BİLİMSEL TABANLI SANAL İMALAT YÖNTEMLERİNİN ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARDAKİ ROLÜ L. Taner TUNÇ 1, Cengiz GÖZEDEN 2, Erhan BUDAK 3, Cenk AKIN 4 1 ttunc@sabanciuniv.edu Maksima İmalat AR-GE Ltd. Şti., Kocaeli 2 cgozeden@alp.com.tr ALP Havacılık A.Ş, Eskişehir 3 ebudak@sabanciuniv.edu Sabancı Üniversitesi, Müh. ve Doğa Bil. Fak., İstanbul 4 cakin@alp.com.tr ALP Havacılık A.Ş, Eskişehir ÖZET Kesme parametrelerinin ve kesme stratejilerinin belirlenmesi ilk yatırım ve operasyonel maliyeti yüksek olan imalat sektörünün verimliliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu amaca yönelik olarak çalışabilmek için kesme süreçlerinin önceden tahmin edilmesini sağlayan araçlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden Geometrik incelemeninin yanı sıra kesme mekaniğini ve dinamiğini de incelemeye fırsat verecek fiziksel modelleri temel alan sanal imalat yaklaşımları kullanılmalıdır. Bu makalede bilimsel yaklaşımlara dayalı sanal imalat yazılımlarının endüstriyel frezeleme süreçlerinde yüksek verimli koşulların belirlenmesindeki kullanımı ele alınmıştır. Frezeleme süreçleri için kesme parametresi seçimi fiziksel benzetimlerinden elde edilen sonuçlara gerçekleştirilmiştir ve sonuçlar deneyler ve uygulamalarla doğrulanmıştır. Aynı zamanda endüstriyel bir imalat parçası üzerinde kesme stratejilerinin geliştirilmesi ve karşılaştırılması gerçekleştirilmiştir. Anahtar Sözcükler: Sanal imalat, Süreç benzetimi, Süreç modelleme, 5 eksen frezeleme ABSTRACT Selection of cutting parameters and cutting strategies is important for high productivity in manufacturing industry, where the initial investment and operational costs are very high. For such a purpose, tools are required to predict the process before physical manufacturing. Therefore, scientific virtual manufacturing approaches considering the mechanics and dynamics of the process should be used beside geometrical verification models. In this study, use of virtual manufacturing software based on scientific approaches is demonstrated in determination of cutting conditions for increased productivity for industrial milling processes. Cutting parameters are selected based on process simulations, where the predictions are verified by experiments and applications. Moreover, development and comparison of cutting strategies are performed on an industrial part. Aynı zamanda endüstriyel bir imalat parçası üzerinde imalat stratejileri de karşılaştırılmıştır. Keywords: Virtual manufacturing, Process simulation, Process modeling, 5 axis milling 1 GİRİŞ Düşük imalat zamanlarıyla yüksek kalitede parçaların imalatı için özellikle süreç geliştirme aşamasında frezeleme süreçleri hakkında çok daha fazla öngörü sahibi olunması gerekmektedir. Hem endüstride hem de akademide gerçekleştirilen çalışmalarda süreç simulasyon yaklaşımlarının 90
imalat süreçlerinde performans arttırılması için deneme yanılma sayısını düşürmek amacıyla kullanılabilecek faydalı araçlar olduğu gösterilmiştir. Talaşlı imalat süreçlerinin doğrulanması amacıyla 2 benzetim yaklaşımı vardır. Bunlardan ilki kesici takım, iş parçası ve tezgah arasındaki muhtemel çarpışmaları engellemek amacıyla gerçekleştirilen geometrik benzetimdir. Bir diğeriyse kesici takım ve işparçası arasındaki talaş kaldırma mekaniği ve dinamiğini fiziksel olarak dikkate alan ve bilimsel tabanlı benzetim yaklaşımıdır. Endüstride kullanılan birçok CAD/CAM ve doğrulama yazılımı geometrik ve kinematik benzetim yapabilecek kapasitededir. Ancak talaş kaldırma mekaniğini ve dinamiğini dikkate alan bilimsel tabanlı benzetim yazılımları yönünden eksiklik hissedilmektedir. Talaşlı imalat süreçlerinde takımyolu boyunca takım pozisyonu ve işleme esnasındaki işparçası geometrisi değişmektedir. Bu yüzden süreç benzetimi yapılabilmesi için takım pozisyonu ve aynı zamanda anlık olarak değişen iş parçası geometrisinin de dikkate alınarak kesici takım ve işparçası arasındaki temas geometrisinin belirlenmesi gerekmektedir. Özellikle sürekli 5 eksen frezeleme gibi takım eksen vektörünün de iş parçasına göre değiştiği durumlarda süreç geometrisi daha da karmaşık hale