MASA ÜSTÜ 4 EKSEN CNC İLE STROFOR VE AHŞAP HELİSEL KONİK DİŞLİ İŞLEME VE KESME PARAMETRELERİ Neslin HASAR 1, Ali İbrahim TOKAT 2, Kerim ÇETİNKAYA 3 1 neslin523@hotmail.com K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük 2 ali.ibrahimtokat@hotmail.com K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük 3 kcetinkaya@karabuk.edu.tr K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük ÖZET Bu çalışmada tasarımı ve imalatı Karabük Üniversitesi tez çalışması olarak tamamlanmış masaüstü 4 eksen bir CNC de ahşap ve strofor malzeme kullanılarak, CAD programı ile modellenmesi oluşturulmuş ve CAM programında takım yolları oluşturulmuş helisel konik dişli işleme çalışması yapılmıştır. Tezgahın 4. Ekseninde (dönel eksen) hareket aktarımı ½ olan triger kayış kasnak çifti kullanılarak oluşturulmuş bu eksende, helisel konik dişli işleme uygulaması yapılmıştır. Strofor ve ahşap malzemeler, tasarımı yapılan dişliler için uygun boyutlarda tezgahın 4. Ekseninde öncelikle tornalarak işlemeye hazır hale getirilerek, mach 3 arayüz programı ile tezgaha aktarılarak helisel konik dişli işleme uygulaması tamamlanmıştır. Dişlilerin yüzey pürüzlülüğü üzerinde en etkili parametrelerin ise 4.eksen ayna dönme miktarı, iş mili devri ve kesme hızı olduğu tespit edilmiştir. Anahtar Sözcükler: Helisel Konik Dişli, 4 Eksen CNC, Strofor ve Ahşap ABSTRACT Thesis of this study was completed as the design and manufacture desktop Karabük University is a four-axis CNC-using wood and strophor materials, CAD and CAM software program created with the modeling of helical-bevel gear machining operation, tool paths are generated. The counter, the fourth axis (rotary axis) motion transmission timing belt pulley pair is created by using ½ the axis, helical-bevel gear machining is performed. Expandable Polystyrene and wood materials, the design of suitable dimensions for the machine's gears turning machines ready to commit, first by making the fourth axis, helical-bevel gear is transferred to the counter with mach 3 processing application program interface has been completed. The most effective parameters on surface roughness of the gears in the amount of the fourth axis of rotation, the spindle speed and cutting speed were determined. Keywords: Helical-bevel gear, 4 Axis CNC, Expandable Polystyrene and Wood 1.GİRİŞ Bir tasarımın oluşturulması ve geliştirilmesi süreçlerinde bilgisayar desteği kullanılması CAD (Computer Aided Design), tezgah kontrolü, işlem (süreç) planlama, malzeme akışı, montaj, kalite kontrol gibi üretim işlemlerinde kullanılan bilgisayar desteği ise CAM olarak adlandırılır. CAD ve 299
CAM, bir CIM, sistemi içerisinde entegre edilmesi gereken en önemli iki unsurdur. Bu iki unsur, genellikle Bilgisayar Destekli İşlem Planlama (CAPP) olarak bilinen sistemler ile birleştirilebilmektedir. Bir ham mamulün ürün haline dönüştürülmesi için gerekli tüm işlem, metot ve parametrelerin belirlenmesini içeren CAPP, CAD ile CAM arasında bir köprü işlevini görmektedir [1].CNC sistem yazılımı, başlıca üç yazılım programını içermektedir. Bunlar; parça programlama, servis programlama ve kontrol programlamadır. Parça programlama, imal edilecek parça geometrisinin tanımlanması ile birlikte, ilerleme hızı, kesme hızı ve talaş derinliği gibi kesme parametrelerinin seçimini içerir. Servis programı, tezgah çalıştırma, parça programı denetleme ve düzeltme gibi fonksiyonları yürütür. Kontrol programı ise, parça programını girdi kabul eder ve tezgahın