SERT MALZEMELERİN FİNİŞ TORNALANMASINDA

MQL UYGULAMASI

ÖZET

Metal kesme sıvıları yağlama, soğutma ve talaş temizleme özellikleriyle işleme operasyonlarının performansını değiştirir. Genelde, sertleştirilmiş çeliği işlerken, düşük kesme kuvvetleri ve çevresel etkiler göz önüne alınarak kesme sıvısı kullanılmaz. MQL takım aşınması, işlenmiş yüzey kalitesi ve ısı tezlerine bakılarak uygun bir alternatif olarak görülebilir. Bu çalışmada, kesme kuvvetleri, takım sıcaklığı, beyaz katman derinliği ve biten kısımların deneysel sonuçları baz alınarak, sertleştirilmiş çelik yatak işlemede MQL ile tamamıyla kuru yağlamanın mekanik performansları karşılaştırılmıştır. Sonuçlar gösteriyor ki, MQL yüzey pürüzlülüğünü azaltmış, takım yan yüzey aşınmasını geciktirmiş ve kesme kuvvetlerine az düzeyde etki yaparak kesme sıcaklığını düşürmüştür.

GİRİŞ

MQL bir dakikalık kesme sıvısı kullanım miktarı –akış hızı 50-500 ml civarında- genelde debisi yüksek kullanılan, mesela dakikada 10 litre, soğutma sıvılarından 3-4 kat daha azdır. MQL kavramı, “kuruya yakın yağlama” ya da “mikro yağlama” da denilebilir, fabrika hava ortamındaki kesme sıvısı parçacıklarına bağlı çevresel sorunları ve mesleki tehlikeleri ele almak amacıyla yaklaşık 10 yıldır tavsiye edilmektedir. Kesme sıvılarının azaltılması ayrıca yağlama fiyatları ve iş parçası/takım/makine temizlik devir zamanını azaltarak ekonomik fayda sağlar.

Avrupa otomotiv endüstri ürünleri üzerine yapılan bir araştırma gösterdi ki, soğutma sıvılarının maliyeti toplam üretim maliyetinin %20 sini oluşturmaktadır. Kesici takımlarla (%7,5) karşılaştırıldığında bu maliyet oldukça yüksektir. Sonuç olarak, kesme sıvısı tüketimini azaltma ihtiyacı yüksektir. Ayrıca, izin verilebilir maruziyet seviyesi (PEL) metal işleme sıvıları için aerosol yoğunluğu ABD’ deki Mesleki Güvenlik ve Sağlık İdaresi (OSHA) için 5mg/m3, ABD Ulusal Mesleki Güvenlik ve Sağlık Enstitüsü(NIOSH) için 0,5 mg/m3tür. ABD’ deki otomotiv parça üretiminde bu sıvıların buharının, geleneksel debisi yüksek soğutma ve yağlama kullanımıyla, 20-90 mg/m3 seviyesinde olduğu tahmin ediliyor. Bu yöntem, kullanım miktarında önemli ölçüde gelişme sağlıyor.

Diğer yandan, tamamen kuru işleme, sertleştirilmiş çelik parçalarının işlenmesinde genel bir endüstri uygulamasıdır. Bu parçalar genellikle çok yüksek özgül kesme enerjilerine sahiptir. Geleneksel kanılar gösteriyor ki, tamamen kuru işleme, debisi yüksek işlemelere göre makine parçaları üstünde kesme sıcaklığının artmasına neden olan kesme kuvvetini ve gücünü azaltır. Ancak, takım ve biten parça sık sık tamamen kuru koşullarda zarar görür. Bundan dolayı, kabul edilebilir ilerleme ve kesme derinliği sınırlıdır. Bu düşüncelerle bakıldığında, MQL kavramı sert tornalamada kesme kuvvetleri/gücünü, stratejik olarak ayarlanabilir parametrelerde tutup, geçerli seviyelere sabitleyerek takım aşınmasını yavaşlatmada mümkün

bir çözümdür. Ancak, MQL nin sert işleme yöntemindeki elverişliliğini inceleyen belgelenmiş çalışmalar henüz yapılmamıştır.

Bu araştırmanın amacı MQL koşulları altında sert tornalanmış parçalardaki kesme performansı ile tamamen kuru koşullardaki tornalamayı karşılaştırmaktadır. Takım iş kombinasyon metodu baz alınarak yapılan bir yaklaşım ile ideal test parametre aralıkları tespit edilmiştir. Bu çalışma sert işleme koşulları altındaki, yüksek ısı ve mekanik yüklemeler dahil, takım ve iş parçasının karakteristik özelliklerinin anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. Çalışmada, MQL bitkisel yağ ve hava püskürtülerek uygulanmaktadır. Her test boyunca, yüzey pürüzlülüğü, beyaz katman derinliği, takım aşınması, kesme kuvvetleri ve sıcaklığı ölçüldü ve karşılaştırıldı. Sonraki bölümler deney kurulumu, işlem sırası, datalar ve analiz olarak devam etmektedir.

