International Iron & Steel Symposium, 02-04 April 2012, Karabük, Türkiye

1284

TORNA TEZGAHLARINDA MATKAPLARLA DELİK DELME İŞLEMLERİNDE KESME KUVVETLERİ VE SICAKLIĞIN ÖLÇÜLMESİ

Yunus KAYIR ve Muharrem USTA

*Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, Ankara, TÜRKİYE, ykayır@gazi.edu.tr *Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Meslek Yüksek Okulu, Burdur, TÜRKİYE, muharremusta@mehmetakif.edu.tr

ÖZET Bu çalışmada, klasik torna ve CNC torna tezgahlarında, matkaplarla delik delinmesinde oluşan kesme kuvvetleri ve sıcaklıkların ölçülebilmesine yönelik tasarlanan deney setleri anlatılmaktadır. Deney setleri, klasik torna ve CNC torna tezgahları için ayrı ayrı tasarlanmıştır. Deney seti kurulumunda, kuvvetler için 4 bileşenli ölçüm yapabilen 9272 Kistler dinamometre, delik delme işlemi için içten soğutmalı karbür matkaplar ve sıcaklık ölçümü içinde K tipi 1 mm çapında ısıl çifti kullanılmıştır. Deney seti, dönen iş parçası, hareketsiz kesici takım mantığı üzerine kurulmuştur. Dinamometrenin klasik torna tezgahına ve CNC torna tezgahlarına bağlanabilmesi için ayrı ayrı bağlama aparatları tasarlanarak imalatı yapılmıştır. Delik delme işleminde kullanılacak olan matkapların dinamometrenin üzerine bağlanması içinde pensli bağlama aparatı tasarlanarak imal edilmiştir. Bağlanan matkapların dönen iş parçasının merkezi ile olan hassasiyeti kontrol edilerek ayarlamalar yapılmıştır. Sıcaklık ölçümü, için iki adet ısıl çift, karbür matkabın içten soğutma kanalarından geçirilmiştir. Isıl çifttin uçları matkapların kesici kenarlarına çok yakın olarak konumlandırılmıştır. Isıl çiftler, anlık ölçüm yapabilen Data Loger cihazına bağlanmıştır. Deney setlerinin kurulumunun ardından Ø14 mm karbür matkaplarla, GGG40 küresel dökme demirin delinmesine yönelik bazı testler yapılmıştır. Klasik torna ve CNC torna tezgahlarında ayrı olarak yapılan deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen deney sonuçlarının birbirine oldukça yakın olduğu, dolayısı ile hazırlanan deney setlerinin doğruluğu kendi içinde kanıtlanmıştır. Anahtar kelimeler: Tornalama tezgahları, Delik delme, Karbür matkaplar, Kesme kuvvetleri, Sıcaklık

CUTTING FORCES AND TEMPERATURES MEASUREMENT WHEN DRILLING ON LATHES

ABSTRACT

In this study, experimental sets, which are used to measure cutting forces and temperatures occurred during drilling holes on the classical and CNC lathes, are described. The sets were designed separately for the classical lathes and CNC lathes. A 4-component dynamometer called Kistler 9272 to measure cutting forces and a carbide drill cooled internally and 1 mm diameter K type thermocouples to measure temperature were used in the sets. The sets were setup for idea of rotating the work piece and stable cutting tools. Two apparatus were designed and manufactured to assemble the dynamometer appropriately on the CNC lathe and classical lathe. Moreover, an adapter was designed and manufactured to hold cutting tools on the dynamometer. Having assembled the dynamometer and drill in the sets, center of cutting drills were adjusted to center of rotating the work piece precisely. Two thermocouples that were used to measure temperature were passed through the internal cooling channels of carbide drill. have been drill. Tips of the thermocouples are positioned very close to the edges of the drills. And then, other tips of the thermocouples were connected to the Data Loger. After the sets installation, some experiments were performed separately CNC lathe and classical lathe by using Ø14 mm carbide drill to hole GGG40 ductile cast iron. The experimental results were compared. The results that obtained were very close to each other were showed that the sets are worked accurately. Keywords: Turning machine tools, Drilling, Carbide tools, Cutting forces, Temperature

1. GİRİŞ Matkaplarla delik delme operasyonları imalat sanayisinin birçok kolunda yaygın olarak kullanılmaktadır. Genelde matkaplar ile delik delme basit bir işlem gibi düşünülür. Fakat delik delme sırasında çok karmaşık olaylar meydana gelmektedir. Matkaplarda delme işlemi, radyal ağızın (Şekil 1.a’da bir matkabın kısımları gösterilmektedir) parçaya dalması ile başlar ve ana kesme ağızlarının aktif kesme işlemine katılması ile devam eder. Kesici ağızları tarafından kesilerek parçadan ayrılan talaşlar helisel kanallar vasıtasıyla tahliye edilir. Radyal ağız, kesme yapmaz, matkabın dönme ve ilerleme hareketi sayesinde iş parçasını ezerek kesicinin ağızlamasını sağlar. Böylelikle de, matkabın delme eksenine paralel olarak ilerlemesine imkan verir. Kesici ağız ise, parçanın dönme ve matkabın ilerleme hareketiyle helis bir yüzey oluşturarak, iş parçasını keser. Helisel yüzey boyunca hareket eden takımda kesme ağızlarının etki yönü sürekli değiştiğinden, matkabın etkili kesme açıları da değişmektedir [1]. Yapılan delik delme işlemlerinde temelde iki kuvvetin etkili (Şekil 1.b) olduğu kabul

Kayır, Y. ve Usta, M.

