METAL ENDÜSTRİSİNDE AŞINDIRICILI SU-JETİ KESME SİSTEMLERİNİN KULLANIMI VE KESİM KARAKTERİSTİKLERİ

Transkript

1 Bu makale Makine ve Metal Teknolojisi, sayfa 71-76, Sayı 118, Ekim 2001 sayısında yayınlanmıştır. Lütfen aşağıdaki şekilde Kaynakça vererek kullanınız. N. GEREN ve T. TUNÇ Metal Endüstrisinde Aşındırıcılı Su-Jeti Kesme Sistemlerinin Kullanımı ve Kesim Karakteristikleri. Makine ve Metal Teknolojisi, sayfa 71-76, Sayı 118, Ekim METAL ENDÜSTRİSİNDE AŞINDIRICILI SU-JETİ KESME SİSTEMLERİNİN ÖZET KULLANIMI VE KESİM KARAKTERİSTİKLERİ Doç. Dr. Necdet GEREN Çukurova Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü, ADANA Tarkan TUNÇ Makine Yüksek Mühendisi Aşındırıcılı su jeti kesme sistemleri düşük basınçlı suyu çok yüksek basınca çıkarıp bir lüleden geçirdikten sonra aşındırıcı katkısı ile kontrollü olarak hızlandırılmış erozyon yaratan sistemlerdir. Yaratılan bu kontrollu erozyon ile malzeme şekillendirme işlemlerinde yararlanılır. Konvensiyonel tezgahlara karşın sağladığı düşük toplam maliyet, yüksek üretim hızı, azaltılmış ikinci maliyetler, yüksek işleme hassasiyeti üstünlükleri nedeniyle, su-jeti sistemli takım tezgahları kısa zaman içinde gelişmiş ülkelerde konvensiyonel takım tezgahlarının yerini almaya başlamıştır. Aşındırıcı su jeti kesme sistemlerinin sağlamış olduğu çok sayıdaki avantaja rağmen ülkemizde yaygın olarak kullanılmamasının çeşitli nedenleri vardır. Bu makalenin amacı, aşındırıcı su-jeti teknolojisini metal endüstrisine genel olarak tanıtmak ve bu teknolojinin alternatiflerine olan üstünlüklerini ortaya koymaktır. Böylece, ülkemizde aşındırıcı su-jeti kullanımı ve belki de tasarımı yönünde çalışmalar başlatılabilir. The Use of Abrasive Water Jet Cutting Systems in Metal Industry and Cutting Characteristics Abstract Abrasive-waterjets (AWJs) are formed by mixing abrasive particles with highvelocity water-jets in mixing tubes. AWJ machining is an accelerated erosion process and is used to form parts in 2 and 3D machining applications. AWJ machining has the advantages of lower overall cost, higher speed of production, reduced secondary operations, and increased machine accuracy. Therefore, most of the machining shops in industrialized

2 2 countries are replacing their conventional machining tools with AWJ machining systems. Despite the numerous benefits, the growth of AWJ machine tools has been somewhat limited due to numerous reasons in Turkey. The aim of this paper is to compare AWJ machining to laser, wire electrical discharge machining (EDM) and conventional machining in order to introduce the AWJ machining technology to metal industry and draw attention to the subject. 1. GİRİŞ Su jeti kesme sistemlerinde, özel pompa veya basınç yükselticiler kullanılarak filitrelenmiş saf suyun basıncı bar a kadar arttırılır. Basıncı arttırılan su çapı mm arasında değişen bir lüleden geçilirilip, basınca ve lüle çapına bağlı olarak yüksek hızlara ( m/s) çıkarılır. Elde edilen yüksek hızdaki su jeti huzmesine aşındırıcılar eklenerek kinetik enerji arttırılır. Yüksek kinetik enerjili su-aşındırıcı karışımı çarpma etkisiyle malzemeyi aşındırarak işler. Genellikle bir endüstriyel robota veya en az 2 yada daha fazla serbestlik derecesine sahip olan X-Y-Z tablasına takılan