Parmak Frezeleme ĠĢlemlerinde Endüktif Sensörler ile Dinamik Sehim Ölçümü

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Parmak Frezeleme ĠĢlemlerinde Endüktif Sensörler ile Dinamik Sehim Ölçümü A. Gök 1, B. Bakır 2, H.Ġ. Demirci 3, C. Göloğlu 4 1 Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu, agok@kastamonu.edu.tr 2 Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Ġstanbul, bbakir@marmara.edu.tr 3 Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, hidemirci@karabuk.edu.tr 4 Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Karabük, cgologlu@karabuk.edu.tr Dynamic Deflection Measurement with Inductive Sensors in Milling Operations Abstract Tree-axis milling operations are often used in aeronautic, automotive and die/mould making industries in order to machine complex surfaces. Size tolerances and surface integrity are very important in all of these operations. Cutting forces, which cause deflections at cutting tool and workpiece, result in worse workpiece quality. Therefore, the determination and diminishing of deflection values are crucial. A number of methods is employed in determination of deflection values. In this study, setting up a measurement system by using inductive sensors and dynamic deflection measurement at X-Y axes of a machine tool is elaborated. Keywords Inductive sensors, Cutting tool deflection, Milling Ü I. GĠRĠġ RÜNLERĠN çeģitliliğinin artması, az sayıda özel üretimlerin talep edilmesi, müģteri ihtiyaçlarının çeģitliliği nedenleriyle imalat sektöründe kalite artıģı çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Üretim sistemleri için otonom fonksiyonlar (ölçüm, denetim vb.) taleplerin karģılanmasında hayati öneme sahiptirler. Takım tezgâhları için bu otonomluğu gerçekleģtirmede anahtar nokta, kesme sürecine destek verecek teknolojilerin geliģtirilmesi gerekmektedir. Otomotiv endüstrisi, türbin bıçakları ve kalıp imalat sanayi, genel olarak ön sertleģtirilmiģ çeliklerin ve karmaģık yüzeylerin parmak frezeleme ile üretimini içermektedir. Üretimlerde talep edilen toleranslar ve boyutsal doğruluk aralıkları çok dardır ve bu yüzden boyutsal hataların en aza indirilmesi zorunludur. Parmak frezelerden kaynaklanan hatalardan takım üzerindeki salgı ve aģınma öne çıkmaktadır. Bunların yanında, kesme esnasında takım esnemesinden doğan eğilme üretimde çoğu kez göz ardı edilen önemli bir hatadır. Takımın eğilmesinden kaynaklanan hataları (sehimi) hesaplayabilmek için olası etken sebeplerden, kesme stratejisi, malzeme etkisi, takım boyutları ve yüzeyin eğimi bilinmeli veya takım tezgâhlarının kullanımı esnasında otonom sistemlerin kurulumu gerekmektedir. Sensör sistemleri yardımı ile bu sehim değerlerine ulaģılabilecektir. ÇalıĢmada, endüktif sensörlerin freze tezgâhlarında parmak frezeleme iģlemleri için kurulumu ve kullanımı üzerinde durulmuģtur. Aoyama vd. [1] X, Y ve Z eksenlerinde kesme kuvveti bileģenleri, kesme torku ve X, Y yönlerinde kesici takım sehimlerinin belirlenmesi için sensör uygulamaları üzerinde durmuģlardır. Sensörlerin asal ve temel özellikleri deneysel yöntemlere geliģtirilmiģtir. Sensör ve yardımcı sistemler kullanılmadan yapılan