73

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI

Özet- Bu bildiride bütünleşik disk kompresörlerinin

üretimi incelenmiştir. Üretim metotları arasında

frezeleme yöntemleri üzerinde daha detaylı durulmuştur.

Günümüzde oldukça gelişen CNC teknolojisinin yanısıra

işleme parametrelerinin, takım tezgahı ve takım

geometrisinin seçiminde halen tecrübesel yöntemler

kullanılmaktadır. Bu çalışmada bilimsel tabanlı imalat

yöntemleriyle gerekli parametrelerin en uygun şekilde

seçilme yöntemlerinde de bahsedilmiştir.

Titanyum kompresör, derin frezeleme, talaşlı imalat

fiziksel simülasyonu

1. GİRİŞ

Günümüz havacılık endüstrisinde performans arttırmaya

ek olarak çevreye ve operasyon maliyetlerine olumlu

katkısı olan, az yakıt tüketimi sağlayan çözümler

tasarımdan imalata birçok aşamada belirleyici faktörler

olarak öne çıkmaktadırlar. Gaz türbinli uçak motorlarının

kompresör bölümlerinin bu kapsamda önemli etkileri

olduğu bilinmektedir. Eksenel kompresör ya da fan

parçaları daha sonra monte edilmek üzere tek paleler

halinde veya bütünleşik disk olarak (Şekil 1) üretilebil-

mektedirler. Montajlı yaklaşım imalatta ham malzeme

yönünden avantajlar sağlamasına karşın ömür, rijitlik,

performans ve ağırlık yönlerinden bazı sorunlara neden

olduğu bilinmektedir. Öte yandan bütünleşik disk

kompresörler (BDK) yekpare gövde nedeniyle statik ve

dinamik yönden daha sağlam bir yapıya sahiptir. Bu

nedenle gövde kısımları daha hafif olabilmektedir.

TMMOB Makina Mühendisleri OdasıVI. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı

06-07 Mayıs 2011 / ESKİŞEHİR

JET MOTORLARINDA TİTANYUM KOMPRESÖR PARÇALARININ ÖZGÜN ÜRETİMİ

1 2 3Cenk AKIN , Emre ÖZLÜ , Erhan BUDAK

1ALP Havacılık Tic. ve San. A.Ş., Organize Sanayi Bolgesi, 8. Cadde, 26110, Eskişehir, TÜRKİYETel: 222 211 70 63 E-Posta: cakin@alp.com.tr

2 Maksima İmalat AR-GE Danışmanlık Ltd.Şti., GOSB Teknopark, High Tech Ofis Bin. A3, Kocaeli, TÜRKİYE

Tel: 262 678 89 08 E-Posta: emre@maxima.com.tr3Sabancı Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Orhanlı, Tuzla, İstanbul, TÜRKİYE

Tel: 216 483 95 19 E-Posta: ebudak@sabanciuniv.edu

Şekil 1. Bütünleşik disk kompresör (BDK) parçaları.

Ortalama bir motordaki eksenel kompresör ve fanların

sayısı düşünüldüğünde BDK'lerin toplam motor ağır-

lığında önemli bir tasarruf sağlayabilecekleri açıktır.

Ayrıca, BDK'ler montajlı disklerin temel sorunlarından

bir tanesi olan palelerin diske bağlantı kısımlarındaki

sürtünme nedeniyle oluşan hızlı aşınmayı da ortadan

kaldırarak parça ömrünü uzatmaktadırlar.

BDK parçalarının malzemesi olarak yüksek sıcaklıklar-

daki yüksek dayanımı ve korozyon direnci nedeniyle

Titanyum alaşımları tercih edilmektedir [1, 2, 3]. Diğer

taraftan düşük ısıl iletkenlik, düşük elastisite modülü,

kimyasal tepkimeye yatkınlık gibi özellikleri bu alaşım-

ların işlenebilirliğini oldukça güçleştirmektedir ve bu

alaşımlar genellikle işlenmesi zor malzemeler olarak

bilinmektedir.