lüle istenen konturda hareket ettirilerek malzeme istenen geometrik şekilde 2 veya 3 boyutta işlenir [1]. Su jeti teknolojisi, geleneksel ve ileri teknoloji kesme yöntemlerine kıyasla sağlamış olduğu avantajlardan dolayı, özellikle endüstrileşmiş ülkelerde, geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Her ne kadar aşındırıcısız su jeti kesme sistemleri 1970li yıllarda ticari anlamda kullanılmaya başladıysa da su-jeti son yıllarda aşındırıcılı sistemlerinde kullanıma girmesiyle malzeme işleme yöntemi yani takım tezgahı olarak kullanıma girmeye başlamıştır. Yapılan bir stratejik araştırmada özel takım tezgahları pazarının 1997 de yıllık toplam 4.2 milyar dolara ulaştığı belirtilmiştir [2]. Koordinat ölçme, elektro-erozyon tezgahları, elektro-kimyasal tezgahlar, lazer ve su-jeti metal kesme sistemlerinden oluşan toplam 5 adet tezgah, özel takım tezgahları gurubunda sınıflandırılmaktadırlar. Su-jeti sistemli takım tezgahlarının ise yılları arasındaki tahmini yüzde 9.1 lik büyüme payı ile kendi sınıfında en hızlı büyüyen pazara sahip olacağı belirtilmiştir [2]. Bu nedenle su-jeti sistemli takım tezgahları kısa zaman içinde ülkemizde olmasa bile gelişmiş ülkelerde konvensiyonel takım tezgahlarının yerini almaya başlayacaktır. Sadece Amerika Birleşik devletlerinde 100 ün üzerinde büyük firmanın konvensiyonel tezgahlarını su-jetli takım tezgahlarına çevirdiği ve dünyada 3000 e yakın tezgahın kullanıldığı rapor edilmiştir [3]. Böyle bir oluşuma neden olan gerekçeler ise şu şekilde açıklanmaktadır: Su-jeti, lazer kesme sistemleri ve diğer metal kesme sistemleri metal işlemek için kullanılmaktadır. Su-jetli takım tezgahları ( bin dolar) lazer ile kesme

3 sistemlerinden çok daha ucuz ve fonksiyonel olarak konvensiyonel tezgahlardan üstündür. Uluslararası rekabet ham metali işleyen imalat safhasının ilk basamağındaki imalatçıları tesislerinde, su-jeti gibi nümerik kontrollü makinelere, esnek imalat sistemlerine veya esnek imalat birimlerine kolaylıkla adapte olabilen sistemleri kullanmaya zorlamaktadır. 32 bitlik mikro-işlemcilerin kullanımı ve geliştirilen programlama teknikleri su jetli takım tezgahları fonksiyonlarını kontrol eden nümerik kontrol sistemlerinin hızını ve hassasiyetini arttırdı. Ayrıca, yapay zeka (artificial intelligence) veya bulanık mantık (fuzzy logic) kullanımı parça diyagramlarının NC kontrol sistemleri tarafından daha kolay bir şekilde işlenmesini sağlamaktadır. Sadece, kesme değil aynı zamanda, takım tezgahları pazarında da hızla yer edinen bu teknolojinin, sağlamış olduğu çok sayıdaki avantaja rağmen ülkemizde yaygın olarak kullanılmamasının nedenleri ise belki şöyle sıralanabilir; 1) Teknolojinin çok yeni olması, firma ve mühendislerin su jeti teknolojisinin varlığından habersiz olmaları, 2) Sistem ilk yatırım maliyetlerinin konvensiyonel kesme ve işleme tezgahlarıyla kıyaslandığında yüksek olması, 3) Yeni teknolojilere karşı takınılan genel tutuculuk, ve 4) En önemlisi, su-jeti teknolojisini kullanabilecek bir çok sektörde, firmalar arasında ulusal rekabet oluşumuna karşın uluslararası rekabetin yeterince oluşmaması ve/veya geleceğe yönelik tezgah yatırımlarında ilk yatırım maliyetinin ön planda tutulması. Su-jeti sistem tasarımı ve imalatını gerçekleştirmek amacıyla çalışmalara ülkemizde de devam edilmektedir [1,4]. Buna karşın, bu makalenin amacı, aşındırıcı su-jeti teknolojisini metal endüstrisine genel olarak tanıtmak ve bu teknolojinin alternatiflerine olan üstünlüklerini ortaya koymaktır. 