Titanyum ve Isıya Dayanıklı Alaşım Frezeleme (ISO S): Parametre, Soğutma ve Güvenlik

ISO 513 sınıflandırmasında S grubu, titanyum alaşımlarını ve nikel/kobalt esaslı ısıya dayanıklı süper alaşımları (HRSA) kapsar. Bu grubun zorluğu takım gücünden değil, ısının nereye gittiğinden kaynaklanır. Frezeleme parametreleri, soğutma stratejisi, aşınma biçimleri ve yangın güvenliği Ti-6Al-4V ile Inconel 718 ve Waspaloy örnekleri üzerinden veriliyor. Grubun genel yeri için ISO malzeme grupları rehberi incelenebilir.

1. ISO S grubunu zorlaştıran beş özellik

Bu malzemelerin ortak noktası, yüksek sıcaklıkta mukavemetini koruyacak şekilde tasarlanmış olmalarıdır. Kesme işlemi de tam olarak yüksek sıcaklıkta gerçekleşen bir deformasyon olayıdır; dolayısıyla malzeme, kendisini işlemeye çalışan takıma karşı da direnç gösterir.

Sayısal karşılaştırma tabloyu somutlaştırır. Ti-6Al-4V'nin ısıl iletkenliği yaklaşık 7 W/(m·K), Inconel 718'inki yaklaşık 11 W/(m·K) düzeyindedir; genel yapı çeliğinde bu değer 45–50 W/(m·K) mertebesindedir. Titanyumun elastisite modülü yaklaşık 114 GPa, çeliğin ise yaklaşık 210 GPa'dır. Bu iki rakam, ISO S frezelemenin neredeyse tüm kurallarını açıklar.

Düşük modülün pratikteki anlamı şudur: ince cidarlı parça kesme kuvveti altında geri çekilir ve takım geçtikten sonra yerine döner. Bu geri yaylanma, serbest yüzeyin kenara sürtünmesine ve ısınmanın yan yüzeyde yoğunlaşmasına yol açar. Rijitliğin çelikteki kadar "verili" kabul edilmemesi gerekir.

2. Kesme hızı neden düşük tutulur

Kesme bölgesinde üretilen ısı üç yoldan uzaklaşır: talaş, parça ve takım. Çelikte ısının büyük bölümü talaşla gider. Titanyum ve süper alaşımlarda talaşın taşıma kapasitesi düşük olduğundan pay takıma kayar. Kesme hızı ise ısı üretiminin en güçlü değişkenidir; hız arttıkça kenar sıcaklığı orantıdan daha hızlı yükselir ve difüzyon aşınması eşiği aşılır.

Bu nedenle ISO S grubunda hız, çelikteki değerlerin belirgin altında tutulur. Yayınlanmış üretici verileri ve işlenebilirlik çalışmaları aşağıdaki mertebeleri işaret eder. Değerler başlangıç noktası niteliğindedir; nihai parametre takım kataloğundan ve tezgâh rijitliğinden belirlenir.

Kaynaklar arasında farklılık bulunur: bazı üretici yayınları titanyum kaba talaşta 60 m/dk civarını referans alırken, finiş koşullarında bunun birkaç katına çıkılabileceğini belirtir. Nikel esaslı alaşımlarda ise kaplamasız ve kaplamalı karbür arasındaki fark tek başına belirleyicidir. Devir ve ilerleme dönüşümü n = vc × 1.000 / (π × D) ve vf = fz × Z × n bağıntılarıyla yapılır.

Diş başına ilerlemenin düşürülmesi, ilk bakışta güvenli bir tedbir gibi görünse de ters etki yapar. Talaş kalınlığı belli bir eşiğin altına düştüğünde kenar kesmez, sürter; üretilen ısı artar ve deformasyon sertleşmiş tabaka kalınlaşır. ISO S'te ilerleme, hızın aksine cömert tutulan parametredir.

3. Yüksek basınçlı soğutma (HPC)

Bu grupta soğutma sıvısının görevi yalnızca sıcaklığı düşürmek değildir. Yüksek basınçlı jet, talaş ile takımın talaş yüzeyi arasına hidrolik bir kama gibi girer; temas boyunu kısaltır, talaşın kıvrılmasını ve kırılmasını sağlar, kesme bölgesinden tahliyeyi hızlandırır. Titanyumda talaşın kesici kenara yapışıp yeniden kesilmesi en sık görülen ömür kısaltıcı olaydır ve doğrudan bu mekanizmayla önlenir.

Uygulamada 70 bar (yaklaşık 1.000 psi) pratik bir alt eşik olarak kabul edilir. Bu değerin altında jet, kesme bölgesindeki buhar bariyerini aşmakta zorlanır. Basıncın artırılması ise sınırsız kazanç vermez. Inconel 718'in seramik takımla işlendiği ve besleme basıncının onlarca MPa mertebesine kadar değiştirildiği çalışmalarda, basıncın belirli bir düzeye kadar çentik oluşumunu bastırıp takım ömrünü artırdığı, bu düzeyin üzerinde ise jet çarpma erozyonunun kazancı geri aldığı bildirilmiştir.

Bütün bunlar jetin kesme noktasına yönlendirilmiş olmasına bağlıdır. Tezgâh tarafında hortum, conta ve valfler de çalışma basıncına uygun seçilmediğinde sistem basıncı kesici kenarda hiç görülmez.

4. Trokoidal strateji ve kavrama kontrolü

Radyal kavramanın küçültülmesi, ISO S grubunda hem termal hem mekanik bir çözümdür. Trokoidal ve yüksek verimli frezeleme (HEM) yaklaşımında radyal kavrama çapın %5–20'si aralığında tutulur; buna karşılık eksenel derinlik 1–2 çapa kadar çıkarılabilir. Sonuç üç yönlüdür:

• Her ağzın kesme içinde kaldığı süre kısalır, kesme dışında soğuma fırsatı doğar.
• Aşınma, kesme boyunun tamamına yayılır; tek bir noktada çentik oluşumu gecikir.
• Radyal kuvvet düşer, ince cidarlı ve uzun boylu işlerde sapma azalır.

Kavrama küçüldüğünde ortalama talaş kalınlığı programlanan değerin altına iner. Bu durumda diş başına ilerlemenin radyal talaş incelmesi katsayısıyla düzeltilmesi gerekir; aksi halde kenar sürtme rejimine girer. Hesap yöntemi talaş incelmesi rehberinde, strateji ayrıntısı ise trokoidal frezeleme rehberinde ele alınmıştır.

Tam kanal açma ve tam kavramalı geçişler, ISO S'te mümkün olduğunca terk edilir. Zorunlu durumlarda helisel interpolasyon veya rampalı giriş tercih edilir; dik dalma girişinden kaçınılması gerekir.

5. Çentik aşınması ve deformasyon sertleşmesi

Nikel esaslı süper alaşımlarda baskın hasar biçimi düzgün yan yüzey aşınması değil, kesme derinliği hattında oluşan çentik aşınmasıdır (notch wear). Kesici kenarın parçadan çıktığı hat, üç etkinin kesiştiği yerdir: önceki geçişten kalan sertleşmiş tabaka, oksitlenmiş yüzey kabuğu ve serbest kenardaki kesme dışı temas. Çentik ilerledikçe kenar bir noktadan kırılır ve takım aniden devre dışı kalır.

Bu hasar biçimini geciktiren uygulamalar sınırlıdır ancak etkilidir:

• Eksenel derinliğin geçişler arasında değiştirilmesi, çentiğin aynı hatta yığılmasını engeller.
• Yaklaşma açısının küçültülmesi (köşe radyüslü veya yuvarlak uçlu geometri) yükü daha uzun bir kenar hattına yayar.
• Yüksek basınçlı soğutmanın doğrudan kesme derinliği hattına yönlendirilmesi çentik oluşumunu bastırır.
• Kenarın hafif hazırlanmış (honlanmış) olması, keskin ama zayıf kenara göre daha kararlıdır.

Deformasyon sertleşmesi ise ayrı bir kısır döngü kurar. Kesme sırasında yüzey altında sert bir tabaka oluşur; sonraki geçiş bu tabakanın içinden geçtiğinde aşınma artar, artan aşınma daha kalın bir sertleşmiş tabaka üretir. Döngüyü kırmanın yolu, talaş kalınlığının sertleşmiş tabakanın altına inecek kadar tutulması ve aşınma sınırına gelmiş takımın kullanılmaya devam edilmemesidir. Aşınma biçimlerinin ayrıntısı takım aşınması mekanizmaları rehberinde verilmiştir. Frezelemede aşınma biçimlerinin tanımı ve ölçüm yöntemi ISO 8688-2 ile standarttır.

6. Takım malzemesi, kaplama ve geometri

ISO S grubunda taban malzeme ince taneli, kobalt oranı orta düzeyde bir karbürdür. Tane boyutunun küçülmesi kenar keskinliğini ve sıcak sertliği artırır; kobalt oranı ise tokluğu belirler. Kesici malzeme sınıflarının karşılaştırması takım malzemeleri rehberinde ele alınmıştır.

Kaplama tarafında alüminyum oranı yüksek AlTiN/TiAlN esaslı PVD katmanlar yaygındır. Bu kaplamaların üstünlüğü, kesme sıcaklığında yüzeyde ince bir alümina tabakası oluşturarak ısı bariyeri kurmalarıdır. Titanyum söz konusu olduğunda tablo biraz farklıdır: titanyumun kaplama bileşenleriyle kimyasal ilgisi yüksek olduğundan, bazı uygulamalarda keskin kenarlı ve düşük sürtünmeli çözümler öne çıkar; kaplamasız ince taneli karbür de kullanılabilir.

Geometri tarafında belirleyici tercihler şunlardır:

Köşe radyüslü geometrinin ISO S'teki payı yüksektir; ilgili ürünler köşe radyüslü freze kategorisinde bulunur.

7. Alevlenme riski, talaş ve toz yönetimi

Titanyum işlemenin çelikten ayrıldığı en somut nokta yangın riskidir. Masif parçanın tutuşması çok yüksek sıcaklık gerektirir; asıl tehlike ince talaş, taşlama tozu ve tezgâh içinde biriken kuru fraksiyondur. Nemli ortamda ince titanyum tozunun 250 °C mertebesinde tutuşabildiği bildirilmiştir. NFPA 484 kapsamında 420 µm ve altındaki titanyum tozu yanıcı toz olarak sınıflandırılır ve havada asılı haldeyken patlayıcı ortam oluşturabilir.

Uygulamada gözetilen önlemler:

• Bol ve kesintisiz soğutma. Titanyumun kuru frezelenmesi, ince talaş üreten operasyonlarda önerilmez. Soğutma kesintisi yangın başlangıcının en sık nedenidir.
• Birikinti temizliği. Tezgâh muhafazası içinde talaş yığılmasına izin verilmez; sıcak yüzeyler ve kıvılcım kaynakları ile temas kesilir.
• Ayrı toplama. Titanyum talaşı diğer metallerle karıştırılmaz, kapalı metal kapta ve ısı kaynaklarından uzakta saklanır. Yağlı talaşın kendiliğinden ısınabileceği dikkate alınır.
• Doğru söndürme ajanı. Metal yangınları TS EN 2 sınıflandırmasında D sınıfıdır. Su, CO₂ ve ABC kuru kimyasal tozu kullanılmaz; su, yüksek sıcaklıkta titanyumla tepkimeye girerek hidrojen açığa çıkarır. Kuru kum, sodyum klorür esaslı veya grafit esaslı D sınıfı ajanlar kullanılır.
• Uygun toz toplama. Kuru taşlama tozu için standart torbalı filtre uygun değildir; NFPA 484 ıslak tip toplayıcı öngörür.

İşletme tarafında bu önlemler İSG Kanunu 6331 kapsamındaki risk değerlendirmesine ve Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik gereklerine bağlanır. Tezgâh başında D sınıfı söndürücünün bulunması ve operatörün doğru ajanı bilmesi bu zincirin son halkasıdır.

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
• NFPA 484:2022, Standard for Combustible Metals, National Fire Protection Association (nfpa.org)
• ASM International / MatWeb, Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) Material Data Sheet (asm.matweb.com)
• Sandvik Coromant, 8 tips on machining titanium and its alloys (sandvik.coromant.com)
• E. O. Ezugwu, J. Bonney, D. A. Fadare, W. F. Sales, Machining of nickel-base, Inconel 718, alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures, Journal of Materials Processing Technology, 2005 (sciencedirect.com)
• Harvey Performance Company, High Efficiency Milling (In The Loupe teknik yayını) (harveyperformance.com)
• Kevin Kreitman, Hazards of Combustible Metals — Titanium, International Titanium Association konferans bildirisi (titanium.org)