FREZELEME OPERASYONLARINDA MEKANİK YÜKLERİN KONTROL EDİLMESİ
Bu makale işleme proseslerinde metal işleme takımlarının uygulanması ile üretilen yükler hakkındaki yazı dizisinin üçüncü bölümüdür. Birinci yazıda temel metal kesme kavramlarından ve tornalama operasyonlarındaki takım geometrisi, ilerleme oranları ve mekanik yükler arasındaki ilişkilere odaklanıldı. Sonraki yazıda, freze konumu ve takım hareket yollarının frezeleme sırasında mekanik yükler üzerindeki etkisi analiz edildi. Mevcut yazıda da frezeleme operasyonlarından bahsedilmektedir. Takım ve kesme parametresi tercihlerinin frezeleme prosesine özgü kesintili işleme koşullarındaki ısı üretimi, emilimi ve yönetimini etkilediğini açıklamaktadır.
Termal zorluklar
Metal kesme işlemi, kesme kenarının iş parçası malzemesinin şeklini değiştirdiği ve keserek kopardığı bölgede 800-900 Santigrat kadar yüksek sıcaklıklar üretir. Sürekli tornalama operasyonlarında, ısınma dengeli ve doğrusal bir şekilde gerçekleşir. Bunun aksine, frezelerin kesici ağızları aralıklı olarak iş parçası malzemesine girer ve çıkar ve kesme kenarlarının sıcaklığı da arka arkaya artar ve düşer.
İşleme sistemi elemanları, metal kesme işleminde oluşturulan ısıyı emer. Genellikle ısının %10'u iş parçasına, %80'i kesilen talaşlara ve %10'u da takıma gider. Olması gereken, talaşların ısının büyük kısmını alıp götürmesidir, çünkü yüksek sıcaklıklar takım ömrünü kısaltır ve işlenen parçaya zarar verebilir.
İş parçası malzemelerinin farklı termal iletkenlikleri ve diğer operasyonel etkenler, ısı dağıtımı üzerinde büyük etkiye sahiptir. Örneğin süper alaşımların termal iletkenliği zayıftır. Düşük iletkenliğe sahip iş parçalarını işlerken, takıma daha fazla ısı aktarılır. Ayrıca sert malzemeler işlendiklerinde yumuşak malzemelere göre daha fazla ısı üretirler. Genellikle kesme hızının yüksek olması ısı üretimini artırırken, daha yüksek ilerleme oranları da daha yüksek sıcaklıklara maruz kalan kesme kenarı alanını genişletir.
Temas yayı
Frezeleme işleminin aralıklı yapısı nedeniyle kesici ağızlar toplam işleme süresinin yalnızca bir bölümünde ısı üretir. Ağızların kesme yüzdesi, frezeleme takımlarının temas yayı ile belirlenir. Bu yay da radyal kesme derinliği ve freze çapına bağlıdır.
Çeşitli frezeleme işlemlerinde farklı temas yayları vardır. Örneğin kanal frezelemede iş parçası malzemesi işleme sırasında frezenin yarısını çevreler; temas yayı takım çapının %100'üne eşittir. Kesme kenarları, işleme süresinin yarısını kesilen bölgede geçirir ve hızlı bir şekilde ısı oluşur. Bu durum kenar frezelemeden farklıdır, çünkü kenar frezelemede herhangi bir anda frezenin nispeten küçük bir yüzdesi iş parçasına değmektedir ve kesme kenarlarının ısıyı havaya dağıtma şansı daha yüksektir.
Takımda aşırı miktarda ısı birikmesi, hızla aşınma veya deformasyona neden olarak takım ömrünü kısaltır. Bunun tersine, maksimum verimlilik sağlamak için çoğu kesici takım malzemesinin kritik bir minimum sıcaklık üzerinde uygulanması gerekir.
Özellikle karbür kesici takımlar sert, ancak kırılgan bir toz metalden oluşur. Belirli bir minimum seviye üzerindeki sıcaklıklar, toz metal malzemelerin tokluğunu artırır ve çatlama eğilimlerini azaltır. Diğer taraftan, kesme sıcaklıkları çok düşük olduğunda takım kırılgan halde kalır ve sonunda kırılır, parçalar kopar veya kenarda talaş birikimi oluşur. Amaç kesme sıcaklıklarını ideal bir bölgede tutmaktır.
