Selim Koca
Kalıpçılık Öğretmenliği Böl.
Gazi Üniv. Teknik Eğ. Fak. Makine A.B.D.
Aralık 2007, Teknikokullar, Ankara

Not: Aralık 2007'de lisans bitirme tezi olarak yapılan bu çalışma, ilk defa
Nisan 2008'de TurkCADCAM.net Portalında yayınlanmaya başlamıştır.

ÖZET

Yüksek hızda işleme, genel olarak freze takımlarıyla, yüksek devir ve ilerlemelerle işleme yapmaktır.Bu işleme tekniği geniş pasolar ve büyük takımlarla talaş kaldırma yerine düşük pasolar ve küçük takımlarla işleme yapılmasına olanak tanır (1).

Uygulama alanı olarak dövme kalıpları, plastik kalıpları, şişirme kalıpları, grafit ve bakır elektrot işleme, otomotiv, havacılık ve uzay sanayi örnek gösterilebilir (2).

Yüksek hızda işleme tekniğini kullanabilmek için kritik dört ana bileşen bulunmaktadır. Bunlar; Yüksek hızda işleme için uygun bir CNC takım tezgahı, gelişmiş bir CNC kontrol sistemi, yüksek hızda frezelemeye uygun takım yolu üretebilecek bir CAM programı ve yüksek devir ilerlemelerde kullanılabilecek uygunlukta bir kesici takımdır.

Örnek bir HSM uygulaması (www.datrondynamics.com)

1. GİRİŞ

Yüksek hızda işleme ; düşük talaş derinliği, 10.000 dev/dak nın üzerinde bir devir sayısı, 5.000 mm/dak dan fazla bir ilerleme değeri ve küçük çaplı kesici takımlar ile yapılan bir talaşlı imalat yöntemidir.

Yüksek hız CNC’ lerde normal CNC tezgahlara göre ısı yükselmesi ve titreşimlerin daha fazla olması beklenir. Dolayısı ile yüksek hız CNC tezgahların mekanik olarak yapısının farklı olması zorunluluğu ortaya çıkmaktadır (2).

Yüksek hız CNC tezgahlarda kontrol sisteminin işlenen blok satırının çok ötesindeki satırları daha önceden okuyup yorumlaması gerekmektedir. Bu sayede tezgah hareketlerinin kesintisiz olması sağlanır. Aksi taktirde, çok küçük süreli de olsa meydana gelebilecek olan hareket kesintilerinde yüzey üzerinde pürüzler oluşması ve kesici takım kırılması engellenemez (1,2).

Yüksek hızda işleme teknolojisine geçilmesi düşünülüyor ise öncelikle yüksek hız CNC tezgahın satın alınması, ardından uygun CAM sisteminin seçilmesi gerekir. CAM yazılımında Yüksek hızda işleme için gerekli olan sabit talaş hacmi, yumuşak takım hareketi, helisel ve dairesel giriş çıkış makroları, boştaki hareket alanlarını görebilme kabiliyeti, kavisli yüzeylerde kavis öncesi yavaşlama ve kavis sonrası hızlanma hareketlerini tanımlama kabiliyeti bulunmalıdır (2).

Yüksek hızda işleme de, kesici takımlar normal kesme işlemlerine göre daha hızlı aşınacaktır. Bu tip aşınmaların ölçü hassasiyeti üzerinde yapacağı olumsuz etkilerden dolayı yüksek hızda işlemelerde kolay aşınmayan, takım ömrü yüksek kesici takımlar seçilmelidir.Genel olarak yüksek hızda işlemede kaplamalı sinterlenmiş karbürler ve PCBN(Çok kristalli kübik bor nitrür) kesici takımlar kullanılır.

2.1. CNC Tezgahın Mekanik Yapısı

2.1.1. Fener Mili ve Yapısı

Günümüzde fener mili teknolojisi ile BT40 konikli sistemlerde 20.000, 30.000 dev/dak veya daha üst seviyedeki devir değerlerine ulaşılabilmektedir. HSM den geniş bir alanda fayda sağlanmak istenmekte ve artı olarak konvansiyonel makinalardaki dayanıklılık mertebesine yakın mertebelerde kalınmak isteniyorsa, 10.000...15.000 dev/dak aralığında kalınması en uygun seçim olacaktır (3).

