TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 e-issn: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 28 (3) 33-4 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Kayaç Kesme Đşleminde Kullanılan Elmas Soketli Kesici Diskin Kesme Performansının Đncelenmesi Özet Đsmail UCUN*, Kubilay ASLANTAŞ*, Đ. Sedat BÜYÜKSAĞĐŞ** * Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Afyonkarahisar. ** Kocatepe Üniversitesi, Meslek Yüksek okulu, Mermer Teknolojileri Programı, Afyonkarahisar. iucun@aku.edu.tr, aslantas@aku.edu.tr, sedatbuyuksagis@aku.edu.tr Bu çalışmada, elmas kesici diskin performansı ve olarak isimlendirilen iki farklı kayaç için araştırılmıştır. Güç tüketimini, kesme kuvvetlerini, spesifik enerjiyi ve kesme gürültüsünü belirlemek amacıyla bir seri test yapılmıştır. Kesme deneyleri bilgisayar kontrollü blok kesme makinesi ile gerçekleştirilmiştir. Kesme kuvvetlerinin ölçülmesinde üç eksenli bir dinamometre kullanılmıştır. Spesifik enerji analitik bir yaklaşım kullanılarak kesme kuvvetlerinden hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki, ün kesilmesinde elde edilen kesme kuvvetleri, dan daha yüksektir. Aynı zamanda, için elde edilen spesifik enerji ve güç tüketimi için elde edilen değerlerden yüksektir. Anahtar Kelimeler: Kesici Disk, Güç Tüketimi, Elmas Soket, Kesme Kuvvetleri, Granit Kesme, Spesifik Enerji 1. Giriş Granit, mermer, traverten gibi kayaçların kesme mekanizması temelleri metal kesme mekanizması üzerine dayanmaktadır. Đlk olarak, metal kesme mekanizmaları geliştirilmiş ve bunun sonucu olarak kayaç kesme mekanizmaları bu modellere göre düzenlenmiştir. Nishimatsu [1] kayaç kesme mekanizması üzerinde bir teori önermiş ve kayaç kesmedeki hasar süreçleri üzerindeki gözlemlerini rapor etmiştir. Kayaç kesimi için metal kesmedeki bilinen Merchant ın formülü kullanılmıştır. Ortogonal kesme işleminde, elde edilen talaşlarda hiçbir plastik deformasyon gözlenmemiştir. Fakat bu gözlem daha ileri yıllardaki Tönshoff vd. [2] tarafından farklı olarak değerlendirilip, kesme işleminde kayaç üzerinde plastik deformasyon bölgesinin oluştuğunu vurgulamıştır. Tönshoff vd. [3] S/T tezgâhında kullanılan 9 mm çaplı bir elmas kesici testere ile doğal taşların kesilmesinde kesme kuvvetlerini elde etmişlerdir. Kesme kuvvetleri, bazı kesme parametreleri (kesme derinliği, ilerleme ve çevresel hız) için elde edilmiştir. Kesme derinliği ve kesme hızının artması ile normal ve teğetsel kuvvetlerinin arttığı görülmüştür. Ayrıca, çevresel hızın artması kesme kuvvetlerini bir miktar düşürmüştür. Normal kuvvetler, teğetsel kuvvetlere göre daha büyük elde edilmiştir. Elmas kesici diskler ile ilgili yapılan çalışmalarda genel olarak spesifik enerji [4], kesme kuvvetleri [5] ve soket aşınması [6] üzerinde durulmuştur. Xu [7] elmas soketli bir testere ile granitin kesilmesi esnasındaki sürtünme özelliklerini incelemiştir. Öncelikle belirli kesme oranlarını göz önüne alarak bazı deneyler yapmış ve kesme kuvvetleri ve spesifik enerji değerlerini elde etmiştir. Kesme derinliğinin artması ile spesifik enerjilerinin de arttığı görülmüştür. Burada, sürtünme katsayısı ile spesifik enerji arasında bir ilişki kurulmuş ve sürtünme katsayısının artması ile spesifik enerji değerlerinin arttığı görülmüştür. Başka bir çalışmada, Xu ve Li [8] dört farklı soğutma sistemi kullanılarak granitin kesilmesi işleminde kesici disk performansı incelenmiştir. Çalışmada, su, hava, suda çözülebilir yağ ve gres yağı tercih edilmiştir. Gres yağında daha büyük teğetsel ve normal kuvvetler elde edilmiştir. Suyun kullanılmasında ise kesme kuvvetlerinin minimum olduğu görülmüştür. Bununla birlikte spesifik enerji açısından değerlendirildiğinde en az enerji suda çözülen yağda görülmüştür. Jennings ve Wright [9] yaptıkları bir çalışmada farklı kayaç türlerinin

