Optimization of Cutting Parameters According to Thrust Force and Processing Time in Aluminum 2024 T351 Hole Drilling Process

Year 2024, , 333 - 340, 27.05.2024

Yunus Zübeyir Turgut , Murat Özsoy

https://doi.org/10.21205/deufmd.2024267718

Abstract

Considering the prevalence of hole drilling in the manufacturing sector, it is aimed to reduce the cost by minimizing tool wear, energy consumption and time in hole drilling processes. This is possible by optimizing the parameters that affect the drilling. In this study, hole drilling experiments were carried out using Al 2024 T351 alloy, which is highly preferred in the aerospace industry and therefore subjected to thousands of hole drilling processes. Cutting speed (50, 70, 90 and 110 m/min) and feed rate (0.06/0.08/0.1 and 0.12 mm/tooth) were considered as cutting parameters. Experiments were performed separately for three tool types (HSS, HSSE-Co5, HSSE-Co5 TiAlN coated) with 8 mm diameter according to Taguchi L16(4^2) experimental design. The maximum forces in the machining direction (z-axis) were determined for each hole. Taguchi optimizations were carried out with the help of Minitab 19 software by using these determined maximum thrust forces. Also, multiple response optimizations (response surface method) of cutting parameters, which minimize the maximum thrust force and processing time, were carried out. Optimum levels of parameters in terms of maximum cutting force for all three tool types were determined by Taguchi optimization as 50 m/min for cutting speed and 0,06 mm/tooth for feed rate. Optimum levels of cutting parameters that minimize the maximum cutting force and processing time together were determined by multiple response optimization as 110 m/min for cutting speed and 0.06 mm/tooth for feed rate.

Keywords

Aluminum 2024 T351, Drilling, Thrust Force, Processing Time, Optimization

Alüminyum 2024 T351 Malzemeye Delik Delinmesi İşleminde Kesme Parametrelerinin İtme Kuvveti ve İşlem Süresine Göre Optimizasyonu

Abstract

Delik delmenin imalat sektörü içerisindeki yaygınlığı göz önünde bulundurulduğunda, delik delinen proseslerde takım aşınmasını, harcanan enerjiyi ve süreyi minimize ederek maliyeti düşürmek amaçlanır. Bu da delik delmeye etki eden parametrelerin optimizasyonu ile mümkündür. Bu çalışma kapsamında havacılık ve uzay endüstrisinde oldukça fazla tercih edilen dolayısıyla binlerce delik delme işlemine tabi tutulan Al 2024 T351 alaşımı kullanılarak delik delme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kesme parametreleri olarak, kesme hızı (50, 70, 90 ve 110 m/dk) ve diş başı ilerleme miktarı (0,06/0,08/0,1 ve 0,12 mm/diş) ele alınmıştır. Deneyler Taguchi L16(4^2) deney tasarımına göre 8 mm çaplı üç takım türü (HSS, HSSE-Co5, HSSE-Co5 TiAlN kaplamalı) için ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Her bir delik için işleme yönündeki (z ekseni) maksimum kuvvetler tespit edilmiştir. Tespit edilen bu maksimum itme kuvvetleri kullanılarak Minitab 19 yazılımı yardımıyla Taguchi optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca maksimum itme kuvveti ve işlem süresini birlikte minimize eden kesme parametrelerinin çoklu yanıt optimizasyonları da gerçekleştirilmiştir. Üç takım türü için de maksimum itme kuvvetleri açısından parametrelerin optimum seviyeleri; kesme hızı için 50 m/dk olarak, diş başı ilerleme miktarı için ise 0,06 mm/diş olarak Taguchi optimizasyonu ile tespit edilmiştir. Maksimum itme kuvveti ve işlem süresini birlikte minimize eden kesme parametrelerinin optimum seviyeleri, kesme hızı için 110 m/dk olarak diş başı ilerleme miktarı için ise 0,06 mm/diş olarak çoklu yanıt optimizasyonu ile tespit edilmiştir.

Keywords

Alüminyum 2024 T351, Delik delme, İtme Kuvveti, İşlem Süresi, Optimizasyon

References

• Çakır, M. C. 2010. Delik Delme. ss 349-473. Modern Talaşlı İmalat Yöntemleri, Dora Yayınları, 525s.
• Yıldız, A. 2021. Delik Delme İşleminin Simülasyonu ve Delik Delme İşlemlerinde Kesme Parametrelerine Bağlı Mekanik Gerilmelerin İncelenmesi. Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 124s, Ankara.
• Zhu, Z., He B., Chen, J. 2020. Evaluation Of Tool Temperature Distribution In MQL Drilling Of Aluminum 2024-T351, Journal of Manufacturing Processes, Cilt. 56, s. 757-765. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.05.029.
• Bonhin, E. P., David-Müzel, S., Guidi, E. S., Botelho, E. C., Ribeiro, M. V. 2020. Influence Of Drilling Parameters On Thrust Force And Burr On Fiber Metal Laminate (Al 2024-T3/glass fiber reinforced epoxy), Procedia CIRP, Cilt. 101, s. 338-341. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.02.035.
• Landon Y., Lacombe, A., Souop, L. A. K., Daidié, A., Paredes, M., Chirol, C., Benaben, A. 2022. Impact Of The Drilling Process On The Surface Integrity And Residual Fatigue Strength Of 2024-T351 Aluminum Parts, Procedia CIRP, Cilt. 108, s. 459-464. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.072.
• Aamir, M., Giasin, K., Tolouei-Rad, M., Din, I. U., Hanif, M. I., Kuklu, U., Pimenov, D. Y., Ikhlak M. 2021. Effect Of Cutting Parameters And Tool Geometry On The Performance Analysis Of One-Shot Drilling Process Of AA2024-t3, Metals, Cilt. 11(6), s. 854-866. https://doi.org/10.3390/met11060854.
• Saravanakumar, A., Sreenivas, P., Vijaya kumar, S., Pradeep kumar U., Rajeshkumar, L. 2022. Optimization Of Drilling Process Parameters For Self-Lubricants Reinforced Aluminium Metal Matrix Composites, Materials Today Proceedings, Cilt. 52, s. 1461-1465. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.196.
• Dahnel, A. N., Fauzi, M. H., Raof, N. A., Mokhtar, S., Khairussaleh, N. K. M. 2022. Tool Wear And Burr Formation During Drilling Of Aluminum Alloy 7075 In Dry And With Cutting Fluid, Material Today Proceedings, Cilt. 59, s. 808-813. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.110.
• Korkmaz, M. E., Çakıroğlu, R., Yaşar, N., Özmen, R., Günay, M. 2019. Al2014 Alüminyum Alaşımının Delinmesinde Itme Kuvvetinin Sonlu Elemanlar Yöntemi Ile Analizi, El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt. 6(1), s. 193-199. https://doi.org/10.31202/ecjse.449701.
• Navaneethakrishnan, G., Sureshkumar, B., Palanisamy, R., Bajaj, M., Zawbaa, H. M., Kamel, S. 2022. Effect Of Cryogenic Treatment On Drill Tool For Enhancing Metal Cutting Operation Of Aluminium Alloy IS737.Gr19000. Journal of Materials Research and Technology, Cilt. 18, s. 1488-1501. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.069.
• Yaşar, N. 2019. Thrust Force Modelling And Surface Roughness Optimization In Drilling of AA-7075: FEM and GRA, Journal of Mechanical Science and Technology, Cilt. 33(10), s. 4771-4781. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0918-5.
• Demir, Z., Adiyaman, O., Yakut, R. 2017. A7075-T651 Alaşımının Sürtünmeli Delinmesinde Ön-Delik Çap ve Derinliğinin Yüzey Pürüzlülüğüne Ve Kovanın Geometrik Boyutlarına Etkisinin Araştırılması, Batman Üniversitesi Yaşam Bilimleri Dergisi, Cİlt. 7(2), s. 228-240.
• Aamir, M., Giasin, K., Tolouei-Rad, M., Vafadar, A. 2020. A review: Drilling Performance And Hole Quality Of Aluminium Alloys For Aerospace Applications, Journal of Materials Research and Technology, Cilt. 9(6), s. 12484-12500. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.09.003.
• Haddag, B., Atlati, S., Nouari, M., Moufki, A. 2016. Dry Machining Aeronautical Aluminum Alloy AA2024-T351: Analysis Of Cutting Forces, Chip Segmentation And Built-Up Edge Formation, Metals, Cilt. 6(9), s.197-210. https://doi.org/10.3390/met6090197.
• Taylan, D. 2009. Taguchi Deney Tasarımı Uygulaması. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 73s, Isparta.
• Murat D., Ensarioğlu C., Gürsakal N., Oral A., Çakır M.C. 2018. Sert Malzemelerin Tornalanmasında Takım Aşınmasının Tepki Yüzeyi Metodolojisi ile Incelenmesi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, Cilt. 33(4), s. 1299-1308. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.416427.
• Özsoy N. 2022. Prediction And Optimization Of Thrust Force During The Drilling Of AISI 2080 Steel, Materials Testing, Cilt. 64(4), s. 602-609. https://doi.org/10.1515/mt-2021-2098.
• Hazir E., Ozcan T. 2018. Response Surface Methodology Integrated With Desirability Function And Genetic Algorithm Approach For The Optimisation Of CNC Machining Parameters, Arabian Journal for Science and Engineering, Cilt. 44, s. 2795–2809. https://doi.org/10.1007/s13369-018-3559-6.