Şekil 2.1 de HSM de kullanılan fener mili ve yapısı görülmektedir.

Şekil 2.1. Fener mili ve yapısı, BT40 maksimum 40.000 dev/dak (3)

Devir sayısı ne kadar fazlaysa, fener mili kaçıklığı ve balans (salgı) olayı da o kadar kritik bir önem arz eder. Bu sebeple 15.000 dev/dak ve daha yüksek devirli tezgahlarda BT, ISO gibi konik çektirmeli tutucular yerine BBT tarzı duble kontak (konik ve alın çektirmeli) tutucular kullanılarak, salgı probleminin en aza indirilmesi sağlanır (1,2,3).

Fener millerinin yağlanması da büyük bir önem taşımaktadır. Ayrıca yağlama durumuna göre yine rulman seçimi ve rulmanın nereden yağlanması gerektiği farklılık göstermektedir. Konvansiyonel tezgahlarda gres yağlama tekniği, mükemmel bir şekilde çalışır. Fakat 10.000 dev/dak üzerine çıkıldığında artık gres yağlama tekniği yetersiz kalır. Yüksek devirlerde gres istenenden fazla direnç gösterir, neticede aşırı derecede ısınmaya sebep olur. Yeni yağlama teknolojisi, rulmanlar çalıştığı sürece bunlara sürekli olarak enjekte edilen yağ ve hava karışımını kullanır. Yağın viskozitesinin düşük olması, dolayısıyla grese oranla rulmanların dönmesine karşı daha az direnç gösterir ki sonuç olarak daha az ısı oluşur. Yağ ve hava karışımının daha az ısı üretmesi ve aynı zamanda enjekte edilen havanın da ısı transferine olumlu yönde etki etmesi dolayısıyla rulmanlar fark edilebilir derecede soğuk çalışır (3).

2.1.2. Kayıt – Kızak Sistemi ve Yapısı

Mekanik bileşenlerin tamamı, rulmanlar, bilyalı vidalar, kızaklar birbiri ile sürtünmektedir ve ısı üretmektedir. Motorlar ısı üretmektedir. Kesme işlemi esnasında ısı üretilmektedir. Oluşan tüm bu ısı makine mekanik bileşenlerinin, fiziksel şeklini değiştirebilir ki ısındıkça uzama veya soğudukça büzülme meydana gelecektir (3).
Vida şaftının termal genleşmesi; l = q x t x l formülü ile hesaplanır. Burada;
q : Genleşme katsayısı, çelik için 12µ / °C
t: Sıcaklık artışı °C
l: Bilyalı vida boyu mm

Tablo 2.1. 5 °C'lik sıcaklık artışında tabla milindeki uzama (3)

Değişik hareket boylarına sahip tezgah sistemlerinde, 5 °C'lik bir sıcaklık artışında bilyalı vida boyunda meydana gelen uzama miktarı, Tablo 2.1. de verilmiştir. Bilyalı vida destek rulmanlarının 4 mikronu aşmayacak şekilde eksenel oynamalara olanak tanımasına karşın bu sıcaklık artışı ile elde edilen değerler oldukça yüksek değerlere ulaşmaktadır. Bu ise, kızak sisteminde elemine edilmesi gereken en önemli aşamalardan biridir. Bilyalı vida sisteminde oluşabilecek olan sıcaklık artışlarını en aza indirmek için şu kriterler göz önünde bulundurulmalıdır:

1- Bilyalı vida ve destek rulmanlarındaki ön gerilmenin asgariye indirilmesi,
2- Bilyalı vida adımının daha büyük seçilmesi ve bilyalı vida devrinin mümkün olduğunca düşük seçilmesi,
3- Bilyalı vida sisteminin yağ lanmasında uygun sistemin seçilmesi,
4- Yağlayıcı, hava veya benzeri elemanların kullanılması suretiyle bilyalı vida çevresel yüzeyinin soğutulması,
5- Bilyalı vida sistemini soğutmak için, vida merkezinden, vida boyunca açılan bir kanaldan yağın sürekli temin edilmesi (3).

