The effect of cutting tool and cutting speed on the surface integrity and functional properties in milling of NiTi shape memory alloys

Öz

Anahtar Kelimeler

• • NiTi
• • Surface integrity
• • Cutting tool material
• • High speed
• • Functional integrity

Proje Numarası

19ADP141

NiTi şekil bellekli alaşımların frezelenmesinde kesici takım ve kesme hızının yüzey bütünlüğü ve fonksiyonel özellikleri üzerine etkisi

Öz

Nikel titanyum şekil hafızalı alaşımlar, fonksiyonel ve üstün mekanik özellikleri nedeni ile birçok uygulamada kullanılmaktadır. Bu alaşımların talaşlı imalat ile işlenebilirliğinin güç olduğu literatürde birçok araştırmada kabul görmüştür. Özellikle fonksiyonel bütünlük ve yüzey bütünlüğünün talaşlı imalattan negatif olarak etkileniyor oluşu havacılık ve biyomedikal gibi uygulamalarda potansiyel riskler meydana getirmektedir. Bu araştırmada oda sıcaklığında östenitik eşatomik NiTi alaşımı yüzey frezeleme ile çeşitli kesici takım malzemeleri kullanılarak işlenmiştir. Araştırmada 25-400 m/min arasındaki kesme hızları kullanılmış ve bu değişkenlerin yüzey bütünlüğü ile fonksiyonel bütünlük parametreleri üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Kesme hızının 100 m/min üzerine çıkması ile araştırılan kesici takımların genelinde daha düşük pürüzlülüğü elde edilmiştir. En düşük yüzey pürüzlülüğü değeri CBN kesici takım ile 400 m/min kesme hızı kullanıldığında elde edilmiştir. Faz dönüşüm entalpisi değerinin, işlenen tüm numunelerde işlenmemiş numuneye göre düştüğü, dönüşüm sıcaklığı histerezisinin ise arttığı sonucuna ulaşılmıştır. Buna göre, araştırılan tüm kesici takımlar için kesme hızı değeri artışının dönüşüm entalpisi ve dönüşüm sıcaklığı histerezisinde daha az etki yarattığı gözlemlenmiştir. Benzer olarak, kesme hızındaki artış ile yüzey altı sertleşmesinin daha az etkili olduğu gözlemlenmiştir. İşlenmemiş malzeme mikrosertlik değeri 340 HV iken, karbür kesici takım ile 25 m/min kesme hızında gerçekleştirilen işlemede, kesilen yüzeyden 20 µm derinlikte bu değerin %57 oranında arttığı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• NiTi
• Yüzey bütünlüğü
• Kesici takım malzemesi
• Yüksek hız
• Fonksiyonel bütünlük

Destekleyen Kurum

Eskişehir Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri

Proje Numarası

19ADP141

Teşekkür

Bu çalışmanın gerçekleşmesinde finansman desteği sağlayan Eskişehir Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projelerine (Proje numarası: 19ADP141) yazarlar olarak teşekkür ederiz.

Kaynakça

1. Bil, C., K. Massey, and E.J. Abdullah, Wing morphing control with shape memory alloy actuators, J. Intell. Mater. Syst. Struct., 24 (7), 879-898, 2013.
2. Safaei, K., et al., Additive Manufacturing of NiTi Shape Memory Alloy for Biomedical Applications: Review of the LPBF Process Ecosystem, JOM, 73 (12), 3771-3786, 2021
3. Chaudhari, R., J.J. Vora, and D. Parikh, A review on applications of nitinol shape memory alloy, in Recent Advances in Mechanical Infrastructure., Springer, 123-132, 2021.
4. Antonucci, V., et al., Shape Memory Alloy Engineering: For Aerospace, Structural, and Biomedical Applications, Butterworth-Heinemann, 2021.
5. Weinert, K. and V. Petzoldt, Machining of NiTi based shape memory alloys, Materials science and engineering: A, 378 (1-2), 180-184, 2004.
6. Araujo, A.C., Y. Landon, and P. Lagarrigue, Smart drilling for Aerospace Industry: state of art in research and education, Procedia CIRP, 99, 387-391, 2021.
7. Ginting, A. and M. Nouari, Experimental and numerical studies on the performance of alloyed carbide tool in dry milling of aerospace material, Int. J. Mach. Tools Manuf., 46 (7-8), 58-768, 2006.
8. De Souza, A.F. and R.T. Coelho, Experimental investigation of feed rate limitations on high speed milling aimed at industrial application, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 32 (11-12), 1104-1114, 2007.

