MASAÜSTÜ YARI PROFESYONEL VE TAM PROFESYONEL CNC FREZELERİN MEKANİK SİSTEMLERİ, HASSASİYETLER VE MALİYET ANALİZİ KARŞILAŞTIRILMALARI Ali İbrahim TOKAT a, Neslin HASAR b ve Kerim ÇETİNKAYA c, * a K.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük,Türkiye, ali.ibrahimtokat@hotmail.com b K.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, neslin523@hotmail.com c,* K.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, Türkiye, kcetinkaya@karabuk.edu.tr Karabük ÖZET: Bu çalışmada masaüstü yarı profesyonel ve masaüstü tam profesyonel olmak üzere iki farklı tip CNC tezgahın oluşturulmasında kullanılan farklı ölçü ve tasarımlardaki montaj parçalarının maliyetlerinin karşılaştırılması, masaüstü yarı profesyonel CNC freze tezgahını oluşturan elektronik donanım parçalarının masaüstü tam profesyonel CNC freze tezgahının elektronik donanım parçalarına göre maliyet analizinin yapılması, iki farklı tip masaüstü CNC freze tezgahında mekanik sistemlerinin karşılaştırılması ve masaüstü yarı profosyenel ve masaüstü tam profosyenel iki farklı tip CNC freze tezgahının hassasiyet analizleri karşılaştırılması üzerine çalışılmaktadır. Anahtar Sözcükler: Masaüstü, CNC, Hassasiyet, Maliyet Analizi ABSTRACT: In this study, including desktop semi-professional and professional desktop fully used in the creation of two different types of CNC machine tool to compare costs of different sizes and designs the mounting parts, desktop electronic equipment components that make up counter at a semi-professional desktop CNC milling CNC milling fully professional cost analysis based on the counter electronic equipment components, comparison of two different types of mechanical systems and desktop desktop CNC milling machines semi-professionals and the profession's desktop complete a sensitivity analysis on the comparison of two different types of CNC milling tried to counter. Keywords: Desktop, CNC, Accuracy, Cost Analysis 1. GİRİŞ: CNC makineler günümüz teknolojisine göre geliştirilmiş olan bilgisayar ve makinenin uyumlu bir şekilde çalışmasıyla oluşan sistemlerdir. CNC makine sistemleri üretimin daha pratik, en az seviyede insan gücü, hatasız üretim, seri imalat gibi kriterlerin iyileştirilmesinde önemli bir payı bulunmaktadır. Günümüzde CNC kontrollü makineler yapılacak imalata veya montaja uygun bir biçimde programlanarak sabit bir işi standart olarak üretimini yapmaktadır. Bu sistemler otomotiv, tekstil, kimya, tıp, savunma sanayi vb. alanlarda yapacağı işe uyumlu olarak çalışan robot kolları, taşıma sistemleri (konveyör), kaynak ve montaj vb. fabrikasyon işlemlerde kullanılmaktadır. Bilinen bir diğer sistem olan talaşli imalat üretiminde kullanılan başta dik işleme merkezi olmak üzere CNC torna, CNC freze, abgant tezgahı, giyotin, lazer sac kesim tezgahları olarak bilinmektedir. Bu sistemler yapılacak işe uygun tasarım (CAD) işleminin ardından kod (CAM) oluşturularak, kablo veya usb gibi aygıtlar kullanılarak makinelere NC kodları aktarılır ve bu kodlar makinelerin hafızalarına kaydedilerek veya bir ara yüz programı ile makinelere komut verilir. Böylece bilgisayar destekli tasarım ve imalat CNC makineler kullanılarak gerçekleştirilir.