Böyle bir sistem yapısı Şekil 2.2. de gösterilmiştir.

Şekil 2.2. Bilyalı vida sisteminin merkezi sistemle soğutulması (3)

Hareket ne kadar hızlı olursa, daha fazla ısı üretilir. Hassasiyet konuları yanında, ısınma makine aşınmasını hızlandırmakta, bunun sonucu olarak ön gerilmeli rulmanlarda ve diğer mekanik bileşenlerde yüksek temas yükleri oluşmaktadır. Bunun sonucunda, yüksek sıcaklıklar dolayısıyla sistemi oluşturan her bir parçada aşınma kaçınılmaz olmaktadır. Çoğu makine imalatçısı, servo motorlar etrafından ve / veya bilyalı vidanın içinden soğutma suyu dolandıran sistemler kullanmaktadır. Buna karşın sıcaklık farkları dolayısıyla termal gerilmelerin oluşumu kaçınılmazdır. Özellikle tezgah uzun bir süre kapalı kaldıktan sonra, çalıştırılmak için açıldığında makine elemanları arasındaki sıcaklık farklarını en aza indirmek için, makine ilk açıldığında, düşük devir ve ilerleme değerlerinde boşta çalıştırılmak suretiyle ısıtma işlemine tabi tutulur (3).

Yüksek hızda işleme için kutu tipi kızak yapısı yerine lineer kızaklı sistemler kullanılır. Makinanın ana hareketli kısımlarının, rulmanlar üzerine konulması dolayısıyla sürtünme azaltılır, eksen hareketlerinin icra edilmesi için daha az kuvvete gereksinim duyulur ve daha az ısı oluşur (3).

2.2. CNC Kontrol Sistemi

2.2.1. Önüne Bak Kontrolü (Look Ahead Control)

Look-Ahead, sadece bir kaç yeni kontrol sisteminde bulunan oldukça yeni bir unsurdur. Look-Ahead, point-to-point (nokta-nokta) hareketlerin, yüksek hızda yapılması sırasında bindirme olayından korunmak amacıyla geliştirilmiş bir kontrol fonksiyonudur (4, 5).

Look-Ahead fonksiyonunun, işleme sırasında takım yolunu programlanan konturda takip etmesi için bir sonraki işleme bloklarına ait çok sayıda bloğu (noktasal hareketler) görebilmesi ve bu bloklardaki kontur değişimlerine göre değerlendirme yapması gereklidir (4, 5).

Yüksek hızda işleme için gelişmiş kontroller ve CAD/CAM entegrasyonu sonucu CNC tezgahlar 3D yüzeylerin işlenmesinde daha fazla kullanılmaya başlamıştır. CNC uygulamalarında, takımın eski NC ve CNC tezgahlarda görülen bekleme olmaksızın, noktalar arasında akıcı bir şekilde kesme işlemini yapabilmesi gerekir. Eğer bir CNC makinada çok küçük artış birimleri ile (0.1..1) nokta-nokta hareketleri yapacak şekilde yüksek hızda işleme yaptırılmak istenirse; ani kontur değişimlerinin olduğu bölgelerde CNC tezgahın konturdan sapması ve parçaya dalması yüksek hızlı kontrolle donatılmış makinalar haricinde kaçınılmazdır (4, 5).

2.2.2. Servo Çevrim Zamanı (Servo Cycle Time)

CNC, kontrolün her bir ölçme işlemini alıp, komut olarak vermesi için gerekli olan zaman olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, eğer kontrol sistemi servo-çevrim zamanı 20 ms (1 mili saniye = 1/1.000 saniye) ise, neticede eksen pozisyonlarının ölçülmesi ve yeni yön komutlarının verilmesi saniyede 50 defa yapılır (4, 5).

