Dik ve eğik kesme işleminin termomekanik modellemesi ve torna işlemine uygulanması
Thermomechanical modeling of orthogonal and oblique cutting with turning validation
- Tez No: 617266
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Tornalama, frezeleme, delik delme ve taşlama işlemleri, iş parçasına son şeklin verildiği, en çok kullanılan imalat yöntemlerindendir. Verimliliğin yanında, işlenen parçanın yüzey kalitesi de önemlidir. Bunun için de, kesme parametrelerinin belirlenmesi önemli hale gelmektedir. Talaşlı imalatta kesme parametrelerinin seçimi, işlenen parçanın yüzey kalitesi ve takım ömrü bakımından önemlidir. Bu parametrelerin seçimini etkileyen en önemli problemlerden bir tanesi ise ısı oluşumudur. Takım ömrü, talaşlı imalatın verimliliğini doğrudan etkileyen bir parametre olduğundan kesme sırasında ortaya çıkan sıcaklıkların belirlenmesi sürecin optimizasyonu açısından oldukça önemlidir. Kesme işleminde üç tane ısı oluşum bölgesi vardır. Bunlar; talaş oluşumu sırasında iş parçasında meydana gelen plastik şekil değişiminden kaynaklanan ısının oluştuğu birincil deformasyon bölgesi, takım ve talaş arasında, talaş yüzeyindeki sürtünmeden kaynaklanan ısının oluştuğu ikincil deformasyon bölgesi ve takım ile iş parçasının işlenen yüzeyi arasındaki sürtünmeden kaynaklanan ısının oluştuğu üçüncül deformasyon bölgesidir. Bu üç bölgede oluşan ısının bir kısmı, takım ve iş parçasının ısı iletim katsayısına bağlı olarak, takıma geçer. Böylelikle difüzyon ve ısıl gerilmelere neden olarak takım aşınmasını tetikler. Özellikle takım-talaş arayüzeyindeki maksimum sıcaklık, takım aşınması ve ömrünün belirlenmesi açısından önemlidir. Bu çalışmada dik kesme koşullarında sıcaklık dağılımının hesaplanması için takım-talaş arayüzeyindeki yapışma ve kayma sürtünme durumuna odaklanarak analitik bir model geliştirilmiştir. Geliştirilen modelde birincil kayma bölgesi ve takım-talaş arayüzeyindeki ısı oluşumu dikkate alınmıştır. Bu modelde, birincil deformasyon bölgesindeki malzeme modeli Johnson-Cook bünye denklemi ile ifade edilmiştir. Takım-talaş arayüzeyindeki sıcaklık dağılımı, iki boyutlu ve zamandan bağımsız olarak modellenmiştir. Sabit ısı dağılım oranı ile bu bölgede oluşan ısının %25'inin takıma geçtiği kabul edilerek, takım ve talaş içerisindeki sıcaklık dağılımları iki boyutlu olarak hesaplanmıştır. Talaş içerisindeki sıcaklık dağılımı için; talaş üst yüzeyindeki ve birincil deformasyon bölgesi çıkışındaki sıcaklığın sabit olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca talaş hızı yönünde ısı iletimi ihmal edilmiştir. Takım içerisindeki sıcaklık dağılımı, kutupsal koordinatlarda iki boyutlu Laplace denklemi ile sonlu farklar yöntemi ile bulunmuştur. Takım serbest yüzeyindeki sınır şartı taşınım olarak kabul edilmiştir. Analitik modelden elde edilen sonuçları doğrulamak ve çeşitli koşullarda kesme sıcaklığını belirlemek amacıyla bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Deneylerde temassız bir ölçüm yöntemi olan termal kamera kullanılmıştır. Termal kamera ile yapılan deneyler ile hem literatürdeki verilere hem de geliştirilen model ile hesaplanan değerlere uygun sonuçlar elde edilmiştir. Talaşlı imalatta kesme sıcaklıklarının elde edilmesinin zorluğu düşünüldüğünde elde edilen sonuçlar oldukça tatminkardır. Bu çalışma ile elde edilen veriler temel alınıp, geliştirilen model eğik kesme şartlarına ve AISI 1050 çeliğinin tornalama işlemine uygulanarak doğrulanmıştır. Böylece geliştirilen model ile endüstride kullanılan kesme işlemleri için; maksimum kesme sıcaklığı tahmin edilerek daha verimli kesme sağlayacak parametrelerin seçimine olanak sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Turning, milling, drilling and grinding are the most common machining processes for producing final shapes in manufacturing. Beside productivity, part quality is very important too. To achieve this, optimizing the parameters becomes significant subject. Being one of the most important problems in machining is the heat generation which affects selection of cutting parameters. There are three heat generation regions in the cutting process. Plastic deformation in primary shear zone, friction at secondary shear zone and friction between tool and workpiece at third defrmation zone. Depending on the thermal conductivity of the tool and the workpiece, a portion of the heat is transfers to the tool and causes diffusion and thermal stresses which trigger tool wear. Cutting temperatures, especially maximum temperature at tool-chip interface is very important for the tool life. Thus, temperature in machining is an important issue which is the topic of this thesis. The aim of this thesis is to develop an analytical thermal model to predict cutting temperatures. Thesis consists of temperature distribution in chip and tool in orthogonal cutting and adoptation of this model to oblique cutting and turning process. In this study, an analytical model is developed in order to calculate the temperature