Talaş incelme: radyal, eksenel ve ilerleme düzeltmesi

Frezelemede programlanan diş başına ilerleme ile kesici kenarın gerçekte kaldırdığı talaşın kalınlığı çoğu zaman aynı değildir. Radyal kavrama daraldığında veya kesme küresel ya da radyüslü bir kenar bölgesinde gerçekleştiğinde talaş kesiti incelir; ilerleme düzeltilmezse takım hedeflenen yükün altında çalışır ve beklenenin tersine daha erken körelir. İki etki vardır ve birbirinden bağımsızdır: radyal incelme ve eksenel incelme. İkisi bir arada geçerliyse çarpanlar çarpılarak uygulanır.

1. fz ile gerçek talaş kalınlığı arasındaki fark

Diş başına ilerleme (fz), tezgâhın bir diş süresince kat ettiği mesafedir ve programlanan bir büyüklüktür. Gerçek talaş kalınlığı ise kesici kenarın kavrama boyunca malzemeye dik yönde ayırdığı kesitin kalınlığıdır. Frezelemede bu kalınlık kavrama yayı boyunca sürekli değişir; sıfırdan başlar, bir maksimuma (hex) ulaşır ve yeniden sıfıra iner.

Takım üreticilerinin verdiği ilerleme tavsiyeleri, kenarın sağlıklı çalıştığı hedef talaş kalınlığını tarif eder. Tam yan frezelemede (ae = D/2) bu iki büyüklük birbirine eşit kabul edilir. Kavrama koşulları bu referanstan uzaklaştığında ise fz ile hex arasında bir dönüşüm katsayısı devreye girer. Kesme hızı, devir ve ilerleme arasındaki temel bağıntılar için kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı rehberi tamamlayıcı niteliktedir.

Temel bağıntılar şunlardır:

• n = (1.000 × vc) / (π × D)
• vf = fz × Z × n
• hex = fz / CTF

Burada düzeltme çarpanı, hedef talaş kalınlığından programlanacak fz'ye geçişte kullanılır: fz = hedef hex × CTF.

2. Radyal talaş incelme

2.1 Geometrik kaynağı

Radyal kavrama (ae) takım yarıçapından küçük olduğunda kesici kenar malzemeye artık dik yönde değil, teğete yakın bir açıyla girer. Kenarın kat ettiği yay kısalır ve ilerleme vektörünün talaş kalınlığına dik bileşeni azalır. Sonuçta aynı fz değeriyle daha ince bir talaş kaldırılır. Etki, ae/D oranı küçüldükçe hızlanan biçimde büyür.

Düzeltme katsayısı geometrik olarak şu bağıntıyla elde edilir:

RCTF = 1 / √[1 − (1 − 2 × ae/D)²]

Bağıntı ae/D ≤ 0,5 aralığında geçerlidir. ae/D = 0,5 için katsayı 1,0 çıkar; yani yarı çap kavramada düzeltme gerekmez. Aynı ilişki, eşdeğer biçimde RCTF = D / (2 × √(ae × (D − ae))) olarak da yazılır. Kavrama yayının açısı θ = arccos(1 − 2 × ae/D) ile bulunduğundan katsayı RCTF = 1 / sin θ biçiminde de ifade edilebilir.

2.2 Sayısal değerler

Aşağıdaki tablo, bağıntıdan hesaplanan çarpanları ve bunların 0,05 mm hedef talaş kalınlığı için gerektirdiği programlanan fz değerlerini gösterir. Değerler, Sandvik Coromant'ın yayımladığı radyal kavrama düzeltme tablosuyla aynı mertebededir.

Tablonun okunuşu şudur: ae/D oranı 0,25'in üzerindeyken düzeltme mütevazıdır, 0,10'un altına inildiğinde ise ilerlemenin iki katına yakın artırılması gerekir. Trokoidal ve yüksek verimli işleme stratejilerinin yüksek ilerleme değerleriyle çalışmasının temel nedeni budur. Konu trokoidal frezeleme ve yüksek verimli işleme rehberinde ayrıca ele alınmaktadır.

2.3 Hesaplı örnek 1: radyal düzeltme

Veriler: D = 10 mm dört ağızlı karbür parmak freze, Z = 4, ae = 1 mm, hedef hex = 0,05 mm, hedef vc = 120 m/dk.

1. Devir: n = (1.000 × 120) / (π × 10) = 3.820 dev/dk
2. Oran: ae/D = 1 / 10 = 0,10
3. Çarpan: RCTF = 1 / √[1 − (1 − 0,2)²] = 1 / √0,36 = 1,67
4. Programlanacak ilerleme: fz = 0,05 × 1,67 = 0,083 mm/diş
5. Tabla ilerlemesi: vf = 0,083 × 4 × 3.820 ≈ 1.270 mm/dk

Düzeltme yapılmadığı durumda ilerleme 0,05 × 4 × 3.820 = 764 mm/dk olurdu ve kenar 0,030 mm düzeyinde bir talaş kalınlığıyla çalışırdı. Aradaki fark yalnızca verimlilik kaybı değildir; ince talaş kesme bölgesindeki ısının talaşla uzaklaştırılmasını da zorlaştırır.

3. Eksenel talaş incelme

3.1 Köşe radyüslü frezede etkin giriş açısı

Köşe radyüslü frezede eksenel kesme derinliği köşe yarıçapından küçük kaldığında kesme yalnızca radyüs bölgesinde gerçekleşir. Bu bölgede kenarın etkin giriş açısı (κ) 90°'nin altına iner ve talaş kalınlığı hex = fz × sin κ bağıntısıyla azalır. Düzeltme çarpanı bu durumda ACTF = 1 / sin κ olur.

Radyüs içindeki etkin giriş açısı cos κ = (R − ap) / R bağıntısından bulunur. Buradan çarpan doğrudan ap/R oranına bağlanır:

Aynı mantık, düz kenarlı takımlarda giriş açısının doğrudan takım geometrisiyle belirlendiği durumlarda da geçerlidir: 90° giriş açısında çarpan 1,0 iken 45°'de yaklaşık 1,4'e, 10° civarındaki yüksek ilerleme geometrilerinde ise 5,8 mertebesine çıkar. Yüksek ilerleme frezelerinin küçük eksenel derinlikte olağandışı yüksek ilerlemelerle çalışabilmesi bu geometrik etkiye dayanır.

Takım geometrisindeki R, D1, L1 gibi ölçülerin tanımları için parmak freze ölçüleri rehberine bakılabilir.

3.2 Küre frezede etkin çap

Küre frezede kesme, nominal çapta değil, eksenel kesme derinliğinin belirlediği daha küçük bir dairede gerçekleşir. Bu dairenin çapı etkin çap (Deff) olarak adlandırılır:

Deff = 2 × √(ap × (D − ap))

Eksenel talaş incelme çarpanı ise ACTF = D / √[D² − (D − 2·ap)²] biçiminde yazılır ve sayısal olarak D / Deff oranına eşittir. Aşağıdaki tablo 10 mm çapında bir küre freze için değerleri gösterir.

Tablonun ilk satırının ötesinde, küre frezenin dönme ekseni üzerinde çap sıfırdır; dolayısıyla o noktada kesme hızı da sıfırdır. Eksen bölgesinde kesme yerine ezme ve sürtme oluştuğundan, takım ekseninin işlenen yüzeye dik konumlandırılmasından kaçınılması gerekir. Uygulamada takıma veya parçaya 10–15° mertebesinde bir yatırma açısı verilmesi, kesmenin daha büyük bir etkin çapta gerçekleşmesini sağlar ve hem yüzey kalitesini hem de takım ömrünü iyileştirir. Yüzey kalitesi bağlantısı için yüzey pürüzlülüğü ve finiş frezeleme rehberi incelenebilir.

3.3 Hesaplı örnek 2: küre freze

Veriler: D = 10 mm iki ağızlı küre freze, Z = 2, ap = 0,5 mm, hedef vc = 150 m/dk, hedef hex = 0,04 mm.

1. Etkin çap: Deff = 2 × √(0,5 × 9,5) = 2 × 2,18 = 4,36 mm
2. Devir, etkin çap üzerinden: n = (1.000 × 150) / (π × 4,36) ≈ 10.950 dev/dk
3. Eksenel çarpan: ACTF = 10 / 4,36 = 2,29
4. Programlanacak ilerleme: fz = 0,04 × 2,29 = 0,092 mm/diş
5. Tabla ilerlemesi: vf = 0,092 × 2 × 10.950 ≈ 2.015 mm/dk

Devir sayısının nominal 10 mm çap üzerinden hesaplandığı durumda n = 4.775 dev/dk bulunur ve gerçek kesme hızı vc = π × 4,36 × 4.775 / 1.000 ≈ 65 m/dk düzeyinde kalır. Bu, hedeflenen 150 m/dk'nın yaklaşık %44'üdür. Küre frezede kaplama ve karbür kalitesinin beklenen performansı vermemesinin en sık görülen nedeni, kesme hızının bu şekilde farkında olunmadan düşük kalmasıdır.

4. İki etkinin birleşmesi

Radyal ve eksenel incelme birbirinden bağımsız geometrik nedenlerden doğar. Her ikisinin birden geçerli olduğu durumlarda çarpanlar çarpılarak uygulanır:

CTF = RCTF × ACTF

Küre freze ile küçük yan adımlı (stepover) raster finiş yapılan bir kalıp yüzeyi tipik örnektir. Örneğin 10 mm küre frezede ap = 0,5 mm ve yan adım 0,5 mm alındığında eksenel çarpan 2,29, radyal çarpan ise 4,36 mm'lik etkin çap üzerinden hesaplanarak yaklaşık 1,57 çıkar; toplam çarpan 3,6 mertebesine yükselir. Bu noktada sınırlayıcı etken artık geometri değil, tezgâhın ilerleme ve ivmelenme kapasitesi ile takımın kenar mukavemetidir.

Pratikte üç sınırlayıcı kontrol edilmelidir:

• Kenar mukavemeti: Düzeltilmiş fz, takım üreticisinin ilgili çap ve malzeme grubu için verdiği maksimum talaş kalınlığını aşmamalıdır.
• Makine dinamiği: Küçük yarıçaplı yörüngelerde tezgâh programlanan ilerlemeye ulaşamaz; gerçekleşen ilerleme kontrol edilmeden düzeltme etkisiz kalır.
• Kavrama açısı kararlılığı: Köşe girişlerinde anlık kavrama açısı büyüdüğünden yüksek ilerleme kırılmaya yol açabilir. Titreşim eğilimi için frezelemede titreşim (chatter) çözümleri rehberi yol göstericidir.

5. Minimum talaş kalınlığı ve ovalama

Talaş incelme düzeltmesinin fiziksel gerekçesi, kesme mekaniğindeki alt sınırdır. Kesici kenar ideal bir çizgi değildir; belirli bir yuvarlaklık yarıçapına (edge radius, re) sahiptir. Talaş kalınlığı bu yarıçapla karşılaştırılabilir düzeye indiğinde kenarın etkin talaş açısı güçlü biçimde negatifleşir ve malzeme kesilmek yerine önce ezilip yana itilir.

Araştırma literatüründe bu geçişin, talaş kalınlığının kenar yuvarlaklığına oranı (h/re) kabaca 0,25 ile 0,33 arasındayken gerçekleştiği bildirilmektedir. Farklı malzeme, talaş açısı ve ölçüm yöntemleri için verilen aralık yaklaşık 0,2–0,35 bandına yayılır; kaynaklar tek bir kesin değerde birleşmez. Bu sınırın altında üç olgu birlikte görülür:

Sonuç, sezgiye aykırıdır: ilerlemenin düşürülmesi takımı korumaz, aksine yan yüzey aşınmasını (flank wear) hızlandırır. Bu etki özellikle paslanmaz çelik ve ısıya dayanıklı alaşımlarda belirgindir; çünkü bu malzemelerin pekleşme eğilimi yüksektir. Aşınma mekanizmalarının ayrıntısı takım aşınması mekanizmaları ve takım ömrü rehberinde ele alınmaktadır.

Kenar yuvarlaklığı takım aşındıkça büyüdüğünden minimum talaş kalınlığı da zamanla yükselir. Yeni takımla sağlıklı çalışan bir ilerleme değeri, aşınmış takımda ovalama bölgesine düşebilir. Bu nedenle takım ömrü denemelerinin ISO 8688-2 gibi standartlaşmış aşınma kriterleriyle izlenmesi, tekrarlanabilir sonuç için gereklidir.

6. Uygulamada doğrulama

Talaş incelme düzeltmesinin doğru uygulanıp uygulanmadığı üç gözlemle denetlenebilir. Birincisi talaş biçimidir: kıvrımlı ve ısıyı taşıyan talaşlar yerine toz benzeri, çok ince ve renksiz talaşlar görülüyorsa kalınlık yetersizdir. İkincisi ses ve yüzeydir; sürtme modunda kesme sesi tizleşir ve işlenmiş yüzeyde parlak, ezilmiş bir görünüm oluşur. Üçüncüsü aşınma biçimidir; kesme derinliği çentiğinden çok, kenar boyunca yayılan düzgün bir yan yüzey aşınması ovalamaya işaret eder.

Hesaplamaların hızlı doğrulanması için kesme parametresi aracı kullanılabilir. Küre ve köşe radyüslü takım seçiminde geometri ile parametre uyumu birlikte değerlendirildiğinden küre freze kategorisi altındaki çap ve boy seçenekleri işlenecek yüzeyin eğim dağılımına göre belirlenmelidir.

Kaynaklar

• Sandvik Coromant, Entering angle and chip thickness in milling (giriş açısı ve radyal kavrama düzeltme katsayısı tabloları). sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant, Milling formulas and definitions (vc, n, vf, fz, hex tanımları). sandvik.coromant.com
• Harvey Performance Company (Harvey Tool), Ball Nose Milling Strategy Guide (etkin kesme çapı ve düzeltilmiş devir hesabı, yatırma açısı). harveyperformance.com
• ISCAR / IMC, Adjustments for Ball Nose Endmills (küre freze etkin çap ve ilerleme düzeltmesi). cms.imcousa.com
• ISO 8688-2:1989, Tool life testing in milling — Part 2: End milling (freze takım ömrü ve aşınma kriterleri).
• ISO 3685:1993, Tool-life testing with single-point turning tools (aşınma ölçüm tanımları için referans standart).
• Machinery's Handbook, Industrial Press: Milling bölümü; talaş kalınlığı, giriş açısı ve ilerleme bağıntıları.
• The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2020), Determination of minimum uncut chip thickness and size effects in micro-milling of P-20 die steel using surface quality and process signal parameters (minimum talaş kalınlığı / kenar yuvarlaklığı oranı). doi.org/10.1007/s00170-020-04926-6