Kanal Açma, Dalma ve Helisel İnterpolasyon: Tam Kavramada Doğru Giriş Stratejisi

Tam kanal açma, frezelemenin en zorlayıcı kavrama koşuludur: takım tek bir geçişte kendi çapı kadar malzeme kaldırır ve talaşın kaçacağı serbest yüzey yoktur. Önce bu kavrama koşulunun sınırları geliyor; ardından kapalı bir cebe veya kanala girmenin dört yolu: ön delik, dik dalma, rampalı dalma ve helisel interpolasyon. İzin verilen açı aralıkları ve helisel interpolasyonda atlanması pahalıya patlayan ilerleme düzeltmesi de oralarda.

1. Tam kanalda kavrama koşulu

Tam kanalda radyal kavrama takım çapına eşittir (ae = D). Kesici kenar, malzemeye girdiği noktadan çıktığı noktaya kadar takım çevresinin yarısı boyunca, yani 180°'lik bir kavrama açısı boyunca temas halinde kalır. Yandan frezelemede tipik olan kısa temas yayının aksine burada kenar, dönüşün yaklaşık yarısında yük altındadır.

Bu koşulun dört doğrudan sonucu vardır:

• Talaş tahliyesi tıkanır. Talaşın çıkabileceği tek yol takımın kendi oluğudur. Oluk dolduğunda talaş yeniden kesilir; kenar üzerinde ikinci kez kesilen talaş hem aşındırıcı hem de yapışma kaynaklıdır.
• Isı birikir. Temas süresi uzadığı için kenarın soğuma aralığı kısalır. Kapalı kanal içinde soğutma sıvısının kesme bölgesine ulaşması da zorlaşır; bu durum aşınma mekanizmalarını hızlandırır.
• Radyal kuvvetler dengelenir, ama sabitlenmez. Kanalın iki yanağı takımı karşılıklı iter. Kuvvetler teorik olarak birbirini götürse de, kenarların eşit olmayan aşınması ve salgı bu dengeyi bozar; sonuç ölçü sapması ve titreşimdir.
• Alın kesme payı artar. Kanal tabanında takımın alın kenarı da kesme yapar. Bu nedenle kanal açmada ilerlemenin yandan frezelemeye göre düşürülmesi gerekir.

Bu dört maddenin ortak noktası şudur: tam kanal, bir kesme parametresi sorunundan çok bir talaş tahliyesi sorunudur. Parametreler doğru seçilse bile oluk hacmi yetersizse takım kırılır.

2. Ağız sayısının kanal açmada sınırlı tutulması

vf = fz × Z × n bağıntısı gereği ağız sayısının artırılması ilerlemeyi doğrudan artırır. Ancak sabit bir çapta ağız sayısı arttıkça talaş oluğunun kesit alanı küçülür. Tam kanalda oluk, talaşın tek çıkış yolu olduğu için bu daralma doğrudan tıkanma anlamına gelir.

Son satır bilinçli bir istisnadır. Çok küçük çaplı takımlarda kırılmanın baskın nedeni tıkanma değil sapma ve göbek zayıflığıdır; bu nedenle üretici yayınlarında yüksek ağız sayısı ve çok küçük eksenel adımlarla ilerlenmesi önerilir.

Eksenel derinlikte de aynı mantık geçerlidir. Yanal frezelemede çapın bir–iki katına kadar eksenel derinlik olağan sayılırken, tam kanalda derinliğin kademelere bölünmesi ve her kademe arasında talaşın temizlenmesi gerekir. Kademeli ilerleme, oluğun her turda boşalmasına imkân verir.

3. Tam kanaldan kaçınmanın yolu: trokoidal yaklaşım

Kanal genişliği takım çapından büyük olduğunda tam kavramaya girmek zorunlu değildir. Trokoidal (dilimleme) stratejide daha küçük çaplı bir takım, dar radyal kavrama ve yüksek eksenel derinlikle dairesel yörüngeler çizerek kanalı açar. Uygulamada radyal kavrama çapın yaklaşık %5–15'i aralığında tutulur; Sandvik Coromant trokoidal frezelemede radyal kesme derinliğinin çapın %20'sini aşmaması gerektiğini belirtir. Eksenel derinlik ise çapın iki katına kadar alınabilir.

Radyal kavrama küçüldüğünde talaş incelmesi devreye girer ve ilerlemenin buna göre artırılması gerekir; bu düzeltme talaş incelmesi rehberinde ayrıntılı ele alınmıştır. Yöntemin bütünü için trokoidal frezeleme rehberi incelenebilir.

4. Kapalı bir hacme giriş: dört yöntem

Kapalı cep, gözlü kanal veya delik açılırken takımın malzemeye eksenel yönde girmesi gerekir. Kullanılan dört temel yöntem ve koşulları aşağıdaki gibidir.

Ön delik açma

Üretici yayınlarında en güvenli uygulama olarak, cep derinliğine kadar ve parmak freze çapından %5–10 büyük bir ön deliğin açılması gösterilir. Parmak freze bu deliğe kuvvetsiz iner ve yanal frezelemeye geçer. Yöntem bir takım değişimi maliyeti getirir, buna karşılık takım ömrü açısından en öngörülebilir sonucu verir.

Dik dalma

Dik dalmada bütün kesme kuvveti Z ekseni boyunca yığılır ve talaş, takımın altında sıkışır. Parmak frezenin alın bölgesi matkap gibi tasarlanmadığından merkeze doğru kesme hızı sıfıra iner; merkezde kesme değil ezme oluşur. Bu nedenle dik dalma yalnızca merkezden kesen (center cutting) takımlarla mümkündür ve merkezden kesmeyen bir takımda doğrudan kırılmaya yol açar.

Dik dalmanın kendine özgü bir avantaj alanı vardır. Uzun boy takımla derin cep işlenirken, kuvvetin radyal yerine eksenel yönde olması iğ üzerinde kararlı bir yük oluşturur ve titreşim eğilimini sınırlar. Bu nedenle özel dalma frezeleme takımlarıyla yapılan dalma, derin boşluk kabası ve uzun konsol kurulumları için ayrı bir strateji olarak kabul edilir. Ancak standart parmak frezeyle yapılan dik dalma bu kapsamda değildir.

Rampalı dalma

Rampalı dalmada takım, Z ekseniyle birlikte X veya Y eksenlerinden birinde eş zamanlı ilerler. Kesme üç ayrı bölgede aynı anda gerçekleşir: öndeki kenarın çevresi, öndeki kenarın alnı ve arkadaki kenarın alnı. Bu nedenle üretici yayınlarında rampa boyunca ilerlemenin normal değerin yaklaşık %75'ine düşürülmesi ve rampa bittikten sonra takım çapı kadar mesafe boyunca düşük ilerlemede devam edilmesi önerilir.

İzin verilen rampa açısı takıma ve malzemeye bağlıdır. Katalogda verilen maksimum değer bağlayıcıdır; genel aralıklar şöyledir:

Doğrusal rampanın dar kanallarla sınırlı tutulması gerekir; üretici yayınlarında yöntem 30 mm'den dar kanallar için önerilir. Derin kanallarda rampanın ileri–geri yönde tekrarlanması (kademeli rampa) uygulanır ve yön değiştirmeden önce takımın belirli bir mesafe kaldırılması gerekir.

Helisel interpolasyon

Helisel interpolasyonda takım X–Y düzleminde dairesel bir yörünge izlerken Z ekseninde belirli bir adımla (pitch) iner. Kesme kuvvetleri üç eksene dağılır, radyal kavrama küçük kalır, tam eş yönlü (climb) frezeleme mümkün olur ve talaş yörüngenin açık tarafından tahliye edilir. Üretici yayınlarında bu yöntemin takım ömrü açısından en olumlu giriş biçimi olduğu belirtilir.

İki geometrik sınır dikkate alınır. Birincisi, helis çapının takım çapının %110–120'sinin üzerinde tutulmasıdır; oran bunun altına indiğinde merkez bölgesi tam kanal koşuluna yaklaşır. İkincisi, tek sürekli sarmalla açılabilecek en büyük delik çapının takım çapının iki katı olmasıdır. Bu çapta kavrama tam kanal koşuluna döner ve kör deliklerde merkezde küçük bir göbek kalabilir; göbeğin ayrı bir geçişle temizlenmesi gerekir.

Eksenel adım (pitch), takım için tanımlı maksimum eksenel derinliği aşamaz ve delik çapı, takım çapı ile rampa açısına bağlı olarak belirlenir.

