Delme ve Frezelemedeki Kesme Kuvvetlerinin Ölçülmesi İçin Deney Seti Tasarımı ve İmalatı

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Delme ve Frezelemedeki Kesme Kuvvetlerinin Ölçülmesi İçin Deney Seti Tasarımı ve İmalatı G. Uzun ve İ. Korkut Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, Özet Kesme kuvvetlerinin doğru analizi, işlenebilirliğin yorumlanması ve açıklanabilmesi açısından büyük önem arz etmektedir. İş parçası üzerinde oluşan kuvvetlerin doğru ölçülmesiyle, takım ömrü tayini ve işlenebilirliğin açıklanması daha kolay olmaktadır. Bunun için günümüzde pek çok dinamometre ve bağlama kalıbı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, delik delme ve frezeleme işlemlerinde kullanılmak üzere bir deney düzeneği tasarımı yapılmış ve imal edilmiştir. Deney düzeneğinde kuvvetlerin belirlenebilmesi ve bilgisayara aktarılabilmesi için, KISTLER 9272 A tipi dinamometre üzerine uygun bir bağlama kalıbı tasarımı gerçekleştirilmiştir. Deney seti tasarımı ve imalatında iş parçası bağlama esasları dikkate alınmıştır. Bağlama kalıbının dinamometre ile kalibrasyon işlemi belirli oranlarda kuvvetler uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon eğrisinin lineer olduğu görülmüştür. Bağlama işlemini etkileyecek tüm etkenler düşünülerek deney seti oluşturulmuş ve kesme kuvvetlerinin deneysel olarak ölçülebilirliği ortaya konmuştur. Anahtar Kelimeler Dinamometre Tasarımı, İmalat, Döndürme Momenti, Kesme Kuvvetleri, Kalibrasyon. Design And Manufacturing Of An Experimental Setup For Measuring Of Drilling and Milling Forces Abstract Correct analyses of cutting forces are of great importance in evaluating and examining the machinability. By true measurement of the cutting forces acting on the workpiece, tool life determination and evaluation of machinability become easier. For this purpose, many dynamometer and workholding devices have been developed. In this study, an experimental setup for drilling and milling operations was designed and manufactured. In order to determine the forces using the setup and transferring them to a computer, a suitable workholding device design was effected for KISTLER 9272 A type dynamometer. The experimental setup design and its manufacture was performed based on the workholding rules. Calibration of the workholding devices together with the dynamometer were made by applying some forces. It was seen that calibration curves were linear. The experimental setup was made by considering all the factors affecting the workholding operation and it was proved that cutting forces can be measured experimentally. Keywords Dynamometer Design, manufacturing, Thrust force Torque, Cutting Forces, Calibration. B I. GİRİŞ ağlama kalıplarının esas amacı, iş parçasının istenilen toleranslarda doğru bir şekilde işlenebilmesini sağlamaktır. Bu işlem sırasında güvenliğin tam olarak sağlanması en önemli faktördür. Bağlama kalıbı ile daha az sürede en az maliyet ile özdeş ve seri bir şekilde üretim gerçekleştirmek mümkün olmaktadır [1]. Malzemelerin maruz kaldığı iç ve dış gerilme ölçümleri ile basınç ve yükün sebep olduğu kuvvet ölçümleri, işlenebilirlikte büyük bir önem arz etmektedir. Bu sebeple, mühendislik faaliyetlerinin sürdürüldüğü bütün alanlarda emniyetli bir çalışma ortamı