hareketlerini sağlayan eksen sürücülere sinyal üretir [2]. Suh Vd., tarafından yapılan çalışmalarda, konik helis dişlilerin imalatlarının döner tablaya sahip bir CNC freze tezgahında nasıl yapılabileceği gösterilmiştir. İmalat işlemleri için; konik helisel dişlilerin geometrik modellemesi, NC de işlemek için öncelikle planlama ve takım yolu çıkarmak gibi üç aşamalı bir sistem geliştirmişlerdir [3]. Sevil ve Çetinkaya, yaptığı bir çalışmada masaüstü dört eksen CNC freze imal edilmiş olup, tezgah ölçüsü 670x910x660, tezgah kurs boyu 300x350x130 mm dir. Dönel eksen(a) ya Ø40x300mm ye kadar parça bağlanabilmektedir. CNC tezgahında silindirik parça üzerine desen işleme, T kanalı açma, kama kanalı açma gibi örnek çalışmalar yapmışlardır [4]. Zaitsev tarafından yapılan çalışmalarda, dişli çark imalatı için kullanılan kesicilerin; kesici ağız ve geometrik şekillerine bağlı olan kesme parametrelerinin diş yüzeyleri üzerindeki etkileri incelenmiştir [5]. Bu çalışmada ise işleme malzemesi olarak ahşap ve strofor seçilerek helisel konik dişli işleme yapılmıştır. Helisel konik dişlinin modellenmesi öncelikle CAD programında yapılmış olup, CAM programında ise takım yolu çıkartılmıştır. Mach 3 arayüz programı ile G kodları entegre sürücü kartlarına iletilerek masaüstü 4 eksen CNC de helisel konik dişli işlenmiştir. 2. MALZEME VE METOT Bu çalışmada tasarımı ve imalatı Karabük Üniversitesi tez çalışması olarak tamamlanmış masaüstü 4 eksen bir CNC de ahşap ve strofor malzeme kullanılarak, CAD programı ile modellenen ve CAM programında takım yolları oluşturulmuş helisel konik dişli işleme çalışması yapılmıştır. Yatay olarak tasarlanan 4. Eksen, helisel konik dişli işlemek için yatay olarak konumlandırılmıştır. Bunun için ise 4. Eksen tablaya sigma profiller kullanılarak civata ve pabuçlarla sabitlenmiştir. Yapılan çalışmada, imalatı yapılacak olan helisel konik dişlinin malzemesi olarak kolay işlenmesi sebebi ile strofor ve ahşap malzeme seçilmiştir. Stroforun yoğunluğu 28 dansite olan pembe renkli strofor seçilmiştir [12]. Bu malzemeler işlenecek olan helisel konik dişli ebatlarına uygun boyutlarda 4eksen CNC de öncelikle tornalanarak dişli işlemeye hazır hale getirilmiştir (Şekil 1-2). 300
Şekil 1. Strofor malzemesinin işlemeye hazır hale getirilmesi Şekil 2. Ahşap malzemenin işlemeye hazır hale getirilmesi 3. CAD- CAM PROGRAMLARI: Helisel konik dişlinin imalatı için öncelikle modül (m= 3) ve diş sayısı (z= 9) seçimi yapılarak dişli boyutlandırması yapılmıştır. İmalatı yapılan helisel konik dişli için gerekli temel büyüklükler 301
hesaplanarak dişli taslağı oluşturulmuştur. Bu ölçütler dikkate alınarak pro engineer çizim programında helisel konik dişli yapılan hesaplamalar doğrultusunda modellenerek tel kafes örüntüsü ile çizilen dişlinin taslağı oluşturulmuştur (Şekil 3). Tel kafes örüntüsü ile yüzeyler birbiri ile tamamlanmıştır (Şekil 4). Son olarak ise yüzey modeli oluşturulmuş dişlinin katı modeli çıkartılmıştır (Şekil 5). Şekil 3. Helisel konik dişlinin pro engineer programında tel kafes örüntüsü [9] Şekil 4. Helisel konik dişlinin pro engineer programında yüzey modellenmesi [9] 302
Şekil 5. Helisel konik dişlinin pro engineer programında katı modellenmesi [9] Oluşturulan helisel konik dişli modeli mastercam programında kullanılabilmesi için igs formatında farklı kaydedilmiştir. Mastercam programında [10], öncelikle modeli oluşturulmuş dişli açılarak, işleme yapılacak yüzeyler seçilmiştir (Şekil 6). Dişli modelinin üzerine silindirik katı model örüntüsü giydirilerek, işleme yapılacak yüzey tanıtılır (Şekil 7). Tezgahın sıfır noktası mastercam programında belirlenerek CNC nin işlemeye başlayacağı nokta tanıtılmış olmaktadır. Şekil 6. Mastercam programında işleme yapılacak yüzeylerin seçimi [10] 303
