CNC ile Talaşlı İşlemede Kuvvet ve Titreşim Ölçümü

0
944

CNC ile Talaşlı İşlemede Kuvvet ve Titreşim Ölçümü

CNC işleme sürecinde yüksek hassasiyetli üretim için işlem sürecinin kontrolü önem arz etmektedir. Süreç kontrolünü sağlamak ise gerek işlem esnasında, gerekse işlemden önce ve sonra, ancak çeşitli ölçümlerle mümkündür. Kesme kuvvetlerin ölçülmesi ile kesme işleminin fiziğinin anlaşılması, işleme tezgâhına, ölçü
aparatlarına ve kesme takımlarına hasar vermeden güvenli bir üretim yapmanın ön şartıdır. Kesme kuvvetleri, aynı zamanda takımın deformasyonuna neden olacağı için, üretilecek parçanın nihai geometrik ve yüzey hassasiyetini de etkilemektedir. Bu yüzden yüksek hassasiyette parçaların üretilmesi için, kesme işlemi esnasında kuvvetlerin ve takımın elastik deformasyonunun ölçülüp işleme stratejilerinde gerekli düzeltmelerin yapılması şarttır. Bu yazıda, mikro işleme esnasında kullanılan kuvvet ölçme teknikleri, kesme
işlemi esnasındaki takım elastik deformasyonu ölçme teknikleri, lazer sistemi ve yüksek hızda dönen takımın hızını ölçme teknikleri ile söz konusu ölçme işlemleri esnasında karşılaşılan zorluklara değinilmiştir. Endüstriyel uygulamaların büyük bir kısmını boyut ve şekil ölçümleri oluşturmaktadır. Özellikle imalat sanayinde boyutsal ve şekilsel ölçmenin önemi kalite kontrolü açısından büyüktür. Yalnız, bahsi geçen ölçümler, genellikle parça işlendikten sonra yapılmaktadır. Bunun yanı sıra parçanın istenen boyutlarda üretilmesi için işleme esnasında birçok ölçüm de yapılabilmektedir. Yapılan bu ölçümler, işleme stratejisinde

bir hatanın olup olmadığını kontrol edip bir sonraki üretimin seri ve hatasız yapılmasına olanak sağlayabilir.
Kesme esnasında oluşan kuvvetlerin ölçümü, işleme sürecinin fiziğini anlamak açısında son derece önemlidir. Oluşan kesme kuvvetleri, takım ömrünü ve üretilecek parçanın kalitesini doğrudan
etkilemektedir. Bu yüzden kesme esnasında kuvvet kontrolü, beklenmedik takım kırılmalarını ve istenmeyen
şekilsel ve boyutsal hataları önleyebilmektedir. Bunun yanı sıra işleme esnasında kesme kuvvetlerinden kaynaklanan takım deformasyonun ölçülmesi, belirlenen kesme koşullarında oluşacak boyutsal hatayı öngörmemizi ve gerekli düzeltmeler yapıldığında bu hatayı telafi etmemizi mümkün kılar. Takım deformasyonuna neden olan kuvvetlerinin oluşumunda etkili parametrelerden biri de kullanılan iş mili devridir. Mikro işleme esnasında takım çapının küçük olmasından kaynaklı yüksek iş mili devirleri
kullanılmaktadır. Bu çalışmada, iş mili devrinin doğru ölçülmesi için kullanılan lazer sistemi ve ölçme tekniği
üzerinde durulmuştur. Ayrıca, hem kuvvet hem de takım deformasyonu ölçümleri esnasında karşılaşılan zorluklar ve bunun çözümleri gösterilmiştir.

KUVVET ÖLÇÜMÜ VE KARŞILAŞILAN TEKNİK SORUNLAR

Mikro işleme prosesi, mühendislik malzemelerin işlenmesinde, karmaşık geometriye sahip birkaç mikron boyutlarındaki üç boyutlu minyatür parçaların dar toleranslarla ve yüksek hassasiyetle üretilmesi için kullanılan öncü bir yöntemdir. Minyatür parçaların üretiminde en önemli unsur da bu parçaları istenilen geometrik toleranslarda ve yüzey pürüzlülüğünde üretmektir. Buna etki eden en önemli parametrelerden biri de  kesme kuvvetleridir. Bu yüzden kesme kuvvetlerinin ölçümü ve kontrolü, başarılı üretim yapmanın ön şartıdır. Kesme kuvvetlerinin ölçümü için kullanılan sistem, Şekil 1’de gösterilmiştir.