Talaş kalınlığı ve termal konular
Bu dizide bir önceki yazıda radyal kesme derinliği, kesme kenarı açısı, ilerleme oranı ve talaş kalınlığının frezeleme işlemlerindeki mekanik yüklere katkılarının ne gibi görevleri olduğu incelenmiştir. Aynı işleme etkenleri, kesme hızı ile birlikte frezeleme işlemindeki termal yükleri de etkilemektedir.
Talaş kalınlığı termal koşulları ve takım ömrünü her iki uç noktada da etkiler. Talaşlar çok kalınsa ortaya çıkan ağır yükler aşırı miktarda ısı ve talaş üretir veya kesme kenarlarını kopartır. Talaşlar çok ince olduğunda, kesme işlemi kesme kenarının daha küçük bir kısmında gerçekleşir ve artan sürtünme ve ısı, hızlı bir şekilde aşınmaya neden olur.
Frezeleme işleminde üretilen talaşların kalınlığı, kesme kenarı iş parçasına girip çıktıkça sürekli olarak değişir. Bu nedenle takım tedarikçileri en üretken kalınlıkları koruyan freze ilerleme oranlarını hesaplamak için "ortalama talaş kalınlığı" kavramından yararlanmaktadır.
Doğru ilerleme oranını belirlemek için, frezenin temas yayı veya radyal kesme derinliği ve kesme kenarlarının kesme açısı gibi etkenleri kullanılır. Temas yayı ne kadar büyük olursa, istenen ortalama talaş kalınlığını elde etmek için gereken ilerleme oranı da o kadar düşük olur.
Benzer şekilde, freze teması daha az olduğunda aynı talaş kalınlığını elde etmek için ilerleme oranı daha büyük olmalıdır. Frezenin kesme kenarı açısı da ilerleme ihtiyacını etkiler. Kesme kenarı açısı 90 derece olduğunda maksimum talaş kalınlığı elde edilir, bu nedenle daha küçük kesme kenarı açılarında aynı ortalama talaş kalınlığını elde etmek için daha yüksek bir ilerleme oranı gerekir.
Kesme bölgesindeki talaş kalınlığı ve sıcaklıkları tamamen temas halindeki bir frezedeki değerler ile aynı seviyede tutmak için, takım tedarikçileri freze temas yüzdesi azaldıkça kesme hızlarını artırmayı gerektiren kompansasyon katsayıları geliştirmiştir.
Örnek olarak, tam temas halindeki (çapın %100 kullanımı) bir frezenin hız katsayısı 1,0 ise kesit içinde çapının %20'si temas halindeki 90 derece kesme kenarı açılı bir frezenin hız kompansasyon katsayısı 1,35'tir. Bu nedenle, tam temas halindeki frezenin kesme hızı 100 m/dak. ise frezenin çapının yalnızca beşte biri kesit içindeyken optimum talaş kalınlığını korumak için gereken kesme hızı 135 m/dak.'dır.
Termal yük açısından bakıldığında, temas yayı küçükse kesit içindeki süre takım ömrünü maksimuma çıkarmak için gereken minimum sıcaklığı elde etmek için yeterli olmayabilir. Kesme hızını artırmak genellikle daha fazla ısı üretimine neden olduğu için, düşük temas yayı ile daha yüksek kesme hızını bir arada kullanmak kesme sıcaklığını istenen seviyeye yükseltmeye yardımcı olabilir. Kesme hızının daha yüksek olması, aynı zamanda kesme kenarının talaş ile temas halinde olduğu süreyi de azaltır. Bu da takıma aktarılan ısının miktarını azaltır. Genel olarak hızın yüksek olması işleme süresini de kısaltır ve üretkenliği artırır. Diğer yandan düşük kesme hızları işleme sıcaklıklarını düşürür. Bir operasyonda üretilen ısı çok yüksekse, kesme hızının azaltılması sıcaklıkları kabul edilebilir bir seviyeye indirebilir.
Kesme kenarı geometrisi
Frezeleme takımı ve ağzının geometrileri, termal yüklerin yönetimine katkıda bulunur. Frezenin temel geometrisi, takımın iş parçasına göre hangi konumda olduğunu belirler. Kesme kenarları pozitif boşlukta olan frezeler (kesme ağzının üst kısmı iş parçası malzemesine göre eğimli haldeyken), daha düşük kesme kuvvetleri oluşturur, daha az ısı üretir ve aynı zamanda daha yüksek kesme hızlarının seçilebilmesini mümkün kılar. Ancak pozitif boşluk negatif ayarlı takıma göre daha zayıftır ve iş parçası malzemesinin sertliği ve yüzeyinin durumu nedeniyle negatif boşluklu frezeleme takımlarının kullanılması gerekebilir. Negatif boşluklu takımlar daha büyük kesme kuvvetleri ve daha yüksek kesme sıcaklıkları oluşturur.