3 AŞINDIRICILI SU-JETİ KESME SİSTEMLERİ Her ne kadar su jeti kesme sistemleri, aşındırıcılı ve aşındırıcısız sistemler olmak üzere iki sınıfa ayrılsalar da metal kesme işlemlerinde aşındırıcılı sistemler kullanıldığı için bu sistemlerin çok genel bir tanıtımı yapılacaktır. Aşındırıcılı su jeti kesme sistemleri en basit olarak düşük basınçlı suyu çok yüksek basınca çıkarıp bir lüleden geçirdikten sonra aşındırıcı katkısı ile kontrollü olarak hızlandırılmış erozyon yaratma sistemleri olarak

4 4 tanımlanabilirler. Bu sistemlerin temel elemanları su arıtma ünitesi, düşük basınçlı su pompası ve elektrik motoru, hassas ve çok kademeli su filitreleme sistemi, basınç yükseltme ünitesi ve ilgili kontrol ünitesi, yüksek basınç hortum ve çek-valfleri, aşındırıcı besleme, aşındırıcı geri kazanma, hareketini sağlayan nümerik kontrollu X-Y-Z tablasından lüle ve karıştırma tüpünü içeren nozul ve nozulun oluşur. Aşındırıcılı su jeti sistemlerinin en önemli elemanı basınç yükseltme ünitesidir. Basınç yükseltme ünitesinde yüksek basınç, pistonlu pompalar gurubu, yöntemlerinden biri kullanılarak elde edilir [1]. çift etkili ve fazlı-çift etkili basınç arttırma Aşındırıcılı sistemlerde çapı 0.25mm ile 0.40 mm arasında değişen lüleden yüksek hızla itilen suya lüle çıkışında, çapları 10 ile 150 m arasında değişen aşındırıcılar eklenir. Su ve aşındırıcı, karıştırıcı adı verilen kısımda karıştırılır ve karışım tekrar odaklanabilmesi amacıyla odaklama tüpü adı verilen tüpten geçirilerek işlenecek yüzeye gönderilir. Lüle, karışım ve odaklama tüpü gibi elemanlardan oluşan kesici kısım ise nozul olarak adlandırılır. Aşındırıcı katkısı ile suyun sahip olduğu kesme kabiliyeti arttırılmıştır. Bu nedenle aşındırıcı su jeti, katmanlarına ayrılmayan malzemeler hariç hemen tüm malzemelerin işlenmesinde kullanılabilir. En sık kullanılan aşındırıcılar silis (kuvars) kumu, silisyum karbid (karbür), cam, çelik, titanyum ve grena (garnet) taşı tanecikleridir. Aşındırıcılar, şekillendirilmiş ve sınıflandırılmış olarak temin edilebilirler. AŞINDIRICI SU JETİ SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Bu bölümde, aşındırıcılı sistemlere geçişin temel nedenlerini daha iyi ortaya çıkarabilmek amacıyla, aşındırıcılı sistemlerin en yakın rakipleri olan lazer, telli elekto-erozyon ve konvensiyonel freze tezgahları ile karşılaştırılması yapılacaktır. Lazer Kesme Sistemleri ile Karşılaştırılması Lazer kesme sistemleri ayna, krom gibi parlak yüzeyli malzemeleri işleyemezler. Buna karşın, aşındırıcılı su jeti sistemleri daha fazla türde malzeme kesebilir ve işleyebilirler. Aşındırıcılı su jeti aluminyum, bakır, paslanmaz çelik ve yansıtma yüzeyli parçalarda çok iyi sonuçlar verirken, aynı tip malzemelerde kesim sırasında lazer in zarar görme şansı malzeme yüzey parlaklığına bağlı olarak artmaktadır. Gelişmiş mekanik özelliklerinden dolayı geleceğin malzemesi olarak kabul edilen amorf malzemeler sadece aşındırıcı su jetli sistemler kullanılarak en iyi şekilde kesilebilmektedirler [5].

