Mekanik Enerjili Geleneksel Olmayan İmalat Yöntemleri

0
930

İş parçası üzerinden malzeme işlemek için mekanik enerji kullanan yöntemlerdir.  Çoğunlukla aşındırıcı parçacık ve tozların hızlandırılması ile oluşan kinetik enerjinin, çarpma ile gerilme yaratması ve bu gerilmelerin malzeme işleme amacı ile kullanılması ilkesine dayanır.  Ortak işleme ortamı su ya da havadır. Tüm mekanik enerjili yöntemler malzemenin iletken ya da yalıtkan olmasından bağımsız olarak işleme olanağı sağlar.   Bu özellik,  mekanik enerjili yöntemlerin ileriki bölümlerde verilecek olan elektriksel işleme yöntemlerine göre önemli bir üstünlüğüdür. Mekanik enerjili yöntemlerin içinde en geniş endüstriyel uygulama alanı bulmuş yön- temler USM (UAM), AWJM, WJM, AJM dir.  Diğer yöntemler özel endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır.

2.1. U.S.M.: Ultrasonik İşleme

Mekanik enerji kullanan geleneksel olmayan işleme yöntemleri içinde en geniş uygulama alanı bulan yöntem,  Ultrasonik (Ses ötesi) işleme  (USM) dir.  Özellikle sert ve gevrek malzemelerde ve gevrek şekillerde basan ile uygulanmaktadır.

Adsız

           Şekil.1- Ultrasonik işleme ilkeleri                 Şekil.2- İşleme hızının titreşim genliği ile değişimi

USM’nin endüstriyel uygulamasında iki ayrı işleme yöntemi görülür.  Ultrasonik Aşındırma ile işleme (UAM) daha çok bilinen yöntemdir. Genellikle USM ve UAM kısaltmaları birbiri yerine kullanılır. Diğer yöntem ise Dönel Ultrasonik İşlemedir (RUM ya da RUSM).

2.2. U.A.M.: Ultrasonik aşındırma ile  İşleme

Ultrasonik aşındırma ile işleme   (UAM),  bir sıvı  (genellikle su)   içinde bulunan aşındırıcı parçacıkların (aşındırıcı tozun)  takımın ultrasonik  (ses ötesi)  frekansta titreşmesine bağlı olarak iş parçasını aşındırması ve böylece 3 boyutlu takım şeklinin dişlisinin iş parçasına işlenmesi ilkesine dayanır. Şekil. 1 de takım, iş parçası, sıvı ve aşındırıcı parçacıkların işleme sırasında konumlan görülmektedir. Takım ve iş parçası sıvı içine tamamen gömülmüş durumda ve birbirine 5-50 um uzaklıkta  (işleme aralığı)  bulunur.  İşleme aralığında bulunan ve işlemede en önemli rolü oynayan aşındırıcı parçacıklar sürekli sıvı devri  (sirkülasyonu)  ile yenilenir.  Sıvı devri ile iş ve takımın soğutulması ve işleme ürünlerinin işleme aralığından dışarı taşınması ve temizlenmesi   (filtre edilmesi)  sağlanır.

UAM de işlenen malzemenin %80 i, takım ve iş parçası arasında sıkışan aşındırıcı parçacıkların, iş malzemesinden  (az da olsa takım malzemesinden) talaş parçacıkları koparması ile oluşur.  Uygun takım malzemesi (genellikle tok malzeme)  seçimi ile takım aşınması en aza indirilir.  UAM için diğer olası malzeme işleme mekanizmaları olarak aşındırıcı parçacıkların kinetik enerjileri ile iş malzemesine çarpması  (%20)  ve çok az düzeyde de aktivasyon ve kimyasal tepkime görülür.

2.2.1. İşlem Parametreleri;

UAM de işleme performansını etkileyen başlıca parametreler ve bu parametrelerin etkileri aşağıda verilmiştir.

a) Titreşim Genliği: UAM de kullanılan titreşim genliği sınırlan 1-100 um dolaylarındadır. Tipik uygulamalarda ise 10-50 um kullanılır. Bugüne kadar yayınlanmış deneysel çalışmaların sonuçlarına göre işleme hızı ile titreşim genliği arasında Şekil.2 de verilen ilişki olası görülmektedir.

 b)Titreşim Frekansı: UAM uygulayıcısının geniş bir frekans bandı seçme olanağı yoktur. Genellikle ultrasonik dalga boylarında, 16-25 kHz frekans uygulanır.  Yayınlanmış deneysel çalışmalar,  işleme hızı   (R)   için frekans  (f) e göre R = f bağıntısını önermektedir,  n üssünün deneysel olarak bulunan tipik değerleri 0,5-1 arasında değişmektedir.

