TALAŞ KALDIRMA TEORİSİ IML 313 İmal Usulleri II Talaşlı İmalat 1. Talaş kaldırma teknolojisine genel bakış 2. Metallerin talaşlı işlenmesinde talaş oluşumu 3. Kuvvetler ve Merchant dairesi 4. Talaş kaldırmada güç ve enerji ilişkisi 5. Isı paylaşımı ve sıcaklık Prof.Dr. Murat VURAL vuralmu@itu.edu.tr http://www.akademi.itu.edu.tr/vuralmu 1 2 Talaşlı İmalat Yöntemleri Şekillendirme yöntemlerinin ortak noktası, taslak parçadan malzeme kaldırarak, kalan parçanın istenen geometriye sahip olmasıdır. Talaş kaldırma keskin bir kesici takımla malzeme kaldırma, örn., tornalama, frezeleme, delme,.. Aşındırma yöntemleri sert aşındırıcı parçacıklarla malzeme kaldırma, örn., taşlama Geleneksel olmayan yöntemler malzeme kaldırmak için kesici takım dışında kalan değişik enerji biçimleri kullanma, 3 Malzeme uzaklaştırma yöntemleri Şekil 21-1. Malzeme kaldırma yöntemleri Geleneksel talaş kaldırma Aşındırma yöntemleri Geleneksel olmayan talaş kaldırma Tornalama ve ilgili işlemler Delme ve ilgili işlemler Frezeleme Diğer talaş kaldırma işlemleri Taşlama işlemleri Diğer aşındırma yöntemleri Mekanik enerji yöntemleri Elektrokimyasal işleme Isıl enerji yöntemleri Kimyasal işleme 4 1
Kesme işlemi, parça malzemesinin makaslama deformasyonu ile talaş oluşturmadır. Talaş uzaklaştığında, yeni yüzey ortaya çıkar İlk yüzey Makaslama düzlemi Talaş hareketi Talaş Kaldırma Kesici takım Talaş açısı Serbest yüzey Parça Takımın hareketi (Parçaya göre) Yeni yüzey Negatif talaş açısı Kesici takım Serbest açısı Talaşlı İmalat Neden Önemlidir? İşlenebilen parça malzemesinin çeşitliliği Çoğunlukla metalleri kesmek için kullanılır Parça şekillerinin ve özel geometrik formların çeşitliliği, Örneğin: Vida dişleri Hassas yuvarlak delikler Çok düz kenar ve yüzeyler İyi boyut hassasiyeti ve iyi yüzey kalitesi Takımın kesici ucu Kesici uç Şekil 21.2 (a) Talaş kaldırma işleminin kesit görünüşü, (b) negatif talaş açılı takım (pozitif talaş açısıyla karşılaştırınız). 5 6 Talaşlı İmalatın Dezavantajları Malzeme israfı vardır Talaşlı imalatta çıkan talaş, tek bir operasyonda bile yapılsa atık malzemedir Zaman alıcı Bir talaş kaldırma işlemi, belirli bir parça için döküm, toz metalurjisi veya PŞV gibi alternatif yöntemlere göre daha fazla zaman alır Talaş Kaldırmanın İmalat Sürecindeki Yeri Genellikle, döküm, dövme ve çubuk çekme gibi imalat yöntemlerinden sonra gerçekleştirilir Diğer yöntemler, başlangıç parçasının genel biçimini oluşturur Talaş kaldırma ile, diğer yöntemlerle oluşturulamayan, son şekil, boyut, yüzey kalitesi ve özel geometrik detaylar oluşturulabilir 7 8 2
Talaş Kaldırma Yöntemleri En önemli talaş kaldırma yöntemleri: Tornalama Delme Frezeleme Diğer talaş kaldırma yöntemleri: Planyalama ve Vargelleme Broşlama Testereyle kesme Taşlama Talaş kaldırma yöntemleri 9 10 Tornalama Tek ağızlı bir takım, silindirik bir şekil oluşturmak üzere dönen parçadan malzeme kaldırır Delme Genellikle iki kesici ağzı olan dönel bir takımla (matkap ucu) dairesel bir delik oluşturmakta kullanılır Parça Yeni yüzey Kesme hareketi (parça) İlerleme hareketi (takım) Matkap Kesme hareketi (takım) Kesici takım İlerleme hareketi (takım) Şekil 21.3 En yaygın talaşlı işleme yöntemleri: (a) tornalama, 11 Şekil 21.3 (b) delme, Parça 12 3
