Paslanmaz Çelik Frezeleme (ISO M): Deformasyon Sertleşmesi, Parametre ve Takım Seçimi

Paslanmaz çelikler ISO 513 sınıflandırmasında M grubunu oluşturur ve talaşlı imalatta karbon çeliklerinden farklı bir davranış gösterir. Genel malzeme sınıflandırması ISO malzeme grupları rehberinde ayrıca anlatılmıştır.

1. ISO M altındaki farklı davranışlar

"Paslanmaz" tek bir malzeme değildir. Aynı ISO M başlığı altında birbirinden belirgin ayrılan mikroyapılar bulunur ve her biri farklı bir zorluk üretir.

Gruplar arasındaki fark parametre seçimine doğrudan yansır. Ferritik ve tavlı martenzitik kaliteler ISO P davranışına yakın çalışırken, östenitik ve dubleks kaliteler hem daha düşük kesme hızı hem daha sağlam bir kurulum ister. Atölyede en sık karşılaşılan kaliteler 304 ve 316 olduğundan, rehberin ağırlığı östenitik davranış üzerindedir.

2. Zorluğun üç fiziksel nedeni

Düşük ısıl iletkenlik

304 paslanmazın ısıl iletkenliği oda sıcaklığında yaklaşık 16 W/(m·K) düzeyindedir; karbon çeliğinde bu değer 45–60 W/(m·K) aralığındadır. Yani paslanmaz, karbon çeliğinin yaklaşık üçte biri kadar ısı iletir. Sonuç doğrudandır: kesme bölgesinde üretilen ısının büyük kısmı talaşla uzaklaşamaz ve kesici kenarda birikir. Kesici kenar sıcaklığı yükseldikçe difüzyon ve plastik deformasyon aşınması hızlanır. Aşınma mekanizmalarının ayrıntısı takım aşınması rehberinde ele alınmıştır.

Yapışma eğilimi ve yığma kenar

Östenitik yapının yüksek sünekliği, talaşın kesici kenara basınç altında kaynamasına elverişlidir. Bu kaynaklı birikim yığma kenar (built-up edge, BUE) olarak adlandırılır. Yığma kenar kopmadan önce takım geometrisini değiştirir, koptuğunda ise kaplamayı beraberinde sökerek kenarda mikro kırılma bırakır. Frezelemede kesici kenarın yok olma nedeni sıklıkla doğrudan aşınma değil, yığma kenarın yol açtığı kenar kırılmasıdır.

Deformasyon sertleşmesi

Östenitik paslanmaz plastik deformasyona uğradığında yüzey altında sertliği artmış ince bir tabaka oluşur. Bir sonraki kesici diş bu tabakaya girdiğinde daha yüksek kuvvetle ve daha yüksek sıcaklıkla karşılaşır. Tabaka yeterince kalın değilse kesme normal seyreder; ancak takım yeterince derin kesmiyorsa her geçiş bir öncekinin sertleştirdiği bölgede çalışır ve süreç kendini besler.

Bu davranış dubleks ve süper dubleks kalitelerde, östenitik, ferritik ve martenzitik paslanmazlara göre çok daha güçlüdür: takım aşınırken işlenmiş yüzey aynı anda sertleşmeye devam eder.

3. Sabit ve yeterli talaş kalınlığı kuralı

Paslanmaz frezelemede en sık yapılan hata, sorun karşısında ilerlemenin düşürülmesidir. Bu refleks ters çalışır. Diş başına ilerleme azaldıkça oluşan talaşın kalınlığı kesici kenarın yuvarlatma yarıçapının (edge hone) altına yaklaşır. Kenar bu noktada malzemeyi kesmek yerine ezer ve parlatarak geçer. Ezme hem ısı üretir hem de sertleşmiş tabakayı kalınlaştırır.

Sandvik Coromant'ın frezeleme kılavuzu bu davranışı açıkça belirtir: çok düşük bir fz değeri, kesici kenarın deformasyonla sertleşmiş bölgede çalışması nedeniyle aşınmayı artırır. Aynı gerekçe dubleks kalitelerde daha da belirgindir; sertleşmiş tabakanın altına inebilmek için mümkün olan en büyük kesme derinliğinin kullanılması önerilir. Dubleks paslanmazların frezelenmesine ilişkin IMOA kılavuzu bunu somut bir sınırla ifade eder: eşyönlü (climb) frezelemede ortalama talaş kalınlığının en az 0,1 mm tutulması ve giriş açısı 45°'den 90°'ye çıktıkça ilerlemenin 1,0 ile 0,7 arasında bir katsayıyla düzeltilmesi istenir.

Buradan üç pratik sonuç çıkar:

• İlerleme düşürülerek sorun çözülmez. Titreşim veya kenar kırılması varsa önce rijitlik, takım boyu ve strateji gözden geçirilir.
• Radyal kavrama küçüldükçe ilerleme düzeltilir. ae değeri çap yarıçapının altına indiğinde gerçek talaş kalınlığı nominal fz değerinin altına düşer. Düzeltme yapılmazsa ezme başlar. Hesap yöntemi talaş incelme rehberinde verilmiştir. Devir ve ilerleme dönüşümü için vf = fz × Z × n bağıntısı kullanılır.
• Talaş kalınlığı sabit tutulur. Köşelerde ve kavis geçişlerinde kavrama açısı artar; ilerleme sabit bırakılırsa kuvvet sıçrar. CAM tarafında sabit kavramalı yol üretilmesi tercih edilir.

4. Kesme hızı ve ilerleme aralıkları

Paslanmazda kesme hızının hem alt hem üst sınırı vardır. Üst sınırı ısı, alt sınırı ise yığma kenar belirler. Çok düşük hızda kesme kaynaklı yapışma artar; çok yüksek hızda kesici kenar termal olarak çöker.

Aralıkların katı karbür ile kartuşlu takımlar arasında bu kadar farklı olması şaşırtıcı değildir: kartuşlu takımlarda kesici kenar daha kalın, kaplama daha kalın ve ısıl yük daha kısa süreli taşınır. Katı karbür parmak freze ise ince kesitiyle ısıyı tolere edemez.

Diş başına ilerleme tarafında yaygın referans, çap ile ölçeklenen bir bant verir: 3,175 mm (1/8") çapta 0,013 mm/diş mertebesinden 25,4 mm (1") çapta 0,15 mm/diş mertebesine kadar. Bu iki uç, kabaca fz ≈ çapın %0,4–0,6'sı şeklinde bir başlangıç kuralı üretir. Değerler kaba omuz frezeleme içindir; tam kanalda alt sınıra, trokoidal stratejide incelme düzeltmesi sonrası üst sınıra doğru gidilir.

5. Takım, kaplama ve kenar hazırlığı

Paslanmaz için takım seçiminde belirleyici olan üç özellik keskinlik, kenar tokluğu ve yapışma direncidir.

Kaplama. PVD kaplamalar tipik olarak 1–4 µm kalınlıktadır ve kesici kenarın keskinliğini korur. Bu nedenle paslanmazda genel tercih PVD tarafındadır. Alüminyum içeren kaplamalar (AlTiN / TiAlN ailesi) oksidasyon direnci ve düşük yapışma eğilimi nedeniyle öne çıkar; bu kaplamalar kuru veya sınırlı soğutmalı çalışmada da tutarlı davranış gösterir. Kaplama ailelerinin karşılaştırması kaplama rehberinde ayrıntılandırılmıştır.

Kenar hazırlığı. Kenar yuvarlatması iki yönlü bir tercihtir. Fazla yuvarlatılmış kenar ezme etkisini artırır ve deformasyon sertleşmesini besler; fazla keskin kenar ise kesintili kesimde kırılır. Katı karbür parmak frezede ince taneli karbür üzerine hafif ve düzgün bir kenar hazırlığı, kartuşlu takımlarda ise güçlendirilmiş kenar geometrisi tercih edilir. İnce taneli karbür, kenar keskinliğini bozmadan tokluk sağladığı için bu grupta yaygın kullanılır.

Geometri. Kaba omuz ve cep işlerinde 4–5 ağız yaygındır. Tam kanal açmada talaş tahliyesi belirleyici olduğundan ağız sayısı düşük tutulur. Finiş yan yüzey geçişlerinde 40°'nin üzerinde helis açısı ve 5 ve üzeri ağız sayısı kullanılır. Trokoidal stratejide radyal kavrama küçük olduğundan 5–7 ağızlı takımlarla yüksek talaş debisine çıkılabilir; yöntem trokoidal frezeleme rehberinde anlatılmıştır.

6. Kesintili kesim, bekleme ve giriş-çıkış

Paslanmazda takımın kesme içinde beklemesi doğrudan hasar üretir. Tezgâh bir saniyeliğine duraksadığında temas noktasındaki malzeme sertleşir ve bir sonraki geçişte kenar bu sert noktaya çarpar. Bu nedenle:

• Program içinde ilerlemenin sıfırlandığı bekleme (dwell) komutlarından kaçınılması gerekir.
• Takımın kesme yüzeyinden çekilmeden durdurulmaması gerekir.
• Kesintili kesim mümkün olduğunca azaltılır. Delik üzerinden geçen tarama yolları, kesintili omuz geçişleri ve dişi tekrar tekrar boşluğa sokan yollar kenar kırılmasını hızlandırır.
• Girişler radyal rampa veya yay ile yapılır; dik dalma yerine helisel interpolasyon tercih edilir.

Rijitlik ayrı bir başlıktır. Paslanmazın yüksek kesme kuvveti, uzun takım ve zayıf bağlamayla birleştiğinde titreşime dönüşür ve titreşim keskin kenarı kırar. Takımın mümkün olan en kısa boyda, salgısı ölçülmüş bir tutucuya bağlanması gerekir.

7. Soğutma sıvısı: basınç ve konum

Paslanmazda soğutma sıvısının işlevi soğutmaktan çok talaşı kesme bölgesinden uzaklaştırmak ve yapışmayı azaltmaktır. Kritik olan debi kadar basınç ve jetin doğru noktaya isabet etmesidir.

Yüksek basınçlı soğutma uygulamalarında standart yetenek 70/80 bar (1.015/1.160 psi) mertebesindedir ve bu seviye uygulamaların çoğu için yeterli sayılır. Talaşı zor kırılan malzemelerde (süper dubleks ve nikel esaslı alaşımlar) 150 bara (2.176 psi) kadar çıkılır. Nozul çapları 1 mm mertebesinde tutularak jetin dağılmadan kesme bölgesine ulaşması sağlanır ve toplam debi ihtiyacı sınırlanır. Doğru yönlendirilmiş yüksek basınçlı sıvı, talaş ile talaş yüzeyi arasında hidrolik bir kama oluşturarak temas alanını küçültür; sonuçta talaş kontrolü düzelir ve kesici kenardaki ısıl yük azalır.

Buna karşılık her operasyonda sıvı doğru seçim değildir. Kartuşlu tarama frezeleriyle yapılan kaba talaşta kesici kenar her turda ısınıp soğuduğundan, sıvı termal çatlak oluşumunu hızlandırır; bu koşulda kuru çalışma önerilir. IMOA'nın dubleks kılavuzu da kartuşlu tarama frezelemede, özellikle kaba talaşta, talaşın takımdan temiz atılabilmesi için soğutma sıvısı kullanılmamasını belirtir. Katı karbür parmak frezeyle yapılan kanal, cep ve derin omuz işlerinde ise talaşın oluktan atılması zorunlu olduğundan sıvı vazgeçilmezdir.

8. Dubleks ve süper dubleksin ek zorlukları

Dubleks paslanmazlar östenit ve ferrit fazlarını yaklaşık eşit oranda barındırır. Bu yapı, akma dayanımını östenitik kalitelerin belirgin üzerine taşır ve kesme kuvvetini yükseltir. Süper dubleks kaliteler (örneğin S32750 ve S32760; çukurcuk direnç eşdeğeri PREN 40–43 aralığında) aynı davranışı daha uç noktada gösterir. Karşılaştırma için 316L'nin PREN değeri 24–25, standart dubleks 2205'inki (S31803 / S32205) 33–36 aralığındadır.

Uygulamada üç fark öne çıkar:

1. Kesme hızı düşürülür. Kartuşlu karbürle tarama frezelemede 2205 kaba talaş için 50–80 m/dk, finiş için 80–110 m/dk; 2507 için kaba talaş 30–50 m/dk, finiş 50–70 m/dk aralığı verilir. Bu değerler östenitik kaliteler için önerilen 150–250 m/dk bandının belirgin altındadır. Ancak hızın alt sınırı da vardır; aşırı düşük hız yığma kenarı geri getirir.
2. Kesme derinliği artırılır. Bir önceki geçişin sertleşmiş tabakasının altına inilmesi için mümkün olan en derin kesit alınır.
3. Rijitlik ve soğutma yükseltilir. Hafif bir titreşim bile kesici kenarı kırar; yüksek basınçlı soğutma bu grupta istisna değil kural sayılır.

Talaş kontrolü ayrıca dikkat gerektirir. Yüksek dayanım ve yüksek uzama birlikte bulunduğundan talaş uzun kalır, parçaya sarılır ve yüzeyi bozar. Talaşın parça üzerinden sürekli uzaklaştırılması gerekir.

9. Uygulama örnekli parametre tablosu

Aşağıdaki değerler yukarıda verilen üretici aralıklarının içinden seçilmiş başlangıç noktalarıdır; tezgâh gücü, bağlama rijitliği ve takım boyuna göre düzeltilmesi gerekir.

Paslanmaz işlerinde kullanılan katı karbür takımlar düz freze kategorisinde listelenmiştir.

Kaynaklar

• ISO 513:2012, Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application
• ISO 8688-2:1989, Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• ISO 15510:2014, Stainless steels — Chemical composition
• Sandvik Coromant, How to do milling in different materials (sandvik.coromant.com)
• Sandvik Coromant, Machining with coolant / coolant aspects (sandvik.coromant.com)
• Harvey Performance Company, Slaying Stainless Steel: Machining Guide (harveyperformance.com)
• Nickel Institute, Stainless Steels for Machining, A Designers' Handbook Series No. 9011 (nickelinstitute.org)
• International Molybdenum Association (IMOA), Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels, 3rd Edition (imoa.info)