Östemperlenmiş Sfero Dökme Demir (GGG70) Malzemenin Frezelenmesinde Proses Parametrelerinin Arı Algoritması ile Optimizasyonu

Abstract

Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir malzemeler (GGG-70) otomotiv ve diğer endüstriyel sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer dökme demirlere kıyasla yüksek mukavemet, aşınma direnci, süneklik ve yorulma mukavemeti gibi üstün mekanik özellikleri vardır. Bunun yanında endüstride kullanılabirliğini kısıtlayan en önemli etken zayıf işlenebilirliğidir. Bir malzemenin işlenebilirliği sadece mekanik özelliklerine ve mikro yapısına değil aynı zamanda proses değişkenlerinin seçimine ve kontrolüne de bağlıdır. GGG-70 malzemenin frezelenmesinde kesme sıvısı türü, kesme hızı ve talaş derinliğini değerleri değiştirilerek, malzeme yüzeyinde 10 mm genişliğinde 50 mm uzunluğunda kanallar açılmıştır. Kesme sıvısı uygulaması minimum miktarda yağlayıcı (MQL) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı işleme parametreleri ile yapılan deneyler sonucunda malzeme yüzeyinin pürüzlülüğü ve sertliği ölçülmüştür. İşlenmemiş yüzey sertliğine kıyasla frezelenmiş yüzeylerde ortalama %2-%10 arasında sertlik düşüşü meydana gelmiştir. Sertlik değerlerinin değişimi ile parametre seviyelerinin değişimi arasında anlamlı bir istatistik oluşmamıştır. Farklı kesme parametreleri ile yüzey pürüzlüğü arasındaki matematiksel model 1. dereceden regresyon analizi ile elde edilmiştir. Kesme sıvısının, kesme hızının ve talaş derinliğinin optimum parametreleri metasezgisel optimizasyon metodu olan Arı Algoritması ile bulunmuştur. Arı Algoritmasına göre optimum frezeleme koşulları bitkisel yağ, 180 m/dk kesme hızı ve 0.5 mm kesme derinliğinin kullanıldığı şartlarda elde edilmiştir. Özellikle bitkisel yağın bor yağına kıyasla optimum performans sağlaması, sürdürülebilir çevre açısında önem arz etmektedir.

Keywords

• Minimum miktarda yağlama
• Arı Algoritması
• Östemperlenmiş küresel grafitli dökme demir
• Talaşlı imalat
• Optimizasyon

Optimization of the Process Parameters by the Bees Algorithm in Milling of Austempered Ductile Cast Iron (GGG70) Material

Abstract

Austempered ductile cast iron materials are used in automotive and other industrial sectors. It has outstanding mechanical properties which high strength, wear resistance, ductility and fatigue strength compared to other cast irons. In addition, the most important factor limiting using in industry is its poor machinability. The machinability of a material depends not only on its mechanical properties and microstructure, but also on the selection and control of process variables. By changing the cutting fluid, speed and depth in GGG-70 material, channels have been opened on the material surface by milling process with a width of 10 mm and a length of 50 mm. The machining process was carried out using a minimum amount of lubricant (MQL). As a result of experiments with different processing parameters, the surface roughness and surface hardness of the material were measured. Compared to the uncut surface hardness, an average hardness reduction of 2%-10% occurred as a result of milling. The level of cutting parameters did not cause a statistically significant change in the surface hardness value. The mathematical model between different cutting parameters and surface roughness was obtained decisively by regression analysis. The optimum parameters of the cutting fluid, its speed and depth were found by the Bees Algorithm, which is a meta-heuristic methods optimization method. According to the Bees Algorithm, the optimum milling conditions are vegetable oil, 180 m/min cutting speed and 0.5 mm cutting depth. Especially, the optimum performance of vegetable oil compared to boron oil is important from the point of view of sustainable environment.

Keywords

• Minimum quantity lubrication
• Bees Algorithm
• Austempered ductile cast iron
• Machining
• Optimization