Bilgisayar destekli imalat geniş anlamda; ihtiyaç olarak mühendisin önüne gelen bir ürünün, kavramsal tasarımından başlayarak, fiziksel ürün olarak elde edilmesine kadar, hammadde planlaması, geometrik tanımlama, kinematik ve mekanik analiz, benzetim, montaj, imalat süreçleri, kalite kontrol süreçleri, dokümantasyon ve ürünün tüketiciye ulaştırılmasını içeren tüm aktivitelerin, bilgisayar donanım ve yazılımlarıyla gerçeklenmesi ve kontrolünün yapılmasın ifade eder [1].CNC tezgâhlarının yüksek ücretlerde satılması, tezgâh üretim maliyetlerini düşürmek için yeni fikirlerin doğmasına neden olmuştur. Bu fikirlerin başında, klasik ve NC takım tezgâhlarının yeniden donatılarak CNC tezgâhına dönüştürülmesi gelmektedir [2]. Kaygısız çalışmasında, eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü CNC freze tezgahı tasarlamış ve prototip imalatını gerçekleştirmiştir. Eksenlerin doğruluğunun tespiti için, eksenler doğrultusunda kanallar açarak, kanal boylarını ölçüp standart sapmalarını hesaplamıştır. CNC nin üç eksen yüzey işleme kabiliyetini test etmek için Atatürk rölyefini başarı ile işlemiştir [3]. Günümüzde ürünlerin daha farklı modellerde ve karmaşık geometrilerde talep edilmesi imalat makinelerinin teknolojiyle birlikte gelişmesini mecbur kılmıştır. Bu gelişmelerle birlikte CNC makinelerinin birlikte çalışabilirlik özelliği önemli bir ilerleme kaydetmiştir. CNC makineleri, bilgisayar ve kullanıcı ile birlikte çalışabilirliğin en güzel örneklerini uygulayabilir. CNC makinelerinin birlikte çalışabilirlik özelliğini kazanmasındaki en önemli yeteneği yeniden programlanabilme ve bilgisayar ile çift yönlü veri akışının sağlanabilmesidir. Kullanıcının işleme esnasında gereken yerlerde tezgaha müdahale edebilmesi, hataları tespit edip düzeltebilmesi ve tezgahın kaldığı yerden işleme devam edebilmesi; işlenen parçanın kalitesinin artmasını, oluşabilecek hataların önceden tespit edilebilinmesini ve işleme maliyetlerinin düşmesini sağlar. Belirttiğimiz bütün bu özellikler evrensel imalatda CNC teknolojisi kullanımının stratejik avantajlarındandır [4,5]. A. SOĞUTMA SIVILI TEZGAH MEKANİK SİSTEMİ:Bir ürünün tasarımında doğru malzeme türlerinin seçimi ürünün başarısını olumlu yönde etkiler. Bir ürün teknik açıdan başarılı olabilir fakat fonksiyonellik, malzeme seçimi gibi yönlerden de düşünülmüş olması o ürünün başarılı olmasına katkı sağlar [6]. Kabaş ve Çetinkaya nın yaptığı çalışmada, tezgah gövdesi 500x630x625mm boyutlarında olup, tezgahın işleme kapasitesi X:250mm, Y:300mm, Z:125mm ebatlarındadır. Kullanılan malzemeler montaj edilebilir ve kolay işlenebilir özellikte seçilmiştir. Sistemin titreşimsiz bir şekilde çalışmasını sağlayan rijit bir yapının oluşturulduğu tezgah gövdesi tasarımı yapılmış olup, X ve Z eksenlerinde kesici takımın, Y ekseninde ise tablanın hareketli olduğu köprü tipi tezgah gövdesi tasarlanmıştır. Tezgah şekil 1 de gösterildiği gibi gövdesi sac ve sigma profillerden imal edilmişdir [7]. Şekil 1:Köprü tipi gövde konstrüksiyonu Şekil 2: Pleksiglas kabin.
