Development of flat bottom drill cutting tool for machining of brass alloys - Zoghipour, Nima (My University, 2023)
PİRİNÇ ALAŞIMLARININ TALAŞLI İMALAT SÜREÇLERİ İÇİN DÜZ AĞIZLI MATKAP KESİCİ TAKIM GELİŞTİRİLMESİ Pirinç alaşımları üstün özellikleri nedeniyle su sistemlerinde ve pompa ekipmanlarında kullanılan endüstriyel bileşenlerin önemli bir yüzdesini oluşturmaktadır. Bu malzemeler, belirtilen uygulamalarına bağlı olarak ekstrüzyon veya sıcak dövme işlemleri kullanılarak üretilir. Özellikle içme suyu uygulamaları için kalemlerdeki izin verilen kurşun konsantrasyonu seviyeleri ile ilgili olarak, son düzenlemeler pirinç ürünlerde bir alaşım elementi olarak kurşunun tehlikeli karakterine odaklanmıştır. Bu sınırlamalar, kurşunsuz pirinç alaşımlarının geliştirilmesi gibi yeni çözümlerin icadını ve kullanımını teşvik etmiştir. Bu bağlamda, çevre dostu pirinç alaşımları CuZn40Pb2 (CW617N), CuZn38As (CW511L) ve CuZn21Si3P (CW724R)'nin malzeme karakterizasyonu, metalografik ve mekanik özellikleri 2. bölümde incelenmiştir. Mikroyapı, faz yapısı, çekme mukavemeti, darbe kırılma enerjisi, kırılma tokluğu ve mikrosertlik dikkatli bir incelemeden geçmiştir. Nihai ürün olmadan önce, pirinç bileşenlerin çoğu delme dahil olmak üzere çeşitli işleme işlemlerinden geçer. Akışkanlar için vidaların, pimlerin veya geçiş kanallarının montajı gibi tasarım ve uygulama gereksinimlerini karşılamak için bu bileşenlerin önemli bir kısmında delikler bulunur. Bu delikler, kullanılan üretim yöntemine ve bu bileşenlerin talaşlı imalat işlemleri sırasındaki konumlarına bağlı olarak, mastar ve fikstür sistemlerine göre dikey veya eğimli yönlerde dahi delinmektedir. Karmaşık geometrilere sahip yeni tip kesici takımların tasarımı ve kullanımı, zor özelliklere sahip bileşenlerdeki teknolojilerin gelişmesi ve hızlı ve hassas üretimde üreticiler arasındaki rekabetten kaynaklanmaktadır. Bu takımlar, kendilerine, tutuculara ve makine bileşenlerine zarar vermemek için bu diğer özelliklere ek olarak kurulum sertliği, statik ve dinamik mukavemet, yeterli kesme performansı ve boyutsal doğruluğa sahip olmalıdır. Düz yüzeylerin dikey olarak delinmesi için geleneksel veya değiştirilebilir insörtlü matkaplar sıklıkla kullanılır. Ancak bu tip takımların eğimli özelliklerde kullanılması sırasında oluşan titreşimler ve salgılar nedeniyle delik açılmış yüzeylerde etkili bir şekilde çalışmazlar. Bu nedenle kavisli veya eğimli yüzeylerde kullanılmak üzere düz ağızlı matkaplar tasarlanmıştır. Düz dipli delme işlemine odaklanılarak, işlenebilirlik konusunda kapsamlı bir çalışma yapmak için işlemin ve alaşım tipinin etkileri değerlendirilmiştir. Bölüm 3'te, hem dikey hem de eğimli dalma için düz tabanlı matkaplar için tahmine dayalı bir analitik mekanistik yöntem ile kesme kuvveti modeli geliştirmiştir. Ortogonal ve oblique kesim presnsiplerine göre, model, talaş ve kabartma yüzleri dikkate alınarak takım yarıçapı boyunca dağıtılmış temel kesme üzerine kurulmuştur. Bölüm 4'te konuyu daraltmak çeşitli firmalar tarafından yapılan beş yüksek performanslı endüstriyel düz ağızlı matkap incelenmiştir. Bu takımların geometrileri ölçülmüş ve her takımın performansını değerlendirmek için işleme deneyleri kullanılmıştır. Mevcut araştırma bulgularına göre, en büyük etkiye sahip olan geometrik özellikler tespit edilmiştir. Bölüm 5'te, çeşitli eksenel ve radyal eğim açılarına sahip düz tabanlı matkaplar tasarlanmış ve takımların dinamik davranışını keşfetmek için sonlu elemanlar yöntemleri kullanılarak modal analize tabi tutulmuştur. Tasarlanan takımlar için, ilk altı doğal frekans, maksimum toplam deplasmanlar, rijitlikler ve mod formuna karşılık gelen salınım periyodu hesaplanmıştır. Eksenel talaş, radyal talaş açıları, yuvarlanma uç yarıçapı ve dalma açısı dahil olmak üzere kesici takım geometrilerinin, kesme kuvvetleri, oluşturulan giriş, çıkış çapak boyutları, delik kalitesi (yüzey pürüzlülüğü ve boyutsal doğruluk) odaklı olarak iş malzemesine etkileri) yanı sıra yüzey, yüzey altı bütünlüğü, 6. bölümde incelenmiştir. Deneylerin sonuçlarını açıklamak için regresyon modelleme ve varyans analizi (ANOVA) teknikleri de kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre en iyilenmiş kesici takım geometrileri seçilmiştir. 7. Bölümde ise, pirinç alaşımları da dahil olmak üzere demir dışı malzemeler için üç farklı endüstriyel kaplamanın performansı, kaplanmamış karbür düz ağızlı matkapların performansıyla karşılaştırılmıştır. 8. bölümde ise, üretilen üretim kalitesini tahmin etmek için yapay sinir ağları, bulanık mantık ve regresyon modelleri geliştirilmiş ve modellerin elde edilebilirliklerinin hassasiyeti deneysel olarak ölçülen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

DEVELOPMENT OF FLAT BOTTOM DRILL CUTTING TOOL FOR MACHINING OF BRASS ALLOYS Owing to their superior properties, brass alloys constitute a significant percentage of the industrial components used in water systems and pumping equipment. These materials are manufactured using extrusion or hot forging processes, depending on their specified application. Regarding the permissible lead concentration levels in items, particularly for drinking water applications, recent regulation has focused on the hazardous character of lead as an alloying element in brass products. These limitations have promoted the invention and use of novel solutions, such as the development of brass alloys free of lead. In this context, the material characterization, metallographic, and mechanical properties of the eco-friendly brass alloys CuZn40Pb2 (CW617N), CuZn38As (CW511L), and CuZn21Si3P (CW724R) has been explored in chapter 2. The experimental data on microstructure, phasic composition, tensile strength, impact fracture energy, fracture toughness, and microhardness has undergone careful inspection. Prior to being a final product, the majority of brass components go through several machining operations including drilling. In order to fulfill design and application requirements, such as the assembly of screws, pins, or passing channels for fluids, a significant portion of these components have holes. These holes are being drilled even in vertical or inclined orientations with respect to the jig and fixturing systems, depending on the production method being used and the positioning of these components during machining processes. The design and utilization of new types of cutting tools with complex geometries is driven by the development of technologies in components with difficult features and the competition among manufacturers in rapid and precise manufacturing. These tools must have setup stiffness, static and dynamic strength, sufficient cutting performance, and dimensional accuracy in addition to these other properties to prevent damage themselves, holders, and machine components. Conventional or indexable inserted drills are frequently employed in vertical drilling of flat surfaces. However, due to vibrations and run-out that occur when using these types of tools in sloped features, they do not perform as effectively on surfaces where holes are drilled. Therefore, in order to be used for curved or sloped surfaces, flat bottom drills have been designed. By concentrating on the flat bottom drilling operation, the effects of the process and alloying type have been assessed in order to carry out an extensive study on the machinability. In chapter 3, a mechanistic method is used to develop a predictive analytical cutting force model for flat bottom drills for both vertical and inclined plunging. According to the concepts of orthogonal and oblique cuts, the model is built on distributed elemental cutting throughout the tool radius while taking into account rake and relief faces. Five effective industrial bottom drills made by various firms were the subject of chapter 4's attempt to narrow the topic. These tools' geometries have been measured, and machining experiments have been used to assess each tool's performance. According to the findings of existing research, the geometrical characteristics that have the greatest influence have been identified. In Chapter 5, flat bottom drills with varied axial and radial rake angles have been designed and put through modal analysis using finite element methods in order to explore the dynamic behavior of the tools. For the designed tools, the first six natural frequencies, maximum total displacements, stiffnesses, as well as the period of oscillation corresponding to the modes form, have all been computed. The effects of the cutting tool geometries, including axial rake, radial rake angles, edge radius, and plunging angle to the work material, with a focus on the cutting forces, formed entrance, exit burr sizes, hole quality (surface roughness and dimensional correctness), as well as surface, sub-surface integrity, have been studied in chapter 6. The outcomes of the developed predictive analytic model from chapter 3 have also been compared with the experimental data in the meantime. Regression modeling and analysis of variance (ANOVA) techniques have also been employed to explain the outcomes of the experiments. The optimum cutting tool has been selected based on the results attained. In chapter 7, the performance of three different industrial coatings for non-ferrous materials, including brass alloys, was compared to that of uncoated carbide flat bottom drills. In chapter 8, artificial neural networks, fuzzy logic, and regression models have been developed in order to predict the manufactured production quality and their obtainability has been compared with the measured results.
Pirinç alaşımlarının talaşlı imalat süreçleri için düz ağızlı matkap kesici takım geliştirilmesi
Keywords: Analitik model; Artificial neural networks; Bulanık mantık Lead-free brass; Düz ağızlı matkap; Finite element methods; Flat bottom drill; Fuzzy logic; İşlenebilirlik; Kurşunsuz pirinç; Machinability; Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Mechanistic model; Modal analiz; Modal analysis; Sonlu elemanlar yöntemi; Yapay sinir ağları