Investigation of Surface Quality in Turning of AISI 2507 Super Duplex Stainless Steel under Hybrid Cooling/Lubrication Methods

Abstract

In recent years, ecological cooling/lubrication methods were used in metal processing operations for sustainable manufacturing. The hybrid cooling/lubrication method, which combine superior cooling/lubrication methods with each other, were came to the fore.In this study; surface quality was investigated when turning AISI 2507 duplex stainless steel under Minimum Quantity Lubrication (MQL), cryogenic cooling (Cry) and hybrid (Cry+MQL) cooling/lubrication conditions. Surface roughness (Ra), 2D surface images and 3D surface topography were used to investigate the quality of the machined surfaces. The experiments were carried out in three different cooling/lubrication conditions (MQL, Cry and Cry+MQL), cutting speed (80, 120 and 160 m/min) and feed rate (0.16, 0.20 and 0.24 mm/rev).Taguchi L27 design was used in experimental design and determination of optimum conditions. Analysis of variance (ANOVA) was used to determine the factors affecting the experimental results and the effect rates of the factors. According to the experimental results, optimum conditions for surface quality were determined as Cry+MQL cooling/lubrication condition, 160 m/min cutting speed and 0.16 mm/rev feed rate. The best Ra value (1,151 µm) was obtained under A3, B3, C1 condition and the worst Ra value (-2,861 µm) was obtained under A2, B1, C3 condition.

Keywords

• Cryogenic Cooling
• AISI 2507 Super Duplex Stainless Steel
• Optimization
• Turning
• Hybrid Cooling/Lubrication

AISI 2507 Süper Dubleks Paslanmaz Çeliğinin Hibrit Soğutma/Yağlama Yöntemleri Altında Tornalanmasında Yüzey Kalitesinin İncelenmesi

Abstract

Son yıllarda ekolojik soğutma/yağlama yöntemleri sürdürülebilir imalat için metal işleme operasyonlarında kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntemlerin başında ise birbirine göre üstün özelliklerin bir araya getirildiği hibrit soğutma/yağlama yöntemlerinin kullanıldığı çalışmalar ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada; AISI 2507 dubleks paslanmaz çeliğinin Minimum Miktarda Yağlama (MMY), kriyojenik soğutma (Kry) ve hibrit (Kry+MMY) soğutma/yağlama koşulları altında tornalanmasında, yüzey kalitesi incelenmiştir. İşlenen yüzeylerin kalitesinin belirlenmesinde yüzey pürüzlülük (Ra), iki boyutlu yüzey görüntüleri ve üç boyutlu yüzey topografyaları kullanılmıştır. Deneyler üç farklı soğutma/yağlama koşulunda (MMY, Kry ve Kry+MMY), kesme hızında (80, 120 ve 160 m/dak) ve ilerlemede (0,16-0,20 ve 0,24 mm/dev) gerçekleştirilmiştir. Deney tasarımında ve optimum koşulların belirlenmesinde Taguchi L27 tasarımı kullanılmıştır. Deneysel sonuçlara etki eden faktörler ve faktörlerin etki oranlarını belirlemek için varyans analizi (ANOVA) kullanılmıştır. Deney sonuçlarına göre yüzey kalitesi için optimum koşullar, Kry+MMY hibrit soğutma/yağlama koşulu, 160 m/dak kesme hızı ve 0,16 mm/dev ilerleme olarak belirlenmiştir. En iyi Ra değeri (1,151 µm) A3, B3, C1 koşulunda, en kötü Ra değeri ise (-2,861 µm) A2, B1, C3 koşulunda elde edilmiştir.

Keywords

• Kriyojenik Soğutma
• AISI 2507 Süper Dubleks Paslanmaz Çeliği
• Optimizasyon
• Tornalama
• Hibrit Soğutma/Yağlama

References

1. [1] B. Aydemir, “17-4 pH Çökelme Sertleştirmeli Paslanmaz Çelik Kuvvet Dönüştürücü Yay Elemanlarının İç Yapısal Özelliklerinin Performans Üzerine Etkilerinin Araştırılması,” Doktora Tezi, Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 2003.
2. [2] D. Yıldırım, “2205 Dubleks Paslanmaz Çelik ile S355j2 Genel Yapı Çeliğinin Birleştirilebilirliğinin İncelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, 2018.
3. [3] A. Özer ve E. Bahçeci, “AISI 410 Martensitik Paslanmaz Çeliklerin Kesici Takım Ve Kaplamasına Bağlı İşlenebilirliği,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 24, s. 4, ss. 693-698, 2009.
4. [4] Ş. Şirin, “Sürdürülebilir İmalat İçin Inconel X 750 Süper Alaşımının Frezelenmesinde Yenilikçi Soğutma/Yağlama Tekniklerinin İşleme Performansı Üzerindeki Etkileri,” Doktora Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Düzce, 2020.
5. [5] C. Zhang, S. Zhang, X. Yan ve Q. Zhang, “Effects of Internal Cooling Channel Structures On Cutting Forces and Tool Life In Side Milling of H13 Steel Under Cryogenic Minimum Quantity Lubrication Condition,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, c. 83 (5-8), ss. 975-984, 2016.
6. [6] A. Shokrani, I. Al-Samarrai ve S. Newman, “Hybrid cryogenic MQL for improving tool life in machining of Ti-6Al-4V titanium alloy,” Journal of Manufacturing Processes,c. 43, ss. 229-243, 2019.
7. [7] P. Sivaiah ve D. Chakradhar, “Effect of Cryogenic Coolant on Turning Performance Characteristics During Machining of 17-4 pH Stainless Steel: A Comparison with MQL, Wet, Dry Machining,” Journal of Manufacturing Science and Technology, c. 21, ss. 86-96, 2018.
8. [8] Y. Sun, B. Huang, D. Puleo ve I.S. Jawahir, “Enhanced Machinability of Ti-5553 Alloy from Cryogenic Machining: Comparison with MQL and Floodcooled Machining and Modeling,” Procedia Cirp, c. 3, s. 1, ss. 477-482, 2015.

9. [9] O. Pereira, A. Rodríguez, A. Fernández-Abia, A.I. Barreiro ve L. L. de Lacalle, “Cryogenic and Minimum Quantity Lubrication for an Eco-Efficiency Turning of AISI 304,” Journal of Cleaner Production, c. 139, ss. 440-449, 2016.
10. [10] ISO 4287:1997, “Geometrical Product Specifications (GPS)-Surface texture: profile method-terms, definitions and surface texture parameters,” International Organisation Standarts, 1997.
11. [11] E. Şirin, Y. Turgut, İ. Korkut ve Ş. Şirin, “Frezelemede Farklı Sertlikteki AISI D2 Soğuk İş Takım Çeliğinin Taguchi Metoduyla Yüzey Pürüzlülüğünün Optimizasyonu,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 3, ss. 132–144, 2015.
12. [12] J. Antony, “Multi-response Optimization in Industrial Experiments Using Taguchi’s Quality Loss Function and Principal Component Analysis,” Quality and Reliability Engineering International,, c. 16, c. 1, ss. 3–8, 2000.
13. [13] Ç. V. Yıldırım, “Experimental Comparison of the Performance of Nanofluids, Cryogenic and Hybrid Cooling in Turning of Inconel 625,” Journal of Tribology International, c. 137, ss. 366–378, 2019.
14. [14] Ç. V. Yıldırım, T. Kıvak, M. Sarıkaya ve Ş. Şirin, “Evaluation of Tool Wear, Surface Roughness/Topography and Chip Morphology When Machining of Ni-based Alloy 625 under MQL, Cryogenic Cooling and CryoMQL,” Journal of Materials Research and Technology, c. 9, s. 2, ss. 2079-2092, 2020.
15. [15] S. Asadauskas, J.H. Perez ve J.L. Duda, “Lubrication Properties of Castor Oil-Potential Basestock for Biodegradable Lubricants,” Tribology & Lubrication Technology, c. 53, s. 12, ss. 35. 1997.
16. [16] H. Gürbüz, U. Şeker ve F. Kafkas, “Effects of Cutting Tool Forms on the Surface Integrity in Turning of AISI 316L Stainless Steel,” Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, c. 35, ss. 225-240, 2020.
17. [17] E. Çelik, T. Kıvak ve Ş. Şirin, “Dubleks Paslanmaz Çeliğinin Farklı Soğutma/Yağlama Yöntemleri Altında Tornalanmasında Kesme Sıcaklığının Optimizasyonu,” VII. Uluslararası Fen, Mühendislik ve Mimarlık Bilimlerinde Akademik Çalışmalar Sempozyumu ISMS, ss. 512-524, Ankara, 2019.
18. [18] Ş. Şirin ve T. Kıvak, “Performances of Different Eco-Friendly Nanofluid Lubricants in the Milling of Inconel X-750 Superalloy,” Journal of Tribology International, c. 137, ss. 180-192, 2019.
19. [19] Ç. V. Yıldırım, T. Kıvak, M. Sarıkaya ve F. Erzincanlı, “Determination of MQL Parameters Contributing to Sustainable Machining in the Milling of Nickel-Base Superalloy Waspaloy,” Arabian Journal for Science and Engineering, c. 42, s. 11, ss. 4667-4681, 2017.
20. [20] E. Çelik, “AISI 2507 Süper Dubleks Paslanmaz Çeliğin Tornalanmasında Hibrit Soğutma/Yağlama Tekniklerinin Yüzey Pürüzlülüğü ve Kesme Sıcaklığı Üzerindeki Etkisi,” Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019.
21. [21] T. Kivak, “Optimization of Surface Roughness and Flank Wear Using the Taguchi Method in Milling of Hadfield Steel with PVD and CVD Coated Inserts,” Measurement, c. 50, s. 1, ss. 19-28, 2014.