gelmektedir. Metal kesme süreçlerinin benzetimine yönelik olarak literatürde analitik ve sayısal yöntemler mevcuttur. Ancak özellikle frezeleme süreçlerinin karmaşık geometrisi düşünüldüğünde analitik yöntemlerin uygulanabilirliği sınırlıdır. Öte yandan sayısal yöntemler çok daha farklı durumlara uygulanabilir ancak hesaplama zamanı ve hassasiyet arasında ters orantı vardır. Serbest yüzeylerin 3 eksen küresel frezeyle işlenmesi süreçlerinin benzetimi amacıyla Lazoglu ve Liang [1] takım işparçası arasındaki temas geometrisini analitik olarak hesaplayacak bir model önermişlerdir. Sunulan bu model çeşitli airfoil yüzeylerinin frezelenmesi testleriyle doğrulanmıştır. Daha önce yapılan çalışmalarda özellikle çok eksenli frezeleme süreçlerinin benzetimi için en yaygın ve güçlü sayısal yöntemler olarak Z-Map [2],[3] ve Octree yöntemleri geliştirilmiştir. Çok eksenli frezelemede kesme kuvvetlerinin benzetimi için geliştirilen analitik modeller de mevcuttur. Kesme kuvvetlerinin benzetimi için yapılan ilk çalışmalardan birinde Merchant [4] dik kesme mekaniğini ele almıştır. Daha sonra Budak vd. [5] tarafından dik kesme mekaniğinin frezeleme mekaniğine dönüştürülmesi yoluyla frezeleme süreçlerinde kesme kuvveti katsayılarının tahmini gerçekleştirilmiştir. Lee ve Altıntaş [6] helisel parmak frezeler için genel bir dinamik ve kesme kuvveti modeli sunmuşlardır. Öztürk ve Budak [7] yaptıkları çalışmada takım eksen vektörünün iş parçasına göre herhangi bir konumda bulunduğu durumu kapsayacak şekilde bir 5- eksen frezeleme kuvvet modeli geliştirmişlerdir. Bu çalışmada aynı zamanda takım esnemesi de tahmin edebilecek bir model de sunulmuştur. Konik küresel kesici takımlarla derin frezeleme süreçlerinin benzetimi için Ferry ve Altıntaş [8] yarı analitik bir model geliştirmiş ve endüstriyel parçalar üzerinde doğrulamışlardır. Kesme kuvvetlerinin benzetimi yanında süreç kararlılığının tahmini amacıyla gerçekleştirilen çeşitli çalışmalar da mevcuttur. Budak ve Altıntaş [9] Düz uçlu parmak frezeleme süreçleri için kararlılık limitinin hesaplanması amacıyla analitik bir model sunmuşlardır. Bu model daha sonra Budak ve Tunç [10] tarafından genişletilip, düşük kesme hızlarında kararlılığı arttırıcı etkisi bulunan süreç sönümleme etkisini de dikkate alacak bir modele dönüştürülmüştür. Ozturk ve Budak [11] 5 eksen frezelemede süreç kararlılığının tahmini için ilk analitik modeli sunmuşlardır ve çeşitli uygulamalarla doğrulamışlardır. Özellikle ince cidarlı işparçalarının hassas işlenmesinde süreç kararlılığına işparçası dinamiği de etki etmektedir. Bu etkinin modellenebilmesi için işparçasındaki değişimin anlık olarak takip edilmesi gerekmektedir. Budak vd. [12] sundukları modelde iş parçası dinamiğinin süreç kararlılığına olan etkisinin incelenmişlerdir. Bu çalışmada esnek işparçalarının frezelendiği süreçler için kararlı kesme koşullarının belirlenmesi amacıyla işparçası geometrisinin anlık olarak değişimini dikkate alınacak bir model sunulmuştur. Süreç modellerinin endüstriye uygulanabilmesi ancak sanal imalat yazılımlarının geliştirilmesiyle mümkün hale gelmektedir. Bu amaçla geliştirilen ticari yazılımların ilki tornalama, iç tornalama, frezeleme gibi süreçlerin mekaniği ve dinamiğini inceleme fırsatı sunan Cutpro [13] yazılımıdır. Ancak bu yazılım mevcut durumda çok eksenli frezeleme süreçleri için benzetim kabiliyeti 91
sunmamaktadır. Bunun yanında Broşlama süreçlerinin benzetimi için BOSS [14], 5 eksen frezeleme süreç mekaniği ve dinamiğinin benzetimi için BAMS [14], talaşlı imalat benzetim veri yönetim sistemi olarak da CDAMS [14] yazılımları geliştirilmiştir. Bu makalede talaşlı imalat mekaniği ve dinamiğini temel alan modellere dayalı ticari sanal imalat yazılımlarının endüstriyel uygulamalarda kullanımı ele alınmıştır. Daha önceki akademik çalışmalarda geliştirilen süreç mekaniği ve dinamiği modelleri havacılık endüstrisinde yaygınca üretilen yekpare kanatçıklı kompressör tipi parçaların imalatına yönelik olarak kesme stratejilerinin geliştirilmesi ve kesme parametrelerinin belirlenmesi aşamalarında bütünleşik olarak uygulanmıştır. Makalenin 2. bölümünde kesme stratejilerinin geliştirilmesindeki temel yaklaşım anlatılmıştır. Sonraki bölümlerde ise sırasıyla kesme parametrelerinin seçimi ve örnek benzetim sonuçları sunulmuştur. Uygulamalar sırasında karşılaşılan ilginç sorunlar ve bilimsel tabanlı çözüm yaklaşımları da tartışılıp sonuç bölümüyle makale tamamlanmıştır. 