Öz

Wave form end mills with variable rake and helix angles are new in the machining industry, and limited information is available on their machining performance. In this study, the machining performance of wave form end mills with variable rake and helix angles on the helical cutting edge on AISI 316L austenitic stainless steel which is in the difficult-to-cut materials due to work hardening, high tool wear and build-up edge (BUE) was investigated. In this context, five different carbide cutting tools, which are wave form tools with different wavelengths (mm) and wave amplitudes (µm) (6-550, 8-250, 4-450, and 8-650) and the standard tool, were evaluated through both experimental and statistical approaches in consideration of cutting forces, surface quality, tool life criteria. In terms of cutting forces and surface quality; wave form tools exhibited higher cutting forces and surface roughness values than the standard tool in all machining conditions, due to the predominance of machining negativity in negative rake angle regions despite the advantages provided by the positive rake angle regions. On the other hand, in 8-250 and 8-650 waveform tools with smaller positive and negative rake angles (+4°, -2°, -3°) were observed low tool wear values 17.2% and 6.9%, respectively compared to the standard tool. As a result, it is thought that 8-250 and 8-650 wave form tools can be a solution in rough milling processes for the low tool life problem caused by high mechanical strength and high work hardening properties that make difficult-to-cut AISI 316L material.

Anahtar Kelimeler

• Machining
• Milling
• Wave Form End Mill
• Variable Rake Angle
• Variable Helix Angle

Proje Numarası

119M657 1002 Hızlı Destek Projesi

Dalga formlu parmak frezelerin AISI 316L paslanmaz çelik üzerindeki işleme performansının deneysel ve istatistiksel olarak araştırılması

Öz

Değişken talaş ve helis açılarına sahip dalga formlu parmak frezeler, talaşlı imalat alanında henüz çok yeni ve performansları hakkında çok az bilgi sahibi olunan kesici takımlardır. Bu çalışmada, helisel kesici kenar üzerinde değişken talaş ve helis açıları bulunan dalga formlu parmak frezelerin; çalışma sertleşmesi, yüksek takım aşınması ve yığıntı talaş (BUE) oluşturma eğilimi sebepleriyle işlenmesi zor malzemeler grubunda yer alan, AISI 316L östenitik paslanmaz çelik üzerindeki işleme performansları araştırılmıştır. Bu kapsamda, farklı dalga boylarına (mm) ve dalga genliklerine (µm) (6-550, 8-250, 4-450 ve 8-650) sahip dalga formlu ve standart form olmak üzere beş farklı yekpare karbür kesici takım, deneysel ve istatistiksel yaklaşımlardan oluşan bir çalışma planı çerçevesinde; kesme kuvvetleri, yüzey kalitesi ve takım ömrü kriterleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Dalga formlu takımlar; kesme kuvvetleri ve yüzey kalitesi açısından, pozitif talaş açılı bölgelerin sağladığı avantajlara rağmen negatif talaş açılı bölgelerdeki işleme olumsuzluklarının baskın gelmesi nedeniyle, bütün işleme şartlarında, standart takıma göre daha yüksek kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülük değerleri sergilemiştir. Diğer taraftan, daha küçük pozitif ve negatif talaş açılarına (+4°, -2°, -3°) sahip 8-250 ve 8-650 dalga formlu takımlarda, standart takıma göre sırasıyla %17,2 ve %6,9 oranlarında daha düşük takım aşınma değerleri görülmüştür. Sonuç olarak, AISI 316L malzemesinin işlenebilirliğini zorlaştıran yüksek mekanik dayanım ve yüksek çalışma sertleşmesi (pekleşme) özelliklerinin neden olduğu düşük takım ömrü problemi için 8-250 ve 8-650 dalga formlu takımların, kaba talaş (rough) frezeleme işlemlerinde çözüm olabileceği düşünülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Talaşlı İmalat
• Frezeleme
• Dalga Formlu Parmak Freze
• Değişken Talaş Açısı
• Değişken Helis Açısı

Destekleyen Kurum

TÜBİTAK, Karcan Kesici Takım Sanayi ve Ticaret A.Ş.

Proje Numarası

119M657 1002 Hızlı Destek Projesi

Teşekkür

Bu çalışma, TÜBİTAK 1002 Hızlı Destek Projesi kapsamında 119M657 numaralı proje ile desteklenmiş olup, yazarlar bu destek için TÜBİTAK’a ve kesici takımların üretimi ve temini için katkı sağlayan Karcan Kesici Takım Sanayi ve Ticaret A.Ş.’ye teşekkür eder.