İşleme yapılan şartlar:
İlerleme miktarı: 2.500 mm/dak
İstenen yüzey hassasiyeti: 0,01 mm
Servo çevrim süresi: 3 ms

Basit bir hesaplama ile dakikada 2.500 mm yol alan tabla, 1 saniyede 2.500/60 = 41,66 mm yol alır. 1 saniyelik süre içerisinde 1.000/3 = 333 defa eksen pozisyonlaması yapılır. 1 saniyede alınan yol 41,66, 333'e bölünürse her bir ölçüm işlemi neticesinde makine tablasının aldığı yol, 0,125 mm olarak bulunur. İstenen yüzey hassasiyeti 0,01 mm olduğundan bu yüzey kalitesini elde etmek imkansızdır. Çünkü makine 0,125 mm artış değerleri sonucunda kontrol dışı kalır.

2.2.3. Doğrudan Sayısal Denetim (DNC – Direct Numerical Control)

Takım yoluna ait program bilgilerinin, CNC kontrolün yüksek hız performansından ödün vermeden, CNC kontrol sistemine mümkün olan en hızlı biçimde aktarılması gerekmektedir. CNC kontrol sistemine, programın dış ortamdaki bir bilgisayardan yüklenecek şekilde işleme operasyonu yaptırılması DNC (Direct Numerical Control) olarak adlandırılır (4, 5).

DNC tipik olarak, 110 … 38 400 baud veya bits /sn hızlarında seri haberleşme vasıtasıyla yerine getirilir. Haberleşme hızı olarak, en yaygın şekilde kullanılan hız 9600 baud (960 karakter/sn- 9600/8=1200 Byte/sn) dir. CNC için program bilgileri, bloklar şeklindedir ve ortalama olarak her bir satırda (blok) yaklaşık 20 karakter bulunur. Örneğin G1 X123.456 Z234.567. Her ne kadar boşluk (space) gibi “kontrol” karakterleri görünmese de bunlar da iletim sırasında zaman alır. 3, 4 veya 5 eksen işleme operasyonları için, ek adres ve sayısal değerlerin, satır numaralarının ve ilerleme v.s. gibi değerlerin eklenmesi suretiyle, tek bir bloktaki gönderilecek karakter sayısı daha da artar. 960 karakter/sn haberleşme hızında, CNC gerçekte işleme kapasitesi açısından 960 / 20 = 48 blok/sn gibi çok kısıtlı sayıda bloğu icra edebilecektir. Saniyede 48 satırlık bir haberleşme Yüksek hızda işleme için oldukça düşüktür (4, 5).

2.2.4. Direkt CNC Ağ Bağlantısı (DCN- Direct CNC Networking)

Direkt ağ bağlantısı veya DCN, yüksek hızda işlemedeki veri transfer problemine daha iyi çözüm sunmaktadır. DCN basit olarak, DNC sistemini komple elimine etmek suretiyle CAD/CAM bilgisayarından CNC kontrol sistemine direkt ağ bağlantısı sağlayan mevcut ağ mimarilerini kullanmaktadır. DCN normal olarak DNC sisteminden 1.000 kat daha hızlıdır. En basit şekilde, 9.600 baudla haberleşen bir DNC sisteminde, 10 Mb lık bir dosya 3 saat içinde transfer edilirken, aynı dosya DCN ile bir dakikadan az bir zamanda transfer edilebilir (4, 5).

Günümüzde kullanılan en yaygın ağ bağlantısı ethernet olmasına rağmen, Arcnet, Token Ring ve Fast Ethernet günümüzde kullanılan yaygın ağ bağlantılarındandır. Bu noktada ethernetin veri transfer hızlarına bakıldığında standart ethernet bağlantısı ile saniyede 1 milyon karakter (10 Megabit ) veri transferi yapılabildiği düşünüldüğünde, DNC haberleşme hızından 1.000 kat daha hızlı olduğu görülmektedir (4, 5).

2.2.5. Dijital Sinyal İşlemcisi (DSP- Digital Signal Processing)

Sıradan bilgisayarların yüksek performanslı CNC ler olarak kullanılabilmesini sağlayan teknoloji DSP olarak adlandırılır (4, 5).

Hızlı servo çevrim zamanlarının temel anahtarı DSP’dir. DSP ayni zamanda CNC kontrolün ivmelenme ve yavaşlama rampalarını da etkilemektedir (4 ,5).