kesme kuvvetleri ölçme sistemi
Şekil.1.Kesme Kuvvetleri Ölçme Sistemi

Mikro frezeleme esnasında kesme kuvvetlerinin ölçülmesi için mikro piezoelektrik dinamometre kullanılmıştır. Dinamometrenin içindeki iki metal plaka arasına piezoelektrik kuvvet sensörleri yerleştirilmiştir. Her sensör içerisindeki kuartz plakalar sayesinde X, Y ve Z yönlerinde gelen kuvvetlerin miktarıyla orantılı, picocoulomb mertebesinde şarj üretmektedir. Dinamometrenin her kesme yönüne özgü hassasiyeti mevcuttur. Bu hassasiyet, pC/N olarak tanımlanır ve üretilen şarjın kaç Newton’a denk geldiğini göstermektedir. Üretilen şarj, amplifikatöre aktarılarak belirli katsayı ile çarpılıp A/D kartına aktarılır. A/D kartında amplifikatörden gelen analog sinyal, sayısallaştırılarak bilgisayara gönderilir ve bilgisayarda uygun yazılımla analiz edilir.

mikro frezeleme ile üretilen parçalar
Şekil.2. Mikro Frezeleme İle Üretilen Parçalar

20.000 dev/dak. iş mili hızı, 20 μm/ dev-diş ilerleme ve 300 μm kesme derinliği için ölçülen X (ilerlemeye dik) ve Y (ilerleme yönündeki) kesme kuvvetleri Şekil 3’te gösterilmiştir. Yalnız, kesme kuvvetleri ölçümü her zaman beklendiği gibi iyi sonuç vermez. Buna örnek olarak Şekil 4.a’da gürültülü kuvvet sinyali verilmiştir.

x ve y yönünde kesme kuvvetleri
Şekil.3. X ve Y Yönünde Kesme Kuvvetleri

Kuvvet sinyalinin gürültü çıkarmasının birkaç nedeni vardır. Onlardan biri, veri toplama sisteminde kullanılan kablo ve bağlantılardır. Diğeri ise kesme esnasında kullanılan kesme frekansının, sistemin ya da dinamometrenin doğal frekansı ile çakışmasıdır. Bu durumda, ölçülen kuvvet sinyali filtrelenmelidir. Şekil 4.b’de filtrelenmiş kuvvet sinyali verilmiştir. Mikro işleme esnasında, kuvvet ölçümü sırasında karşılaşılan bir diğer sorun da dinamometrenin bant aralığıdır. Mikro işlemede, takım çapının küçük olmasından dolayı, gerekli kesme hızını sağlamak için iş mili devrinin yüksek tutulması gerekmektedir. Deneylerde kullanılan mikro dinamometre, mevcut olan en yüksek bant aralığına (~4 KHz) sahiptir. Yalnız, bu bile, iki ağızlı takım
için 150.000 devirde, kesme esnasında kuvvet ölçümü için yeterli değildir; çünkü bu durumda kesme frekansı 5 KHz’dır. Bant aralığı daha geniş olan dinamometrelerin geliştirilmesi bu soruna çözüm olarak sunulabilir.

gürültülü kuvvet sinyali ve filtrelenmiş kuvvet sinyali
Şekil.4. a.Gürültülü Kuvvet Sinyali  b.Filtrelenmiş Kuvvet Sinyali

KESME SIRASINDA TAKIM DEFORMASYONU ÖLÇÜMÜ

Günümüzde, mühendislik alanında parçaların, sadece üretilmesi değil; yüksek performanslı, kısa zamanda ve yüksek hassasiyet ile üretilmesi de önem arz etmektedir. Bahsi geçen durumu sağlamak için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri, işleme esnasında kesme hacmini arttırmaktır. Kesme hacminin arttırılmasının yolu da kaba kesme işleminin fiziğinin incelenmesi ve buna bağlı olarak işleme esnasında radyal ve eksenel kesme derinliklerinin ya da anlık kesişim bölgelerinin düşük olduğu yerlerde ilerlemenin arttırılmasıdır.
Kesme derinliklerinin kontrolsüz arttırılması, beraberinde takıma gelen yükü de arttırmakta; bu da takımın esnemesine, nihai parça toleransının bozulmasına veya takımın kırılmasına neden olmaktadır. Takım boyutları küçüldükçe bu durum, daha da önemli hale gelmekte ve mikro takımlar için kritik olmaktadır.
Kesme kuvvetleri altında takımın ne kadar esnediğini, dolayısıyla nihai parçanın ideal şekilden ne kadar saptığını ölçmek için lazer sistemi kullanılmıştır. Şekil 5’te gösterilen sistem, takımın kesme esnasında anlık deformasyonunu X ve Y yönünde ölçmektedir.