BDK parçaları karmaşık goemetrileri nedeniyle kaba

işlemeleri 5 eksen frezeleme operasyonları ile gerçekleş-

tirilir. Parçaların son geometrisinin elde edilmesi için ise

yine 5 eksen frezeleme ve bazı uygulamalarda ise elektro-

kimyasal işleme kullanılabilir. Elektro-kimyasal işleme,

74

operasyon parametrelerinin kontrolünün zor olması ve

çevreye karşı olumsuz etkileri nedeniyle, son zamanlarda

yerini yavaş yavaş 5 eksen frezeleme operasyonlarına

bırakmaktadır. CNC tezgahları ve CAD/CAM teknoloji-

sinde gerçekleşen gelişmelerin yanısıra süreç parametre-

leri ve kesici takım geometrisi seçiminde halen tecrübeye

dayalı yöntemler kullanılmaktadır. Bu nedenle işlemlerin

verimliliği çoğu zaman hem hız hem de maliyet açısından

düşüktür. Bu noktada süreç modellerinin kullanılması

önerilmektedir [4]. Süreç modelleri imalat işlemini

mekanik ve dinamik açıdan modelleyip en iyi para-

metrelerin elde edilmesinde ve işlem gerçekleşmeden

önce hataların tespitinde kullanılır. Günümüzde temel

kesme işlemleri ve daha karmaşık olan 5 eksen frezeleme

işlemleri için çeşitli süreç modelleri mevcuttur [5-9].

Yukarıdaki paragraflarda kısaca bahsedildiği gibi BDK

parçalarının üretimi gerek malzemelerinin düşük işle-

nebilirlikleri gerekse de karmaşık geometrileri nedeniyle

oldukça zordur. Bu çalışmada titanyum alaşımı BDK

parçalarının 5 eksen derin frezeleme yöntemi ile üretimin-

den bahsedilecektir. Ayrıca üretim öncesi en iyi kesme

koşullarının elde edilmesi ile ilgili gerçekleştirilen

modelleme yoluyla fiziksel işleme analizleride incele-

necektir.

2. BDK Parçalarında Frezeleme Süreçleri

Klasik türbininin eksenel kompresör rotorları, kompresör

palelerinin (blade) birbirine mekanik montajı ile elde

edilirler. Bu yöntemde hem pale hem de disk üzerinde

oldukça ağır bazı bağlantı mekanizmaları kullanılır ve

aerodinamik olarak motora hiç bir katkısı bulunmayan bir

yük motora hayatı boyunca taşıtılmak zorunda bıra-

kılmaktadır. Dolu titanyum malzemeyi işleyerek üretilen

BDK'ler bu anlamada değişik avantajlar sağlamak-

tadırlar. Ancak üretim sırasında ortaya çıkabilecek değişik

sorunları çözümlemek de gerekmektedir. Bu bölümde

bunlar kısaca anlatılacaktır.

Motorun aerodinamik verimliliğinde önemi olan ti-

tanyum (Ti6Al4V) malzemeden yoğun bir malzeme

işlemeyle (bazı durumlarda başlangıç hacminin %90'ı

kadar) hızlı bir şekilde hasarsız olarak boşaltmak ve pale

yüzeylerindeki yüksek boyutsal toleransları yakalamak

gerekmektedir. Titanyumun işlenebilirliği oldukça düşük

bir malzeme olmasına ek olarak ince ve uzun palalerdeki

esnemelerin yol açtığı yüzey ve form hataları bu parçala-

rın imalatını oldukça zorlaştırmaktadır. Dolu malzemenin

işlenmesi yani diskleri katı malzemeden freze boşaltma

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI

yöntemiyle üretme konusunda 2 alternatif işleme yöntemi

vardır: Nokta frezeleme ya da yüzey tarama (point mil-

ling) veya derin/yanal frezeleme (flank milling) (Şekil 2).

(b)(a)

Şekil 2. Palelerin (a) derin frezeleme ve (b)noktasal frezeleme ile üretilmesi.

Şekil 3. Noktasal frezeleme yöntemi ile BDK'lerin

işlenmesi. Noktasal frezeleme yönteminde palelerin yüzeyleri

küresel uçlu kesiciler işleyerek oluşturulur (Şekil 3). Bu

yöntem ile hemen her türlü karmaşık tasarıma sahip yüzey

oluşturulabildiği için tasarımcıya geniş özgürlük sağ-

lamaktadır. Ancak bu yüzeyler çok yüksek sayıda takım

hareketi (yolu) ile oluşturulabildiklerinden işlem süresi

çok uzundur. Bu yöntemin diğer bir dezavantajı ise işlem

sonrası takım ucunun geçtiği tüm bölgelerde tırtıklı

(scallops) yüzeyler bırakmasıdır. Bu yüzeyler frezeleme

sonrasında yoğun bir yüzey parlatma gerektirmektedirler.

Derin ya da yanal frezeleme operasyonu çok özel ve nadir

kullanılan bir metal işleme yöntemidir (Şekil 4).

Öncelikle bu yöntem ile işlenecek bir genel yüzey için

takım yolları, yani CNC programları, standart CAD/CAM

yöntemleri elde edilemez; özel yöntemler ve yazılımlar

kullanılmalıdır [10]. Buna ek olarak, titanyum mal-

zemenin derin olarak işlenmesi sırasında takımlar yüksek

kuvvetlere ve titreşime maruz kalmaktadır. Yüksek

kuvvetler nedeniyle hem kesici takım hem de pale

boyutsal tolerans hatalarına yol açan esnemelere de yol

açmaktadırlar. Bu problemlerin çözülmesi mevcut

75

CAD/CAM ve CNC teknolojileri ile sağlanamadığından

süreç modelleme ve ölçme yöntemleri kullanılmalıdır.

Şekil 4. Derin frezeleme yöntemi ile BDK'lerin işlenmesi [4,

10].

3. 5 Eksen Derin Frezeleme Operasyonu Süreç Modeli

Giriş bölümünde kısaca bahsedildiği üzere, süreç

modellemedeki amacımız işlemi bilgisayar ortamında

fiziksel olarak modelleyip en iyi takım ve kesme

koşullarını elde etmektir. Bu bağlamda sürecin hem

mekanik (kesme kuvvetleri, torku, gücü, takım ve iş

parçası esnemeleri vb.) hem de dinamik (tırlama

titreşimleri) olarak modellenmesi gerekmektedir. Fakat 5

eksen sürecinde modellemeyi zorlaştıran bir takım etkiler

bulunmaktadır. Bu bölümde bu etkilerden ve kısaca

modellemeden bahsedilecektir.

3.1 Süreç Geometrisi

5 eksen frezelemede 3 lineer eksene ek olarak 2 dönel

eksen bulunmaktadır. Bu nedenle iş parçalarını tek

bağlanmada en fazla işlenebilir yüzey sayısına erişi-

lebilmekte ve dolayısıyla ulaşılabilecek boyutsal tole-

ranslar azalmaktadır. Bu durum 5 eksen frezelemenin

geometrik esnekliğini artırmakla birlikte modellenmesini

de zorlaştırmaktadır [11]. 5 eksen nokta ve yanal freze-

leme geometrileri Şekil 5'de görülebilir. Şekilden de

görülebileceği gibi, takım yolu boyunca takım ve iş

parçasının göreceli koordinatları ile hem takım yolu

boyunca hem de takımın bir dönüşü için kaldırılan talaş

kalınlığı sürekli değişmektedir. 5 eksen frezelemede süreç

modelini zorlaştıran diğer bir durum ise iş parçası ile

takım arasındaki kesişim hacminin modellenmesidir [11].

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI

Şekil5. 5 Eksen frezelemede takım-yüzey konumları [6].

3.2 Süreç ModelleriBDK parçalarının 5 eksen frezeleme süreci sırasında

ortaya çıkan kesme kuvvetlerinin hesaplanması için

mekanistik kesme modeli kullanılmıştır [7, 12]. Bu

modelde takımla iş parçası arasındaki kesme mekaniği

parametreleri kısa bir dizi test yardımı ile kalibre

edilmektedir. Daha sonra takım ve iş parçası belirli sayıda

elemanlara bölünerek her bir elemanın üzerine gelen

diferansiyel kuvvetler hesaplanıp toplanmaktadır. Kesme

kuvvetleri bir kere belirlendikten sonra kesme torku, gücü

ve iş parçası/takım esnemeleri de hesaplanabilmektedir.

Örnek bir modelleme Şekil 6'da görülebilir.

Şekil 6: Derin frezelemede takım üzerine gelen eğmekuvvetinin modellenmesi.

76

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI

BDK işlemlerinde özellikle finiş operasyonlarında

karşılaşlıan diğer bir problem ise tırlama tipi titreşim-

lerdir. Tırlama tipi titreşimlerin önceden belirlenmesinde

ve sönümlemek için en uygun parametrelerin hesaplan-

masında kullanılan metodlar mevcuttur. Bunlardan en sık

kullanılanı “kararlılık diyagramlarıdır”, Şekil 7 [13].

Kararlılık diyagramları tırlama titreşimleri olmadan

kesme işleminin gerçekleştirilebileceği en iyi kesme

derinliği / kesme hızı değerlerini verebilmektedir. Şekil

7'den de görülebileceği gibi modelleme ile hesaplanan

sınırın altında kalan bölgeler titreşim olmadan

operasyonun gerçekleştiği en uygun kesme parametre-

lerini vermektedir. Yüksek hızlı talaşlı imalat operasyon-

larında oldukça sık kullanılan bu yöntem, görece olarak

kesme hızı daha düşük titanyum işlemede de kullanıla-

bilmektedir. Eğer kesici takım çapına bağlı olarak iş mili

devirleri çok düşük seviyelerde kullanılacaksa bu

durumda “süreç sönümlemesi” [14] veya değişken adımlı

kesici takım [15] kullanılarakta titreşimler sönümle-

nebilmektedir.

Şekil 7. Derin frezelemede modellenen kararlılık diyagramınındeneysel olarak karşılaştırılması.

4. BDK Parçalarının İmalatı

Alp Havacılık, havacılık sektöründe hassas talaşlı imalat,

bitmiş parça üretimi ve sistem imalatlarıyla 1500 den

fazla ürün gamıyla hizmet veren bir kuruluştur. Türkiye'

de en çok titanyum işleyen kuruluş olma özelliğini

arttırarak sürdürmekte olup zengin bir titanyum özel

porses portföyüne sahiptir.

Alp Havacılık, BDK parçalarının üretiminde Pratt &

Whitney firmasının önderliğinde son yıllarda ger-

çekleştirilen önemli teknolojik gelişmelerin hemen

akabinde gerçekleştirecek olması uzun dönemde teknolojinin entegre olması açısından çok yararlı olacaktır.

Titanyum BDK diklerinin dolu olan malzemeden frezelemeyle işleyerek üretmek için Pratt & Whitney firması Mitsui Seiki tezgah üreticisi firmasıyla beraber özel geliştirilmiş 5 eksenli tezgahlar geliştirmiş ve eşzamanlı olarak Alp Havacılık firması bu tezgah yatı-rımlarını yaparak bünyesine katmıştır. T serisi olarakta adlandırılan bu tezgahlar tamamen özel üretim olup sadece BDK üretimi için geliştirilmiştir ve P&W firma-sının patenti altındadır.

Titanyum BDK disklerinin üretmek için titanyuma ait tüm özel proseslerin yatırımlarınında yapılması gerekmek-tedir ve tüm özel prosesler malzemenin işlenmesi kadar özgündür.

Bu narin yapıların hasarlanmadan homojen ve hatasız olarak yüzeylere son işlem yapılması için ise Extrude Honlama, Robotik Yüzey Son İşlem ve Almco Media Finish Techizatı kullanılacaktır. Tüm bu prosesler ilk kez kullanılacaktır.

Talaşlı imalat prosesleri tamamlanmış olan BDK disklerine FPI, Blue Etch kontrollerini takiben kanat-çıkların yüzeylerinde çatlak kontrolü amacıyla P&W patentinde geliştirilmiş 6 eksenli ECI techizatı kul-lanılacaktır.

5. SONUÇLAR

Değişik avantajları nedeniyle jet motorlarında BDK'ların kullanımı yaygınlaşmaktadır. Ancak hem titanyum alaşımlarının işlenme zorlukları hem de bu parçaların karmaşık ve esnek yapılarından dolayı üretimlerinde çeşitli zorluklarla karşılaşılmaktadır. Bunların birçoğu süreç modelleme ve ölçme yöntemleri aracılığıyla aşılabilmektedir.

BDK'ların frezelenmesi kadar daha sonra uygulanan operasyonlarda çok önemli ve özgündür. Özellikle robotic finiş çok hassas olarak frezelenmiş olan pallerden her biri eşit miktarda tesviye edilerek mükemmele yakın bir BDK üretilebilmektedir. Aynı şekilde extrude hone tezgahı tamamen BDK parçalarının son yüzey işlemi için üretilmiş tamamen özgün ve lisanslı bir prosesdir.

ALP Havacılık yapmış olduğu yatırımlarla havacılık sanayinde Türkeye'nin mihmandan biri olmaktan gurur duymaktadır.

77

6. REFERANSLAR

[1] E.O.Ezugwu, Z.M.Wang, “Titanium alloys and their

machinability – a review”, Journal of Material Processing

Technology, 68,1997, s.262-274.[2] L.N.Lopez de Iacelle, J.Perez, J., J.I.Llorente,

J.A.Sanchez., “Advanced cutting conditons for the

milling of aeronautical alloys”, J. Mater. Process.