2 KESME STRATEJİLERİNİN BELİRLENMESİNDEKİ GENEL YAKLAŞIM Talaşlı imalatta genel olarak kaba, yarı kaba, yarı hassas ve hassas işleme olmak üzere dört farklı kesme aşamasından söz edilebilir. Her aşamanın amacı ve karşılaşılan kısıtlar farklı olduğundan bu dört aşama için de kesme parametresi seçimi ayrıca gerçekleştirilmelidir. Ancak genel kesme stratejisi düşünüldüğünde her aşamada uygulanan kesme yöntemi ve parametreleri bir sonraki aşamada kaldırılacak olan talaş miktarını etkilediğinden kesme aşamaları arasında birbirini etkileyen bir ilişki vardır. Genel kesme stratejisi ve her aşamada uygulanacak olan kesme yöntemi seçilirken bu ilişki dikkate alınmıştır. Ayrıca, entegre kompresörlerin geometrisi gereği pale üzerinde yapılan her bir işlem paleyi daha da ince ve esnek hale getirdiği için her işleme aşamasında palenin olabildiği kadar rijit tutulması hedeflenecek şekilde bir kesme yöntemi seçilmeye çalışılmıştır. Kaba kesme aşamasında kesici takım ve malzeme arasındaki temas süresi diğer aşamalara göre daha uzun olduğundan özellikle Titanyum alaşımları gibi malzemelerin işlenmesinde takım ucu aşınması daha hızlı meydana gelmektedir. Bu sebeple kaba aşama için düşük hızlı kesme yaklaşımı benimsenmiştir. Düşük kesme hızıyla azalan süreç verimliliğini karşılamak için yüksek kesme derinliği uygulanabilen flank milling yöntemi tercih edilmiştir. Örnek parça olarak seçilen pale yüzeyi geometri olarak Flank Milling yöntemine doğrudan uygun olmadığı için flank milling operasyonundan sonra parça üzerinde değişken stok miktarı kalmaktadır. Bu durum dikkate alındığında stok miktarını daha eşit dağılmış hale getirmek amacıyla yarı kaba aşamasında kesme derinliği düşürülerek yüzey profiline yaklaşılmak istenmiştir. Yarı hassas ve hassas işlemedeyse yüzey noktasal frezeleme yöntemiyle frezelenmiştir. İlgili süreçler ve parametre seçimi makalenin sonraki bölümünde anlatılmıştır. 3 STRATEJİLERİN AÇIKLANMASI VE PARAMETRE SEÇİMİ Gerçekleştirilen uygulamalarda kullanılan stratejilere ait detaylar ve parametre seçimiyle ilgili örnek benzetim sonuçları makalenin bu bölümünde sunulmuştur. Herhangi bir kesme stratejisinde kullanılan bir süreç için kesme hızı ve kesme derinliği, tırlama titreşimi, takımın malzeme içerisinde geçirdiği kesme zamanı dikkate alınarak seçilmelidir. Kararlı kesme koşulları, süreç dinamiği modeli kullanılarak elde edilen kararlılık diyagramları üzerinden belirlenmiştir. Kararlılık diyagramlarının hesaplanabilmesi için gerekli olan frekans tepki fonksiyonları (FTF) bilimsel sanal imalat yazılımı olan CUTPRO nun transfer fonksiyonu ölçüm modülü kullanılarak ölçülmüştür. Belirlenen kesme koşullarına göre CAM yazılımında hesaplanan takımyolunun gerçek kesme operasyonundan önce doğrulanması amacıyla da kesme kuvvetleri, iş milinde ihtiyaç duyulan kesme torku ve gücü de bilimsel tabanlı süreç benzetim yazılımı Machining Studio nun BAMS modülü kullanılarak yapılan süreç simülasyonlarıyla tahmin edilmiştir. 92
3.1 Frekans Tepki Fonksiyonu Ölçüm Örnekleri Kararlılık analizlerinde kullanılmak üzere kesici takımların ve hassas frezeleme aşamasından önce de işparçasının FTF ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümlerle ilgili düzenek ve kullanılan ekipmanlar Şekil 1 de de gösterilmiştir. Buna göre bir darbe çekici ile ilgili yapı titreştirilmiş ve karşılığında elde edilen titreşim ivmeölçer vasıtasıyla ölçülmüştür. Örnek kesici takımlara ait -x ve -y yönlerinde uç noktasında elde edilen FTF grafikleri Şekil 2 de gösterilmiştir. Bu grafiklere bakıldığında iki yönde de ölçülen FTF lerin neredeyse simetrik olduğu gözlemlenebilmektedir. Benzer kesici takım FTF ölçümleri kesme süreçlerinde kullanılan her takım için gerçekleştirilmiş ve kararlılık diyagramları elde edilmiştir. Şekil 1. Modal FTF ölçümü için kullanılan ekipmanlar Kesici takımların yanısıra hassas frezeleme aşamasından önce iş parçasının ilerleme (X) yönüne dik olan yanal yöndeki (Y) esnekliği dikkate alınmış ve pale geometrisinin en üst kesiti üzerinde 5 noktadan FTF ölçümü yapılmıştır. Bu yöndeki örnek ölçümler Şekil 2e de gösterilmiştir. Bu grafikten anlaşılacağı üzere hassas frezeleme öncesi işparçası, bu operasyonun yapılacağı kesici takıma (örn. Takım 26) göre yaklaşık 10 15 kat daha esnek hale gelmektedir. Buna göre, hassas frezeleme aşamasında işparçası dinamiğinin de dikkate alınması gerektiği açıkça görülmektedir. 