Tezgah gövdesi pleksiglas kabinle kapatılarak soğutma sıvısının ve talaşların etrafa yayılması engellenmiş ve daha sağlıklı çalışma ortamı oluşturulmuştur. Pleksiglas kabin tezgaha estetik bir görünüm kazandırmakla birlikte, hafif ve şeffaf olması kolay taşınabilirlik, sistemin daha az yer kaplaması, işleme esnasında her açıdan tezgahı gözlemleyebilme gibi ergonomik açıdan avantajlar getirmiştir (Şekil 2). Tezgahın gövdesi, mekanik sistemle bütünleşik, pleksiglas levhalardan üretilmiş, kolay montaj edilebilir bir kabinle kapatılmıştır. İşleme esnasında oluşan talaşlar ve soğutma sıvısı etfara yayılır. Bu durumda soğutma sıvısının devirdaimi benzer çalışmlarda kullanılan klasik vidalı miller bağlantı elemanı olarak üretilmiş makina elemanlarıdır. Inox vidalı miller ile klasik vidalı millere göre daha hassas ilerleme hareketleri gerçekleştirilir. Kızaklama elemanı olarak kullanılan indiksiyonlu millerin seçiminde paslanma direçleri ve yüksek hassasiyete sahip olmaları etkili olmuştur.. İndiksiyonlu miller üzerinde stabil bir ilerleme hareketi elde edebilmek için alüminyum gövdeli linear rulmanlar tercih edilmiştir. Şekil 3: Soğutma sıvısı devir daiminin şematik gösterimi Talaşlı imalat işlemlerinde kesici takımla iş parçası arasındaki sürtünemden dolayı önemli derecede ısı oluşmaktadır. Bu ısı oluşumu imal edilen iş parçasının ölçü doğruluğunu ve yüzey kalitesini olumsuz etkiler. Kesici takım ve iş parçasını bu olumsuzluklardan korumak için oluşan ısının hızlı bir şekilde düşürülmesi gerekir. Bu nedenle işlenmesi zor olan makine parçalarının kolay ve kaliteli imal edilebilmesi için kesme sıvıları kullanılır. Kullanılan kesme sıvılarının başlıca amacı düşük hızda yağlama, yüksek hızda soğutmadır.yağlama ile takım-talaş ve takım-işlenen yüzey arasına nüfuz ederek sürtünmeyi azaltmak ve takım aşınmasını önlemek, soğutma ile talaş kaldırma esnasında ortaya çıkan ısıyı azaltmak amaçlanır[8-9]. Kabaş ve Çetinkaya nın çalışmasında sisteme sıvı soğutma sistemi uygulanarak masaüstü CNC tezgahların kullanım alanlarının genişletilmesi ve işleme kapasitelerinin artırılması hedeflenmiştir. İşleme esnasıda yüksek ısıların meydana geldiği, masaüstü CNC tezgahlarda işlenmesi zor malzemeler bu sistemde işlenebilmektedir (Şekil 3).Elektrik kontrol ünitesi ise x,y ve z eksenleri 3 adet step motoruyla kontrol edilmiştir. Step motorlarının ve kesici takım motorunun işleme işlemi öncesi devreye girmesi ve kapanmasının kontrolü TB6560 sürücü entegresinin kullanıldığı bir step motor sürücü devresi ile gerçekleştirilmiştir (Şekil 4). Sürücü devresi mixed decay mode özelliğine sahiptir. Bu özellik adım yumuşatma anlamına gelir. Step motorunun adımlar arası geçişlerde yumuşatarak geçişi kolaylıkla sağlanmasına yarayan bir özelliktir. Sürücü devresinde 1, 1/2, 1/8, 1/16 olmak üzere dört çeşit adım yumuşatma özelliği mevcuttur. Her bir eksende 1,8 step motoru kullanılmıştır. 1,8 step motoru bir tur dönme hareketini; 360 / 1,8 = 200 adımda tamamlamaktadır. Dremel 300 kesici takım motoru kullanılarak (Şekil 5), 125W güçle 10.000-33.000 dev/dk arasında çalışabilmekte olup, devir ayarları kesici takım üzerinden 10 farklı kademede ayarlanabilir. Bu ayarlar Tablo 1 de gösterilmiştir. Ayar Kademesi Oranın Değiştirilmesi 1-2 10.000-14000 dev/dk 3-4 15.000-19000 dev/dk 5-6 20.000-24.000 dev/dk 7-8 25.000-29.000 dev/dk 9-10 30.000-33.000 dev/dk Şekil 4: Sürücü devresi Tablo 1:Kesici takım motoru devir ayarı değerleri. Şekil 5: Kesici takım motoru.
