Sitemizde en çok hangi konu başlığı altındaki haberleri takip ediyorsunuz?
Araştırma-Makale
Güncel-Fuar
Haberler
Şirketlerden
Tribolojik aşınma analizi
Patrick De VOS Seco Tools
Kurumsal Teknik Eğitim Müdürü
Bu makale, metal kesme takımlarının uygulanması ve işleme proseslerinde oluşan yükler hakkındaki bir dizi makalenin dördüncüsüdür. Birinci makale, temel metal kesme konseptlerine ve takım geometrisi, ilerleme hızları ve tornalama işlemlerindeki mekanik yükler arasındaki ilişkiye odaklanmıştı. Bunu takip eden iki makalede, frezeleme işlemlerindeki mekanik ve termal yükler analiz edilmişti. Bu makalede ise, talaş ile takım arasındaki etkileşimler, metal kesme yükü analizinde yeni sayılabilecek bir alan olan triboloji teorilerine dayalı olarak açıklanmıştır. Triboloji teorilerinde birbirine temas eden yüzeylerin belirli sıcaklık ve basınçlarda nasıl etkileşime geçtikleri araştırılmaktadır.
Takım aşınma teorileri Metal kesme operasyonlarında bir takım, iş parçası malzemesini deforme eder ve talaş şeklinde makaslanıp atılmasına sebep olur. Deformasyon prosesi ısı ve basınç üretir. Bunlar, takımın zamanla aşınmasına veya bozulmasına neden olan yüklerdir. Geleneksel aşınma teorisi, arızaların birbirine temas eden, ancak birbirlerine bağlı olmayan talaş ve takım arasındaki sürtünmeden kaynaklandığını önerir.
Kesici takım arızalarına yol açan mekanizmalar hakkında yapılan son araştırmalar, başta yüksek performanslı iş parçası malzemeleri işlenirken oluşanlar olmak üzere, metal kesme işlemlerinde oluşan basınç ve sıcaklıklar, talaş/takım arayüzünde oluşan durumun klasik aşınma teorisiyle tam olarak açıklanamamasına yol açmaktadır.
Tribolojik araştırma, kesme işleminde sadece tek bir makaslama olayı ve sonrasında talaş ile takımın birbirinden ayrılması durumu olmadığını belirlemiştir. Aslında, ikincil ve üçüncül bağlantılar ve ayrılmalar da oluşmaktadır. Talaş makaslanır, boşluk yüzeyine yapışır ve ardından, takımdan kayarak çıkmadan önce tekrar makaslanır. Ana aşınma mekanizması sürtünme değil, tekrarlanan makaslamadır.
Şekil 1 ve 2´de, tribolojiyle açıklanan metal kesme işlemi gösterilmektedir. Şekil 1´de, iş parçası malzemesinin 5. bölgedeki ön deformasyonu gösterilmektedir. 3. bölge, durma noktası olarak da anılan ayırıcı bölgedir. Çünkü, iş parçası malzemesi ile takımın bu bölgedeki bağıl hareketi temelde sıfırdır. İlk makaslama birincil makaslama bölgesi 1´de oluşur. Burada malzeme makaslanır ve talaş oluşur. Ardından, ikincil makaslama bölgesi 2´de talaş, boşluk yüzeyi ile temas eder. Yüksek basınçlar, talaşın takımın boşluk yüzeyine yapışmasına sebep olur.
Şekil 2´de, 2. bölgede gerçekleşen olaya daha yakından bakılmıştır. A bölgesinde iş parçası malzemesi, kesme kenarına aşırı kuvvet uygulayarak bastırır ve takıma yapışmaya başlar. B bölgesinde, malzeme boşluk yüzeyine yapışır. C bölgesinde, talaş makaslanarak boşluk yüzeyinden ayrılıp, bunun üzerinde kayar ve boşluk yüzeyi ile takım arasındaki teması sonlandırır.
Şekil 1´de ayrıca, 4. bölgede takım yanağındaki ikincil makaslama da gösterilmektedir. 2. bölgede boşluk yüzeyinde oluşan makaslama ve yapışma olayı yanakta da meydana gelir. 4. bölgede gerçekleşen olaylar yanak aşınmasına yol açar. Bu, 2. bölgedeki boşluk yüzeyi aşınmasına göre daha kolay tahmin edilir ve görece daha zararsızdır. Ancak, bazı iş parçası malzemelerinde yanak yüzeyindeki makaslama sonucunda yüzey veya iş sertleşmesi oluşarak, kesici takım ve iş parçası üzerinde olumsuz etki meydana gelir.
Kenarda talaş birikmesi İş parçası malzemesinin takım boşluk yüzeyine yapışması ince katmanlar halinde başlar ve diğer katmanlar oluştukça artar. Bunun sonucunda, kenarda talaş birikmesi adı verilen olumsuz durum oluşur. Takım üzerinde çok miktarda malzeme birikirse kesme kenarının profili değişebilir. Biriken malzeme, ucun kenarını kopartabilir veya kenara hasar verebilir. En kötü senaryoda ise, kenarda talaş birikmesi durumu iş parçasının üzerinde gerçekleşir. Bu durumların herhangi birinde ya da tamamında, kenarda birikme sonucu kesme işlemi tahmin ve kontrol edilemez hale gelir. Tribolojinin temel odak noktası; kenarda talaş birikmesine neyin yol açtığını ve sorunu en aza indirgemek için neler yapılabileceğini anlamaktır.
