Ultrasonik Talaş Kaldırma Yöntemlerinin Faydaları

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Ultrasonik talaş kaldırma yöntemi, ultrasonik indüklenmiş titreşimlerin tasarlanmış olan takıma gönderilerek, aşındırıcı sıvı (slurry) ile kombine ederek, gevrek ve sert malzemelerde düzenli delikler ve sıra dışı şekiller oluşturmak için uygulanan gelişmiş işleme şeklidir. Ultrasonik işleme yüksek frekanslı bir elektrik sinyalinin akustik olarak iletilen mekanik harekete çevrilmesidir.

Ultrasonik talaş kaldırma yöntemlerinde aşındırıcı sıvı (aşındırıcı tane-sıvı karışımı) içinde bulunan aşındırıcı taneler çok yüksek frekanslı titreşim yapan takım ile iş parçasına çarptırılır. Takımın şekli iş parçası şeklinin negatifidir.

Ultrasonik talaş kaldırma yöntemlerinde yüksek frekanslı titreşimin takımın bağlandığı başlığa aktarılması için güç dönüştürücü (transducer) kullanılır. Güç dönüştürücü elektriksel sinyalleri dikey kurs hareketine çevirir. Titreşim büyüklüğü aşındırıcı tanelerin çapına eşittir veya 0.05 mm civarındadır. Bu titreşim sayesinde aşındırıcı sıvı içindeki aşındırıcı taneler çok yüksek hız kazanıp kendi ağırlığından çok daha büyük bir ağırlıkla iş parçasına çarparak bir nevi dönme suretiyle talaş kaldırma işlemini gerçekleştirir. İşlem sonunda takım profili takım uzunluğu boyunca iş parçasına işlenmiş olur.

Talaş derinliği aşındırıcı tane büyüklüğünün iki katı olarak gerçekleşir. Yüzey kalitesi, iş parçası ve takım malzemesinin sertliğine ve aşındırıcı tanelerin ortalama çapına bağlıdır. Taneler ne kadar küçük olursa yüzey pürüzlülüğü o kadar azalır. Tane boyutunu büyütmek talaş kaldırma oranını artırır yani iş süresi kısalmış olur. Fakat takımın aşınma ömrü azalmış olur. İşlem sonunda malzemenin mikro yapısında, fiziksel ve kimyasal özelliklerinde değişiklik meydana gelmez. İşlenen yüzeylerde kalıntı gerilme yok denecek kadar azdır. İşlem esnasında çok az ısı meydana gelir.

Ultrason, insan kulağının işitemeyeceği kadar yüksek frekanslı ses dalgalarına verilen addır. Duyulabilir ses frekansı 20-20.000 Hz aralığındadır. Ultrasonik ses dalgaları ise 20.000 Hz ’in üzerindedir. Bu frekans kullanılarak, bir güç jeneratörü vasıtasıyla 120/240 V ve 50/60 Hz alternatif akımlı şebeke elektriği, 20.000 Hz titreşimli yüksek frekanslı doğru akıma çevrilir. Bu yüksek frekans dönüştürücüler (transducer) tarafından algılanıp mekanik enerjiye dönüştürülür.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA TEZGAHLARINDA BULUNAN SİSTEMLER VE ELEMANLARI

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA İŞLEMİNDE PARAMETRELERİN İNCELENMESİ

En düşük takım aşınması titanyum alaşımda ve daha sonra titanyumdadır. Sementit Karbür 92 HRc sertliğe sahip olduğundan çabuk kırılır. Silikon karbür, alüminyum oksite göre daha fazla takım aşındırma özelliğine sahiptir. Silikon karbür aşındırıcı, Alüminyum oksite göre %50-60 daha fazla kesme kuvveti gerektirir. Bor Karbür, silikon karbüre göre daha az takım aşındırır. İri taneli aşındırıcılar takım aşınmasını artırır ve iş parçasında ve takımda oluşturduğu darbeler çatlak oluşumuna neden olur.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNİN ÇEŞİTLERİ

• BATIRICILI ULTRA TALAŞ KALDIRMA İŞLEMİ ( SINKER ULTRASONIC MACHINING)

Bu tip ultrasonik talaş kaldırma tipi,  aşındırıcı sıvı iş parçası yüzeyinden talaş kaldırarak yapılır. Takım dönme hareketi yapmaz. Düşey yönde takım titreşerek talaş kaldırır. Takımın geometrik şekli işleme sonunda iş parçasında oluşur.

• DÖNER ULTRA TALAŞ KALDIRMA İŞLEMİ ( ROTARY ULTRASONIC MACHINING)

Takım 8000 d/d ile dönmektedir. Aşındırıcı sıvı kullanılmaz. Takım 20 kHz frekansta titreşim hareketi yaparken dönme hareketi de yapar. Diş açma, delik delme gibi işlemler döner ultrasonik talaş kaldırma işlemiyle yapılır. Elmas takım ile talaş kaldırmaktadır.

LİTERATÜR TARAMASINDAN ELDE EDİLEN BİLGİLER

Z. C.  Li,  Z. J. Pei,  T. Sisco,  A. C.  Micale ve C. Treadwell tarafından bahar 2007’ de yayımlanan “Experimental Study on Rotary Ultrasonic Machining of Graphite/Epoxy Panel“ adlı makalede döner ultrasonik talaş kaldırmanın grafit/epoksi (GREP) panellerine delik delme işlemlerinde kullanımını ve elde edilen sonuçları ele almıştır. Grafit/epoksi panellere delik delme işlemleri araştırılmış. Takıma aktarılan titreşimin kesme kuvvetini düşürdüğü görülmüştür. Ultrasonik titreşim, maksimum kesme kuvvetini %23 oranında azaltırken, ortalama kesme kuvvetini %43 oranında azalttığı görülmüştür. Ultrasonik titreşimin delik kalitesine pozitif etkisi olduğu görülmüştür. Delaminasyonlar ve delik giriş ve çıkışlarında lif çekmeleri oluşmadığı görülmüştür.

Titreşimle delme işlemleri daha kararlı yüzeyler elde etmeyi sağlar. İlerleme hızı arttırıldığında kesme kuvveti artar. Fakat işleme süresi azalır. İlerleme hızı artırılırsa talaş kaldırma oranı artar.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNDE KULLANILAN AŞINDIRICI MATERYAL

Aşındırıcı sıvı içindeki aşındırıcı materyal oranı %30-60 (hacimsel) arasındadır. Aşındırıcı materyali sık sık değiştirmek gerekir. Aşındırıcı materyaller (SiC, Al2O3, B3C ve Elmas) suya veya yağa eklenir. İşleme hızı en fazla B3C’ de elde edilir. Genelde Alüminyum oksit kullanılır. Aşındırıcıların boyutu, yüzey pürüzlülüğü ve kesme hızına göre farklılaşır. İnce maddeler daha iyi yüzey kalitesi ve hassasiyet sağlar, fakat işleme hızı azdır. Aşındırıcı maddelerden Bor karbür, en yüksek işleme hızını sağlar. İşleme hızı, aşındırıcı madde boyutu ile titreşim genliğine eşit oluncaya kadar doğru orantılıdır, bu değerden sonra ise ters orantılıdır.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNDE KULLANILAN TAKIMLAR

Ultrasonik talaş kaldırma yöntemlerinde, takım malzemeleri dayanıklı olmalıdır. Çok yumuşak malzemelerde (Alüminyum, Bakır, Pirinç) kısa ömürlü olurlar. Ultrasonik talaş kaldırma yöntemlerinde,  düşük karbonlu çelik iyi bir kesici takım malzemesidir. Paslanmaz çelik ve molibden daha iyidir. Takım uçları, yüksek aşınma rezistansına ve yorulma dayanımına sahip olmalıdır. Takım çok geniş olursa salınım artacağından fazla güç emer, çok uzun olursa kırılma ve yalpalama riski vardır.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNİN UYGULAMALARI

• Elektriksel iletkenliği olmayan seramik gibi malzemelerde çukurların işlenmesinde kullanılır.
• Kırılganlığı yüksek gevrek malzemelerin işlenmesinde kullanılır.
• Silikon Nitrür (Si3N4) türbin bıçaklarının imalatı için adımlı işlemlerde kullanılır.
• Sert, gevrek metalik alaşımlarda, yarı iletkenlerde, cam, seramik, karbür vb. malzemelerin işlemesinde kullanılır.
• Dairesel işleme, kare, düzensiz şekilli delikler ve yüzey etkilerinde kullanılır.
• Delme, diş açma, gibi operasyonlarında kullanılır.
• Ferritler, çelik parçalar ve hassas mineral taşları, ultrasonik işleme ile işlenebilir.
• Ultrasonik işleme, endüstriyel elmasların kesiminde kullanılır.
• Kuvarstan talaş kaldırma işleminde kullanılır.
• Seramiklerde ve camlarda kavisli ve spiral merkezli çizgili kesim yapmak mümkündür.
• Çok sayıda ve küçük çapta delikler açmak için ideal bir işlemdir.
• Elektronik endüstrisinde transistör, diyot ve doğrultucular için Germanyum ve silikon devre levhalarının çok küçük parçalara kesilmesini sağlar.
• EDM ve ECM ile yeterince işlenemeyen yarı iletken veya iletken olmayan kompleks şekilli malzemelerin işlenmesini sağlar.
• Özellikle işlenmesi mümkün olmayan uzay çağı malzemelerine şekil vermede kullanılır.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNİN KONVANSİYONEL TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNE GÖRE AVANTAJLARI

• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri ile sert, gevrek, kırılgan ve iletken olmayan malzemeler başarılı bir şekilde işlenebilir.
• İşleme esnasında herhangi bir ısı meydana gelmez. Bu sayede iş parçasının fiziksel yapısında değişme olmaz.
• Metal olmayan ( düşük elektrik iletkenliğine sahip) malzemeleri çok iyi derecede işler.
• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri ile üretilen makine parçalarında çapak oluşumu ve distorsyonlar ( çarpıklıklar) çok azdır (ihmal edilir).
• İşlem sonunda malzemenin mikro yapısında, fiziksel ve kimyasal özelliklerinde değişiklik meydana gelmez, işlenen yüzeylerde kalıntı gerilme yok denecek kadar azdır.
• Plastik malzemelerin kaynağı yapılabilir.
• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri ile işlenen parçalarda 0.025 -0.001mm arasında hassasiyet sağlanabilmektedir.
• Elektriksel,ısıl ve kimyasal bir işleme tipi olmadığından kritik uygulamalarda daha güvenilirdir.
• Ultrasonik talaş kaldırma işlemiyle işlenen parçalarda diğer geleneksel talaş kaldırma işlemlerine göre daha iyi yüzey kalitesi ve yüksek yapısal bütünlük elde edilir.
• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri, makine imalatında parçalara en son uygulanan yüzey sertleştirme işlemlerinden sonra da sertleştirilmiş yüzeyden talaş kaldırabilir.
• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri seri üretimde ekonomiktir.

ULTRASONİK TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNİN KONVANSİYONEL TALAŞ KALDIRMA YÖNTEMLERİNE GÖRE DEZAVANTAJLARI

• Düşük talaş kaldırma oranı vardır.
• Aşındırıcı sıvının ulaşması zor olduğu ve hareketini kısıtlayıcı derin delik açma işlemleri yapmak zordur.
• Takım aşınma oranı, aşındırıcı materyal yüzünden yüksektir.
• Ultrasonik talaş kaldırma yöntemleri, ekonomiklik ve kalite açısından sadece iş parçasının sertliğinin 40 HRC den fazla olması halinde kullanılabilir.
• Delik delme işlemlerinde, delik derinliğinin delik çapına oranı 3/1 olan orantıyla sınırlıdır.
• Takım çabuk aşınır.
• Ultrasonik işlemenin maliyeti, konvansiyonel işlemeye göre daha yüksektir. Farklı işlemler için ayrı takım imalatı gerektirir. Ayrıca aşındırıcı materyaller de maliyetlidir.

KAYNAKLAR

• 1. J. Kumar, J. S. Khamba, an experimental study on ultrasonic machining of pure titanium using designed experiments, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 1678 (2008).

• 2. Z. C. Li, Z. J. Pei, T. Sisco, A. C. Micale and C. Treadwell, Experimental study on rotary ultrasonic machining of graphite/epoxy panel, Proceedings – ASPE Spring Topical Meeting on Vibration Assisted Machining Technology, 204 (2007), 52-57.

• 3. Walker John.R. , Machining Fundamentals, 1590702499, 8. Baskı, Goodheart-Willcox publishing, U.S.A , 2004.

• 4.Z. J. Pei, P. M. Ferreira, An experimental investigation of rotary ultrasonic face milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 39(1999),1327-1344.
• 5.Hassan Abdel-E. H. Gawad, Fundamentals of machining processes, Taylor & Francis Group publisher, U.S.A, 2007, 305-321.
• 6.T. B. Thoe, D. K. Aspinwall and M. I. H. Wise, An experimental study on ultrasonic machining of pure titanium using designed experiments, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1590 (1998), 239-255.
• 7. P. L. Guzzo, A. , H. Shinohara and A. A. Raslan, A comparative study on ultrasonic machining of hard and brittle materials, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 1806(2004),1-13.
• 8. Prof. Dr. Muammer Gavas, Prof. Dr. Mustafa Yaşar, Doç. Dr. Mustafa Aydın ve Doç. Dr. Yahya Altunpak, Üretim Yöntemleri ve imalat teknolojileri Talaşsız-talaşlı imalat, 4. Baskı, Seçkin Yayıncılık, Ankara, Temmuz 2013.
• 9. Hamamcı E., Hamamcı B. ve Kayacan M. C. , Zor İşlenen Parçaların Ön Isıtmalı İşlenmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 1304-4141, 2012, Cilt: 9, No: 3.
• 10. Boy, M., Çiftçi, İ. , Demir, H. , Günay, M. ve Özhan, F. , sertleştirilmiş çeliklerin sert tornalama yöntemi ile işlenmesi, Ulusal Talaşlı İmalat Sempozyumu, 362-371, Ekim,2012.

İSMAİL BAYRAM

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Makine Mühendisliği Bölümü