Yüzey Pürüzlülüğü (Ra, Rz) ve Finiş Frezeleme: Teorik Hesap, Adım Seçimi ve Ölçüm

Yüzey pürüzlülüğü, finiş frezelemede hem parça kabulünü hem de çevrim süresini belirleyen tek ölçüttür. Ra ve Rz gibi parametrelerin gerçekte ne ölçtüğü, teorik pürüzlülüğün uç radyüsü ile ilerlemeden nasıl hesaplandığı, küre frezede adım seçimiyle hedef değere nasıl ulaşıldığı ve ölçümün kuralları başlıkların konusudur. Kaplama, malzeme grubu ve kesme hızı seçimi kapsam dışıdır.

1. Ra, Rz ve Rmax gerçekte neyi ölçer

Pürüzlülük parametreleri, filtrelenmiş bir profil üzerinden hesaplanır. Ölçülen ham profilden biçim (form) ve dalgalılık (waviness) ayrıldıktan sonra geriye kalan kısım pürüzlülük profilidir. Parametreler bu profil üzerinde tanımlanır.

Ra tek başına yanıltıcı olabilir. Ortalama alma işlemi, tek bir derin çiziği yüzlerce ölçüm noktası arasında eritir. Sızdırmazlık yüzeyi, yorulma yükü taşıyan bölge veya kayar yatak yüzeyi söz konusu olduğunda Ra ile birlikte Rz veya Rmax belirtilmesi gerekir.

Ra ile Rz arasında güvenilir bir dönüşüm katsayısı bulunmaz. Frezelenmiş yüzeylerde oran çoğunlukla üç ile yedi kat arasında değişir; profilin biçimi değiştikçe oran da değişir. Bu nedenle resimde hangi parametre yazılıysa o parametrenin ölçülmesi gerekir.

Pürüzlülüğün bir de yönü vardır. Frezelenmiş bir yüzeyde ölçüm ilerleme yönüne dik yapıldığında ilerleme izleri, ilerleme yönünde yapıldığında ise adım tepeleri yakalanır. İki ölçüm arasında birkaç kat fark çıkması olağandır.

2. ISO 21920 serisi ve eski standartların durumu

Aralık 2021'de yayımlanan ISO 21920 serisi, profil yöntemine dayalı yüzey dokusu standartlarını tek çatı altında toplamıştır. Seri üç bölümden oluşur: ISO 21920-1 resim üzerindeki gösterimi, ISO 21920-2 parametre tanımlarını, ISO 21920-3 ise doğrulama ve karar kurallarını kapsar. Bu yayınla birlikte ISO 1302, ISO 4287, ISO 4288 ile ISO 13565-2 ve ISO 13565-3 geri çekilmiştir.

Uygulamada öne çıkan değişiklikler şunlardır:

• Terim değişikliği. "Örnekleme uzunluğu" (sampling length) yerine "bölüm uzunluğu" (section length) terimi kullanılır. Rz'nin adı "ortalama pürüzlülük derinliği"nden "maksimum yükseklik"e çevrilmiştir. Eski Rmax karşılığı Rzx olarak tanımlanmıştır.
• Hesaplama tabanı. Ra ve Rq gibi yükseklik parametreleri artık doğrudan değerlendirme uzunluğu üzerinden tek bir değer olarak hesaplanır. Tepe–çukur parametreleri kararlılık için bölüm uzunlukları üzerinden hesaplanmaya devam eder.
• Varsayılanlar. ISO 21920-3, denetçinin kişisel yorumuna bırakılan seçimleri azaltmak için ayar sınıfları (setting class) tanımlar. Varsayılan tolerans kuralı azami değer kuralıdır; eski uygulamadaki yüzde 16 kuralının geçerli olması için resimde açıkça belirtilmesi gerekir.
• Sıralama. Filtreleme ve biçim ayıklama işlemlerinin sırası değiştirilmiştir.

Ra, Rq, Rt ve Rsk tanımları özünde korunduğundan mevcut resimler geçersiz hâle gelmez. Buna karşılık aynı yüzeyin eski ve yeni kurallara göre ölçülmesi, özellikle biçim içeren profillerde farklı sayılar üretebilir. Alan tabanlı (areal) değerlendirme gerektiğinde ISO 25178 serisi kullanılır.

3. Teorik yüzey pürüzlülüğü: uç radyüsü ve ilerleme

Yuvarlak uçlu bir kesici, her ilerleme adımında yüzeyde bir daire yayı izi bırakır. Ardışık izler arasında kalan malzeme, yüzeyin geometrik pürüzlülüğünü oluşturur. Titreşim, aşınma ve malzeme davranışı hesaba katılmadığında pürüzlülük yalnız iki büyüklüğe bağlıdır: devir başına ilerleme f ve uç radyüsü rε.

Yaygın kullanılan yaklaşımlar şunlardır:

• Toplam yükseklik: Rt ≈ f² / (8 · rε)
• Ortalama pürüzlülük: Ra ≈ f² / (32 · rε)

Her iki formülde de f ve rε milimetre cinsindendir; sonuç milimetre çıkar ve 1.000 ile çarpılarak mikrometreye çevrilir. Bağıntı doğrusal değildir: ilerleme yarıya indiğinde teorik Ra dörtte bire iner, uç radyüsü iki katına çıktığında ise yarıya iner.

Aşağıdaki tablo, formülden hesaplanan teorik Ra değerlerini mikrometre cinsinden verir.

Tablo yalnız geometrik alt sınırı gösterir. Gerçek ölçüm daima bu değerin üstünde çıkar. Uygulamada teorik değerin hedef toleransın yarısı civarında tutulması, kalan payın titreşim ve aşınma etkilerine bırakılması yerleşik bir yaklaşımdır.

Formülün bir sınırı vardır: diş başına ilerleme minimum talaş kalınlığının altına düştüğünde kesici kenar malzemeyi kesmek yerine ezer ve sürter. Bu bölgede ilerlemeyi daha da düşürmek yüzeyi iyileştirmez, aksine bozar ve takım ömrünü kısaltır. Parametre seçiminin nasıl kurulduğu kesme hızı, devir ve ilerleme hesabı başlığında ayrıca ele alınmıştır.

4. Küre frezede kalan tepe (scallop) yüksekliği

Küre frezeyle üç boyutlu yüzey işlendiğinde, komşu paso yolları arasında yarım ay kesitli tepeler kalır. Bu tepelerin yüksekliği takım yarıçapı R ve adım genişliği ae ile tanımlanır:

h = R − √(R² − (ae/2)²)

Adım, takım çapına göre küçük kaldığında bu ifade h ≈ ae² / (8 · R) yaklaşımına indirgenir. Atölye hesaplarında yaklaşım yeterli doğruluktadır. Kalan tepe yüksekliği, ilerlemeye dik yönde ölçülen profilin tepe–çukur yüksekliğine karşılık gelir; aynı daire yayı geometrisinden ötürü Ra değeri kabaca bu yüksekliğin dörtte biri mertebesinde kalır.

Aşağıdaki tablo farklı takım çaplarında kalan tepe yüksekliğini mikrometre cinsinden verir.

İlişki karesel olduğundan adımı ikiye katlamak tepeyi dört katına çıkarır. Aynı nedenle, kalan tepeyi yarıya indirmek için adımın yaklaşık yüzde 30 azaltılması yeterlidir; adımın yarıya indirilmesi tepeyi dörtte bire düşürür ve işleme süresini iki katına çıkarır.

Hedef pürüzlülüğe göre adım seçimi

Hedef Ra değerinden geriye doğru gidildiğinde, kullanılabilecek en büyük adım ae ≈ √(32 · R · Ra) bağıntısıyla bulunur. Aşağıdaki tablo bu hesabın sonuçlarını milimetre cinsinden verir.

Tablodaki değerler geometrik üst sınırdır ve doğrudan uygulanması önerilmez; gerçek koşullarda bu değerlerin yaklaşık yarısı seçilerek titreşim ve aşınma payı bırakılır. Tablo aynı zamanda büyük çapın neden avantajlı olduğunu gösterir: 16 mm küre freze, 6 mm olana kıyasla aynı pürüzlülükte yaklaşık yüzde 60 daha geniş adım kullanılmasına izin verir.

Küre frezede ikinci belirleyici, takımın merkez bölgesidir. Merkezde kesme hızı sıfıra düştüğünden, bu bölgenin işleme dışında bırakılması gerekir. Sandvik Coromant, iş milinin veya parçanın 10–15° eğilmesini önerir; bu sayede kesme merkezden uzağa taşınır, gerçek kesme hızı yükselir ve yüzey gözle görülür ölçüde düzelir. Aynı kaynak, finişte simetrik bir doku elde etmek için diş başına ilerlemenin adım genişliğine yaklaşık eşit alınmasını önerir. Küre freze geometrileri küre freze kategorisinde incelenebilir.

5. Teoriyi bozan dört etken

Ölçülen pürüzlülük ile hesaplanan değer arasındaki fark, aşağıdaki dört mekanizmadan gelir.

Titreşim (chatter). Kendinden uyarımlı titreşim, yüzeyde düzenli aralıklı dalga izleri bırakır. Bu izler tek başına Ra'yı birkaç kat artırabilir ve genellikle işleme sesinden anlaşılır. Sap/çap oranının düşürülmesi, kesme genişliğinin değiştirilmesi ve devir taramasıyla kararlı bölgeye geçilmesi başlıca çözümlerdir; konu titreşim ve chatter çözümleri başlığında ayrıntılı olarak ele alınmıştır.

Salgı (runout). Radyal salgı, dişlerin farklı miktarda talaş almasına yol açar. Salgı büyüdükçe yük tek dişte toplanır ve yüzeyde diş sayısı değil, tek dişin ilerleme izi görünür. Bu durumda gerçek diş başına ilerleme hesaplanandan kat kat büyük olur ve teorik pürüzlülük hesabı geçersizleşir. Hassas finişte salgının olabildiğince küçük tutulması gerekir; tutucu tipinin salgıya etkisi takım tutucular rehberinde karşılaştırılmıştır.

Takım aşınması. Yan yüzey aşınması ilerledikçe kesici kenarın etkin radyüsü büyür, kenar körelir ve yüzeye sürtme payı artar. Kalıp finişinde ölçülen pürüzlülük, aşınma sınırına yaklaşıldıkça kademeli olarak bozulur. Bu nedenle finiş takımı ile kaba talaş takımının ayrı tutulması ve finiş takımının ömrünün pürüzlülük ölçümüne göre sınırlandırılması gerekir. Aşınma mekanizmaları takım aşınması ve takım ömrü başlığında incelenmiştir.

Talaşın yeniden kesilmesi. Kesme bölgesinden uzaklaştırılamayan talaş, kesici kenar ile işlenmiş yüzey arasına sıkışır ve yüzeye gömülür veya çizik bırakır. Alüminyum ve östenitik paslanmaz gibi yapışkan malzemelerde bu etki, kesici kenar üzerinde yığıntı talaş (built-up edge) oluşumuyla birleşir. Düşük kesme hızlarında yığıntı talaş oluşumu artar, periyodik olarak koparak yüzeye yapışır ve pürüzlülüğü ciddi biçimde bozar. Kesme hızının yığıntı talaş bölgesinin üzerine çıkarılması ve talaşın basınçlı soğutma sıvısı veya hava ile tahliye edilmesi, finiş yüzeyinde ölçülebilir iyileşme sağlar.

6. Eş yönlü ve karşı yönlü frezelemenin yüzeye etkisi

İki yöntem arasındaki fark, talaş kalınlığının nasıl değiştiğidir.

Sandvik Coromant, makine, bağlama ve parça izin verdiği sürece eş yönlü frezelemenin daima tercih edilmesi gerektiğini belirtir. Karşı yönlü frezeleme, yalnız vidalı milinde boşluk bulunan eski tezgâhlarda, çok kabuklu döküm ve dövme yüzeylerde veya kesici kenarın sert kabuğa doğrudan dalmasının istenmediği durumlarda anlamlıdır.

Uygulamada finiş pasosunun tek yönlü (tek yönde eş yönlü, dönüşte havada) planlanması, gidiş–dönüş arasındaki doku farkını ortadan kaldırır. Çevrim süresi bir miktar artar; buna karşılık yüzeyde yön değiştirmeye bağlı iz farkı oluşmaz.

7. Ölçüm: profilometre, cut-off ve karşılaştırma numunesi

En yaygın yöntem, iğneli (stylus) profilometredir. Elmas uçlu bir iğne yüzey boyunca sabit hızla çekilir ve dikey hareket sayısallaştırılır. İğne geometrisi, ölçme kuvveti ve sayısallaştırma koşulları ISO 3274 kapsamında tanımlanır. İğne ucunun yarıçapı, ölçülebilecek en dar vadinin genişliğini sınırlar; çok ince yüzeylerde küçük uç yarıçapı gerekir.

Ölçümün en kritik ayarı cut-off (λc) değeridir. Cut-off, pürüzlülük ile dalgalılığı ayıran filtrenin sınır dalga boyudur ve aynı zamanda bölüm uzunluğunu belirler. Değerlendirme uzunluğu varsayılan olarak beş bölüm uzunluğudur. Seçim beklenen Ra veya Rz değerine göre yapılır; ISO 4288'de aperiyodik profiller için verilen tablo aşağıdadır.

Frezelenmiş parçaların çoğu 0,8 mm cut-off ve 4 mm değerlendirme uzunluğu bandına düşer. Cut-off gereğinden küçük seçilirse tezgâh kaynaklı dalgalılık filtrelenip dışarıda kalır ve yüzey olduğundan iyi görünür. Gereğinden büyük seçilirse dalgalılık pürüzlülüğe karışır ve sonuç olduğundan kötü çıkar. Bu nedenle ölçüm raporunda cut-off değerinin de belirtilmesi gerekir; cut-off yazılmamış bir Ra değeri karşılaştırılabilir değildir.

İkinci yöntem karşılaştırma numuneleridir. ISO 2632-1 tornalama, taşlama, delme, frezeleme ve planyalama yüzeylerini; ISO 2632-2 ise erozyon, kumlama ve parlatma yüzeylerini kapsar. Numuneler, benzer yöntemle üretilmiş ve benzer iz yönüne sahip yüzeylerle görsel ve dokunsal olarak karşılaştırılır. Tezgâh başında hızlı ön eleme için elverişlidir; sayısal tolerans doğrulaması için yeterli değildir.

Her iki yöntemde de ölçüm yönü ve konumu rapora yazılmadığında sonuç tekrarlanabilir olmaz. Frezelenmiş yüzeylerde ölçüm, ilerleme izlerine dik yönde ve yüzeyin temsili birkaç noktasında yapılır; finiş takımının ömrü boyunca da aynı noktalardan tekrarlanması gerekir.

Kaynaklar

• ISO 21920-1:2021, Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Profile — Part 1: Indication of surface texture
• ISO 21920-2:2021, Surface texture: Profile — Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters
• ISO 21920-3:2021, Surface texture: Profile — Part 3: Specification operators
• ISO 4288:1996, Rules and procedures for the assessment of surface texture (geri çekilmiştir; cut-off ve değerlendirme uzunluğu tabloları için referans).
• ISO 3274:1996, Nominal characteristics of contact (stylus) instruments.
• ISO 2632-1:1985 ve ISO 2632-2:1985, Roughness comparison specimens.
• Digital Surf, What are the differences between ISO 4287 and ISO 21920? digitalsurf.com
• Sandvik Coromant, Profile milling ve Down milling vs. up milling. sandvik.coromant.com