Kaı A \ııııik» il ıımıııfâf) QNffi\mt\\ (0X01 MAKINA-IMALAT TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU BİLDİRİLER KİTABI Editör: Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU MMO Yayın No: 228 14-15 EKİM 1999 KONYA
tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak. No: 36/1-A Demirtepe, 06440 - ANKARA Tel : (0.312)231 31 59-231 31 64-231 80 23-231 80 98 Fax : (0.312) 231 31 65 e-posta: mmo@mmo.org.tr http://www.mmo.org.tr MMO Yayın No :228 ISBN :975-395-331-3 Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO 'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI : Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI KONYA ŞUBESİ BASKI : HÜNER-İŞ MATBAACILIK - KONYA Tel: (332) 353 45 17
MaWfl3-lfflalfl( MflâlOJİlâri Sempozyumu, 14-15 Ekim 1999, KONYA PARMAK FREZE İEE KANAL ve ALİN YÜZEY İŞLEMEDE TAKIM EKSENİ ÎLE İŞLENEN YÜZEY ARASINDAKİ PARALELLİĞİN BOZULMASINA ETKİ EDEN KESME PARAMETRELERİNİN İNCELENMESİ Mehmet UÇAR (1), Mustafa AY (1> Kocaeli Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü ^Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü ÖZET Bu çalışmada, parmak freze çakısına etki eden kuvvetler incelenip deneysel olarak parmak freze çakısına (kesici takıma) etki eden dinamik kuvvetler ölçülmüştür. Freze tezgahında veya aynı fonksiyonu gerçekleştirebilecek bir takım tezgahında parmak freze çakısı ile kanal, kanal yüzeyi ve benzeri profillerin işlenmesi esnasında kesici takıma etki eden kuvvetlerin miktarının artması ile takımda oluşan elastik eğilme deformasyonu sonucu işlenen yüzeyin takım eksenine olan paralelliğinin kaybolduğu görülmüştür. Paralelliğin bozulmasına etki eden faktörler ki bunlar özellikle talaş kalınlığı, ilerleme miktarı, kesme hızı, kesici takımın talaş açısı ve işlenecek malzemenin işlenebilirlik özelliği olarak görülmüştür. Bu faktörlerin paralellik bozulmasına olan etki miktarları incelenmiştir. Deneysel çalışmada, yüzey bozukluğunu ölçmek için komparatör, kuvvet ölçmek için ise üç eksenli dinamik kuvvet transducer'i kullanılmıştır. Kesici akıma etki eden kuvvetlerin miktarları; kuvvet transducer'in den gelen sinyallerin amplifikatörler ve filtrelerden geçirilerek Lab-Card'ı vasıtası ile bilgisayara aktarılarak ölçülmüştür. 1. GİRİŞ Günümüzde Parmak freze ile talaş kaldırma işlemi hala etkin olarak kullanılan bir frezeleme teknolojisidir. Hassas işleme teknolojisi göz önüne alındığında son yıllarda işleme hataları üzerine daha fazla ağırlık verilmektedir. Bu durumlardan biride parmak freze ile kanal genişletme, alın yüzey işleme gibi operasyonlarda meydana geldiği görülmektedir. Bu hataların genel sebepleri ise; takımda oluşan sehinı, takım aşınması, takımın işlenen iş parçasından dışa doğru kayması ve takım ile takım tutucunun titreşimi olarak gösterilebilir. Bu işleme esnasında oluşan hatalar arasında kayda değer alanlardan başta geleni ise takım sehimi olduğu işaret edilmektedir [1], [2]. Günümüze kadar yapılan çalışmalarda, kesici takımın sehiminden kaynaklanan işleme hatalarını azaltmak için bir çok çözüm önerileri geliştirilmiştir. Bunlar arasında en dikkat çekici olanı, talaş kaldırma esnasında ilerleme miktarının ayarlanması olduğu ifade edilmektedir[3]. Ancak İlerleme miktarının azaltılması kesici takımın, kesme kapasitesinin altında çalışmasıyla ve bununda zaman kaybına neden olacağı ve etkin olarak kullanılamıyacağı söz konusudur. Yukarıda bahsedilen çözüm önerilerin aksine, yüzey hatalarını azaltmak için kesici takımın pozisyonunu değiştiren adeptif kontrol sistemi önerilmiştir[4]. Burada takımın pozisyonunun işlenen yüzeyde oluşan düzgünsüzlüğün konumuna göre yani takımın sehim oranına bağlı - 10-