References

1. [1] D. Handayani, "The machinability of austempered ductile irons (ADI), " Ph.D. dissertation, The Pennsylvania State Univ., Pennsylvania, America, 2017.
2. [2] G. Gider, "Farklı oranlarda silisyum içeren küresel grafitli dökme demirlerin mikro yapılarına çift kademeli östemperlemenin etkisi, " Yüksek Lisans Tezi , İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2015.
3. [3] A. Sinlah, D. Handayani, R. C. Voigt, K. Hayrynen, R. M. Saoubi and C. Saldana, "Effects of microstructure and strength on wear performance in rough milling of austempered ductile iron", International Journal of Cast Metals Research, vol. 29, pp. 62-67, August 2015. doi:10.1179/1743133615Y.0000000026
4. [4] D. Eraslan, A. Balcı, B. Çetin , N. Uçak , A. Çiçek , O.D. Yılmaz , K. Davut, " Machinability evaluations of austempered ductile iron and cast steel with similar mechanical properties under eco-friendly milling conditions" J. Mater. Res. Technol., vol. 11, pp. 1443–1456, January 2021. doi:10.1016/j.jmrt.2021.01.123
5. [5] A. Pınarbaşı , M. K. Külekçi , C. Boğa , U. Eşme, "Optimization of the Effect of Processing Parameters on Surface Roughness and Cutting Energy in CNC Milling of Al-7075 Material ", Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol 35 (2), pp. 345-355, Haziran 2020. doi:10.21605/cukurovaummfd.792420
6. [6] P. Parhad, V. Dakre, A. Likhite and J. Bhatt, "The impact of cutting speed and depth of cut on cutting force during turning of austempered ductile iron" Materials Today: Proceedings, vol. 19, pp. 663-669, July 2019. doi: 10.1016/j.matpr.2019.07.750
7. [7] J. Datt, U. Batra, "Influence of Composition and Austempering Temperature on Machinability of Austempered Ductile Iron",World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Chemical, Nuclear, Metallurgical and Materials Engineering ,vol.7 No:2, January 2013. waset.org/Publication/9996961
8. [8] A. Eltaggaz, P. Zawada, H. A. Hegab, I. Deiab, H. A. Kishawy, "Coolant strategy influence on tool life and surface roughness when machining ADI", Int. J Adv. Manuf. Technol, vol. 94, pp. 3875–3887, February 2018. doi:10.1007/s00170-017-1088-1

