby it is proven that the combined optimization of the major processing parameters of metal cutting operations will prolong tool life and that the number of experiments needed for optimization is considerably reduced. Over the past years, significant improvements have been achieved in the performance of the tools and quality of the carved products through hard ceramic coatings. In this context, TiAIN and TiN coated drill bits, which are two of the most important hard ceramic coatings, offer appreciable advantages compared to conventional uncoated drill bits. Besides the choice of the right drill bit, the selection of accurate process parameters is also essential for achieving the maximum performance. To hit the desired target, i.e. the maximum tool life, the overall effects of coating type, cutting speed and feeding rate must be taken into consideration. They represent the most important factors in industrial applications and therefore the most suitable combination of these three factors must be calculated. Further factors like drill bit geometry, which affect achieving the longest tool life and the best quality of workpiece properties are mostly set to invariable values through the restrictive conditions of processing. For example the diameter and other general geometrical properties of the drill bit are determined by the geometry of the workpiece. When we evaluate each of these three factors one by one in regard to optimization objective, the coating type has clearly the most significant effect on tool life among all other factors. Undoubtedly, HSS drill bits have been the most preferred cutting tools for many years due to their relative resistance to high temperatures, mechanical properties and the cutting speed and feeding rates at which they perform. Nevertheless with modern developments in coating technology (physical vapor deposition and chemical vapor deposition technologies), applying hard ceramic coatings on base materials without disturbing their toughness and hardness characteristics became possible and consequently a new era for cutting tools has began. While properties like hardness, chemical and physical strength, high temperature resistance of hard ceramic coatings and the toughness of the base materials out of HSS are combined, the tool life has been prolonged and higher cutting speeds and feeding rates became attainable. In addition to all these advantages, the quality of the work pieces has improved and better values for thesurface roughness have been achieved. The enhancements in cutting speed and feeding rate enabled remarkable advantages in lowering the processing costs and increasing the speed of production. In metal working processes, regardless of all the advantages, an increase in cutting speed or feeding rate substantially reduces the tool life of cutting tools. From a technical point of view, running production with higher processing speeds causes an increase in the complexity of the wear phenomenon. The increase in processing speed alters the wear characteristics and thus different causes of wear come into play. Accordingly, the analysis of the individual factors loses relevance. The effects of all the factors must be examined together in order to evaluate the behaviour of the system. During the aforementioned evaluation of the system, the interactions among the factors must be taken into consideration as well as the main effects of each factor affecting the system by changing the wear rates and tool life and therefore influencing the performance of the system by varying degrees, e.g. the effect of the cutting speed for the uncoated drill bit is different than the effect for a ceramic- coated drill bit. In the same way, the effects of the feeding rate can vary at different cutting speeds. Experiments have been conducted by selecting different levels for all the factors and the results have been studied to find the optimum levels for achiving optimum performance. In addition to the optimization objective, the basic intention and focus of the study is to minimize the time and total costs needed to execute the experiments and undertake the most efficient analyses. For this purpose, design of experiment techniques and statistical analysis methods have been used and cutting forces were taken as evaluation criteria for optimizisation and for the assessment of the performance. The design of experiments is based on a systematic approach in the planning stage of executing one of the proper experiment techniques. For this reason, all factors affecting the drilling process have been determined by bramstorming and by evaluating the most recent research in this area. After choosing the factors to be investigated by this approach, the levels of these factors to be explored have been selected. At this stage, all research done up to now and their findings, the recommendations and experiences of producers and end-users and industrial standards has been made use of. hi this way 3 levels were defined for the factor coating type: uncoated drill bits, TiAlN coated and TiN coated drill bits. The predetermined experiment range for feeding rate is from 134 to 194 mm/min. For cutting speed it is from 25 to 45 m/min. Since it was presumed that the effects of these factors within these ranges are nonlinear, it would be inadequate to make experiments at only the minimum and maximum levels. Therefore, taking the prerequisites of design of experiment techniques into consideration, also for the factors feeding rate and cutting speed 3 levels are selected. This way the use of the resources is minimized. For the three factors each with three levels, the total number of combinations is 27. This means that for evaluating the main effects of the factor and all the interactions among them, we need to conduct 33 = 27 experiments. This approach is called Full Factorial Design since all possible combinations are experimented. However, with Full Factorial Design, the number of necessary experiments and the total cost are directly proportional to the number of factors in the experiments. Therefore to beable to solve the optimization problem with the minimum number of experiments, modern design of experiment techniques have been applied using Taguchi designs and Response Surface Methodology. These design of experiment techniques have been compared to each other by evaluating their analyses, interpretation, advantages and disadvantages. As pointed out above, the crucial target of this study is evaluating and emphasizing the benefits of modern design of experiment techniques. For this reason a Taguchi L9 design, which requires 9 experiments in comparison to a Full Factorial Design requiring 27 experiment, a Box Behnken Design, which requires 16 experiments (with four center points) and a Face Centered Central Composite design, which also requires 16 experiments (with two center points), have been assessed. For this reason experiments have been primarily made for the entire combination of the factors and their levels and the response values for the 27 experiments according to the Full Factorial Design are collected. Each experiment has been replicated for 10 times for ensuring statistical reliability. Afterwards the results needed for the Taguchi L9 design, Box Behnken design and Face Centered Central Composite design has been picked out of these 27 experiments. Thereby the results of the experiments were evaluated according to four different approaches and their discrepancies have been pointed out. The uncoated drill bits (DIN 338, 605 Profile HSS-E) for the experiments have been supplied by a local Turkish producer and coated by another Turkish company. The uncoated tools are manufactured out of high-speed steel while the coatings are fabricated by physical vapor deposition technique. The base material (1.2312, 40CrMnMoS8-6), on which the drilling has been done, is imported from abroad. By using the same base material this factor has been kept fixed for all the experiments. The drilling operations have been realized on a modern CNC machine. Another unique approach of the study is the use of the cutting forces for evaluating the performance of drill bits. The substantial objective of the optimization is to find out the proper combination of the factors and levels to achieve the maximum tool life. The common approach for determining the tool life is the evaluation of the wear rate. For this, the number of experiments needed for each drill bit is equal to the number of the experiments required to make each drill bit reach the critical wear rate. However, by taking the cutting forces as the decisive criteria, it is possible to evaluate the tool life at the first drill, and different drill bit types and various experiment parameters can be compared against each other. For this purpose the cutting forces and cutting torque is recorded using a dynamometer. Of these forces, the cutting force Fz was evaluated for achieving the optimization target, which means attaining the maximum tool life by obtaining the lowest cutting force. For the analysis of the results and for determining the main effects and the interactions of the factors the methods analysis of variance, signal to noise ratio and regression analysis have been used. The analysis according to the full factorial design is based on the selection of the experiment which gives the minimum cutting force and the results of the experiments are displayed in three dimensional diagrams by connecting the values with straight lines. In the context of the analysis according to Taguchi Design, the ANOVA table, the signal to noise ratio for every factor and F - test values has been evaluated. For the Box Behnken Design and Face CenteredCentral Composite Design, the correlation between the cutting force Fz and the levels of the factors have been shown by an equation. Both of these designs are based on Response Surface Methodology and the results have been interpreted by using different statistical values (correlation coefficients, F-test values etc.) and three dimensional response surface charts. While evaluating the statistical values, attention has been paid on ensuring a significance level of 95% and the highest possible ^?dazemimis value has been achieved by ensuring a suitable correlation ratio throughout the models calculated by regression analysis. Even though different approaches were applied during the study, the final results were very close to each other. The comparison of these results has proved that the application of design of experiment techniques provide an advantage in time and cost requirements by decreasing the number of the required experiments. They enable improved analysis of the results. Hence, the results can be achieved much faster and much more efficiently for optimization problems. Comparing the design of experiment techniques, it is important to select the proper method depending on the properties of the process being investigated. Nevertheless, ultimately the Taguchi method makes the evaluation of the results with the minimum number of experiments possible. The information picked up by other methods is more quantitative in nature but the increase in the number of experiments is quite high as well. Another advantage of the application of design of experiment methods is that the data acquired is statistically reliable and misinterpretation is avoided by keeping the causes of the errors under control. When evaluating each factor investigated in the system, the TiAIN coatings showed outstanding performance compared to other coating type parameters. TiN coatings occupied the second place and the uncoated drill bits performed poorly. The results for the cutting speed factor are very similar for all designs: it is observed that the cutting force increases steadily, which means that the tool life decreases with increasing cutting speed. Therefore, it has been determined that the longest tool life will be achieved at the lowest cutting speed level of 25 m/min. The feeding rate factor appeared to have a more complex effect on the cutting force. The advantages and disadvantages of the design of experiment techniques could be recognized precisely by the evaluation of this factor's effect, hi contrast to the other two factors, the feeding rate, which was investigated in the range of 134 - 194 mm/min., primarily causes a decrease of the cutting force as it was increased from the lowest level of 134 mm/min. upwards. After achieving the optimum point (the lowest cutting force) at 170 mm/min. the cutting force begins to increase again. The analysis according to the Full Factorial Design is not able to determine this optimum point, hi this design approach, at a cutting force of 25 m/min., where the optimum point is expected, the cutting force decreases from the lowest feeding rate level to the highest. Therefore 194 mm/min. appears to be the optimum level for the feeding rate. However the change in the cutting force as a result of the feeding rate can be more precisely demonstrated at further levels of cutting speed. The study points out that Taguchi technique provides reliable and accurate results with only one third of the experiments required by the Full Factorial approach. According to the finding of the analysis within the Taguchi design framework based on signal to noise ratios, the optimum combination of the factor parameters is the TiAIN coated drill bits with a cutting speed of 25 m/min. and feeding rate of 164mm/min. But as any researcher experienced in design of experiments can easily recognize, the difference in the cutting forces and signal to noise ratios for 164 and 194 mm/min. levels are minimal. There must therefore be a real optimum point between these levels. When the pure findings of the analysis are taken into consideration, Taguchi technique cannot emphasize this real optimum value, but it can only indicate an optimum point out of the design points chosen at the planning stage. The Box Behnken and Face Centered Central Composite Designs, based on response surface analysis, were able to represent the effects of the factors very precisely through the response surface diagrams. The calculated correlation values prove that the equations, which are determined by regression analysis and which indicate the mathematical correlation between the factors and response value, are successful in representing the system reliably. On the other hand, even though the number of experiments required is about 40% less than the Full Factorial Design (16 experiments instead of 27 experiments), 50% more experiments must be performed in comparison to Taguchi design (16 experiments instead of 9 experiments). This result is a respectable increase in the cost, considering it is linear to the number of experiments. Finally, the analysis based on response surface methodology indicates an optimum level for the feeding rate at about 170 mm/min. The lowest cutting forces are achieved with the TiAIN coatings at a cutting speed of 25 m/min. While solving the optimization problem, the interactions between the factors were calculated as well as the main effects of the factors. The assessment of the advantages of the application of design of experiment techniques primarily proves that preferring design of experiments techniques to the conventional methods (especially instead of Full Factorial designs) ensures superior results with reduced number of experiments and lower costs. Using the Taguchi technique instead of a Full Factorial approach, comparable and even mathematically more reliable results have been achieved by only one third of the number of the essential experiments. Using Response Surface Methodology, the number of experiments increases compared to Taguchi designs, but the basis for the assessment of the results is more reliable and the effects of the factors are well represented due to the precise analysis of the results. When Taguchi and Response Surface designs are compared, the critical question is, whether the added value of the information acquired is worth the increase in the number of experiments and costs. The appraisal of an experienced researcher based on the results from Taguchi design will be very close to the results of the Response Surface approach, as long as adequate information about the process were obtained in the planning stages. This fact demonstrates that the application of Taguchi designs is highly effective for industrial projects. In cases where there is less initial information about the system, especially during basic academic research, the application of the Response Surface Methodology approach can enable detailed information about the system, with a considerably smaller number of experiments compared to traditional approaches of design of experiments, to be collected.

Benzer Tezler

Tez No
142597
Yeni Cami'nin akustik açıdan performans değerlendirmesi
Evaluation of the acoustical performance of the New Mosque
EVREN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Mimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVTAP YILMAZ DEMİRKALE
Tez No
859865
Modeling of the marine diesel engines with comparative machine learning methodologies
Gemi dizel motorların karşılaştırmalı makine öğrenmesi yöntemleri ile modellenmesi
MEHMET İLTER ÖZMEN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
Tez No
430939
Yazılım kusur kestirimi eklentisinin esnek hesaplama yöntemleri ile tasarımı ve geliştirimi: kapsamlı metrik değerlendirilmesi
Design and implementation of software fault prediction plugin by using soft computing methods: comprehensive metric assessment
EZGİ ERTÜRK GÜLER
Doktora
Türkçe
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol Hacettepe Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EBRU SEZER
Tez No
846480
Applicability of advanced oxidation processes for treatment and recovery of washing machine effluent: On-site application with new washing machine design
İleri oksidasyon prosesleri uygulamaları ile çamaşır makinesi atık sularının arıtılması ve geri kazanılması: Yerinde uygulama ile yeni çamaşır makinesi tasarımı
LEVENT KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI
Tez No
769299
Investigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors
Havacılık ve otomotiv sektöründe kullanılan kapı sızdırmazlık elemanlarının akustik ve dinamik özelliklerinin incelenmesi
ORÇUN SAF
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL

Geri Dön