Kesme kenarlarının geometrisi, kesme işlemini ve kesme kuvvetlerini başlatır ve kontrol eder. Böylece bu geometri ısı üretimini etkilemiş olur. Takımın iş parçasına temas ettiği kenarı pahlı, yuvarlak veya keskin olabilir. Pahlı veya yuvarlak kenarlar daha dayanıklıdır, ancak yine daha yüksek kesme kuvvetleri ve daha fazla ısı üretirler. Keskin kenarlar ise, aynı derecede dayanıklı olmamalarına rağmen kesme kuvvetlerini azaltır ve daha düşük sıcaklıkta çalışır.
Kesme kenarının arkasındaki T yüzeyi, talaşı yönlendirir ve pozitif veya negatif olabilir. Burada da pozitif tasarımdaki düşük çalışma sıcaklığı ve negatif düzendeki daha dayanıklı ancak daha yüksek ısı üretimi arasında tercih yapılmalıdır.
Frezelemedeki kesme işlemi duraklatıldığı için, frezeleme takımlarının talaş kontrolü genellikle tornalama işlemindeki kadar önemli değildir. Ancak iş parçası malzemesine ve ilgili temas yayına bağlı olarak talaşın oluşturulması ve yönlendirilmesini sağlayan enerji önemli olabilir. Orta veya zor talaş kontrolü sağlayan geometriler talaşı hemen büker ve daha büyük kesme kuvveti ve ısı üretir. Daha kolay talaş kontrolü sağlayan geometriler ise düşük kesme kuvveti ve çalışma sıcaklığı üretir, ancak bazı iş parçası malzemesi ve kesme parametresi kombinasyonları için uygun olmayabilir.
Soğutma ile ilgili sorular
Soğutma sıvısı uygulamasının kontrolü, metal kesme operasyonlarında üretilen sıcaklıkları yönetmek için başka bir yöntemdir. Çok yüksek sıcaklıklarda kesme kenarları hızlı bir şekilde aşınabilir veya deforme olabilir. Bu nedenle ısı mümkün olduğunca hızlı bir şekilde kontrol edilmelidir.
Sıcaklıkları verimli bir şekilde düşürmek için soğutmanın ısı kaynağına yönlendirilmesi gerekir. Ancak soğutma sıvısını talaş ve kesme kenarı arasındaki basıncın 20.000 bar civarında olduğu yüksek sıcaklıktaki kesme bölgesine enjekte etmek imkansız olmasa da, aşırı derecede zordur. Ayrıca soğutma sıvısı böyle aşırı bir ortamda anında buharlaşır. Soğutma sıvısı böyle bir durumda ısıyı uzaklaştırmak için tamamen etkili olmayabilir, ancak bir miktar yardımcı olabilir.
Soğutma sıvısı akışının tam olarak ne kadar fark yarattığı net değildir; soğutma sıvısının etkinliği kendi başına ayrı bir konudur. Bu konu biraz dine benzer; ya inanırsınız, ya da inanmazsınız. Genellikle aşırı bir ısı bekleniyorsa soğutma sıvısı uygulanabilir. Örneğin kanal frezeleme işlemlerinde soğutma sıvısı kullanımı genellikle zararlı değildir. Yardımcı olabilir, ancak ne kadar yardımcı olacağı tartışmaya açıktır. Ancak kesme sıcaklıklarının düşük kalabildiği yan frezeleme işlemlerinde soğutma sıvısı uygulamamak muhtemelen en iyisidir.
Sonuç
Mevcut metal işleme operasyonlarındaki yükleri oluşturan çok sayıda etken, birbirinden ayrı hareket etmemektedir. İşleme operasyonları süresince birbirlerini etkilerler. Bu yazıda frezeleme operasyonlarındaki termal konulardan ve mekanik etkenler ile aralarındaki ilişkilerden bahsedilmiştir. Metal kesme yüklerini oluşturan öğeleri ve birbirleriyle etkileşimlerinin genel sonuçlarını bilmek, üreticilerin işleme proseslerini optimize etmelerine, üretkenlik ve karlılıklarını maksimuma çıkarmalarına yardımcı olacaktır.
Hazırlayan:
Patrick de Vos, Kurumsal Teknik Eğitim Müdürü, Seco Tools