5 Uzay ve havacılık alanında yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerin işlenmesi 5 için sadece aşındırıcılı su jeti sistemleri tercih edilmektedir [6]. Aşındırıcılı su jeti işlenen parçaları ısıtmaz. Böylece termal şekil değiştirme ve malzeme kesim yüzeylerinin sertleştirilme problemleri yoktur. Aşındırıcılı su jeti sistemleri daha kalın malzemeleri işleyebilirler. İşleme kalınlığı bekleme zamanı ile değişir. 50 mm (2 inç) lik orta dayanımlı çelik ve 75 mm (3 inç) kalınlığındaki alüminyum rahatlıkla işlenebilir bu değerler lazer için sırasıyla 12 mm (0.5 inç) ve 19 mm (0.75 inç) olarak verilmektedir. Malzeme kesme kalınlığı tavsiye edilen değerlerin üstüne çıkmakla birlikte ekonomik olmamaktadırlar (Koniklik oluşturmayan maksimum kalınlıklar için Tablo 1 e bakınız). İlk yatırım maliyeti genellikle lazer sistemlerinden çok düşüktür. İnce malzeme kesiminde lazer daha hızlı olmakla birlikte aynı yatırımla 2 veya 3 adet aşındırıcılı su jeti sistemi almak mümkündür. Aynı zamanda ince parçaları üst üste koyup aynı anda işleyerek de kesme hızı artışı rahatlıkla sağlanabilir. Hassas aşındırıcılı su jeti sistemlerinin kesme toleransları ince parçalar için lazerle aynı olup, işlenen malzeme kalınlığı arttıkça aşındırıcılı su jeti sisteminin sağladığı hassasiyet artar (50 mikron a kadar inmekte). Aşındırıcılı su jeti ile düzgün olmayan yüzeylerde kesim yapılırken kesme işlemi çok fazla odaklanmadan etkilenmez. Lazerle, kesim sırasında aynı noktada kalmak füzyon yaratacağı için mümkün değildir. Kesme derinliğinin kontrolu lazer de daha kolay iken aşındırıcılı su jetinde daha zordur. Bu nedenle yiv ve yarıkların lazer ile açılması daha kolay olur. Lazer çok yüksek güç sarf eder ve verimi düşüktür. Örneğin YAG tipi lazer de 50 KW lık giriş gücüne karşılık 1 kw lık çıktı alınır. CO2 tipi lazerler daha verimli olmalarına karşılık fiyatları çok yüksektir. Lazer kesme sistemleri çok iyi bir soğutma sistemine ihtiyaç duyarlar. Nozulun bakımı lazerinkinden daha kolaydır. Modern aşındırıcılı su jeti sistemlerini kullanmak ve bakımını yapmak çok daha kolaydır ve kullanıcılar kısa bir eğitim sonrası bu işleri yapabilirler. Aşındırıcılı su jeti, çevre kirliliği oluşturmaz. Ayrıca, yapılan araştırmalar, su jeti kesme yönteminin, işlenen malzemenin mekanik ve kimyasal özelliklerini değiştirme yönünde herhangi bir olumsuz etkisinin olmadığını

6 6 göstermiştir. Malzemede ısıdan etkilenmiş bölge oluşturmaması, yüksek sıcaklıklarda ve patlayıcı ortamlarda kullanılabilir olması, her tür geometrik şekli ve her tür malzemeyi deformasyona uğratmadan kesebilmesi, su jeti sisteminin lazer ile birlikte, ayrıca plazma ark ve elektron ışını gibi kesme yöntemlerinden daha avantajlı olduğunu göstermektedir [3,7]. Lazer ve plazma ile yapılan kesme işlemleri sırasında, yüksek ısıdan dolayı mikro çatlaklar, yapısal bozulmalar, malzeme yanmaları ve kesim kenarlarında erimeler söz konusu olurken, bu sorunlar, su jeti kesme yöntemiyle tamamen yok edilmekte, böylece işlenen malzemede sertleşmeler, kesim yüzeylerinde damlacık oluşumu ve erimiş metal artıkları oluşumu önlenmektedir. Bu nedenle yeniden yüzey işleme gerekli değildir. Ayrıca, kesme işlemi saf su tarafından gerçekleştirildiği için işlenen parçada radyasyon emisyonu oluşması da söz konusu değildir [8,9]. Aşındırıcılı su jeti kesme sistemi, 2 boyutlu kesme işlemlerini gerçekleştirebilen lazer, plazma ve oksijenle kesme yapan sistemlere karşı maksimum malzeme kesme kalınlıkları esas alınarak Tablo 1 de karşılaştırılmıştır. Aşındırıcı su jeti sisteminin üstünlüğü malzeme kalınlıkları ile ilgili olarak verilen Tablo 1 de görülmektedir. Tablo 1. Farklı kesme sistemlerinin aşındırıcılı su jeti kesme sistemi ile karşılaştırılması [9]. Kesme Sistemleri Paslanmaz Çelik Maksimum Malzeme Kalınlıkları (mm) Alaşım Çeliği Karbon Çeliği Kompozitler Taş, Mermer, Granit Su Jeti ile Kesme Lazerle Kesme Plazma ile Kesme Oksijen ile Kesme Telli Elektro-erozyon Tezgahı ile Karşılaştırma Telli elektro-erozyon (wire EDM) sistemleri çok daha fazla hassas sistemler olmakla birlikte (3 mikrona kadar) aşındırıcılı su jeti daha yüksek kesme hızına sahiptir ve daha geniş malzeme çeşitliliği işlenebilir [8]. Ayrıca, aşındırıcılı su jeti kesmenin başlatılabilmesi için gerekli olan ilk deliği kendisi açabilir ve işledikleri malzeme yüzeylerini ısıtmazlar. Bu avantajlar nedeniyle endüstrileşmiş ülkelerdeki bir kısım imalatçılar ön ve kaba işleme gereksinmelerini karşılamak amacı ile aşındırıcılı su jeti sistemleri kullanmaktadırlar. Kısaca, aşındırıcılı su jeti sistemleri, imalatı tamamlayıcı tezgahlar olarak kullanıma girmektedir.

7 7 Konvensiyonel Freze Tezgahı ile Karşılaştırma Konvensiyonel freze tezgahlarında metal kesme miktarı mm 3 /dakika cinsinden çok yüksek olmasına karşın, aşındırıcılı su jeti sistemlerinde parça yerleştirme ve bağlama ve işlemi bitirdikten sonra parça sökme ve temizleme zamanları yanal kesme kuvvetleri çok az olduğu için daha azdır. Bu da parça sabitleme işlemlerini kolaylaştırır ve aynı zaman diliminde eşit veya daha fazla miktarda parça işlenmesini sağlar. Aşındırıcılı su jeti sistemlerinin bir çoğunda programlama daha kolay ve daha hızlıdır. Yapışkanlı ve sert malzemelerin aşındırıcılı su jeti ile kesiminde, lüle ve karıştırma tüpü aşınması kesici takım aşınmasından daha azdır. İşi yapmak için sadece bir kesici takıma yani nozula ihtiyaç vardır. Aşındırıcılı su jeti sistemlerinin kesme derinliği kontrolu çok iyi değildir. Basıncın ve aşındırıcı miktarının azaltılması ile daha iyi kontrol ve dolayısıyla daha iyi hassasiyet sağlanabilmektedir. Görüldüğü gibi, aşındırıcılı su jeti sistemleri konvensiyonel freze tezgahlarına tam olarak üstünlük sağlamasalar bile bahsedilen üstünlükleri nedeni ile kısa zaman içinde daha iyi bir konuma geleceklerdir. Bilgisayar ile derinlik kontrollu su jeti freze tezgahları üzerinde akademik ve pratik çalışmalara da devam edilmektedir. Şekil 1 in incelenmesi aşındırıcı su jeti teknolojisinin geldiği noktayı daha iyi yansıtması açısından yararlı olacaktır. Şekil 1. Aşındırıcı su seti sistemiyle 25.4 mm kalınlığındaki çelik malzemeden işlenen kremayer dişli gurubu [3].

8 KRİTİK KESME PARAMETRELERİ Aşındırıcılı sistemlerdeki kritik kesme parametreleri, su basıncı, lüle çapı ve nozul çap kombinasyonu, pompa gücü, aşındırıcı tipi ve büyüklüğü, aşındırıcı debisi, nozul/lüle ilerleme (kesme) hızı, parça ve nozul arasındaki mesafedir. Kesme işlemindeki yüzey kalitesi, yukarda ki parametrelere bağlı olarak değişmektedir. Yüzey kalitesi, kaba işleme kalitesinden çok düzgün işleme kalitesine kadar geniş bir aralıkta değişim göstermektedir. Sistemin pompa gücü, su basıncı ve lüle çapı ile değişmektedir. Metal işleme veya kesme hızı ise çalışma basıncı, lüle çapı, suya eklenen aşındırıcıların debisi ve tipi, karışım tüpünün boyutları, kesilecek malzemenin tipi ve kalınlığına göre belirlenir. Ayrıca yüzey kalitesi de kullanılan aşındırıcıların tipi, özellikleri, debisi ve kesme hızı ile etkilenir. Daha iyi yüzey kalitesi için daha yavaş kesme hızlarında çalışmak gerekmektedir. Her malzeme için doğru parametrelerin kullanılması, etkin ve verimli bir kullanım için mutlaka gereklidir. Normal ve pürüzsüz kesim elde etmek için ayarlanması gereken parametreler sırasıyla yumuşak çelik, paslanmaz çelik, titanyum, alüminyum ve bakır işlemek için tablo 2 de verilmiştir. Tablo değerleri su-jeti organizasyonundan elde edilen bir bilgisayar programı kullanılarak elde edilmiştir [3]. Fazla sayıdaki parametre nedeniyle aşındırıcı debisi, aşındırıcı tipi ve karışım tüpü çapı sabit olarak alınmıştır (aşındırıcı debisi: 453 gr./dak., aşındırıcı: grena (garnet) taşı ve karışım tüpü çapı: 1 mm). Tablo, malzeme tipi ve kalınlığına bağlı olarak parametrelerin kesme hızı ve yüzey kalitesine olan etkilerini göstermektedir. Değerler yaklaşık olup, su-jeti sistemli takım tezgahlarının genel işleme kabiliyetini göstermek için verilmiştir. Her ne kadar tablo 2 değerleri sabit aşındırıcı debisi için verildiyse de, artan aşındırıcı