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 Kayaç Kesme Đşleminde Kullanılan Elmas Soketli Kesici Diskin Kesme elmas soketler ile kesilmesi işleminde aşınma ve güç tüketimini incelemişlerdir. Denkena vd. [1] ise yaptıkları çalışmada elmas soket üzerinde meydana gelen hasarların işleme parametreleri, iş parçası malzemesi, makine durumu, kesici disk ve elmas soket özelliklerine bağlı olarak değiştiği vurgulamışlardır. Bu çalışmada, iki farklı granit türünün elmas kesici diskler ile kesilebilirliği deneysel araştırılmıştır. Kesilebilirlik deneylerinde kesme kuvvetleri, güç tüketimi, spesifik enerji ve kesme gürültüsü tespit edilmiştir. Tüm kesme deneylerinde birim zamandaki kesme miktarları dikkate alınmıştır. 2. Materyal ve Metot Đş Parçasının Özellikleri Kesici diskin kesme performansının incelenmesinde deney numunesi olarak ve granit türleri kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan granitlerin görünümleri Şekil 1 de verilmiştir. Deneyler laboratuar ortamında yapıldığı için, 115 X 7 X 5 mm boyutlarında numuneler tercih edilmiştir. Ayrıca bu numune boyutları kullanılan kesme makinesi için ideal olan boyutlardır. Her iki granitin mekanik özellikleri ise Tablo 1 de verilmiştir. 3. Deneysel Yöntem a) b) Şekil 1. Deneylerde kullanılan granitlerin görünümleri a), b) Tablo 1. Granitlerin mekanik özellikleri Yoğunluk (g/cm 3 ) Basma mukavemeti (MPa) Eğme mukavemeti (MPa) Gözeneklilik (%) Shore sertlik 2,62 114,68 7,74,28 69,4 2, ,21 99 Deneylerde, bilgisayar kontrollü blok kesme makinesi kullanılmıştır. Makinenin motor gücü 5,5 kw olup, OMRON marka bir invertör ile motorun devir kontrolü sağlanmıştır. Kesme testlerinde kullanılan kesici diskin çapı 4 mm olup, çevresinde 24 soket bulunmaktadır. Bir elmas soketin boyutları ise 3,5 x 7 x 4mm dir. Kesme deneylerinde kullanılan elmas soketin özellikleri ise Tablo 2 de verilmektedir. Elmas tipi Tablo 2. Testerede kullanılan elmas soketlerin özellikleri Elmasın boyutu (US Mesh) Matriks kompozisyonu Elmas konsantrasyonu Elmas soket sertliği (HRB) SDA Co

3 Ucun, Đ., Aslantaş, K., Büyüksağiş, Đ.S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 Testlerde kullanılan kesme parametreleri, kesme derinliği (a p ) mm, kesme hızı (V f ) m/dk ve çevresel hız (V c ) m/s dir. Her bir deney üç kez tekrarlanmıştır. Bu parametrelere bağlı olarak birim zamanda kesilen kayaç miktarı Q = a * V göz önüne alınarak, her iki kayaç türü için 8 ile 24 cm 2 /dk arasında w p c değişen değerler alınmıştır. Kesme işleminde soğutma olarak kullanılan sıvının debisi 15 lt/dk. olarak sabit alınmıştır. F x and F y bileşke kuvvetler bir dinamometre (ESIT) ile ölçülmüştür. Kesici disk üzerine etki eden normal (F n ), teğetsel (F t ) ve kesme (F c ) kuvvetleri testerenin kinematik davranışlarından hesaplanmıştır. Şekil 2. Kesici diske etkiyen kuvvetler ve blok kesme makinesinin şematik gösterimi Kesme işlemlerinde kullanılan deney düzeneğinin şematik görünümü Şekil 2 de verilmektedir. Kesme kuvvetlerinin ölçülmesinde ESIT marka üç yönlü bir dinamometre kullanılmıştır. Dinamometreden elde edilen sonuçlara örnek teşkil etmesi bakımından F x, F y ve F z kuvvetlerinin kesme zamanına bağlı değişimi Şekil 3 (a) da verilmiştir. Testlerdeki güç ölçümleri, mermer kesme cihazının kontrol ünitesinde yer alan enerji analizörü kullanılarak yapılmıştır. Enerji analizörü, dairesel testereyi döndüren ana motora bağlı olup, değerlerin okunmasında bir yazılım kullanılmış ve elde edilen datalar RS-232 kablo bağlantısıyla bilgisayara aktarılmıştır. Enerji analizörü ile elde edilen gücün kesme zamanına bağlı değişimine bir örnek grafikte yine Şekil 3 (b) de verilmiştir. Kuvvetler (N) 25 Fx Fy Fz Kesme Zamanı (sn) Güç (W) Kesme Zamanı (sn) a) b) Şekil 3. a) F x, F y ve F z kuvvetlerin değişimi b) Tüketilen gücün zamanla değişimi Kesme kuvveti (F c ), x ve y yönündeki bileşke kuvvetlere bağlı olarak [11], F + c 2 2 1/ 2 = ( Fx Fy ) (1) şeklinde hesaplanmaktadır. Diske etkiyen teğetsel kuvvet ise; P F t = (2) V c dir. Kesme ve teğetsel kuvvetlere bağlı olarak normal kuvvet, 35

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 Kayaç Kesme Đşleminde Kullanılan Elmas Soketli Kesici Diskin Kesme F n 2 2 1/ 2 = ( Fc Ft ) (3) şeklinde hesaplanmaktadır. F x ve F y kuvvetleri x ve y yönündeki reaksiyon kuvvetleridir. F t teğetsel kuvvet ve F n ise normal kuvvetlerdir. Burada, P (w) güç ve V c (m/s) ise çevresel hızdır. Spesifik enerji (SE) ise malzemenin birim hacmini kesmek için tüketilen enerji olup, P * t SE= (4) ' Q W ile ifade edilir. Burada, t kesme zamanı ve 4. Deney Sonuçları ve Tartışma ' Q W kesilen kayaç hacmidir. Đki farklı granit türü ve değişik birim zamanda kesilen kayaç miktarları göz önüne alınarak yapılan çalışmalarda elde edilen güç tüketimi Şekil 4 de verilmiştir. Her iki kayaç türü için birim zamanda kesme miktarının artması ile güç tüketimi önemli ölçüde artmaktadır. En büyük güç tüketimi için elde edilmiş olup, 24 cm 2 /dk için maksimum güç tüketimi 6 W civarındadır. Aksaray yaylak için elde edilen güç tüketimleri den daha düşük seviyelerde kalmıştır. Bu durumun nedeni ise derinlik kayacı olduğu için tan daha sert bir kayaçtır. Dolayısıyla kesme için daha fazla güç tüketimine neden olmaktadır. Ayrıca, kayacın diğerine göre daha iri taneli olması kesme işlemini zorlaştırmaktadır. Bunun sonucu olarak da, güç tüketimi önemli ölçüde artmaktadır. Güç tüketimi doğrudan elektrik enerjisi tüketimini yansıttığından dolayı, burada Aksaray Yaylağın kesimi sırasında daha az elektrik enerjisi tüketildiği söyleyebilir. 7 6 Güç Tüketimi (W) Şekil 4. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı güç tüketimi Kesme esnasında testere üzerine etki eden teğetsel ve normal kuvvetler diskin performansını önemli ölçüde etkilemektedir. Birim zamanda kesilen kayaç miktarlarına bağlı olarak teğetsel kuvvetlerin değişimi Şekil 5 te verilmiştir. Teğetsel kuvvet, elmas kesici diskin kayaç içersinde ilerlemesi için gerekli kuvvetlerdir. için elde edilen teğetsel kuvvetlerin, diğerine göre daha fazla olduğu görülmektedir. için elde edilen teğetsel kuvvetlerin büyük çıkması, büyük tane boyutuna sahip olmasından kaynaklanmaktadır. ise daha küçük tane yapısına sahiptir. Elmas kesici disk, daha küçük tane yapılı kayaçları keserken taneler rahatlıkla ayrılabilmektedir. Büyük tane yapısında ise kesici diskin önündeki tane ayrılmak yerine kesilmeye zorlanmaktadır. Bu durumda daha büyük teğetsel kuvvetler elde edilmektedir. Normal kuvvetler ise, elmas kesici diskin derinliğini koruyabilmesi için gerekli kuvvetlerdir. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak elde edilen normal kuvvetler Şekil 6 da verilmiştir. Normal kuvvetler, teğetsel kuvvetlere göre daha büyük değerlerde elde edilmiştir. Maksimum normal kuvvet değerleri de 24 cm 2 /dk için, yaklaşık 6N civarında çıkmıştır. için elde edilen kuvvet değerleri Aksaray Yaylağa göre daha fazladır. 36

