AISI 4140 Malzemeye Uygulanan Kriyojenik İşlemin Sert Tornalama Operasyonunda Ayna ve Kater Titreşimi Üzerine Etkileri

Abstract

Bu çalışmada, AISI 4140 malzeme geleneksel ısıl işlem ve kriyojenik işlem uygulanarak sert tornalanmıştır. Deneylerde; üç farklı kesme hızı (170, 190 ve 210 m/dak), üç farklı ilerleme oranı (0.05, 0.09 ve 0.13 mm/dev) ve üç farklı talaş derinliği (0.08, 0.12 ve 0.16 mm) kullanılmıştır. Deney esnasında aynada ve katerde meydana gelen titreşim değerleri aynı anda ölçülerek, kesme parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Deney sonucunda regresyon denklemleri oluşturulup, ANOVA analizleri uygulanmıştır. Sonuç olarak, ayna titreşimi üzerindeki en etkili parametrenin geleneksel ısıl işlem görmüş malzemede %52.29, kriyojenik işlem görmüş malzemede %56.45 etki oranıyla talaş derinliği olduğu ve bunu sırasıyla ilerleme oranı ve kesme hızının takip ettiği görülürken; kater titreşimi üzerindeki en etkili parametrenin geleneksel ısıl işlem görmüş malzemede %59.36, kriyojenik işlem görmüş malzemede %61.99 etki oranıyla ilerleme oranı olduğu ve bunu sırasıyla talaş derinliği ve kesme hızının takip ettiği görülmüştür. Ayrıca uygulanan kriyojenik işlemin titreşim değerleri üzerinde olumlu etkileri olduğu da etki oranları arasındaki yüzdelik iyileşmelerden görülmektedir.

Keywords

• Titreşim
• kesme parametreleri
• kriyojenik işlem
• regresyon analizi
• ANOVA

The Effects of Cryogenic Process Applied to AISI 4140 Material on Chuck and Tool Holder Vibration in Hard Turning Operation

Abstract

In this study, the AISI 4140 steel was subjected to both conventional and cryogenic heat treatment before the hard turning process. In the experiments, three different cutting speeds (170, 190 and 210 m/min), three different feed rates (0.05, 0.09 and 0.13 mm/tooth) and three different cutting depths (0.08, 0.12 and 0.16 mm) were used. During the experiments, the vibration values on the chuck and the tool holder were measured simultaneously, and the effects of the cutting parameters were analyzed. As a result of the experiments, regression equations were formed and ANOVA analyses were applied. Consequently, it was observed that the most influential parameter on chuck vibration was the depth of cut, with an effect ratio of 52.29% for traditional heat-treated material and 56.45% for cryogenically treated material, followed by feed rate and cutting speed, respectively. On the other hand, the most influential parameter on tool holder vibration was found to be the feed rate, with an effect ratio of 59.36% for conventional heat-treated material and 61.99% for cryogenically treated material, followed by depth of cut and cutting speed, respectively. Additionally, a noticeable improvement in vibration values due to treatment was observed, supported by the percentage increases in effect ratios.

Keywords

• Vibration
• cutting parameters
• cryogenic treatment
• regression analysis
• ANOVA

References

1. Karabatak, M., & Kara, F. (2016). AISI D2 Soğuk iş takım çeliğinin sert tornalanmasında yüzey pürüzlülüğünün deneysel optimizasyonu. Politeknik Dergisi, 19(3), 349-355. https://doi.org/10.2339/2016.19.3
2. Siraj, S., Dharmadhikari, H. M., & Gore, N. (2018). Modeling of roughness value from tribological parameters in hard turning of AISI 52100 steel. Procedia Manufacturing, 20, 344-349. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.02.050
3. Das, D. K., Sahoo, A. K., Das, R., & Routara, B. C. (2014) Investigations on hard turning using coated carbide insert: Grey based Taguchi and regression methodology. Procedia Materials Science, 6, 1351-1358. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.114
4. Kokkirala, S., Holmberg, J., Klement, U., Lundstrom, R., Iwasaki, H., & Hosseini, S. B. (2022). Effect of cutting parameters on the generated surface integrity of hard-turned martensitic AISI 52100 bearing steel. Procedia CIRP, 115, 154-159. https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.10.066
5. Pal, A., Choudhury, S. K., & Chinchanikar, S. (2014). Machinability assessment through experimental investigation during hard and soft turning of hardened steel. Procedia Materials Science, 6, 80-91. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.010
6. Srithar, A., Palanikumar, K., & Durgabrasad, B. (2014). Experimental investigation and surface roughness analysis on hard turning of AISI D2 steel using coated carbide insert. Procedia Engineering, 97, 72-77. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.12.226
7. Tali, D. (2014). Rene 41 süperalaşımının işlenebilirliğinin farklı torna parametrelerinde incelenmesi. (Tez no. 431058) [Doktora Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
8. Coppini, N. L., Diniz, A. E., Bonandi, M., De Souza, E. M., & Baptista, E. A. (2013). Hard turning of sintered cemented carbide parts: a shop floor experience. Procedia CIRP, 8, 368-373. https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.06.118

9. Şahinoğlu, A. (2017). Kesme parametrelerinin ses üzerindeki etkilerinin araştırılması. (Tez no. 479823) [Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
10. Akkuş, H. (2010). Tornalama işlemlerinde yüzey pürüzlülüğünün istatistiksel ve yapay zeka yöntemleriyle tahmin edilmesi. (Tez no. 266320) [Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
11. Muqeet, A., Israr, A., Zafar, M. H., Mansoor, M., & Akhtar, N. (2023). A novel optimization algorithm based PID controller design for real-time optimization of cutting depth and surface roughness in finish hard turning processes. Results in Engineering, 18, 101-142. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101142
12. Özbek, N. A. (2013). AISI 316 östenitik paslanmaz çeliklerin işlenmesinde kesici takıma uygulanan kriyojenik işlemin takım ömrü üzerine etkilerinin araştırılması. (Tez no: 354270) [Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
13. Özbek, N. A. (2020). Effects of cryogenic treatment types on the performance of coated tungsten tools in the turning of AISI H11 steel. Journal of Materials Research and Technology, 9(4), 9442-9456. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.03.038
14. 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, 18, 1488-1501. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.03.069
15. Hariharan, K. B., Kumar, B. S., Lenin, K., Dhanabalan, S., Palanisamy, R., Giri, N. C., Bajaj, M., Hossam, M., & Kamel, S. (2022). Experimentation on AISI T42 tool steel at very low temperature. Journal of Materials Research and Technology, 21, 1682-1704. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.09.111
16. Pradhan, S., Reddy, V. P., Priyadarshini, M., Singhal, P., Barua, A., Behera, A., Prakash, C., Saxena, K. K., & Eldin, S. M. (2023). Performance investigation of cryogenic treated-double tempered cutting inserts in dry turning of Ti-6Al-4V alloy. Journal of Materials Research and Technology, 25, 2989-3006. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.06.165
17. Mavi, A. (2014). Kesici takımlara uygulanan kriyojenik işlemin Ti6Al4V titanyum alaşımının işlenmesinde kesici takım performansının etkisi. (Tez no: 352635) [Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
18. Li, B., Zhang, T., & Zhang, S. (2018). Deep cryogenic treatment of carbide tool and its cutting performances in hard milling of AISI H13 steel. Procedia CIRP, 71, 35-40. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.019
19. Dhandea, S. T., Kane, V. A., Dhobe, M. M., & Gogte, C. L. (2018). Influence of soaking periods in cryogenic treatment of tungsten carbide, Procedia Manufacturing, 20, 318-328. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.02.047
20. Çelik, E. (2019). AISI 2507 süper dubleks paslanmaz çeliğin tornalanmasında hibrit soğutma/yağlama tekniklerinin yüzey pürüzlülüğü ve kesme sıcaklığı üzerindeki etkisi. (Tez no. 611894) [Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
21. Pehlivan, F. (2022). Improvement of machining vibrational stabilization for a CNC lathe in turning of AISI 420 stainless steel by MQL and cryogenic methods. Journal of Materials and Mechatronics:A, 3(2), 290-299. https://doi.org/10.55546/jmm.1182481
22. Marakini, V., Sirinivasa, P. P., Bolar, G., & Achar, B. P. (2024). Cryogenic and conventional milling of AZ91 magnesium alloy. Journal of Magnesium and Alloy, 12, 2503-2519. https://doi.org/10.1016/j.jma.2024.06.004
23. Pereiraa, O., Rodríguez, A., Fernández-Valdivielso, A., Barreiro, J., Fernández-Abia, A. I., & López-de-Lacalle, L. N. (2015). Cryogenic hard turning of ASP23 steel using carbon dioxide. Procedia Engineering, 132, 486-491. https://doi.org/ 10.1016/j.proeng.2015.12.523
24. Grossa, D., Bigelmaier, M., Meier, T., Amon, S., Ostrowicki, N., & Hanenkamp, N. (2019). Investigation of the influence of lubricating oils on the turning of metallic materials with cryogenic minimum quantity lubrication. Procedia CIRP, 80, 95- https://doi.org/100. 10.1016/j.procir.2019.01.005
25. Umbrello, D., Pu, Z., Caruso, S., Outeiro, J. C., Jayal, A. D., Dillon Jr, O. W., & Jawahir, I. S. (2011). The effects of cryogenic cooling on surface integrity in hard machining. Procedia Engineering, 19, 371-376. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.11.127
26. Jovicevic-Klug, P., & Podgornik, B. (2020). Comparative study of conventional and deep cryogenic treatment of AISI M3:2 (EN 1.3395) high-speed steel. Journal of Materials Research and Technology, 9(6), 13118-13127. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.09.071
27. Parcianello, C. T., Fantineli, D. G., Rosendo, T. S., Reguly, A., & Tier, M. A. D. (2023). Influence of the heat treatment on the mechanical and tribological properties of cryogenically treated AISI M2 steel. Journal of Materials Research and Technology, 26, 6462-6475. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.08.309
28. Klug, M. J., Klug, P. J., Kranjec, T., & Podgornik, B. (2021). Cross-effect of surface finishing and deep cryogenic treatment on corrosion resistance of AISI M35 steel. Journal of Materials Research and Technology, 14, 2365-2381. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.134
29. Fantineli, D. G., Parcianello, C. T., Rosendo, T. S., Reguly, A., & Tier, M. D. (2020). Effect of heat and cryogenic treatment on wear and toughness of HSS AISI M2. Journal of Materials Research and Technology, 9(6), 12354-12363. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.08.090
30. Han, L., Wang, Y., Liu, S., Zhang, Z., Song, X., Li, Y., Liu, W., Yang, Z., & Mu, M. (2022). Effect of cryogenic treatment on the microstructure and mechanical properties of selected laser melted H13 steel. Journal of Materials Research and Technology, 21, 5056-5065. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.11.068
31. Kara, F. (2014). AISI 52100 çeliğinin yorulma ömrü ve taşlanabilirliğine kriyojenik işlem parametrelerinin etkilerinin araştırılması. (Tez no. 355459) [Doktora Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
32. Karabatak, M. (2017). Derin kriyojenik işlemin AISI D2 soğuk iş takım çeliğinin işlenebilirliğine etkisi. (Tez no. 473069) [Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].