simulation and manufacturing of metal brazed CBN grinding tools
Sert lehimleme yöntemiyle üretilen CBN taşlama takımlarının simülasyonu ve imalatı
- Tez No: 928948
- Danışmanlar: PROF. DR. ERHAN BUDAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Taşlama süreçleri, havacılık, otomotiv ve medikal cihazlar gibi çeşitli sektörlerde yüksek hassasiyetli üretim için hayati öneme sahiptir. Kritik bir son işleme süreci olan taşlama, özellikle geleneksel kübik boron nitrür (CBN) taşlama araçları kullanıldığında, aşırı kuvvetler, yüksek sıcaklıklar ve sınırlı takım ömrü gibi kısıtlamalarla karşılaşmaktadır. Bu çalışmada, bu zorlukların üstesinden gelmek için taşlama araçlarının performansını artırmaya yönelik iki yenilikçi üretim tekniği incelenmiştir: yüzey desenleri oluşturmak için lazer ablasyonu ve aşındırıcı tanelerin bağlanması için lehimleme yöntemi. Bu yöntemler, taşlama performansını taşlama kuvvetlerini ve sıcaklıkları azaltarak geliştirirken iş parçası yüzey kalitesini kabul edilebilir seviyelerde tutmayı amaçlamaktadır. Araştırma üç ana aşamaya ayrılmıştır. İlk aşamada, CBN taşlama araçlarında optimize edilmiş talaş tahliyesi, takım-parça temasının azaltılması ve sıvı penetrasyonunu artırarak soğutmayı iyileştirmek amacıyla lazer ablasyonu kullanılarak desen geometrileri oluşturulmuştur. Sistematik bir tasarım süreci izlenmiş ve taşlama kuvvetlerini ve sıcaklıklarını en aza indirecek desen geometrilerini belirlemek için bir taşlama modeli kullanılarak simülasyonlar yapılmıştır. Lazerle desenlenmiş araçların deneysel değerlendirmesi, taşlama kuvvetlerinde %22–25, iş parçası sıcaklıklarında ise %28–30 oranında bir azalma sağladığını göstermiştir. Bu araçlar, hafifçe daha yüksek yüzey pürüzlülüğü değerleri sergilese de, bu değerler endüstriyel uygulamaların çoğu için kabul edilebilir tolerans aralığında kalmıştır. İkinci aşamada, lehimlenmiş CBN araçlarının geliştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Lehimleme sürecinde, CBN tanelerini çelik alt tabakaya bağlamak için bağlayıcı malzeme olarak Ti-bronz kullanılmıştır. Lehimleme süreciyle ilişkili fırın koşulları, malzeme uyumluluğu ve soğutma ortamları gibi çeşitli zorluklar sistematik bir şekilde ele alınmıştır. Oksidasyonu önlemek ve eşit bağlanmayı sağlamak için kontrollü bir atmosfer oluşturulmuştur. Lehimlenmiş araçlar, benzer taşlama koşullarında değerlendirildiğinde, geleneksel araçlara kıyasla taşlama kuvvetlerinde %19–21, iş parçası sıcaklıklarında ise %25–27 oranında azalma sağlamıştır. Ancak, lehimlenmiş araçların elde ettiği yüzey pürüzlülüğü, desenlenmiş araçlara göre biraz daha düşük kalitede olmuştur. Bu durum, muhtemelen tanelerin dağılımındaki ve bağlanma uniformitesindeki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Yine de, lehimlenmiş araçlar, üretim esnekliği ve maliyet etkinliği açısından önemli avantajlar sunmuş ve belirli uygulamalar için çekici bir alternatif olmuştur. Bu deneysel bulguları desteklemek