3.2 Kararlılık Diyagramları Elde edilen FTFler ilgili sürecin şartlarına göre kararlılık diyagramlarının hesaplanmasında kullanılmıştır. Bu diyagramlara bakılarak kesme hızı ve kesme derinliği seçimi gerçekleştirilmiştir. Kaba, yarı kaba ve yarı hassas frezeleme aşamaları için sadece kesici takım, hassas işleme aşamasındaysa hem kesici takım hem de işparçası FTF leri dikkate alınmıştır. Her stratejide ortak olarak kullanılan flank milling ile kabalama süreci için kararlılık diyagramı Şekil 3a da verilmiştir. Bu diyagrama bakıldığında düşük kesme hızlarında süreç sönümleme etkisiyle kararlı kesme limitlerinin de arttığı görülmektedir. Bu operasyonda kesme derinliği pale boyuyla (yaklaşık 80 mm) aynı olduğu için bu derinliğe denk gelen kesme hızı seçilmelidir. Buna göre yaklaşık 900 rpm devirde 80 mm kararlı kesme derinliğine ulaşıldığı görülmektedir. Ancak hem takım ömrü hem de kararlılık yönünden olabilecek değiklikler de dikkate alınarak kesme hızı 700 rpm olarak seçilmiştir. Örnek bir yarı hassas frezeleme aşamasına ait kararlılık diyagramı Şekil 3b de gösterilmiştir. Bu aşamada da kesme hızı ve derinliği bu kararlılık diyagramındaki değerler dikkate alınarak seçilmiştir. Hassas işleme öncesindeki aşamalarda kesici takım iş parçasına göre daha esnektir ancak Hassas işlemede özellikle palenin üst kısımları kesici takıma göre daha esnek durumdadır ve süreç boyunca iş parçası dinamiği değişmektedir. En esnek noktaların palenin en üst tarafında olduğu varsayımıyla hassas işleme öncesi palenin en üst bölümünde 5 nokta üzerinde FTF ölçümü yapılmıştır ve hassas işleme için elde edilen kararlılık diyagramında hem kesici takım hem de işparçasına ait FTF kullanılmıştır. Sadece takım FTF inin dikkate alındığı ve hem takım hem de işparçası FTF i dikkate alınarak hesaplanan kararlılık diyagramları Şekil 3c de karşılaştırılmıştır. Görülebileceği üzere 93
işparçası dinamiği kararlı kesme derinliklerini sadece kesici takım ile elde edilen değerlere göre oldukça fazla düşürmektedir. (a) Takım 1 (b) Takım 22 (c) Takım 25 (d) Takım 26 (e) Hassas frezeleme öncesi iş parçası Şekil 2. Uygulamalarda kullanılan takımların ölçülen FTF grafiklerinden örnekler 94
(a) Derin kabalama (flank milling) aşaması (a) Yarı hassas frezeleme aşaması (c) Hassas frezeleme aşaması Şekil 3. Kararlılık diyagramları Elde edilen kararlılık diyagramlarının kullanımıyla ilgili örnek olarak belirlenen stratejilerden birine ait hassas işleme aşamasındaki uygulamayı gösterebiliriz. Takım 22 (8 mm çapında) ve Takım 26 (12.7 mm çapında) geometri ve tasarım olarak hassas işleme takımlarıdır ve dikkat edilirse FTF büyüklükleri arasında yaklaşık 6 kat fark vardır. Takım FTF indeki farklılığın süreç kararlılığına etkisini de gösterebilmek amacıyla hassas işleme aşaması iki farklı palede hem Takım 22 hem de Takım 26 ile gerçekleştirilmiştir. Bu iki takıma ait kararlılık diyagramları karşılaştırıldığında kararlılık limitleri arasında yaklaşık olarak 5 kat fark olduğu görülmektedir. 8 mm çapındaki Takım 22 ile yüzeyde 2 mikron altında scallop yüksekliği bırakabilmek için yaklaşık olarak 0.3 mm derinlikle noktasal tarama yapılmalıdır. Takım 22 için elde edilen kararlılık diyagramının mutlak kararlı kesme derinliği 0.15 mm ve 4000 rpm e kadar olan bölgede elde edilebilen en yüksek kararlı kesme limiti derinliği 3700 rpm etrafında ve 0.4mm nin altındadır ki bu değer kullanılacak olan kesme derinliğine çok yakındır. Bu sonuçlara bakılacak olursa süreç sırasında pale yüzeyi boyunca takımdan kaynaklanan tırlama titreşimi olması beklenmektedir. 