1285

edilmektedir. İlki, matkabın ilerlemesinden meydana gelen Fz kuvvetidir. İkincisi ise matkabın dönüşünden kaynaklanan Mz (tork) momentidir. Fz ve Mz, takımın kesici kenarlarına ve açılan deliğin kalitesine (boyutsal toleranslar, vb.) büyük etkisi bulunmaktadır. Standart bir matkabın geometrisi için, uç açısı, radyal ağız açısı, radyal ağız uzunluğu, kesici ağız uzunluğu ve helis açısı gibi imalat parametreleri kullanılmaktadır. Bu parametrelerden her biri delik delme işleminde kesme kuvvetlerini ve elde edilen delik kalitesini değişik şekillerde etkilemektedir.

a) b)

Şekil 1. Bir kesici takım olan matkaba ait bilgiler: a) Matkabın kısımları, b) Delik delme işleminde meydana gelen kuvvetler Delik delme işleminde oluşan kesme kuvveti (Fz) ve momentin (Mz) büyüklüğü ilk etapta delinecek malzeme özellikleri göz önünde bulundurularak kaldırılacak talaş kesitine (A, mm

2) bağlıdır. Diğer etkenler ise kesici takım

malzemesi ve geometrik unsurları ile birlikte, kesme parametreleri (devir sayısı, ilerleme hızı), ortam sıcaklığı ve soğutma sıvısı kullanılması gibi etkenlerdir. Delme işleminde oluşan Fz kuvveti ve Mz torku elde edilen delik geometrisine (boyutsal toleranslar, yüzey pürüzlülüğü, vb.) tesiri çok fazladır. Kesme ortamında talaş kaldırma işleminin doğasından kaynaklanan ısı oluşumu ile birlikte kesme ortamının sıcaklık değerinin artışı belirli bir sınıra kadar olumlu etkisinin yanı sıra kısa sürede artan sıcaklık değerlerinde kesme işleminin verimli yapılabilmesini engelleyen bir durum sergilemektedir. Delme işleminde kesme sıcaklığının takım ömrüne etkisi özellikle kuru delmede önemli bir problemdir. Talaş kaldırılarak gerçekleştirilen imalat işlemlerinde birçok deneysel çalışma ile malzemelerin işlenebilirlik davranışları incelenmektedir. Malzemelerin bu işlenebilirlik deneylerinde, genelde değişen işleme parametreleri ve kesici takım özelliklerine bağlı olarak, işleme esnasında oluşan kesme kuvveti bileşenleri, sıcaklık ve işleme sonrası elde edilen yüzey pürüzlülüğü değeri ile takım hasar mekanizmalarının belirlenmesi ana çalışma konuları bünyesindedir. Bu kriterlerden kesme kuvveti bileşenlerinin işleme esnasında eş zamanlı ölçümünde dinamometreler kullanılmaktadır. Günümüzde, piyasa da geliştirilmiş çok çeşitli dinamometreler bulunmaktadır. İşlenebilirlik deneylerinde oluşan sıcaklığın ölçümünde ise, değişik yöntemler kullanılmaktadır. En yaygın olanı, ısıl çift (thermocouple) kullanılarak yapılan temaslı ölçüm yöntemidir. Bu yöntemin en yaygın kullanım şekli, ısıl çiftinin işlenen malzemeye veya kesiciye temas ettirilmesidir. Hangisinin tercih edileceği, kullanılan talaş kaldırma yöntemine göre değişebilmektedir. Kullanılan talaş kaldırma yönteminde, kesici dönerek talaş kaldırıyorsa (freze, matkap tezgahları gibi), sıcaklığın işlenen parça üzerinden alınılması yaygındır. Çünkü, dönen bir kesiciye ısıl çiftinin temas ettirilmesi teknik olarak zordur. Kullanılan talaş kaldırma yönteminde parça dönüyorsa (Tornalama tezgahları, vb.), bu durumda sıcaklığın kesici üzerinden alınması yaygındır. Delik delme yöntemi de bir işlenebilirlik çalışmasıdır. Prizmatik iş parçaları üzerindeki deliklerin açılmasında, yaygın olarak freze ve matkap tezgahı gibi makinalar kullanılmaktadır. Ayrıca torna tezgahlarında da delik delme işlemleri yapılabilmektedir. Kullanılan freze, matkap gibi tezgahlarda kesici dönerek talaş kaldırdığından, sıcaklığın matkap ucundan temasla alınması isteniyorsa, normal tezgah kullanımında, kesicinin iş parçası gibi, iş parçasının da fener miline bağlanarak kesici gibi kullanılması gerekecektir. Torna tezgahlarında ise iş parçaları dönmektedir. Normal kullanımda, sıcaklığın matkap ucundan alınabilmesinde bir değişiklik yapmaya gerek yoktur. Günümüzde, sıcaklık ölçümlerinde temaslı yöntem dışında, temassız (uzaktan algılama) yöntemlerde kullanılmaktadır. Fakat, temassız yöntemlerin, temaslı yöntemler gibi kesin sonuçlar yerine, yaklaşık değerler verebildiği ifade edilmektedir. Yapılan incelemelerde, delik delmeye yönelik yapılan işlenebilirlik çalışmalarının az ve yeni olduğu görülmüştür. Bu çalışmalardan ulaşılabilenler aşağıda özetlenmiştir Habalı ve Kıvak [2], süper alaşım Inconel 718 malzemesinin kaplamalı ve kaplamasız karbür matkaplarla delinmesi esnasında kesme parametrelerinin, kesme kuvvetleri üzerindeki etkisini analiz etmeye çalışmışlardır. Delme deneyleri kaplamasız, TiN ve TiAlN kaplı karbür matkaplar kullanılarak, kuru kesme şartlarında CNC dik işleme merkezinde, dört farklı kesme hızı (10, 12,5, 15, 17,5 m/dak) ve üç farklı ilerleme (0,05, 0,075, 0,1