deneylerin sonuçları ile sensörler ve yardımcı sistemler ile yapılan deneyler arasında bilimsellik ve doğruluk açısından büyük farklar ortaya çıkmıģtır. Bilimselliği ve doğruluğu bilinen deneylerin sensörler yardımı ile yapılması gerçeğe daha yakın sonuçlar vermiģtir. Deneylerde KISTLER dinamometre ve sehim için endüktif sensörler kullanılmıģtır. Abrari vd. [2] küresel ve düz parmak frezeler için kesme kuvvetlerinin kapalı Ģekillerde formülasyonu üzerinde çalıģmıģlardır. ÇalıĢmalarında frezelemede kesme kuvvetlerinin tahmini için temel bir fonksiyon geliģtirilmiģtir. Herhangi bir takım pozisyonunda kesme kuvvetlerinden, kuvvet temelli fonksiyonlar lineer kombinasyonları aracılığı ile belirlenebilmektedir. Bu yöntem referans koordinat düzlemleri üzerine talaģ yük alanının yansıması mantığına temellendirilmiģtir. Bu yüzden kesici kenar boyunca kesme kuvvetlerinin analitik integrasyonu, kesme kuvvetlerinin hesaplanması ile kapalı Ģekil denklemlerini geliģtirmiģlerdir. Hesaplamalarda çıkan sonuçları karģılaģtırmak için deneysel çalıģmalarda üç eksenli iģleme merkezi, kuvvetlerin ölçümü için tabla tipi dinamometre kullanılmıģtır. Deneylerde Al 7075 malzeme, kesici takım olarak 1/2 inç çapında, 30 helis açısına sahip, dört kanallı HSS çakı kullanılmıģtır. Huang vd. [3] değiģken geometri kullanarak konik parmak frezelerin kesme kuvveti formülasyonu üzerine çalıģmıģlardır. Farklı geometriler kullanarak konik parmak frezeler ile 3B li kesme kuvvetlerinin lineer olmayan mekaniğe ait modellerinin formülasyonu sunulmuģtur. Takım geometrisi ve kesme kuvvetleri yönleri arasındaki iliģki analiz edilmiģtir. Model, karbon çeliği malzemeler iģlenerek doğrulanmıģtır. Deneylerde iģleme merkezi kullanılmıģ olup kuvvetlerin ölçümü için KISTLER 9525a tipi üç bileģenli dinamometre tercih edilmiģtir. Kesici takım olarak 16 mm çapında 30 helis açılı takım, iģ parçası malzemesi olarak orta karbonlu çelik kullanılmıģ, kur kesmede yarı bitirme iģlemi gerçekleģtirilmiģtir. Ġlgili kesme koģullarında elde edilen 160

2 A. Gök, B. Bakır, H.İ. Demirci, C. Göloğlu sonuçlara göre model tahminleri ve ölçülen kesme kuvvetleri arasında yakın bir iliģki mevcuttur. Shatla vd. [4] küresel parmak freze çakıları ve matkap uçlarının analitik modeli üzerine çalıģmıģtır. ÇalıĢmada analitik model hem küresel takım ile frezeleme iģlemleri hem de delme analizleri için kullanılmıģtır. Küresel parmak frezenin ve matkap ucunun ikiz kesme kenarları kesme Ģartlarına ve geometrisine göre değiģim gösteren eğik kesme elemanlarına bölünmüģtür. Sonra her bir eleman, termal özellikler, malzeme, geometri ve kesme Ģartları için analizler gerçekleģtirilmiģtir. Deneylerde titanyum alaģımı (Ti6Al4V) kullanılmıģtır. Küresel takım için 100, 200, 400 m/dk kesme hızları, 0,25-0,125 mm talaģ derinliği, delme iģlemi için 45, 61, 80 m/dk kesme hızları, 0,2794 mm/dev ilerleme kullanılmıģtır. Aynı zamanda deneysel sonuçların karģılaģtırılması için sonlu elemanlar analizleri yapmıģlardır. GeliĢtirdikleri yazılım sayesinde analitik tekniklerin ileri seviyeleri için dik kesme deneylerinden elde edilen katsayılara ihtiyaç duyulmamaktadır. Dahası talaģ açısında ortalama sıcaklık, gerilmeler ve aģınmalar elde edilebilmektedir. Ikua vd. [5] teorik analizler üzerine çalıģmıģlardır. TalaĢ geometrisinin değerlendirilmesi için kesme kenarlarının yuvarlak takım yolları dikkate alınmıģtır. Kesme kuvvetleri eğik kesme teorisi tabanlı değerlendirilmiģtir. Takım sehiminin sebep olduğu kuvvetlerden kaynaklanan iģleme hataları iģlenen yüzeyin çeģitli bölgelerinde hesaplanmıģtır. Kesme Ģartlarının, kesme tarzının ve kesme modelinin kesme kuvveti ve iģleme hataları üzerine çeģitli etkileri araģtırılmıģtır. Deneylerde ilerleme hızı 0,1 mm/diģ, talaģ derinliği 1 mm için kuvvetlerin ölçümü için KISTLER dinamometre kullanılmıģtır. Ġncelenen yüzeyler konkav ve konveks yüzeylerdir. Kesici takım olarak küresel uçlu parmak freze tercih edilmiģtir. Kontur operasyonlarında; frezeleme yanaģma açısının artması ile iģleme hataları azalmıģ, tırmanma operasyonlarında ise iģleme hatalarını etkileyen iki kuvvet bileģeni frezeleme yanaģma açısından aģırı derecede etkilenmiģtir. Kontur iģlemlerinde; aģağı doğru ilerleme, yukarı doğru ilerlemeden daha iyi sonuç vermiģtir. Tırmanmada sağa doğru ilerlemeler sola doğru ilerlemelerden daha iyi sonuç vermiģtir. Kim vd. [6] kesici takımın elastikliğinden kaynaklanan sehimler yüzünden parmak frezeleme esnasında oluģan üç boyutlu Ģekil hatalarının analizi için geliģtirdikleri yöntemi sunmuģlardır. ÇeĢitli kesme yöntemlerinde Ģekil hatalarının tahmini için kesme kuvveti ve kesici eğilmesinde eğik yüzeyin etkilerini içerecek Ģekilde model kurmuģlardır. Aynı zamanda yüzeyin eğimine göre kesme kuvvetlerini ölçmüģ ve değerlendirmiģlerdir. Takım sehiminden sorumlu kesme kuvveti, tutucu rijitliği ve kesici dikkate alınarak hesaplanmıģtır. Kesici ağız ve sap olarak konsol kiriģ Ģeklinde modellenmiģtir. Tutucunun rijitliği deneysel olarak ölçülmüģtür. ĠĢ parçası geometrisi konkav ve enjeksiyon kalıplarında kullanılan KP4M malzemesi seçilmiģtir. Deneyler için dik iģleme merkezi, kuvvetlerin ölçümü için KISTLER 9257B dinamometre kullanılmıģtır. 10, 12 ve 16 mm çapında küresel parmak freze kullanılmıģtır. II. ENDÜKTĠF SENSÖRLERĠN ÇALIġMA PRENSĠPLERĠ Sensörü oluģturan yaklaģım anahtarı malzeme içerisindeki akım dalgalanmalarının sebebiyet verdiği rezonans devresindeki kalite faktörünün değiģimlerini fiziksel etkilerini kullanmaktadır [7]. Bobin condenser (LC) osilatörü 100 khz ile 1 Mhz arasında çok yüksek frekanslı elektromanyetik alan oluģturur. ġekil 1 den görüldüğü gibi elektromanyetik alan hiç bir yöne yönelmeden sargı eksenine simetrik biçimlenir [8]. ġekil 1: Sensörlerin uygulama alanları [8] Endüktif sensörlerde yalnızca akımı taģıyan iletken kullanılmayıp geçirgenliği yüksek olan ferrit malzeme kullanılarak akımın istenilen yöne aktarılmasına gayret edilir. Bu iletken çekirdek üzerine yerleģtirilen sargı sayesinde oluģan manyetik alan sensor etrafında hem tutulmuģ hem de yoğunlaģtırılmıģ olunur. Aynı zamanda sargı ve ferrit çekirdek metal plakalarla çevrilmiģ ise manyetik alan tamamen sensörün ön tarafına yani metale yaklaģtırılacak kısma odaklanmıģ olur. Bu sayede sensor kenarlarında anahtarlanma olmaz ve tümü ile metale döndürülmüģ olur. Bu Ģekilde oluģturulmuģ endüktif sensörün manyetik alanına iletken bir malzeme girer ise indüksiyon yasasına göre malzeme içinde girdap akımları oluģur ve osilatör devresinden enerji çeker [7]. Sensörlerin içyapıları ve ġekil 2 de gösterilmiģtir. ġekil 2: Sensörlerin içyapıları [9] 161

