BÖLÜM 4 KESME KUVVETLERİ

Talaş kaldırma esnasında oluşan kesme kuvvetleri, kesme performansına ve birim parça maliyetine doğrudan etki etmektedir. Bu sebeplerle yıllardır araştırmacıların sürekli ilgisini çekmiş, pek çok araştırma yapılmış ve halen de yapılmaktadır. Takım malzemelerindeki gelişmeler, özellikle 1930’lu yıllarda sert karbürlerin kullanılmaya başlanması ile birlikte, kesme hızları artmış, daha kaliteli yüzeyler elde edilmeye başlanmıştır. Bilimsel gelişmelerle birlikte, talaş kaldırma olayı operatörün kişisel tecrübelerine dayanan ampirik seviyeden bilimsel seviyeye çıkarılmıştır. İmalatın uzun ömürlü, kaliteli, emniyetli ve ekonomik olabilmesi için, etkiyen tüm kuvvetlerin hassas biçimde belirlenmesi gerekir. Bu sebeple kuvvet ölçümlerinin sağlıklı yapılması çok önemlidir.

Uygulamalı mekanik prensiplerine göre metallerden talaş kaldırmayı analiz etmek için şu kabuller yapılabilir: - Kesme yüzeyi, kesici kenarından yukarı doğru uzanan düzlemdir. - Takımın keskinliği en iyi düzeydedir ve takımın boşluk açısı boyunca iş ile kesici yüzeyleri arasında temas yoktur. - Kesme kenarı hareketin yönüne dik olarak uzatılan bir doğrudur (orthogonal-dik kesme) ve işin hareketi ile düzlem oluşturur. - Talaş her iki yüzeye akmaz. - Kesme derinliği daima sabit kalır. -Takımın (kesici kenar) genişliği, iş parçasının kesilen genişliğinden daha büyüktür. - İş parçası takıma göre bağıl ve düzenli bir hızla hareket eder. Sürekli talaş sıvanma (BUE) oluşmadan meydana gelir. Genellikle iki boyutlu kuvvet analizi yapmak daha pratik olduğundan, bu tip çalışmaların çoğunda orthogonal kesme esas alınarak incelemeler yapılmıştır.

4.1. Hız Bağıntıları Talaş kaldırma sırasında üç hız meydana gelir. Bu hızlar, hem tasarım hem de üretim açısından önemlidir. Bunlar; kesme hızı (V), talaş hızı (Vc) ve kesilme hızı (Vs) (Şekil 4.1). Kesme hızı, kesme kuvveti Fc’ye paralel olarak oluşturulan takımın bağıl hızıdır. Talaş hızı, takımın talaş yüzeyine paralel olarak talaşın takıma göre bağıl hızıdır. Kesilme hızı ise talaş kesilme (kayma) düzlemine paralel olarak oluşan talaşın iş parçasına göre bağıl hızını ifade eder. Vc = Vs =

4.2.Kuvvet Bağıntıları Kuvvet bağıntılarını çıkarabilmek için, talaş serbest olarak, malzemeden izole edilmiş gibi dengede düşünülerek incelenir. Talaş ve takımın talaş yüzeyi arasındaki kuvvet, kayma düzlemi boyunca talaş ve iş parçası arasındaki kuvvetle eşit olmalıdır. Takım yüzeyinde elde edilen kuvvet bileşenleri, takım yüzeyindeki sürtünme katsayısının ve sürtünme kuvvetinin hesaplanmasına da imkan sağlar. Şekil 4.2’de dik kesmede oluşan kuvvetler ve hesaplama üçgenleri görülmektedir. Şekil 4.2. Dik kesmede oluşan kuvvetler

Şekil 4.3.Tornalamada kuvvetler. Şekil 4.3’de kesme kuvvetleri tornalama için yorumlanmıştır. Pfe: Çalışma düzlemini, Ff: İlerleme kuvvetini, Fp: Radyal kuvveti, Fc: Esas kesme kuvveti, R: Bileşke kuvveti Şekil 4.3.Tornalamada kuvvetler. Şekil 4.2 ve 4.3’den yola çıkarak yatay ve dikey bileşenler kullanılarak Şekil 4.4’deki kuvvet vektörlerini veren hesaplama üçgenleri elde edilir.