kesme sırasında takım deformasyonu ölçümü
Şekil.5. a.Takım Deformasyonunu Ölçme Sistemi, b.Sistemin CAD Modeli

Yapılan testlerde kuvvet ve takım deformasyonu ölçümleri birlikte yapılmıştır. Böylece bileşke kesme kuvvetinin yönü ve miktarı ve buna bağlı takım deformasyonu ölçülmektedir. Kesme kuvvetinden kaynaklanan takım deformasyonu Şekil 6’da şematik olarak gösterilmiştir. Lazer ışını, referans mesafesindeki takıma gönderilerek, takımdan gelen lazer yansıması sensör tarafından algılanarak takım pozisyonundaki değişiklikten takım deformasyonu ölçümü yapılmaktadır. Takım ucunda yapılan ölçüm sırasında karşılaşılan en büyük sorunlardan biri, gönderilen lazer ışınının takıma gelmeden parçadan farklı bir yöne yansıması ve sensöre gelmemesidir. Bahsi geçen durum olduğu takdirde, alınan sinyal Şekil 7’de gösterilmiştir. Bu yüzden yapılan ölçümler, takım ucundan 1 mm yukarıda yapılarak, deformasyonun en büyük olduğu takım ucuna ekstrapole edilerek hesaplanmıştır. Yapılan ölçümlere örnek olarak, 20.000 dev/dak. iş mili devrinde, 20 μm/devdiş ilerleme hızında, tam dalma durumunda 1,5 mm çapındaki mikro frezenin deplasmanı Şekil 8’de gösterildiği gibi X ve Y yönünde 46 μm sınırları içerisinde kalmaktadır.

kesme esnasında takım deformasyonu ve bileşke kuvvet
Şekil.6. Kesme Esnasında Takım Deformasyonu ve Bileşke Kuvvet [1]
yansıma sonucunda bozulmuş sinyal
Şekil.7. a.Yansıma Sonucunda Bozulmuş Sinyal, b.Düzgün Takım Deplasmanı Sinyali

 

takımın deplasmanı
Şekil.8. Takımın Deplasmanı

YÜKSEK DEVİRLİ HAVA TÜRBİNİNİNLAZER SİSTEMİ İLE DÖNME HIZI ÖLÇÜMÜ

Mikro frezeleme işleminde takım çapının narinliğinden kaynaklanan prosese özgü olgulardan biri de yeterli kesme hızını sağlamak için iş mili devrinin yüksek tutulmasıdır. Milimetre altı boyutlardaki takımlar için iş mili devri 100.000 dev/dak. değerinin üstüne çıkmaktadır. Bu durumda tezgâhın iş mili devrini bu değerlere ulaştırmak için özel hava türbinleri kullanılmaktadır. Laboratuarımızda kullanılan hava türbini devri 150.000 dev/dak’ya kadar çıkmaktadır. Yalnız, kesme esnasında takıma gelen yüke bağlı olarak iş mili devri düşmektedir. Bu yüzden işlem fiziğinin anlaşılması için kesme esnasında iş mili devrinin sürekli ölçülmesi gerekmektedir. İş mili devrinin ölçülmesi için lazer sensörler kullanılmıştır. Lazer ışını, dönmekte olan iki ağızlı takıma gönderildiği zaman alınan deplasman sinyalinin periyodundan takımın dönme hızı ölçülmektedir. Örnek olarak Şekil 9’da, iki ağızlı kesme takımı için alınan ölçümde periyodu (1. ile 3. tepe
arasında geçen zaman) 0,00048 saniye olduğundan iş mili devri 125.000 dev/ dak. olarak hesaplanmıştır.

Lazer Sensörü ile İş Mili Devri Ölçümü
Şekil.9. Lazer Sensörü ile İş Mili Devri Ölçümü

SONUÇ

Bu makalede, mikro işleme esnasında kullanılan kuvvet ölçme teknikleri, kesme işlemi esnasında takım elastik deformasyonu ölçme teknikleri, lazer sistemi ile yüksek hızda dönen takım devri ölçme teknikleri ile söz konusu ölçme işlemleri esnasında karşılaşılan zorluklar ele alınmıştır.

Kaynak: Mühendis ve Makina Dergisi (M.M.O.)

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA