TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2004 (4) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Spiral Talaş Oluşumu Mekanizması Ve Talaş Kaldırma İşlemindeki Önemi Selahattin YUMURTACI Y.T.Ü. Mak. Fak. Mak. Müh. Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE Tel: (0212) /2718, E-Posta: ÖZET Talaş kaldırma işlemlerinde genel olarak kesintili, yapışık ve sürekli olmak üzere 3 ana tipteki talaşın yanı sıra spiral ve karışık bant vb. gibi ara talaş formları da ortaya çıkabilmektedir. Bu çalışmada önce yukarıda sözü edilen farklı talaş formlarının hangi koşullarda ortaya çıktığı açıklanmakta, daha sonra da bu talaş tiplerinden spiral talaşın oluşum mekanizması ve talaş kaldırmadaki önemi incelenmektedir. Anahtar Kelimeler: Spiral talaş, talaş sıvanması, kayma açısı, kesici takım 1. GİRİŞ Talaş kaldırma işlemlerinde talaşın iş parçasından ayrılması, işlenen parçanın özelliklerine ve kesme koşullarına bağlı olarak farklı biçimlerde gerçekleşmektedir. Genellikle kesintili (kırık, kesikli), yapışık (sıvanmalı) ve sürekli (akma) olmak üzere üç ana tip talaş vardır (Tablo 1) (Şekil 1). Tablo.1- Başlıca talaş tipleri Talaş tipi Malzeme Kesme hızı (v) Yüzey düzgünlüğü Sürekli talaş Sünek Orta Zayıf Yapışık talaş Sünek Orta Kötü Kesikli talaş Sünek Düşük Kötü Gevrek İyi Uygulamada yukarıda belirtilen ana talaş türlerinin dışında işleme koşullarına (kesme hızı, ilerleme değeri, kesme derinliği, talaş açısı vb.) bağlı olarak ara talaş formları da ortaya çıkabilmektedir. Bu ara talaş formları Şekil 2'de görülmektedir.

2 Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) Spiral Talaş Oluşumu Mekanizması ve Talaş Kaldırma Şekil 1. Talaş tipleri Şekil 2- Talaş formları C t = Talaş hacmi faktörü C t = V tm /V t V tm = Tabakadan talaşa dönüşen talaş hacmi V t = Kaldırılacak tabakanın hacmi Sünek malzemelerin yüksek kesme hızı ile işlenmesi durumunda ortaya çıkan sürekli talaş, bant, karışık bant ya da seyrek dolamlı bant biçiminde olabilmektedir. Bu şekildeki sürekli talaş serbest yüzeyin üzerinden geçtiğinden kesici kenar üzerinde tahribat oluşturmakta, tezgahın çeşitli tertibatlarına ve iş parçasına sarılarak işlenen yüzeyi bozmanın yanı sıra, ayrıca operatörler içinde tehlike oluşturmaktadır. Verimli talaş kaldırma gerçekleştirebilmek için zararlı olan bu sürekli talaşlar, basamak (veya oluk) şeklindeki talaş kırma sistemleriyle ya da talaş kırma plakası içeren mekanik talaş kırma sistemleriyle, pek çok yarar sağlayan kırık talaş şekline getirilirler (Şekil 3). 18

3 Yumurtaci, S. Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) Şekil 3- Talaş kırma sistemleri 1- Plaket, 2- Talaş kırma plakası a) Basamak şeklinde b) Mekanik 2. SPİRAL TALAŞ MEKANİZMASI Önceki bölümde sözü edilen ara talaş tiplerinden birisi olan spiral talaşın oluşum mekanizması geçmişte pekçok araştırıcının ilgisini çekmiştir. Ayrıca pekçok araştırmacı spiralleşme olayının kesme hızı, ilerleme değeri, aşınma vb. ile olan ilişkisini araştırmışlardır. Başlangıç veya "doğal" talaş eğrilik yarıçapı (ρ o ) (Şekil 4) elastik veya ısısal etkilerle ilgili mekanizmalarla açıklanamayacak kadar küçüktür. Başlangıçta düz olan bir talaş, işlem sonundaki biçimine dönüşebilmesi için çok esaslı plastik deformasyona tabi olması gerekirdi. Şekil 4. Eğrilik yarıçaplarının şekil değiştirmesini gösteren tipik talaş Şekil 5. Plastik bölgede hız eğrileri ve değerleri Spiral talaşın sertleşmeyen malzemelerde meydana gelmeyen bir plastik oluşum olduğu deneysel esaslardan anlaşılmaktadır. Şekil 5'te görüldüğü gibi, talaş oluştuğu zaman, talaş hızı (V c ) sabit kalamaz ve merkez orta noktasından (O) itibaren doğru orantılı olarak değişim gösterir (Bak, malzemenin takım ağzından ayrılmak üzere olan AE kesiti). Bu durumda süreklilik esasına göre akma doğrultusu kesik çizgilerle gösterildiği gibi olacaktır. Ayrıca takım ağzına yakın olan malzemenin akışı hızlanmakta, diğer uçtaki malzeme yavaşlamaktadır. Bu olay kesme yüzeyinin aşağıya doğru konkav şekli yoluyla açıklanabilir. Ancak bu konkavlık çeşitli gözlemlerle saptanamayacak kadar küçüktür. Ayrıca vurgulanması gereken bir nokta da, (I) alanındaki malzemenin hız kazanması nedeniyle akış çizgileri kesme yüzeyinden uzaklaştıkça, takım ağzına yaklaşmaktadırlar. Kesme işleminin fotoğraflarda görülüğü gibi bu akış çizgileri aslında birbirine yanaşmaktadırlar. Şekil 6'daki gerilme dağlımı, spiral talaş mekanizmasının oluşumunu göstermektedir. Başlangıçta talaşın serbest ucu üzerinde hiçbir kuvvet yoktur ve (A-E) çizgisi üzerindeki toplam yük ve moment sıfırdır. Ayrıca (I) alanındaki basınç kuvveti talaşın diğer bölümlerinde bir plastik deformasyon yaratır. Eğer Şekil 19