Technol. 100,2000, s.1-11.[3]P.J.Arrazola, A.Garay, L.M.Iriarte, M.Armendia,

S.Marya, F.Le Maitre, “Machinability of titanium alloy

(Ti6Al4V and Ti555.3)”, Journal of Materials Processing

Technology, 209, 2009 s2223-2230. [4] 38. Budak, E., “Improvement of productivity and

part quality in milling of titanium based impellers by

chatter suppression and force control”, CIRP Annals-

Manufacturing Technology, Vol. 49/1, 2000, s. 31-36.[5] Altintas, Y., Manufacturing Automation, Cambridge

University Press., 2000.[6] Ozlu E., Budak E., and Molinari A., Two-zone

analytical contact model applied to orthogonal cutting,

Machining Science and Technology: An International

Journal, 14/3, 323-343, 2010.[7] Ozturk, E. and Budak, E., “Modeling of 5-Axis

Milling Process”, Machining Science and Technology

Vol. 11:3, pp. 287 – 311, 2007.[8]Budak, E., Ozturk, E., Tunc, L.T., “Modeling and

Simulation of 5-Axis Milling Processes”, Annals of the

CIRP, Vol. 58/1, 347-350, 2009.[9]Ozturk, E., Tunc, T. and Budak, E., “Investigation of

Lead and Tilt Angle Effects in 5-Axis Ball-End Milling

Processes”, International Journal of Machine Tools and

Manufacture, Vol. 49, 1053-1062, 2009.[10] Wu, C.Y., “Arbitrary surface flank milling of fan,

compressor and impeller blades, Trans. ASME Journal of

Engineering for Gas Turbines and Power, 1995, 117,

s.534-539.[11] Budak, E., Ozturk, E., Tunc, L.T., “Modeling and

simulation of 5-Axis milling processes”, CIRP Annals-

Manufacturing Technology, 2009, 58/1, s. 347-350.[12] Budak, E., Altintas, Y. and Armarego, E.J.A., 1996,

“Prediction of milling force coefficients from orthogonal

cutting data”, Trans. ASME J. of Man. Sci. and Eng., 118,

pp. 216-224.[13] Budak, E., “Analytical Methods for High

Performance Milling-Part II: Process Dynamics and

Stability”, International Journal of Machine Tools and

Manufacture, Vol46/12-13 pp 1489-1499, 2006.[14] Budak, E. and Tunc, L. T., “Identification and

Modeling of Process Damping in Turning and Milling

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI

Using a New Approach”, CIRP Annals-Manufacturing

Technology, Vol. 59/1, 2010.[15] Budak, E., "An Analytical Design Method for

Milling Cutters with Non Constant Pitch to Increase

Stability-Part I: Theory", Trans. ASME Journal of

Manufacturing Science and Engineering Vol. 125, pp. 29-

34, 2003.

7. ÖZGEÇMİŞLER

Cenk AKIN

Lisan eğitimini 1991 yılında Yıldız Teknik Üniver-

sitesin'de ve yüksek lisans eğitimini 1998 yılında

Osmangazi Üniversitesi Metalurji dalında tamamlamıştır.

1992-2003 yılları arasında 1. Hava İkmal Bakım Merkezi

Komutanlığı'nda bir çok farklı görevde çalışmıştır. 2004

yılında ALP HAVACILIK' ta imalat mühendisi olarak

göreve başlamış ve daha sonra imalat mühendisliği şefi

olarak 3 sene çalışmıştır. 2010 yılında ALP HAVACILIK'

ın bütünleşik disk üretimi konusunda yaptığı yatırımla

IBR proje liderliğine atanmıştır.

Emre ÖZLÜ

Lisans ve Yüksek Lisans eğitimini İTÜ Makina

Mühendiliği Bölümü Makina Malzemeleri ve İmalat

Teknolojisi ABD'de 2001 ve 2003 yıllarında, doktora

çalışmasını da “Endüstride sıklıkla kullanılan talaşlı

imalat operasyonlarının modellenmesi” üzerine Sabancı

Üniversitesi Üretim Araştırma Laboratuarında 2008

yılında tamamlayan Dr. Emre Özlü, halen endüstriye

bilimsel tabanlı talaşlı imalat yöntemleriyle destek veren

Maksima İmalat AR-GE danışmanlık Ltd. Şti.'de yönetici

olarak çalışmaktadır.

Erhan BUDAK

2000'den beri Sabancı Üniversitesi'nde öğretim üyesi

olarak çalışmaktadır ve Üretim Araştırma Laboratuarı'nın

direktörüdür. Araştırma alanları talaşlı imalat ve takım

tezgahları üzerinedir. 1994'de doktorasını British

Columbia Üniversitesi'nde tamamladıktan sonra 2000

yılına kadar Pratt & Whitney Kanada'da üretim araştırma

mühendisi olarak çalışmıştır. Maxima İmalat AR-GE Ltd.

Şti.'nin kurucusudur. CIRP ve ASME üyesidir.

78

VI. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI