KaydedilenlerDerginizi ekleyin

Dergiler / Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji / 2026 / Cilt: 14 Sayı: 1

AISI 4140 Çeliğinin Delinmesinde Matkap Uç Geometrisi Etkisinin Sonlu Elemanlar Analizinde Johnson-Cook Malzeme Modeli ve Yazılım Kütüphanesi Sonuçlarının Kıyaslanması

Comparison of Johnson-Cook Material Model and Software Library Results in Finite Element Analysis of the Effect of Drill Bit Geometry on the Drilling of AISI 4140 Steel

Tuncer Demirel(BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ)0000-0002-0405-9240
Kutay Aydın(AMASYA ÜNİVERSİTESİ)0000-0003-3614-4877
Gökhan Deliorman(Karcan Kesici Takım San. ve Tic. A.Ş.)0009-0009-8520-7257
Abdullah Kurt(GAZİ ÜNİVERSİTESİ)0000-0002-7650-3443
Sayfa
345–365
Yayın Tarihi
2026-03-04
🏛️Bu makalenin bibliyografik verileri ve tam metin bağlantısı DergiPark üzerinden sağlanmıştır.
DergiPark Kaydı ↗
✨

Yapay Zeka Hızlı Bakış & Çıkarımlar

AI Insight
⚡ TL;DR(1 Cümlede Hızlı Çıkarım)

Her iki malzemenin delinmesi sonucunda oluşan talaş şekillerinin de oldukça benzer olduğu tespit edilmiştir.

📌 3 Maddede Bu Makale

🎯
Amaç & Hipotez:Bu çalışmada, AISI4140 çeliğinin delinmesinde matkap uç geometrisini oluşturan unsurlardan; batma açısı, öz kalınlığı ve giriş açısının delinebilirlik üzerindeki etkileri sonlu elemanlar destekli simülasyonlarla analiz edilmiştir.
📊
Temel Bulgular & Veri:Simülasyon çalışmalarında, 6.8 mm çapında, iki ağızlı, helisel yapıda, split uçlu ve yekpare karbür matkap modelleri kullanılmıştır.
💡
Sonuç & Katkı:Her iki malzemenin delinmesi sonucunda oluşan talaş şekillerinin de oldukça benzer olduğu tespit edilmiştir.
🔬Tür:Modelleme & Sayısal Simülasyon
📍Kapsam:Genişletilmiş Akademik Örneklem
⚙️Değişkenler:AISI4140 · Delme · Matkap Uç Geometrisi

Özet

Bu çalışmada, AISI4140 çeliğinin delinmesinde matkap uç geometrisini oluşturan unsurlardan; batma açısı, öz kalınlığı ve giriş açısının delinebilirlik üzerindeki etkileri sonlu elemanlar destekli simülasyonlarla analiz edilmiştir. Simülasyon çalışmalarında, 6.8 mm çapında, iki ağızlı, helisel yapıda, split uçlu ve yekpare karbür matkap modelleri kullanılmıştır. Bu modellerde; batma açıları 30°, 45° ve 60°, öz kalınlıkları 0,5 mm, 1,0 mm ve 1,5 mm, giriş açıları ise 120°, 135° ve 150° olacak şekilde çeşitlendirme yapılmıştır. Çalışmada hem yazılım kütüphanesinde hazır bulunan AISI4140 çeliği seçilerek, hem de AISI4140 çeliğinin Johnson-Cook malzeme modeli yazılıma tanımlanarak simülasyonlar yapılmış ve elde edilen sonuçlar (itme kuvveti, delme momenti, sıcaklık değerleri, matkaplarda oluşan gerilim, talaş şekli) kıyaslanmıştır. Hem JC malzeme modelinin hem de yazılım kütüphanesinden seçilen malzemenin delme simülasyonları sonuçlarından elde edilen verilerin benzerlik oranları yaklaşık %80 ve üzerindedir. Tüm verilerin tam faktöriyel olarak etki grafikleri oluşturulduğunda optimum matkap geometrilerinin; JC malzeme modeline göre G24 kodlu matkap, yazılım kütüphanesinden malzeme seçildiğinde ise G15 kodlu matkap geometrisi sonucuna ulaşılmaktadır. Her iki malzemenin delinmesi sonucunda oluşan talaş şekillerinin de oldukça benzer olduğu tespit edilmiştir.

