Trokoidal Frezeleme ve Yüksek Verimli İşleme (HEM/HSM): Kavrama Açısı, Parametre ve MRR Hesabı

Trokoidal frezeleme ve yüksek verimli işleme (High Efficiency Milling, HEM), kesme parametrelerini tek tek yükseltmek yerine kavrama geometrisini yeniden kurgulayan bir yaklaşımdır. Temel fikir, radyal kavramayı küçültüp eksenel kavramayı büyüterek kesici kenar üzerindeki yükü zaman ve uzunluk boyunca yaymaktır. Önce bu mantığın nereden çıktığı geliyor; sonra kavrama açısı ile ilerleme düzeltmesinin hesabı, iki stratejinin talaş kaldırma hızı karşılaştırması, CAM tarafındaki isimlendirmeler ve tezgâhtan beklenenler.

1. Tam kanal frezelemenin sınırı

Tam kanal (full slot) frezelemede radyal kavrama takım çapına eşittir: ae = D. Bu durumda kesici kenar 180°'lik bir yay boyunca malzeme içinde kalır. Sonuçları üç başlıkta toplanır:

• Isı birikmesi. Kenarın malzeme içinde geçirdiği süre uzundur; soğuma için kalan yay kısadır. Isı talaşa aktarılmak yerine takımda birikir.
• Yük yoğunlaşması. Eksenel kavrama zorunlu olarak küçük tutulduğundan (tipik olarak 0,25–1,0 × D), aşınma kesme boyunun yalnızca alt kuşağında toplanır. Takımın geri kalanı hiç kullanılmaz.
• Talaş tahliyesi. Kanal içinde talaşın çıkacağı tek yol takım oluğudur. Oluk tıkanırsa talaş yeniden kesilir ve takım kırılır. Kanal açmanın kendine özgü kuralları kanal açma, dalma ve helisel interpolasyon başlığında ayrıca ele alınmıştır.

Ayrıca radyal kuvvet yüksektir ve kavrama açısı köşelerde ani biçimde büyür. Bu, hem titreşim hem de ani kırılma riski üretir.

2. Trokoidal stratejinin mantığı

Trokoidal frezelemede takım, ilerleme yönünde ötelenirken aynı anda dairesel bir hareket yapar. Ortaya çıkan yol, üst üste binen daire dizisidir ve her çevrimde malzemeden ince bir dilim alınır. Böylece takım çapından geniş bir kanal, düşük radyal kavrama ile açılabilir.

Parametre kurgusu geleneksel yaklaşımın tersine çevrilmiş halidir:

Sandvik Coromant, denetim altında tutulan kavrama yayının düşük kesme kuvvetleri ürettiğini ve bunun yüksek eksenel kesme derinliklerine izin verdiğini, kesmede aynı anda yalnızca tek dişin bulunmasının titreşim eğilimini sınırladığını belirtir. Aynı kaynak, stratejinin geleneksel yöntemlere kıyasla kayda değer ölçüde yüksek kesme hızlarıyla çalışılmasına imkân verdiğini aktarır.

Tablonun ikinci satırı isteğe bağlı bir ayrıntı değil, verimi taşıyan asıl unsurdur. ae küçültülüp ap aynı bırakılırsa talaş kaldırma hızı düşer ve strateji anlamsızlaşır.

3. Kavrama açısı ve talaş incelme düzeltmesi

Radyal kavrama, kesici kenarın malzeme içinde kaldığı yayı belirler. Bu yayın açısına kavrama açısı (engagement angle) denir ve şu bağıntıyla hesaplanır:

θ = arccos(1 − 2 × ae / D)

Radyal kavrama takım yarıçapının altına indiğinde, oluşan en büyük talaş kalınlığı diş başına ilerlemenin altında kalır. Bu olgu radyal talaş incelmesi (radial chip thinning) olarak adlandırılır. Hedeflenen talaş kalınlığını korumak için diş başına ilerleme bir düzeltme katsayısı ile çarpılır:

RCTF = 1 / √(1 − (1 − 2 × ae / D)²) , buradan fz = RCTF × fz(nominal)

Düzeltmenin ihmal edilmesi, stratejinin en sık görülen uygulama hatasıdır. İlerleme artırılmazsa talaş kalınlığı kesici kenarın kenar yuvarlaklığı mertebesine iner; kesme yerine ovalama başlar, ısı talaşla uzaklaşamaz ve takıma geçer. Konunun eksenel talaş incelmesi ve küre freze tarafı talaş incelme ve ilerleme düzeltmesi başlığında ayrıntılandırılmıştır. Devir ve ilerlemenin temel bağıntıları için kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı sayfası kullanılır.

4. Talaş kaldırma hızı karşılaştırması

Talaş kaldırma hızı (Material Removal Rate, MRR) şu bağıntıyla bulunur:

Q = ap × ae × vf / 1000 (Q: cm³/dk, ap ve ae: mm, vf: mm/dk)

Aşağıdaki örnek, D = 10 mm karbür parmak freze ile genel yapı çeliğinde iki stratejiyi karşılaştırır. Değerler tipik uygulama aralıklarından seçilmiştir.

Geleneksel tam kanal

• Z = 3, vc = 80 m/dk → n = 1000 × 80 / (π × 10) = 2.546 dev/dk
• fz = 0,04 mm/diş (tam kavrama nedeniyle düşürülmüş)
• vf = 0,04 × 3 × 2.546 = 306 mm/dk
• ae = 10 mm, ap = 5 mm
• Q = 10 × 5 × 306 / 1000 = 15,3 cm³/dk

Trokoidal

• Z = 4, vc = 200 m/dk → n = 1000 × 200 / (π × 10) = 6.366 dev/dk
• ae = 1 mm (%10 × D) → RCTF = 1,67 → fz = 0,05 × 1,67 ≈ 0,08 mm/diş
• vf = 0,08 × 4 × 6.366 = 2.037 mm/dk
• ae = 1 mm, ap = 15 mm (1,5 × D)
• Q = 1 × 15 × 2.037 / 1000 = 30,6 cm³/dk

Örnekte verimin iki katına çıkmasının kaynağı tek bir parametre değildir: eksenel kavramanın üç katına çıkması ile kesme hızındaki artış birlikte, radyal kavramadaki onda birlik düşüşü fazlasıyla telafi eder. Trokoidal yolun boşta geçen kısımları nedeniyle gerçek çevrim süresi kazancı bu orandan bir miktar düşük kalır; buna karşılık takım ömrü kazancı bunun üzerine eklenir.

5. Isı dağılımı ve takım ömrü

Stratejinin takım ömrüne katkısı iki mekanizmadan gelir. Birincisi temas süresidir: kavrama açısı daraldıkça kesici kenarın bir turdaki kesme süresi kısalır, havada geçirdiği süre uzar ve kenar her turda soğuma fırsatı bulur. İkincisi yükün kenar boyunca yayılmasıdır: eksenel kavrama çapın 1–2 katına çıkarıldığında aşınma alt kuşakta yoğunlaşmaz, kesme boyunun tamamına dağılır. Isının ve aşınmanın kenar boyunca eşitlenmesi, geleneksel kanal frezelemeye kıyasla daha uzun takım ömrü sağlar.

Harvey Performance Company'nin yayımladığı uygulama örneklerinde, 17-4PH paslanmaz çelikte tek takımla işlenen parça sayısının geleneksel kaba talaş yoluna göre 15'ten 40'a çıktığı; 6061 alüminyumda ise tek takımla 900 parça işlenerek geleneksel yönteme göre %150'nin üzerinde artış elde edildiği bildirilmiştir. Bu değerler tezgâha, bağlamaya ve soğutmaya bağlı olduğundan aynen beklenmez; gösterdiği eğilim ise tutarlıdır. Aşınma biçimlerinin ayrımı ve ömür kriterleri takım aşınması mekanizmaları ve takım ömrü başlığında ele alınmıştır. Karşılaştırmalı ömür denemelerinin standart yöntemi ISO 8688-2 ile tanımlanır.

Bu kazancın kaynağı yalnızca yol geometrisi değildir; bağlama zincirinin tamamı işin içindedir. Yüksek devirde çalışıldığı için salgı ve dengeleme öne çıkar, tutucu tipi ve sıkma kalitesi elde edilen ömrü doğrudan belirler.

6. CAM tarafındaki isimlendirmeler

Aynı temel mantık, CAM yazılımlarında farklı ticari adlarla sunulur. Aradaki fark, kavramanın nasıl ölçüldüğü ve ilerlemenin nasıl uyarlandığıdır.

Ortak nokta, köşelerde ve dar geçişlerde kavrama açısının büyümesini engellemektir. Geleneksel kontur paralel kaba talaşta iç köşede kavrama ani biçimde artar; uyarlamalı algoritmalar bu bölgeye ek trokoidal çevrimler ekleyerek yükü sabit tutar.

7. Tezgâh ve kontrol ünitesi gereksinimi

Strateji, geleneksel yola göre çok daha fazla ve çok daha kısa NC bloğu üretir. Bu nedenle belirleyici olan yalnızca iğ gücü değil, kontrol ünitesinin bu blokları yeterince hızlı işleyip ilerlemeyi koruyabilmesidir.

• Look-ahead derinliği ve blok işleme süresi. Kontrol ünitesi ileriye bakarak hız profilini önceden çözemezse her yön değişiminde yavaşlar. Programlanan ilerleme gerçekleşmez ve hesaplanan talaş kaldırma hızına ulaşılamaz.
• Eksen ivmesi. Kısa dairesel çevrimlerde eksenler sürekli hızlanıp yavaşlar. İvme kapasitesi düşük tezgâhlarda yüksek programlanan ilerleme yalnızca kâğıt üzerinde kalır.
• Rijitlik ve iğ dengesi. Radyal kuvvet düşük olsa da eksenel kavrama büyüktür ve devir yüksektir; iğ yatakları ile tutucu dengesi belirleyicidir.
• Talaş tahliyesi ve soğutma. Derin kanalda yüksek hacimde talaş üretilir. Basınçlı soğutma sıvısı veya hava, talaşın kesme bölgesine geri dönmesini engellemek için gereklidir.

Titreşim kaynaklı sınırların değerlendirilmesi için frezelemede titreşim (chatter) çözümleri başlığı kullanılır.

8. Uygun olmadığı durumlar

Strateji her işte kazanç üretmez. Aşağıdaki durumlarda geleneksel yollar tercih edilir:

• Sığ cepler ve ince kaba talaş. Eksenel kavrama 0,5 × D'nin altında kalıyorsa stratejinin temel kaldıracı ortadan kalkar; boşta hareket payı arttığı için toplam süre uzayabilir.
• Geniş açık yüzeylerin alınlanması. Bu iş için tarak veya alın freze ile yüksek ae, düşük ap çalışması daha verimlidir.
• Kısa kesme boylu takımlar. Eksenel kavrama takımın kesme boyunu aşamaz; kısa boylu bir takımla yüksek ap kurgulanamaz.
• Zayıf bağlanmış veya ince duvarlı parçalar. Yüksek eksenel kavrama, uzun bir kuvvet kolu ile parçayı zorlar. Duvar esnemesi ve tırlama riski artar.
• Düşük ivmeli veya kısa look-ahead tamponlu kontrol üniteleri. Hesaplanan performans elde edilemez.
• Finiş operasyonları. Trokoidal yol kaba talaş stratejisidir; yüzey kalitesi finiş paso ile ayrıca sağlanır.

Yüksek eksenel kavramalı çalışmada kesme boyu uzun, göbek çapı büyük takımlar avantaj sağlar; bu tip geometriler düz parmak freze kategorisinde incelenebilir.

Kaynaklar

• Sandvik Coromant. Slicing and trochoidal milling
• Sandvik Coromant. Entering angle and chip thickness in milling
• Harvey Performance Company / Helical Solutions. Introduction to High Efficiency Milling
• Sandvik Coromant. Milling formulas and definitions (vc, n, vf, fz ve Q bağıntıları)
• Celeritive Technologies. VoluMill: How It Works
• ISO 8688-2:1989, Tool life testing in milling — Part 2: End milling
• ISO 3685:1993, Tool-life testing with single-point turning tools (ömür kriteri tanımları)
• Machinery's Handbook, Industrial Press: Milling / Speeds and Feeds bölümleri