f

Fz

Mz

ap

ØD

Kayır, Y. ve Usta, M.

1286

mm/dev) kullanılarak yapılmışlardır. Deliklerin delinmesi esnasında kesme kuvvetleri ölçülerek, kesici takımlar arasında mukayese yoluyla değerlendirmeler yapılmışlardır. Genel olarak kesme kuvvetlerinin artmasında, ilerleme miktarının kesme hızından daha etkili olduğunu görmüşlerdir. Kullanılan kesme hızı ve ilerleme miktarları için en yüksek kuvvet değerleri TiAlN kaplı kesici takımlarından elde etmişlerdir. Kesme kuvvetleri açısından kaplamasız, TiN ve TiAlN kaplı takımlar ele alındığında en iyi performansı kaplamasız takımlarda gözlemlemişlerdir. Ertunc ve Loparo [3], delik delme operasyonu sırasında oluşan kesme kuvveti ve tork değerlerini ölçmüşlerdir. Bunun için; İki bileşenli bir dinamometre kullanmışlardır. Anlık olarak ölçülen kesme ve tork değerlerinin değerlendirilmesine yönelik bir sistem geliştirmişlerdir. Geliştirilen sistem; delik delme anında zamana bağlı olarak değişen kesme kuvveti, tork, vb. şartları daha önceden oluşturulmuş olan değerler tablosu ile karşılaştırarak yorumlamaktadır. Kıyas için kullanılan değerler tablosu; kesicinin kör (kullanılmış) ve keskin (ilk defa kullanımı) olması durumuna göre elde edilen kesme kuvveti, tork, vb. değerlerden oluşturulmuştur. Sistem; kesicinin zamana bağlı olarak aşınmasını (körelmesini) tahmin yoluna gittiğinden delik delme hassasiyetinin korunmasını sağlamaktadır. El Tammimi ve Darwish [4], CNC tezgahı kullanılarak açılan delikler ile klasik matkap tezgahı kullanılarak elle açılan delikleri karşılaştırmışlardır. Bu deneylerde, farklı çaplardaki helisel sementit karbür matkaplar kullanılmış ve oluşan kesme kuvvetleri dinamometre ile ölçülmüştür. Yapılan deneylerde, CNC freze tezgahı ile klasik matkap tezgahı arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. CNC freze tezgahında yapılan deneylerde, kesici çapı büyüdükçe kesme kuvvetinin arttığı, kesme hızının artıkça kesme kuvvetinin azaldığı belirlenmiştir. Açılan delik çap ölçüsündeki sapma miktarı CNC tezgahında çok küçük aralıkta kalırken bu oran klasik matkap tezgahında büyümektedir (yaklaşık 2-3 katı). Açılan delik boylarındaki sapmalar (paralellik) CNC tezgahında çok küçük olurken bu miktar klasik tezgahta açılan deliklerde çok daha fazla (yaklaşık 2-3 katı) oluştuğunu tespit etmişlerdir. Rivero ve arkadaşları [5], farklı türde kaplanmış matkapların kuru delmedeki performansını araştırmıştır. CNC freze tezgahında yaptıkları deneysel çalışmada temaslı ve temasız sıcaklık ölçüm yöntemlerini kullanmışlardır. Temaslı sıcaklık ölçümü için tercih etkileri ısıl çiftini iş parçası içerisine gömmüşlerdir. Isıl çiftinin gömülmesinde delik duvarına yaklaşık 0,2 mm kadar yaklaşmayı başarmışlardır. Bununla birlikte, temasız sıcaklık ölçümünü ise pirometre ile gerçekleştirmişlerdir. Her iki yöntem ile elde edilen sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. Rivero ve arkadaşları ayrıca değişik kesme parametrelerinin sıcaklık değişimine tesirini de araştırmışlardır. Fernandes ve Cook [6], CNC freze tezgahında yaptıkları deneysel çalışmalarında, karbür takviyeli kompozit malzemeyi delme esnasında kuvvet ve torkun delik kalitesi ve aşınmaya tesirini incelemişlerdir. Ayrıca takım aşınması ve iş parçası kalınlığının kesme süresi boyunca kesme kuvveti ve torka tesirini araştırmışlardır. Bu çalışma sonucunda aynı matkap ucuyla delinen delik sayısı artıkça eksenel kuvvetinin (Fz) arttığı, fakat torkun çok fazla etkilenmediğini gözlemlemişlerdir. Sonuç olarak küçük bir iş parçası kalınlığının dahi büyük oranlarda eksenel kuvvete neden olduğunu dolayısı ile de iş parçası kalınlığının kesici takım aşınmasında önemli rol oynadığını, ifade etmişlerdir. Özetlenen tüm bu çalışmalarda, sıcaklığın ve kesme kuvvetlerinin delik delme işlemlerinde özellikle de kuru delme şartlarında önemli kriterler olduğu görülmüştür. Çalışmalarda sıcaklığın, hem kesici takım hem de iş parçası üzerinde olumlu ve olumsuz etkisinin bulunduğu belirtilmiştir. Özellikle de artan sıcaklıkların, kesici üzerinde değişik aşınma türlerinin oluşmasına ve takımın ömrünü beklenilen süreden daha kısa zamanda tamamlanmasına neden olduğu belirtilmiştir. Dolayısı ile delik kalitesinin olumsuz yönde etkilendiği ifade edilmiştir. Bu problemleri aşabilmek için malzemelerin işlenmelerinde oluşan sıcaklık değerleri belirlenmes ine gidilmiştir. Böylelikle de en uygun kesici takım ve kesme şartları belirlenmeye çalışılmıştır. Yapılan literatür taramasında, delik delmeye yönelik deneysel çalışmaların çoğunlukla CNC freze ve matkap tezgahlarında yapıldığı görülmüştür. Deneylerde genelde prizmatik iş parçaları kullanılmıştır. Kesme kuvvetlerinin ölçülmesinde; dinamometre kullanılmıştır. Sıcaklığın ölçülmesinde ise, ağırlıklı olarak ısıl çiftinin temas ettirilmesi, azda olsa temassız (uzaktan algılama) yöntemlerinin kullanıldığı belirlenmiştir. Yapılan deneylerde, sıcaklık; delinen malzeme üzerinden alınmıştır. Isıl çifti delinen malzemeye gömülmüş ve açılan delik duvarına yaklaşık olarak 0,2 mm yaklaştırılmıştır. Bunlarla birlikte, freze tezgahlarının kullanıldığı bazı çalışmalarda, sıcaklığın kesici üzerinden alındığı görülmüştür. Bu çalışmalarda, kesici malzeme gibi sabit tutulmuş iş parçaları kesici gibi kullanılmıştır. İş parçaları tezgaha kesici gibi bağlanarak deneyler yapılmaya çalışılmıştır. Torna tezgahlarına delik delmeye yönelik çalışmalara pek rastlanmamıştır.