Abstract

In this study, the effects of the elements constituting the drill bit geometry—the notch angle, core thickness, and splitting angle on the drillability of AISI4140 steel were analyzed using finite element-based simulations. In the simulation studies, 6.8 mm diameter, double-fluted, helical, split-tip, and solid carbide drill models were used. These models were varied with notch angles of 30°, 45°, and 60°, core thicknesses of 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm, and splitting angles of 120°, 135°, and 150°. In the study, simulations were performed by selecting the AISI4140 steel available in the software library and by defining the Johnson-Cook material model of AISI4140 steel in the software, and the results obtained (thrust force, drilling torque, temperature values, stress generated in the drills, chip shape) were compared. The similarity rates of the data obtained from the drilling simulations of both the JC material model and the material selected from the software library are approximately 80% and above. When effect graphs were created for all data using a full factorial design, the optimal drill geometries were determined to be the G24-coded drill according to the JC material model and the G15-coded drill geometry when the material was selected from the software library. It was also determined that the chip shapes formed as a result of drilling both materials were quite similar.

🔖

Bu Makaleye Atıf Yap

Demirel, T., Aydın, K., Deliorman, G., Kurt, A. (2026). AISI 4140 Çeliğinin Delinmesinde Matkap Uç Geometrisi Etkisinin Sonlu Elemanlar Analizinde Johnson-Cook Malzeme Modeli ve Yazılım Kütüphanesi Sonuçlarının Kıyaslanması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, Cilt: 14 Sayı: 1, 345–365. https://doi.org/10.29109/gujsc.1837261

📄 Tam Metin PDF Okuyucu

📄

PDF görüntüleyici hazırlanıyor...

Kaynakça (36)

  1. B. S. Kumar, N. Baskar, and K. Rajaguru, "Drilling operation: A review," Materials Today: Proceedings, vol. 21, pp. 926–933, 2020.
  2. D. Patel and R. Verma, "Analysis of drilling tool life-a review," International journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, vol. 4, no. 1, p. 523, 2015.
  3. Ş. Bayraktar, Y. Siyambaş, and Y. Turgut, "Delik delme prosesi: bir araştırma," SAÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol. 21, no. 2, 2017.
  4. D. Kim and M. Ramulu, "Drilling process optimization for graphite/bismaleimide–titanium alloy stacks," Composite structures, vol. 63, no. 1, pp. 101–114, 2004.
  5. E. Trent, "metal cutting 2nd edition Butterworth’s & Co. London, UK, limited," ISBN 0-408-34-38, 1984.
  6. S. Fuji, M. DeVries, and S. Wu, "Analysis of the chisel edge and the effect of the d-theta relationship on drill point geometry, J," Engng Ind, vol. 93, pp. 1093–1105, 1971.
  7. L. Shu et al., "Study on dedicated drill bit design for carbon fiber reinforced polymer drilling with improved cutting mechanism," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 142, p. 106259, 2021.
  8. C. Kahng, "Performance Testing of Twist Drills on AISI 4140 Alloy Steel," 1979.
  9. N. Baak, F. Schaldach, J. Nickel, D. Biermann, and F. Walther, "Barkhausen noise assessment of the surface conditions due to deep hole drilling and their influence on the fatigue behaviour of AISI 4140," Metals, vol. 8, no. 9, p. 720, 2018.
  10. J. Nickel, N. Baak, D. Biermann, and F. Walther, "Influence of the deep hole drilling process and sulphur content on the fatigue strength of AISI 4140 steel components," Procedia CIRP, vol. 71, pp. 209–214, 2018.
  11. G. Meral, M. Sarıkaya, M. Mia, H. Dilipak, and U. Şeker, "Optimization of hole quality produced by novel drill geometries using the Taguchi S/N approach," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 101, no. 1, pp. 339–355, 2019.
  12. S. Açay, M. Kolaç, and O. Atak, "AISI 4140 Çeliğinin delinmesinde kesme kenar radyüsü ve kesme parametrelerinin optimizasyonu," Manufacturing Technologies and Applications, vol. 1, no. 3, pp. 33–40, 2020.
  13. M. Yavuz, H. Gökçe, İ. Çiftçi, H. Gökçe, Ç. Yavaş, and U. Şeker, "Investigation of the effects of drill geometry on drilling performance and hole quality," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 106, no. 9, pp. 4623–4633, 2020.
  14. Y. Çavuş, Ş. Katmer, İ. Tekaüt, S. Kurt, H. Gökçe, and U. Şeker, "AISI 4140 Islah Çeliğinin Delinmesinde Yarık Talaş Açısının Etkisinin Deneysel ve Teorik Araştırılması," Gazi Journal of Engineering Sciences, vol. 8, no. 3, pp. 594–605, 2022.
  15. E. Abele and M. Fujara, "Simulation-based twist drill design and geometry optimization," CIRP annals, vol. 59, no. 1, pp. 145–150, 2010.
  16. A. Yıldız, A. Kurt, and S. Yağmur, "Finite element simulation of drilling operation and theoretical analysis of drill stresses with the deform-3D," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 104, p. 102153, 2020.
  17. D. Svensson, T. Andersson, and A. A. Lassila, "Coupled Eulerian-Lagrangian Simulation of Indexable Drilling," 2021.
  18. T. Andersson, D. Svensson, and A. Andersson Lassila, "Modelling and simulation of heat flow in indexable insert drilling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 131, no. 9, pp. 5177–5192, 2024.
  19. F. Yusubov, "Corrosion and wear behavior of AISI 4140 brake discs in simulated drilling environments," Journal of Engineering and Applied Science, vol. 72, no. 1, p. 122, 2025.
  20. Z. Krivokapić, R. Vučurević, D. Kramar, and J. Šaković Jovanović, "Modelling surface roughness in the function of torque when drilling," Metals, vol. 10, no. 3, p. 337, 2020.
  21. Ö. ŞAHİN and E. KALUÇ, "Experimental Investigation of Effects of Feed Rate and Cutting Speed on Surface Roughness and Cutting Tool Wear in Drilling of AISI 4140 Steel Workpieces Hardened up to 30 HRC using Solid Carbide Drills," Research square, DOI: https://doi. org/10.21203/rs, vol. 3.
  22. A. De Bartolomeis, S. T. Newman, I. Jawahir, D. Biermann, and A. Shokrani, "Future research directions in the machining of Inconel 718," Journal of Materials Processing Technology, vol. 297, p. 117260, 2021.
  23. AdvantEdge User's Manuel 7.1, 2015.
  24. R. D. Han and J. Wu, "Finite element simulation of drilling based on third wave systems AdvantEdge," Key Engineering Materials, vol. 431, pp. 229–232, 2010.
  25. G. R. Johnson, "A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures," in Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics, The Hague, Netherlands, 1983, 1983.
  26. M. Lotfi, S. Amini, and M. Aghaei, "Tool wear modeling in rotary turning modified by ultrasonic vibration," Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 87, pp. 226–238, 2018.
  27. A. Haglund, H. Kishawy, and R. Rogers, "An exploration of friction models for the chip–tool interface using an Arbitrary Lagrangian–Eulerian finite element model," Wear, vol. 265, no. 3-4, pp. 452–460, 2008.
  28. A. Tzotzis, C. García-Hernández, J.-L. Huertas-Talón, and P. Kyratsis, "Influence of the nose radius on the machining forces induced during AISI-4140 hard turning: A CAD-based and 3D FEM approach," Micromachines, vol. 11, no. 9, p. 798, 2020.
  29. E. Öztürk, "FEM and statistical-based assessment of AISI-4140 dry hard turning using micro-textured insert," Journal of Manufacturing Processes, vol. 81, pp. 290–300, 2022.
  30. K. Aydın and U. Şeker, "AISI 4140 Çelik Alaşımın Sert Tornalanmasındaki Karbon Emisyon Miktarının Sonlu Elemanlar ve Regresyon Yöntemleri ile Analizi," Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, no. UTIS 2024, pp. 1–12, 2025.
  31. E. Satoshi, "Effects of twist drill point geometry on torque and thrust," Sci Rep Fac Educ Gifu Unive (Nat Sci), vol. 36, pp. 165–174, 2012.
  32. E. Oezkaya and D. Biermann, "Development of a geometrical torque prediction method (GTPM) to automatically determine the relative torque for different tapping tools and diameters," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 97, no. 1, pp. 1465–1479, 2018.
  33. T. Wolf, M. Fast, J. Saelzer, G. Brock, D. Biermann, and S. Turek, "Modeling and validation of a FEM chip formation simulation to expand the numerical work on discontinuous drilling of Inconel 718," Procedia CIRP, vol. 117, pp. 32–37, 2023.
  34. N. Uçak, A. Çiçek, E. Oezkaya, and K. Aslantas, "Finite element simulations of cutting force, torque, and temperature in drilling of Inconel 718," Procedia CIRP, vol. 82, pp. 47–52, 2019.
  35. V. Kolesnyk et al., "Experimental study of drilling temperature, geometrical errors and thermal expansion of drill on hole accuracy when drilling CFRP/Ti alloy stacks," Materials, vol. 13, no. 14, p. 3232, 2020.
  36. K. Giasin, A. Hodzic, V. Phadnis, and S. Ayvar-Soberanis, "Assessment of cutting forces and hole quality in drilling Al2024 aluminium alloy: experimental and finite element study," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 87, no. 5, pp. 2041–2061, 2016.