distribution in orthogonal cutting with dual-zone contact at the rake face. The study focuses on heat generation at the primary shear zone and at the rake face. The material behavior at the primary shear zone is represented by Johnson-Cook constitutive equation whereas the contact at the rake face is modeled by sticking and sliding friction zones. Firstly, thermal model is developed for orthogonal cutting conditions. Heat generation model in primary deformation zone is that the workpiece material is isotropic, rigid and under shear conditions its thermomechanical behaviour is expressed by Johnson-Cook material model. It is assumed that the chip is formed by shearing in a narrow straight band of thickness whose inclination with respect to the workpiece surface is defined by the shear angle. It is supposed that the material is deformed by shearing in the shear band and that no deformation occurs before and after the band. The secondary shear zone that appears along the tool interface is not considered in the present modelling. The complex material flow near the tool is not accounted for either. It is assumed the model in primary shear zone is restricted to the case of stationary flow. The uncut chip thickness is presumed to be small with respect to the width of cut. It is then justified to consider that the chip is formed under plane strain conditions. The cutting edge is taken as perfectly sharp and the tool is not deformable. The cutting conditions are given it means that the feed, the rake angle and the cutting speed are known. The analysis is limited to the case of stationary fow. The formulation is one dimensional, the variables depend solely on the coordinate y normal to the band and do not depend on time. This new temperature distribution model allows obtaining the maximum temperature at the rake face and helps determining two dimensional temperature distribution in the chip and tool. The simulation results obtained from the developed model are also compared with experimental results where good agreement is observed. The location of the maximum temperature also changes with the rake angle. The maximum temperature location, with respect to the tool tip, decreases with the increasing rake angle, meaning that as the rake angle increases the maximum temperature location gets closer to the tool tip. Although this behaviour cannot be explained as explicitly as the previous behaviour, it is known that the sticking contact length / total contact length ratio decreases as the rake angle increases. This mechanism shifts the normal and shear stress distributions closer to the tool tip, where high values of the stresses have more impact. Therefore, the higher heat generation exists at locations closer to the tool tip. In the present study, two dimensional and time independent heat transfer model is developed for the temperature distribution in the chip for orthogonal cutting. Heat effects on the primary and secondary shear zones are considered where the material behaviour in the primary shear zone is expressed using the Johnson-Cook material model. Since the model is analytical the solution times are quite short. The model predictions are compared with the cutting temperature data taken from literature. In general, good correlation is obtained with the experimental data for the maximum temperatures. In addition, several simulations such as effect of rake angle on maximum temperature are also done to show the applications of the model in process analysis. Developed model in this study is applied to oblique cutting and turning process. So effects of inclination angle and nose radius can be analysed.
Benzer Tezler
- Sonlu elemanlar metodu kullanılarak kesme kuvvetleri, gerilmeleri ve sıcaklık değişimlerinin tahmini için metal kesme işleminin modellemesi ve simülasyonu
Simulation of metal cutting process to predict cutting forces, stress and temperature variation
EYÜP BAĞCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüTasarım ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. BABÜR ÖZÇELİK
- 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
- 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
KAVEH RAHIMZADEH BERENJI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Bilyalı dövme işleminde bilya çarpma açısı ve bilya boyutunun AA7075 alüminyum alaşımının yüzey ve yüzey altı özelliklerine etkisi
The effect of shot impact angle and shot size on the surface and subsurface properties of AA7075 aluminum alloy in shot peening
AHMET BURAK ÇUBUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EGEMEN AVCU
- Analytical modeling of cutting process mechanics and dynamics for simulation of industrial machining operations
Endüstriyel metal işleme operasyonlarının modellenmesi için kesme mekaniği ve dinamiğinin analitik olarak hesaplanması
EMRE ÖZLÜ
Doktora
İngilizce
2008
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSabancı ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. ERHAN BUDAK