9. Huang, H., A study of high-speed milling characteristics of nitinol, Mater. Manuf. Processes,. 19 (2), 159-175, 2004.
10. Guo, Y., et al., Machinability and surface integrity of Nitinol shape memory alloy, CIRP Annals, 62 (1), 83-86, 2013.
11. Umbrello, D. and L. Filice, Improving surface integrity in orthogonal machining of hardened AISI 52100 steel by modeling white and dark layers formation, CIRP annals, 58 (1), 73-76, 2009.
12. Piquard, R., et al., Micro-end milling of NiTi biomedical alloys, burr formation and phase transformation, Precision Engineering, 38 (2), 356-364, 2014.
13. Kaynak, Y., et al., Surface characteristics of machined NiTi shape memory alloy: the effects of cryogenic cooling and preheating conditions, J. Mater. Eng. Perform., 26 (7), 3597-3606, 2017.
14. Zailani, Z.A. and P.T. Mativenga, Effects of chilled air on machinability of NiTi shape memory alloy, Procedia Cirp, 45, 207-210, 2016.
15. Kaya, E. and İ. Kaya, A review on machining of NiTi shape memory alloys: The process and post process perspective, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 100 (5), 2045-2087, 2019.
16. Kaynak, Y., H. Karaca, and I. Jawahir, Cutting speed dependent microstructure and transformation behavior of NiTi alloy in dry and cryogenic machining, J. Mater. Eng. Perform., 24 (1), 452-460, 2015.
17. Weinert, K., V. Petzoldt, and D. Kötter, Turning and drilling of NiTi shape memory alloys, CIRP Annals, 53 (1), 65-68, 2004.
18. Kaynak, Y., et al., The effects of machining on the microstructure and transformation behavior of NiTi Alloy, Scr. Mater., 74, 60-63, 2014.
19. Tang, W., Thermodynamic study of the low-temperature phase B19′ and the martensitic transformation in near-equiatomic Ti-Ni shape memory alloys. Metall. Mater. Trans. A, 28 (3), 537-544, 1997.
20. Yang, S.Y. and G.S. Dui, Temperature analysis of one-dimensional NiTi shape memory alloys under different loading rates and boundary conditions, Int. J. Solids Struct., 50 (20), 3254-3265, 2013.
21. Ortin, J. and A. Planes, Thermodynamic analysis of thermal measurements in thermoelastic martensitic transformations, Acta Metall., 36 (8), 1873-1889, 1988.
22. McCormick, P.G. and Y. Liu, Thermodynamic analysis of the martensitic transformation in NiTi—II. Effect of transformation cycling, Acta Metall. Mater., 42 (7), 2407-2413, 1994.
23. Pelton, A.R., et al., Effects of thermal cycling on microstructure and properties in Nitinol, Materials Science and Engineering: A, 532, 130-138, 2012.
24. Boothroyd, G., Fundamentals of metal machining and machine tools, 28, Crc Press, 1988.
25. Shaw, M.C. and J. Cookson, Metal cutting principles, 2, Oxford university press New York, 2005.
26. Kaçal, A. and F. Yıldırım, Determining the effects of CBN cutting insert's cutting performance on surface roughness and tool wear at turning of PDM 23 steel, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31 (1), 181-189, 2016.
27. Ciftci, I., Machining of austenitic stainless steels using CVD multi-layer coated cemented carbide tools, Tribol. Int., 39 (6), 565-569, 2006.
28. Munoz-Escalona, P. and Z. Cassier, Influence of the critical cutting speed on the surface finish of turned steel, Wear, 218 (1), 103-109, 1998.
29. Mahmud, A.S., et al., Effect of annealing on deformation-induced martensite stabilisation of NiTi, Intermetallics, 16 (2), 209-214, 2008.
30. Hamilton, R.F., et al., Stress dependence of the hysteresis in single crystal NiTi alloys, Acta Mater., 52 (11), 3383-3402, 2004.
31. Karaman, I., et al., The effect of severe marforming on shape memory characteristics of a Ti-rich NiTi alloy processed using equal channel angular extrusion, Metall. Mater. Trans. A, 34 (11), 2527-2539, 2003.
32. Ramaiah, K., C. Saikrishna, and S. Bhaumik, Ni24. 7Ti50. 3Pd25. 0 high temperature shape memory alloy with narrow thermal hysteresis and high thermal stability, Mater. Des., 56, 78-83, 2014.
33. Kaya, E. and B. Akyüz, Effects of cutting parameters on machinability characteristics of Ni-based superalloys: a review, Open Engineering, 7 (1), 330-342, 2017.
34. Wu, M.H., Fabrication of nitinol materials and components, Materials Science Forum, 394, 285-292, Trans Tech Publ., 2002.
35. Gürbüz, H., U. Şeker, and 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, 35 (1), 225-240, 2020.
36. Coromant, S., Modern metal cutting: a practical handbook, English Edition, Sandvik Coromant, Sweden, I-III, 35-120, 1994.