Deney Kurulumu ve Parametreler

Resim 1, Georgia Teknoloji Enstitüsü’ ndeki dik tornada (Hardinge T42SP), eğimli yatak üzerinde MQL uygulayıcısının (Unist lubricator) kullanımını göstermektedir. Soğutucu olarak trigliserid ve propilen glikol ester, 20 psi nozul basıncında 50 ml/hour hızında püskürtülerek kullanılmaktadır. İş parçası malzemesi 62 den 64 RHC ye sertleştirilmiş çelik çubuklardır. Kesici takım katkı oranı düşük, eğim açısı -6o, pah uzunluğu 0,12 mm, köşe yarıçapı 0,8 olan CBN takımıdır (Kennametal KD5625).

İşleme süresince, kesme kuvvetleri takım destekli dinamometre ile resim 1 de görüldüğü gibi ölçülmektedir. K-tipi ısı ölçücü resim 2 de gösterildiği gibi kesici ucun altındaki pula takılarak kullanıl-maktadır. Bu sistem gerçekte kesici ucun altındaki sıcaklığı ölçmektedir, ama pul ve uç arasındadır. Isı ölçerdeki sıcaklık, teorik sıcaklık “Tc” ile ilişkilendirilir.

, değeri 8 alınan, düşürme (sindirme) katsayısıdır ve , değeri 4 saniye olarak alınan, kayıp zamandır.

Resim3 ilerleme hızına göre artan kesme kuvvetlerini göstermektedir. Ancak, MQL kullanımı bu kuvveti dikkate değer seviyede etkilemez. Bundan dolayı, malzemede oluşması beklenen termal sıcaklığın (thermal softening) küçük miktar kesme sıvısı ile oluşmadığı görülür.

Resim4 farklı ilerleme değerlerine göre puldaki sıcaklık artışını gösterir. Bu sıcaklık artışı, diğer işleme adımları (the first second of machining) boyunca oluşan sıcaklık değişimi olarak tanımlanır. MQL’nin kullanımıyla sıcaklıkta 5-10% oranında azalma görüldü. Bu ayrıca, resim1’de de görüldüğü gibi, MQL’nin kuru işlemeye göre takdir edilecek bir etkidir. MQL uygulamasının talaştaki yüksek sıcaklığı hafiflettiği saptanmıştır.

Biten son yüzeyler Resim 5’de görülmektedir. 0,012 inch kesme derinliğinde ve 0,006in/tur ilerleme hızındaki talaş yapısı, sürekli akış halinde değil ve kesici takımın ilerlemeden kaynaklanan, malzeme üzerinde bıraktığı izler açıkca görülebilir. MQL’nin etkisi ile yüzey pürüzlülük değerinde Ra’yı, (fresh tools) ve verilen diğer kesme koşullarında %50 oranında azaltır. Ancak yüzey pürüzlülük değerindeki benzer gelişme diğer testlerdeki

ilerleme hızlarıyla oluşmamıştır. Genellikle, MQL’nin etkisi güç ve yüksek devirdeki ilerlemede ve derin kesme koşullarında daha da iyi anlaşılır.

Ayrıca, aşınmanın oluştuğu yan yüzeylerde de testler yapılmıştır. Bu aşınma yüzeylerini işleme boyunca farklı uzunluklarda oluşmaktadır. Bu testlerin amacı MQL koşulları altında takım performansını ölçmek olduğu gibi, MQL’nin takım aşınmasına etkisini hesaplamaktır. Resim 6 kuru ve MQL koşullarının yan yüzey takım aşınmasına etkilerini göstermektedir. Malzemeden talaş kaldırma oranı yüksek olup uygun kesme parametrelerinin (tüm ilerleme, teğetsel ve kesme yönlerinin) sağlanamaması, malzemenin aşınmasına (oluk gibi) neden olur. Bu durumlarda MQL kullanımı fark edilir kuvvet değişmelerini sağlamaz.

2 dakika kesimden sonra oluşan sıcaklıklar farklı ölçülerdeki takım aşınmaları ile ölçülmüştür. Bu sıcaklık takım iş parçası temas noktasının doğru sıcaklığı değil, ısı ölçerin yerleştirildiği bölgenin sıcaklığıdır demek daha doğrudur. Bu koşullar iş parçası üzerinde beyaz katman (white layer) oluşumuna izin vermez. İki farklı kesme koşulları altında, resim 7 görülen sabit sıcaklık değeri, MQL kullanıldığından 20 ila 30 derece düşmektedir. Takım üzerinde termal zararın önemli nedeni sıcaklık olduğundan, yağlama koşullarına bağlı olarak kesici uç ömrünün uzaması beklenir.

Resim8 iki farklı kesme koşullarında takım aşınma yüzeylerindeki değişimi göstermektedir. Malzemeden ilk talaş kaldırma (initial chipping) da, MQL’nin takım ve yan yüzey aşınmasını azalttığı Resim 9’da gösterilmiştir. İki farklı kesme koşulunda görülmüştür ki, MQL uygulaması takımın aşınma miktarını azaltmaktadır. (The eventual termination point of the test determines the tool life, which caused primarily by chipping on the tool rake.) MQL böyle talaş kaldırmaları erteleyerek yan yüzey aşınmasının uzamasına imkan sağlayarak takım kırılmasını geciktirir. Böylece MQL kullanımı ile takım ömrü ve işleme süresi 35% ila 50% oranında artar. Bu etki daha büyük malzeme yontma oranlarında daha belirgindir.

Taylor modellemesi baz alınarak, kesici takım ömrü (T), kesme hızı (Vc) cinsinden T=exp (C)V c

a ifade edilir. Elde edilen datalar Tablo1 de, Taylor modelleme katsayısı Tablo2 de hesaplanmıştır.

Sıcaklık ve kuvvetin dinamik karakterlerinin (dynamic behavior) MQL ile sonuçları test edilmiştir. Test süresince çubuk boyunca toplam kesme uzunluğu (8 inches) 3 ardışık bölüme ayrılmıştır. İlk bölüm tamamen kuru işleme, ikinci bölümün başında MQL uygula-

ması ve malzemenin üçüncü bölüme girişinde MQL kapatılmış ve kuru koşullara geri dönül-müştür. Pul yan yüzeyinin sıcaklığı ve kesme zamanına göre belirlenen 3D kuvvetleri

Resim10 da gösterilmiştir. 20 ila 30 saniye geçtikten sonraki sabit durum sıcaklığı, MQL uy-gulanması sonucu %15 oranında azalmıştır. MQL kullanmak ya da kullanmamak kuvvetlerde gözle görülür değişim yapmamaktadır. Bu tespitler istikrarlı bir şekilde diğer sabit durum sı-caklıklarında da geçerli olmaktadır.

SONUÇ

Sertleştirilmiş yüksek karbon çelik malzemelerini düşük katkılı CBN kesici uçlarıyla tornalamada MQL ile tamamen kuru koşullar test edilmiştir. Analiz edilen işlem parametrelerine yüzey pürüzlülüğü, kesme sıcaklığı, kesme kuvvetleri ve takım ömrü de da-hildir. İlerleme aralığı, hızı ve kesme derinliği, kesme sıvısı olarak suda çözünebilen propilen glikol ester çözeltisi sabit hız ve nozul basıncında kullanılarak, test edilmiştir.

Yüzey pürüzlülüğü sonuçlarına değinirsek kuru koşullar ile kuruya-yakın koşullar arasında fark edilir bir değişim yoktur. Ancak, daha derin ilerleme ve kesme hızlarında kuruya-yakın işlemeler için finiş yüzey gelişimi düşmüştür. Sabit durum kesme sıcaklığına

değinirsek, MQL uygulaması tamamıyla kuru koşullara zıt olarak 10 ila 30% oranları arasında istikrarlı bir düşüş göstermektedir. Bundan dolayı, kesme bölgesinde buharlaştırıcı ısı transfe-rinde artış olduğu sonucu beklenir. Kesme kuvvetlerinin karşılaştırılmasında, MQL uygulama veya uygulamama herhangi bir dikkate değer değişim oluşturmamıştır. İş parçasındaki termal yumuşama (thermal soften) etkisi tamamen kuru işleme koşullarında bu sorun aşılamamıştır, bundan dolayı, tamamen kuru koşulların MQL’ye üstünlüğü aklanamaz. Takım ömrüne değinirsek,kesme koşullarının geniş aralıklarında MQL kullanımı takım ömrünü önemli mik-tarda -30% un üstünde- arttırmaktadır. Sabit bağlantıdaki (close coupling) kesme sıcaklıkları-nın düşüşü bu etkidir.

Kesme sıvısı kullanımı, kuru koşullara göre kesme kuvvetlerini sabit tuttuğundan, ta-kımları potansiyel olarak korur. Diğer işleme performansı sonuçları talaş parlaması (chip flushing) ve çevresel bilinç bu çalışmaya dahil değildir. Bu yönde daha çeşitli araştırmalar tavsiye edilir.