5. Merkez ilerlemesi ile çevresel ilerleme farkı

Helisel interpolasyonun en sık atlanan noktası budur. Tezgâha verilen ilerleme değeri takım merkezinin hızıdır; oysa talaş çevredeki kesici kenarda oluşur. Takım eğrisel bir yörünge izlediğinde bu iki hız birbirine eşit değildir.

İç hatta (delik veya cep açarken) kesici kenarın izlediği yay, merkezin izlediği yaydan uzundur. Merkez ilerlemesi düzeltilmezse kenar beklenenden hızlı hareket eder ve gerçek diş başına ilerleme hedeflenen değerin epeyce üzerine çıkar. Dış hatta (bir ada veya pim çevresi işlenirken) durum tersine döner; kenar yavaşlar, takım keser gibi görünse de ovalayarak körelir.

Çevresel ilerleme vfm = n × fz × zc bağıntısıyla hesaplandıktan sonra merkez ilerlemesi şöyle bulunur:

• İç hat: vf = vfm × (Dm − Dcap) / Dm
• Dış hat: vf = vfm × (Dm + Dcap) / Dm

Burada Dm işlenen çap, Dcap takımın o derinlikteki etkin kesme çapıdır.

Sayısal örnek. 20 mm çapında bir delik, 12 mm çapında bir parmak frezeyle helisel interpolasyonla açılsın. Hesaplanan çevresel ilerleme 1.200 mm/dk olsun.

vf = 1.200 × (20 − 12) / 20 = 480 mm/dk

Program 1.200 mm/dk ile yazıldığında kesici kenar, hedeflenen diş başına ilerlemenin iki buçuk katı bir yükle çalışır. Aynı takımla 20 mm çapında bir pimin dış hattı işlenseydi düzeltme ters yönde olurdu:

vf = 1.200 × (20 + 12) / 20 = 1.920 mm/dk

Etkin radyal kavrama ve buna karşılık gelen giriş açısı da hesaplanabilir. İç hatta ae,eff = (Dm² − Dw²) / (4 × (Dm − Dcap)) bağıntısı kullanılır; burada Dw işlemeden önceki delik çapıdır. Karşılık gelen açı β = arccos(1 − 2 × ae,eff / Dcap) ile bulunur.

Temel kesme hesabı ve sembollerin tanımı için kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı rehberi incelenebilir.

Modern CAM sistemlerinin çoğu bu düzeltmeyi kendiliğinden uygular. Elle yazılan programlarda, tezgâh başında yapılan düzenlemelerde ve ilerleme oranının operatör tarafından değiştirildiği durumlarda ise düzeltmenin doğrulanması gerekir.

6. Delik açmada helisel interpolasyon ile matkabın karşılaştırılması

İki yöntem birbirinin alternatifi değil, farklı kısıtların çözümüdür.

Tezgâhın gücü ve rijitliği yeterli olduğunda, seri üretimde talaş kaldırma açısından en verimli yöntem matkaptır. Helisel interpolasyon; parça üzerinde çok sayıda farklı çap bulunduğunda, düşük güçlü bir tezgâhta büyük çaplı delik gerektiğinde, yapışma eğilimli malzemede talaş tahliyesi kritik olduğunda ve delik çapının dar toleransa çekilmesi istendiğinde öne çıkar. Köşe radyüslü takım kullanıldığında köşe bölgesindeki yük dağılır ve aşınma yavaşlar; bu nedenle helisel girişte köşe radyüslü frezeler yaygın olarak tercih edilir.

Kaynaklar

• ISO 8688-2:1989, Tool life testing in milling — Part 2: End milling. iso.org
• Sandvik Coromant, Slicing and trochoidal milling (radyal kavrama üst sınırı ve eksenel derinlik aralığı). sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant, Ramping: two axis linear and circular. sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant, Milling formulas and definitions (dairesel interpolasyonda merkez ve çevre ilerlemesi bağıntıları). sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant, Plunge milling. sandvik.coromant.com
• Harvey Performance Company, Most common methods of tool entry ve Ramping to success. harveyperformance.com
• Harvey Performance Company, Circular interpolation: machining circular tool paths. harveyperformance.com
• Kennametal, Helical milling interpolation calculator (rampa açısı, eksenel adım ve merkez/kenar ilerleme çıktıları). kennametal.com