F ve Fn’i yerine koyarsak: Şekil 4.4. Hesaplama üçgenleri

4.3. Esas Kesme Kuvvetinin (Fc) Hesaplanması Kayma (kesilme) düzlemi boyunca etki eden Fs kuvvetini, kaldırılan talaş miktarı ve malzemenin çekme dayanımına ve kayma düzlemi açısına bağlı olarak hesaplamak mümkündür. Fs’yi ve Şekil 4.4’deki hız üçgenlerini kullanarak Fc’yi hesaplamak mümkün olacaktır:

4.4. Kienzle’e Göre Esas Kesme Kuvveti Kienzle’e göre esas kesme kuvveti (Fc); talaş kesiti ile işlenen malzemenin özgül kesme direncinin çarpımına eşittir.

log ks log h İşlenen malzemenin karakteristik eğrisi Şekil 4.6. Talaş kalınlığı (h) ve özgül kesme kuvveti arasındaki bağıntı ve (m) sabiti.

4.5. Esas Kesme Kuvvetini (Fc) Etkileyen Faktörler Bu faktörler de dikkate alındığında, esas kesme kuvvetini veren eşitlik aşağıdaki hale gelecektir:

4.5.1. Kesme hızı faktörü (kv) Diğer kesme parametreleri sabit kalmak şartıyla kesme hızının artan değerlerinde esas kesme kuvveti de azalacaktır (Şekil 4.7). Fc (N) V (m/dk) Şekil 4.7. Kesme hızı (V) ile esas kesme kuvveti (Fc) bağıntısı.

4.5.2. Talaş açısı faktörü (kγ) Talaş açısı hem esas kesme kuvvetini (Fc) hem de ona dik olan pasif kuvveti (Fp) önemli ölçüde etkiler. Şekil 4.8’de talaş açısının kesme kuvvetini etkilemesi gösterilmiştir. Şekil 4.8 Talaş açısı (g) ile esas kesme kuvvetinin (Fc) değişimi

Talaş kaldırma yöntemi 4.5.3. Takım aşınması faktörü (ka) Kullanılan takımın yeni (yeni bilenmiş) veya aşınmış olması da esas kesme kuvvetinin değişmesine sebep olacaktır. yıpranmış veya ömrünün doldurmuş takımlarda Fc önemli ölçüde büyüyecektir. Buna bağlı olarak, takım aşınması düzeltme faktörü (ka); Yeni ve yeni bilenmiş takımlarda ka= 1 -1.01 Yıpranmış veya ömrünü tamamlamış takımlarda ka= 1.3 - 1.5 Talaş kaldırma yöntemi Takım malzemesi Sert metal uç Yüksek Hız Çeliği HSS Dış yüzey tornalama 1.0 1.2 İç yüzey tornalama 1.44 Planya-Vargel-Dik planyalama 1.18 1.42 Tığ çekme (broşlama) - 1.3 Matkapla delme Raybalama 1.1 Çevresel frezeleme 1.56 Alın frezeleme Taşlama 3.5 4.5.4. Takım malzemesi düzeltme faktörü (kt) Kesici takımın yapıldığı malzeme cinsine bağlı olarak kesme kuvvetini etkileyen takım malzemesi düzeltme faktörü (kt), aynı zamanda işleme cinsine bağlı olarak da değişmektedir.

4.6. Kesme Kuvveti Bileşenleri Talaş kaldırma sırasında oluşan kuvvetlerin tayini için ampirik ifadeler çeşitli araştırmalar sonucu ortaya konulmuş olmakla beraber, bu kuvvetlerin ölçülerek (dinamometreler ile) belirlenmesi en etkili yoldur. Pasif (radyal) kuvvet Fp ve ilerleme kuvveti Ff için kesin değerler olmamakla beraber, Fc’ye bağlı olarak yaklaşık aşağıdaki gibi hesaplanırlar: Şekil 4.9; kuvvet bileşenlerinin talaş kesitine bağlı olarak nasıl değiştiğini göstermektedir. Talaş kesitinin büyümesi ile üç bileşende önemli ölçüde değişmektedir. En büyük değişme teğetsel kuvvette olurken aralarındaki ilişki şöyle yazılabilir: Şekil 4.9. Kuvvet bileşenlerinin kesit alanına bağlı olarak değişmesi.

Kesitin değişmesi ile Fc, Fp’nin 2, Ff’in ise 4 katı fazla değişmektedir. Bu değişim delmede olukça farklıdır ve tamamen ilerleme miktarına bağlı olarak değişir. Kuvvet bileşenleri arasındaki ilişki kesme operasyonunun cinsine bağlı olarak dikkate değer biçimde değişir. Esas kesme kuvveti veya teğetsel kuvvet olarak isimlendirilen Fc, daha ziyade tornalama ve frezeleme operasyonlarında, özellikle güç ihtiyacını belirlemek için önemlidir. Pasif veya radyal kuvvet diye isimlendirilen Fp, delik büyütme işlemlerinde etkilidir. Eksenel veya ilerleme kuvveti olarak isimlendirilen Ff ise delme işlemlerinde büyük öneme haizdir. Radyal kuvvet, takım giriş (kesme kenarı) açısına ve takım uç radyusuna bağlı olarak değişmektedir. 90°lik bir kesme kenarı açısı ve daha küçük bir uç radyusu takımın yerini değiştirmeye ve titreşim artmasına sebep olan bu kuvvetin minimize edilmesine yardımcı olacaktır. Fp χ Şekil 4.10 Kesme kenarı açısının Fp’ye etkisi.

Titreşim eğilimi, kesme kuvvetlerinin bir sonucudur Titreşim eğilimi, kesme kuvvetlerinin bir sonucudur. Titreşim, takım veya işin yer değiştirmesinden kaynaklanabileceği gibi çalışma şartlarındaki değişmelere bağlı kesme işlemindeki değişikliklerden ve malzeme şartlarından da etkilenir. BUE oluşması da kesme kuvvetlerinde dalgalanmalara ve titreşime sebep olur. Talaş kaldırma geometrisinin önemsenmesi, uygun talaş kırılmasının sağlanması, pozitif talaş açısı kullanılması ve yüksek kesme hızlarının seçilmesi kesme kuvvetleri/titreşim ilişkisi üzerinde genellikle olumlu tesirler yaratır. İşleme yöntemindeki faktörler tarafından şekillenen talaş kaldırma sisteminin komple kararlılığı da başarılı sonuçlar almak için önemlidir. Kullanılan takım tutucunun kalitesi ve kesici ucu emniyetli ve sağlam biçimde tutabilme kabiliyeti de diğer önemli bir faktördür.

4.6. Güç Hesabı 4.6.1. Kesme gücü (Pc) Talaşlı üretimde kesme kuvvetini sağlayacak güç için hesaplamalar genel güç denkleminden yararlanılarak oluşturulur. Güç = Kuvvet x Yol / Zaman olduğuna göre kesme gücü (Pc) için; Pc = (Watt ya da J/sn) Genellikle üst birim olarak kilowatt (kW) kullanıldığına göre sonucun doğrudan kW cinsinden elde edilebilmesi için; PC = (kW) Güç olarak beygir gücü (BG yada HP) istenirse, PC = (HP) PC kesme gücü, kesme işleminde oluşan moment (Mt; Nm)ve açısal hız (ω) cinsinden de ifade edilebilir: Pc = Mt x ω

4.6.1. Motor gücü (PM) Pc kesme gücü, teorik olarak hesaplanan Fc kesme kuvvetini sağlamak için gereken güçtür. Ancak kinematik bir zincir oluşturan takım tezgahında bazı güç kayıpları söz konusu olacağından motor gücünün, bu hesaplanan kesme gücünden büyük olması gerekir ŞebekeGücü Motor Hız kutusu Fener mili Yardımcı ekipman için harcanan güç soğutma sıvısı motoru ilerleme motorları varsa hidrolik tertibat tahrik sistemi elektronik kumanda tertibatı Kesme hızı Kesme kuvveti (Fc) veya Moment (Mt) Motor gücünü belirlemek, kinematik sitemin verimi (η) ile ilgilidir ve freze tezgahlarında verim 0.65- 0.85 arasında iken torna tezgahlarında bu değer daha yüksek olup 0.8-0.9 civarındadır PM = (kW) ░░░░