Ti6Al4V Alaşımının Delme ve Frezeleme Proseslerinde İşleme Parametrelerinin Talaş Formları, Yüzey Pürüzlülüğü ve Kesici Takımların Aşınması Üzerine Etkileri

Öz

Savunma, uzay ve medikal alanlarda kullanımı gittikçe artan Ti6Al4V alaşımı, işlenmesi oldukça zor ileri mühendislik malzemelerindendir. Ürünlerin genelde karmaşık şekilli olması, yüksek boyutsal hassasiyet gerektirmesi talaşlı işlem gerektirmektedir. Bu çalışmada Ti6Al4V alaşımının farklı matkap çapı ve soğutma ortamında delme davranışı; farklı kesme hızı ve soğutma ortamına göre frezeleme davranışı incelenmiştir. Kuru ve kesme sıvısı ortamlarında; 7,5 mm ve 8,4 mm çaplı matkaplar ile delme işlemi ve 50 m/dak ve 100 m/dak kesme hızları ile frezeleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Seçilen kesici takımlar ve parametreler çalışmanın yenililiğini oluşturmaktadır. İşlenebilirlik analizleri; talaş formları, işlenen yüzeylerin yapısı ve pürüzlülük değerleri, kesici takımların aşınma mekanizması ve takım ömürlerinin tespit edilmesi ile çok yönlü olarak yapılmıştır. Delme işlemi sonuçlarına göre; düşük çapta ve kesme sıvısı kullanımında yüzey pürüzlülük değerleri azalmış ve helisel talaş formu elde edilmiştir. Artan çap ve kuru ortam burgu talaş oluşumuna ve matkap aşınmasında artışa neden olmuştur. Elde edilen frezeleme sonuçlarına göre; artan kesme hızıyla kuru ortamda uzun spiral talaş oluşumu gözlenirken, kesme sıvısı ile homojen dağılımlı kısa spiral talaş oluşumu gerçekleşmiştir. Matkap çapının düşmesi ile uç ömrü kuru ortamda %42, kesme sıvısı kullanımında %22 bir artış göstermiştir. Kuru ortamda kesme hızının artmasıyla freze uç ömründe %23,53 artış olmuş, kesme sıvısı kullanımında ise %16,67 oranında atış olmuştur. Kesme sıvısının kullanımında freze uç ömrü, düşük kesme hızında %13,34, yüksek kesme hızında %5,56 oranında artmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Ti6Al4V
• İşlenebilirlik
• Delme
• Frezeleme
• Takım Ömrü ve Aşınma Mekanizması

Effects of Processing Parameters on Chip Forms, Surface Roughness and Wear of Cutting Tools in Drilling and Milling Processes of Ti6Al4V Alloy

Öz

Ti6Al4V alloy is an engineering material that is increasingly used in defense, aerospace and medical fields and is difficult to process. The products generally have complex shapes and require high dimensional precision, necessitating machining operations. In this study, drilling behavior of Ti6Al4V alloy with different drill diameter and cooling environment; and milling behavior was examined according to different cutting speed and cooling environment. Drilling (with 7.5 mm and 8.4 mm diameter drill bits) and milling (with 50 m/min and 100 m/min cutting speeds) operations were carried out in dry and cutting cooling environment. The cutting tools and parameters selected in the study constitute the innovation of the work. Machinability analyses; the chip forms, structure and roughness values of the machined surfaces, wear mechanisms of the cutting inserts and tool life were determined in a versatile way. According to the results of the drilling process; with low diameter and cutting fluid usage, surface roughness values decreased and helical chip form was obtained. The increased diameter and dry environment have caused the formation of auger chip and an increase in drill bit wear. According to the milling results obtained; while long spiral chips were formed in a dry environment with increasing cutting speed, homogeneously distributed short spiral chips were formed with cutting fluid. As the drill diameter decreased, bit life increased by 42% in dry conditions and 22% in cutting fluid usage. With the increase in cutting speed in a dry environment, there was a 23.53% increase in milling tip life and a 16.67% increase in cutting fluid usage. With the use of cutting fluid, milling cutter life increased by 13.34% at low cutting speed and 5.56% at high cutting speed.

Anahtar Kelimeler

• Ti6Al4V
• Machinability
• Drilling
• Milling
• Tool Life and Wear Mechanism

Kaynakça

1. Aslantas K, Hasçelik A, Erçetin A, Danish M, Alatrushi LKH, Rubaiee S, Bin Mahfouz A. Effect of cutting conditions on tool wear and wear mechanism in micro-milling of additively manufactured titanium alloy. Tribol Int 2024; 193: 109340.
2. Karakılınç U, Ergene B, Yalçın B, Aslantaş K, Erçetin A. comparative analysis of minimum chip thickness, surface quality and burr formation in micro-milling of wrought and selective laser melted Ti64. Micromachines 2023; 14 (6): 1160.
3. Katta S, Chaitanya G. Key Improvements in Machining of Ti6Al4V Alloy: A Review. 2017 AIP Conference Proceedings: AIP Publishing LLC.
4. Kürşad G. Havacılık ve uzay malzemelerinde soğutma sıvısının elektro erozyonla delinen deliklerin performans parametrelerine etkisinin deneysel incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 2017; 32 (1): 293-301.
5. Rotella G, Imbrogno S, Candamano S, Umbrello D. Surface integrity of machined additively manufactured Ti alloys. J Mater Process Technol 2018; 259: 180-185.
6. Sawant SN, Patil SK, Unune DR, Nazare P, Wojciechowski S. Effect of copper, tungsten copper and tungsten carbide tools on micro-electric discharge drilling of Ti6Al4V alloy. J Mater Res Technol 2023; 24: 4242-4257.
7. Subaşı M, Karataş Ç. Ti6Al4V alaşım tozundan hazırlanan besleme stokunun kalıplama ve sinterleme parametrelerinin araştırılması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 2016; 31 (2): 473-483.
8. Garbiec D, Siwak P, Mróz A. Effect of compaction pressure and heating rate on microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered Ti6Al4V alloy. Arch Civ Mech Eng 2016; 16: 702-707.

9. Çiftçi İ, Gökçe H. Ti6Al4V titanyum alaşımının delinmesinde delme yönteminin aşınmaya etkisinin incelenmesi. Politeknik Dergisi 2019; 22 (3): 627-631.
10. Kıvak T, Şeker U. Effect of cryogenic treatment applied to M42 HSS drills on the machinability of Ti-6Al-4V alloy. Mater Technol 2015; 49 (6): 949-956.
11. Alting L. Manufacturing Engineering Processes. ABD: CRC Press, 2020.
12. Nee AYC. Handbook of Manufacturing Engineering and Technology. Incorporated: Springer Publishing Company, 2014.
13. Darsin M, Pasang T, Chen Z. Performance of TiAlN PVD Coated Carbide Drill When Drilling Titanium 6246 Alloy. 2017 MATEC Web of Conferences, EDP Sciences; Sibiu, Romania, 02001.
14. Yıldız H. Ti-6Al-4V alaşımının delinmesinde kesme parametrelerinin delik üzerine ve kesici takıma etkisinin araştırılması. Yüksek Lisans tezi, Batman Üniversitesi, Batman, 2015.
15. Gültekin U, Yaşar SA, Korkut İ. “Ti-6Al-4V alaşımının delinmesinde kesme parametrelerinin kesme kuvvetlerine ve delik kalitesine etkisinin incelenmesi. Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi 2017; 7 (2): 469-475.
16. Safari H, Sharif S, Izman S, Jafari H. Surface integrity characterization in high-speed dry end milling of Ti-6Al-4V titanium alloy. Int J Adv Manuf Technol 2015; 78: 651-657.
17. Ullen NB, Hasak SMA, Dirikolu MH. Factors influencing the machinability during turning sinter-hardened Cu-Ni-Mo based steel: Dependency on cutting speed, feed rate and cutting depth. J Eng Res 2020; 8 (4): 236-257.
18. Stephenson DA, Agapiou JS. Metal Cutting Theory and Practice, CRC Pres, Boca Raton, 2016.
19. Wei X, Liu X, Yue C, Liang SY, Wang L, Sun Y, Qin Y. Surface roughness prediction framework for flank milling Ti6Al4V alloy based on CLBAS-BP algorithm. Int J Comput Integr Manuf 2023; 36(6): 830-841.
20. Altınsoy Ş, Yardımcı R, Köse FZ, Koç G. Farklı soğutma ortamları kullanılarak ısıl işlem görmüş Ti6Al4V alaşımının SBF ve Hank solüsyonlarında biyokorozyon davranışının incelenmesi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi 2024; 15 (2): 453-462.
21. Lindvall R, Lenrick F, M’Saoubi R, Ståhl JE, Bushlya V. Performance and wear mechanisms of uncoated cemented carbide cutting tools in Ti6Al4V machining. Wear 2021; 477: 203824.
22. Sert A. Improving machinability of Ti6Al4V alloy with cryogenic process applied WC-Co cemented carbide tool. Doctoral Dissertation, Eskişehir Osmangazi University. Eskişehir, 2017.
23. Chen Z, Wu X, Tomus D, Davies CHJ. Surface roughness of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy components. Addit Manuf 2018; 21: 91-103.
24. Gong Y, Sun Y, Wen X, Wang C, Gao Q. Experimental study on surface integrity of Ti-6Al-4V machined by LS-WEDM. Int J Adv Manuf Technol 2017; 88: 197-207.
25. Groover MP. Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems, ABD: John Wiley & Sons, 2020.
26. Pervaiz S, Rashid A, Deiab I, Nicolescu M. Influence of tool materials on machinability of titanium-and nickel-based alloys: A review. Mater Manuf Processes 2014; 29 (3): 219-252.
27. Demir H, Ulaş HB, Binali R. Toolox 44 malzemesinde talaş kaldırma miktarının yüzey pürüzlülüğü ve takım aşınması üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Technological Applied Sciences 2018; 13 (1): 19-28.
28. Yılmaz B, Güllü A. AISI 1050 çeliğin tornalanmasında kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü ve talaş oluşumu üzerine etkilerinin araştırılması. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2020; 26 (4): 628-633.
29. Altınsoy Ş, Üllen NB, Ersoy M, Can D. Machining performance of uncoated and carbide coated cutting inserts in Ti6Al4V turning: An experimental and numerical approach. J Mater Eng Perform 2024; 33 (15): 6903.
30. Yavuz M, Gökçe H, Şeker U. Matkap geometrisinin takım aşınması ve talaş oluşumu üzerine etkisinin araştırılması. Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2017; 3 (1):11-19.
31. An Q, Wang C, Xu J, Liu P, Chen M. Experimental investigation on hard milling of high strength steel using PVD-AlTiN coated cemented carbide tool. Int J Refract Met Hard Mater 2014; 43: 94-101.
32. Strano M, Albertelli P, Chiappini E, Tirelli S. Wear behaviour of PVD coated and cryogenically treated tools for Ti-6Al-4V turning. Int J Mater Form 2015; 8: 601-611.
33. Verma M, Pradhan SK. Experimental and numerical investigations in CNC turning for different combinations of tool inserts and workpiece material. Mater Today Proc 2020; 27: 2736-2743.
34. Mahmat A, Tosun N, Ağar S. Ti6Al4V alaşımının ultrasonik yüksek hızlı mikro frezelenmesinde talaşların incelenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi 2023; (46): 27-36.
35. Üllen NB, Hasak SMA, Dirikolu MH. The Effect of Cutting Speed on Tool Life in The Machining of Powder Metal Parts. 2019 IMCOFE, Young Scholars Union (YSU), Antalya, TurkeyProceedıng and Abstract Book, 40.
36. Memiş F. AISI 2205 (EN 1.4462) paslanmaz çeliğin CNC torna tezgahında işlenmesinde yüzey pürüzlülüğü ve kesme kuvvetlerinin deneysel araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2015.
37. Küçükköse M. a-C:N/TiAlN kaplamaların karakterizasyonu ve aşınma davranışlarının incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Bartın Üniversitesi, Bartın, 2017.
38. Rodríguez A, Calleja A, de Lacalle LNL, Pereira O, Rubio-Mateos A, Rodríguez G. Drilling of CFRP-Ti6Al4V stacks using CO2-cryogenic cooling. J Manuf Processes 2021; 64: 58-66.
39. Zhu Z, Sui S, Sun J, Li J, Li Y. Investigation on performance characteristics in drilling of Ti6Al4V alloy. Int J Adv Manuf 2017; 93 (1): 651-660.
40. Çelik YH, Kiliçkap E. Titanyum alaşımlarından Ti-6Al-4V’nın işlenmesinde karşılaşılan zorluklar: Derleme. Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology 2018; 6 (1):163-175.
41. Xu J, Li C, Chen M, El Mansori M, Paulo Davim J. On the analysis of temperatures, surface morphologies and tool wear in drilling CFRP/Ti6Al4V stacks under different cutting sequence strategies. Compos Struct 2020; 234: 111708.
42. Özçatalbaş Y. Machinability of elongated coarse grain Fe-based superalloys. Mach Sci Technol 2014; 18 (4): 626-637.
43. Üllen NB. Tornalama İşlemlerinde Çeşitli Kesici Takım Uçlarının Hasar Mekanizmaları. 2020 In 2nd International Eurasian Conference on Science, Engineering and Technology, EurasianSciEnTech.
44. Muthukrishnan N, Davim P. Influence of coolant in machinability of titanium alloy (Ti-6Al-4V). Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology 2011; 1: 9-14.