Kesme işleminin iki unsuru talaşın boşluk yüzeyine yapışmasına katkıda bulunur. Bunlardan biri, kesme bölgesindeki çok yüksek basınçlar ve sıcaklıklardır. Diğer faktör ise, talaşın durma noktasında sıfırdan başlayan, takımın boşluk yüzeyi üzerindeki görece düşük hızıdır. İki malzeme yüksek basınç ve sıcaklık altında birbirleriyle temas edip yavaş hareket ettiğinde, bunların birbirine yapışması ve kenarda talaş birikmesi oluşumu için gerekli koşullar sağlanmış olur.
Yapışmayı ve kenarda talaş birikmesi olasılığını en aza indirgemek için talaş ile boşluk yüzeyi arasındaki temas süresi azaltılmalıdır. En basit çözüm, kesme hızını artırmak ve daha keskin bir uç uygulamaktır. Daha yüksek kesme hızları takımın ve iş parçası malzemesinin birbiriyle temas ettiği süreyi azaltır. Bunun sonucunda ortaya çıkan yüksek işlem sıcaklıkları da, kenarda talaş birikmesinin gücünü azaltabilir ya da bunu tamamen ortadan kaldırabilir. Daha keskin ucun yaklaşım açısı daha yüksek olup, talaşın belirli bir süre içinde daha hızlı hareket ederek, daha uzun mesafe kat etmesini sağlar.
Malzeme eğilimleri Triboloji, 20 yıl önce yaygın olarak işlenmeyen iş parçası malzemelerinde kenarda talaş birikmesi çok daha fazla olduğundan, son zamanlarda dikkatleri üzerinde toplamıştır. Örneğin; kenarda talaş birikmesi olayı yüksek karbon çelikleri gibi bilindik malzemelerde de meydana gelmekte, ancak büyük bir soruna yol açmamaktadır. Doğru işleme parametrelerini uygulamak, genelde yapışmayı ortadan kaldırmakta ve kenarda talaş birikmesini önlemektedir. Ayrıca, döküm demir gibi çok kısa talaşlı malzemelerde hiçbir sorun görülmemektedir. Ancak, uzun talaşlı malzemelerde talaş ile takım arasında otomatik olarak daha uzun temas süresi oluştuğundan, aralarındaki yapışma açısından daha büyük risk söz konusudur. Düşük karbon çelikleri ve alüminyum gibi malzemeler işlenirken, kenarda talaş birikmesi olasılığı daha yüksektir.
Kenarda talaş birikmesi en çok yüksek sünekliğe, yüksek adezyon eğilimlerine ve abresifliğe sahip malzemeler işlenirken oluşur. Bunun en önemli örneklerinden biri; titanyum, nikel bazlı alaşımlar ve ısıya dayanıklı metaller kullanılan havacılık ve uzay ile enerji sektöründeki malzemelerdir. Kenarda talaş birikmesini hızlandıran diğer faktörler, zayıf termal iletime sahip bu sert alaşımları işlerken oluşan yüksek basınç ve sıcaklıklardır. Genel olarak, bu malzemelerin kesme hızları ortalamanın altındadır.
Kesme hızlarını ve takım keskinliğini en üst düzeye çıkarmanın yanı sıra, takımın yüzey durumuna odaklanarak kenarda talaş birikmesini kontrol etmeye yönelik yaklaşımlar da vardır. Şaşırtıcı şekilde, bu konu hakkında birbiriyle temelde karşıt olan iki yaklaşım mevcuttur. Yaklaşımlardan biri; takım yüzeyi daha pürüzsüz olursa, talaş takım yüzeyinde kayarken daha az enerji üretileceğini savunur. Düşük sıcaklıklar ve daha az temas, kenarda talaş birikmesi eğilimlerini azaltır. Bu teorinin karşısında; çıkıntılar veya mikron düzeyinde özelliklerle oluşturulan daha kaba takım yüzeyinin, talaş ile boşluk yüzeyi arasında daha az temas oluşturarak, adezyon olasılığını azaltacağını savunan bir anlayış söz konusudur. Bu yaklaşımların hiçbiri tam olarak kanıtlanmamıştır. Ancak, ikisinden birinin etkili olabileceği durumlar söz konusudur.