için, lehimlenmiş araçların taşlama yükleri altındaki bağlanma dayanımını ve termal-mekanik davranışını araştırmak amacıyla bir sonlu elemanlar analiz (FEA) çerçevesi geliştirilmiştir. Ön analizler, lehim tabakasının bağlanma dayanımının taşlama sırasında karşılaşılan gerilmelere dayanacak kadar yeterli olduğunu, fırın parametrelerinin ve malzeme bileşimlerinin optimize edilmesi gerektiğini göstermiştir. Bu simülasyonlar ayrıca, lehim tabakasının termal dağılım yetenekleri hakkında içgörüler sağlayarak yüksek performanslı taşlama uygulamaları için uygunluğunu desteklemiştir. Araştırmanın son aşamasında, deneysel sonuçların doğrulanması ve lazer ablasyonu ile lehimleme tekniklerinin optimize edilmesi için dijital ikiz teknolojisi kullanılmıştır. Simülasyonlarıyla entegre edilmiş bir taşlama dijital ikiz modeli, lazer ablasyonu ve lehimleme parametrelerinin tekrarlı olarak iyileştirilmesi için kullanılmıştır. Dijital ikiz çerçevesi, taşlama aracı üretiminden önce taşlama kuvveti, sıcaklık ve yüzey kalitesi gibi temel performans ölçütlerinin tahmin ve optimizasyonunu sağlamıştır. Bu yaklaşım, araç geliştirme verimliliğini artırmanın yanı sıra üretim sürecindeki kaynak tüketimini de en aza indirmiştir. Bu araştırmanın sonuçları, lazer ablasyonu ve lehimleme tekniklerinin taşlama aracı üretiminde dönüştürücü teknolojiler olarak potansiyelini ortaya koymaktadır. Lazerle desenlenmiş araçlar, yüzey kalitesinde küçük bir ödün karşılığında kuvvet ve sıcaklık azalması açısından üstün performans sergilemiştir. Lehimlenmiş araçlar ise, yüzey kalitesinde hafif dezavantajlara rağmen, özellikle yüzey bitirme gereksinimlerinin daha az katı olduğu uygulamalarda uygulanabilir ve maliyet etkin bir alternatif sunmuştur. Deneysel doğrulama, FEA ve dijital ikiz modellemenin kombinasyonu, bu araçların performansını yönlendiren temel mekanizmaların kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamıştır. Bu çalışma, araç performansı ve üretimindeki kritik zorlukları ele alarak taşlama teknolojisi alanında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bu çalışmadan elde edilen bulguların, takım verimliliği ve dayanıklılığının ön planda olduğu yüksek hassasiyetli taşlama işlemlerine ihtiyaç duyan sektörlerde geniş etkiler yaratması beklenmektedir. Gelecekteki araştırmalar, lehimleme sürecinin daha da geliştirilmesine, alternatif bağlayıcı malzemelerin araştırılmasına ve taşlama aracı, iş parçası ve taşlama ortamı arasındaki daha karmaşık etkileşimleri yakalamak için FEA kapsamının genişletilmesine odaklanacaktır. Ayrıca, lazerle desenleme gibi ileri desenleme tekniklerinin adaptif geometrilerle uygulanması, takım performansını daha da artırmak için araştırılacaktır. Deneysel yenilikleri, hesaplamalı modellemeyi ve doğrulamayı birleştirerek bu araştırma, araç tasarımı ile pratik uygulama arasındaki boşluğu doldurmakta ve daha sürdürülebilir, verimli ve yüksek performanslı taşlama süreçlerine giden yolu açmaktadır.
Özet (Çeviri)
Grinding processes are essential for achieving high-precision manufacturing in industries such as aerospace, automotive, and medical devices. However, conventional cubic boron nitride (CBN) grinding tools often face limitations, including excessive forces, high temperatures, and restricted tool life, which hinder efficiency and precision. This research primarily focuses on brazing as a transformative technique for manufacturing advanced grinding tools, while also exploring laser ablation as a complementary method to further enhance tool performance. The brazing process utilized Ti-bronze as a bonding material to attach CBN abrasive grits to a steel substrate. Key challenges such as material compatibility, uniform grit distribution, and oxidation during furnace operations were systematically addressed through process optimization. A controlled atmosphere was implemented to ensure oxidation-free brazing and uniform bonding. Experimental evaluations demonstrated that brazed CBN tools achieved significant reductions in grinding forces (19–21%) and workpiece temperatures (25–27%) compared to conventional non-patterned CBN tools. While the surface roughness values for brazed tools were slightly higher, these remained within acceptable industrial tolerances, making brazing a cost-effective and flexible alternative for applications with moderate surface finish requirements. To assess the structural integrity of brazed tools, a finite element analysis (FEA) framework was developed. The simulations validated the bonding strength of the brazed layer and revealed its thermal dissipation capabilities under grinding stresses. This framework provided insights into the thermal-mechanical stability of brazed tools, further substantiating their feasibility for high-performance grinding applications. Moreover, FEA highlighted the critical influence of furnace parameters, material composition, and grit distribution on overall tool performance, guiding further process refinements. To complement brazing developments, laser ablation was investigated as a supplementary technique for enhancing grinding performance. Laser-structured patterns on CBN tools improved chip evacuation and cooling by facilitating fluid penetration. Experimental results showed that laser-patterned tools reduced grinding forces by 22–25% and workpiece temperatures by 28–30%, surpassing the performance of conventional tools. However, surface roughness for laser-patterned tools was slightly higher than for traditional tools, albeit within acceptable tolerances. A digital twin framework was integrated with model-based simulations to further optimize brazing and laser ablation processes. This approach allowed for iterative parameter adjustments to predict and refine grinding tool performance metrics, such as forces, temperatures, and surface finishes, prior to fabrication. The digital twin not only improved development efficiency but also minimized material waste during the manufacturing process. The findings of this research highlight brazing as a versatile and cost-effective manufacturing method for high-precision grinding tools, offering significant advantages in terms of process flexibility and performance improvements. While laser ablation provides notable performance enhancements, brazing emerges as the more economically viable solution, particularly for applications with less stringent surface finish requirements. The combination of experimental validation, FEA, and digital twin modeling ensures a comprehensive understanding of the underlying mechanisms driving the performance of brazed tools. This study represents a substantial advancement in the field of grinding technology, addressing critical challenges in tool design and manufacturing. Future research will focus on refining the brazing process further by exploring alternative bonding materials, optimizing conditions, and expanding FEA models to incorporate complex interactions. Together, these developments aim to establish sustainable, efficient, and high performance grinding processes for industries requiring high-precision machining.
Benzer Tezler
- Elmaslı kesicilerde kullanılan matriks malzemelerinin serbest sinterlenmesi
Free sintering of matrix materials which are used for diamond cutting tools
YUSUF KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Design and manufacturing of a new type torque connection
Yeni tip bir tork aktarım ünitesi tasarım ve imalatı
ALI YASIR HASHIM AL MASHHADANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH AKPOLAT
PROF. DR. NİHAT YILDIRIM
- Computer modelling of residual stress & distortion for additively manufactured metal parts
Eklemeli imalat ile üretilmiş metal parçalar için bilgisayar destekli kalıntı gerilim ve çarpılma modellemesi
YUSUF ALPTUĞ POLAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER ŞİMŞİR
DR. ÖĞR. ÜYESİ EVREN YASA
- Process parameter optimization of additively manufactured maraging steel
Eklemeli imalatla üretilen maraşlama çeliğinin proses parametre optimizasyonu
BURAK SİVRİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE SEÇİL ARTEM
- X-Ku bandı huni dizi anten ve pasif mikrodalga elemanlarının tasarımı ve üretimi
Design and manufacturing of X-Ku band horn array antenna and passive microwave components
ABDULLAH GENÇ
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. TUNA GÖKSU
PROF. DR. SELÇUK HELHEL