Ti6Al4V malzemesi için yüzey pürüzlülüğü verilerinden rezistans tahmini: Elektromekanik empedans spektroskopisine dayalı deneysel bir çalışma

Öz

Elektromekanik Empedans Spektroskopi yöntemi, yapısal sağlık izleme uygulamaları arasında yaygın olarak kullanılan tekniklerden biridir. Bu yöntemde, piezoelektrik sensörler yapısal durumu izlenmek istenen yapı üzerine entegre edilmektedir. Yapının empedans/admitans karakteristikleri empedans analizör kullanılarak belirlenmektedir. Yapıda hasar, kusur, aşınma vb. olduğunda empedans/admitans rezonans piklerinde değişimler meydana gelmektedir. Bu çalışmada Ti6Al4V malzemesi için tornalama prosesinde farklı işleme parametrelerinin sonucunda oluşan yüzey pürüzlülüğü verilerini kullanarak rezistans değerlerinin tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Taguchi L16 deney tasarımı kullanılarak deney planı oluşturulmuştur. Numunelerin yüzey pürüzlülüğü ölçümleri tamamlandıktan sonra numunelere piezoelektrik sensörler yapıştırılmıştır ve rezistans ölçümleri 20 Hz-15 MHz frekans aralığında deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Yüzey pürüzlülüğü ve rezistans arasındaki ilişki araştırılmıştır ve ampirik denklem önerilmiştir. Önerilen denklemin belirlilik katsayısı (R2) 0.781 ve anlamlılık yüzdesi 0.0006 (p<0.001) olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar önerilen denklemin rezistans değerlerini tahmin etmede kullanılabileceğini göstermiştir. Doğrulama deneyi gerçekleştirilerek önerilen denklemin doğruluğu test edilmiştir. Önerilen denklemin % 83.862 doğruluğa sahip olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Yüzey pürüzlülüğü
• Rezistans
• Piezoelektrik sensör

Resistance estimation from surface roughness data for Ti6Al4V material: An experimental study based on electromechanical impedance spectroscopy

Abstract

Electromechanical Impedance Spectroscopy is one of the widely used techniques in structural health monitoring applications. In this method, piezoelectric sensors are integrated onto the structure whose structural condition is to be monitored. The impedance/admittance characteristics of the structure are determined using an impedance analyzer. When damage, defects, wear, etc. occur in the structure, changes occur in the impedance/admittance resonance peaks. This study aims to predict the resistance values of Ti6Al4V material using surface roughness data obtained from different machining parameters during the turning process. An experimental plan was created using Taguchi L16 experimental design. After completing surface roughness measurements, piezoelectric sensors were attached to the samples, and resistance measurements were experimentally performed in the frequency range of 20 Hz-15 MHz. The relationship between surface roughness and resistance was investigated, and an empirical equation was proposed. The coefficient of determination (R²) of the proposed equation was calculated as 0.781, and the significance percentage as 0.0006 (p<0.001). These results indicate that the proposed equation can be used to predict resistance values. A validation experiment was conducted to test the accuracy of the proposed equation. It was determined that the proposed equation has an accuracy of 83.862%.

Keywords

• Surface roughness
• Resistance
• Piezoelectric sensor

Kaynakça

1. E. Ezugwu, Key improvements in the machining of difficult-to-cut aerospace superalloys. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45(12-13), 1353-1367,2005. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.02.003.
2.     A. Šalak, K. Vasilko, M. Selecká, and H. Danninger, New short time face turning method for testing the machinability of PM steels. Journal of Materials Processing Technology, 176(1-3), 62-69, 2006. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.02.014.
3.     B. E. Clancy and Y. C. Shin, A comprehensive chatter prediction model for face turning operation including tool wear effect. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42(9), 1035-1044, 2002. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(02)00036-6.
4.     W. Staszewski, C. Boller and G. R. Tomlinson, Health monitoring of aerospace structures: smart sensor technologies and signal processing, John Wiley & Sons, 2004.
5.     F. I. Ferreira, P. R. de Aguiar, R. B. da Silva, M. J. Jackson, R. de Souza Ruzzi, F. G. Baptista and E. C. Bianchi, Electromechanical impedance (EMI) measurements to infer features from the grinding process The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,106(5-6), 2035-2048,2020. https://doi.org/10.1007/s00170-019-04733-8.
6.     V. Giurgiutiu, Structural health monitoring: with piezoelectric wafer active sensors, Elsevier, 2007.
7.     F. Taylan ve N. Oral, Tİ-6AL-4V ELI malzemesinin tornalama işleminde yüksek basınçlı jet soğutmanın yüzey pürüzlülüğüne etkisi. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 10(1), 31-46, 2018.
8.     G.Serin, M.Kahya, M. Özbayoğlu ve H.Ö. Ünver, Ti6Al4V malzemesinin tornalama işleminde özgül kesme enerjisi ve yüzey pürüzlülüğünün incelenmesi ve yapay sinir ağları temelli tahmin modeli geliştirilmesi. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24 (2), 2019.https://doi.org/10.17482/uumfd.301128.