 c)Takım Baskı Kuvveti: Takım ile iş parçası arasında titreşim hareketi dışında 0,2-2 kg dolaylarında bir statik kuvvet uygulanmaktadır. Ultrasonik titreşim ile birlikte bu kuvvet,  aşındırıcı parçacıkların iş malzemesi ile takım arasında sıkışmasına ve sonuçta ultrasonik frekansta çekiçleme hareketine neden olur.  Böylece iş malzemesi yüzeyinden malzeme aşındırılır.  Takım ile iş parçası arasında kalan parçacıkların bir kısmı kırılarak, daha küçük parçalara ayrılır.   Bu durumda toplam temas yüzeyi artacağından, iş malzemesi yüzeyinde kırılmaya neden olan gerilmeler azalır.   Bu nedenle işleme hızı yüksek baskı kuvvetlerinde azalır.  Düşük baskı kuvveti değerlerinde ise işleme hızı, baskı kuvvetinin artması ile artar  (Şekil.3).

Adsız

                                    Şekil.3- İşleme hızının baskı                          Şekil.4- işleme hızının parçacık

                                           kuvveti ile değişimi                                              boyutu ile değişimi

d) Aşındım Parçacık Malzemesi ve Boyutları: UAM de en yaygın kullanılan aşındırıcı parçacık bor karbür  (B4C)  dür.   Alüminyum oksit  (Al2O),silikon karbür   (SlC)   ve elmas   (C)  tozu uygulamada görülen diğer aşındırıcılardır. Bunlardan pahalı olan elmas tozu dışında, en sert olanı  en yüksek işleme hızını vermektedir  (Çizelge.2). Buradan aşındırıcı malzemenin sertlik değerinin UAM işleme performansı üzerinde etkisi olduğu anlaşılmaktadır.

.2- UAM de Kullanılan Bazı Aşındırıcı Malzeme Özellikleri

            Aşındırıcı Birleşim             Sertlik         (Ridgeway)          Yoğunluk           (g/cm3)
Elektrokorondum Al2O3 (%l-2Fe , kromoksit)                 12           3.93-4.0
Silikon Karbür SİC                 13          3.15-3.20
Bor karbür B4C              2.52
Elmas tozu C                 15          3.45-3.6

UAM de aşındırıcı parçacık seçimi, tezgâh özelliklerine bağlı olmaksızın işleme performansını ve iş kalitesini etkileyen önemli bir etmendir. Genellikle 100-1000 elek  (mesh) boylarında parçacıklar kullanılmaktadır. Ortalama parçacık çapı en çok 100 mm, genellikle 27 mm dolaylarındadır. Parçacık boyutlarının işleme hızı, yüzey kalitesi ve işleme hassasiyeti üzerinde doğrudan etkisi vardır.   İş parçası-takım aralığında daha küçük parçacıklar için işleme hızı parçacık boyutu ile artar.   Parçacık boyutu ile işleme aralığının eşit olması durumunda en yüksek işleme hızına ulaşılır.   Büyük parçacıklar ise işleme hızını azaltır   (Şekil.4).

UAM de yakın toleranslar ve yüksek işleme hassasiyeti elde etmek için ince parçacıklar kullanılır, iş parçasının yüzey kalitesi de parçacık boyutlarına bağlıdır.   Büyük boyutlu parçacıklar kaba yüzey kalitesi vermektedir. İşleme sırasında aşındırıcı parçacıklar sürekli olarak kini arak daha küçük parçacıklara ayrılır.  İstenen parçacık boyutunu korumak için sıvı ile aşındırıcı parçacıklarının sürekli olarak yenilenmesi ve devri gerekmektedir. Derin işlemede sıvının yenilenme zorunluluğu nedeni ile kırılmış parçacıklar işleme aralığında daha etkin olmakta, bu ise işleme hızını düşürmektedir.

e) İşleme Sıvısı ve Aşındırıcı Parçacık Yoğunluğu: UAM de işleme sıvısının başlıca üç görevi vardır. Bunlar:

  1. Aşındırıcı parçacıkları işleme aralığına taşımak.
  2. Aşınan iş ve takım malzemesi talaşlarını ve kırılan aşındırıcı parçacıklar işleme aralığından uzaklaştırarak süzülmelerini sağlamak,
  3. İş ve takım malzemelerini soğutmak.