12.7 mm çapındaki Takım 26 ile 2 mikron altında scallop yüksekliğine ulaşabilmek için yaklaşık olarak 0.4 mm derinlikle noktasal yüzey tarama operasyonuna ihtiyaç duyulmaktadır. Takım 26 için elde edilen kararlılık diyagramlarından görüleceği üzere mutlak kararlı kesme derinliği yaklaşık 1 mm ye kadar izin vermektedir, bu durumdaysa takımdan kaynaklı bir tırlama titreşiminin olması beklenmemektedir. Takım 22 ve Takım 26 ile elde edilen pale yüzeyleri Şekil 4 te gösterilmiştir. Bu palelerden A ile gösterilen Takım 22, B ile gösterilen pale Takım 26 kullanılarak işlenmiştir. Yüzeyde bırakılan izlere yakından bakıldığında yukarıda verilen kararlılık diyagramlarından beklenildiği üzere Takım 22 ye bağlı tırlama titreşimi meydana gelirken Takım 26 kaynaklı herhangi bir tırlama titreşimi görülmemektedir. Ancak yüzeyin çok kısıtlı ve az bir bölgesinde işparçası kaynaklı tırlama titreşimi meydana gelmiştir. Bu duruma ait kararlı kesme limitleri de işparçası dinamiğinin de dikkate katıldığı kararlılık diyagramında görülebilmektedir. 95
Şekil 4. Takım 22 ve Takım 26 ile yapılan hassas işleme ile elde edilen yüzeyler 3.3 Belirlenen Kesme Stratejileri İlgili stratejilere ait her operasyon için önceki bölümde kesme parametrelerinin seçimiyle ilgili verilen örneklere uygun şekilde analizler yapılmıştır. Ele alınan her strateji için süreç planı ve uygulama sırasındaki pratik durumlar açıklanmıştır. İşleme zamanları da birim zaman cinsinden bu bölümün sonunda karşılaştırılmıştır. 3.3.1 Strateji 1 İlk stratejide iki pale arasındaki kaba talaş hacmi opening cut ismi verilen flank milling pasosuyla tek bir kesme adımında kaldırılmıştır. Daha sonra palenin 2 tarafına, ön ve arka kenarlarına flank milling yöntemiyle yarı kaba pasoları uygulanarak kaba aşamadan kalan fazla talaş miktarı da kesilerek pale geometrisine yaklaşılmaya çalışılmıştır. Benzer şekilde Pale nin 2 tarafına yarı hassas işleme uygulanmış ve son olarak da pale yüzeyi hassas işleme ile elde edilmiştir. Bu operasyonların listesi ve kesme parametreleri Tablo 1 de listelenmiştir. İlgili operasyonların örnek takımyolları da Şekil 5 te gösterilmiştir. Tablo 1. Strateji 1 e ait operasyonlar İşleme Aşaması Açıklama Yöntem Takım Rough Opening Cut Flank T1 Semi Rough Side A Flank T2 Semi Rough Side B Flank T3 Semi Rough Trailing Edge Point T2 Semi Rough Leading Edge Point T3 Semi Finish Side A Flank T2 Semi Finish Side B Flank T3 Finish Finish Point T26 Strateji 1 in uygulandığı iş parçasının işleme sırasındaki geometrisi ve son hale getirilen pale yüzeyi Şekil 6 da gösterilmiştir. 96
(a) Kaba aşama (b) Yarı hassas aşama (c) Hassas frezeleme Şekil 5. Strateji 1 e ait takım yolları (a) Kabalama aşaması sonrası (b) Yarı hassas işleme sonrası (c) Hassas işleme sonrası Şekil 6. Strateji 1 e ait parça fotoğrafları Strateji 1 genel olarak değerlendirildiğinde şu sonuçlara varılabilir; kabalama aşamasından sonra pale yüzeylerine flank milling yöntemiyle yarı kaba ve yarı hassas işleme uygulandığından hassas işleme için pale yüzeyinde düzensiz stock miktarı kalmıştır. Bu da hassas işleme sırasında takımın karşılaştığı talaş miktarını ciddi anlamda etkilemiştir ve bu değişiklik hassas işleme sonrası pale yüzeyine yansımıştır. 3.3.2 Strateji 2 Strateji 1 de flank milling yöntemi uygulanması sonucu yüzeyde kalan düzensiz stok miktarının engellenmesi amacıyla Strateji 2 de özellikle yarı hassas işlemde noktasal frezeleme yöntemi benimsenmiştir. Yarı kaba operasyonundaysa paso sayısı arttırılarak yarı hassas işleme aşamasına bırakılan stock miktarı dengelenmeye çalışılmıştır. Bunun öncesindeki kabalama operasyonu ve son hassas işleme operasyonu kesme yöntemi bakımından Strateji 1 ile aynı şekilde korunmuştur. Strateji 2 nin uygulanması sırasında tezgah tarafındaki doğrusal ilerleme sınırıyla ilgili sorun çözülemediğinden doğrusal ilerleme değerini 30 inch/min değerinin altında tutabilmek amacıyla düşük kesme hızı uygulanmıştır. Strateji 1 de 60 inch/min olarak hesaplanan doğrusal ilerleme hızının 30 inch/min civarlarına düşürülerek tezgahın doğrusal ilerleme anlamında istenen hızda hareket etmesi sağlanmak istenmiştir. Strateji 2 ile ilgili operasyon listesi, kesme parametreleri ve işleme zamanları Tablo 2 te listelenmiştir. 97
Tablo 2. Strateji 2 ye ait operasyonlar İşleme Aşaması Yöntem Takım Opening Cut Flank Tool 1 SR-BR-Pocket Stripe Tool 2 SF-AB-Around Point Tool 25 Finish Point Tool 26 3.3.3 Strateji 3 Strateji 3 ün uygulanmasındaki amaç yarı kaba ve yarı hassas işlemeyi pale geometrisi boyunca 2 seviyeye bölerek bu kesme aşamalarında işparçasından kaynaklanan az miktardaki tırlama sorunu çözmektir. Ayrıca, hassas işleme aşamasında takım geometrisi de değiştirilmiştir ve dip radyüse uygun olacak şekilde 5 mm çapına sahip konik takım kullanılmıştır. Bu stratejiye ait kesme parametreleri ve takımyolu süreleri Tablo 3 te verilmiştir. Bu uygulama sonucu yarı kaba ve yarı hassas işleme 2 seviyede yapıldığında tırlama olmaksızın bu aşamaların gerçekleştirildiği görülmüştür. Ancak takım çapı azaldığı için kesici takım çok daha esnek hale gelmiştir. Bu durumda tırlama yönünden esneklik hem kesici takımdan hem de iş parçasından kaynaklanır haldedir. Hassas işleme aşaması için elde edilen kararlılık diyagramlarında en yüksek kararlı kesme derinliği 0.2 mm civarında elde edilmiştir ki bu değer uygulanmak istenen pratik kesme derinliğinin aşağısında kalmıştır. Sonuç olarak hassas işleme aşamasında kesici takımdan ve işparçasından kaynaklı tırlama titreşimi gözlemlenmiştir. Tablo 3. Strateji 3 e ait operasyonlar İşleme Aşaması Yöntem Takım Opening Cut Flank Tool 1 Semi Rgh-Pocket Lev 1 Stripe Tool 2 Semi Fin-AB- Around Lev 1 Point Tool 25 Semi Rgh-Side A Lev 2 Point Tool 2 Semi Rgh-Side B Lev 2 Point Tool 3 Semi Fin-AB- Around Lev 2 Point Tool 25 Finish Whole Blade Point Tool 21 3.3.4 Strateji 4 Strateji 3 un hassas isleme asamasinda karsilasilan tirlama sorununu gidermek amaciyla yari hassas ve hassas islemenin birlestirildigi bir isleme stratejisi geliştirilmiştir. Bunun icin NREC yazılımının Step Finish seçeneği kullanılmıştır. Yarı hassas ve hassas işleme için gerekli takım yolları aynı kesici takım kullanılarak hesaplanmış ve bu takımyolları NREC te otomatik olarak birleştirilmiştir. Bu stratejiye göre 1 yarı hassas işleme pasosu için 5 hassas işleme pasosu kullanılmıştır. Ancak bu yöntemde de yine kesici takımdan kaynaklanan tırlama ve işparçası üzerinde yarı hassas işleme aşamasından kalma izler gözlemlenmiştir. Çalışmanın gelecek aşamalarında karşılaşılan bu sorunların giderilmesi için de çözüm yolları aranacaktır. 98
Tablo 4. Strateji 4 e ait operasyonlar İşleme Aşaması Yöntem Takım Opening Cut Flank Tool 1 Semi Rgh-Pocket Lev 1 Stripe Tool 2 Semi Rgh-Side A Lev 2 Point Tool 25 Semi Rgh-Side B Lev 2 Point Tool 25 Comb. Semi Fin & Fin Com Point Tool 26 3.3.5 Strateji 5 Strateji 5, kesme yaklaşımı olarak Strateji 3 e oldukça yakındır tek farkı hassas işleme aşamasında 12.7 mm çapında kesici takım kullanılmıştır ve hassas işleme için pale yüzeyinde bırakılan stok miktarı değiştirilmiştir. Tablo 5. Strateji 5 e ait operasyonlar. İşleme Aşaması Yöntem Takım Opening Cut Flank Tool1 Semi Rgh-Pocket Lev 1 Stripe Tool 2 Semi Fin-AB- Around Lev 1 Point Tool25 Semi Rgh-Side A Lev 2 Point Tool 3 Semi Rgh-Side B Lev 2 Point Tool 3 Semi Fin-AB- Around Lev 2 Point Tool 25 Finish Whole Blade Point Tool 26 3.3.6 Strateji 6 Strateji 6 da kesme yaklaşımı olarak kaba ve yarı kaba aşamasının flank milling yöntemiyle, yarı hassas ve hassas işleme aşamalarının point milling yöntemiyle yapılması benimsenmiştir. Buna göre Flank milling ile iki pale arasındaki kabalama yapıldıktan sonra palenin A ve B tarafları 2 seviyede yine flank milling ile yarı kaba olarak işlenmektedir. Pale etrafından yarı hassas frezeleme yapıldıktan sonra hassas frezeleme ile pale elde edilmektedir. Tablo 6. Strateji 6 ya ait operasyonlar. İşleme Aşaması Yöntem Takım Opening Cut Flank Tool 1 Semi Rough Side A Lev 1 Flank Tool 2 Semi Rough Side B Lev 1 Flank Tool 3 Semi Rough Side A Lev 2 Flank Tool 2 Semi Rough Side B Lev 2 Flank Tool 3 Semi Fin- Pale Etrafından Point Tool 25 Finish Bütün Pale Point Tool 26 99
