Dönel Takımlar ile Tornalama İşleminin Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi

1. Dönel Takımlar ile Tornalama İşleminin
Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi
Tamer VARLIKa
, Kadir ÖZDEMIRb
, M. Cemal ÇAKIRc
a, Uludağ Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa/TÜRKİYE,
tamer.varlik@tr.bosch.com ,
b, Uludağ Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa/TÜRKİYE,
kadirzdemir@gmail.com,
c, Uludağ Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa/TÜRKİYE,
cemal@uludag.edu.tr,
Özet
Talaşlı imalat ile metal şekillendirme yöntemlerinde plastik deformasyon ve sürtünme
etkileri nedeni ile ısı enerjisi açığa çıkmaktadır. Ortaya çıkan bu ısı enerjisi nedeni ile kesici
takım sıcaklığı artmakta ve dolayısıyla kesici takımın mekanik özellikleri olumsuz yönde
etkilenmektedir. Sıcaklık etkilerinden dolayı oluşan hızlı aşınma hem takım ömrünü
kısaltmakta hem de işlenen yüzey kalitesini düşürmektedir. Bu olumsuz etkileri azaltmak
için kendi ekseni etrafında dönel torna takımları geliştirilmiştir. Takım, işleme sırasında
kendi ekseni etrafında döndüğü için kesme kenarı sürekli değişmekte ve ısıl etkilerin tek bir
noktada yoğunlaşması engellenmektedir. Bu çalışmada, bahsedilen dönme hareketinin
takım üzerindeki etkisi güdümlü ve kendiliğinden hareketli dönel takımlarla karşılaştırmalı
olarak sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Buradaki kesme şartları altında güdümlü
dönel takımın aşınmasının daha düşük olduğu gözlemlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Dönel torna takımları, sonlu elemanlar yöntemi, takım ömrü
Finite Element Analysis of Turning Process
with Rotary Cutting Tools
Abstract
In machining processes, heat energy comes up because of plastic deformation and friction
effects between tool and work piece. This heat energy cause temperature increase on tool so
mechanical properties of the tool affected negatively. Rapid wear of the tool is shorten the
tool life and also lower the quality of the machined surface. To reduce of these kind of
negative effects rotary turning tools has been developed. During machining operation, the
cutting edge continuously changes since the tool rotating around its own axis. Via this
rotation heat concentration on a single point could be prevented. In this study, actively
driven and self-propelled rotary turning tools has been compared via finite element method.
Under these cutting parameters, it has been observed that tool wear of the actively driven
rotary tool is lower than the self-propelled one.
Keywords: Rotary turning tools, finite element method, tool life

2. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
2
1. GİRİŞ
Talaşlı imalat; kesici takımlar yardımıyla hammaddeden malzemenin talaşlar halinde
kaldırılması işlemidir. Yaygın kullanımından dolayı ve daha düşük maliyetlerle daha
kaliteli işlem yapabilmek için, talaşlı imalat yöntemi, araştırmacıların oldukça dikkatini
çeken ve üzerine çok çalışılan bir konu olagelmiştir.
Tornalama işleminde malzemenin plastik deformasyonu yani malzemedeki atomlar arası
bağların kopması ve takım ile iş parçası arasındaki sürtünme etkilerinden dolayı ısı enerjisi
açığa çıkmaktadır. Açığa çıkan bu ısı birbiri ile etkileşimde olan iş parçası-takım-talaş
üçlüsü üzerinde yayılır ve dolayısı ile kesici takım sıcaklığını da arttırır. Artan bu sıcaklık
kesici takımın mekanik özelliklerini olumsuz yönde etkileyerek, takımın yumuşamasına ve
daha hızlı aşınmasına neden olur. Aşınan takım işlenmiş parçada istenilen yüzey kalitesini
veremez ve takım kullanılmaz duruma gelir. Bu da işleme maliyetlerini arttıran bir
durumdur.
Ortaya çıkan bu ısının takıma iletilmeden ortamdan uzaklaştırılması için çeşitli yöntemler
geliştirilmiştir. Kesme sıvılarının kullanılması bu yöntemlere bir örnek olarak verilebilir.
Kesici takımın oluşan ısıdan etkilenmesini engellemek için kullanılan diğer bir yöntem de,
kendi ekseni etrafında dönme hareketi yapabilen “dönel takımlar” kullanmaktır (Şekil 1).
İlk olarak 1865 yılında James Napier tarafından kullanımına rastlanan dönel kesici takımlar
üzerinde bilimsel nitelikteki ilk çalışmaları 1953 yılında Shaw ve çalışma arkadaşları
başlatmıştır. Günümüzde is bu tip takımlarla kesme işlemi endüstride yapılmaktadır.
Şekil 1. Dönel torna takımları
Dönme hareketi dönel kesici takımlara, dışarıdan güdümlü bir güç ile verilebileceği gibi
kesme sırasında oluşan kuvvetler yardımıyla da verilebilir. Dışarıdan bir güç ile döndürülen
takımlara “güdümlü dönel takımlar” denirken, işleme esnasında kendiliğinden dönen
takımlara ise “kendiliğinden hareketli dönel takımlar” denir. Bu dönme hareketi sayesinde
talaş kaldırma sırasında konvansiyonel takımlarda olanın aksine kesici ağız devamlı değişir.
Bu özellik ile takımın kesmede olmayan bölgelerinin soğuması yani sürekli olarak takımın
yenilenmiş, soğumuş kısmının talaş kaldırma işlemi yapması sağlanır. Dolayısıyla
konvansiyonel takımlardaki gibi mekanik ve termal yükler devamlı aynı noktaya binmez,
takımın tüm çevresine yayılır. Ayrıca belirtildiği gibi dönme sırasında soğuma da sağlanmış
olur. Böylelikle takım aşınması tüm çevreye yayılarak takım ömrü oldukça uzatılmış, takım
maliyeti ve takım değiştirme maliyetleri düşürülmüş olur.

3. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
3
Ancak dönel kesici takımlar; hâlihazırda oldukça karmaşık bir kinematiği olan talaş
kaldırma işleminin kinematiklerini daha da karmaşık hale getirmektedirler (Şekil 2). Bu
karmaşık işlem için optimum kesme parametrelerinin belirlenmesi hem zaman, hem
maliyetler, hem de iş kalitesi açısından çok önemlidir. Bu amaçla optimum kesme
parametrelerini bulabilmek için deneysel, analitik ve sayısal olmak üzere analiz yöntemleri
kullanılmaktadır. Deneysel çalışmalar sonuç olarak güvenilir sonuçlar verseler de maliyet
açısından oldukça pahalıya mal olmaktadırlar. Talaş kaldırma işlemi için birçok başarılı
analitik model oluşturulmuş ve modeller üzerinden öngörüler yapılmaya çalışılmıştır.
Ancak dönel takımlarla yapılan kesme işlemi daha önce de belirtildiği gibi daha karmaşık
bir işlemdir, dolayısıyla analitik yöntemlerden ziyade sayısal çözüm yöntemlerinden biri
olan sonlu elemanlar analizi, kesme parametrelerinin belirlenmesinde kullanılabilecek en
uygun yöntemlerden biridir.
Şekil 2. Dönel takımlarla tornalama işlemi
2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
Dönel kesici takımların son yıllarda kullanımının yaygınlaşmaya başlaması ile birlikte bu
tip takımlar üzerinde yapılan çalışmalar da artmıştır. Oldukça karmaşık kesme mekaniği
olan dönel takımlar ile talaş kaldırma işlemi birçok araştırmacı tarafından deneysel olarak
incelenmiş, farklı kesme parametrelerin sonuçlara nasıl etkidiği bu deneylerde ölçülmüştür.
Ayrıca konvansiyonel takımlarla talaş kaldırma işlemi, çeşitli sonlu elemanlar yazılımları
ile iki boyutlu veya üç boyutlu olarak simüle edildiği ve simülasyon sonuçlarının
deneylerden elde edilen veriler ile karşılaştırıldığı birçok çalışma vardır. Fakat maalesef
dönel kesici takımlar ile yapılan bir sonlu elemanlar analizine, takım üzerindeki sıcaklık
oluşumlarını inceleyen bir çalışma hariç, rastlanmamıştır.
Bu bölümde son dönemde dönel torna takımları ile yapılan deneysel çalışmaların ve talaş
kaldırma işleminin modellendiği ve nümerik çözümünün yapıldığı sonlu elemanlar
analizleri çalışmaları hakkında genel bir literatür sunulmuştur.
S.S. Joshi ve arkadaşları yaptıkları çalışmada Al/SiCp kompozitlerin tornalanmasında dönel
karbür takımların kullanılmasının fizibilite çalışmasını yapmışlardır. Bu çalışma için bir
dönel takım tutucu tasarlanmış ve imal edilmiştir. Deneyler, işleme sırasında dönel karbür
takımların serbest yüzey aşınması üzerinde çeşitli faktörlerin ve bunların aralarındaki
etkileşimlerin etkisini analiz etmek için Taguchi Yöntemleri kullanılarak tasarlanmıştır.
İşlem, takım ve malzeme bağımlı parametrelerin dönel karbür takım serbest yüzeyi aşınma
üzerinde etkilerinin tanımlanması için bir takım - ömür model geliştirilmiştir [1].

4. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
4
E. Ceretti ve arkadaşları, çalışmalarında tornalama işleminin üç boyutlu sonlu elemanlar
analizine yer vermişlerdir. Sonlu elemanlar analizi programı olarak DEFORM 3D yazılımı
kullanılmıştır. Bu yazılımda ortogonal kesme ve açılı kesme işlemleri modellenerek
simülasyon sonuçları literatürde bulunan deneysel çalışmalarla ve diğer simülasyonlarla
karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, kesme işlemlerinde talaş akışının sonlu elemanlar analizi
ile öngörülebileceği doğrulanmıştır [2].
Vahid Kalhori, doktora tezi çalışmasında konvansiyonel takımlarla talaş kaldırma
işleminde; talaş oluşumu, kesme kuvvetleri, takım-talaş ara yüzündeki basınç ve sıcaklık
dağılımı, iş parçası üzerindeki artık gerilmeler gibi verileri öngörebilmek için sonlu
elemanlar analizleri üzerine yoğunlaşmıştır. Çalışmada, talaş ayrılması için fiziksel ve
geometrik olmak üzere iki farklı modelleme yaklaşımı kullanılmıştır ve talaş oluşumunu
modellemek için fiziksel modelin kullanımının daha uygun olduğu sonucuna varılmıştır.
Ayrıca bir önceki pasonun iş parçası üzerinde yarattığı artık gerilmenin talaş oluşumu
üzerine etkisi de bu çalışmada incelenmiş, ancak bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Yani
sadece ilk pasonun simule edilmesi sonuçların güvenilirliği açısından yeterlidir. İlerlemenin
ve kesme hızının da artık gerilmelere olan etkisi incelenmiş ve deneylerle doğrulanmıştır.
Kesme hızı arttıkça artık gerilmelerin de arttığı çalışmada gösterilmiştir [3].
Shuting Lei ve Wenjie Liu; çalışmalarında Ti-6Al-4V titanyum alaşımının yüksek hızlı
talaşlı imalatı için güdümlü dönel kesici takım geliştirmişlerdir. Bu dönel takım; kompakt
bir yapıda, gerekli rijitlikte ve minimum kenar salgısı olacak şekilde tasarlanmış ve imal
edilmiştir. Deneylerde karşılaştırma amaçlı dönel takım ile aynı takımın dönme hareketi
engellenmiş hali kullanılmıştır. Sonuçlar, belirli kesme şartları altında, güdümlü dönel
takımın hareketsiz takıma nazaran takım ömrünü yaklaşık 60 kat arttırdığını göstermiştir.
Ayrıca takımın dönme hızı da deneysel olarak incelenmiştir. Takım dönme hızı arttıkça
kesme kuvvetlerinde de düşüş olduğu gözlenmiştir. Belirli bir takım dönme hızı aralığında
takım dönme hızı arttıkça takım aşınmasının da arttığı elde edilen diğer bulgular arasındadır
[4].
Halil Bil, yüksek lisans tezinde, ortogonal kesme işlemi için geliştirilmiş çeşitli sonlu
eleman modellerini birbirleriyle ve deneylersel sonuçlar ile karşılaştırmıştır. Sürtünme
koşulları ve ayrılma kriterleri gibi parametrelerin sonuçlar üzerindeki etkisi incelenmiştir.
Simülasyon aracı olarak, kapalı kodlar olan MSC.Marc ve Deform2D ile açık bir kod olan
Thirdwave AdvantEdge yazılımları kullanılmıştır. Sonuçların doğrulanması için değişik
kesme koşullarında (kesme açısı ve ilerleme hızı) deneyler yapılmıştır. Sonuçlar, ticari
yazılımlarının ortogonal kesme işlemlerini kabul edilebilir sınırlar içerisinde simüle
edebileceğini göstermiştir. Sürtünme koşullarının simülasyonu etkileyen en önemli
parametre olduğu bulunmuştur. Ayrıca çalışma sonucunda hasar modellerinin talaşın iş
parçasından ayrılması amacı ile kullanılmasının uygun olmadığı görülmüştür. Talaş
ayrılması için yeni ağ tanımlanması yöntemi ise iyi sonuçlar vermesine rağmen, iş parçası
malzemesinde çatlak oluşması gibi bir kavram hatasına yol açmaktadır. Dolayısıyla, hem
iyi bir fiziksel modelleme yapılması hem de işlem değişkenlerinin doğru tahmin
edilebilmesi için yeni bir ayrılma kriterine ihtiyaç duyulduğu saptanmıştır [5].
H.A. Kishawy ve J. Wilcox çalışmalarında sertleştirilmiş çeliğin dönel takımlar ile
tornalanmasını incelemişlerdir. Talaş morfolojisi, takım aşınması, takım malzemesi ve
geometrisinin etkileri üzerinde çalışılmıştır. Aşınma direncini görebilmek için karbür,
kaplanmış karbür, seramik gibi malzemelerin de içinde bulunduğu birçok malzeme test

5. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
5
edilmiştir. İşleme süresince oluşan sıcaklığın karakteristiği de araştırılmıştır. Görülmüştür
ki takım sıcaklığını düşürmek difüzyon aşınmasını ortadan kaldırırken abrasif aşınmayı
arttırır. Ayrıca takım dönme hızı arttırıldığında talaş – takım ara yüzündeki maksimum
sıcaklık kesme ağzına doğru kaymıştır [6].
Dessoly Vincent; çalışmasında dönel kesici takımların olumlu yönlerini ortaya koyabilmek
adına, bu tip takımla yapılan bir tornalama işleminde kesme sıcaklıklarının sonlu elemanlar
yöntemi ile analizini gerçekleştirmiştir. Çalışmada ayrıca dönel takımların ve aynı dönel
takımların dönme hareketi engellenmiş halinin takım üzerinde oluşan sıcaklılar açısından
kıyaslaması yapılmış ve böylelikle takım dönüşünün etkisinin de ölçülmesi sağlanmıştır.
Sonlu elemanlar analizi; 52100 sertleştirilmiş çeliğinin (58 HRC) dış çap, sert tornalama
işlemi için gerçekleştirilmiştir. Analizler ile öngörülen ve deneyler ile ölçülen, takım kesici
kenar sıcaklıkları birbiri ile örtüşen sonuçlar göstermiştir. Aynı kesme koşulları altında,
hareketli dönel kesici takımlarda ölçülen sıcaklıklar, dönmesi engellenmiş sabit dönel
takımlarda elde edilenden 50°C daha düşük olarak ölçülmüştür. Takım sıcaklık dağılımı
modeli, dönel takımlarla tornalama işleminde takımda oluşacak sıcaklıkları öngörebilmek
için kullanılabilir. Ek olarak bu çalışmada elde edilen sonuçlar takım aşınması ve takım
ömrü uzatılması açısından da umut verici olduğu görülmüştür [7].
H.A. Kishawy ve arkadaşları kendiliğinden hareketli dönel kesici takımların titanyum
alaşım malzemelerin talaşlı imalat performansını ve işlenmiş yüzeyin kalitesini
değerlendirmek için deneysel çalışmalar yapmışlardır. Farklı çaplarda ve farklı
malzeme/kaplamalarda dönel takımlar geliştirilmiştir. Takım performansını değerlendirme
kriterleri olarak, takım aşınma modları ve işlenmiş yüzeyin topografisi göz önünde
tutulmuştur. Kıyaslama için ise aynı kesme şartlarında dönme hareketi engellenmiş
takımlar kullanılmıştır. Deney sonuçları kendiliğinden hareketli dönel takımlarla havacılık
malzemelerinin işlenmelerinde optimum ve güvenli kesme koşullarının tanımlanması
amacıyla kullanılmıştır [8].
Yahya Işık çalışmasında, talaşlı imalatta kesici takımların kırılma öncesi davranışlarını
inceleme amacıyla sonlu elemanlar yöntemi ile statik ve dinamik analizleri yapmıştır.
Deneysel olarak belirli kesme parametrelerinde WC kesici takım (DNMG 150608) ve
soğuk iş takım çeliği AISI O1 (60 HRC) ile yapılan deneylerde ölçülen kesme kuvvetleri
harmonik analizde giriş zorlama değerleri olarak modele uygulanmıştır. Modal analiz
sonucunda kesici uçta en büyük genlikler ve doğal frekanslar belirlenmiştir. Harmonik
analiz sonucu kesici takımın en fazla hangi noktalardan zorlandığı ve kırılma anında
gerilme ve yer değiştirme değerlerine hangi noktalarda ulaştığı belirlenmiştir. Analiz
sonuçlarının incelenmesinde kesici takımın kırıldığına ait veriler deneysel sonuçlarla
paralellik göstermektedir [9].
L. Li ve H.A. Kishawy çalışmalarında kendiliğinden hareketli dönel takımlar için bir
kuvvet modeli sunmuştur. Konvansiyonel takımlarla açılı (oblik) kesme işlemindeki kesme
kuvveti öngörüleri gözden geçirilmiş ve kendiliğinden hareketli dönel takımlar ile kesme
işlemine süresince oluşan kesme kuvveti öngörüsü için kullanılmıştır. Kuvvet modeli,
Oxley’in analizini temel almış ve tipik bir kendiliğinden hareketli dönel kesici takım
kullanılan bir test ile doğrulanmıştır. Kesme şartlarının geniş bir aralığı için, test sonucunda
ölçülen kuvvetlerle, model ile öngörülen kuvvetler arasında uyuşma gözlenmiştir. Ayrıca
bu çalışmada, farklı kesme şartlarının, talaş-takım ara yüzü boyunca sürtünme katsayısı
üzerindeki ve takım talaş yüzeyi normal kuvveti üzerindeki etkileri incelenmiştir [10].

6. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
6
Suryadiwansa Harun ve arkadaşları yaptıkları çalışmada dışarıdan güdümlü dönel takımlar
ile tornalama işlemi araştırılmıştır. Çalışmanın ana amacı özellikle takım dönme hızı ve
dönme yönü gibi işleme şartlarının, kesme kuvveti bileşenleri, talaş oluşumu ve kesme
sıcaklığı üzerine olan etkilerinin incelenmesidir. Deneysel çalışmalar şunu göstermiştir,
belli bir kesme hızı aralığında takım dönme hızı artar ise kesme sıcaklığı düşmektedir.
Takımın saatin tersi yönünde dönüş devrindeki artma radyal kuvveti de arttıracağı için
tırlama oluşumunu tetikler [11].
Hiroyuki Sasahara ve arkadaşları bu çalışmada Inconel 718 malzemesinin 500 m/dak kesme
hızı altında dönel kesici takımlarla tornalanması incelemişlerdir. Sonuç olarak, ana kesme
kuvveti yönü ile takımın en rijit olduğu yönü çakıştırmak için, en uygun takım eğim
açısının, takım devir hızının ve çapının seçilmesinin çok önemli olduğu görülmüştür.
Tercih edilen kesme koşulları altında 500 m/dak gibi yüksek kesme hızlarında bile takım
talaş yüzeyi üzerinde sıcaklık termal kamera ile 300°C olarak ölçülmüştür ve takım
aşınmasının konvansiyonel takımlara nazaran çok düşük olduğu görülmüştür [12].
Hiroshi Nakajima ve arkadaşları çalışmalarında SUS304 paslanmaz çelik üzerinde güdümlü
dönel kesici takımın talaşlı imalat performansını incelemişlerdir. Bu çalışmadaki amaç
tornalama işleminde takım duruş pozisyonunun etkisinin incelenmesidir. Çalışma
sonucunda, takım eğim açısının artmasıyla takım sıcaklığı ve talaş akış açısının arttığı
görülmüştür [13].
Murat Kıyak ve Erhan Altan çalışmalarında kesme parametrelerinin, yumuşak çeliklerin
kendiliğinden hareketli dönel kesici takımlarla tornalama işleminde işlenmiş parçanın
yüzey pürüzlülüğü üzerine olan etkilerini araştırmışlardır. Deneyler süresince takımın
dönmesi için gerekli minimum eğim açısının 10° olması gerektiği görülmüştür. Eğim açısı
45°’ye arttırıldığında talaş açısı 0° olan takımlar yüzey kalitesi açısından çok daha iyi sonuç
vermişlerdir. Ayrıca, dönel takımlarda, kesme hızı ve ilerlemenin etkisinin konvansiyonel
takımlardaki etkisine çok benzer olduğu görülmüştür. 0° talaş açısı ile kesme hızı arttığında
yüzey kalitesinin iyileştiği buna karşın -5° talaş açısında artan ilerlemeye bağlı olarak
kesme hızındaki artışın daha kötü bir yüzey kalitesi ortaya çıkardığı görülmüştür.
Çalışmada en iyi yüzey kalitesi 1.68 µm olarak 0° talaş açısı, 45° eğim açısı 0.1 mm/dev
ilerleme ve 120 m/dak kesme hızlarında elde edilmiştir [14].
3. MATERYAL ve YÖNTEM
3.1 Dönel Takımlarla Talaş Kaldırma
Talaş kaldırma işlemi sırasında açığa çıkan ısının olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla
birçok çalışmalar yapıla gelmiştir. Bulunan yöntemlerden biri devamlı değişen takım kesici
kenarının iş parçası ile temasa geçmesidir. Örneğin sonsuz uzunlukta bir kamayı kesme
kenarı boyunca hareket ettirerek kesme işlemini yaptığımızda bunu sağlamış oluruz fakat
maalesef bu uygulanabilir bir yöntem değildir. Bunun yerine geliştirilen bir yöntem dönel
torna takımlarının kullanılmasıdır. Bu durumda kesme işinin yapan kenar sürekli olarak
değişmese de çevrimsel olarak değişmektedir. Kendi ekseni etrafında dönebilen, disk
şeklinde olan bu torna takımının tüm çevresi kesici kenar olarak davranmaktadır. Kendi
ekseni etrafında yaptığı dönme hareketi kesme sırasında kesici ağzın devamlı soğumuş ve
tazelenmiş kısım ile yenilenmesini sağlamaktadır. Böylelikle tornalamadan gelen mekanik

7. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
7
ve ısıl yükler takım üzerinde tek noktada yığılmak yerine tüm çevreye yayılmakta ve takım
sıcaklığı konvansiyonel takımlara göre düşük kalmakta dolayısı ile takım aşınması azalarak
ömrü artmaktadır. Böyle takımlara dönel takımlar bunlarla yapılan kesme işlemlerine de
dönel takımlarla kesme işlemi denir.
Yukarıda bahsedilen torna takımının kendi ekseni etrafında dönme hareketi kendiliğinden
olabildiği gibi dışarıdan sağlanan bir kuvvet vasıtası ile de olabilmektedir. Talaş oluşumu
sırasında, takım ve iş parçası arasındaki etkileşimden kaynaklanan kuvvetler ile takım kendi
kendine dönebileceği gibi harici bir güç kaynağı vasıtası ile de kontrollü bir şekilde
döndürülebilir. Dönel takımlarla kesme işlemi, iş parçası hızının dönel takım kesici
kenarına dik olup olmamasına göre, dik kesme ve eğik kesme olarak sınıflandırılabilir.
Güdümlü dönel takımlar iş parçasına göre dik veya eğik olarak konumlandırılabilirler.
Fakat kendiliğinden hareketli dönel takımların dış bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan
dönebilmeleri için iş parçası eksenine göre eğik olarak konumlandırılmaları diğer bir
deyişle iş parçası hızı Vw takım kesme kenarına dik olmamalı, normal düzlem Pn’e göre
statik eğim açısı is kadar eğik olmalıdır (Şekil 3 (b)). Böylelikle takım işlem sırasında
uygun yönde kendiliğinden dönecektir.
Şekil 3. Dönel takımlarla tornalama
Takım ekseni iş parçası hızına dik olduğunda ise (Şekil 3 (a)) takım kendiliğinden dönemez
dışarıdan bir güç kaynağı ile döndürülmeye ihtiyaç duyar (güdümlü dönel takımlar).
3.2 Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Deform Yazılımı
Bir mühendislik sistemini analiz etmek için bu sistemin matematiksel modelinin kurulması
ve bu matematik modelin çözümünün gerçekleştirilmesi gerekir. Çözümün basitleştirilmesi
adına yapılan bazı kabuller ışığı altında, verilen sınır şartlarından ve diferansiyel
denklemlerden oluşan matematiksel model kurulmuş olur. Karşılaşılan karmaşık
sistemlerin tanımlanmasında kullanılan bu diferansiyel denklemlerin genellikle çözülmesi
çok zordur. Yüksek performanslı bilgisayarlar yardımıyla bu çözülmesi zor denklemlerin
çözülebilmesi mümkün hale gelir. Birçok mühendislik probleminin çözülmesi ve yaklaşık
sonuçlarının elde edilmesi için çok çeşitli sayısal çözüm yöntemleri geliştirilmiş ve bu
mühendislik problemlerine uygulanmıştır.

8. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
8
Özellikle de sonlu elemanlar yöntemi, bu sayısal çözüm metotları arasında en önde
gelenlerdendir. Karmaşık mühendislik sistemlerinin fiziksel davranışlarının öngörülmesi ve
benzetiminin yapılması (simule edilmesi) konusunda temel yöntem haline gelmiştir. Bu
nedenle sonlu elemanlar yönteminin sadece teorik kullanımı değil, sonlu elemanlar çözümü
yapan ticari paket programların da kullanımı akademik araştırma yapan kurumlar, ticari
kurumlar, devlet kurumları gibi birçok birimde kabul görmüştür.
Deform çok çeşitli şekil verme işlemlerini ve ısıl işlem proseslerini analiz etmek için
tasarlanmış sonlu elemanlar yöntemi tabanlı bir simülasyon yöntemidir. Diğer sonlu
elemanlar yazılımlarının aksine deformasyon modellemek için tasarlanmıştır ve tam
otomatik yeniden ağ oluşturma (remeshing) sistemi ile kullanıcılarına etkin ve kolay bir
kullanım sunmaktadır.
Deform için malzeme deformasyon gerilmesi kavramı tüm analizler için bir temel teşkil
etmektedir. Deformasyon gerilmesi malzemenin akma gerilmesini ve bunun ötesinde,
pekleşme, yumuşama, sıcaklık, deformasyon hızı gibi etkilerin de malzemenin dayanımına
olan etkisini içinde barındırır. Kabaca, malzemede kalıcı deformasyon yaratmak için
gereken basınç miktarı olarak tanımlanabilir.
Deform yazılımında malzeme verisi olarak gerinme-gerilme eğrisi için kullanılan değerler
efektif gerinme ve gerilme değerleridir.
Efektif (von misses) gerilme;
2 2 2 2 2 21
( ) ( ) ( ) 6( )
2
x y y z z x xy yz xz                 (1)
Efektif gerinme;
2 2 2
1 2 2 3 3 1
2
( ) ( ) ( )
3
            (2)
4. SONLU ELEMANLAR MODELLEMESİ ve ANALİZ
Daha önce de belirtildiği gibi yapılan sonlu elemanlar analizinin doğru sonuçlar vermesi
için birinci dereceden etkili parametrelerden biri malzeme verisinin doğru bir şekilde
programa girilmesidir. Yapılan bu, kendiliğinden hareketli ve güdümlü dönel takımlarla
talaş kaldırma analizlerinde iş parçası olarak AISI-304 paslanmaz çeliği
kullanılmıştır. Yüksek korozyon dayanımı, yüksek soğuk şekillendirme kabiliyeti ve
yüksek kaynak kabiliyeti ile çok yayın olarak kullanılan bir paslanmaz çelik tipidir. AISI-
304 malzemesinin kimyasal bileşimi Tablo 1’de gösterilmiştir.
Tablo 1. İş parçası malzemesi (AISI 304) kimyasal bileşimi
Kalite C Mn P S Si Cr Ni Fe
304
(1.4301)
0.08
maks.
2.0
maks.
0.045
maks.
0.03
maks.
0.75
maks.1
18.0-
20.0
8.0-
10.5
66,345-
74

9. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
9
Bilindiği üzere malzemelerin farklı şartlar altında (sıcaklık, deformasyon hızı vb.)
davranışları ve dayanımları farklılık göstermektedir. Şekil 4, AISI-304 malzemenin farklı
sıcaklıklardaki gerilme-gerinme eğrisini, Şekil 5 farklı deformasyon hızlarındaki gerilme-
gerinme eğrisini göstermektedir.
Analiz süresi ve bilgisayar yeterlilikleri düşünüldüğünde iş parçasının tümü
modellenmemiş, genelde talaş kaldırma analizlerinde yapılan yaklaşım ile, kesme işlemi ve
talaş oluşumu ile ilgili yeterli verileri elde edebileceğimiz kesme yapılan küçük bir bölge
modellenmiştir. İş parçası geometrik ve sonlu elemanlar modeli Şekil 6’da görülmektedir.
Sınır şartı olarak iş parçası alt yüzeyindeki tüm düğüm noktaları her üç yönde de
sabitlenmiştir ve tüm elemanlara ortam ile ısı alışverişi yapabilme özelliği tanımlanmıştır.
Şekil 4. AISI-304’te farklı sıcaklıklardaki gerilme – gerinme eğrisi

10. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
10
Şekil 5. AISI-304’te farklı deformasyon hızlarındaki gerilme – gerinme eğrisi
Şekil 6. İş parçası sonlu elemanlar modeli

11. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
11
Modellenen dönel torna takım 15,8 mm çapında kaplamasız karbür bir takımdır. Takımın
geometrik detayları ve sonlu elemanlar modeli Şekil 7’de gösterilmiştir.
Şekil 7. Dönel takım geometrik ve sonlu
elemanlar modeli
Elastik modülü: 468,843 MPa
Poisson oranı: 0,25
Termal genleşme katsaysı: 7,92e-6 1/°C
Isı iletkenlik katsayısı: 71,0258 N/s/°C
Isı kapasitesi: 5,7945 N/mm2
/°C
Takım ısı değişimi sınır şartı verilmiş ve Tablo 2’de detaylı gösterilen proses parametreleri
çerçevesinde ilerleme ve dönme hareketi tanımlanmıştır.
Tablo 2. Proses parametreleri
Kesme Derinliği (mm) 1
Takım devri (dev/dak) 6000
Kesme hızı (m/dak) 100
Kesme uzunluğu (mm) 16
İş parçası dönüş yönü Saatin tersi yönü
Takım dönüş yönü Saat yönü
Başlangıç sıcaklığı 20°C
Eğim açısı (kendiliğinden
hareketli takım analizi
için)
20°
Analiz edilen kesme uzunluğu belirlenirken takım devri ve kesme hızı göz önünde
bulundurularak simülasyonda en azından takımın bir devrinin gözlemlenebilmesi için 16
mm’lik bir kesme uzunluğu tanımlanmıştır.
5. SONUÇLAR
Yapılan bu çalışmada yukarıda detayları verilen işlem parametreleri koşullarında Deform
sonlu elemanlar paket programı ile kendiliğinden hareketli ve güdümlü dönel torna
takımları ile talaş kaldırma işlemi modellenmiş ve bu iki tip takımın karşılaştırmaları
yapılmıştır.

12. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
12
Şekil 8’de görüldüğü üzere güdümlü dönel takım ile yapılan 16 mm’lik bir kesme
sonrasında (takım kendi ekseni etrafında bir tam turunu tamamladığında) takım üzerinde
oluşan maksimum sıcaklık 363 °C olarak elde edilmiştir ve bu şartlar altında talaş oluşumu
ve talaş akışı da Şekil 8’de görülebilmektedir.
Şekil 8.Takımın bir tam tur dönüşü sonrası sıcaklık değerleri
Şekil 9’da gösterilen grafikte kesici kenar üzerindeki bir noktanın kesme analizi süresince
sıcaklık değişimi görülmektedir. Grafikten de anlaşılacağı üzere, kesici kenar üzerindeki
herhangi bir nokta iş parçası ile temastan çıktıktan sonra soğumaya başlamaktadır.
Şekil 9. Güdümlü takım için kesme boyunca, kesici kenar üzerindeki bir noktanın zamana
bağlı sıcaklık değerleri

13. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
13
Şekil 10’da kendiliğinden hareketli dönel takım ile yapılan talaş kaldırma analizi
sonucunda elde edilen takım sıcaklıkları, talaş oluşumu ve talaş akışı görülebilmektedir.
16mm’lik kesme sonrasında takım üzerinde elde edilen maksimum sıcaklık 321°C’dir.
Şekil 11’de gösterilen grafikte kendiliğinden hareketli takım için kesici kenar üzerindeki bir
noktanın kesme analizi süresince sıcaklık değişimi görülmektedir. Grafikten de
anlaşılacağı üzere, seçilen nokta iş parçası ile temasa girdikten sonra sıcaklığı maksimum
noktaya kadar çıkmakta ve iş parçası ile teması kesildiğinde ise sıcaklığı düşmeye
başlamaktadır.
Şekil 10. Kendiliğinden hareketli dönel takım için sıcaklık değerleri
Şekil 11. Kendiliğinden hareketli dönel takım için kesici kenar üzerindeki bir noktanın
zamana bağlı sıcaklık grafiği

14. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
14
Fakat bu grafik göstermektedir ki dönme hızı diğerine göre daha düşük olduğundan bir
noktanın yüksek sıcaklık altında kaldığı süre çok daha fazladır. Kendiliğinden hareketli
dönel takımlarda oluşan ısının daha az olmasının sebebinin enerjinin bir kısmının kısmı
takımı döndürmek için harcanması olduğu söylenebilir.
Şekil 12’deki grafikte güdümlü dönel takımlarla yapılan talaş kaldırma analizinde elde
edilen kesme kuvvetleri görülmektedir. Bu grafiğe göre kesme kuvveti ortalama 900 N
civarlarında elde edilmiştir.
Şekil 13’deki grafikte kendiliğinden hareketli dönel takımlarla yapılan talaş kaldırma
analizinde elde edilen kesme kuvvetleri görülmektedir. Bu grafiğe göre kesme kuvveti
ortalama 1500N civarlarında elde edilmiştir. Dönme hızı daha düşük olması sebebiyle
kendiliğinden hareketli dönel takımda kesme kuvveti güdümlü takımlara oranla daha
yüksektir.
Şekil 12. Güdümlü dönel takım için elde edilen kesme kuvvetleri
Şekil 13. Kendiliğinden hareketli dönel takım için elde edilen kesme kuvvetleri

15. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
15
a) Güdümlü dönen b) Kendiliğinden hareketli dönel
Şekil 14. Takım aşınması durumu
Şekil 14’te güdümlü dönel torna takımı ve kendiliğinden hareketli dönel torna takımı için
aşınma durumları gösterilmiştir.
Sonuç olarak; yukarıda detaylı verilen analiz sonuçları incelendiğinde takım sıcaklıklarının
her iki durumda da birbirine yakın çıkmasına rağmen ısıl etkilerin bir noktada daha uzun
süre etkili kalması ve kesme kuvvetlerinin yaklaşık %60 oranında daha yüksek olması
nedeni ile bu analizde kullanılan proses parametreleri altında kendiliğinden hareketli dönel
takımda daha yüksek miktarda bir aşınma görülmüştür (Şekil 14).
KAYNAKÇA
[1] Joshi S.S, Ramakrishnan, Nagarwalla H.E., Ramakrishnan P., 1999, “Wear of Rotary
Carbide Tools in Machining of Al/SiCp Composites”, Wear, Volume 230, Pages 124–132.
[2] Ceretti E., Lazzaroni C., Menegardo L., Altan T., 2000, “Turning Simulations Using a
Three-Dimensional FEM Code”, Journal of Materials Processing Technology, Volume 98,
pages 99-103.
[3] Kalhori V., 2001, “Modelling and Simulation of Mechanical Cutting”, Doctoral Thesis.
[4] Lei S., Liu W., 2002, “High-Speed Machining of Titanium Alloys Using the Driven
Rotary Tool”, Int. Journal of Machine Tools & Manufacture, Volume 42, Pages 653–661
[5] Bil H., 2003, “Simulation of Orthogonal Metal Cutting by Finite Element Analysis”,
Master of Science Thesis.
[6] Kishawy H.A., Wilcox j., 2003, “Tool Wear and Chip Formation During Hard Turning
with Self-Propelled Rotary Tools”, Int. Journal of Machine Tools & Manufacture 43, 433–
439.

16. 5. Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu (UTİS 2014), 23-25 Ekim 2014 Bursa
16
[7] Dessoly V., 2004, “Modeling and Verification of Cutting Tool Temperatures in Rotary
Tool Turning of Hardened Steel”, Master of Science Thesis.
[8] Kishawy H.A., Becze C.E., McIntosh D.G., 2004 “Tool Performance and Attainable
Surface Quality During the Machining of Aerospace Alloys Using Self-Propelled Rotary
Tools”, Journal of Materials Processing Technology Volume 152 Pages 266–271.
[9] Işık, Y., 2004, “Talaşlı İmalatta Kesici Takımların Kırılma Öncesi Davranışlarının
Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Analizi”, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık
Fakültesi Dergisi, Cilt 9, Sayı 1.
[10] L. Li, H.A. Kishawy, 2006, “A Model for Cutting Forces Generated During Machining
with Self-Propelled Rotary Tools”, International Journal of Machine Tools & Manufacture,
Volume 46, Pages 1388–1394.
[11] Harun S., Shibasaka T., Moriwaki T., 2007, “Cutting Mechanics of Turning with
Actively Driven Rotary Tool”, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and
Manufacturing, Volume 2, No 4.
[12] Sasahara H., Kato A., Nakajima H., Yamamoto H., Muraki T., Tsutsumia M., 2007,
“High-Speed Rotary Cutting of Difficult-to-Cut Materials on Multitasking Lathe”,
International Journal of Machine Tools & Manufacture Volume 48, Pages 841–850.
[13] Nakajima H., Kato A., Sasahara H., Yamamoto H., Muraki T., Tsutsumia M., 2008,
“Effect of Rotary Cutting Tool Posture on Machining Performance Utilizing Multi-Tasking
Lathe”, International Journal of Machine Tools & Manufacture Volume 48, Pages 841–850.
[14] Kıyak M., Altan E., 2012, “Effects of Process Parameters on Surface Quality in
Turning of Mild Steel with Rotary Cutting Tool”.