olarak ayarlanması gerektiğini ve bununda Nümerik kontrollü sistemlerle yapılabileceği ifade edilmiştir. Bunun yanısıra Yang ve Choi (1998) [5], parmak freze ile yüzey işlemede kesici takımın sehiminden kaynaklanan yüzey düzgünsüzlüğünü en iyi bir şekilde düzelten takım sehimini kompanze eden sistemden bahsedilmiştir. Bu sistem freze tezgahının NC kontrol kısmı ile hiç bir irtibat kurmadan tasarlanmış bir bilgisayar kontrollü takım adaptörüdür. Bu adaptör kesici takıma etki eden kesme kuvvetlerini ölçerek bu kuvvetlere bağlı olarak takımda olabilecek sehimi hesaplayıp buna göre kesici takıma ön sehimi vererek talaş kaldırma sonucu oluşan yüzeyin düzgün olmasını sağlamaktadır. Bu sistemin, kesmenin her anında oluşabilecek yüzey hatalarını önleme imkanına sahip olduğu ifade edilmektedir. Budak, E., Altınbaş, Y., ve Armarego, E.J.A., (1996) yapmış oldukları çalışmada, parmak freze ile yüzey işlemede frezeleme kuvvetlerinin deneysel olarak ölçüp elde edilen kuvvet değerlerinin, farklı çaptaki parmak freze çakısı ve bunlara ait talaş derinliği, ilerleme miktarı gibi değerler için kuvvet katsayısını tayin etmişlerdir[6]. Bu kuvvet katsayılarına bağlı olarak sürtünme açılarını belirlemişlerdir. Diğer yandan ortogonal kesme hali için parmak frezenin kesici kenarındaki kuvvet dağılımının matematik modelini ifade ederek yüzey hatasına sebep olabilecek kuvvet dağılımın göstermişlerdir. Zheng, L., Liceng, S.Y. ve Melkote, S.N., (1998) yapmış oldukları çalışmada, parmak freze ile talaş kaldırma esnasında kesici kenara helis dalgası boyunca etkiyen üç boyutlu kuvvet dağılımını ifade etmişlerdir[7j. Bu çalışmada, temel kesme kuvvetleri, talaş yükü ve net kesme kuvvetleri, kesme ekseni, ilerleme ve eksenel ilerlemedeki elementler kesme kuvvetlerinin integrasyonu ile analitik olarak ifade edilmiştir. Burada kesici takıma etkiyen kuvvetlere bağlı olarak kesme esnasında oluşabilecek hata ( bunların başında yüzey hataları gelmektedir) değerleri jş parçası özelliğinin, işleme şartlarının, kesme parametrelerinin ve takım geometrisinin fonksiyonu olarak tanımlanmıştır. Bu çalışmada ise parmak freze çakısına etki eden kuvvetler temel olarak belirlenmiş ve takıma sehim veren kuvvet değerleri işleme şartları ve iş parçası özelliğine göre ifade edilmiştir. Yapılan deneysel çalışmada kesici takımın çapına bağlı olarak belşli bir talaş derinliğinden sonra parmak freze çakısının kesme esnasında iş parçasında uzaklaşmayıp yani işlenen yüzeyin alt kenarında diğer bir ifade ile parmak fre.re çakısının uç kısmına doğru olan kısımda iş parçasına dalma yaptığı görülmüştür. Bu r ada kesici takımın iş parçasına dalma yapması ise kesici takımın geometrisi açısından incelenerek kuvvet analizinde göz önüne alınmıştır. 2. PARMAK FREZE ÇAKISINA ETKİ EDEN KUVVETLER Günümüze kadar parmak freze ile yüzey işlerken talaş kardırma esnasında kesici takıma etki eden kuvvetler üzerine bir çok araştırmalar yapılmıştır. Talaş kaldırma esnasında kesici takıma üç temel kuvvetin etkidiği görülmektedir. Bunlar arasında talaş kaldırma esnasında kesici takıma eğim vermeğe çalışanlar şekil l'de görüldüğü gibi F n ve F t kuvvetleridir. Şekil l'deki F n kuvveti kesici takımı işlenen yüzeye dik doğrultuda iş parçasından ayırmaya çalışan kuvvettir. F t ise işlenen yüzeye paralel doğrultuda teğetsel kuvvet olup kedici takımı kesme yönünün tersine eğmeye çalışan kuvvettir. F z kuvveti ise kesici takımın helis açısı doğrultusunda etki eden kuvvet olup bü kuvvetin kesici takımın eğilmesine doğrudan bir etkisi yoktur. - 11 -