4 Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) Spiral Talaş Oluşumu Mekanizması ve Talaş Kaldırma 6'daki bütün gerilmeler talaş malzemesinin (±) "akış gerilimine" (σ o ) eşit olursa bütün koşullar yerine getirilmiş olur. Şekil 6. (A-E) hattında talaşa etki eden normal gerilimin dağılımı Şekil 7. Spiralleşen talaşın şemasal görünüşü Hemen hemen bütün kesme işlemlerinde talaş bir veya daha az tur attıktan sonra takımın önünde malzemeye yaslanmaktaır (Şekil 7). İş parçası ve talaş arasındaki bu sürtünme, (E) noktasında talaşı güçlendirmekte ve daha büyük bir yarıçap (ρ) oluşturmaktadır. Bu talaşın yarıçapı işlem devam ettiği sürece büyümektedir. Talaş yarıçapını (ρ o ) dan (ρ) düzeyine yükselten güç (ρ f ) değerine eriştiği zaman ise talaş kopmaktadır. Üç boyutlu bir işlemde bu talaş kuvvetlerin eşitlendiği bir duruma erişir ve çoğu zaman görüldüğü gibi yana kayarak spiral oluşumu devam eder. Talaşın bu doğrulma hareketi ve bu doğrulmayı yaratan moment daha önce yeterli ölçüde anlaşılmamıştır. 3. YIĞMA AĞIZ (TALAŞ SIVANMASI-BUE (Built-Up-Edge) OLUŞUMU Kesme işlemi sırasında, "toz" olarak adlandırılabilecek birçok küçük metal parçaları ortaya çıkmaktadır. Bir boşluk veya çok düşük bir basınç alanı oluştuğu zaman, bu tozlar takımın ucunda toplanma eğilimi gösterirler. Talaş koptuğu zaman takımın ucu, M fp (şekil değ.momenti) oluşana kadar yüksek gerilimlere maruz kalır. Talaş periyodunun bu bölümünde tozlar bir araya toplanır ve takım yüzeyine yapışır. Bu işlem tekrar edildiği zaman bilinen "yığma ağız" ya da diğer bir adlandırmayla "talaş sıvanması (yapışması)" (B.U.E. - Built-Up-Edge) oluşur. Eğer çok küçük bir boşluk dahi oluşsa, talaş ile parça arasında bir süreksizlik görülebilir. Bu koşullar altında Şekil.8'de görülen "çatlaklar" oluşur. Şekil 8. M fp momentinin BUE ve çatlaklar oluşturması Eğer yukarı doğru talaş oluşursa bu talaş ile birlikte kopar, aşağı doğru oluşan çatlaklar parça yüzeyinde kalır. Bu durumda görülen manzara şöyledir: İşlem periyodik olmakta ve kuvvetler alternatif olarak aynı yönde ya da ayrışık olarak yer almaktadır. Kuvvetler ayrıştığı zaman oluşan toz yüklerin birleştiği durumda bir araya gelmekte ve takım yüzeyine yayılmaktadır. B.U.E.'nin oluşması ve gelişmesi için aşağıdaki iki koşul yerine getirilmelidir: 20