2. MATERYAL VE METOT Yapılan bu çalışma da, delik delme deneyleri torna tezgahlarında yapılarak, sıcaklığın doğrudan kesici üzerinden alınması hedeflenmiştir. Deneylerde, değişik kesme parametreleri (devir, ilerleme) ile kullanılan karbür matkaplarla oluşan kesme sıcaklıkları ve kesme kuvvetlerinin delik delmeye etkisi araştırılmıştır. Deneyler, klasik torna tezgahı ve CNC torna tezgahında ayrı ayrı tekrarlanmıştır. Bunun içinde ayrı ayrı deney setleri tasarlanarak hazırlanmıştır. Hazırlanan deney setlerinde, matkapların dinamometreye bağlanması için bir takım tutucu

Kayır, Y. ve Usta, M.

1287

tasarlanmış ve imal edilmiştir (takım tutucusunun imalat resimleri Eklerde verilmiştir). Takım tutucu, matkapların kolaylıkla bağlanabilmesi ve sökülebilmesinde standart bir pens takımını kullanabilecek şekilde tasarlanmıştır (Şekil 2).

a) b)

Şekil 2. Matkapların Dinamometreye bağlanması: a) Pensli bağlama aparatı gövdesi, b) Aparatın matkabı bağlamada kullandığı parçalar CNC ve klasik torna tezgahlarında matkaplar ile deliklerin açılması sırasında meydana gelen kesme kuvvetleri Kistleri firmasının standart olarak geliştirmiş olduğu 9272 kodlu dinamometresi kullanılarak ölçülmüştür. Dinamometre, 4 bileşenli (Fx, Fy, Fz ve Mz) olup hassas ölçüm yapabilecek kuvvet ölçme aralığı aşağıda verilmiştir (Şekil 3).