3 Parmak Frezeleme İşlemlerinde Endüktif Sensörler ile Dinamik Sehim Ölçümü III. ENDÜKTĠF YAKLAġIM ANAHTARININ ÖZELLĠKLERĠ Sensörleri oluģturan yaklaģım anahtarları, bütün iletken malzemeleri algılamalarının yanında, mıknatıslanmadan etkilenmezler. Aynı Ģekilde algılamaları, yalnızca metal malzemeler ile sınırlı değildirler. YaklaĢım anahtarlarının salınan elektro manyetik çalıģma prensiplerinden dolayı cisimler hareket etmese de onları algılarlar ve çok küçük mw larda elektrik enerjisi ile çalıģtığı için oluģturduğu yüksek frekanslar radio gürültüsünü artırmaz. Cisim üzerinde oluģan ısılar neredeyse fark edilemez. Sensörün cisim üzerinde manyetik bir etkisi yoktur [10]. IV. ENDÜKTĠF SENSÖRLERĠN KALĠBRASYONU Endüktif sensörlerin kalibrasyon iģleminde iki adet diferansiyel lazer interferometer, dört adet ultrasonik piezo nanomotor, dört adet hava yastıkları üzerinde yer alan granit masası ve hava yataklı X-Y hareket ünitesi ġekil 3 de gösterilmiģtir. Burada diferansiyel lazer interferometer mesafeleri okumak için, piezo nanomotorlar hareketi sağlayabilmek için, hava yastıkları titreģim önleyici olarak kullanılmıģtır. Kurulan bu sistem yalnızca X-Y yönünde hareket etmekte olup istenilen pozisyona kısıtlı olan yazılım kullanılarak getirilebilmektedir [8]. ġekil 4: Sensörün düz yüzeyler için tipik eğrisi (gerilim, V/mm ve akım, I eğrileri) [8] Sehim, X ve Y yönünde, 90 dik olarak konumlandırılacak olan iki endüktif temassız sensör kullanılarak ölçülmektedir. Manyetik veya mekanik tutucular kullanılarak sensörlerin eksenel ayarları, sensörlerin okuma, birbirine etkileri ve diklik ayarları yapılmalıdır [8]. Sensör montajı için sınırlamalar ġekil 5 de gösterilmiģtir. ġekil 5: Sensörün doğru ölçüm için montaj gereksinimleri [8] ġekil 3: Mevcut sistemin temel parçaları [8] Diferansiyel lazerler mesafe okuma iģlemini, piezonanomotorlar ise sistemi hareket ettirerek konumlamayı sağlamaktadır. Tezgâh baģındaki kalibrasyonda amaç, temassız endüktif mesafe sensörünün silindirik parçalar karģısında vereceği gerilim değeri (volt) tepki denkleminin elde edilmesidir. Üretici firma sadece düzlem yüzeyler karģısındaki gerilim/mesafe denklemini vermiģ olduğundan silindirik parça için denklemin elde edilme zorunluluğu ortaya çıkmıģtır (ġekil 4). V. TEZGÂH BAġINDA ÖRNEK KALĠBRASYONUN YAPILMASI Kullanılan endüktif sensörlerin metal karģısında gerilim (volt) değerlerini mesafe cinsinden elde edebilmek için yine gerilim-mesafe eğrisinin oluģturulması gerekmektedir. Bu yüzden sensörün ölçüm aralığında parmak frezeye yaklaģılarak kalibrasyon eğrisi elde edilebilmektedir. ġekil 6 da yapılacak deneyler öncesinde elde edilmiģ örnek bir kalibrasyon eğrisi verilmektedir. Grafikte elde edilen gerilim ve mesafe noktalarından geçen bir eğri elde edilir ve bu eğrinin üçüncü dereceden fonksiyonu elde edilir. Bu sayede gerilim değerlerinin karģılığı olan mesafeler elde edilmiģ olunur. 162