9. [9] M. Arft, F. Klocke and D. Lung, "Evaluation of the machining aspects of Austempered Ductile Iron" Int. J. Met. Cast., vol.1A, pp. 36-42, 2012. doi:10.1007/BF03355537
10. [10] M. T. Adır, "Isıl işlem yardımıyla mekanik özellikleri iyileştirilmiş GGG70 dökme demirin işlenebilirliğinin araştırılması", Yüksek Lisans Tezi, Konya Teknik Üniversitesi, Konya, Türkiye, 2021.
11. [11] P. Sahoo, "Fractal characterization and optimization of electroless Ni–P coatings", Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 41, pp.9, January 2008, doi:10.1088/0022-3727/41/2/025310
12. [12] A. Rodriguez, L. N. López de Lacalle, O. Pereira, A. Fernandez and I. Ayesta, "Isotropic finishing of austempered iron casting cylindrical parts by roller burnishing", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 110, pp. 753–761, August 2020. doi:10.1007/s00170-020-05894-7
13. [13] D. Manivel, R. Gandhinathan, "Optimization of surface roughness and tool wear in hard turning of austempered ductile iron (grade3) using Taguchi method", Measurement, vol. 93, pp. 108–116, June 2016. doi: 10.1016/j.measurement.2016.06.055
14. [14] G. Uzun, "Analysis of grey relational method of the effects on machinability performance on austempered vermicular graphite cast irons", Measurement, vol. 142, pp. 122-130, April 2019, doi:10.1016/j.measurement.2019.04.059
15. [15] P. Yan, Y. Rong and Gang Wang, "The effect of cutting fluids applied in metal cutting process", Proc IMechE Part B: J Engineering Manufacture, vol.230, pp.19-37, May 2015. doi:10.1177/0954405415590993
16. [16] O. Aydoğan, " Takım Malzemelerinde Aşınma Hasarlarını Önleyecek İşlemler ve Yağlayıcıların Belirlenmesi, " Yüksek Lisans Tezi , Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2011.
17. [17] T. Prakash, A. Arun, A. Sachin, "Investigation of non-edible vegetable oil as cutting fluid in boring operation using MQL technique for CEW-1 steel", Materials Today: Proceedings, vol. 72, pp. 1462-1466, September 2022. doi:10.1016/j.matpr.2022.09.346
18. [18] E. A. Rahim, M. R. Ibrahim, A. A. Rahim, S. Aziz, Z. Mohid, "Experimental investigation of minimum quantity lubrication (MQL) as a sustainable cooling technique", 12th Global Conference on Sustainable Manufacturing, Germany, 2015, pp. 351-354. https://gcsm.eu/Malaysia/
19. [19] A. Sharma and R. Kumar, "Potential use of minimum quantity lubrication (MQL) in machining of biocompatible materials using environment friendly cutting fluids: An overview", Materials Today: Proceedings, vol. 45, pp. 5315-5319, 2021, doi:10.1016/j.matpr.2021.01.904
20. [20] I. S. Afonso, J Pereira, A.E. Ribeiro, J.S. Amaral, N. Rodrigues, J. R. Gomes, R.Lima, J. Ribeiro, “Analysis of a Vegetable Oil Performance in a Milling Process by MQL Lubrication“, Micromachines (Basel)., vol.13(8), pp. 1254, August 2022. doi:10.3390/mi13081254
21. [21] A. Alshibi, A. Nasreldin, S. Pervaiz, "Sustainable Vegetable Oil-Based Minimum Quantity Lubrication Assisted Machining of AZ91 Magnesium Alloy: A Grey Relational Analysis-Based Study", Lubricants, vol 11(2), pp 79, February 2023. doi:10.3390/lubricants11020079
22. [22] D. B. Cönger, "Nano molibden disülfit katkılı bitkisel esaslı kesme sıvısı kullanarak minimum miktarda yağlama ile alüminyumun frezelenmesinde işlem parametrelerinin talaş kaldırma performansına etkilerinin incelenmesi ", Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2019.
23. [23] K. M. Li , S.Y. Chou, " Experimental evaluation of minimum quantity lubrication in near micro-milling", Journal of Materials Processing Technology, vol. 210, No. 15, pp.2163–2170, July 2010. doi:10.1016/j.jmatprotec.2010.07.031
24. [24] A. Uysal, F. Demirena, E. Altana, "Applying Minimum Quantity Lubrication (MQL) Method onMilling of Martensitic Stainless Steel by Using Nano MoS2 Reinforced Vegetable Cutting Fluid", Procedia - Social and Behavioral Sciences, vol.195, pp. 2742 – 2747, 2015, doi: 10.1016/j.sbspro.2015.06.384
25. [25] E. Kuram, B. T.Simsek, B.Ozcelik, E.Demirbas, S. Askin, “Optimization of the cutting fluids and parameters using Taguchi and ANOVA in milling”, In Proceedings of the world congress on engineering, London, U.K (Online) , vol. II, pp. 1-5, WCE 2010. https://www.iaeng.org/publication/WCE2010/
26. [26] B. Çelik, "Küresel grafitli ggg-70 dökme demirin minimum miktarda yağlama tekniği kullanılarak frezelenmesinde işlenebilirliğinin deneysel olarak incelenmesi ", Yüksek Lisans Tezi, Kütahya Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya, Türkiye, 2018.
27. [27] M. H. Cetin, B. Ozcelik, E. Kuram, E. Demirbas, “Evaluation of vegetable based cutting fluids with extreme pressure and cutting parameters in turning of AISI 304L by Taguchi method”, Journal of Cleaner Production, vol. 19, pp. 2049-2056, July 2011. doi:10.1016/j.jclepro.2011.07.013
28. [28] M. A. Makhesana, J. A. Baravaliya, R. J. Parmar, B. K. Mawandiya, K. M. Patel, “Machinability improvement and sustainability assessment during machining of AISI 4140 using vegetable oil-based MQL”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 43, pp. 1-14, July 2021. doi:10.1007/s40430-021-03256-2