5 Ucun, Đ., Aslantaş, K., Büyüksağiş, Đ.S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 F t (N) Şekil 5. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak teğetsel kuvvetlerin değişimi F n (N) Şekil 6. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak normal kuvvetlerin değişimi Elmas bir kesici ile kesme esnasında elde edilen F x ve F y kuvvetlerinin yanında, yanal olarak tabir edilen F z kuvvetleri kesici diski etkilemektedir. F z kuvvetleri, elmas kesicinin aşınmasına etki ettiği gibi, aynı zamanda kesme işleminin zorluğu veya kolaylığı hakkında önemli bilgiler vermektedir. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak elde edilen F z kuvvetleri Şekil 7 de verilmiştir. Şekil 5 ve 6 da verilen sonuçlara paralel olarak, maksimum F z kuvvetleri için elde edilmiştir. Ayrıca, birim zamanda kesilen kayaç miktarının artması ile F z kuvvetleri artmaktadır. Bu artış de daha fazla gerçekleşmiştir. Kesme esnasında, daha iri taneler tarafından zorlanan elmas kesici diskin kesmesi güçleşmekte ve bu da yanal kuvvetlerin artmasına neden olmaktadır. 37

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 Kayaç Kesme Đşleminde Kullanılan Elmas Soketli Kesici Diskin Kesme F z (N) Şekil 7. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak F z nin değişimi Kesme kuvvetlerin oranının birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı değişimi Şekil 8 de verilmiştir. Aksaray Yaylak da elde edilen kuvvet oranlarının daha dağınık olduğu görülmektedir. Her iki kayaç türü için birim zamanda kesilen kayaç miktarının artmasıyla kuvvet oranlarında düşme görülmüştür. Kuvvet oranları elmas kesicinin sürtünme katsayısı hakkında önemli bir bilgi vermektedir. Özellikle, kesilen birim zamandaki kayaç miktarının cm 2 /dk arasında oranların çok fazla değişmediği görülmüştür. Minimum kuvvet oranı için elde edilirken, genellikle için daha yüksek çıktığı görülmüştür. F t /F n,45,4,35,3,25,2,15,1, Şekil 8. F t /F n oranının birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı değişimi Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak elde edilen spesifik enerji değişimi Şekil 9 da verilmiştir. Birim zamanda kesilen kayaç miktarının artması ile spesifik enerji miktarı önemli ölçüde azalmaktadır. Kesilen kayaçlar açısından değerlendirildiğinde Aksaray yaylağın diğerine göre daha az enerji harcadığını söyleyebiliriz. Burada, maksimum üretim ile optimum verimin sağlanması için Aksaray Yaylağın 24 cm 2 /dk ve ün ise 18 ile 24 cm 2 /dk arasındaki kesme koşullarında kesilmesi daha uygun olacaktır. ve Aksaray Yaylağın optimum çevresel hızı ise 4 m/sn dir. 38

7 Ucun, Đ., Aslantaş, K., Büyüksağiş, Đ.S. Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 SE (j/mm 3 ) Şekil 9. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı spesifik enerjinin değişimi Doğal taş işleme endüstrisinde gürültü işçi sağlığı açısından önemli bir unsurdur. Bu nedenle kesme sırasındaki gürültüyü en aza indirmek için alternatif disk tasarıma dair çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmada da, birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı olarak her iki kayaç için gürültünün değişimi Şekil 1 da verilmiştir. Aksaray yaylak daki gürültü değişimi hemen hemen aynı seviyede kalırken, Blue pearl deki gürültü birim zamanda kesilen kayaç miktarının artmasıyla artış göstermiştir. Kesici disk de elde edilen güç tüketimi, teğetsel ve normal kuvvetlerden elde edilen sonuçların gürültüye de yansıdığı görülmüştür. Bu ilişki bize kesilen kayacın zorluğu veya kolaylığı hakkında bir fikir verebilmektedir. daki maksimum gürültü seviyesi 17,12 db iken, Blue Pearl de 18,11 db civarındadır. Burada ilginç olan bir diğer sonuç ise, özellikle için elde edilen gürültü değerlerinde çok değişme olmasıdır. da, elde edilen maksimum ve minimum gürültü değerleri arasında % 8,73 fark bulunurken, bu durum için % 3 civarındadır. Gürültü (db) i Sonuç Şekil 1. Birim zamanda kesilen kayaç miktarına bağlı gürültünün değişimi Đki farklı kayaç türü için yapılan kesme deneylerinde elmas kesici diskin kesme kuvvetleri, güç tüketimi, spesifik enerji ve gürültüye bağlı olarak bulunmuştur. Her iki kayaç türü için elde edilen normal kuvvetler, teğetsel kuvvetlere göre daha büyük elde edilmiştir. Normal ve teğetsel kuvvetler graniti için daha fazla elde edilmiştir. Bunun sebebi olarak ün tane yapısının daha iri olması ve derinlik kayacı olmasından kaynaklamaktadır. Kuvvetlerden elde edilen bu sonuçlar güç tüketimine yansımıştır ve ün daha fazla güç tükettiği görülmüştür. Aksaray Yaylağın kesme esnasında daha az enerji harcadığı görülmüştür. Spesifik enerjilerine baktığımızda, Aksaray Yaylağın kesme esnasında daha az enerji harcadığını göstermektedir. Bu bize 39

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 28 (3) 33-4 Kayaç Kesme Đşleminde Kullanılan Elmas Soketli Kesici Diskin Kesme kesme esnasında Aksaray yaylak granitin e göre daha kolay kesilebildiğini göstermektedir. En büyük gürültü değerleri için elde edilmiştir ve birim zamandaki kesme miktarının artmasıyla artış göstermiştir. 6. Teşekkür Bu çalışma, 16M189 TÜBĐTAK projesi tarafından desteklenmiştir. Kaynaklar 1. Nishimatsu, Y., 1972, The Mechanics of Rock Cutting, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 9, pp Tönshoff, H.K., Hillmann-Apmann, H., 22, Diamond Tools for Wire Sawing Metal Components, Diamond and Related Materials, Vol. 11, pp Tönshoff, H.K., Wobker, H.G., Przywara, R., 1993, Das Arbeitsverhalten von Werkzeugen zum Trennschleifen von Gestein, Industrial Diamond Related, Vol. 3, Büyüksağis, I.S., Göktan, R. M., 25, Investigation of Marble Machining Performance Using an Instrumented Block-Cutter, Journal of Materials processing Tech., Vol. 169, Luo, S.Y., Liao, Y.S., 1993, Effects of Diamond Grain Characteristics on Sawblade Wear, Int. J. Mach. Tools Manufact., Vol. 33 (2), pp Liao, Y.S., Luo, S.Y., 1992, Wear Characteristics of Sintered Diamond Composite During Circular Sawing, Wear, Vol. 157, pp Xu, X., 1999, Friction Study on the Process in Circular Sawing of Granites, Tribology Letters, Vol. 7 (4), pp Xu, X. P., Li, Y., 23, The Effects of Swarf in the Diamond Sawing of Granite, Key Engineering Materials Vol. 25, pp Jennings, M., Wright, D., 1989, Guidelines for Sawing Stone, Industrial Diamond Review, Vol. 2., Denkena, B., Tönshoff, H. K., Friemuth, T., Glatzel, T., 23, Development of Advanced Tools for Economic and Ecological Grinding of Granite, Key Engineering Materials, Vol. 25, pp Xu, X.P., Li, Y., Zeng, W.Y., Li, L.B., 22, Quantitative Analysis of the Loads Acting on the Abrasive Grits in the Diamond Sawing of Granites, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 129, pp