9.     A. O. Er ve K. Zeyrek, Ti-6Al-4V Alaşımının tornalanmasında minimum miktarda yağlama (MMY) yöntemi ile kesme sıvısı uygulamanın işlenebilirliğe etkilerinin araştırılması. International Journal of Engineering Research and Development, 13(2), 653-665, 2021. https://doi.org/10.29137/umagd.907630.
10.   O. Oral, O. Çolak ve M. Bayhan, Ti6Al4V malzemesinin frezelenmesinde takım titreşiminin yüzey pürüzlülüğüne etkisinin incelenmesi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8(1), 381-390, 2020. https://doi.org/10.29130/dubited.533362.
11.   B. Kaymak ve F. Öztürk, Investigating the influence of machining parameters and tool coatings on surface qualtiy of titanium parts in aerospace industry. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(1), 27-35, 2025. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1525630
12.   Ş. Altınsoy ve N. B. Üllen, Ti6Al4V alaşımının delme ve frezeleme proseslerinde işleme parametrelerinin talaş formları, yüzey Pürüzlülüğü ve kesici takımların aşınması üzerine etkileri. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 37(1), 233-249, 2025. https://doi.org/10.35234/fumbd.1546406.
13.   E. Adıyaman ve A. O. Er, İşlenmesi zor malzemelerin tornalanması için en uygun işleme sıcaklıklarının makine öğrenmesi İle belirlenmesi. İmalat Teknolojileri ve Uygulamaları, 5(1), 46-64, 2024. https://doi.org/10.52795/mateca.1463257.
14.   M. Marchi, F. G. Baptista, P. R. de Aguiar and E. C. Bianchi, Grinding process monitoring based on electromechanical impedance measurements. Measurement Science and Technology, 26(4), 045601, 2015. https://doi.org/10.1088/0957-0233/26/4/045601.
15.   P. O. Junior, P. Aguiar, R. Ruzzi, S. Conte, M. Viera, F. Alexandre and F. Baptista, Tool condition monitoring in grinding operation using piezoelectric impedance and wavelet transform, The 6th International Electronic Conference on Sensors and Applications, p.10, MDPI,2019
16.   M. Tekkalmaz, Ü. Er, F. H. Cakir and F. Bozkurt, A new approach to monitor wear tracks propagation on-site with electromechanical impedance technique. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 33(2), 342-351, 2022. https://doi.org/10.1177/1045389X211014951.
17.   F. H. Çakir, Ü. Er and M. Tekkalmaz. Monitoring the wear of turning tools with the electromechanical impedance technique. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 34(11), 1341-1352, 2023. https://doi.org/10.1177/1045389X221135027.
18.   Akyay Sanayi ve Ticaret Ltd. Şti, Titanyum Gr5 (Ti-6Al-4V), https://www.akyaymetal.com.tr/titanyum-gr5-ti-6al-4v/, Accessed 5 November 2025.
19.   Greenleaf Corporation, Catalogs, https://www.greenleafcorporation.com/assets/catalogs/2023/GreenleafCatalogMetric.pdf, Accessed 16 December 2024.
20.   V. Giurgiutiu, Structural health monitoring with piezoelectric wafer active sensors, Second edition, Elsevier, 2014.
21.   R. Pawade, S. S. Joshi and P. Brahmankar, Effect of machining parameters and cutting edge geometry on surface integrity of high-speed turned Inconel 718. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48(1), 15-28, 2008. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.20708.004.
22.   D. Ulutan and T. Ozel, Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys: A review. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 51(3), 250-280, 2011. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2010.11.003.
23.   D. Ai, H. Luo, C. Wang and H. Zhu, Monitoring of the load-induced RC beam structural tension/compression stress and damage using piezoelectric transducers. Engineering Structures, 154, 38-51, 2018. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.10.046.
24.   D. Ai, H. Luo and H. Zhu, Numerical and experimental investigation of flexural performance on pre-stressed concrete structures using electromechanical admittance. Mechanical Systems and Signal Processing, 128, 244-265, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.03.046.
25.   V. G. M. Annamdas, Y. Yang and C. K. Soh, Influence of loading on structures actuated with piezoceramic transducers. Smart Structures, Devices, and Systems III, Adelaide, Australia, 2007.
26.   Y. Y. Lim and C. K. Soh, Damage detction and characterization using EMI technique under varying axial load. Smart Structures and Systems, 11(4), 349-364, 2013. https://doi.org/10.12989/sss.2013.11.4.349.