Kesici uç Şekil 1. Kesici takım ucuna etki eden kuvvetler Kulkarni ve diğerleri(1996),yapmış oldukları çalışmada kesici takıma etki eden kuvvetleri şöyle ifade etmişlerdir[8]. sin(ti-y) F n =td s w (1) sin (p cos ((p+r -y) cos(r -y) F t =xd s w (2) sin (p cos I! Burada, x iş parçasının kayma gerilmesi, d s talaş kalınlığı, w talaş genişliği, <p kayma açısı, y talaş açısı ve r\ iş parçası ile kesici takım arasındaki sürtünme açısıdır. Kesme açısı cp, iş parçasının kesmede akma ve kopma mukavemetlerine talaş açısına bağlı olarak şöyle ifade edilmiştir. cp = 1/2 a sin [2x y /x u COS(TC/4 - y/2) sin(;c/4 + y/2) -sin y]+y (3) Burada, x y iş parçasının akma mukavemeti ve x u ise iş parçasının kopma mukavemetidir. Kuvvet analizinde önemli olan bir nokta talaş kalınlığı d s 'nin zamanla değişmesidir. Frezelemede talaş kalınlığı kesici takım dişlerinin açısal konumu ile talaş kalınlığı değişiklik göstermektedir. Bu durum dinamik olarak göz önüne alındığında kesici takımın kesme esnasında titreşim yapacağını göstermektedir. Ayrıca silindirik frezelemede ( örneğin vals freze çakısı ) yada parmak freze çakısı ile talaş kaldırırken sistemin geometrik yapısına iş parçasının ilerleme miktarına bağlı olarak kesici ucun kesmeye başlayıp bitişine doğru talaş kalınlığında artma söz konusudur. Bu artış, şekil 2 b'deki ti dişi iş parçasından kurtulmadan - 12-
Birim talaş alanı Şekil 2. Parmak freze ile talaş kaldırma işleminin geometrik yapısı. t; (iı^inin devreye girmesi ( bu durum helis açısından kaynaklanmaktadır) ile ti dişine ait F t ı kuvvetinin y doğrultusundaki bileşeni t2 dişine ait F n 2 kuvvetinin y doğrultusundaki bileşeni ile zıt yönlü olup F n 2 kuvvetini F t ı y kadar azaltma yapacaktır. Bu durum işlenen yüzeyin kesici takım eksenine olan paralelliğinin bozulmasını bir miktar önleyecektir. 3. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneysel çalışmada parmak freze ile yüzey işleme esnasında işlenen yüzey ile kesici takım ekseni arasındaki paralelliğin bozulması ve kesici takıma etki eden kuvvetler incelenmiştir. Bu çalışmada kullanılan çelik iş parçasının mekanik özellikleri şunlardır: Kopma mukavemeti a u = 425 N/mm 2, Akma mukavemeti a y = 280 N/mm 2 Deneysel çalışmada kullanılan gereçler: Kesici takım : d = 6mm, 4 ağızlı, helis açısı y= 30 olan HSS parmak freze çakısı, Takım tezgahı: Taksan firmasına ait dik başlı freze tezgahı, Ölçü akli : Komparatör İşleme metodu : Aynı ve zıt yönlü yüzey frezeleme yapılıp soğutma sıvısı kullanılmamıştır. Deneysel çalışma parmak frezenin alın kısmının kesme yapmaması için iş parçası şekil 3'de görülen profilde işlenmiştir. İş parçası tezgah tablasına bağlandıktan sonra işlenecek yüzeyin kesici takım eksenine paralelliği sağlanmıştır. Parmak freze çakısı pens adaptörüne bağlanmıştır. Adaptör alın yüzeyi ile parmak frezenin uç kısmı arasındaki mesafe 30mm alınmıştır. Parmak frezenin kesici kenar uzunluğu ise 18 mm dir. Komparatör ile yüzey profilinin ölçümü ise işlenenyüzeyin alt kısmından başlayıp üst kısmına doğru yapılmıştır. Ölçmede kotiparatör sabit duaıp tezgah tablası aşağı doğru hareket ettirilmiştir. Tezgahın tabla hareketleri digital koordinat okuyuculardan okunmuştur. 13-
