Metal Kesme Mekaniği

Kesme mekaniği, imalat süreçlerinin temelini oluşturan bir bilim dalıdır ve metal, plastik, ahşap gibi malzemelerin kesici takımlar aracılığıyla şekillendirilmesi sırasında ortaya çıkan fiziksel olayları inceler. Bu süreç, talaş kaldırma olarak da bilinir ve modern mühendislikte CNC makinelerinden manuel tezgahlara kadar geniş bir yelpazede uygulanır. Kesme mekaniği, kesme kuvvetlerinin ölçülmesinden talaş oluşumuna, takım-malzeme etkileşiminden enerji tüketimine kadar birçok konuyu kapsar. Bu yazıda, kesme mekaniğinin temel prensiplerini, teorik modellerini ve pratik uygulamalarını detaylı bir şekilde ele alacağız.

Kesme işleminin anlaşılması, imalat süreçlerinin optimizasyonu için kritik öneme sahiptir. Örneğin, kesme kuvvetlerinin doğru bir şekilde modellenmesi, takım ömrünü uzatabilir, yüzey kalitesini iyileştirebilir ve enerji verimliliğini artırabilir. Ayrıca, talaş oluşumunun mekanizmalarını bilmek, takım tasarımı ve malzeme seçimi gibi konularda mühendislere rehberlik eder. Bu nedenle, kesme mekaniği hem teorik hem de pratik açıdan imalat endüstrisinin vazgeçilmez bir parçasıdır.
 

Kesme kuvvetleri, bir kesici takımın malzeme üzerinde uyguladığı mekanik yükleri ifade eder ve bu kuvvetlerin ölçülmesi, kesme sürecinin analizinde ilk adımdır. Kesme kuvvetleri genellikle dinamometreler kullanılarak ölçülür. Dinamometre, kesme işlemi sırasında takım veya iş parçası üzerinde oluşan kuvvetleri üç eksende (x, y, z) kaydeden bir cihazdır. Bu ölçümler, kesme hızı, ilerleme oranı ve kesme derinliği gibi parametrelerle ilişkilendirilerek sürecin dinamikleri anlaşılır.

Talaş kalınlığı ise, kesme işleminin sonucunda oluşan talaşın boyutlarını ifade eder ve kesme verimliliği ile doğrudan bağlantılıdır. Talaş kalınlığı, kesici takımın geometrisine (örneğin, talaş açısı) ve işleme koşullarına bağlı olarak değişir. Ölçüm için genellikle mikroskoplar veya optik sistemler kullanılır. Talaş kalınlığı oranı (kesilmemiş talaş kalınlığı/kesilmiş talaş kalınlığı), kesme işleminin plastisite ve deformasyon özelliklerini anlamada önemli bir göstergedir.

Örneğin, bir çelik bloğun frezelenmesi sırasında, kesme kuvvetleri dinamometre ile ölçüldüğünde, ilerleme yönündeki kuvvet (Fx) genellikle en yüksek değeri gösterir. Talaş kalınlığı ise, kesme hızı arttıkça incelir çünkü malzeme daha hızlı bir şekilde kesici takım tarafından ayrılır. Bu ölçümler, kesme sürecinin optimizasyonu için temel veri sağlar.
 

Kesme kuvvetleri, genellikle üç ana bileşene ayrılır:

Kesme Kuvveti (Fc): Kesici takımın malzeme üzerindeki ana kesme yönünde uyguladığı kuvvettir. Bu, talaş kaldırma işleminin temel enerjisini temsil eder.

İlerleme Kuvveti (Ff): Kesici takımın ilerleme yönünde uyguladığı kuvvettir ve genellikle Fc’den daha küçüktür.

Radyal Kuvvet (Fr): Kesme derinliği yönünde (takımın eksenine dik) oluşan kuvvettir ve takımın stabilitesini etkiler.

Bu bileşenler, kesici takımın geometrisine, malzemenin özelliklerine ve işleme koşullarına bağlı olarak değişir. Örneğin, pozitif bir talaş açısı (rake angle) kullanıldığında, kesme kuvveti azalır çünkü malzeme daha kolay kesilir. Ancak, bu durumda takımın dayanıklılığı azalabilir. Kuvvet bileşenlerinin analizi, takım tasarımı ve makine seçimi için kritik bir rol oynar.
 

Deneysel (empirical) kuvvet modelleri, kesme kuvvetlerini matematiksel olarak ifade etmek için deneysel verilere dayanır. Bu modeller, genellikle kesme hızı (Vc), ilerleme oranı (f) ve kesme derinliği (ap) gibi parametreleri içeren bir fonksiyon olarak tanımlanır. Örneğin, bir temel model şu şekilde olabilir:

Fc=Kc.ap.f

Burada K_c, malzemenin özgül kesme direncini (specific cutting force) temsil eder ve birim olarak N/mm² cinsindendir.

Deneysel modeller, farklı malzeme türleri ve kesme koşulları için laboratuvar testleriyle geliştirilir. Örneğin, alüminyum için K_c değeri genellikle 300-500 N/mm² arasında iken, paslanmaz çelik için bu değer 1500-2000 N/mm²’ye kadar çıkabilir. Bu modeller, teorik analizlerin pratik uygulamalarla doğrulanmasını sağlar.
 

Özgül kesme gücü (specific cutting power), birim hacim malzemenin kaldırılması için gereken enerjiyi ifade eder ve genellikle P_s ile gösterilir (birim: W/mm³/s). Bu parametre, kesme işleminin enerji verimliliğini değerlendirmek için kullanılır ve şu formülle hesaplanır:

P_s= (Fc-Vc)/Q

Burada (Q), talaş kaldırma oranıdır (mm³/s).

Özgül kesme gücü, malzemenin sertliğine ve kesici takımın keskinliğine bağlıdır. Örneğin, yumuşak bir malzeme (örneğin, alüminyum) için P_s değeri 0.5-1 W/mm³/s civarında iken, sert bir çelik için bu değer 3-5 W/mm³/s’ye ulaşabilir. Bu bilgi, makine gücünün seçimi ve enerji tüketiminin tahmini için önemlidir.
 

Talaş oluşumu, kesme işleminin en temel sonucudur ve malzemenin kesici takım tarafından ayrılmasıyla gerçekleşir. Bu süreçte, malzeme birincil plastik deformasyona uğrar; yani, kesici takımın önünde bir kayma bölgesi (shear zone) oluşur ve malzeme burada plastik bir şekilde deforme olur. Talaşın şekli, sürekli, kesikli veya dalgalı olabilir ve bu, malzemenin türüne ve kesme koşullarına bağlıdır.

Birincil plastik deformasyon, kesme açısının (shear angle) büyüklüğüne bağlıdır. Daha büyük bir kayma açısı, daha az deformasyon enerjisi gerektirir ve bu da kesme kuvvetlerini azaltır. Örneğin, yumuşak metallerde (örneğin, bakır), sürekli talaş oluşumu yaygınken, sert ve kırılgan malzemelerde (örneğin, dökme demir) kesikli talaşlar görülür.

Takım-Talaş Sürtünmesi ve İkincil Deformasyon

Kesici takım ile talaş arasındaki sürtünme, kesme sürecinin önemli bir bileşenidir. Bu sürtünme, takımın talaş yüzeyinde (rake face) gerçekleşir ve ikincil plastik deformasyona neden olur. İkincil deformasyon, talaşın takım yüzeyinde kayarken ek bir enerji harcamasına yol açar ve bu da kesme kuvvetlerini artırır.

Sürtünmeyi azaltmak için, takım yüzeyine kaplamalar (örneğin, TiN veya AlTiN) uygulanabilir veya kesme sıvıları kullanılabilir. Örneğin, bir kaplamalı takım kullanıldığında, sürtünme katsayısı 0.4’ten 0.2’ye düşebilir, bu da takım ömrünü ve yüzey kalitesini iyileştirir.

Sürekli Talaş Oluşumu için Kayma Düzlemi ve Kayma Çizgisi Teorileri

Sürekli talaş oluşumu, kesme mekaniğinin en çok incelenen alanlarından biridir. Kayma düzlemi teorisi (Merchant teorisi), kesme işlemini bir tek kayma düzleminde gerçekleşen basit bir plastik deformasyon olarak modeller. Bu teoriye göre, kayma açısı (ϕ) şu şekilde hesaplanır:

tan⁡(ϕ)= rcos⁡(α)/1−rsin⁡(α)

Burada (r), talaş kalınlığı oranı ve α, talaş açısıdır.

Kayma çizgisi teorisi ise, kayma bölgesini daha karmaşık bir şekilde ele alır ve malzemenin akış çizgilerini analiz eder. Bu teoriler, kesme kuvvetlerini ve enerji tüketimini tahmin etmek için kullanılır.

Eğik Kesme için Kayma Düzlemi Modelleri

Eğik kesme (oblique cutting), kesici takımın kesme kenarının iş parçasının hareket yönüne tam paralel olmadığı durumlarda gerçekleşir. Bu, düz kesmeden (orthogonal cutting) farklı olarak, kesme kuvvetlerinin üç boyutlu bir dağılım göstermesine neden olur. Eğik kesme, frezeleme ve delik delme gibi birçok pratik uygulamada yaygındır ve bu nedenle kayma düzlemi modellerinin bu duruma uyarlanması önemlidir.

Eğik kesme için kayma düzlemi modeli, kesme açısının (shear angle, ϕ) ve eğiklik açısının (inclination angle, λ) etkileşimini dikkate alır. Merchant teorisinin eğik kesme için genişletilmiş hali, kayma açısını şu şekilde ifade eder:

tan⁡(ϕ)= rcos⁡(α)/(cos⁡(λ)−rsin⁡(α))

Burada ( r ), talaş kalınlığı oranı, α, talaş açısı ve λ, eğiklik açısıdır. Eğiklik açısı, kesme kenarının iş parçasına göre açısal konumunu tanımlar ve genellikle 0° ile 45° arasında değişir.

Eğik kesmenin avantajı, kesme kuvvetlerini dağıtarak takım üzerindeki yükü azaltmasıdır. Örneğin, bir freze ucuyla alüminyum bir bloğu işlerken, eğik kesme sayesinde talaş daha kolay ayrılır ve takım aşınması azalır. Ancak, bu modelin doğruluğu, malzemenin homojenliği ve kesme koşullarının stabilitesine bağlıdır.

Kayma Bölgesi Modelleri

Kayma düzlemi modelleri, kesme işlemini tek bir düzlemde gerçekleşen basit bir olay olarak ele alırken, kayma bölgesi modelleri daha gerçekçi bir yaklaşım sunar. Bu modeller, kesme işleminin bir kayma bölgesinde (shear zone) gerçekleştiğini varsayar; bu bölge, malzemenin plastik deformasyona uğradığı bir banttır. Kayma bölgesi, kesici takımın ucundan talaşın ayrıldığı noktaya kadar uzanır ve kalınlığı kesme koşullarına bağlı olarak değişir.

Kayma bölgesi modelleri, özellikle yüksek hızlı kesme (HSM) ve sert malzemelerin işlenmesinde kullanılır. Bu modellerde, kayma açısı sabit bir değer olmaktan çıkar ve bölgedeki deformasyon dağılımına göre dinamik bir şekilde hesaplanır. Örneğin, Oxley’in kayma bölgesi modeli, malzemenin akma dayanımı (σ_y) ve sertleşme katsayısını ((n)) dikkate alarak kesme kuvvetlerini tahmin eder:

Fc=σ_y⋅A_s⋅(1+n)

Burada As, kayma bölgesinin kesit alanıdır.Kayma bölgesi modellerinin avantajı, gerçek dünya koşullarına daha yakın sonuçlar vermesidir. Örneğin, titanyum alaşımlarını işlerken, kayma bölgesi modeli, ısı birikimini ve takım aşınmasını daha iyi açıklar.

Minimum İş ve Benzersizlik Varsayımları

Minimum iş ilkesi, kesme mekaniğinde temel bir teorik yaklaşımdır ve kesme işleminin, malzemenin ayrılması için minimum enerji gerektiren koşullarda gerçekleştiğini varsayar. Bu ilkeye göre, kayma açısı (ϕ), kesme kuvvetini minimize edecek şekilde optimize edilir. Merchant, bu varsayımı kullanarak kayma açısını şu şekilde türetmiştir:

2ϕ+β−α=90^∘

Burada β, sürtünme açısıdır ve takım-talaş arasındaki sürtünme katsayısına (μ) bağlıdır: tan⁡(β)=μ

Benzersizlik varsayımı ise, belirli bir kesme koşulu için yalnızca tek bir kayma açısının mümkün olduğunu öne sürer. Ancak, bu varsayımlar gerçek dünyada her zaman geçerli değildir çünkü malzeme özellikleri (örneğin, anizotropi) ve kesme sıvıları gibi dış faktörler süreci karmaşıklaştırır. Yine de, bu teoriler, kesme mekaniğinin temelini anlamak için güçlü bir başlangıç noktası sunar.

Sonlu Elemanlar Modelleri

Sonlu elemanlar analizi (FEA), kesme mekaniğini simüle etmek için kullanılan modern bir yöntemdir. Bu yaklaşım, kesme işlemini matematiksel olarak karmaşık bir şekilde modelleyerek, kayma bölgesindeki gerilme, deformasyon ve sıcaklık dağılımlarını analiz eder. FEA, özellikle deneysel verilerin yetersiz olduğu durumlarda veya yeni takım tasarımlarını test ederken faydalıdır.

Bir FEA modelinde, iş parçası ve kesici takım, küçük sonlu elemanlara bölünür ve her elemanın mekanik davranışı diferansiyel denklemlerle çözülür. Örneğin, bir çelik parçasının kesilmesi simüle edildiğinde, model şu parametreleri hesaplayabilir:

Kesme kuvvetleri (Fc, Ff, Fr),

Talaş oluşum şekli,

Takım yüzeyindeki sıcaklık artışı.

FEA’nın avantajı, karmaşık geometriler ve malzeme davranışları için yüksek doğruluk sağlamasıdır. Örneğin, havacılık endüstrisinde titanyum bir bileşenin işlenmesi sırasında, FEA, takım aşınmasını ve yüzey hatalarını öngörebilir. Ancak, bu modellerin doğruluğu, malzeme verilerinin kalitesine ve hesaplama gücüne bağlıdır.

Kesikli Talaş Oluşumu

Kesikli talaş oluşumu, malzemenin kesme işlemi sırasında sürekli bir akış yerine periyodik olarak kırılmasıyla karakterize edilir. Bu durum, genellikle sert ve kırılgan malzemelerde (örneğin, dökme demir veya pirinç) görülür. Kesikli talaşlar, kayma bölgesinde tekrarlayan kırılma döngüleri nedeniyle oluşur ve bu, kesme kuvvetlerinde dalgalanmalara yol açar.

Kesikli talaş oluşumunun avantajı, talaşın kolayca ayrılması ve takım üzerindeki termal yükün azalmasıdır. Ancak, bu durum titreşimleri artırabilir ve yüzey kalitesini olumsuz etkileyebilir. Örneğin, dökme demir bir motor bloğunu işlerken, kesikli talaşlar yaygın olsa da, kesme hızı ve ilerleme oranı dikkatle kontrol edilmelidir.

Birikmiş Kenar Oluşumu (Built-Up Edge, BUE)

Birikmiş kenar (BUE), kesici takımın kesme kenarında malzemenin yapışmasıyla oluşan bir fenomendir. Bu durum, genellikle düşük kesme hızlarında ve sünek malzemelerle (örneğin, yumuşak çelik veya alüminyum) çalışırken ortaya çıkar. BUE, takım ile iş parçası arasındaki yüksek sürtünme ve sıcaklık nedeniyle oluşur ve kesme kenarının geometrisini değiştirir.

BUE’nin etkileri çelişkili olabilir: Bir yandan, kesme kenarını koruyarak takım ömrünü uzatabilir; diğer yandan, yüzey pürüzlülüğünü artırabilir ve kesme kuvvetlerini dengesiz hale getirebilir. BUE’yi önlemek için kesme sıvıları veya kesme hızları kullanılabilir. Örneğin, bir yumuşak çelik parçasını tornalarken, kesme hızı 100 m/dk’dan 200 m/dk’ya çıkarıldığında BUE oluşumu azalabilir.

Örnekler

Kesme mekaniğini daha iyi anlamak için birkaç pratik örnek inceleyelim:

Alüminyum Frezeleme: 5000 RPM spindle hızı, 0.1 mm/diş ilerleme ve 2 mm kesme derinliği ile bir alüminyum bloğu işlerken, kesme kuvveti yaklaşık 300 N olarak ölçülür. Talaş sürekli bir şekilde oluşur ve yüzey kalitesi Ra 0.8 µm seviyesindedir.

Çelik Tornalama: Sert bir çelik (HB 300) üzerinde 50 m/dk kesme hızıyla çalışıldığında, kesme kuvveti 1500 N’a ulaşır ve talaş kalınlığı oranı 0.5 civarındadır. Kayma açısı, Merchant modeline göre yaklaşık 25° olarak hesaplanır.

Dökme Demir Delme: Kesikli talaş oluşumu gözlemlenir ve titreşimler nedeniyle kesme kuvvetlerinde dalgalanmalar olur. Kesme sıvısı kullanılarak bu etki azaltılır.

Problemler

Kesme mekaniği, bazı pratik zorluklarla karşılaşır:

Titreşim: Dengesiz kesme kuvvetleri, makine stabilitesini bozabilir.

Isı Birikimi: Yüksek sıcaklıklar, takım aşınmasını hızlandırır.

Model Doğruluğu: Teorik modeller, malzeme heterojenliği nedeniyle sapma gösterebilir.

Bu problemler, kesme sıvıları, optimize edilmiş takım geometrileri ve gelişmiş simülasyon teknikleri ile aşılmaya çalışılır.