Mechanistic modeling of drilling forces and study of residual stresses in drilling of compacted graphite iron
Kompakt grafitli dökme demirde delik delme işleminin mekanistik modellemesi ve kalinti gerilmelerin incelenmesi
- Tez No: 405037
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Otomotiv ve lokomotiv sanayileri uzunca bir süredir ürün kalitesi ve performansını artırmaya çalışırken, bir yandan da çevreyi korumaya yönelik kanunlara da uyma zorunluluğuna bir arada cevap vermeye çalışmaktadır. Bu kanunlardan özellikle emisyon standardındaki kirletici miktardındaki büyük düşüş beklentisini daha verimli yanmayı sağlayacak motor teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Özellikle dizel motorları üretiminde kullanılan kır dökme demir yerine bugün daha iyi mekanik ve fiziksel özelliklere sahip olan komakt grafitli dökme demir kullanımı bu amaca yöneliktir. Dizel motorlarında daha fazla performans, daha az emisyon ve daha verimli yanma sağlanması için, motor içerisindeki ateşleme basıncının artması gerekmektedir. Yanma basıncının artması motor bloğunu daha fazla mekanik ve ısıl yüklemelere mağruz bırakır ve dolayısıyla daha fazla yorulma dayanımı gerekmektedir. Kompakt grafitli dökme demir (CGI), kır dökme demire göre sahip olduğu yüksek çekme dayanımı ve yorulma dayanımı sayesinde daha büyük basınçlara dayanabildiğinden daha iyi bir yanma ortamı oluşturmaktadır. Bu iyi özellikler kendine has iç yapısı yani kompakt grafitlerin sayesindedir. Komakt grafit fazını elde etmek için magnezyum, titanyum ve krom gibi alaşım elementleri ilave ederken, sulfur alaşım elementinin azalması gerekmektedir. Sonuç olarak solucana benzer grafit fazı (komakt grafit fazı) oluşacaktır. Yuvarlak kenarlı ve düzensiz engebeli karmaşık grafit morfolojisi sonucunda grafit ve demir matris arasında güçlü bir adezyon kuvveti ile bağlanır. CGI çatlak oluşumu ve ilerlemesini engellemesi ve daha iyi mekanik özelliklerinden dolayı kır dökme demire güçlü bir alternatiftir. Komapkt grafitin kır dökme demirdeki lamel grafit fazına göre yarattığı farklılık, CGI'ın kır dökme demire göre daha iyi mekanik ve yorulma mukavemeti göstermesine neden olur. Dolayısıyla günümüzde CGI dizel motorları için en çok tercih edilen malzemedir. Motor bloğu üretim hattında delik delme işlemi genellikle en son adımlarda yapılır. Bu yüzden herhangi bir işlem hatası takımın kırılmasına ve parçanın hurda olmasına neden olur. Bu nedenle delik delme işlemini malzemeye göre modellenmesi ve matkap geometrisinin incelenmesi ve optimizisyanu imalat mühendisleri bakışından önemli faktördür. Ayrıca motor bloğunda genellikle normal delik ve derin delikler yağ hazeneleri için kullanıldığından ve bu haznelerın motor yanma bölümüne yakın olduğundan ardışık mekanik ve ısıl yüklenmelere mağruz kalmaktadır. Eğer bahs ettiğimiz deliklerde talaş kaldırma esnasında kalıntı gerilme oluştuysa, ısıl ve mekanik yorulma eserinde hasara uğrar. Artık gerilmeler işlenmiş yüzeylerde talaş kaldırma sırasında düzenli olmayan plastik deformasyonlar ve ısınıp soğumalardan dolayı oluşur.Bu yüzden talaş kaldırma esnasında kalıntı gerimelerin incelenmsi büyük önem taşır. Bu çalışmada delik delme işlemi mekanistik olarak modellendi ve delik delme esnasındakı oluşan kalıntı gerilmeler incelenmiştir. Kullanılan matkap geometrisi analitik olarak modellendikten sonra, matkapın gerektiği talaş açısı aralığı bulunmuştur. Genel olarak matkap geometrisinin talaş açısı kesici kenar boyunca -30'ile -30 derece arasında değişmektedir. Bu sebeple farklı