4 A. Gök, B. Bakır, H.İ. Demirci, C. Göloğlu alüminyumun iģlenebilirliğinin kolay olması ve kısa mesafelerde yüksek gerilim değerlerine ulaģılabilmesidir. Bu gerilim değerleri alüminyumun serilerine göre farklılık arz edebilmektedir. ġekil 8 de alüminyum halka geçirilmiģ örnek bir küresel parmak freze gösterilmiģtir. ġekil 6: Örnek kalibrasyon eğrisi VI. DĠNAMĠK SEHĠM ÖLÇÜMÜ Sensörler birbirine 90 derece dik olacak Ģekilde manyetik tutucular ile tezgâh gövdesine tutturulmalıdır. ġekil 7 de deneylerde kullanılan örnek çalıģma ve Ģematik gösterimi yer almaktadır. ġekil 8: Alüminyum halka geçirilmiģ küresel parmak freze VII. DAQ KART ĠLE SEHĠM DEĞERLENĠN TOPLANMASI VE BĠLGĠSAYAR ORTAMINA AKTARILMASI DAQ kartlar, üretimden önce araģtırma-geliģtirme aģamasında, üretimden sonra ise ürünün kalitesinin belirlenmesinde yapılan testlerde, ölçülen her türlü fiziksel büyüklüğe iliģkin verileri toplayan ve yararlı bilgiye dönüģtüren sistemlerdir. Donanım ve yazılım yeteneklerinin her geçen gün artması, kiģisel bilgisayarları artık her alanda olduğu gibi test ve ölçü sistemlerinde de standart platform haline getirmiģtir. Belirli bir amaca yönelik üretilmiģ klasik sistemlere göre, kiģisel bilgisayarlar veri yoluna takılarak kullanılan DAQ kartları ve büyük ölçüde yazılıma dayanan kiģisel bilgisayarlar temelli sistemler, veri toplama sistemlerinin en hızlı geliģen dalı olmuģtur. DAQ kartlar düzenlenmiģ iģaretleri alan ve kiģisel bilgisayarlar veri yoluna aktarılacak biçimde dijital bilgiye çeviren kartlardır. ÇeĢitli konfigürasyonlarda analog ve dijital giriģ/çıkıģlar içeren bu kartlar, test düzeneğinin amacına uygun olarak, farklı hassasiyet ve hızlarda seçilebilir. X ve Y eksenlerinde eģ zamanlı verilerin alınması için NI PCI 2064E (ġekil 9), sinyal verilerinin veri toplama kartları ile toplanması aģamasındaki algoritmalar MATLAB programında geliģtirilmiģtir (ġekil 10). ġekil 7: Kesici sehim ölçüm deney düzeneğinin gerçek ve Ģematik görünümü Dinamik sehim ölçümü esnasında parmak frezenin üzerinde bulunan helisel kanallardan dolayı manyetik dalgalanmaları önlemek için parmak frezelere halkalar geçirilmelidir. Bu halkalar farklı metalik malzemelerden tercih edilebilmektedir. Fakat en çok kullanılan alüminyum malzemeden yapılan halkalardır. Bunun sebebi ġekil 9: Veri toplama kartı 163

5 Parmak Frezeleme İşlemlerinde Endüktif Sensörler ile Dinamik Sehim Ölçümü büyük sehim olan 2 mm değeri yanal ilerleme ile ters yönlü tırmanma operasyonunda, 90 m/dk kesme hızında ve 255 mm/dk ilerleme değerinde meydana gelmiģtir. En az sehim değeri de 0,8 mm en küçük yanal ilerleme ile yine ters yönlü tırmanma operasyonunda oluģmuģtur. ġekil 10: MATLAB arayüzü VIII. SEHĠM ÖLÇÜM DÜZENEĞĠ ĠLE ÖRNEK ÖLÇÜMLERĠN ALINMASI Kurulan sehim ölçüm düzeneğinde örnek ölçümler 200 mm boyunda 16 mm çapında değiģtirilebilir uçlu küresel parmak freze ile Johnford VMC 550 dik iģleme merkezi kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Deneylerimizde Konkav yüzey formu için on altı adet deney uygulanmıģtır. Deneylerde 70, 80, 90, 100 m/dk kesme hızı, 223, 255, 286, 318 mm/dk ilerleme, 0,8, 1, 1,5, 2 mm yanal ilerleme ve aynı yönlü