Fx için -5kN… 5 kN

Fy için -5kN… 5 kN

Fz için -5 kN… 20 kN

Mz için -200 Nm 200 Nm

Şekil 3. Deneylerde kullanılan dinamometre ve kuvvet ölçüm aralıkları [7] Matkapla delik delinmesi sırasında oluşan ısının ölçülmesi için bir deney düzeneğinin kurulması gerekmiştir. K tipi ısıl çiftleri (Çizelge 1) bükülebilir ve 1 mm çapında olması matkabın soğutmalı kanallarının içinden rahatlıkla takılmasına olanak sağlamıştır. Bu nedenle deneylerde Şekil 4.a’da görülen ısıl çifti (ısıl çiftin bilgileri çizelge 2’de verilmiştir) kullanılmıştır. Şekil 4.b’deki veri kaydedici (datalogger) ile birlikte Elimko Data Loger bilgisayar programı kullanılarak anlık alınan ölçüm verileri bilgisayar ortamına rahatlıkla aktarılmış ve değerlendirilmiştir.

a) b)

Şekil 4. Sıcaklık ölçüm için kullanılan: a) Isıl çift (thermocouple), b) Veri kaydedici (datalogger) [9]

Çizelge 1. Isıl çiftinin sıcaklık limitleri ve standart kodları [9]

ISIL ÇİFT DIN 43710 IEC 584

ÖLÇÜM ARALIĞI

NiCr-Ni K -200 ile 1200°C

Deneyler, klasik torna ve CNC torna tezgâhlarında ayrı ayrı yapılacağından sıcaklık ve kesme kuvvetlerinin ölçülmesinde kullanılacak olan deney düzeneğinin bu tezgahlar için adapte edilmesi gerekmiştir. Bunun içinde dinamometrenin torna tezgâhlarına ve matkapların da dinamometreye bağlanabildiği deney düzeneklerinin tasarlanmasına gidilmiştir.

Kayır, Y. ve Usta, M.

1288

Klasik torna için tasarlanan aparatın önce, tezgâh sportu üzerine kalemlik gibi oturtulan ana gövde imal edilmiştir. Sonrasında bu bağlama aparatının üzerine dinamometreyi bağlamak amacıyla ara bağlama parçasının imalatı yapılmıştır (Şekil 5). Ara parça aynı zamanda matkabın eksen ayarlarını yapabilecek şekilde imal edilmiştir.

a)

b)

Şekil 5. Klasik torna tezgahı için bağlama aparatları: a) Gövde, b) Ara parça

Deney parçalarının klasik torna tezgahına bağlamak için dört ayaklı bir ayna kullanılmıştır. Dört ayaklı aynanın tercih sebebi, delinen parçaların hareketsiz olarak (rijit) tutulabilmesinde yüzey sürtünme alanının artırılmasıdır. Çünkü, dört ayaklı aynada, parça yüzeyine temasta dört sıkma ayağı bulunmaktadır. Böylelikle de, sürtünen yüzey alanı artırılarak sürtünme kuvvetlerinin artırması sağlanmaya çalışılmıştır. Deney parçasının bağlanmasından sonra, sport (Şekil 6.a) üzerinde bulunan torna kalemliği sökülerek (Şekil 6.b) dinamometre bağlama aparatı bağlanmıştır. Sonrasında aparat üzerine dinamometre ve takım (matkap için) tutucusu da bağlanarak (Şekil 7.a) klasik torna tezgahında matkabın eksen ayarlarına geçilmiştir.

a) b)

Şekil 6. Klasik torna tezgahına ait: a) Kalemlik, b) Sport

a) b)

Şekil 7. Klasik torna tezgahına bağlanan deney seti: a) İmalatı yapılan deney seti, b) CAD ortamında tasarlanan deney seti

Kuvvet ölçümü için deney düzeneğinin klasik tornaya montajından sonra matkap ile deney parçasının aynı eksende olması için ayar işlemleri yapılmıştır. Bu işlem içinde daha önceden mastar olarak hazırlanmış çubuklar (miller) kullanılmıştır (Şekil 8.a). Uçları konik şekilde işlenmiş çubuklardan bir tanesi aynaya diğeri de kesici bağlama aparatının pensine tutturulmak suretiyle merkezleme yapılmıştır (Şekil 8.b). Merkezleme işlemi yapıldıktan sonra, klasik torna aynasının dönüş ekseni ile matkap eksenin bir noktada kesişmesi sağlanmıştır. Bu işlemin ardından, piyasadan hazır olarak temin edilmiş bir çubuk, takım tutucusuna matkap gibi bağlanmış ve hassas bir komparatör (0,001 mm hassasiyetli) ile üzerinde kontroller (merkezleme kaçıklığı) yapılmıştır (Şekil 9). Böylelikle, matkabın ilerleme hareketi boyunca eksen paralelliği sağlanmıştır.

Kayır, Y. ve Usta, M.

1289

a) b)

Şekil 8. Klasik tornada; matkabın deney parçası ekseninde ayarı: a) Ayar çubukları, b) Ayarın yapılışı

a) b)

Şekil 9. Deney düzeneği paralelliğinin ayarlanması: a) Mastar üzerinden yatay kontrol, b) Mastar üzerinden düşey kontrol

Merkezleme işlemleri bittikten sonra içten soğutmalı matkabın soğutma kanallarının (iki kanal) içinden iki adet ısıl çift takılmıştır. (Şekil 10).

