Kesilmesi zor malzemeler, tipik malzemelere kıyasla işlenebilirliği önemli ölçüde düşük olan mühendislik malzemeleri olarak tanımlanır. Bu malzemeler genellikle "işlenmesi zor", "kesilmesi zor" veya hatta iş hayatında "kötü" olarak adlandırılır. Bu malzemeleri tezgahlar için zorlu kılan tek özelliğin yüksek sertlik olmadığını, işleme zorluklarına katkıda bulunan başka birçok faktörün de bulunduğunu belirtmek önemlidir.
Aslında, her endüstriyel dal, şu veya bu şekilde, bu tür malzemelerle uğraşmak zorundadır. Ancak, bu malzemelerin ana tüketicisi havacılık ve uzay endüstrisidir. İster türbin motorları, iniş takımı bileşenleri veya ana gövde elemanlarının üretiminde olsun, kesilmesi zor malzemeler en çok bu sektörde uygulama bulmuştur. Havacılık ve uzay endüstrisinde, gerekli malzemelerin temel özellikleri mukavemet-ağırlık oranı, sağlamlık, yorulma ömrü ve korozyona ve yüksek sıcaklıklara karşı dirençtir. Bu özellikleri karşılayan malzemelerin işlenmesinin zor olduğu ve üretim için ciddi bir zorluk oluşturduğu ortaya çıkmıştır. Bu tür malzemelerden bahsederken, aşağıdaki bilgilerin dikkate alınması gerekir.
- Yüksek alaşımlı yüksek dayanımlı çelik,
- Titanyum alaşımları,
- Yüksek sıcaklık süper alaşımları,
- Kompozitler.
Yüksek dayanımlı çelikler, iniş takımları gibi aşırı mekanik yüke maruz kalan elemanlarda kullanılır. Ayrıca, çeşitli bağlantı elemanlarının ana malzemesidir.
Mükemmel dayanım-ağırlık oranı, yüksek korozyon direnci ve sürünme direnciyle titanyum alaşımları, jet motorunun soğuk bölümünün ana parçalarının üretiminde tercih edilen malzeme haline gelmiştir. Bu alaşımlar ayrıca ağırlık tasarrufu açısından çelik ve paslanmaz çeliklere uygun bir alternatif sunmaktadır.
Yüksek sıcaklık süper alaşımları (HTSA), yüksek sıcaklık ortamlarında dayanımını koruyabilen malzemeler olup, bir jet motorunun sıcak bölüm bileşenlerinde yaygın olarak kullanılır.
Kompozit malzemeler, etkileyici özgül dayanım sunarak uçağın ağırlığını azaltmaya yardımcı olur ve aerodinamik kaplamalar için yeni olanaklar sağlar. Askeri havacılıkta ise kompozitler, uçağın gizlilik (stealth) özelliklerinin iyileştirilmesine katkıda bulunur. Ancak bu malzemelerin işlenmesi, çeşitli nedenlerden dolayı birçok zorluk taşır. Başlıca zorluklar şunlardır:
- Yüksek malzeme dayanımı, kesici takım üzerindeki mekanik yükü artıran önemli kesme kuvvetlerine neden olur.
- Yoğun ısı oluşumu ve malzemenin düşük ısıl iletkenliği (örneğin titanyum alaşımlarının işlenmesinde) ısı transferinin yetersiz olmasına yol açar. Bu durum, takım üzerinde artan bir termal yüke yol açar ve kesici kenarında malzeme birikme riskini artırır.
- Malzemelerin çalışma sertleştirmesi (özellikle HTSA), kesme sırasında iş parçası yüzeyinin dayanım ve sertliğini artırarak işlemeyi zorlaştırır.
- Yüksek aşındırma faktörü (kompozitlerin işlenmesinde) kesici takımın aktif yüzeyinde yapışma ve sürtünmeyi artırır.
Ayrıca, diğer özel malzeme özellikleri de işlenebilirliği etkiler. Örneğin, titanyum alaşımlarının esnekliği "yay özelliği" titreşimlere katkıda bulunarak işleme hassasiyetini ve yüzey kalitesini olumsuz etkiler. Kompozit malzemelerin iç yapısı ise işleme sırasında malzeme katman ayrılmalarına sebep olabilir.
Bahsedilen tüm faktörler, takım aşınmasını hızlandırır ve takım ömrünü kısaltır. Havacılık endüstrisindeki eğilimler, kesilmesi zor malzemelerin kullanımının arttığına açıkça işaret etmektedir. Bu durum, daha yüksek dayanım ve ısı direnci özelliklerine sahip yeni alaşımların piyasaya sürülmesi, kompozitlerin yaygın kullanımı ve hibrit yapılı (metal-kompozit) malzemelerin kullanımıyla kendini göstermektedir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için metal işleme endüstrisi, modern CNC tezgahları ve CAM sistemlerinin etkileyici yeteneklerine dayanan yeni kesme stratejileri geliştirmektedir. Ancak, tüm işleme zincirinin son halkası, malzemeyle doğrudan temas eden ve işlem sırasında onun katmanını kaldıran kesici takımdır. Bu nedenle, takım geliştirme süreci yavaştır ve çoğu zaman gelişmiş tezgahların yeteneklerinden tam olarak yararlanılmasını engeller. Mevcut kesme zorluklarının üstesinden gelmek için, kesme verilerinin azaltılması gerekmektedir; bu da düşük üretkenliğe ve artan işleme maliyetlerine yol açmaktadır. Anlaşıldığı üzere, takım alanında atılan her adım, hatta küçük bir adım bile, zor işlenen "kötü" malzemelerde önemli iyileştirmeler sağlayabilir. Bu nedenle metal işleme endüstrisi, kesici takımlardaki en son gelişmeleri memnuniyetle karşılıyor ve bunların mevcut durumu köklü bir şekilde değiştireceğini umut etmektedir.
Kesilmesi zor havacılık malzemelerinin verimli bir şekilde işlenmesi için tasarlanan takımların temel gereksinimleri nelerdir? Kısaca, takımlar sert, dayanıklı ve hassas olmalıdır; böylece üretken işleme sağlanırken, öngörülebilir ve istikrarlı uzun takım ömrü ile gereken doğruluk seviyesi temin edilebilir. Ancak, bu anlaşılır ve makul talepleri karşılamak önemli çabalar gerektirir ve bu yöndeki küçük ilerlemeler bile zorluklarla karşı karşıyadır. Her yeni gelişme, ciddi Ar-Ge çalışmalarının yanı sıra kapsamlı testler gerektirir. Bu nedenle, takım geliştirme aşağıdaki alanlara odaklanır:
1. Kesici takım malzeme kaliteleri.
2. Takım tasarımı.
3. Takımın dijital bileşeni.
Malzemelerin kesilmesinde sertlik, aşınma direnci ve yüksek sıcaklık dayanımının iyileştirilmesine odaklanılmaktadır. Bu, özellikle nano teknolojiye dayalı yeni kaplamaların piyasaya sürülmesi ve kübik bor nitrür (CBN) ve seramik gibi ekstra sert kesici malzemelerinin kullanımının yaygınlaştırılmasıyla sağlanmaktadır.
Takım tasarımında yapılan iyileştirmeler, kesici uç sıkıştırma baskısı tasarımı ve kesici kenar hazırlığı gibi makro ve mikro geometrilerin optimizasyonunu hedefleyerek kesme kabiliyetlerini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bilgisayar modellemesi, hesaplamalı dinamikler ve katmanlı üretimin (AM) etkileyici olanaklarıyla bir araya gelerek, kanalların, talaş kanallarının ve içten soğutma kanallarının şekillendirilmesi için yepyeni fırsatlar sunmaktadır. Bu, daha iyi talaş tahliyesi ve soğutma sıvısı sağlamasına katkıda bulunarak takım performansını iyileştirmektedir. Önemli odak alanlarından biri de, gelişmiş kesme geometrileri, takım yapısının rijitliğinin artırılması ve titreşim sönümleyici takım tutucuların kullanılması yoluyla takımın titreşim direncinin yükseltilmesidir.
Takımın dijital bileşeni, sanal montaj, işleme simülasyonu, kesme verilerinin seçimi, takım ömrü tahmini, işleme gücü, kesme kuvvetlerinin bulunması gibi gerekli hesaplamalara olanak tanıyan dijital ikiz ve çeşitli yazılım ürünlerini içerir. ISCAR, akıllı üretim gereksinimlerini karşılamak için bu dijital bileşenin veri değişim standartlarıyla uyumlu olmasını hedeflemektedir. Belirtilen trendler; ISCAR'ın son LOGIQUICK kampanyası kapsamında tanıtılan yeni geliştirmeler ile pekiştirilen, lider takım üreticilerden biri olduğu açıkça görülmektedir.
ISCAR, PVD kaplamalı iki yeni karbür kalitesi tanıttı: ISCAR tarafından Nikel bazlı HTSA tornalama için geliştirilen IC1017 ve yüksek performanslı değiştirilebilir uçlu freze uygulamalarında titanyum alaşımlarının işlenmesi için tasarlanan IC716. Titreşim sönümleme özellikli komple karbür parmak freze serisi; ISO S uygulama grubu (süper alaşımlar ve titanyum) işlenmesi için ilk tercih olan, bronz renkli IC608 karbür kalitesinden üretilmiş modern tasarımlarla genişletildi. Bir diğer karbür kalitesi olan IC5600, ISCAR'ın üretken Ar-Ge Malzeme Bilimleri mühendisleri tarafından çelik frezeleme (ISO P grubu) için geliştirildi. Kalitenin bir mikrondan küçük tanecikli iç yapısı, CVD kaplaması ve kaplama sonrası uygulanan yüzey işleminin birleşimi, özellikle yüksek dayanımlı çeliklerin işlenmesinde kesme hızını artırarak aşınma ve termal yüklemeye karşı direnci artırmayı hedefliyor.
CERMILL; tek taraflı yuvarlak değiştirilebilir uçlara sahip yeni parmak freze ailesi (Şekil-1), iki açıdan dikkat çekicidir. İlki, yüksek rijitlikte uç sıkıştırma için ustaca bir mekanizma kullanır. Bu mekanizma, aynı çaptaki benzer takımların tipik tasarımına kıyasla daha fazla kesici ağız sayısına olanak tanır. Ayrıca, frezeyi takım tutucusundan çıkarmadan ucun kolayca endekslenmesini ve değiştirilmesi olanağı sağlar. İkincisi; uçlar, HTSA işleme için özel olarak tasarlanmış seramik kalitelerinden üretilir.
ISCAR; yağ içerikli kauçuk yay elemanı ile desteklenen ağır bir kütleden oluşan yenilikçi dahili sönümleme mekanizmasına dayalı titreşim önleyici ürün yelpazesini genişletmiştir. Torna ürün grubu artık şaft çapının 12 ve 14 katı işleme derinliklerine uygun, titreşim sönümleyici delik işleme baralarını içeriyor (Şekil-2). Ayrıca, freze ürün serisine MULTI-MASTER adaptasyonlu titreşim önleyici şaftlar eklendi.
QUICK-X-FLUTE, HTSA ve titanyum (ISO S), östenitik ve dubleks paslanmaz çelikler (ISO M) ile (ISO P) çelik gibi zorlu malzemelerin kaba frezelemesinde yüksek talaş kaldırma oranları (MRR) elde etmek amacıyla geliştirilmiş, uzatılmış helis kanal gövde yapısına sahip bir freze ailesidir. Bu uzun helis kanallı frezeler; 8 adet endekslenebilir kesme kenarı sağlayan, uygun maliyetli, çift taraflı kare uçlar kullanır. Freze tasarımının önemli bir özelliği, freze rijitliği ile yüksek MRR'de kesme sırasında etkili talaş akışı gerekliliği arasında bir denge kuran optimize edilmiş kanal geometrisidir (Şekil-3). QUICK-X-FLUTE frezeler ayrıca dahili soğutma sıvısı sağlama seçeneğine de sahiptir. Değiştirilebilir nozullar ve ön yüzey çıkışları ile yüksek basınçlı noktasal soğutma sıvısı kullanımı, soğutma sıvısının kesme bölgesine doğrudan iletilmesini sağlar. Bu, soğutma ve yağlama etkisini artırarak optimum talaş kontrolüne katkıda bulunur.
Etkili soğutma sıvısı sağlanması, modern takım tasarımlarında temel bir vurgu haline gelmiştir. ISCAR, PICCO minyatür torna takımları serisinde, içten soğutma sıvısı kanallı yeni uçlar piyasaya sürmüştür (Şekil-4). Delik işleme alanında ise şirket, düz tabanlı deliklerin işlenmesi için üç soğutma sıvısı çıkışına sahip yeni 3 helis kanallı komple karbür matkapları piyasaya sürmüştür. Takım tutucu alanında ise en son yenilikler arasında, şaft deliği boyunca soğutma sıvısı kanallarına sahip tutucular yer almaktadır. Ayrıca, ISCAR'ın klasik HELIMILL indekslenebilir freze ailesinde, şirketin Ar-Ge mühendisleri, bilgisayarlı akışkanlar dinamiği (CFD) yazılımı kullanarak minimum basınç düşüşüyle akış hızını en üst düzeye çıkarmak için tasarımı geliştirmiştir.
ISCAR'ın dijital takım bileşeninin ayrılmaz bir parçası olan NEOITA'da da iyileştirmeler yapıldı. Belirli bir uygulama için en uygun takım çözümlerini öneren ve takım ömrünü tahmin eden bir uzman sistem olan NEOITA, artık yeni özellikler içeriyor. Bu yeniliklerden biri; iş parçası malzemelerine ilişkin ayrıntılı bilgileri, metalurjik bileşim ve yaygın kullanım alanları da dahil olmak üzere, iş parçası malzemeleri hakkında ayrıntılı veriler elde etmek üzere özel olarak tasarlanmış yapay zeka destekli bilgi arama özelliğidir.
Kesilmesi zor havacılık malzemelerinin işlenmesinde performansın artırılması, karmaşık bir zorluktur. Bu sorunu çözmek için, takım üreticileri sürekli olarak daha gelişmiş ve verimli çözümler sunma yönünde sürekli çaba göstermektedir. Her ne kadar radikal bir atılım gözlemlenmemiş olsa da, son gelişmeler bu alanda istikrarlı bir evrimsel ilerlemeye işaret etmektedir.