Şekil 7. Mastercam programında dişliye katı modelin tanıtılması[10] Yüksek hızlı işlemede, yüzey kalitesi üzerine yapılan ilk çalışmalar, küresel uçlu frezelerin etkili kullanımına yönelik olmuştur. Bu çalışmada ise mastercam programında 4 eksen tezgah seçimi yapılarak, Ø3 lük freze çakısı ile işleme yapılmıştır. Gaida ve arkadaşları [7], 32 HRc sertliğinde AISI P20 plastik enjeksiyon kalıp çeliğinin 10 0, 15 0, 20 0, 30 0 ve 40 0 eğim açılarıyla işlenmesini incelemiştir. Farklı işleme açılarında en iyi kesme uzunluğu 15 0 açıyla işlemede olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanı sıra yüksek kesme hızlarında ve düşük talaş derinliklerinde takımın daha az aşındığı ve daha iyi yüzey kalitesinin elde edildiği ortaya çıkmıştır. Bo H. Kim ve Byoung K. Choi [8], yaptıkları çalışmada, BSD tezgâhlarının hızlanma ve yavaşlama ivmelerini dikkate alan bir işleme zamanı modeli geliştirmişlerdir. Geliştirilen bu modelin kullanılmasıyla yaygın olarak kullanılan üç tip direkt takım yolu (tek yönde, zig zag yönde ve yumuşatılmış zig zag yönde) ile çevre paralel takım yolunun işleme verimliliği karşılaştırılmıştır. Helisel konik dişlinin işleme parametrelerinden bir diğer önemli husus ise mastercam programındaki kesici takım yolunun seçilmesidir. Program içerisinde bulunan rotary 4 axis menüsünden axial cut yani eksenel kesme seçilerek kesicinin zigzag ve climb olarak çevre kesme işlemi tanımlanmış olup, kesme toleransını ise 0.025 mm olarak vermek uygun görülmüştür (Şekil 8). 304
Şekil 8. Mastercam programında çevre kesme işlemi parametrelerinin seçimi Mastercam programı ile belirlenen uygun tezgah seçimi, kesme parametreleri ve 4. Eksen tanımlama gibi değerler belirlendikten sonra takım yolu çıkarılmıştır (Şekil 9). Sanal olarak bu programda parça işlenmiş ve takım yolunun çarpmalara neden olmadığı, dişlinin simülasyonu ile görülmüştür (Şekil 10). Şekil 9. Helisel konik dişli parametreleri tanıtılması 305
Şekil 10. Helisel konik dişlinin simülasyonu 4. BULGULAR VE TARTIŞMA Kontrol Yazılımı olarak Mach3 Programı kullanılmıştır. Bu program yüklediğimiz kodlara göre makineye yön vermektedir [6]. Programın arayüzü ve kodların doğru bir şekilde aktarılması için yapılması gereken ayarlar gösterilmiştir (Şekil 11). Dördüncü eksenin de (tabloda görülen A ekseni) mach 3 programından gerekli ayarları aşağıdaki gibi yapılmaktadır (Şekil 12). Şekil 11. Mach3 programı eksenler arası kontrol ayarları 306
Şekil 12. Mach3 programı 4. eksen (A ekseni) kontrol ayarları Mastercam programı ile oluşturulan G kodları, mach 3 programı ile sürücü kontrol devresine aktarılarak CNC nin işlemesi başlatılmış olmaktadır (Şekil 13). Şekil 13. G kodlarının mach 3 programına aktarılması [11] Uygulama malzemesi olarak seçilen strofor ve ahşap malzemeden helisel konik dişli işlemesi modelini oluşturduğumuz ölçülerde masaüstü 4 eksen CNC de işlenmiştir ( Şekil 14-15). 307
Şekil 14. Strofor malzemenin işlenerek helisel konik dişli oluşturulması Şekil 15. Ahşap malzemenin işlenerek helisel konik dişli oluşturulması Dişlinin yüzey hassasiyeti için 4. Eksende bulunan aynanın her adımdaki dönme açısı ne kadar az olursa hassasiyet o kadar iyi olacağı tesbit edilmiştir. Bunun için ise aynanın dönme derecesi 1 olarak seçilmiştir. Strofor ve ahşap olarak seçilen deney malzemeleri için gerekli parametreler aşağıdaki Çizelge 1 de verilmektedir. 308