Şekil 10. Matkaba ısıl çiftin takılmış hali Sonrasında ısıl çiftlerinin takılı olduğu matkap, dinamometre üzerindeki takım tutucusuna bağlanmış ve ardından ısıl çiftlerle veri kaydediciye bağlanarak tezgah deneye hazır hale getirilmiştir (Şekil 11).

Şekil 11. Klasik torna tezgahı için hazırlanan deney düzeneği

Kayır, Y. ve Usta, M.

1290

CNC torna tezgahları için dinamometre, tezgahın kesici takımların bağlandığı döner başlığa (taret) bağlanmıştır. Tarete dinamometreyi bağlamak için iki ayrı parçanın tasarlanarak imal edilmesi gerekmiştir. Aparatın tasarımında, CNC torna tezgahının taretine dinamometre (dinamometreye matkabın bağlanması ile elde edilen montajda matkap ekseni) ile CNC fener milinin ekseninin birbirini karşılamasına dikkat edilmiştir. CNC torna için imalatı yapılan bağlama aparatlarının resimleri Şekil 12’de gösterilmektedir. Bağlama aparatlarının CNC torna tezgahına montajının ardından, dinamometre ve takım tutucunun da bağlanması ile deney seti hazır hale getirilmiştir (Şekil 13).

a)

b)

Şekil 12. CNC torna tezgahı için bağlama aparatları: a) Ana gövde, b) Ara parça

a) b)

Şekil 13. CNC torna yönelik hazırlanan deney seti: a) Deney setini montajı, b) Deney setinin CAD ortamındaki tasarımı

Bağlama aparatının CNC tornaya montajından sonra matkap ile deney parçasının aynı eksende olup olmadığı kontrol edilmiştir. Bu işlem için, klasik torna tezgahında yapılan benzer yöntemler kullanılmıştır. Aynı şekilde konik mastar çubukları ile merkezleme işlemi yapılmıştır. Merkezleme işlemin ardından, takım tutucusuna bağlanan hassas mastar çubuk, komparatör (0,001 mm hassasiyetli) ile ayna-takım ikilisi için eksen paralelliği kontrol edilmiştir (Şekil 14.a). Eksenleme işlemi bittikten sonra, soğutma kanalları içinden ısıl çift geçirilen (Şekil 10) matkap, takım tutucusuna bağlanması ile CNC tezgah deneyler için hazır hale getirilmiştir (Şekil 14.b).

a) b)

Şekil 14. CNC torna tezgahı için hazırlanan deney seti: a) Eksen ayarlaması, b) Deney setinin bağlaması

Kayır, Y. ve Usta, M.

1291

2.1. Deneyler Çalışmalarda, deneyler için imalat sanayisinde yaygın kullanılan GGG40 küresel (sfero) dökme demir malzemesi kullanılmıştır. GGG40 küresel dökme demir malzemesinin özellikleri Çizelge 2’de verilmiştir.

Çizelge 2. GGG40 Deney malzemesinin özellikleri [7]

Kimyasal Analizi

C Si Mn P S Mg Cr Ni Mo Cu Ti Sn

3,58 2,69 0,146 0,026 0,006 0,045 0,025 0,023 0,005 0,067 0,014 0

Mekanik Testler ve Mikro Yapı Analizi

Grafit Boyu Küre Sayısı Küre % Mikro Yapı Sertlik (BHN)

4 -5 150 95 95F – 5P 151

GGG40 küresel dökme demir malzemeleri piyasada hazır olarak bulunmadığından bu malzemeler; döküm alanında deneyimli bir firmaya döktürülmüştür. Döküm yolu ile elde edilen malzemeler torna tezgahında taşlama toleransı bırakılarak işlenmiştir. Malzeme torna tezgahında işlendikten sonra taşlama tezgahında ölçüsünde taşlanmış ve kesilmiştir (Şekil 15). Hazırlanan deney parçalarının boyu 50 mm alınmıştır. Deneylerde parçalar boydan boya delinmiştir.

Şekil 15. Deneyde kullanılacak GGG40 malzemesi ve boyutları Deneylerde çapı Ø14 mm olan 2 ağızlı içten soğutmalı karbür matkapların kullanılmasına karar verilmiştir. Ø14 mm matkap, kesici ucundaki sıcaklığın ısıl çift ile ölçülmesinde ısıl çiftin bağlanmasında minimum şartları sağlamaktadır. Matkabın standardı DIN 6537 L’dir Şekil 16’da deneyde kullanılan matkap ve ölçüleri verilmiştir. Kullanılan matkabın helis açısı 30° ve uç açısı 140˚ ’dir. Delik delme deneylerinde kullanılan kesme parametreleri Çizelge 3’te verilmiştir.

Şekil 16. Deneyde kullanılan sementit karbür kaplı helisel matkabın ölçüleri [8]

Çizelge 3. Deneyler için kullanılan kesme parametreleri

Devir (S:dev/dak)

İlerleme (f:mm/dev)

Kesme şartları

Delik boyu (L:mm)

Ön delik

1000 0,18 0,24 0,32

Kuru 50 Yok

50 mm olan delik boyu ile matkap çapı oranı yaklaşık 4D olmaktadır. Deliklerin açılmasında oluşan kesme kuvvetleri için DynoWare grafik ekranı, sıcaklıklar içinde Elimko DataLoger programının grafik ekranı kullanılmıştır. Her iki şekilde de kullanıcı, zamana (saniye) bağlı olarak değişimleri grafik üzerinden kolaylıkla öğrenebilmekte ve analizler yapılabilmektedir. Deneylerde ölçülen kesme kuvvetleri değerlerinin alınmasında DynoWare programının Mean Value (aritmetik ortalaması) yöntemi kullanılmıştır (Şekil 17). Grafik üzerinde istenilen aralıktaki kuvvetlerin değişimi için üzerinde iki nokta (Şekil 17’de 1 ve 2 noktaları) belirlenebilmektedir. Sıcaklıklar ise, Elimko DataLoger programı üzerinden excell ortamına doğrudan kaydedilmesi şeklinde alınmıştır (Şekil 20).

Kayır, Y. ve Usta, M.

1292

Şekil 17’de verilen DynoWare grafik ekranına bakıldığında, deliğin delme sırasında belli bir süre için (yaklaşık ilk 7 sn) Fz, Mz düzgün bir eğilim oluşturmuştur. Fakat, daha sonraki saniyelerde delik sonuna doğru, Fz ve özellikle de Mz’de büyük artışlar meydana gelmiştir. Buradan da anlaşılacağı gibi, GGG40 malzemesinin kuru kesme şartlarında 50 mm boyda delinmesi sırasında delik sonuna yaklaştıkça delme işleminin güçleştiği ortaya çıkmaktadır. Buna sebep, çıkan talaşların dışarı atılmasındaki karşılaşılan zorluk gösterilebilir. Şekil 18’de verilen sıcaklık grafiğinde ise, artışın delik başlangıcından sonuna kadar düzgün bir şekilde sürekli olarak artığı, delik çıkışına ulaşılması ile de hızlı bir şekilde düştüğü görülmektedir.

Şekil 17. DynoWare programının kesme kuvvetlerine yönelik oluşturduğu bir grafik

Şekil 18. Elimko datalogger programının sıcaklığa yönelik oluşturduğu grafik

3. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Küresel dökme demir (GGG40) iş parçaları üzerinde; helis açısı 30, uç bileme açısı 140 olan karbür matkapla,

farklı iki tezgah (klasik torna ve CNC torna), farklı ilerleme hızları (0,18-0,24-0,32 mm/dev), S= 1000 dev/dak ve

soğutma sıvısı kullanılmadan yapılan delik delme işlemlerinde elde edilen Fz (delme kuvveti) ve Mz (moment) grafikleri Şekil 19 ve sıcaklık grafikleri de Şekil 20’de verilmiştir. 50 mm delik boyu, kullanılan Ø14 mm matkap için 3D’den büyük olmaktadır. Grafiklerde verilen Fz, Mz ve sıcaklık değerleri, 50 mm delik boyunun 5 bölgeye (her bölge 10 mm), diğer bir ifade ile delik delme süresinin 5’e bölünmesi ile elde edilmiştir.

GGG40 malzemesinin kesintisiz olarak (duraksama yapmadan) 50 mm boyda delinmesi sırasında talaş sıkışmasına bağlı büyük ısı artışı olmaktadır. Bu durumda delik delme işlemi zorlaşmaktadır. Sıcaklığın en yüksek değerlerde olduğu an kesici delik sonuna yaklaştığı an olmaktadır. Delik açıldıktan sonrada sıcaklık hızlı bir şekilde düşmeye başlamıştır.

1 2

Kayır, Y. ve Usta, M.

1293

a)

b)

a)

b)

Şekil 19. S=1000 dev/dak ile GGG40 malzemesine delik delinmesinde ölçülen Fz ve Mz grafikleri:

a) CNC tezgahı, b) Klasik torna tezgahı Şekil 19’da verilen Fz ve Mz grafikleri incelendiğinde, GGG40 malzemesinin her iki tezgahta (CNC torna ve klasik torna) aynı kesme parametreleri ile delinmesinde elde edilen değerlerin birbirine oldukça yakın olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, delik delme sürecinde Fz ve Mz değerlerinde artış olmuştur. Delik delme boyu artıkça, Fz ve Mz kuvvetlerinin de artığı görülmektedir. Bununla birlikte, artan ilerleme karşısında da Fz ve Mz kuvvetleri de artmıştır. Fz ve Mz için en yüksek değerler, en büyük ilerleme (f = 0,32 mm/dev) ile elde edilmiştir. Delme yüklerinin artması karbür kesiciler için istenmeyen bir durumdur. Çünkü karbür kesiciler yapı itibari ile çok kırılgan kesicilerdir. Delme anında oluşan dengesiz yükler karşısında çok çabuk kırılabilmektedirler. Özellikle de Mz momentindeki (tork) artış, bu tür kesicilerin kırılmasında çok etkilidir. Şekil 20’de verilen sıcaklık grafikleri incelendiğinde ise; artan delik boyu karşısında sıcaklığın hızlı bir şekilde artığı görülmektedir. Fakat, ilerleme karşısında sıcaklık eğrisi pek fazla değişmemiştir. Her üç ilerleme için de sıcaklık değişimleri birbirine çok yakın meydana gelmiştir.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60