Bu amaçla genellikle, su,  su-gliserin karışımı,  benzen ve yağlar kullanılmaktadır.  Çeşitli sıvıların işleme özellikleri Çizelge.3 de verilmiştir. İşleme sıvısı viskozitesi işleme hızını önemli ölçüde etkilemekte, artan viskozite ile işleme hızı azalmaktadır. Sıvı sıcaklığı da aktivasyon nedeni ile işleme hızını etkilemektedir. Su ile yapılan deneylerde 50 C su sıcaklığı en  yüksek  işleme  hızı  vermiştir.  Bu sıcaklık değeri su için aktivasyonun en etkin olduğu sıcaklıktır.

Çizelge.3- UAM de Kullanılan Çeşitli Sıvılar ve İşleme Hızları

Sıvı İşleme Hızı

(mm/dak)

Viskozite

(poise)

Su 0.89 0.011
Benzen 0.63 0.006
Etanol 0.51 0.012
Trikloroetilen 0.43
Yağlama yağı 0.31 0.5-10
Transformatör yağı

 

Su gliserin karışımı (%  gliserol)

100 0.01 0.36
75 0.13 0.15
67 0.31 0.07
50 0.45 0.02
0 0.99 0.01

İşleme sıvısı içindeki aşındırıcı parçacık yoğunluğu da işleme hızını etkileyen önemli bir etmendir.   Genellikle %30-0 aşındırıcı yoğunluğu uygun kabul edilmektedir.  Genellikle  %30 a kadar artan parçacık yoğunluğu ile artı gösteren işleme hızı, bu değerden sonra değişmemektedir.  İşleme sıvısının dolaşım yöntemi de etken olmaktadır,  iş parçası özelliğine göre takım ya da iş içinden açılan merkezi bir delik yardımı ile sağlanan sıvı dolaşımı, işleme hızında  % 10-70 arasında artış verebilmektedir.

f) Takım Malzemesi: UAM de işleme ekonomisini etkileyen önemli etmenlerden biri takım malzemesi seçimi yapımıdır.  Takım malzemesi ve yapım giderleri ile birlikte takım değiştirme zamanı da etken olmaktadır.  Genellikle yumuşak fakat yüksek dayanımlı malzemeler kullanılır.  Düşük karbonlu çelik bu nedenle uygun bir malzemedir. Paslanmaz çelik, pirinç, duralimin,  tungsten ve molibden uygulamada görülen diğer takım malzemeleridir.

Takım malzemesi,   aşındırıcı ile temas halinde olduğundan sürekli olarak aşınır.  Takım eskimesi sonucu, takım boyutları zamanla değişir. Özellikle takımın uç kısmında eskime fazladır.  Eskime oranı iş parçası malzemesine bağlı olarak  %100 e kadar çıkabilir.  Çizelge.4 de çelik takımın çeşitli iş malzemeleri eskime oranlan verilmiştir.

Paslanmaz çelik ve diğer bazı sert alaşımların takım olarak kullanılmaları eskime açısından tercih edilmektedir.

Çizelge.4- Çelik Takım Malzemesinin Çeşitli İş Malzemeleri ile Eskime Oranları

İş Malzemesi Eksilme (%)
Germanyum 0,5
Silikon 0,5
Ferritler 0,5
Seramik 0,7
Optik cam 0,9
Soda camı 1,0
Kuartz 2
Akik 2,9
Korondum 12
Yakut 50
Tungsten karbür
Sert alaşımlar 60-80
Sertleştirilmiş çelik 1000

2.2.2. Takım Tezgâhı

UAM tezgâhları genellikle ya bağımsız tezgâhlar halinde ya da normal freze, matkap gibi tezgâhlara uyarlanabilir birimler halinde bulunur.  Her iki türde de UAM ye özgü kısımlar birbirine benzer.  Tezgâh güçleri 0.005 kW ten 4 kW mertebelerine kadar değişebilir.

