Kompakt grafitli dökme demirin delik delme işleminin incelenmesi ve sıcaklık modelinin oluşturulması

Otomotiv sanayii uzunca bir süredir kullanıcının artan performans beklentisini karşılamaya çalışırken, bir yandan da kapsamı her geçen gün genişleyen çevreyi korumaya yönelik kanunlara da uyma zorunluluğuna bir arada cevap vermeye çalışmaktadır. Bu kanunlardan özellikle emisyon standardındaki kirletici miktarlarındaki büyük düşüş beklentisi daha verimli yanmayı sağlayacak motor teknolojilerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Özellikle dizel gövdelerinde, egzos manifoldunda ve silindir kafalarında önceden kullanılan kır dökme demir yerine bugün daha iyi mekanik özelliklere sahip kompakt grafitli dökme demirin kullanımı bu amaca yöneliktir. Kompakt grafitli dökme demir, kır dökme demire göre sahip olduğu yüksek çekme dayanımı, aşınma ve korozyon dayanımı sayesinde daha büyük basınçlara dayanabildiğinden daha iyi bir yanma ortamı oluşturmaktadır. Ayrıca bu özellikleri sayesinde elde edilen hafiflik de diğer bir avantajıdır. Bu iyi özelliklere alaşıma ilave edilen magnezyum, titanyum ve krom gibi alaşım elementleri ile ulaşılırken, bu elementler işlenebilirlik özelliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Kullanılan malzemenin verimli yanma sağlaması yanında diğer yönleriyle de ekonomik olması günümüz koşullarının vazgeçilmez zorunluluğudur. Yoğun talaşlı imalat içeren bu motor bileşenlerinin ekonomik üretimi ancak, yüksek işlenebilirlikle sağlanabilmektedir. Bunun için uygun süreç parametrelerinin belirlenmesi ve takım aşınmasının azaltılması bu konuda atılması gereken ilk adımlardır. Takım aşınmasını arttıran yüksek deformasyon miktarı, sürtünmeye bağlı yüksek kesme sıcaklığı ve talaşın kesme bölgesinden uzaklaştırılamaması, özellikle motor gövde ve parçalarındaki soğutma ve yağlama kanallarının açılmasında kullanılan derin delik delme uygulamalarında işlenebilirliğin düşmesine neden olmaktadır. Bu yüzden kesme sırasında meydana gelen sıcaklık dağılımının ve sıcaklığın zamanla değişiminin bilinmesi, buna uygun soğutma ve yağlama yöntemi ile kesme parametrelerinin seçilmesi işlenebilirlik özelliklerini geliştirme açısından oldukça önemlidir. Yapılan çalışmada talaşın uzaklaştırma probleminden dolayı sadece hava kullaımının diğer yöntemlerden daha verimli olduğu bulunmuştur. Minimum miktarda yağlama (MQL) sistemi otomotiv güç aktarma organlarının talaşlı üretimi dahil, son dönemde gittikçe yaygınlaşan bir sistemdir. Bu sistem imalat maliyetlerini düşürmesi ve muadillerine göre çevreye daha duyarlı olması sebebiyle tercih edilmektedir. MQL sisteminde çok az miktarda yağ ve hava karışımını basınçlı bir şekilde takım ile iş parçasının temas ettiği bölgeye uygulanır. MQL sisteminin temel olarak 3 fonsiyonu vardır; yağlama, soğutma ve talaşı uzaklaştırma. Çok az miktarda hava yağ karışımı kesme bölgesine yollandığı için soğutma hızı geleneksel sulu kesmeye göre daha az olacaktır. Özellikle derin delik delme gibi yüksek enerji gerektiren talaşlı imalat uygulamalarında bu durum bazı sorunlara yol açması beklenebilir. Bu sorunlar yüksek ısınmadan dolayı ısıl çarpılma (distorsiyon) ve toleransların sağlanamaması olarak sıralanabilir. Bu durum, güç aktarma organları gibi parçaların yağ deliklerinin açılması sırasında sıkı geometrik toleransların sağlanmasını zorlaştırır. Matkap takımları, radyal ağız ve kesme ağzı olmak üzere iki ana kesme bölgelerinden meydana gelir. Radyal ağız matkabın ortasında yer alır ve matkabın iş parçası üzerinde merkezlemesi görevini görür. Matkap radyal ağzı, genellikle büyük talaş açısına sahip olduğu için iş parçası malzemesi, kesilme yerine kazınarak (ploughing action) aşırı plastik deformasyona uğrar. Radyal ağız düzgün ve istikrarlı bir kesim sağlanmasından sorumlu iken, kesme ağzı matkapın asıl kesme işleminde rol oynamaktadır. Bu tezde, kesme kuvveti, kesme işleminin gerçekleştiği bu iki ana bölgede; kesme ağzı ve radyal ağız için ayrı ayrı modellenmiştir. Matkap radyal ağzı kuvvet modeli bölüm 3.3.1'de açıklanmıştır. Buradaki kuvvetler ayrıca batma (indentation) ve dik kesme bölgeleri olarak iki ayrı alan için hesaplanmıştır. Kesme ağzının kuvvet modeli ise bölüm 3.3.2'de eğik kesme mekaniği kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sonra tüm bu bölgeden oluşan kuvvetler toplanarak toplam kesme kuvveti hesaplanmıştır. Eğik kesme mekaniğine geçiş için gereken parametreler, kesme açısı, kayma gerilmesi ve sürtünme açısı, dik kesme testlerinden elde edilmiştir. Dik kesme testler geniş talaş açısı ve kesme hızı aralığında yapılmıştır. Diferansiyel kesme kuvvetleri dik kesme testlerinden elde edilen veriler kullanılarak ve eğik kesme dönüşüm yaklaşımından yararlanarak hesaplanmıştır. Mekanistik kuvvet modeli delik delme testleri ile doğrulanmıştır. Delme işlemi sırasında iş parçası sıcaklıklarının bilinmesi/modellenmesi, artık gerilme, boyutsal hata ve mikro sertlik değerleri gibi ürün kalitesini etkileyen parametreleri etkilediği için önemlidir. Tezin 4. bölümünde iş parçasının sıcaklık dağılımını elde etmek için hareketli ısı kaynağı modeli ile ısı transferi modeli oluşturulmuştur. Isı geçişi problemi Abaqus 6.10 yazılımı kullanılarak çözülmüştür. Sonlu elemanlar analizinde iş parçası, 2 boyutlu simetrik model olarak modellenmiştir. Delik delme işlemi sırasında ısı akısı ilgili elemanlara uygulanmış ve takip eden çözüm adımında bu elemanlar silinerek bir alttaki gruba ısı akısı uygulanmıştır. Bu durum, hareketli ısı kaynağı ve talaş kaldırma işlemini ifade etmektedir. Çalışmada ısı yükleri modelden elde edilen kuvvet ve moment değerleri yardımı ile hesaplanmış ve sonlu elemanlar yazılımında sınır şartı olarak kullanılmıştır. Buna ek olarak matkabın zırhındaki sürtünmeden kaynaklanan ısı oluşumu ters ısı transferi yöntemi ile hesaplanmıştır. Ters ısı trasferi yöntemi üç kısımdan oluşur: test verilerin toplaması, direkt çözüm ve tersine çözüm. Test verileri gömülü termal elemanlar yardımı ile toplanmıştır. Direkt çözüm ABAQUS sonlu elemanlar yazılımı ile çözülürken tersine çözüm MATLAB kullanılarak yapılmıştır. Derin delik işleminde MQL'den kaynaklanan soğutma etkisi ve delik delme prosesinden kaynaklı yan duvarlardaki ısı oluşumu tersine ısı transferi metodu ile hesaplanmıştır. Bu değerler, sonlu elemanlar yöntemine başlangıç koşulu ve sınır değerleri olarak girilmiş ve ısı dağılımları hesaplanmıştır. Sıcaklık modellerini doğrulamak için delik delme işlemi esnasında oluşan sıcaklıklar gömülü termal eleman yöntemi ile ölçülmüştür. 5. bölüm matkaptaki sıcaklıkların modellenmesi ile ilgilidir. Takımdaki sıcaklık oluşumunun temel nedeni takım talaş yüzeyi ile talaşın birbirine sürtmesidir. Diğer nedenler ise matkabın zırhındaki sürtünme ve boşaltma kanalındaki sıcak talaştır. Çalışmada bu etkiler dikkate alınmamıştır. Delik delme işlemlerinde takım ve iş parçasını soğutmak ve talaşı uzaklaştırmak için soğutucu akışkan kullanılabilir. Bu çalışmada takımı soğutmak için 6 bar basınçlı hava kullanılmıştır. 3D zamana bağlı ısı transferi probemini çözmek ve takımdaki sıcaklık dağılımını elde etmek için ABQAUS sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır. Bu modelde, talaş ve takımın talaş yüzeyi temas alanı 5 eşit bölgeye ayrılmış, radyal ağız ise tek bölge olarak incelenmiştir. Bu altı bölgede meydana gelen ısı oluşumu Shaw'nun ısı paylaşım oranı kullanarak hesaplanıp ilgili alanlara uygulanmıştır. Matkabın deliği dışında kalan bölgesine 20 W/m2K ısı taşınım katsayısı uygulanmıştır. Matkabın içinden geçen hava ise ANSYS CFX yazılımı ile modellenmiş ve helisel soğutma kanalı yüzeyine ve matkabın serbest yüzeyine uygulanmıştır. Geliştirilen model matkabın serbest yüzeyine gömülen termal elemanlar yardımı ile kuru ve hava kullanılan testler için doğrulanmıştr. 6. bölümde delik delme ve derin delik delme işlemi için işlenebilirlik çalışması yapılmıştır. Bölüm 6.1'de yüksek verimli delik delme işlemi için KGDD'nin işlenebilirliği incelenmiştir. Bu çalışmada 4 mm çapında kaplamalı karbür takım kullanılmış ve testler 26,5 mm/s ilerleme hızında gerçekleştirilmiştir. Üç farklı kesme akışkanı ile 2 tekrarlı testler gerçekleştirilmiştir. Kesme akışkanları kuru, hava ve MQL olarak seçilmiş ve bu koşullarda sırası ile maksimum 1740, 3150 and 2948 adet delik açılmıştır. Çalışmada ayrıca talaş şekli, boyu ve hızı hesaplanmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki sadece hava kullanarak verimli bir KGDD delik delme işlemi yapmak mümkündür ve talaşın uzaklaştırılması ve soğutma takım ömrü için en önemli faktörlerdir. Bölüm 6.2'de ise derin delik delmede işlenebilirlik 10 mm çapındaki kaplamasız karbür takım kullanılarak incelenmiştir. Bu kısımda takım aşınması, sertlik ve artık gerilmenin kesme parametreleri ile değişimi incelenmiştir.