29. [29] J. Lu, Z. Zhang, X. Yuan, J. Ma, S. Hu, B. Xue, X. Liao, "Effect of machining parameters on surface roughness for compacted graphite cast iron by analyzing covariance function of Gaussian process regression", Measurement, 157: 1-11, February2020. doi: 10.1016/j.measurement.2020.107578
30. [30] Y.Fedai, A. Ünüvar, "Frezelemede optimum kesme parametrelerini belirlemek için yapay zeka sistemlerinden oluşan adaptif bir sanal operatörün geliştirilmesi",5.Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, Ekim 2014, pp. 129, Bursa, Türkiye.
31. [31] D.T. Pham, A. Ghanbarzadeh, E. Koç, S. Otri, S. Rahim , M. Zaidi, "The Bees Algorithm – A Novel Tool for Complex Optimisation Problems ", Intelligent Production Machines and Systems, pp. 454-459. December 2006, doi:10.1016/B978-008045157-2/50081x
32. [32] H. Kedia, A. Pandey, A. Kumar, A. Majumdar, J. De, N. Ghosh, "Optimization of process parameters in machining of Inconel 718 super alloy on HMT (NH22) capstan lathe using genetic algorithm subject to minimization of surface roughness", Materials Today: Proceedings, vol. 66, pp. 3910-3915, July 2022, doi:10.1016/j.matpr.2022.06.390
33. [33] B. Choudhuri, R. Sen, "Optimization of WEDM parameters for machining inconel 800 by ann based bayesian hybrid algorithm", Materials Today: Proceedings, vol. 62, pp.1098-1101, May 2022. doi:10.1016/j.matpr.2022.04.318
34. [34] B. Wang, M. He, G. C. Barber, J. D. Schall, C. Tao, X. Sun, "Rolling contact fatigue resistance of austempered ductile iron processed at various austempering holding times", Wear, vol. 398, pp.41-46, March 2018. doi:10.1016/j.wear.2017.11.022
35. [35] Y.A. A. Ahmaida, S. Korkmaz, S. K. Kilincarslan, O. C. Sirvan, M H. Cetin, "Investigation of interaction of extreme pressure additive, load and sliding speed parameters with silver nano-particles in wear environment", vol. 4, pp.4., November 2021. doi:10.1088/2051-672X/ac311f
36. [36] R.Düzce , G. Samtaş, "GG25 dökme demirin frezelenmesinde kesme parametrelerinin kesme sıcaklığı üzerine etkisi ve optimizasyonu", İmalat Teknolojileri ve Uygulamaları, vol. 2, pp. 20-33, November 2021, doi:10.52795/mateca.1019186
37. [37] M. A. Şen, M. Kalyoncu, " Optimisation of a PID controller for an inverted pendulum using the Bees Algorithm", Applied Mechanics and Materials, vol. 789-790, pp 1039-1044, May 2015, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.789-790.1039
38. [38] D. T. Pham, E. Koç, M. Kalyoncu, M. Tınkır, "Hierarchical PID controller design for a flexible link Robot manipulator using the Bees Algorithm", Proceedings of 6th International Symposium on Intelligent Manufacturing Systems, , pp. 757-765, October 2008, Sakarya, Turkey. www.imss.sakarya.edu.tr.
39. [39] E. Nas, H. Gökkaya, "Experimental and Statistical Study on Machinability of the Composite Materials with Metal Matrix Al/B4C/ Graphite", Metallurgıcal and Materıals Transactıons A, vol. 48, pp. 5059–5067, 2017. doi:10.1007/s11661-017-4237-0
40. [40] S. Pang, W. Zhao, T. Qiu, W. Liu, P. Yan, L. Jiao, X. Wang, "Effect of cutting fluid on milled Surface quality and tool life of aluminum alloy", Materials, vol 16(6), pp.2198, March 2023, . doi:10.3390/ ma16062198
41. [41] N.R. Dhar, M.W. Islama, S. Islama, M.A.H. Mithu, "The influence of minimum quantity of lubrication (MQL) on cutting temperature, chip and dimensional accuracy in turning AISI-1040 steel", Journal of Materials Processing Technology, vol. 171 pp.93–99, June 2005, doi:10.1016/j.jmatprotec.2005.06.047 [42] A. H. El-Sinawi, K. Reza, “Improving surface roughness in turning using optimal control of tool's radial position”, Journal of Materials Processing Technology, vol.167(1), pp. 54-61, August 2005, doi:10.1016/j.jmatprotec.2004.09.079
42. [43] M. Hüseyinoğlu, " 7075 alüminyum alaşımının freze ile işlenmesinde minimum soğutma sıvısı kullanmanın performans karakteristiklerine etkisi, " Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ, Türkiye, 2008.
43. [44] B. Li, C. Li, Y. Zhang, Y. Wang, D. Jia, and M. Yang, “Grinding temperature and energy ratio coefficient in MQL grinding of hightemperature nickel-base alloy by using different vegetable oils as base oil,” Chinese J. Aeronaut., vol. 29, no. 4, pp. 1084–1095, 2016. doi:10.1016/j.cja.2015.10.012
44. [45] S. A. Lawal., I. A. Choudhury,, Y. Nukman., Application of Vegetable Oil-Based Metalworking Fluids in Machining Ferrous Metals - A Review, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 52, No. 1, pp. 1–12, 2012. doi:10.1016/j.ijmachtools.2011.09.003
45. [46] M. Hamamcı, E. S. Topal, " Yüksek hızlı talaşlı işlemede yüzey kalitesinin iyileştirilmesi", 1st internatıonal symposium on innovative technologies ın engineering and science ISITES’2013 ,Sakarya, Turkey. Haziran 2013, pp. 528-537. https://isites.info/PastConferences/ISITES2013/
46. [47] V. Yılmaz, " Frezeleme uygulamalarında işleme parametrelerinin sebep olduğu titreşimlerin incelenmesi " Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2009.