tırmanma, aynı yönlü kontur, ters yönlü tırmanma, ters yönlü kontur iģleme stratejileri belirlenmiģtir. Bu kesme parametreleri ve seviyeleri Taguchi deneysel tasarım yöntemi kullanılarak uygun dikey dizine yerleģtirilmiģtir. Birinci deney parametreleri için X ve Y temassız mesafe ölçme sensörlerinden dikey dizine göre elde edilen analog gerilim verileri ġekil 11 de gösterilmiģtir. ġekil 12: Deneyler için elde edilen sehim-gerilim değerleri IX. SONUÇ VE TARTIġMA Sensör sistemleri ile deneysel temeller geliģebilmektedir. Bu yüzden sensör sistemlerinin geliģimi bilimsel alanlarda büyük katkı sağlamaktadır. Kurulan sistem sayesinde parmak frezeleme operasyonunda endüktif sensörler kullanılarak X ve Y eksenlerinde sehim değerleri kolaylıkla okunabilmektedir. Bu nedenle dinamik sehim ölçümü talaģ kaldırma esnasında sehim değerlerinin okunması açısından nerede en büyük sehimin meydana geldiğinin görülmesine olanak sağlamaktadır. Çıktı alınan değerlerin yorumlanması ve değerlendirilmesi hızlı bir Ģekilde sağlanmakla birlikte sehimin belirlenmesi için gerekli olan diğer operasyonları ortadan kaldırmaktadır. TEġEKKÜR Deneylerin yapılmasında yararlanılan tezgah ve ekipmanlardan, verilen teknik destekten dolayı için sayın Prof Dr. Mustafa KURT a teģekkür ederiz. ġekil 11: X ve Y eksenlerinde gerilim grafiği Kalibrasyonu yapılan sensörlerin gerilim değerleri üçüncü derece gerilim-mesafe denklemi kullanılarak uzunluk birimine dönüģtürülmüģtür. ġekil 12 de yapılan deneyler için elde edilen sehim-gerilim değerleri verilmiģtir. En KAYNAKLAR [1] H., Aoyama, T., Ishii, Sensor to Detect Cutting Force Components, Cutting Torque and Cutting Tool Deflections, Journal of Manufacturing Processes, 2:6, [2] F., Abrari, M.A., Elbestawi, Closed form formulation of cutting forces for Ball and flat end mills, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol:33, 17-27, [3] T., Huang, D.J., Whitehouse, Cutting force formulation of taper end mills using differential geometry, Precision Engineering, 23: , [4] M., Shatla, T., Altan, Analytical modeling of drilling and ball end milling, Journal of Materials Processing Technology, 98: , [5] B., W., Ikua, H., Tanaka, F., Obata, S., Sakamoto, Prediction of cutting forces and machining error in ball end milling of curved surfaces -I theoretical analysis, Precision Engineering, 25: ,

6 A. Gök, B. Bakır, H.İ. Demirci, C. Göloğlu [6] G. M., Kim, B. H., Kim, C. N., Chu, Estimation of cutter deflection and form error in ball end milling processes, Machine Tools & Manufacture, 43: , [7] M., KuĢan, Biyomedikal Cihaz Teknolojisi, Karadeniz Teknik Üniversitesi (EriĢim: ġubat 2011) ma_ prenspler_ve_uygulamalar.doc [8] E., Bağcı, Serbest Formlu Yüzeylere Sahip Parçaların CNC Frezeleme Ġle Ġmalatında Tolerans Ve Yüzey Pürüzlülük Değerlerinin ĠyileĢtirilmesi Ġçin Kesme Parametreleri Ve Stratejilerinin Optimizasyonu, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, [9] Fırat Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Laboratuar Föyleri, Fırat Üniversitesi (EriĢim: ġubat 2011) [10] H., Atabek, Kontrol ve Kumanda Sistemleri Ders Notları, Sakarya Üniversitesi (EriĢim: ġubat 2011) 165