Uygulanan kesme stratejilerinin zaman bakımından karşılaştırılması Şekil 7 da verilmiştir. Buna göre Strateji 1, Strateji 5 ve Strateji 6 diğerlerine göre daha avantajlı görünmektedir. Ancak stratejilerin karşılaştırılması yüzey kalitesi ve boyutsal doğruluk açısından da yapılmalıdır. 100 80 60 40 20 0 Stratejilerin Karşılaştırılması Strateji 1 Strateji 2 Strateji 3 Strateji 4 Strateji 5 Strateji 6 Birim Zaman (%) Şekil 7: Kesme stratejilerinin birim zaman yönünden karşılaştırılması. 3.4 Takım Yolu Boyunca Kesme Kuvveti Benzetimleri Uygulanan stratejilere ait kesme operasyonlarının kesme kuvveti vb. kesme mekaniği yönünden incelenmesi amacıyla gerçekleştirilen kesme kuvveti benzetimleri bu bölümde anlatılmıştır. Bu yönden bazı örnek operasyonlar için gerçekleştirilen kesme kuvveti benzetimleri sunulmuştur. 3.4.1 Kabalama aşaması için kuvvet benzetimi Bu aşamada kesme derinliği pale boyuna yakın olduğu için süreç sırasında meydana gelecek kesme kuvveti, gerekli kesme torku ve kesme gücünün bilinmesi çok önemlidir. (a) Kesme kuvveti 100
(b) Kesme gücü (c) Kesme torku Şekil 8: Kabalama operasyonu için tahmin edilen kesme kuvveti, torku ve gücü. 3.4.2 Yarı kabalama aşaması için benzetim sonuçları Kabalama aşamasından sonra pale yüzeyinde kalan talaş miktarı yarı kabalama aşamasıyla kesilerek pale yüzeyine biraz daha yaklaşılmaktadır. Bu aşamada yüzeyden kaldırılan talaş miktarı takımyolu boyunca değişiklik gösterdiğinden takım da değişken kesme kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Bu açıdan bu süreç için de kesme kuvveti benzetimi önem taşımaktadır. Bu bölümde bununla ilgili örnek benzetim sonuçları sunulmuştur. (a) Palenin A tarafı için yarı kaba 101
(a) Palenin B tarafı için yarı kaba Şekil 9: Uygulanan bir yarı kabalama operasyonu için benzetim sonuçları 4. UYGULAMALAR SÜRESINCE KARŞILAŞILAN SORUNLAR VE ÇÖZÜMLERI Uygulamalar sırasında parametre seçimi ve NC programlama etrafında bazı pratik sorunlarla karşılaşılmıştır. Bunlardan ilki 2.stratejide kullanılan yarı kabalama operasyonunun son pasosunda takım ucunda meydana gelen kırılmadır. Diğeriyse özellikle hassas işleme gibi yüksek doğrusal ilerleme hızlarına ulaşılmak istenen süreçlerde tezgahın bunu karşılayamamasıdır. Bu bölümde bu iki problem tartışılmıştır. 4.1 Delme etkisi sonucu takım kırılması Bu durum ile ilgili CAM programı NREC ve tezgah simülasyon programı Vericut ta yapılan geometrik simülasyonlarda herhangi bir uyarıyla karşılaşılmamasına rağmen BAMS te gerçekleştirilen kesme kuvveti simülasyonunda özellikle son 2 pasoda ve hatta takımın kırıldığı noktada takım eksenine dik gelen kuvvetin 4-5 katına çıktığı gözlemlenmiştir. Bu problem takım eksen vektörlerinin bu bölgelerde malzemeye delme etkisi yaratmayacak şekilde ayarlanmasına odaklanarak ve tezgah tarafında kesim yapmadan önce BAMS üzerinde kesme mekaniği simülasyonlarının yardımlarıyla çözülmüştür. (a) BAMS simülasyonu, kesme kuvvetleri 102
(b) Eksenel kuvvetinin 5 katına çıktığı takımyolu noktası (c) Kırılan takım ucu Şekil 10. Takım eksen vektörlerindeki delme etkisi sebebiyle takım kırılması problemi 4.2 Hassas frezeleme için imal edilen takımlara yönelik problemler Özellikle esnek parçaların hassas işlemesi sırasında kullanılan kesici takımların kesici kenarların geometrik durumları düzgün talaş kaldırabilmeleri açısından çok önemlidir. Hassas işleme aşamasında kullanılan bazı takımlarda bu yönde çeşitli problemlerle karşılaşılmıştır. Kesici takım işparçasıyla temas ettiiğinde yüzeyden düzgün olarak talaş çıkaramadığı durumda işparçası olması gerekenden daha fazla kuvvete maruz kalmaktadır. Hassas işleme aşamasında iş parçasının da esnek bir durumda olduğu düşünüldüğünde bu kuvvet altında iş parçası kesici takımdan uzaklaşacak şekilde esnemektedir. Yeteri kadar esneme gerçekleştikten sonra işparçası geri yaylanma ile takıma çarpmaktadır. Bu sorun yüzünden işlenen yüzeylerde tırlama izlerine benzer izler görülmüştür. Ancak bu durum tırlama gibi bir süreç dinamiği problemi değildir. Bu durumla ilgili karşılaştırmalı örnek fotoğraflar Şekil 11 de verilmiştir. (a) Standard kesici takım. (b) Kesici kenar geometrisi sorunlu Şekil 11: Hassas işleme aşamasında kesici kenarın etkisi. Bu iki örneğe ait ve kesme sırasında elde edilen sesin frekans grafikleri de Şekil 12 de verilmiştir. Kesme sırasında kaydedilen seslere ait frekans dağılımı incelendiğinde durumun tırlama titreşimi olmadığı anlaşılabilmektedir. Öyle ki tırlama titreşiminde diş geçiş frekansıyla birlikte tırlama frekansı civarında da baskın bir frekans büyüklüğü görülür. Ancak 22.paleye ait Şekil 12 de verilen kesme sesinin frekans analizinde diş geçme frekansı ve onun katları artan büyüklükler halinde gözlemlenmektedir. 103