işlenen yüzey freze çakısı Şekil 3. İş parçasının ve kesici takıma etkiyen kuvvetlerin şematik görünümü Talaş kaldırma esnasında kesici takıma etki eden kuvvetlerin ölçülmesinde 3 eksende kuvvet ölçebilen kuartz kristalli KÜSLER marka kuvvet sensörü kullanılmıştır. Alınan akım değerleri amplifikatör aracılığı ile bilgisayara veri olarak aktarılmıştır. Deney düzeneği şekil 4'de gösterilmiştir. Kompüter PCL-812PÜ A/D Çevirici Tezgah mili Amp.(5011B) Uç boyutlu Kuvvet isensörü Takım tezgâhı tablası Şekil 4. Kesme kuvvetlerinin ölçülmesinde kullanılan sistemin şematik yapısı 3.1 Deneysel Bulgulaı Deneysel çalışma sonunu işlenen yüzey ile kesici takım arasındaki paralelliğin kaçıklık değeri 5 şekil 5'de ifade edilen biçimde tanımlanmıştır., A kenarı 15mm I kenarı 8 = (B-A) Şekil 5. İşlenen yüzey ile kesici takım arasındaki paralelliğin kaçıklık değeri 8 Tablo 1.2.3 ve 4'de çeşitli işleme şartlarında parmak ferze çakısı ile iş parçası üzerinden talaş kaldırılarak talaş kaldırma esnasında kesici takıma X ve Y doğrultusunda etki eden kuvvetler gösterilmiştir. Yine aynı şartlar altında işleme sonucunda kesici takını ekseni ile işlenen yüzey arasındaki paralelliğin kaçıklık değerleri diğer bir ifade ile kesici takımda oluşan sehim miktarları verilmiştir. Tablo l'de devir sayısı ve ilerleme miktarı sabit İ4-
tutularak talaş kalınlığı 0.5mm den başlayarak ve 0.5 mm artımla 2.5 mm'ye kadar değiştirilerek her bir talaş kalınlığı için kesici takımda oluşan sehim miktarları ve kesici takıma etki eden kuvvetler görülmektedir. Burada talaş kalınlığı 0.5 mm ile lmm arasında takım sehim yönünde değiş olduğu görülmektedir. Bu durumun kesici takımın talaş açısı, ilerleme miktarı ve iş parçasının mekanik özelliklerine doğrudan bağlıdır. Kesici takımın sehim yönündeki değişime etki eden önemli bir noktada, talaş kaldırma esnasında kesici takıma ait kesme kenarlanndan birinin iş parçasından ayrılmadan ikinci kenann devreye girmesidir. Bu kesici takıma ait kesici kenarların helisel olmasından kaynaklanmaktadır. Böylece birinci kesici kenara etki eden F t teğetsel kuvvetin Y doğrultusundaki bileşeni yön değiştirip takip eden ikinci kesme kenarındaki F n kuvvetinin Y bileşeni ile zıt yünlü olacaktır. İşlenen iş parçasının sertlik değerine uygun talaş açısından daha büyük talaş açılı kesici takım ile talaş kardırma durumunda iş parçasına dalma olayı da göz önüne alındığında şekil 5'de gösterilen 8 değerinin negatif olması aşikar olacaktır. Bu durum olumsuzluk olarak görülmektense yerine hassas işleme bakımından değerlendirilebilir. Çünkü sehimin yön değiştirmesi demek belli bir noktada sıfır olması demektir. Talaş kaldırma esnasında kesici takımda oluşacak sehim miktarını sıfır yapacak veya sıfıra çok yaklaştıracak parametreler ile işleme yapılarak yüzey hatalarının sıfıra çekilebileceği görülmektedir. Tablo 2'de ise tablo l'deki parametreler aynı alınıp sadece kesme esnasında iş parçasının ilerleme yönü değiştirilerek aynı yönlü kesme (işleme) tekniği kullanılmıştır. Aynı yönlü işlemede kesici takımda oluşan sehim miktarı zıt yönlüye nazaran daha fazla olup sehim yönünde değişme görülmemektedir. Bunun temel sebebi ise F x kuvvetlerinin daha az olması ve iş parçası ile kesici takıma ait kesme kenarlannın üst üste bindirme yapmasından kaynaklandığı olarak görülmüştür. Tablo 1. Zıt yönlü kesme ile talaş kaldırma. n^lo dev/dak., s=50 mm/dak Takım çapı d=6 mm, Talaş genişliği w=15mm d