DSP lerin bir başka faydası da, bilgisayardaki ana işlemcinin diğer görevleri yapmak için rahat çalışabilmesidir. Gerçekte, makina kontrolü olarak DSP ile entegre edilmiş çoklu işlemcilerin kullanıldığı bir bilgisayar, büyük performans artışı sağlamaktadır. DSP eksen pozisyonlarının ölçümünde ve eksenlere yeni komut değerlerinin verilmesinde kullanılırken; ana bilgisayar da ağ bağlantısı üzerinden takım yolu verilerinin alınmasını ve bu takım yolu verilerine göre uygun ilerleme değerinin verilmesini sağlamaktadır (4, 5).

2.3. CAM Sistemi

2.3.1. Takım Yolu Oluşturulurken Bilinmesi Gereken Temel Noktalar

1. Sabit Talaş Hacmi: Kaldırılan talaş hacmini sabit ya da sabite çok yakın hale getirmek gerekir. Bunu yapmak için yana kayma hareketlerinin değerlerine dikkat etmek gerekmektedir.
2. Yumuşak Takım Hareketi: Yüksek hızlarda takımın keskin ve ani geçişler yapmamasını sağlamak gerekir. Keskin takım yollarının köşeleri yuvarlatılmalıdır.
3. Dış köşelerde de iç köşelerde olduğu gibi takım yollarının köşeleri yuvarlatılmalıdır.
4. Derin dişi ve cep işlemelerinde farklı uzunluklara sahip farklı takımlar efektif olarak kullanılmalıdır. Kısa takımlar uzun takımlara göre daha rijit olduklarından derin ceplerde daha iyi kesme yaparlar.
5. Kaba pasolarda 5–10 derecelik helisel giriş, yari finiş ya da finiş pasolarda ise dairesel giriş tercih edilmelidir.
6. Finiş işleme yaparken, scallop yüksekliğini minimumda tutmak gerekir. Bu değeri 0.001mm civarında, kesim toleransları 0.001–0.005 arasında ayarlamak yüzey kalitesini iyileştirecektir.
7. Parçaların finişini yaparken, tek seferde finiş atmak yerine bölgelere ayırıp o bölgeye en uygun formda işleme yöntemi seçmek gerekmektedir (6).

2.4. Kullanılan Kesici Takımlar

2.4.1. Kaplamalı Sinterlenmiş Karbürler

En belli başlı kaplama malzemeleri titantum karbür (TiC), titanyum nitrür (TiN), alüminyum oksit – seramik (Al203) ve titanyum karbo nitrür (TiCN)’ dür. Titanyum karbür ve alüminyum oksit yüksek aşınma direnci sağlayan, kimyasal olarak başka malzemelerde reaksiyona girmeyen, takım ile talaş arasında kimyasal ve ısıl bir kalkan oluşturan, çok sert malzemelerdir. TiN, o derece sert olmamasına karşın kesici ucun yüzeylerinde daha düşük sürtünme katsayısı ve daha iyi krater aşınması direnci sağlamaktadır. TiN’ in altın sarısı bir rengi vardır (7).

Yüksek hızda işlemelerde kesici takım seçerken 40 HRC nin altındaki malzemelerde TiN (titanyum-nitrür) ve TiCN (titanyum-karbo nitrür), 40 HRC ve üzerindeki sertliğe sahip malzemelerde TiAlN (titanyum-aluminyum-nitrür) kaplanmış kesici takımların kullanılması tavsiye edilmektedir. TiAlN kaplanmış kesici takımlar, diğer takımlara göre 8 kat daha pahalıdır, fakat genel ortalamada ömür ve tezgah saati olarak diğer takımlara göre daha verimli olmaktadırlar (2).

2.4.2. PCBN Kesici Takımlar

Çok kristalli kübik bor nitrür uçlar ile daha yüksek kesme hızlarında, daha fazla talaş derinliğinde kesme yapılabilir ve sertleştirilmiş çeliklerin ve sertliği 35 HRC ve daha yukarı olan sert Ni, Cr – Ni alaşımlı Inconol, Rene, Waspalay, Stellite gibi yüksek sıcaklık alaşımların işlenmesinde kullanılabilmektedir (8).

Çok kristalli kübik bor nitrürlerin temel özellikleri;
1- Yüksek sertlik,
2- Yüksek abrasyon direnci,
3- Yüksek basma dayanımı,
4- Yüksek termal iletkenlik (8)

Bu takımlarla aşağıdaki malzeme grupları yüksek performansla işlenebilmektedir.

1- Sertliği 45 – 65 HRC olan malzemeler, AISI 4340, 8620, M2 ve T15 gibi sertleştirilmiş çelikler ve nikel esaslı sert malzemeler
2- Brinell sertliği 180 – 240 olan dökme demirler, abrasiv demirli metaller ve nikel dirençli malzemeler,
3- Sertleştirilmiş parçaların bitirme işlemlerinde, tipik olarak takım çelikleri veya talaş derinliği 0.5 mm’ den az ve 0.2 mm’ lik yüzeyi sertleştirilmiş parçalar,
4- Jet motoru parçaları gibi uzay endüstrisinde kullanılan yüksek nikel alaşımlı süper alaşımlar (8).

Başka bir deyişle, PCBN kesici takımların en iyi uygulama alanları, kaplamalı sinterlenmiş karbürlü kesici takımlarla işlenemeyecek ya da bu takımların çok çabuk aşınıp bozunmasına neden olacak malzemelerin işlenmesidir (8).

2.5. HSM Sonucu Elde Edilen Yüzey Kalitesi

Yüksek hızda işlemede, son pasoda 0.1 mm stepover, pozitif boşluk açılı (rake angle) küçük takımlar ile işleme stratejisi geliştirildiğinde yüzey üzerinde 0.001 mm pürüzlülük (cusp) oluşmaktadır, bu ise ek bir işçilik gerektirmeyecek kadar düzgün yüzeylerin elde edilmesi sağlar. Şekil 2.3. de HSM sonucu elde edilen yüzey kalitesi gösterilmiştir (2).

Şekil 2.3. HSM ile elde edilen yüzey kalitesi (9)

VIBRA-FREE HD Roughing & Finishing Milling

3. SONUÇ ve İRDELEME

Bu çalışmada, imalat sürelerini sertliğe bağlı kalmaksızın en az %40 azaltabilen, Yüksek hızda işleme tekniği ele alınmıştır. Bu işleme yönteminin teorik alt yapısı yaklaşık yüz yıl öncesine dayanmaktadır ancak ülkemiz sanayisinde yeni uygulama alanı bulmaktadır. Bu tekniği verimli kullanabilmenin yolu Yüksek hızda işleme yöntemine uygun CNC tezgahtır. Bu tezgahların ise diğer CNC tezgahlarından en önemli farkı mekanik aksamı yanında servo çevrim zamanlarının çok hızlı olmasıdır. Bu teknolojiyi daha ileri götürmenin yolu servo çevrim zamanlarının daha kısa tutulmasından geçmektedir.

KAYNAKLAR:

1. MERTOĞLU, Tolga, Tezmaksan A.Ş., İstanbul, Temmuz 2006
2. KALAYCIOĞLU, Bülent, Altar Teknoloji Ltd. Şti.
3. MAMUR, Turgay, Yüksek Hızda İşleme ve Makine Mekaniği, www.makineteknik.com
4. Yüksek Hızda İşlemede Kontrol Sistemi Yapısı, www.makineteknik.com
5. www.deltatau.com > Delta Tau Data Systems, Inc. - Motion Control
6. ALPAY, Cem, Unigraphics NX3 ile Yüksek Hızda İşleme Teknikleri, Üçgen Yazılım
7. ÇAKIR, M., C., Modern Talaşlı İmalatın Esasları, Ceylan Matbaacılık, 1999
8. ŞAHİN, Yusuf, Talaş Kaldırma Prensipleri, Cilt 1, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara, 2000
9. www.vibrafree.com > VIBRA-FREE: UHSHM (Ultra-High-Speed-Hard-Milling)