Freze bıçağı İlerleme hareketi (parça) Frezeleme Dönen çoklu kesici ağızlı (diş li) takım, düz bir yüzey kesmek üzere parça boyunca hareket eder 2 tiptir: çevresel frezeleme ve alın frezeleme Kesme hareketi Parça Yeni yüzey Freze bıçağı İlerleme hareketi (parça) Kesme hareketi Parça Yeni yüzey Kesici Takımların Sınıflandırılması 1. Tek ağızlı takımlar Bir ana kesici kenarlı Uç kısım (burun) genellikle radyüs verilerek yuvarlatılmıştır Tornalamada tek ağızlı takımlar kullanılır 2. Çoklu kesici ağızlı takımlar Birden fazla kesici kenar Parçaya göre izafi hareket dönme ile sağlanır Delme ve frezelemede, çoklu kesici kenarlı (ağızlı) takımlar kullanılır Şekil 21.3 (c) çevresel (yüzey) frezeleme, (d) alın frezeleme. 13 14 Kesici Takımlar Helisel freze çakısı Takım sapı Kesme kenarı (ağzı, dişi) Talaş yüzeyi Takım ucu (burun radyüsü) Kesme kenarı Serbest yüzey Dönme yönü Şekil 21.4 (a) Talaş yüzeyi, Serbest yüzeyi ve takım ucunu gösteren tek ağızlı takım; (b) çoklu kesici kenarları olan takımlara örnek olarak helisel bir freze çakısı. 15 16 4
Talaş Kaldırmada Kesme Parametreleri Talaş kaldırma işleminin üç parametresi: Kesme hızı v birincil hareket İlerleme f ikincil hareket Kesme derinliği d takımın ilk parça yüzeyinden içeriye nüfuz derinliği, paso derinliği Bazı talaşlı imalat işlemlerinde malzeme kaldırma hızı aşağıdaki gibi hesaplanabilir: R MR = v f d burada v = kesme hızı; f = ilerleme; d = kesme derinliği Tornalama İçin Kesme Parametreleri Kesme hızı, v Derinlik, d (paso derinliği) İlerleme, f 17 Şekil 21.5 Tornalamada kesme hızı, ilerleme ve derinlik. 18 Kaba İşleme ve İnce İşleme Kaba paso ve ince paso İmalatta genellikle parçayı çabuk bitirmek için birkaç kaba paso ve ardından yüzey kalitesi için bir veya iki ince paso kaldırılır Kaba paso Taslak parçadan büyük miktarda talaş kaldırılır Şekli istenen geometriye yaklaştırır, bitirme = finiş = ince paso için pay bırakılmalıdır Büyük ilerleme, büyük derinlik, düşük kesme hızı İnce paso parça geometrisini tamamlar Son boyutlar, toleranslar ve bitirme Düşük ilerleme ve düşük derinlik, yüksek kesme hızı 19 20 5
Takım Tezgahları Ortogonal (Dik) Kesme Modeli Taşlama dahil, talaş kaldırma işlemlerini gerçekleştiren, motor tahrikli makinalardır Talaş kaldırmadaki işlevleri: Parçayı ve takımı tutar Takımın parçaya göre konumunu ayarlar Ayarlanan ilerleme, kesme ve derinlik için gerekli gücü sağlar Bu ifade, metal şekillendirme işlemlerini yapan diğer makinalar için de uygulanabilir. talaş takım İş parçası Şekil 21.6 Ortogonal kesme 21 Ortogonal kesmede açılar Talaş Oluşumu Etkin Primer kayma bölgesi Sekonder kayma bölgesi Şekil 21.8 Talaş oluşumunun gerçeğe daha uygun görünüşü. Kayma düzlemi yerine kayma bölgesi gösterilmiştir. Ayrıca takım-talaş sürtünmesinden doğan sekonder kayma bölgesi de gösterilmiştir. 23 24 6
Talaş oluşumu C45E çeliğinde talaş oluşumu 25 26 Talaş Kaldırmada Dört Temel Talaş Türü Kırık Talaş 1. Kırık talaş 2. Sürekli talaş 3. Ağız birikintili (BUE=Built up Edge) sürekli talaş 4. Testere ağzı talaş Gevrek parça malzemeleri Düşük kesme hızları Büyük ilerleme ve büyük kesme derinliği Yüksek takım-talaş sürtünmesi Şekil 21.9 Metal kesmede talaş oluşumunun dört türü: (a) kesintili talaş Kırık talaş Talaşın kırılmasıyla yüzeyin bozulması 27 28 7
Sünek parça malzemeleri Yüksek kesme hızları Küçük ilerleme ve derinlikler Keskin takım Düşük takım-talaş sürtünmesi Sürekli Talaş Sürekli talaş İyi yüzey kalitesi Ağız birikintili (BUE*) Talaş Sünek malzemeler Düşük-orta kesme hızları Takım-talaş sürtünmesi, talaş parçacıklarının talaş yüzeyine yapışmasına ve birikmesine neden olur Ağız birikintisi belirli aralıklarla koparak işlenen yüzeye sıvanır Sürekli talaş Yeni yüzey üzerine sıvanan parçacıklar Şekil 21.9 (b) sürekli talaş 29 * ) BUE: Built-up Edge Şekil 21.9 (c) ağız birikintili sürekli talaş 30 Testere Ağzı Tipi Talaş Takım ve Talaşa Etkiyen Kuvvetler Yarı sürekli testere dişi görünümlü Yüksek kayma şekil değişimi ve düşük kayma şekil değişiminin ardışık oluştuğu çevrimsel talaş şekli Daha çok, talaş kaldırması zor metallerin yüksek hızlarda kesilmesi sırasında oluşur Yüksek kayma şekil değişimli bölge Düşük kayma şekil değişimli bölge Şekil 21.9 (d) testere ağzı talaş. Sürtünme kuvveti F, normal kuvvet N, Kayma kuvveti F s, dik kuvvet F n Şekil 21.10 Metal kesmede kuvvetler: (a) ortogonal kesmede takım ve talaşa etkiyen kuvvetler 31 32 8
Kesme Kuvvetleri Bileşke Kuvvetler F ve N nin vektörel toplamı = bileşke R F s ve F n in vektörel toplamı = bileşke R Şekil 21.10 Metal kesmede kuvvetler: (a) ölçülebilen takım üzerine etkiyen kuvvetler Talaş üzerine etkiyen kuvvetlerin dengede olması gerekir, yani R nün R ile aynı doğru üzerinde, eşit büyüklükte ve zıt yönlü olması gerekir Kesme kuvveti Sürtünme katsayısı 34 Sürtünme Katsayısı Kayma Gerilmesi Takım ile talaş arasındaki sürtünme katsayısı F N Sürtünme açısı ile sürtünme katsayısı ilişkisi tan Kayma Düzleminde etki eden Kayma Gerilmesi: Fs S A burada A s = kayma düzlemindeki Alan A s tow sin Kayma Gerilmesi = İş parçası malzemesinin kayma dayanımı s 9
Kesme Kuvveti - F, N, F s, ve F n doğrudan ölçülemez Ancak takıma etkiyen Kesme kuvveti F c ve itme kuvveti F t kuvvetleri ölçülebilir. F, N, F s, F n, F c ve F t arasındaki geometrik ilişkiyi gösteren kuvvet diyagramı Merchant diairesi 38 Kayma düzlemi açısının etkisi Takım açılarının kesme kalitesine etkisi Yüksek kayma düzlemi açısı, daha küçük kayma düzlemi, yani daha küçük kayma kuvveti, kesme kuvveti, güç ve sıcaklık demektir. Şekil 21.12 Kayma düzlemi açısı nin etkisi: (a) yüksek (daha küçük kayma alanı demektir); (b) daha küçük (daha büyük kayma alanı demektir). Talaş açısının (a) da daha büyük olduğuna dikkat ediniz 40 10
Tornalama ile ortogonal kesmenin benzeşimi Güç ve Enerji İlişkileri Talaşlı İmalat işleminin bir Enerji gereksinimi vardır İşlemeyle ilgili güç aşağıdaki gibi hesaplanır: P c = F c v P c = Kesme için gerekli güç F c = Kesme kuvveti v = Kesme hızı İlerleme f = kesmeden önceki talaş kalınlığı to Derinlik d = kesme genişliği w Kesme hızı v = Kesme hızı v Kesme kuvveti Fc = Kesme kuvveti Fc İlerleme kuvveti Ff = İtme kuvveti Ft 41 Güç ve Enerji İlişkisi Talaşlı imalatta gerekli kesme gücü hesabı: P c = F c v P c = kesme gücü (W, Watt) F c = kesme kuvveti (N, Newton) v = kesme hızı (m/s, metre/saniye) Güç ve Enerji İlişkileri Tezgahın ihtiyacı olan toplam güç ( P g / HP g ): P g Pc E veya HP g HPc E ABD de güç birimi olarak HP (Horse Power) = Beygir Gücü (BG), uzunluk için feet (ft), ağırlık için libre (lb) = pound kullanılır. E = tezgahın mekanik verimi, Genellikle E % 75-80 11
Talaşlı İmalatta Özgül Güç Talaşlı İmalatta Özgül Enerji Gücün, birim hacim talaş kaldırma için gereken güce dönüştürülmesinde kullanılır Özgül Güç: P u veya HP u Pc P U = R MR HPc HP u = R MR R MR = Talaş kaldırma hızı (mm3/s) Birim güç aynı zamanda özgül enerji U olarak da tanımlanabilir Pc U = P = R u = MR Fcv vt w Özgül enerji birimleri: Nm/mm 3 veya J/mm 3 (in-lb/in 3 ) o Sıcaklık Sıcaklık dağılımı - FEA Harcanan enerjinin yaklaşık % 98 i ısı enerjisine dönüşür Bu durum, takım-talaş arayüzeyinde sıcaklıkların çok artmasına yol açar Kalan yaklaşık %2 enerji talaşın elastik şekil değiştirmesine harcanır 48 12
Sıcaklığın Önemi Talaş-Takım ara yüzeyinde yüksek sıcaklık oluşumu 1. Takım ömrünü azaltır (sıcaklık arttıkça sertlik azaldığından takımın aşınması artar, ömür kısalır) 2. Sıcak talaş, operatör emniyeti açısından risk yaratır 3. İşleme sırasında parçada ısıl genleşmeden dolayı boyutlar arttığından fazla kesme olur, iş bitip parça soğuduğunda parça boyutları istenenden daha küçük olur, parça kalitesi olumsuz yönde etkilenir Sıcaklığın ölçümü 50 13