B. DÖRT EKSENLİ MASAÜSTÜ CNC FREZE: Sevil ve Çetinkaya nın yaptığı diğer bir çalışmada ise masaüstü dört eksen cnc freze imal edilmiş olup, tezgah ölçüsü 670x910x660, tezgah kurs boyu 300x350x130mm. dir (Şekil 6). Dönel eksen(a) ya Ø40x300 mm. ye kadar parça bağlanabilmektedir (Şekil 7), Şekil 6: Sistemin mekanik görüntüsü Şekil 7: Dönel eksen (A) görüntüsü CNC tezgahın eksen kızaklaması X ve Y ekseninde 20 lik doğrusal ray ve araba, Z ekseninde ise sertleştirilmiş hassas mil ve doğrusal rulman kullanılarak sistemin hareketi sağlanmaktadır. Tezgahda, bilyeli vidalı mili yataklamak için FL(Ø15) rulman kullanılarak, step motordan vidalı bilyeli mile hareket aktarımı triger kayış kasnakla yapılmıştır. Hareket aktarımı ½ iletim oranında triger kasnak kayış sistemiyle adım motorlarından sağlanmaktadır. Adım motorları, adından daanlaşılacağı gibi belirli adımlarla hareket ederek rotorun açısal konumunu değiştirirler. Bu adımlar,motor sargılarına uygun sinyaller gönderilerek kontrol edilir. Herhangi bir uyartımda, rotorun yapacağı hareketin ne kadar olacağı, motorun adım açısına bağlıdır. Adım açısı, motorun yapısına bağlı olarak 90, 45, 18, 7,5, 1,8 derece veya çok daha değişik açılarda olabilmektedir. Motora uygulanacak sinyallerin frekansı değiştirilerek motorun hızı da kontrol edilebilir [10]. Masaüstü dört eksenli cnc tezgahında Arel marka kesici iş mili(spindle) kullanılmaktadır. Kesici iş mili 1,4 KW gücünde ve 50-18000d/dk hızında dönebilmektedir. Pens olarak ER-20 modeli kullanılmaktadır(şekil 7),. Şekil 7: Kesici iş mili ve Çeşitli Pensler Çalışmalarında; elektronik kontrol ünitesi(şekil 8), bilgisayardan gönderilen komutları yorumlayarak step motora gönderir. Bilgisayardan gönderilen sinyalde step motorun hangi yöne ve kaç adım atacağı bellidir. Kontrol ünitesinde; USB li step motor sürücü kontrol devresi, dört adet sürücü, güç kaynağı ve frekans değiştirme cihazı (inverter) bulunmaktadır. Kontrol ünitesi ve çalışma mantığı aşağı şekilde gösterilmektedir(şekil 8-9).
Şekil 8: Kontrol ünitesi Şekil 9: Kontrol ünitesi çalışma mantığı Sürücü kontrol devresi; bilgisayar ve sürücü devreler arasında bilgi kontrolünü sağlar. Sürücü devreleri kontrol ederek bilgisayardan aldığı komuta göre hangi motorun ya da motorların kaç adım çalıştırılacağı, dönme yönü sürücü devrelere iletilir (Şekil 10). Adım motorların sürülebilmesi için 2 temel noktaya dikkat etmek gerekmektedir. Bunlardan birincisi motorun bağlanacağı sürücü devresinin (Şekil 11) olmasıdır. İkincisi ise bu sürücü devresi yardımıyla motorun doğru sargılarına gerekli tetiklemeleri gönderebilmektir. Şekil 10: Sürücü kontrol devresi Şekil 11: Sürücü devre Şekil 12: İnvertör Geliştirilen cnc tezgahta kullanılan kesici iş mili (spindle) devrini azaltıp artırmak amacıyla Delta marka VFD-EL serisi invertör kullanılmıştır. İnverter; frekans değiştirici olduğundan kesici iş mili devrini arttırdığınızda ya da azalttığınızda kesici iş mili torku değişmez (Şekil 12). 3.SİSTEMLERİN MALİYET KARŞILAŞTIRMALARI: 3 EKSEN SOĞUTMA SIVILI CNC 4 EKSENLİ MASAÜSTÜ CNC TOPLAM 1749 TL TOPLAM 4300 TL