Ke

sme

ku

vve

ti (

Fz),

N

Delik boyu (L), mm

Delme Kuvveti (Fz)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60

Ke

sme

ku

vve

ti (

Fz),

N

Delik boyu (L), mm

Delme Kuvveti (Fz)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60

De

lme

mo

me

nti

(M

z), N

cm

Delik boyu (L), mm

Moment (Mz)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60

De

lme

mo

me

nti

(M

z), N

cm

Delik boyu (L), mm

Moment (Mz)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

Kayır, Y. ve Usta, M.

1294

a)

b)

Şekil 20. S=1000 dev/dak ile GGG40 malzemesine delik delinmesinde ölçülen sıçaklık grafikleri:

a) CNC tezgahı, b) Klasik torna tezgahı

4. SONUÇLAR Hazırlanan deney setleri ile hem klasik torna ve hem de CNC torna tezgahlarında delik delme deneylerinin yapılabilmesi mümkün olmuştur. Deneylerin CNC tezgâhlarda ve klasik tezgâhlarda tekrarlanabilirliği, deneylerin doğruluğunu karşılaştırmalı olarak görmeyi sağlamıştır. Elde edilen deney setleri ile her iki tezgahta ayrı ayrı tekrarlanan deney sonuçlarının birbirlerine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar, deney setlerinin uygun şekilde tasarlanarak kesici ve dinamometre montajlarının rijit şekilde yapıldığının bir göstergesidir. Delik delinmesinde; delik boyu artıkça delik içerisinde biriken talaşların dışarı atılması zorlaşmaktadır. Delik boyunun 50 mm olması ve kuru kesme şartları; deliklerin açılmasını daha zor bir hale getirmiştir. Özellikle, delik ortalarından delik sonlarına kadar olan süreçte matkabın ucuna ve kesme kuvvetlerine yönelik değişik etkiler oluşmuştur. Bu etkilerden dolayı delme kuvvetinde (Fz) ve momentte (Mz) ani değişimler meydana gelmiştir. GGG40 malzemelerinin boydan boya (50 mm) delinmesi ile elde edilen grafiklerde delik boyunun ilk 20 mm’den sonra ani kuvvet değişimleri gözlenmiştir. Kesilen talaşların matkabın helisel olukları ile dışarı atılması sırasında sıkışması ve beraberinde artan sıcaklık Fz ve Mz değerlerini artırmıştır. Delik boyunca sıcaklık yükselmeleri görülmüştür. Sıcaklığı arttıran etkenler olarak; kesici talaş ara yüzeyinde başlayan talaş sürtünmesinin kesicinin helisel olukları boyunca devam etmesi, kesilen talaş deformasyonu, söylenebilir.

TEŞEKKÜR Bu çalışma, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi BAP projesi kapsamında desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı, Gazi Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel araştırmalar birimine ve Teknik Eğitim Fakültesi Bilimsel Araştırmalar birimi uzmanlar grubuna teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR [1] Akkurt, M., Talaş Kaldırma Yöntemleri ve Takım Tezgahları, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1998. [2] Habalı, K., Kıvrak, T., Inconel 718’in delinmesinde kesme parametrelerinin kesme kuvvetleri üzerindeki

etkisinin araştırılması, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 1-4, 2009. [3] Ertunc, H.M., Loparo, K.A., A decision fusion algorithm for tool wear condition monitoring in drilling,

International Journal of Machine Tools & Manufacture, 41, 1347–1362, 2001.

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60

Sıca

klık

(T)

,°C

Delik boyu (L), mm

Sıcaklık (°C)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60

Sıca

klık

(T)

, (°C

)

Delik boyu (L), mm

Sıcaklık (°C)

f=0.18mm/dev

f=0.24mm/dev

f=0.32mm/dev

Kayır, Y. ve Usta, M.

1295

[4] El Tammimi, A., Darwish, S.M., Gemetric accurais of nc and conventionally drilled holes drilling, Journal of Materials Processing Technology, 41, 111-116, 1998.

[5] Rivero, A., Aramendi, G., Herranz, S., Lopez de Lacalle, L.P., An experimental investigation of the effect of coatings and cutting parameters on dry drilling performance of aluminium alloys, Int. J. Manuf Technology, 2006.

[6] Fernandes, M., Cook, C.,Drilling of carbon composites using a one shot drill bit. part I:five stage representation of drilling and factors affecting maximum force and torque, International Journal of Machine Tools&Manufacture, 46, 70-75, 2006.

[7] Kayır, Y., Delik delme operasyonlarında kullanılan helisel matkaplarının kesme performanslarının incelenmesi, Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu, Ankara, 6-12, 2008.

[8] İnternet : Kennametal Kesici Takım Katalogu,http://webtest.kennametal.com, 2010. [9] İnternet : Elimko Dataloger ve Termokupl Katalogu, http://www.elimko.com.tr, 2010.