Kaynakça

1. Abukhshim, N., Mativenga, P., ve Sheikh, M.A., Heat generation and temperature prediction in metal cutting: A review and implications for high speed machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 46 (7-8), 782-800, 2006.
2. Altıntaş, Y., Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design: Cambridge university press New York, 2012.
3. Shaw, M.C. ve Cookson, J., Metal cutting principles, Vol. 2. Oxford university press New York, 2005.
4. Trent, E.M. ve Wright, P.K., Metal cutting: Butterworth-Heinemann, 2000.
5. Black, J.T. ve Kohser, R.A., DeGarmo's materials and processes in manufacturing: John Wiley & Sons, 2020.
6. Akgün, A., Dalgalı kesim özelliğine sahip değişken talaş açılı parmak freze tasarımı ve performansının değerlendirilmesi. 2020, Gazi Üniversitesi, Ankara. p. 87.
7. Korovin, G., Petrushin, S., ve Gubaidulina, R., Machining of Titanium Alloys with Wave Milling Cutters. Materials Science Forum: Trans Tech Publ. 2018.
8. Song, Q., Ai, X., ve Zhao, J., Design for variable pitch end mills with high milling stability, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 55 (9-12), 891-903, 2011.

9. Wan, M., Feng, J., Zhang, W.-H., Yang, Y., ve Ma, Y.-C., Working mechanism of helix angle on peak cutting forces together with its design theory for peripheral milling tools, Journal of Materials Processing Technology, 249, 570-580, 2017.
10. Burek, J., Zylka, L., Plodzien, M., Gdula, M., ve Sulkowicz, P., The influence of the cutting edge shape on high performance cutting, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2018.
11. Plodzien, M., Burek, J., Zylka, L., ve Sulkowicz, P., The influence of end mill helix angle on high performance milling process, Journal of Mechanical Science and Technology, 34 (2), 817-827, 2020.
12. Dombovari, Z. ve Stepan, G., The effect of harmonic helix angle variation on milling stability. ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference: American Society of Mechanical Engineers. 2011.
13. Dombovari, Z. ve Stepan, G., The effect of helix angle variation on milling stability, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 134 (5), 051015, 2012.
14. Okafor, A.C. ve Sultan, A.A., Development of a mechanistic cutting force model for wavy-edge bull-nose helical end-milling of inconel 718 under emulsion cooling strategy, Applied Mathematical Modelling, 40 (4), 2637-2660, 2016.
15. Sultan, A.A. ve Okafor, A.C., Effects of geometric parameters of wavy-edge bull-nose helical end-mill on cutting force prediction in end-milling of Inconel 718 under MQL cooling strategy, Journal of Manufacturing Processes, 23, 102-114, 2016.
16. Comak, A. ve Budak, E., Modeling dynamics and stability of variable pitch and helix milling tools for development of a design method to maximize chatter stability, Precision Engineering, 47, 459-468, 2017.
17. Gürbüz, H., Şeker, U., ve Kafkas, F., AISI 316L çeliğinin tornalanmasında kesici takım formlarının yüzey bütünlüğü üzerine etkisi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (1), 2020.
18. Çiftçi, İ., Östenitik Paslanmaz Çeliklerin İşlenmesinde Kesici Takım Kaplamasının ve Kesme Hızının Kesme Kuvvetleri ve Yüzey Pürüzlülüğüne Etkisi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 20 (2), 2005.
19. Bolar, G., Das, A., ve Joshi, S.N., Measurement and analysis of cutting force and product surface quality during end-milling of thin-wall components, Measurement, 121, 190-204, 2018.
20. Yılmaz, V., Dilipak, H., Sarıkaya, M., Yılmaz, C.Y., ve Özdemir, M., Frezeleme işlemlerinde kesme kuvveti, titreşim ve yüzey pürüzlülüğü sonuçlarının modellenmesi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fen Bilimleri Dergisi, 30 (4), 220-226, 2014.
21. Hazir, E., Erdinler, E.S., ve Koc, K.H., Optimization of CNC cutting parameters using design of experiment (DOE) and desirability function, Journal of Forestry Research, 29 (5), 1423-1434, 2018.
22. Kaçal, A. ve Gülesin, M., Azdırma Freze Çakılarında Kesme Kuvveti Bileşenlerinin Deneysel ve İstatistiksel Olarak İncelenmesi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 24 (3), 2009.
23. Masooth, P.H.S., Jayakumar, V., ve Bharathiraja, G., Experimental investigation on surface roughness in CNC end milling process by uncoated and TiAlN coated carbide end mill under dry conditions, Materials Today: Proceedings, 22, 726-736, 2020.
24. Kumar, S.L., Experimental investigations and empirical modeling for optimization of surface roughness and machining time parameters in micro end milling using Genetic Algorithm, Measurement, 124, 386-394, 2018.
25. Aydın, K., Akgün, A., Yılmaz, B., Yavaş, Ç., ve Şeker, U., Investigation of the machining performance of the wavy form end mill with variable rake angle. 10th International Congress on Machining, Antalya/Turkey. 2019.
26. M’saoubi, R., Outeiro, J., Changeux, B., Lebrun, J., ve Dias, A.M., Residual stress analysis in orthogonal machining of standard and resulfurized AISI 316L steels, Journal of materials processing technology, 96 (1-3), 225-233, 1999.
27. Tetal, K., Machining of stainless steels handbook, ASM International, 681, 1989.
28. Outeiro, J., Umbrello, D., ve M’saoubi, R., Experimental and numerical modelling of the residual stresses induced in orthogonal cutting of AISI 316L steel, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 46 (14), 1786-1794, 2006.
29. Darwin, J., Lal, D.M., ve Nagarajan, G., Optimization of cryogenic treatment to maximize the wear resistance of 18% Cr martensitic stainless steel by Taguchi method, Journal of materials processing technology, 195 (1-3), 241-247, 2008.
30. Gürbüz, H., Kafkas, F., ve Şeker, U., AISI 316L eçeliğinin işlenmesinde kesici takım kesici kenar formu ve talaş kırıcı formlarının kesme kuvvetleri ve yüzey pürüzlülüğü üzerine etkisi, Batman Üniversitesi Yaşam Bilimleri Dergisi, 1 (2), 173-184, 2012.
31. Günay, M., Aısı 316l Çeliğinin İşlenmesinde Takım Radyüsü Ve Kesme Parametrelerinin Taguchi Yöntemiyle Optimizasyonu, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 28 (3), 2013.
32. MatWeb, http://www.matweb.com/index.aspx Erişim tarihi: 14.04.2019.
33. Ceratizit Group, https://www.ceratizit.com/en/products/rods-preforms/carbide-grades/ Erişim tarihi: 27.04.2019.
34. Karcan Cutting Tools, http://www.karcan.com/en/product/100-series-endmill Erişim tarihi: 27.02.2021.
35. Sandvik Coromant Tool Guide, https://www.sandvik.coromant.com/tr-tr/products/pages/toolguide.aspx Erişim tarihi: 05.02.2020.
36. ISCAR Tool Advisor, http://www.iscar.com/ita/ Erişim tarihi: 05.02.2020.
37. Ciftci, I., Machining of austenitic stainless steels using CVD multi-layer coated cemented carbide tools, Tribology International, 39 (6), 565-569, 2006.
38. Zhao, J., Ai, X., ve Li, Z.L., Finite element analysis of cutting forces in high speed machining. Materials Science Forum: Trans Tech Publ. 2006.
39. Saglam, H., Unsacar, F., ve Yaldiz, S., Investigation of the effect of rake angle and approaching angle on main cutting force and tool tip temperature, International Journal of machine tools and manufacture, 46 (2), 132-141, 2006.
40. Günay, M., Aslan, E., Korkut, I., ve Şeker, U., Investigation of the effect of rake angle on main cutting force, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 44 (9), 953-959, 2004.
41. Günay, M., Korkut, I., Aslan, E., ve Şeker, U., Experimental investigation of the effect of cutting tool rake angle on main cutting force, Journal of materials processing technology, 166 (1), 44-49, 2005.
42. Günay, M. ve Şeker, U., Kesici takım talaş açısının ilerleme kuvveti üzerindeki etkisinin araştırılması, Politeknik dergisi, 8 (4), 2005.
43. Gökkaya, H., Sur, G., ve Dılıpak, H., PVD ve CVD kaplamalı sementit karbür kesici takımların işleme parameterlerine bağlı olarak yüzey pürüzlülüğüne etkisinin deneysel olarak incelenmesi, Teknoloji, 7 (3), 2004.
44. Gunay, M., Investigation of the interaction between the surface quality and rake angle in machining of AISI 1040 steel, Sigma-Journal of Engineering and Natural Sciences, 26 (2), 105-111, 2008.
45. ISO 8688-2: Tool Life Testing in Milling - Part 2: End Milling. 2006, International Standards Institution.
46. Astakhov, V.P. ve Davim, J.P., Tools (geometry and material) and tool wear, Machining. 2008, Springer. p. 29-57.
47. Astakhov, V.P., Tribology of metal cutting, 2006.
48. Ema, S. ve Davies, R., Cutting performance of end mills with different helix angles, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 29 (2), 217-227, 1989.