4.SONUÇLAR: Mekanik ve maliyet yönünden karşılaştırılmıştırılmış olan bu iki sistemin teknik özellikleri piyasada yer bulduğu alan hassasiyet vb. özellikler aşağıdaki tabloda verilmiştir. 4 EKSENLİ MASAÜSTÜ CNC 3EKSEN SOĞUTMA SIVILI CNC Makine Ölçüleri 670x910x660 mm. 500x630x625mm Çalışma Alanı 300x350x130 mm 250x300x125mm Çalışma 0,003125 0.005 mm Hassasiyeti Boşta ilerleme hızı 8m/dk. 10m/dk. Max. Kesme Hızı 4m/dk. 6m/dk. Ağırlık 85 kg. 75 kg. Spindle Motor 1,4 KW-50-18000 dev/dk. 125 Watt, 10000 33000 İşlevleri (İnvertör kontrollü) 2 ve 3 boyutlu işleme, yüzey işleme, kesme,delme frezeleme,dördüncü eksen ile silindirik ve ekzantrik parça işleyebilme. dev/dak Delme, Kesme, Oyma, Frezeleme Kontrol Ünitesi Mach 3 Mach 3 Çalıştığı Dosyalar NC kod(iso),dxf,wmf,hpgl, Plt,Cmx,jpeg,Bitmap NC kod(iso),image, DXF İşlediği Malzemeler Ahşap,Alüminyum,Bakır,Sert plastikler(polyamid,kstamid,d elrin vb.) pleksiglas, kompozit malzeme Aluminyum, pirinç, bakır, bronz, her türlü plastik ve diğer yumuşak malzemeler. Soğutma Sistemi Yok Var KAYNAKLAR [1] Varol, R., Yalçın, B., Yılmaz, N., Bilgisayar Destekli İmalatta (Cam), Cam Programı Kullanılarak Parça İmalatının Gerçekleştirilmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi (3) 47-57, (2005) [2] Uyanık, S., Şimşek, İ., Aytan, N., Onat, M., Erdal, H., 3 Eksenli Yüzey İşleme Tezgahının Bilgisayar İle Kontorlü 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük, (2009). [3] Kaygısız, H., Eğitim amaçlı üç eksenli masaüstü cnc freze tasarımı ve prototipi, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 46-56,(2010). [4] Xu,X., Newman,S., Making CNC Machine Tools More Open Interoperable and a Review of The Technologies Computer in Industry, 57 141-152,(2006). [5] Newman,S., Nassehi,A., Xu,X., Rosso,R., Wang,L., Yusof,Y., Ali,L., Liu,R., Zheng,L., Kumar,S., Vichare,P., Dhokia,V., Strategic Advantages of Interoperability for Global Manufacturing Using CNC Technology Robotic and Computer-Integrated Manufacturing, 24 699-708,(2008). [6] Ljungberg,L., Edwards,K., Design, Metarials and Marketing of Successful Products Metarials and Design 24 519-529,(2003). [7] Kabaş, K., Çetinkaya, K., Masaüstü CNC Dik İşleme Tezgahı Tasarımı ve Soğutma Sıvısı Uygulaması, 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), Elazığ, Turkey,16-18 May 2011. [8] Demir,H., Ulaş,H., Zeyveli,M., Talaşlı Üretimde Kullanılan Kesme Sıvılarından İstenen Özellikler 5.Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu(IATS 09),Karabük/Türkiye [9] Demir,H., Taşlama İşleminde Soğutma Sıvısının Yüzey Pürüzlülüğüne Etkilerinin İncelenmeesi Teknoloji 11, (1) 33-38,(2008) [10] Sevil, S., Kaygısız, H., Çetinkaya, K., Dört Eksenli Masaüstü Cnc Freze Tasarımı ve Prototip İmalatı International Iron & Steel Symposium, 02-04 Nisan 2012, Karabük, Türkiye