s (mm) 5 (mm) F*(N) Fv(N) 0.5 0.01-136.018-290.454 1.0-0.02-346.278-202.780 1.5-0.04-504.675-473.584 2.0-0.11-582.591-451.346 2.5-0.15-553.880-134.683 Tablo 2. Aynı yönlü kesme ile talaş kaldırma. n=710 dev/dak., s=50 mm/dak Takım çapı d=6 mm, Talaş genişliği w=15mm d s (mm) 6 (mm) 2.0 0.23 2.5 0.27 F x (N) F v (N) 0.5 0.08-112.324-136.153 1.0 0.14-196.777-252.592 1.5 0.20-166.982-393.103-146.979-499.415-130.317-602.468 Tablo 3. Zıt yönlü kesme ile talaş kaldırma. n=710 dev/dak., d s =1 mm Takım çapı d=6 mm, Talaş genişliği w=15mm s (mm/dk) 31.5 40 50 63 80 100 8 (mm) -0.04-0.03-0.02-0.04-0.03-0.03 Fx(N) F y (N) -262.2-234.1-330.9-243.2-350.1-240.3-514.9-320.9-540.5-334.5 638.1-296.3-15-
Tablo 4. Aynı yönlü kesme ile talaş kaldırma. n=710 dev/dak., d s =1 mm Takım çapı d=6 mm, Talaş genişliği w=15mm s (mm/dk) 5 (mm) Fx(N) Fy(N) 31.5 0.12-220.5-117.6 40 0.13-207. 8-205. 1 50 0.14-183.1-235.6 63 0.16-149.0-340.7 80 0.18-245.9-357.3 100 0.20-268.5-369.3 4. SONUÇLAR Yapılan deneysel çalışmalar ve incelemeler sonucu parmak freze çakısı ile yüzey işleme esnasında kesici takım ile işlenen yüzey arasındaki paralelliğin bozulduğu görülmüştür. Bu durum kesici takıma etki eden teğetsel ve normal kuwetlerin(kesme kuvvetlerinin) etkisinden dolayı kesici takımda sehim oluşmasından kaynaklanmaktadır. Ancak bazı şartlarda sehim miktarı azalarak negatif yönde olmaktadır. Bu da takıma etkiyen kuvvetlerin belli bir miktar yön değiştirmesi ve takıma ait kesici kenarların talaş açılarından kaynaklanmaktadır. Kesici takımda oluşan sehim miktarının pozitif halden negatif hale geçerken sıfır veya sıfıra yakın değerlerini sağlayacak işleme parametreleri ile talaş kaldırılarak işlene yüzede olaşacak hata sıfira çekilebilir. Diğer yandan parmak freze takım tutucuya (pens adaptörü vb.) bağlanırken mümkün olduğunca kesici kenar uzunluğu kısa tutulmalıdır. İlerleme miktarı ile sehim miktarı arsında doğru orantı olduğundan ilerleme miktarı düşük olmalıdır. 5. REFERANSLAR [1] Kline W.A., Devor, RE, and Shreef, I.A., 1982. "ThePrediction of Surface Acoutacy in End Milling" ASME Journal of Engineering for Industry, August, vol. 104, pp.272-278 [2] Zheng, L. And Liang, S.Y., 1997." Identitication of Cutter Axis Tilt in End Milling", ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, May, vol. 119, pp.178-185. [3] Tarng, Y.S., and Cheng, S.T., 1993, "Fuzzy Control of Feed Rate on End Milling Operations", International Machine Tools Manufacturing, vol. 33, no.4, pp.643-650 [4] Watanabe, T., and Iwai,S., 1983 "A control system to Improve Accuracy of fınished Surfaces in Milling", ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, September, vol.31, no.l, pp.45-54 [5] Yang, M.Y., and Choi, J.G., 1998, "A Tool Defection Compensation System for End Milling Accuracy Improvement" ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 120., pp.222-229 [6] Budak,E., Altıntaş,Y. and Armarego, 'Trediction of End Milling Force Coefficients From Orthogonal Cutting Data" 1996, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 118., pp.216-224 [7] Zheng, L., Liceng, S.Y. ve Melkote, S.N., 1998, "Angle Domain Analytical Model for End Milling Forces", ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol.l20.,pp.252-258 [8] Kulkarni,N.M., Chandra,A. And Jagdale,S.S., 1996 "A Dynamic Model for End Milling Using Singe Point Cutting Theory" ASME Journal of Manufacturung Science and Engineering, vol. 118, pp.272-274. - 16-