5 Yumurtaci, S. Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) Sıkışan B.U.E., (M fp )'nin var olmadığı durumda oluşan yüksek gerilimlere dayanacak kadar sert olmalıdır. 2. B.U.E. kenara fırlamaması için takıma kaynamalı ya da yapışmalıdır. Çoğu malzeme için bu koşullar B.U.E. oluşumunda yüksek ve düşük ısı limitleri yaratmaktadır. 4. TALAŞ EĞRİSİNİN KİNEMATİĞİ Bir talaş eğrisinin geometrik tanımı son derece karmaşıktır. Şekil 9'da talaş geometrisinin grafik olarak elde edilmesi, Şekil 10'da ise aşınmış takım ağzının spiral talaş üzerindeki etkisi görülmektedir. Şekil 9. Talaş geometrisinin grafik olarak elde edilmesi Şekil 10. Aşınmış takım ağzının spiral talaş üzerindeki etkisi Başlangıçta oluşan dairesel kısım nedeniyle talaş tam bir spiral değildir. Ancak daha sonraki gelişmesiyle talaş üstel bir spiral şeklini almakta ve aşağıda görüldüğü gibi ifade edilmektedir. Burada ρ/ρ o = e n(θ-θ o )... (1) θ = Toplam dönmeyi θ o = Başlangıçtaki talaş dönmesini (Şekil 9) n = Spiral üstü ifade etmektedir. (1) nolu formül (ρ/ρ o > 2,5) değerlerinde oldukça başarılı sonuçlar vermektedir. 5. TALAŞ KALINLIĞININ TALAŞ EĞRİSİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ Düşük kesme hızlarında ve sıcaklık etkilerinin az olması durumunda elde edilen sonuçlar göstermektedir ki başlangıçtaki eğrilik yarıçapı (ρ o ) ilerleme hızı ile doğru orantılı olarak ve talaş açısı ile de ~ ters orantılı olarak değişmektedir (Şekil 11 ve Şekil 12). (t) büyüdüğü zaman veya (α) küçüldüğü durumlarda talaş kalınlığı artmaktadır (Şekil.13). Tablo 2'de deneyde kullanılan malzemelerin bileşimleri verilmektedir. 21

6 Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) Spiral Talaş Oluşumu Mekanizması ve Talaş Kaldırma Şekil 11. Yarıçap değişimlerinin kesme derinliği ile ilişkisi Şekil 12. Yarıçap değişimlerinin talaş açısı ile ilişkisi Tablo 2. Deneyde kullanılan çeliklerin bileşimi Çelik Bileşimi C Mn P S Si Pb N MXC 0,08 0,85 0,08 0,26 0,009 0,07 - PBC 0,08 0,88 0,10 0,34 0,009 0,17-1 0,08 0,99 0,08 0,03 0,004-0, ,09 1,04 0,09 0,40 0,006-0,002 MXC = Soğuk çekme kükürtlü çelik PBC = Soğuk çekme kurşunlu ve kükürtlü çelik 1 = Sıcak haddelenmiş çelik 5 = Sıcak haddelenmiş kükürtlü çelik Şek.13. Yarıçap değişimlerinin talaş kalınlığı ile ilişkisi 22

7 Yumurtaci, S. Teknolojik Araştırmalar 2004 (4) SONUÇ a) Talaş oluşumu büyük ölçüde iş parçasının malzemesinin bileşimine, içyapı ve birincil ile ikincil evre fazları, ayrıca da sertlik mukavemet gibi mekanik özelliklere bağlı olmaktadır. b) Sünek malzemelerin yüksek kesme hızı ile işlenmesi durumunda ortaya çıkan sürekli talaş, çok kısa zaman içerisinde büyük miktarlarda birikerek talaş kaldırmayı verimli olmaktan uzaklaştırmakta, kesme sıvısının işlem bölgesine gitmesini engellemekte dolayısıyla da kesme sıvısı kendisinden beklenen soğutma ve yağlama işlevini gerektiği ölçüde yerine getirememiş olmaktadır. Bu olumsuzluğu gidermek amacıyla "talaş kırma sistemleri" kullanmak gerekmektedir. c) Verimli bir çalışmanın sağlanabilmesi, kesici takımın talaş yüzeyi ile talaş arasındaki sürtünmenin olabildiğince küçük tutulmasına bağlı olmaktadır. Takım üzerinde talaş sıvanması (yığma ağız, Built-Up- Edge B.U.E.) oluşma olasılığı sürtünme katsayısının büyüklüğü ile doğru orantılı olmaktadır. d) Bir malzemenin talaşlı işlenebilirlik derecesini gösteren kriterlerin başında, o malzemenin kırılgan talaş verip vermemesi gelmektedir. Kırılgan, kısa talaş oluşturan en önemli alaşım elementleri fosfor (P), kükürt (S) ve kurşun (Pb) olmaktadır. e) Azalan sürtünme katsayısı, daha ince talaş, daha düşük kuvvet ve sıcaklıklara neden olmaktadır. Dolayısıyla oluşacak talaşların eğrilik yarıçapları daha küçük değerlerde olacaktır. KAYNAKÇA 1. Degarmo E.P., Black J.T., Kohser R.A. "Materials and Processes in Manufacturing", Eight Edition, John Wiley and Sons, Inc., Newyork, Akkurt M. "Takım Tezgahları Talaş Kaldırma Yöntemleri ve Teknolojisi", Birsen Yayınevi, İstanbul, Akün F. "Takım Tezgahları" Cilt 1, İ.T.Ü. Yayını, İstanbul, Avuncan G. "Talaş Kaldırma Ekonomisi ve Kesici Takımlar", Mavi Tanıtım ve Paz. Ltd.Şti., İstanbul, Cook N.H., Jhaveri P., Nayak N. "The Mechanism of Chip Curl and Its Importance in Metal Cutting" Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, Şahin Y. "Talaş Kaldırma Prensipleri", Cilt 2, Nobel Yayın, Ankara, Tekin E. "Mühendisler İçin Çelik Seçimi", TMMOB Makine Mühendisleri Odası Yayın No: 119, Ankara,