gerekmektedir. Üretilecek ürün ve sistemlerin uzun ömürlü, kaliteli, emniyetli ve ekonomik olabilmesi için, takım ve tezgâhı etkileyen tüm kuvvetlerin doğru ve hassas olarak ölçülmesi gerekir. Bütün sistemlerin dayanım hesaplarının teorik olarak yapılması her zaman kolay olmayabilir. Hesaba katılmayan ve belirlenemeyen kuvvetler olumsuz sonuçlara neden olabilmektedir. Teori ile pratiğin çeşitli etkenlerden dolayı birbirleri ile uyuşmaması kuvvetlerin deneysel olarak ölçülmesini gerektirmektedir. Kuvvete maruz kalan elemanların şekil değişiminin hesaplanması, kuvvet ölçümlerinde çok kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem sistem tasarımı ve imalatında başarılı bir şekilde uygulanmaktadır. Deneysel verileri ölçmek ve kaydetmek için donanımlar geliştirilmiş ve bu donanımların dinamometre bilgisayar bağlantısını gerçekleştirmek için de çeşitli yazılım uygulamaları mevcuttur [2,3,4]. Talaşlı üretim işlemlerinden birisi olan frezeleme esnasında kesme kuvvetlerini ölçmek için, gerinim ölçer (strain gage) esaslı dinamometre tasarımı ve imalatı ile ilgili birçok çalışma yapılmıştır [5,6,7]. Sistem tasarımı ile ilgili olan çalışmalar, işlem esnasında meydana gelen itme kuvveti, döndürme momenti, takım geometrisi ve dinamometre imalatlarının önemli bir kısmı uzama-ölçer esasına dayalıdır. Soylu yapmış olduğu çalışmada, helisel matkaplarla delme işlemi esnasında meydana gelen itme kuvvetini ve döndürme momentini ölçebilecek, uzama ölçer esaslı bir dinamometre tasarımı ve imalatı gerçekleştirmiştir. Bu dinamometre ETİAL 44 Alaşımlı Alüminyum malzemeden yapılmış olup, 4000 N luk itme kuvvetini ve 30 Nm lik 1

2 G. Uzun ve İ. Korkut döndürme momentini ölçebilecek kapasitede üretilmiştir. Dinamometreyi statik olarak kalibre etmiştir. Dinamometreden alınan kuvvet ve moment sinyallerini, sinyal yükselticiler ve veri toplama kartı aracılığı ile bilgisayara transfer etmiştir. İmal edilen dinamometre ile 10 mm çapında matkaplar kullanılarak Ç 1040 çeliği üzerinde, farklı matkap geometrisi, helis açısı ve kesme parametreleri kullanılarak deneyler gerçekleştirmiştir [8]. Demir ve Güllü yapmış oldukları çalışmada, taşlama işlemi esnasında oluşan taşlama kuvvetlerinin ölçülmesi için tasarımı ve imalatı yapılan bir dinamometre ile yüzey taşlama işleminde taş sertliğinin, yüzey pürüzlülüğüne ve taşlama kuvvetlerine etkilerini incelemişlerdir [9]. Turgut ve Korkut çalışmalarında, talaşlı imalatta kesme kuvveti ölçme sistemlerini incelemiş ve sistem bakımından benzer olanları gruplandırarak ölçme sistemleri hakkında bilgiler sunmuşlardır. Kuvvet ölçme sistemlerinin genel olarak iki grupta toplandığını tespit etmişlerdir. Birinci gruptaki ölçüm sistemlerinde, tezgâh kontrol sistemi veya kesicinin bağlı bulunduğu motordan alınan akım veya elektrik sinyallerinin analizi ile kuvvet ölçümü gerçekleştirilmiş; ikinci grupta ise, iş parçası veya kesici üzerine yerleştirilen dönüştürücüler (gerilimölçerler, yük hücreleri, dinamometreler) sayesinde kuvvet ölçümü gerçekleştirmişlerdir [10]. Kaçal vd. çalışmalarında, azdırma yöntemi ile dişli çark açma işlemi sırasında meydana gelen kesme kuvvetlerini ölçebilmek için bir deney seti tasarlamış ve imal etmişlerdir [11]. II. DELME İŞLEMİNDE OLUŞAN KUVVETLER Delme işlemi sırasında bir kesici ağıza karşılık gelen talaş kaldırma kuvvetlerinin bileşenleri, yani kesme kuvveti (Fs), ilerleme kuvveti (Fz) ve radyal kuvveti (Frz) Şekil 1'de gösterilmiştir. Ağızların konumu itibarıyla her kesici ağızda oluşan radyal kuvvetler birbirini dengelemektedir. Bu nedenle delme işlemini sadece Fs ve Fz kuvvetleri etkimektedir [12].. Şekil 1: Delme işleminde oluşan kesme kuvvetleri [12]. III. FREZELEME İŞLEMİNDE OLUŞAN KUVVETLER Frezeleme işleminde, talaş kaldırma sürecinde oluşan kesme kuvvetleri süreklilik göstermemektedir. Bu nedenle, pratikte hesapları kolaylaştırmak için ortalama talaş kesitine karşılık gelen ortalama kesme kuvvetleri dikkate alınır. Frezeleme işleminde genellikle aynı anda birden çok kesici uç talaş kaldırdığından kuvvetler, bir kesici uca karşılık gelen ortalama talaş kaldırma kuvveti (Fzz) ve onun bileşenleri olan; ortalama kesme kuvveti (Fcz), ortalama radyal kuvvet (Frz) ve ortalama ilerleme kuvveti (Ffz) olarak ifade edilirler [13]. Alın frezeleme işleminde kesme kuvvetlerinin durumu Şekil 2 de gösterilmektedir. Kesici uca dik olarak alınan N-N kesitindeki ortalama talaş kaldırma kuvvetinin (Fz) bileşenleri, ortalama kesme kuvveti (Fc) ve normal kuvvettir (Fn). Fn normal kuvvetin bileşenleri ise ilerleme kuvveti (Ff) ve radyal kuvvettir (Fr). Şekil 2: Alın frezelemede oluşan kesme kuvvetleri [13]. 2

3 Preparation of Papers for IATS 2011 Symposium IV. DENEY SETİNİN TASARIMI İş parçaları, takım tezgâhlarında talaş kaldırma esnasında kesme işlemleri, titreşimler ve momentlerden dolayı bir kuvvete maruz kalırlar. İş parçalarını bağlama işleminde, iş parçasını deformasyona uğratmadan ve emniyetli bir şekilde sıkma işlemi sağlanmalıdır. Frezeleme ve delme işlemleri talaşlı imalatta en çok kullanılan işleme metotlarıdır. Bu işlemlerde kesme kuvvetlerinin ölçülmesi için imalat endüstrisinde ve akademik alanda önemli araştırmalar yapılmaktadır. Frezeleme ve delik delme işlemlerinde kesicinin hareketli oluşu ve parçaların dinamometre üzerine bağlanması kuvvet ölçümlerinde bazı kısıtlamalara sebep olmaktadır. Bu nedenle, frezeleme ve delik delme işlemleri için özel bir bağlama kalıbı tasarlanmış ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Tasarımcının işleme esnasında kuvvetlerin ne yönde oluşabileceğini bilmesi en önemli noktalardan biridir. Yapılan tasarımda dinamometreden veri alınmasının sağlıklı olabilmesi için bağlama kalıbının dinamometre üzerinde bulunan vida bağlantıları ile dinamometreye 6 noktadan M8x15 cıvatayla sabitlenmesi sağlanmıştır. Tasarlanan kalıpta iş parçasının hareketsizliğini sağlamak için iş parçasının üstünden yüzeysel baskı yapabilecek iki adet sıkma pabucu ve dönmesini engellemek için yan yüzeyden baskı sağlayacak iki setskur cıvata ile sıkma işlemi gerçekleştirilmiştir. Üstten ve yandan baskı yapılarak parçanın kesme sırasında güvenli bir şekilde bağlandığından emin olunmuştur (Şekil 4). Tasarımı ve imalatı yapılan sistemde kuvvet verileri, iş parçası ve dinamometre arasında temasın sağlanması ile iş parçası üzerinden alınmıştır. Sistemde; KISTLER 9272A 4 bileşenli dinamometre, dinamometreden gelen sinyallerin veri okuma kartına (KISTLER PCIM DAS 1602/16) aktarılmasında çok kanallı bir amplifier ve son olarak da verilerin işlenmesi ve grafiklerin elde edilmesi için Windows işletim sistemi ile uyumlu KISTLER Dynoware 2825A yazılımı hazır olarak temin edilmiştir. Şekil 3 de kullanılan dinamometrenin bir resmi ve özellikleri verilmiştir. Şekil 4: Bağlama kalıbının dinamometre üzerinde montajı. Deney düzeneğinin çalışma esası, bağlama esnasında uygulanan ve kesmede oluşan kuvvetlerin etkisi ile iş parçasının bağlı bulunduğu yük hücrelerinde oluşan yer değiştirmelerin ölçülmesine dayanmaktadır. Yük hücrelerindeki yer değiştirmeler elektriksel gerinim oluşturmakta ve bu oluşan elektriksel gerinim amplifikatör ve veri alma kartı ile bilgisayar ortamına aktarılmakta, çeşitli yazılımlar ile bu değerlerin kaydedilmesi sağlanmaktadır [1]. Bu yöntem ile oluşturulan deney sistemi Şekil 5 te şematize edilmiştir. Dinamometre Ölçüm Aralığı Fx (kn) Fy (kn) Fz (kn) Mz (Nm) Şekil 3: Dinamometre ve özellikleri. Bir bağlama kalıbı tasarımında iş parçasının güvenli bir şekilde sabitlendiğinden emin olunması gerekir. 3

4 G. Uzun ve İ. Korkut Ölçülen Kuvvet (N) Fz Kuvveti İçin Dinamometre ve Bağlama Kalıbı Kalibrasyon Grafiği 29,91 50,55 73,11 y = 22,211x + 6,74 R2 = 0, ,86 118,19 139, Fz Kullanılan Ağırlık Miktarları (Gr) Şekil 6: Fz Kalibrasyon Eğrisi Grafiği Doğrusal (Fz) 162,71 Şekil 5: Bağlama kalıbının dinamometre üzerinde montajı. V. DENEY SETİNİN KALİBRASYONU Kalibrasyon işlemi bilinen yükler uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Bilinen yük uygulamasında, ilk adımda bağlama kalıbı dinamometre üzerine konulmadan sadece yükler uygulanarak ölçme işlemi gerçekleştirilmiştir. İkinci adımda dinamometre üzerine bağlama kalıbı bağlanmış ve ağırlığı ölçülmüştür. Üçüncü adımda bağlama kalıbının üzerine bilinen ağırlıklar (Tablo 1) tekrar konularak ölçme işlemi gerçekleştirilmiştir Dinamometrede hiçbir ağırlık olmadan ölçüm yapılarak ön kalibrasyon işlemi yapılmıştır. Kullanılan Ağırlıklar (Gr) Dinamometre ile ağırlık ölçümü (N) Dinamometre ve bağlama kalıbı ile ağırlık ölçümü (N) Tablo 1: Fz Kuvvetinin ölçümleri ,73 50,67 73,64 96,15 118,61 138,25 164,14 29,91 50,55 73,11 94,86 118,19 139,77 162,71 Elde edilen bu verilerin kalibrasyon eğrileri ile bu eğrilerin birinci dereceden denklemleri ve regresyon katsayıları Şekil 6 te verilmiştir. Sistemdeki kalibrasyon eğrilerinin lineer olması deney düzeneğinin doğru veri alması ve sistemin hassasiyeti açısından önem arz etmektedir. Tablo 2 de ve Şekil 4 te görüldüğü üzere dinamometre üzerindeki kuvvetin artması ile hassasiyet oranının arttığı görülmektedir. Yüzdelik farkın düşüş sebebi ise dinamometrenin sabit ağırlığının düşük kuvvetlerde daha fazla bir orantıya sahipken yüksek kuvvetlerde daha az orantıya sahip olmasıdır. Momentin ölçümü için, parça üzerindeki M8 cıvatalar Torkmetre ile sıkılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde Torkmetrede ayarlı kuvvetler doğrultusunda sıkma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Moment ölçümlerinde kullanılan değerler ve ele edilen sonuçlar Tablo 2 de, kalibrasyon eğrisi grafiği de Şekil 7 de verilmiştir. Tablo 2: Mz Kuvvetinin Ölçümleri Uygulanan Kuvvetler (N) Ölçülen Kuvvetler (Ncm) Ölçülen Tork (Ncm) Mz Kuvveti için Kalibrasyon Grafiği 2548 y = 829,2x ,5 R 2 = 0, Uygulanan Tork (N) Mz Doğrusal (Mz) 5195 Şekil 7: Mz Kalibrasyon Eğrisi Grafiği Regrasyon katsayısının 1 e yakınlığı deney setinin hassasiyetinin yüksek olduğunu ve doğru ölçüm yapıldığını göstermektedir. 4

5 Preparation of Papers for IATS 2011 Symposium VI. SONUÇ VE ÖNERİLER 1) Gerçek kesme şartlarında, bağlama işlemini etkileyecek tüm etkiler düşünülerek deney seti oluşturulmuş ve kesme kuvvetlerinin deneysel olarak ölçülebilirliği ortaya konmuştur. 2) Yapılan kalibrasyon işlemlerinde dinamometre üzerine etkileyen kuvvetlerinin artışı ile bağlama kalıbının ölçüm hassasiyetinin arttığı görülmüştür. 3) Bağlama setinin hassasiyetinin yüksek olduğu Fz ve Mz yönündeki oluşan kuvvet regrasyon katsayılarının (FzR 2 =0,9998 ve MzR 2 =0,9094) 1 e yakın değer alışı ile ortaya konulmuştur. 4) Bu şekilde bir sistem tasarımının frezeleme ve delme işlemlerinde verimli bir şekilde kullanılabileceği ispat edilmiştir. 5) Kalibrasyon eğrisinin lineer olduğu görülmüş ve tasarlanan bağlama setinin kesme deneylerinde kullanılabileceği kanıtlanmıştır incelenmesi Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, KAYNAKLAR [1] Turgut Y., Korkut İ., Bağlama Kalıplarında Bağlama Kuvvetlerinin Deneysel Ölçülmesi için Sistem Tasarımı ve İmalatı, 4.Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, syf , Selçuk Üniversitesi, Konya/Türkiye, [2] Korkut İ., A dynamometer desing and its construction for miling operation, Materials and Desing, 24: , [3] Sağlam H., Ünüvar A., Uzama ölçer esaslı, üç bileşenli frezeleme dinamometresi tasarım ve imalatı, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Politeknik Dergisi, 2(2):73-81,1999. [4] Duran A., Strain gaugage esasına dayalı üç boyutlu torna dinamometresinin imali, kuvvetlerin ölçülmesi ve HSS torna kaleminde meydana gelen sehimin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi, Z.K.Ü. Karabük Teknik Eğitim Fakültesi Dergisi, 3(1): , [5] Kurt A., Şeker U., Çiftçi İ., Dogrusal haraketle talaş kaldırmada oluşan kesme kuvvetlerinin ölçülebilmesi için 3 boyutlu bir dinamometre tasarımı ve imalatı II. Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Sempozyumu, Manisa, , [6] Sulzer, G., Leistungssteigerung bei der Zylinderradherstellung Durch Genaue Erfassung der Zerspankinematik, Dissertation, TH Aachen, [7] B.L. Mordike, T. Ebert, Magnesium Properties-applicationspotential, Materials Science&Engineering, vol.302, pp , [8] Soylu A., Bir delme dinamometresi tasarım ve imalatı ile HSS 1040 malzeme çiftinde ilerleme kuvveti ve döndürme momentinin analizi, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, [9] Demir, H. Güllü A., Taş sertliği ve işleme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğü ve taşlama kuvvetlerine etkilerinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(3): , [10] Turgut Y., Korkut İ., Talaşlı imalatta kesme kuvveti ölçme sistemleri 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük, Mayıs [11] Kaçal A., Gülesin M., Ulaş H. B., Azdırma Yöntemi İle Dişli Çark Açma İşleminde Kesme Kuvvetlerinin Ölçülmesi İçin Sistem Tasarımı ve İmalatı, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 23, No 4, , [12] Kıvak T., Inconel 718 in delinebilirliğinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, [13] Turgut Y., Bağlama kalıplarında bağlama kuvvetlerinin hesaplanmasında kullanılan emniyet katsayılarının deneysel olarak 5