(a) Düzgün talaş kaldırmanın gerçekleştiği kaydedilen ses ve ilgili frekans dağılımı (b) Takımın düzgün kesemediği durumda kaydedilen ses ve ilgili frekans dağılımı Şekil 12. Hassas işleme sırasında kaydedilen kesme sesinin frekans analizi 5. SONUÇ VE TARTIŞMA Ti6Al4V malzemesinden yapılmış yekpare kanatçıklı kompresör parçası üzerinde gerçekleştirilen başlanan çalışmalar değerlendirildiğinde aşağıdaki sonuçlara varılabilir. 104
- Yarı kabalama sırasında takım eksenlerinin özellikle pale dibine doğru delme etkisi yapması sonucu takım kırılması problemi Machining Studio yazılımının BAMS modülünde yapılan kesme kuvveti benzetimleriyle çözülmüştür. - Yarı kabalama ve yarı hassas işleme süreçlerinde 2 seviyeli yaklaşımın benimsenmesi bu aşamalarda işparçasından kaynaklanabilecek tırlama problemini çözmektedir. - Hassas işleme aşamasında işparçasının çok esnek bir hale gelmesi sebebiyle işparçası üzerinde tırlama problemiyle karşılaşılabilmektedir. Bu problemin çözümüne yönelik olarak iş parçası yapısı da dikkate alınmalıdır. Buradaki en önemli parametre olarak yarı hassas işlemeden hassas işleme aşamasına geçerken işparçası üzerinde bırakılan stok miktarıdır. Bu yüzden işparçası üzerinde hassas işlemede kesilecek olan stok miktarının seçimi büyük önem taşımaktadır. 6. TEŞEKKÜR Bu çalışmanın gerçekleşmesinde 3100176 kodlu araştırma projesi kapsamında desteklerinden ötürü TÜBİTAK a teşekkür ederiz. 7. KAYNAKÇA [1] LAZOGLU I., LIANG, S. Y., Modelling of ball-end milling forces with cutter inclination, Journal of Manufacturing Science and Enginnering, Vol.122., pp.3-11, (1996). [2] KIM, G. M., KO, S. L., Improvement of cutting simulation using Octree method, Int. Journal of Advance Manufacturing Technology, Vol.28, pp.1152-1160, (2005). [3] MAENG, S. R., BAEK, N., SHIN, S.Y., CHOI, B. K., A Z-map update method for linear moving tools, Computer-Aided Design, Vol. 35, pp.995-1009, (2003). [4] MERCHANT, E., Mechanics of the Metal Cutting Process I. Orthogonal Cutting and a Type 2 Chip, Journal of Applied Physics, 16/5, 267-275, (1945) [5] BUDAK, E., ALTİNTAS, Y., and ARMAREGO, E.J.A., Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data, Trans. ASME J. of Man. Sci. and Eng., 118, 216-224, (1996) [6] LEE, P. and ALTİNTAS, Y., A General Mechanics and Dynamics Model for Helical End Mills, Annals of the CIRP, Vol.45, pp. 59-64, (1996). [7] OZTURK, E., BUDAK E., Modeling of 5-axis milling processes, Machine Science and Technology, Vol. 11/3, pp. 287-311, (2007). [8] FERRY, W. B., ALTİNTAS, Y., Virtual five-axis flank milling of jet engine impellers part I-II, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.130, (2008). [9] BUDAK, E., and ALTİNTAS, Y., Analytical Prediction of Chatter Stability in Milling-Part I: General Formulation, Part II: Application to Common Milling Systems, ASME J. Dyn. Sys. Meas. Control, 120:22 36, (1998). [10] BUDAK, E., TUNC, L.T., A New Method for Identification and Modeling of Process Damping in Machining, Trans. of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 131/051019:1-10, (2009). 105
[11] OZTURK, E. and BUDAK, E., Modeling Dynamics and Stability of 5-Axis Ball-end Milling Using Single and Multi Frequency Solutions, Trans. ASME Journal of Manufacturing Science and Technology, Vol. 132, 021003, (2010). [12] BUDAK E., TUNC L.T., ALAN S., ÖZGÜVEN H.N., Prediction of Workpiece Dynamics and its Effects on Chatter Stability in Milling, CIRP Annals Manufacturing Technology http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.144, (2012). [13] Manufacturing Automation Laboratories Inc., www.malinc.com [14] Maxima Manufacturing R&D Ltd., www.maxima.com.tr 106