Adsız

Şekil.5 – Şematik USM tezgâhı

UAM tezgâhlarında yöntemin gereği ana birim akustik birimdir (Şekil.5).   Akustik birim tezgâha gelen elektrik enerjisini,  işlemede yararlanılan titreşim enerjisine çevirir.  Başlıca üç elemandan meydana gelir. Bunlar güç üretici,  vibratör  (titreşim üretici)  ve amplifikatör  (genlik yükseltici)  dir.  Güç üretici,  osilatör  (vurum üretici)  ve amplifikatör  (yükselteç)  den oluşur.  50-60 Hz normal alternatif akım frekansını UAM de kullanılan 15-30 kHz mertebesine çıkarır.  UAM de uygulanan titreşim frekanslarının alt sınırını işitilebilirlik sınırı,  üst sınırını ise akustik birimin soğutma sorunu belirlemektedir. Ultrasonik frekanstaki elektrik vurumları, bir vibratör ile mekanik titreşim enerjisine çevrili.   Bu kısım,   bir elektro-mıknatıs ve nikel plakalardan oluşmuştur.   Elektro- mıknatısın değişen manyetik alanına bağlı olarak nikel plakaların boyu da değişim gösterir.  Böylece üretilen mekanik titreşimlerin genliği,  nikel plakaların dayanımı ile sınırlıdır.  Bu genlik değerleri ise işlemeye olanak verecek boyutta değildir.  En çok 20-25 um dolaylarındadır,  işleme için titreşim genliğinin arttırılması gerekir. Bu amaçla rezonansa gelerek titreşim genliğini yükseltecek,  genlik yükselteçleri kullanılır.  Genlik yükselteçleri çeşitli şekillerde olabilir  (Şekil.6)  Bu yükselteçlerle 6 kata kadar genlik artımı sağlanabilir.  Akustik kaybı az ve yorulma ömrü uzun malzemeler genlik yükseltici yapımı için uygundur.  Genellikle monel ve imalat çelikleri bu amaçla kullanılır.  Takım,  genlik yükseltici ucuna lehimlenir.  Burada rijit bir bağlantı olması gerekmektedir.

Adsız

Şekil.6 – USM de kullanılan çeşitli yükselteçler

USM de iş parçası alışılmış yöntemlerle iş tablasına bağlanır. Genellikle iş tablası hassas konumlama için üç boyutta hareketlidir. Ancak işleme sırasında sabit kalır.  İş parçası ve takımın sürekli teması, takımın iş parçasına doğru ilerlemesi ile sağlanır. İlerleme mekanizması denetimli kuvvet uygulamasına ve hassas geometrik konumlamaya olanak verecek şekilde olmalıdır. İş parçasının sıvı tankı içine gömülmesi her zaman zorunlu değildir,  ancak aşındırıcı sıvının sürekli dolaşımı ve işleme aralığında aşındırıcı parçacık bulunması sağlanmalıdır.  Bunun için aşındırıcı sıvının dolaşımını sağlayan pompa ve uygun boru sistemi kullanılır.  Kullanılamayacak boyutlardaki aşındırıcı parçacıklar ve iş takım malzemelerinden kaldırılan talaş uygun bir filtre sistemi ile tutulur. Ayrıca sıvının soğutulması da gereklidir.

2.2.3. İş Parçası

UAM ile pirinç gibi yumuşak malzemeler de dahil olmak üzere metal ya da metal olmayan tüm malzemeler işlenebilir.  Sert ve kırılgan malzemeler genellikle daha iyi işleme koşulları vermektedir.  Çizelge.5 de UAM ile işlenebilen kırılgan malzemelerden bazıları verilmiştir.  Bunlar arasında kıymetli taşlar,  elektrik ve elektronik sanayiinde kullanılan malzemeler önemli yer tutmaktadır.  Çizelge.6 da ise bazı malzemeler için işlenebilme özellikleri verilmiştir.

Çizelge.5- UAM ile İşlenebilen Kırılgan Malzemelerden Örnekler

Akik Cam Çeşitleri Germanyum
Baryum titanat Mika Kuartz çeşitleri
Bor karbür Granit Kaya kristalleri
Seramik çeşitleri Grafit Yakut
Korondum Alçı çeşitleri Safir
Mermer Jadeit Silikon
Su mermeri Dehne Stetit
Elmas Sedef Zirkonyum borit
Toprak eşya Nefrit Sert alaşımlar
Ferritler Oniks (tungsten ve
Florit Porselen Titanyum karbürler)

 

Çizelge.6- UAM ile İşlenebilen Bazı Malzemelerin Özellikleri

Malzeme İşleme Hızı Hacimsel    

cmVdak.

Lineer

cm/dak.

İşlenebilen en geniş alan EksilmeOranı

(%)

Cam 3,865 0,381 25,80 1
Ferrit 3,210 0,318 22,60 1
Mika 3,210 0,318 22,60 1
Germanyum 2,180 0,216 22,60 1
Grafit 2,045 0,203 19,35 1
Kuartz 1,670 0,165 19,35 2
Seramik 1,540 0,153 19,35 1,3
Bor karbür 0,393 0,038 5,80 40
Tungsten karbür 0,360 0,035 7,75 67
Takın çeliği 0,262 0,025 7,75 100

UAM de işleme sırasında iş parçasının titreşimi kesinlikle önlenmelidir.  Bu amaçla iş parçalan daha büyük boyutlu bağlama kalıplarına bağlanmalıdır.  Ayrıca, boydan deliklerde takımın çıkış bölgesinde iş malzemesinde kırılma görülür.  Bunun önlenmesi için iş malzemesine çıkış bölgesinde yeterli alt destek sağlanmalıdır. Delik işlemede, sıvı dolaşımı için ortadan küçük çaplı bir delik açılması yararlı olmaktadır.

2.2.4.Endüstriyel Uygulama

UAM genellikle kırılgan ve sert malzemelerde ve alışılmış yöntemlerle işlenemeyen şekillerde daha baharlı olmaktadır. İlke olarak bir kopya işlemi olduğundan, erkek kalıbı yapılan her şekil pratik olarak UAM ile işlenebilmektedir.  İşleme ilkesi gereği elektriksel iletken ya da yalıtkan malzemeler, metal ya da metal olmayan malzemeler uygulamaya sınır getirmemektedir. Çelik türleri yanında, molibden, bor karışımlı malzemeler,  berilyum, germanyum, silikon, cam türleri, kuartz, seramik çeşitleri, kıymetli taşlar UAM ile işlenebilen malzemelerdir.

UAM uygulaması bugünkü teknoloji ile genellikle küçük işleme alanları için başarılı olmaktadır.  Tezgâh güçleri geniş alanlar için başarılı olmaktadır.  Tezgâh güçleri geniş alanlar için yeterli değildir.  İşleme hızının da düşük olması nedeni ile UAM küçük boyutlu işlerler sınırlı kalmaktadır. UAM ile işlenmiş yüzeylerin kalitesi,  diğer yöntemlerle elde edilmiş yüzeylerle karşılaştırıldığında daha iyi olmaktadır.  Ortalama 0.15-0,7 um yüzey pürüzlülük değerleri kolaylıkla sağlanmaktadır.  Yavaş işleme hızı göz önüne alınırsa,  kaba işleme için EDM ya da diğer gelişmiş yöntemlerden biri, ince işleme için UAM uygulaması önerilmektedir. Böylece EDM de elde edilen ve metalürjik yönden istenmeyen yüzey,  UAM ile kaldırılabilmektedir. Genellikle 0,1-1 mm arasında bir yüzey kalınlığı işlenmesi önerilmektedir. UAM ile tipik olarak 0.025 mm hassasiyet ve 0.01 mm tolerans değerleri elde edilmektedir.

UAM elektronik ve elektrik mühendisliği uygulamalarında,  seramik çeşitlerini hassas boyutlarda işlemede uygulanmıştır.  Cam işlemede delik delme,   boşaltma ve cam yüzeyine şekiller işlemede yaygın olarak UAM kullanılmaktadır. Kuartz,  germanyum ve silikon gibi çok sert ve aşırı kırılgan malzemelerin işlenmesinde, kıymetli taşların işlenmesinde, bilgisayar ve çeşitli elektronik sanayi için ferritlerin işlenmesinde de UAM uygulanmaktadır.   Kalıpçılıkta kalıp çelikleri UAM ile başarılı bir şekilde işlenmiştir.   Demir olmayan malzemelerden tel çekmede kullanılan elmas kalıpların yapımında da UAM uygulanmaktadır.  Ayrıcı, çelik ve çelik olmayan yıpranmış kalıpların onarımında da kullanılabilir.

UAM de elde edilebilen en küçük delik çapı,  kullanılan takımın dayanımı ve aşındırıcı parçacık boyutlarınca belirlenir.  Uygulamada görülen en küçük çap 0.08 mm dolaylarındadır. En büyük çap ise 8-10 cm ye çıkabilmektedir.   Aşındırıcı sıvının dolaşım güçlüğü nedeni ile derin delik işlenmesinde bazı sorunlar görülür.  Bu nedenle kör delik uygulamaları yerine boydan boya delik ya da sıvı dolaşımı için delik tabanında ayrıca bir delik açılması önerilir.

UAM nin uygulanmasında en önemli sorunlardan birisi düşük işleme hızı ise diğeri de takım eskimesidir. İş parçası ile birlikte aşınan takım, ilk boyutlarını kaybeder.  Bu durumda işlenen işin boyut hassasiyeti kaybolur. Eskime, uç eskimesi ve yan eskime olmak üzere ikiye ayrılır.  Takım eskimesinin etkisini azaltmak için birden çok sayıda takım kullanılması gerekir.

DEVAMI GELECEKTİR..

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA