Metal Kesme Sıcaklıkları

Kesme sıcaklıkları, talaş kaldırma işlemlerinin en kritik parametrelerinden biridir ve kesici takım ile iş parçası arasındaki etkileşim sırasında ortaya çıkan termal enerjiyi ifade eder. Bu sıcaklıklar, takım ömründen yüzey kalitesine, malzeme deformasyonundan enerji verimliliğine kadar imalat süreçlerinin birçok yönünü etkiler. Kesme işlemi sırasında oluşan ısı, kesici takımın kesme kenarında, talaşta ve iş parçasında birikir; bu da hem mekanik hem de termal yükler yaratır. Yüksek sıcaklıklar, takım aşınmasını hızlandırabilir, malzeme özelliklerini değiştirebilir ve işleme hassasiyetini olumsuz etkileyebilir.

Kesme sıcaklıklarının anlaşılması ve kontrol edilmesi, modern imalat teknolojilerinde büyük bir öneme sahiptir. Özellikle yüksek hızlı işleme (HSM), sert malzemelerin kesilmesi ve hassas parça üretimi gibi uygulamalarda, sıcaklık yönetimi kritik bir faktördür. Bu yazıda, kesme sıcaklıklarının ölçüm yöntemlerini, etkileyen faktörleri, teorik modellerini ve pratik örneklerini detaylı bir şekilde ele alacağız. Yazı, Türkçe olarak özgün bir şekilde kaleme alınmış olup, teknik bilgilerle zenginleştirilmiştir.
 

Kesme sıcaklıklarının doğru bir şekilde ölçülmesi, kesme sürecinin analizi ve optimizasyonu için temel bir adımdır. Ancak, bu ölçümler zorlu olabilir çünkü sıcaklıklar kesme bölgesinde (shear zone) ve takım-talaş temas yüzeyinde yoğunlaşır ve bu alanlara doğrudan erişim genellikle sınırlıdır. Aşağıda, kesme sıcaklıklarını ölçmek için kullanılan başlıca yöntemleri inceleyeceğiz.

Takım-İş Parçası Termokupl Yöntemi ve İlgili Teknikler

Takım-iş parçası termokupl yöntemi, kesme sıcaklıklarını ölçmek için en eski ve yaygın tekniklerden biridir. Bu yöntemde, kesici takım ve iş parçası bir termokupl devresinin iki farklı metal bileşeni olarak kullanılır. Kesme işlemi sırasında temas noktasında oluşan sıcaklık, bu iki malzeme arasındaki termoelektrik potansiyel farkı (EMF) ile ölçülür. Ölçülen voltaj, sıcaklığa dönüştürülerek kesme bölgesindeki termal koşullar tahmin edilir.

Bu yöntemin avantajı, basitliği ve düşük maliyetidir. Örneğin, bir çelik iş parçasını karbür bir takımla işlerken, termokupl devresi yaklaşık 300-500°C’lik sıcaklıkları algılayabilir. Ancak, bu yöntem yalnızca ortalama sıcaklıkları verir ve kesme kenarındaki yerel sıcaklık piklerini tam olarak yakalayamaz. İlgili teknikler arasında, takımın içine gömülü mikro termokupllar kullanılarak daha hassas ölçümler yapılması yer alır.

Geleneksel Termokupl Yöntemleri

Geleneksel termokupl yöntemleri, kesici takımın veya iş parçasının belirli noktalarına yerleştirilen termokupl sensörlerle sıcaklık ölçümünü içerir. Bu sensörler, genellikle K-tipi (kromel-alumel) veya J-tipi (demir-konstantan) termokupllardan oluşur ve 0-1200°C aralığında ölçüm yapabilir. Örneğin, bir tornalama işleminde, termokupl takımın talaş yüzeyine yakın bir noktasına yerleştirilerek sıcaklık değişimleri kaydedilir.

Bu yöntemin avantajı, doğrudan ve yerel ölçüm imkanı sunmasıdır. Ancak, termokuplun kesme bölgesine yeterince yakın yerleştirilmesi zor olabilir ve bu da ölçüm doğruluğunu etkileyebilir. Ayrıca, yüksek hızlı işlemlerde termokuplun tepki süresi yetersiz kalabilir.

Metalurjik Yöntemler

Metalurjik yöntemler, kesme işleminden sonra iş parçasında veya talaşta oluşan mikro yapısal değişimlerin analizine dayanır. Yüksek sıcaklıklar, malzemenin mikroyapısında faz dönüşümleri, sertlik değişimleri veya yeniden kristalleşme gibi izler bırakır. Bu izler, optik mikroskoplar veya sertlik test cihazları ile incelenerek sıcaklık seviyeleri dolaylı olarak tahmin edilir.

Örneğin, bir çelik talaşın mikroyapısında martensitik dönüşüm gözlemlendiğinde, sıcaklığın 700°C’yi aştığı sonucuna varılabilir. Bu yöntemin avantajı, ekipman gereksiniminin nispeten basit olmasıdır; ancak, yalnızca geçmiş sıcaklıkları gösterir ve gerçek zamanlı ölçüm yapamaz.

Kızılötesi (Infrared) Yöntemler

Kızılötesi yöntemler, kesme bölgesinden yayılan termal radyasyonu algılayarak sıcaklık ölçümü yapar. Bu teknikte, infrared kameralar veya pirometreler kullanılır. Kızılötesi kameralar, kesme işlemini gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilir ve sıcaklık dağılımını renk haritalarıyla gösterir. Örneğin, bir frezeleme işleminde, takım-talaş temas yüzeyinde 600°C’lik bir sıcaklık piki infrared kamera ile tespit edilebilir.

Bu yöntemin avantajı, temassız ölçüm imkanı ve yüksek çözünürlüklü veri sağlamasıdır. Ancak, kesme sıvıları veya talaş gibi engeller, ölçüm doğruluğunu etkileyebilir. Ayrıca, malzemenin emisyon katsayısının (emissivity) bilinmesi gerekir, aksi takdirde hatalı sonuçlar alınabilir.

Diğer Yöntemler

Kesme sıcaklıklarını ölçmek için daha az yaygın yöntemler de mevcuttur:

Termal Boyalar: Sıcaklığa duyarlı kimyasal boyalar, belirli bir eşik sıcaklığına ulaşıldığında renk değiştirir. Bu yöntem, kaba tahminler için kullanılır.

Fiber Optik Sensörler: Kesme bölgesine yakın noktalara yerleştirilen optik fiberler, sıcaklık değişimlerini ışık sinyalleriyle algılar.

Akustik Emisyon: Sıcaklık artışıyla ilişkili mekanik titreşimlerin analizi, dolaylı bir ölçüm sağlar.

Her yöntemin kendine özgü avantajları ve sınırlamaları vardır; seçim, uygulamanın gereksinimlerine bağlıdır.
 

Kesme sıcaklıkları, birçok değişkene bağlı olarak değişir. Bu faktörleri anlamak, sıcaklık kontrolü ve süreç optimizasyonu için kritik öneme sahiptir:

Kesme Hızı (Vc): Hız arttıkça, birim zamanda üretilen ısı da artar. Örneğin, 50 m/dk’dan 200 m/dk’ya çıkıldığında, sıcaklık 300°C’den 600°C’ye yükselebilir.

İlerleme Oranı (f): Daha yüksek ilerleme, daha fazla malzeme kaldırıldığı için ısı üretimini artırır.

Kesme Derinliği (ap): Derinlik arttıkça, kesme bölgesinde daha fazla enerji birikir.

Malzeme Özellikleri: Sert malzemeler (örneğin, titanyum) daha yüksek sıcaklıklar üretirken, yumuşak malzemeler (örneğin, alüminyum) daha az ısı açığa çıkarır.

Takım Geometrisi: Pozitif talaş açısı (α) kesme kuvvetlerini ve dolayısıyla sıcaklıkları azaltır.

Kesme Sıvıları: Soğutma sıvıları, ısıyı dağıtarak sıcaklıkları düşürür.

Takım Kaplamaları: TiN veya AlTiN gibi kaplamalar, sürtünmeyi ve ısı birikimini azaltır.

Örneğin, paslanmaz çelik bir parçayı yüksek hızda ve kuru koşullarda işlerken sıcaklık 800°C’ye ulaşabilirken, kesme sıvısı kullanıldığında bu değer 400°C’ye düşebilir.
 

Analitik modeller, kesme sıcaklıklarını matematiksel olarak tahmin etmek için geliştirilmiştir. Bu modeller, genellikle sabit durum (steady-state) koşullarını varsayar; yani, kesme işlemi uzun süre devam ettiğinde sıcaklık dağılımı dengelenir. En bilinen analitik model, Jaeger’in hareketli ısı kaynağı teorisine dayanır. Bu modelde, kesme bölgesi bir ısı kaynağı olarak ele alınır ve sıcaklık artışı şu şekilde ifade edilir:

T= (q/2πk).K₀(Vr/2a)

Burada:

(q): Birim alana düşen ısı akışı (W/m²),
(k): Malzemenin termal iletkenliği (W/m·K),
(V): Kesme hızı (m/s),
(r): Kesme kenarı ile ölçüm noktası arasındaki mesafe (m),
(a): Termal difüzivite (m²/s),
K₀: Modifiye Bessel fonksiyonu.

Bu model, kesme bölgesindeki ortalama sıcaklıkları tahmin eder. Örneğin, bir çelik parçasını 100 m/dk hızda işlerken, (q) değeri 10^6 W/m² ve (k) 45 W/m·K alındığında, sıcaklık yaklaşık 500°C olarak hesaplanabilir.
 

Sonlu elemanlar analizi (FEA), kesme sıcaklıklarını simüle etmek için güçlü bir araçtır. Bu yöntemde, kesme bölgesi küçük elemanlara bölünür ve her elemanın termal davranışı diferansiyel denklemlerle çözülür. FEA, sıcaklık dağılımını, ısı akışını ve malzeme deformasyonunu detaylı bir şekilde analiz eder.

Örneğin, bir titanyum parçasının frezelenmesi simüle edildiğinde, FEA modeli kesme kenarında 900°C’lik bir sıcaklık piki ve talaşta 600°C’lik bir dağılım gösterebilir. Diğer sayısal yöntemler arasında sonlu farklar yöntemi (FDM) ve sınır elemanlar yöntemi (BEM) yer alır. Bu modeller, deneysel verilerle doğrulanarak proses optimizasyonu için kullanılır.
 

Kesintili kesme (interrupted cutting), kesici takımın iş parçasıyla sürekli temas halinde olmadığı işlemleri ifade eder. Frezeleme, planya ve bazı tornalama türleri bu kategoriye girer. Kesintili kesme sırasında sıcaklıklar, kesme ve boşta geçen zaman döngüleri nedeniyle dinamik bir şekilde değişir. Kesme anında ısı hızla birikir, ancak takım iş parçasından ayrıldığında bu ısı dağılır ve sıcaklık düşer.

Bu döngüsel termal yükler, takım üzerinde termal şoklara neden olabilir ve bu da takım ömrünü kısaltabilir. Örneğin, bir freze ucuyla çelik bir bloğu işlerken, kesme bölgesinde sıcaklık 600°C’ye ulaşabilir, ancak her geçiş arasında sıcaklık 200°C’ye kadar düşebilir. Bu dalgalanmalar, takım malzemesinin yorulmasına ve mikro çatlakların oluşmasına yol açar.

Kesintili kesme sıcaklıklarını analiz etmek için analitik modeller genellikle yetersiz kalır çünkü sabit durum varsayımı geçerli değildir. Bunun yerine, sayısal modeller (örneğin, FEA) kullanılarak sıcaklık değişimleri zamanla simüle edilir. Kesme sıvıları, bu tür işlemlerde termal şokları azaltmak ve sıcaklık piklerini kontrol etmek için sıkça kullanılır.

Delme İşleminde Sıcaklıklar

Delme, kesme sıcaklıklarının özellikle yoğun olduğu bir işlemdir çünkü kesici takım (matkap) iş parçasının içinde çalışır ve ısı dağılımı sınırlıdır. Matkap ucunda oluşan sıcaklıklar, kesme hızı, ilerleme oranı, matkap çapı ve malzeme özelliklerine bağlıdır. Ayrıca, talaşın delik içinde birikmesi ısı transferini zorlaştırır ve sıcaklıkları artırır.

Delme işleminde sıcaklık dağılımı asimetriktir: Matkap ucunun kesme kenarında (özellikle keskide) sıcaklık en yüksek seviyeye ulaşırken, yan yüzeylerde daha düşüktür. Örneğin, bir 10 mm çaplı matkapla çelik bir parçayı 50 m/dk hızda delerken, uçta 700°C’ye varan sıcaklıklar ölçülebilirken, talaşta bu değer 400°C civarında olabilir.

Delme sıcaklıklarını kontrol etmek için kesme sıvıları (örneğin, emülsiyon veya yağ) kritik öneme sahiptir. İçten soğutmalı matkaplar, sıvıyı doğrudan kesme bölgesine ileterek ısıyı etkin bir şekilde dağıtır. Ayrıca, kesme hızı ve ilerleme oranının optimize edilmesi, sıcaklık birikimini azaltabilir.

Termal Genleşme

Kesme sıcaklıkları, hem kesici takımda hem de iş parçasında termal genleşmeye neden olur. Termal genleşme, malzemenin sıcaklık artışıyla hacimsel olarak genişlemesini ifade eder ve şu formülle hesaplanır:

ΔL=L₀⋅α⋅ΔT

Burada:

ΔL: Uzunluk değişimi (m),
L₀: Başlangıç uzunluğu (m),
α: Termal genleşme katsayısı (1/K),
ΔT: Sıcaklık değişimi (K).

Örneğin, bir çelik iş parçasının (α=12×10⁻⁶ 1/K) 100 mm’lik bir bölümü 500°C’lik bir sıcaklık artışına maruz kaldığında, uzunluk değişimi yaklaşık 0.6 mm olur. Bu genleşme, hassas işleme gerektiren uygulamalarda tolerans hatalarına yol açabilir. Benzer şekilde, karbür bir takım (α=5×10⁻⁶ 1/K) aynı sıcaklıkta yalnızca 0.25 mm genleşir; bu da takım ve iş parçası arasında relatif bir boyutsal uyumsuzluk yaratır.

Termal genleşmeyi kontrol etmek için, kesme sıvıları veya düşük sıcaklıklı kesme teknikleri (örneğin, kriyojenik soğutma) kullanılabilir. Ayrıca, işleme sonrası soğuma süresi, boyutsal doğruluğu korumak için dikkate alınmalıdır.

Termal genleşmeyi kontrol etmek için, kesme sıvıları veya düşük sıcaklıklı kesme teknikleri (örneğin, kriyojenik soğutma) kullanılabilir. Ayrıca, işleme sonrası soğuma süresi, boyutsal doğruluğu korumak için dikkate alınmalıdır.

Örnekler

Kesme sıcaklıklarını daha iyi anlamak için birkaç pratik örnek inceleyelim:

Alüminyum Tornalama: 200 m/dk kesme hızı, 0.2 mm/dev ilerleme ve kuru koşullarla bir alüminyum çubuk işlenirken, infrared kamera ile kesme bölgesinde 250°C’lik bir sıcaklık ölçülür. Kesme sıvısı eklendiğinde bu değer 150°C’ye düşer.

Çelik Frezeleme: 100 m/dk hızda ve 2 mm kesme derinliğiyle çelik bir bloğu frezeleyen bir karbür uç, takım-iş parçası termokupl yöntemiyle 450°C’lik bir ortalama sıcaklık gösterir. Talaşta ise sıcaklık 300°C civarındadır.

Titanyum Delme: 30 m/dk hızda ve içten soğutmalı bir matkapla titanyum bir levha delinirken, uçta 800°C’lik bir sıcaklık piki oluşur. Soğutma sayesinde bu değer 500°C’ye indirilir.

Kesintili Kesme (Planya): Bir dökme demir parçasını planya ile işlerken, kesme anında 600°C’ye ulaşan sıcaklık, her geçiş arasında 200°C’ye düşer.

Bu örnekler, kesme sıcaklıklarının malzeme türüne, işleme koşullarına ve soğutma yöntemlerine nasıl bağlı olduğunu gösterir.

Problem

Kesme sıcaklıkları, imalat süreçlerinde çeşitli zorluklar doğurur:

Takım Aşınması: Yüksek sıcaklıklar, kesici takımın difüzyon, oksidasyon veya krater aşınmasına uğramasına neden olur. Örneğin, 900°C üzerindeki sıcaklıklar karbür takımlarda hızlı aşınmaya yol açar.

Yüzey Kalitesi: Termal genleşme ve ısı birikimi, yüzey pürüzlülüğünü artırabilir veya yanık izleri bırakabilir.

Boyutsal Hatalar: İş parçasının genleşmesi, toleransların dışına çıkılmasına sebep olabilir.

Enerji Verimliliği: Isı kaybı, prosesin toplam enerji tüketimini artırır.

Bu problemlerle başa çıkmak için şu stratejiler uygulanabilir:

Kesme hızı ve ilerleme oranının optimize edilmesi,

Etkin kesme sıvısı kullanımı,

Isıya dayanıklı takım kaplamaları (örneğin, TiAlN),

Kriyojenik soğutma gibi yenilikçi teknikler.