Sonlu elemanlar metodu kullanılarak kesme kuvvetleri, gerilmeleri ve sıcaklık değişimlerinin tahmini için metal kesme işleminin modellemesi ve simülasyonu

Abstract

Talaş kaldırma işleminin dayandığı temel kavram optimxim kesme şartlannın belirlenmesidir. Talaş kaldırma işlemlerinde (özellikle de bu işlemler farklı kesme şartlarım, malzemelerini ve kesici takımları içeriyorsa) karşılaşılan problemleri doğrudan deneysel yöntemle çözmeye çalışmak pahalı ve uzun zaman almaktadır. Bunun yerine işlemin sonlu elemanlar modelinin kurulması ve simüle edilmesi daha etkili bir yoldur. Bu çalışma, 3 ana konu üzerine odaklanmıştır. İlk olarak, metal kesme işleminin mekaniği ve sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve analizinde kullanılan yazılımlar, yazılımların çalışma algoritmaları ve sonlu elemanlar yönteminin modellemedeki yetersizlikleri anlatılmıştır. Ayrıca bu bölümde yeni bir kavram olan SPH (Smooth particles Hydrodynamics) metodunun yani meshless (ağsız) sonlu elemanlar metodunun kesme işleminin analiz ve simülasyonunda kullanılmasına örnekler getirilmiş, dik ve eğik kesme işlemlerinin simülasyonu yapılmıştır. İkinci olarak, YSMT(Yüksek sertlikteki metallerin tornalanması) işlem parametrelerinin ve kesici takıma ait geometrik değişkenlerin iş parçasındaki kalıntı gerilmeler üzerindeki etkisi araştınlmıştır. YSMT işlemi hassas çelik ürünlerin üretilmesinde taşlama prosesinin yerini almaya başlamıştır. Tezin bu bölümünde talaş açısının ve kesme parametrelerinin kalıntı gerilmeler üzerindeki etkisi tanımlanmaya çalışılmıştır. AISI 52100 rulman çeliği boyuna tornalanırken kesme derinliği sabit tutularak, kesme hızı, ilerleme ve talaş açısının kalıntı gerilme karakteristiği sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak araştınlmıştır. Tez de son olarak matkapla kuru delme işleminin gerçekleştirilmesi esnasında ortaya çıkan sıcaklık değerleri deneysel ve nümerik olarak araştırılmıştır. Bu bölümde devir sayısının, ilerleme hızının, delme derinliğinin, sürekli ve kademeli delmenin ve delme işleminin ardışık olarak gerçekleştirilmesinin sıcaklık değişimi üzerindeki etkileri deneysel ve nümerik olarak araştınlmıştır. Delme işlemi esnasında oluşan sıcaklık ölçümü için deneysel yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Deney şartlan Taguchi metod yardımıyla belirlenmiştir. Matkabın uç noktasındaki sıcaklık değeri, langrangian temelli açık (explicit) sonlu elemanlar analiz yazılımı olan ThirdWave AdvantEdgeT kullanılarak nümerik olarak hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar analiz sonuçlan ile deneysel sonuçlar karşılaştınlmış ve birbirlerine çok yakın sonuçlar elde edilmiştir.A fundemental concept of the metal cutting process is essential to find optimum cutting conditions. Metal cutting process constitutes a complex process involving a variety of physcial phenomena, such as large plastic deformation, frictional contact, thermo- mechanical coupling and chip and burr mechanisms. The direct experimental approach to study machining proceses is expensive and time consuming, especially when a wide range of parameters is involved: machining conditions, material models, tool types, etc. A more effective way is to model and simulate process.This thesis is focused three main subjects. Firstly, metal cutting studies in the literature using finite element method is categorized from several aspects. Categorization is based on solution procedure, constitutive material and fracture models and contact algorithms in finite element methods in simulating plastic deformation, thermal softening due to friction between cutter and workpiece, chip separation during metal cutting processes. Additionally, the SPH, which is a new concept, finite element method as called meshless method was used and applied to model the 3-D orthogonal metal cutting of H13 steel. Secondly, effects of hard turning parameters Hard turning is replacing grinding as a method in the production of precision steel products. There are several reports from research works describing the effects on the residual stress and the improvement of the fatigue life of hard turned products. This part of thesis describes how rake angle and cutting parameters affect the residual stresses in hard turning. Longitudinal turning with constant depth of cut in AISI 52100 was used. Cutting feed and cutting speed were investigated, but the main focus was on rake angle influence. Finally, a new experimental approach was developed to measure drill temperature in drilling process. The effects of sequential, continuous and step by step dry drilling operations and drilling parameters on (he drill bit temperature experimentally and numerically have been investigated. The drill bit temperature was predicted using a numerical computation with Third Wave AdvantEdgeT FEM software based on langrangian explicit method. The results obtained from experimental study and finite element analyses (FEA) were compared. Good agreement between the measured and calculated drill bit temperature results was found in dry drilling.