talaş açılarına sahip takımlar ile farklı kesme hızlarında ve ilerlemelerde dik kesme testleri gerçekleştirilmiştir. Bu aralıkta farklı talaş açıları değerlerinde, farklı kesme hızlarında ve ilerlemelerde dik kesme testleri yapılır ve kesme kuvvetleri ölçülür. Dik kesme işleminde aynı delik delme işlemi gibi, iş parçası malzemesi CGI ve kesici takım malzemesi ise karbür kullanılmıştır. Kesme kuvvetleri ölçüldükten sonra, talaş kalınlıkları ölçülür ve dik kesme mekaniğine kullanarak her bir deney için kayma gerilmesi, makaslama açısı ve sürtünme açısı değerleri talaş açısı hesaplanır. Daha sonra regresyon yöntemi yardımıyla her bir ilerleme (kesilmemiş talaş kalınlığı) değeri için kayma gerilmesi, makaslama açısı ve sürtünme açısı değerleri talaş açısının ve kesme hıznın fonksiyonu şeklinde bulunur. Bu işlem spesifik bir ilerlemede her elemanın talaş açısı ve kesme hızına bağlı dik kesme datalarının eldeedilmesini kolaylaştırır. Daha sonra matkapın geometrisine göre matkapın kesme kenarı çok sayıda farklı talaş açısı, eğiklik açısı ve kesme hızına sahip eğik kesme elemanlarına bölünür. MATLAB programını kullanarak yazılan modelde, belirli ilerlemede herbir elemanın talaş açısı ve kesme hızına göre makaslama açısı, kayma gerimesi ve sürtünme açısı hesaplanır ve eğik kesme mekaniğine yerleştirilir. Eğer modeli herhangi bir ilerlemede-denenmemiş ilerlelemeler hariç-kullanmak istersek model var olan dataları interpolasyon yöntemleri ile istenen ilerlemeye uygun olarak hesaplar. Böylece herbir eleman için dik kesme 3-boyutlu eğik kesme kuvvetleri hesaplanır. Başka bir değişle matkapın kesme kenarın boyuca her elemanı eğik kesme kenarı varsayarak kesme kuvvetleri hesaplandı ve çok sayıda farklı yönlerde 3boyutlu kuvvetler bulundu. Matkap mekaniğini kullanarak kesme elemanların kuvvetleri matkap kordinasyonuna çevrilir. Matkap ekseni yönündeki kuvvetleri toplayarak matkapın kesme kenarlarından üretilen dik kuvvet bulunur. Ayrıca her bir elemanın teğetsel kovvetlerinin ürettiği torku toplayarak, kesme kenarlarının ürettiği toplam tork hesaplanır. Ayrıca matkapın çisel kenarı ise iki farklı bölgeye bölünür. Bu bölgeler girici bölge ve dik kesici bögleleridir. Matkapın merkezi (girici bölge) slip-line mekaniğini kullanarak dik kesme kuvveti hesaplandı. Dik kesme bölgesi ise elemanlara bölunerek ve dik kesme datalarını kullanarak modellenir. Delik delme işleminin toplam dik kuvvet ve tork değerleri iki kesici kenar ve çisel bölgesinden elde edilen kuvvetlerin toplamından hesaplanır. Böylece dik kesme testlerininden elde edilen parametreleri ve matkap geometrik özelliklerini kullanarak delik delme işlemindeki kuvvetleri analitik olarak hsaplanır. Elde edilen kuvvetleri doğrulama amacıyla, delik delme işlemi yapıldı ve dinamometre yardımıyla delik delmedeki dik kuvvet ve tork eldeedilir. Analitik yöntem ile elde edilen değerler ve delik delme deneylerinden ölçülen değerler birbiriyle ortüşmektedir. Delik delme işleminin oluşturduğu kalıntı gerilmeleri incelenmesi için delinen parçalar tel erezyon yöntemi ile ikiye bölünür. Kalıntı gerilme yöntemi iki farklı adım da gerçekleşir. Öncelikle yüzeyde oluşan kalıntı gerilmeler X-Ray kırınım metodu (XRD) ile ölçülüyor. Genel olarak kalıntı gerilme ölçümleri metaller ve seramikler gibi polikristalin malzemelerde kafes yapılarındaki değişimler dikkate alınarak yapılır. Çünkü uygulanan stresten ötürü kafes düzlemleri arasındaki mesafeler değişim gösterirler. Yeni mesafeler Bragg kanununda da ifade edilmiştir ve hepsi sabittir. Uygulanan kuvvetten ötürü oluşan plastik deformasyondan dolayı gönderilen ve dönen ışınlar arasındaki açı değişmektedir. Bu da malzemenin mikroyapısında düzenli olmayan mikro birim şekil değişimleri olduğu anlamına gelir ve bunlarda kalıntı gerilmeye sebep olur. Kalıntı gerilme değerleri gönderilen ve dönen ışınların açısının değişimi ile ölçülür. Bu değişimler kalıntı gerilmeden dolayı ortaya çıktığı için bu stresler ve birim şekil değişimleri X-ray elastik sabiti kullanılarak elde edilebilir. Daha sonra ölçülen noktalarda, delik açma tekniğini kullanarak 0.5 mm derinlikteki kalıntı gerilme profili incelenmiştir. Bu teknikte, Gerilme analizi yapılacak olan parça üzerinde, kör bir delik açarak talaş kaldırılmasıyla kalıcı gerilmenin ölçümü başlamış olur. Delik açılmasından sonra, deliğin etrafindaki malzeme kendine yeni bir gerilme dengesi oluşturur. Gerilmedeki bu yeni düzenleme, deliğin yüzey etrafında çok ufak bir bozunmaya neden olur. Yer değiştirmeler çok küçük olduğundan ölçümleri alınabilir ve delik açma işlemi öncesindeki gerilmelerin hesaplanmasını sağlar. Herbir delik açıldığında kalıntı gerilmelerden dolaylanan bir yüzey rahatlama oluşuyor. Bu yüzden delik profili değişiyor. elektronik girişim deseni analizi (ESPI) yöntemini kullanarak deliğin etrafındaki girişim desen farklarını delikten önce ve delikten sonra video kayıt birimi tarafından kaydediliyor. Gerilme analizi yapılacak olan parça üzerinde, kör bir delik acılarak talaş kaldırılmasıyla kaılıcı gerilmenin ölçümü başlamış olur. Delik açılmasından sonra, deliğin etrafındaki malzeme kendine yeni bir gerilme dengesi oluşturur.Gerilmeledeki bu yeni düzenleme, deliğin yüzey etrafınada çok ufak bir bozunmaya neden olur. Lazer işiği her yüzeyde farklı bir girişim deseni oluşturur. . Delik açılma nedeniyle oluşan bozunma, farklı bir girişim deseni oluşturur. Delik açılımı sonrasındaki girişim deseni değişikliği delik malzemenin gerilim rahatlamasına bağladır. Ayrıca, girişim alanının büyüklüğü gerilim rahatlamasıyla orantılıdır. Video kayıt sistemi yüzeyin delik açılımı öncesi ve sonrasındaki oluşan girişim desenini kaydeder. Bigisayar yardımıyla ve image processing tekniklerini kullanarak iki farklı girişim desenini karşılaştırarak yüzeyin toplam deplasmanı hesaplanır. Video kayıt birimi bu girişim farklılıklarını kayıt ederek malzemedeki deplasmanı hesaplayor. Deplasman mıktarını kullanrak ve malzemenin mekanik özelliklerine dayanarak kalıntı kalıntı gerilme değerleri elde ediliyor. XRD yöntemi ve delik açma yöntemini birleştirerek kalıntı gerilme profilini, işlenmiş yüzeyden derinliğe göre hesaplanır. Sonuçlara dayanarak, delik delme işlemi delik yüzeyinde ve yüzeyaltı bölgelerde basma gerilmesinin oluçmasına neden oluyordur. Malzemenin mekanik özellikleri, matkapın buyuk talaş açısına sahip olması ve komakt grafitli dökme demirin ısı iletkenliğinin yüksek olması, termal gerilmenin kolayca oluşmasına izin vermiyordur. Ayrıca delik delme işleminde en yüksek ısı çisel bölgesinde oluşur ve bu bölgeden etkilenen malzeme talaş olarak atılıyordur. Delik yüzeyi sadece matkapın etrafında yer alan büyük talaş açılı elemanlardan etkileniyordur ve bu elemanlar büyük talaş açısı nedeiyle daha az kuvvet ve daha düşük sıcaklıkta kesim yapıyordur. Böylece kalıntı gerilme profilleri çekme bölgeye çıkamıyordur. Bu yüzden, mekanik yüklemelerden yaranan gerilmeler daha etkili oluyorduğu düşünülüyor. Basma kalıntı gerilmeler malzemenin yorulma performansını artırır ve zararlı basma kalıntı gerilmelerin oluşmasını engleller.
Özet (Çeviri)
Outstanding mechanical and thermal properties of Compacted Graphite Iron (CGI) have attracted the engine manufacturers attention recently. This is due to the superior characteristics of the microstructure of CGI, which makes it a promising material in automotive and locomotive industrıes. This unique microstructure is formed by the additional elements such as magnesium (Mg) and titanium (Ti) in specific amounts and decreasing the amount of sulfur (S) which promotes formation of spheroidal graphite phases. Addition of these elements prevents formation of spheroidal graphite phases and generates vermicular shape graphite phases. Vermicular graphite phases decrease the material's tendency for crack initiation and propagation, and hence increases the fatigue life significantly compared to gray cast iron, besides increasing the tensile strength. Moreover, CGI has better thermal conductivity in addition to its lighter weight compared to commonly used materials for engines such as gray cast iron. As a result, compacted graphite iron becomes a preferable material in the automotive industry especially in manufacturing of diesel engines. Drilling operation is a challenging operation in CGI engine blocks. Since the drilling operations are usually carried out at final steps of manufacturing cycle, any failure in tool will scrap the hole engine block. Therefore, mechanics of drilling and induced residuals by drilling operation in compacted graphite iron is the scope of the current study. For this purpose, primarily, geometry of the twist drill is modeled analytically. Cutting lips and chisel edges are responsible for material removal and cutting process in drilling. The most volume of material cutting is done by cutting lips, here the chisel edge acts as an indenting tool, which penetrates into material and ploughs the material without serious amount of cutting. Since the twist drill utilized in this study is split-line twist drill, the chisel edge has been considered as two different regions including orthogonal cutting zone and indentation zone. In order to model the cutting forces in cutting lips and orthogonal chisel edge, orthogonal tube cutting tests were carried out to obtain the orthogonal material parameters including shear angle, shear stress and friction angle for the workpiece-tool pairs. These parameters were found as a function of rake angle and cutting speed for several uncut chip thickness values using the regression methods. Cutting lips of the twist drill were divided into several elemental edges, whereas considering each of them as an oblique cutting edge. Using the evaluated material parameters from orthogonal tube cutting tests, orthogonal to oblique transformation was applied and the cutting forces for each elemental tool along the cutting edges of the drill were calculated. Elemental cutting forces, which have three-dimensional directions, were transformed into drill coordinates. Summing the transformed elemental cutting forces in the direction of the axis of the tool, the total thrust force for cutting lips were calculated. Similarly, summing the torque value of each element will results in total torque value of the cutting lips. The orthogonal cutting region of the chisel edge was also divided into several elements. Having the geometrical parameters of the chisel edge, the cutting forces were obtained and were transformed into the tool's coordinates. Summing the thrust forces values produced from chisel edge and cutting lips, the total cutting forces for the drilling process were obtained. Therefore, having geometrical parameters of twist drill and workpiece-tool pair parameters, drilling cutting forces can be predicted using the model. Finally the predicted values were verified by drilling experiments. The predicted and experimental results are in a good agreement. The predicted values will be used in cutting temperature predictions at other topics of the project. Drilled CGI parts are subjected to residual stress measurements in order to investigate the effect of mechanical and thermal loading during drilling operation. Drilled specimens were measured from two points in order to study the residual stress profile along the hole. The X-ray diffraction method was employed in order to measure the induced residual stresses at the machined surface. Afterwards, incremental hole-drilling technique and the electronic speckle pattern interferometry (ESPI) method were used to acquire the residual stress profile in depth. Combining the surface residual stress measure by the XRD method and subsurface residual stress results measured using incremental hole drilling method, leads to derive residual stress profile of component in depth from machined surface. Drilling operation induces compressive residual stress at bulk of the hole. It means that mechanical loadings are more dominant than thermal stresses during cutting operation. Mechanical behavior of material, high thermal conductivity of compacted graphite iron prevent the generation of high thermal stresses, which in turn causes tensile residual stresses. In addition, high rake angle values of twist drill at the periphery of tool where engaged with workpiece results it high shear angles and in turn reduction in cutting forces, which causes compressive residual stresses. Furthermore, the effects of cutting speed and feed rate on residual stress profiles were investigated. Increasing cutting speed alters the residual stress profiles to more tensile manner because of thermal gradients. However, increasing feed rate induces tensile residual stress in subsurface layers due to high elastic relaxation in subsurface layers.
Benzer Tezler
- Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması
Investigation and thermal modelling of compacted graphite iron drilling
ALİ TANER KUZU
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Development of flat bottom drill cutting tool for machining of brass alloys
Pirinç alaşımlarının talaşlı imalat süreçleri için düz ağızlı matkap kesici takım geliştirilmesi
NIMA ZOGHIPOUR
Doktora
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF KAYNAK
- Modeling of Newtonian fluids and cuttings transport analysis in high inclination wellbores with pipe rotation
Boru dönme hızı dikkate alınarak Newtonian akışkanların modellenmesi ve yüksek açılı kuyularda kesintilerin taşınma analizi
MEHMET SORGUN
Doktora
İngilizce
2010
Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL AYDIN
PROF. DR. MAHMUT PARLAKTUNA
- Physics-informed machine learning-based modeling and control of dynamic process systems
Dinamik sistemlerin fizik bilgili makine öğrenimi tabanlı modellemesi ve kontrolü
TUSE ASRAV
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDAL AYDIN
- Identification of internal process parameters of micro milling considering machined surface topography
Mikro frezeleme işlemi iç parametrelerinin işlenmiş yüzey topografisi yardımıyla belirlenmesi
ABDULRZAK MASRANİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YİĞİT KARPAT