debisi ve aşındırıcı malzemesi kesme hızını arttırmaktadır. Yüzey kalitesine etki eden diğer bir etmende aşındırıcı boyutlarıdır. Artan aşındırıcı boyutları, yüzey kalitesini kötüleştirirken azalan boyutlar iyileştirmektedir. Bu nedenle iyi ve temiz kesim yüzeyleri için ince aşındırıcılar (100, 120, veya 150 mesh sınıfında), hızlı ve kaba kesim için ise kaba (50, 60 veya 80 mesh sınıfındaki) aşındırıcılar tercih edilmektedir. Artan mesh sınıfı sayısı ile aşındırıcı boyutları azalmaktadır. Bu nedenle nozulun aşındırıcılar tarafından tıkanmaması için uygun nozul-aşındırıcı boyut ilişkisine dikkat etmek gerekmektedir. Kesim Karakteristikleriyle ilgili çıkarılacak sonuçlar şunlardır: Kesim için gerekli olan güç, kesim karakteristiklerinden sadece çalışma basıncı ve lüle çapına bağlıdır, 8

9 9 Lüle çapı arttıkça pürüzsüz ve normal kesim hızları artar. Çünkü, çıkış kütlesi artacağı için kinetik enerji (KE) artacaktır (KE=mv 2 /2). Lüle çıkış hızı (v) yalnız basınç farkına bağlı olduğu için sabittir ve kinetik enerji yalnız kütleye (m) bağlıdır. Malzeme kalınlığı arttıkça her iki kesim hızında da düşüş meydana gelir, Çalışma basıncı arttıkça kesim hızları artar ancak kesim için gerekli güçte artar, Aşındırıcı debisi arttıkça kesim hızları da artar, Karışım tüpü çapı ile kesim hızları arasında ters orantı vardır, çap arttıkça hızlar düşer. Tablo 2. Çalışma basıncı, malzeme kalınlığı, lüle çapı ve malzeme tipine bağlı olarak kesme hızları (aşındırıcı debisi sabit: 453 gr./dak., aşındırıcı karışım tüpü çapı: 1 mm). YUMUŞAK ÇELİK Kesim Karakteristikleri Çalışma Basıncı, (bar) Malzeme Kalınlığı, (mm) Lüle Çapı, (mm) 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 Pürüzsüz kesim hızı, (mm/dak) 0,34 0,72 0,07 0,15 1,44 3,04 0,29 0,62 Normal kesim hızı, (mm/dak) 0,90 1,90 0,18 0,39 3,83 8,05 0,78 1,64 Minimum kesme gücü (HP) 4,79 12,26 4,79 12,26 15,63 40,01 15,63 40,01 PASLANMAZ ÇELİK Kesim Karakteristikleri Lüle Çapı, (mm) 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 Pürüzsüz kesim hızı,(mm/dak) 0,32 0,67 0,06 0,14 1,35 2,84 0,27 0,58 Normal kesim hızı, (mm/dak) 0,84 1,77 0,17 0,36 3,58 7,52 0,73 1,53 Minimum kesme gücü (HP) 4,79 12,26 4,79 12,26 15,63 40,01 15,63 40,01 TİTANYUM Kesim Karakteristikleri Lüle Çapı, (mm) 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 Pürüzsüz kesim hızı, (mm/dak) 0,47 0,99 0,10 0,20 1,99 4,18 0,40 0,85 Normal kesim hızı, (mm/dak) 1,25 2,62 0,25 0,53 5,28 11,10 1,07 2,25 Minimum kesme gücü (HP) 4,79 12,26 4,79 12,26 15,63 40,01 15,63 40,01 ALÜMİNYUM Kesim Karakteristikleri Lüle Çapı, (mm) 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 Pürüzsüz kesim hızı, mm/dak) 0,95 2,00 0,19 0,41 4,04 8,5 0,82 1,73 Normal kesim hızı, (mm/dak) 2,53 5,32 0,51 1,08 10,73 22,55 2,18 4,58 Minimum kesme gücü (HP) 4,79 12,26 4,79 12,26 15,63 40,01 15,63 40,01 BAKIR Kesim Karakteristikleri Lüle Çapı, (mm) 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 0,25 0,4 Pürüzsüz kesim hızı, (mm/dak) 0,45 0,94 0,09 0,19 1,89 3,98 0,38 0,81 Normal kesim hızı, (mm/dak) 1,18 2,49 0,24 0,50 5,02 10,55 1,02 2,14 Minimum kesme gücü (HP) 4,79 12,26 4,79 12,26 15,63 40,01 15,63 40,01

10 10 Su-jeti takım tezgahı sistemlerini kullanımına geçiş için diğer önemli bir noktada, kesme işlemi sonucunda işlenen malzemenin kesim yüzeylerinde yukarıdan aşağıya doğru indikçe yüzeyin formunda değişim olacağı kuşkusudur. Bu kesme konikliği olarak adlandırılmaktadır ve şekil 2 de nedenleri ile birlikte gösterilmiştir [3,10]. Koniklik oluşumunun temel nedenleri ise şunlardır: Lülenin malzemeden uzaklığı; Lüle malzemeye ne kadar yakın olursa koniklik azalır. Malzeme sertliği; Daha sert malzemelerin işlenmesi sırasında daha az koniklik oluşturur. Kesim hızı. Hızlı işleme sırasında koniklik bir yönde oluşurken yavaş işleme sırasında koniklik diğer yönde oluşur. Jet odaklanması. Odaklanma arttıkça koniklik azalır. Kullanılan aşındırıcının kalitesi. Malzeme kalınlığı. Malzeme kalınlığı arttıkça koniklik artar. (a)-uygun kesme hızında (b)-çok kalın malzemelerde (c)-düşük kesme hızında (d)-yüksek kesme hızında Şekil 2. Kesme hızının ve parça kalınlığının konikliğe etkisi. Görüldüğü gibi normal kalınlıktaki parçalar için uygun çalışma parametreleri ayarlandığında koniklik sorunu tamamen ortadan kalkarken gereğinden fazla kalınlıktaki malzemelerde sorun olmaktadır. Örneğin maksimum 100 mm kalınlığa kadar yumuşak çelik koniklik yaratmadan kesilebilirken, (maksimum sınır) mm arasındaki artan kalınlıklarda şekil 2(b) de gösterilen koniklik oluşmaktadır. Sonuç olarak, parça kesme ve işleme kalınlıkları aşılmadığı ve kritik kesme parametreleri düzgün ayarlandığı sürece mükemmel kesmenin (şekil 2-(a)) kolaylıkla elde edilmesi mümkündür. Ayrıca kesilen yüzeylerin düzgünlüğü yüzeyde oluşan çizgi derinlikleri ile ölçülmekte olup 3800 bar lık çalışma basıncında bu çizgilerin en uygun çalışma parametreleri kullanılarak 50 mikron a kadar düşürülebildiği belirtilmiştir. Kesme yüzeyinin genellikle alt yüzeyinde oluşan en kötü izlerin derinliği ise yüksek kesme hızlarında 1 mm olarak verilmektedir [9].

11 SİSTEM ÇALIŞTIRMA MALİYETLERİ 11 Aşındırıcılı su jeti sisteminin çalıştırma maliyetleri lüle, karıştırma tüpü, aşındırıcı, kullanılan filtre edilmiş su ve elektrik giderleri, operatör, ve yedek parça maliyetleri tarafından belirlenir. Her ne kadar konvensiyonel tezgahlarda olduğu gibi sürekli aşınan ve bilenmesi gereken bir kesici gereksinmeleri yoksa da lüle ve karıştırma tüpü gibi aşınan ve belirli ömre sahip olan parçaları bulunmaktadır. Kullanılan lülelerin maliyetleri safir lüleler için 5 ile 50 dolar arasında değişmekte ve 200 saatin üzerinde kullanılabilmektedirler. Çok daha uzun ömre sahip olan elmas lülelerin fiyatı ise minimum 200 dolar dan başlamaktadır. Fiyatları 130 ile 200 dolar arasında değişen karıştırma tüplerinin ömürleri ise kullanılan aşındırıcı tipine ve debisine bağlı olarak 50 ile 100 saat arasında değişmektedir. Fakat aşınan tüplerin iç yüzeylerinin yeniden işlenerek daha kaba işleme gereksinmeleri için kullanıldıkları belirtilmektedir [3]. Aşındırıcılı sistemlerde çalıştırma maliyetini belirleyen diğer bir unsurda kullanılan aşındırıcıdır. Kullanılan aşındırıcı tipi ve debisine göre çalıştırma maliyetleri değişim göstermektedir. Aşındırıcı fiyatları, aşındırıcı türlerine ve boyutlarına bağlı olarak 0,33 $/kg ile 0,88 $/kg arasında değişir. Su jetine katılan aşındırıcı miktarının 50 Hp motor gücü için ortalama 680 gram/dakika olduğu göz önünde bulundurulursa, bu saatte ortalama 14 ile 36 $ arasında bir maliyete neden olur. Ancak aşındırıcılı su jeti kesme sistemlerinde kullanılan aşındırıcıların %50 ile %70 arasındaki oranlarda geri kazanımları mümkündür. Böylece imalat maliyetleri aynı oranda azalmaktadır [3,9]. Genel kullanıma uygun bir tezgah için ortalama bir saatlik çalıştırma maliyeti bir nozullu sistem için aşağıdaki şekilde verilmektedir [9]. Toplam $25 $30 operatormaliyeti maliyet / saat saat saat (1) Toplam maliyet konvensiyonel sistemlerden ilk bakışta daha yüksek görülmekle birlikte, aşındırıcılı su jeti kesme hızının çok yüksek olması nedeniyle birim zamanda daha fazla parça işlenebileceğinden maliyet düşecektir. Örneğin 4 eksenli CNC tezgahında 272 dolar olan işleme maliyetinin aşındırıcı su-jeti ile işlemede 110 dolara düştüğü belirtilmiştir. Diğer bir değişle 4 saat 10 dakika olan işleme zamanı 2 saat 5 dakikaya inmiştir [9]. SONUÇ Aşındırıcılı su seti sistemleri sahip oldukları üstünlükleri nedeniyle gelişmiş ülkelerde özel takım tezgahları pazarının en hızlı büyüme payına sahip olmakla birlikte ülkemizde tam

12 12 olarak bilinmemesi nedeniyle kullanıma geçilememiştir. Bu çalışmada, aşındırıcılı su jeti kesme sistemleri tanıtılıp, yakın rakipleri ile karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma da aşındırıcı jetli sistemlerin lazer, plazma ve oksijen ile kesme yapan sistemlere malzeme işleme çeşitliliği, ilk yatırım, yeniden işleme gereksinmesinin olmaması, kesme kalınlığı ve kalitesi yönünden kesin bir üstünlük sağladığı görülmüştür. Konvensiyonel freze tezgahlarına tam olarak üstünlük sağlamasalar bile sahip olduğu üstünlükleri nedeni ile kısa zaman içinde daha iyi bir konuma gelecekleri gösterilmiştir. Ayrıca, çok hassas imalat gereksinmeleri için kullanılan telli elektro-erozyon tezgahlarını olarak da kullanıma girdikleri görülmüştür. tamamlayıcı tezgahlar Aşındırıcılı sistemlerdeki kritik kesme parametrelerinin kesme hızı ve kesme kalitesine olan etkileri ayrıntılı olarak tablolar ile verilmiştir. Son olarak da aşındırıcılı sistemlerin çalıştırma maliyetleri yönünden de konvensiyonel tezgahlara üstünlük sağlayabildikleri gösterilmiştir. Kısaca, bu çalışma malzeme işleme teknolojisinde gelinen son noktayı ülkemiz imalatçı sektörüne göstermekte ve aşındırıcılı su jeti teknolojinin alternatiflerine olan üstünlüklerini ortaya koymaktadır. KAYNAKLAR [1] Geren, N., Bayramoğlu, M., Şahin, B., Baysal, M. M. ve Tunç, T., Su Jeti ile Kesme Sistemi Entegrasyonu ve Otomasyonu, ODTÜ, 8. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi, s: 619,628, [2] Frost and Sullivan Market research Company, World Special Machine tool markets: Research publications , F&S Market res. Comp., 4 Grosvenor Gardens London SW1W ODH, UK. June p.305. [3] Water jet organisation, [4] Tunç, T., Multi-Layer Intensifier Desin and Analysis of Design parameters, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi 2000, 219 sayfa. [5] Sana, T., Takahashi, M., Murakoshi, Y., Suto, S., ve Matsuno, K. Abrasive Waterjet Cutting of Amorphous Alloys. Journal of Materials Processing Technology, 32: , [6] Ramulu, M., ve Arola, D., Water Jet and Abrasive Water Jet Cutting of Unidirectional Graphite/Epoxy Composite. Composites, University of Washington, USA, Volume 24, No

13 13 [7] Miller, F. K., Waterjet Cutting: Technology and Industrial Applications, T.E.P., London, U.K., 154p. [8] McGeough J. A., Advanced Methods of Machining. London.Chapman and Hall 1998.p247 [9] Richel, 200 Northeast Ave. Tallmadge, Ohio [10] Hashish M. Steele D.E. and Bothell D. H., Machining with super- pressure (690 MPa) waterjets. Int. J. of Mach. Tools and Manufacturing. Vol. 37, No.4, pp