Sonuç: Tribolojiyle elde edilen ilerleme Kenarda talaş birikmesi (yan çubuğa bakınız) gibi sorunlarla başa çıkmak amacıyla geliştirilen triboloji araştırması ve teorileri ile işlem ve takım teknolojileri, müşteri gereksinimlerini karşılayan işlenmiş yüzey kalitesi elde etme amacına odaklanmaktadır. Boyut ve şekil gereksinimlerinin yanı sıra, yüzey sertliği de sıklıkla parça kalitesinin belirlenmesinde rol oynamaktadır. Özellikle, havacılık ve uzay ile nükleer enerji uygulamalarında yüzey kalitesi en yüksek öneme sahiptir. Çünkü, kusurların işlenmesi, kritik uçak ve enerji üretimi bileşenlerinde oluşan çatlakların kaynağı olabilmektedir.
Kenarda talaş birikmesi yüzey kalitesinin kötü olmasına yol açar ve takımların daha sık değiştirilmesini gerektirir. Tribolojik araştırma gibi faaliyetler sayesinde, kenarda talaş birikmesi durumunun ortaya çıkışını ve etkilerini sınırlamada ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu ilerleme, bir milimetre kare boyuta sahip doğru şekilde işlenmiş bir iş parçası yüzeyi elde etmek için gereken maliyet olarak tanımlanabilecek maliyet-performans oranı gibi terimlerle açıklanabilir.
Son beş yıl içinde titanyum finiş frezeleme ile ilgili maliyet-performans oranı yaklaşık 20 kat artmıştır. Kesici takım malzemelerinde ve takım geometrilerinde elde edilen gelişmeler bu başarıya katkıda bulunmaktadır. Ancak en önemlisi, bunların dikkatli bir şekilde geliştirilen kombinasyonları olmuştur. Takım uygulamalarındaki tribolojik mekanizmalar hakkındaki bilgiler, operatörlerin kenarda talaş birikmesi gibi olayları kontrol etmesine ve istenen yüzey kalitesini düşük maliyetle elde ederek, üretkenliği ve kârlılığı en üst düzeye çıkarmasına olanak sağlayabilir.
Yan çubuk: Tribolojik bulguların uygulanması Takım geliştirme mühendisleri, tribolojik araştırma bulgularını takım ve işleme proseslerinin geliştirilmesine uygulamaktadır. Proses tarafında daha yüksek kesme hızlarının ve keskin kesme kenarı geometrilerinin uygulanması, birçok durumda kenarda talaş birikmesini kontrol etmede etkili olmaktadır. Pozitif boşluklu takımlar gibi diğer takım geometrisi seçeneklerinin kullanılması, kesilen malzemeyi iş parçasından uzaklaştırmaya yardımcı olabilir.
Takım kaplamalarının iş parçası malzemesinin kesici takıma yapışmasını azaltmada kullanımı kanıtlanmıştır. TiN gibi yağlı kaplamalar, geleneksel olarak çelik işlemede talaş akışını kolaylaştırmak için kullanılırken, alüminyum işleme uygulamalarında elmas kaplamalar kullanılmaktadır.
Son zamanlarda yürütülen geliştirme faaliyetleri, bir kaplamanın kenarda talaş birikmesini en aza indirgemedeki katkılarına odaklanmaktadır. Örneğin; Seco’nun en yeni nesil CVD alüminyum-oksitli Duratomic® kaplaması tribolojik ilkelere dayalıdır. Geliştirme mühendisleri, talaşlar ile kesici takım arasındaki etkileşimler hakkında edindikleri bilgilere dayanarak, kaplama bileşenlerinde çeşitli değişiklikler yapmıştır.
Kenarda talaş birikmesini kontrol etmeye yönelik Seco kaplamalarına bir diğer örnek de, MS2050 frezeleme uçları için geliştirilen yeni gümüş PVD kaplamadır. Bu kaplama, yüksek ısı dayanımı özelliklerine sahiptir ve aynı zamanda, titanyum gibi yapışkan malzemeleri keserken kenarda talaş birikmesini ortadan kaldırmaktadır. Kenarda talaş birikmesi olmadığında, uçlar yaklaşık yüzde 50 daha uzun ömre sahip olur ve mevcut takımlara göre çok daha yüksek kesme parametrelerinde çalışır.
Tribolojik araştırmanın ön planında, kenarda talaş birikmesi gibi olayları işleme üretkenliğine katkıda bulunan olumlu faktörler haline dönüştürmek yer alır. Bazı durumlarda, kesici takımın yüzeyinde kalan ince bir kat iş parçası malzemesi aşınmanın ilerleyişini yavaşlatabilir. Buradaki zorluk, bu takım koruma katmanını takım geometrisini etkilemeyen ve aynı zamanda takım yüzeyinden ayrılmamasını sağlayan bir kalınlıkta tutmaktır.
İşleme açısından karşılaşılan zorlukları daha da artıran yeni yüksek performanslı alaşımların sürekli piyasaya çıkmasıyla birlikte tribolojik araştırma dinamik bir alan haline gelmektedir. Kesici takım ve işleme prosesi geliştiricileri, zorlukları yenilikçi yollarla çözmek üzere tribolojinin sağladığı yeni bakış açılarından yararlanmaktadır.
Bu sayıdaki diğer Araştırma-Makale bölümü yazıları
Tribolojik aşınma analizi