Çizelge 1. Deney malzemeleri için gerekli parametreler DENEY MALZEMELERİ STROFOR AHŞAP PARAMETRELER KABA FİNİSH KABA FİNİSH Takım Çapı (D), mm D3 D3 D3 D3 Kesici Ağız Sayısı (z) 4 4 4 4 Takım Boyu (L), mm 35 30 35 30 Devir Sayısı (N), dev/dak 1200 3000 1000 2500 Takım Dönüş Yönü Saat Yönünde Saat Yönünde Saat Yönünde Saat Yönünde İlerleme (F), mm/dak 1250 750 1000 500 Hızlı İlerleme (Fmax), 5000 5000 4000 4000 mm/dak Talaş Derinliği (a d ), mm 2 0,025 2 0,025 Yanal Kayma (a e ), mm 1.2 1 1.2 1 Talaşa Giriş Şekli (α) 3 0-3 0 - Giriş Mesafesi (Lg), mm 6 3 6 3 Çıkış mesafesi (Lc), mm 6 3 6 3 Güvenli Z Mesafesi, (Z), 20 20 20 20 mm Talaştan Talaşa Takım Kalkışı Güvenli Z Düzlemi Güvenli Z Düzlemi Güvenli Z Düzlemi Güvenli Z Düzlemi İşleme Yönü Aynı Yönlü Aynı Yönlü Aynı Yönlü Aynı Yönlü Güvenli Yaklaşma Mesafesi, 5 5 5 5 mm Stok Miktarı, mm 2-1 - İşleme Toleransı, mm 0,025 0,01 0,025 0,01 5. SONUÇLAR Bu çalışmada 4 eksenli CNC freze tezgahında helisel konik dişli işleme uygulaması yapılmıştır. Helisel konik dişliyi açmak için gerekli kontrol devresi ayarları yapılmıştır. Helisel konik dişlinin modellemesi pro engineer programında yapılarak, G takım yollarının çıkartılması ise mastercam programı kullanılarak yapılmıştır. Strofor ve ahşap malzemeler uygun seçilerek bu malzemelerde helisel konik dişli işlenmiştir. Helisel konik dişli işlemede ahşap ve strofor malzeme için uygun parametreler belirlendi. CNC de işlemede ise arayüz programı olan mach3 programı tercih edilerek uygulama tamamlanmıştır. Eğitim ortamlarında 4. Eksen çok fazla kullanılmamakta olup, bu çalışma ile 4. Eksen kullanılabilirliği sağlanmış olmaktadır. 6. KAYNAKLAR [1] DERELİ, T., FİLİZ, İ.H., 1997. Bilgisayar Destekli Tasarım ve Üretim Sistemlerinde Bilgi Değişimi ve Standartları, Mühendis ve Makine, cilt 38, sayı 452, s. 11-19. 309
[2] ASM Metals Handbooks, 1997, Ninth Edition, Volume 16, Machining, ASM International, 595-627 p, USA. [3] SUH, S, H., JIH, W,S., HONG, D. H., Sculptured surface machining of spiral bevel gears with CNC milling, Machine Tool Manufacture, 41, 833-850, 2001. [4] SEVİL, S., KAYGISIZ, H., ÇETİNKAYA, K., Dört Eksenli Masaüstü Cnc Freze Tasarımı ve Prototip İmalatı, International Iron & Steel Symposium, 02-04 Nisan 2012, Karabük, Türkiye [5] ZAITSEV, V.V., Calculation of the geometrical parameters of the gear cutting heads, Soviet Engineering Research, 7, 7, 70-71, 1987 [6] HASAR, N., TOKAT, A., ÇETİNKAYA, K., Masaüstü 4 Eksen CNC İle Silindirik Düz Konik Dişli İşleme, Gediz Üniversitesi Endüstri Mühendisliği Bölümü, 12. Üretim Araştırmaları Sempozyumu ÜAS 2012 [7] GAIDA, W.R., RODRIGUEZ, C.A., ATLAN, T., AND ALTİNTAS, Y., Preliminary experiments for adaptive finish milling of Surface on Cutting conditions, Journal of Mechanical Working Technology, 20: 105-119, (1995) [8] BO, H.KIM., BYOUNG, K.CHOI., Machining effciency comparision direction parallel tool path with contour-parallel tooll path, Computer Aided Design, 34: 89-95 (2002). [9] http://www.ptc.com/product/creo/parametric, (Erişim tarihi: 27.06.2012) [10] http://www.mastercam.com/products/default.aspx, (Erişim tarihi: 28.06.2012) [11] http://www.machsupport.com/, (Erişim tarihi: 27.06.2012) [12] http://www.dizayngrup.com/product-detail/sikca-sorulan-sorular-4.html, (Erişim tarihi: 14.06.2012) 310