3.5. Titanyum Alaşımlarının Talaşlı İşlenebilirliği
3.5.1. Kesici Takım Seçimi
Yeni kesici takım malzemelerinin bulunması ve takım kaplama teknolojisindeki gelişmeler, talaş kaldırma yöntemlerinin gelişiminde en önemli etkenlerden birisi olmuştur. Böylece talaş kaldırma yöntemlerinin daha ekonomik olması ve uygulandığı malzeme gruplarının artması sağlanmıştır. İşlenmesi zor olan malzemeler bile geliştirilen kesici takımlar ve kaplama teknolojilerindeki ilerlemeler ile günümüzde işlenebilir duruma gelmişlerdir. Kaplamalı sert metal, seramik, kübik bor nitrür (CBN) ve çok kristalli elmas (PCD) gibi takım malzemelerinin kullanımı, son yıllarda yaygın hale gelmiştir.
Kesici takımlardaki bu gelişmeler, titanyum ve alaşımlarının talaşlı şekillendirilmesinde çok büyük değişimlere yol açamamıştır. Bunun temel nedeni, bu malzemelerin talaş kaldırma işlemi sırasında, kullanılan kesici takım malzemesinden beklenen özelliklerin farklılığıdır. Tablo 3.5’ de malzeme özelliklerinin kesici takıma etkisi görülmektedir. Dolayısıyla kesici takımların iyi bir kesme yapabilmesi için, şu özelliklere sahip olmaları gerekir [123 – 126]:
¾ İşleme esnasında meydana gelen ve uzaklaşmayan yüksek ısıya direnç gösterebilmesi için, yüksek sıcaklıklarda sertliğini sürekli koruyabilmelidir,
¾ Isı malzemeden uzaklaşmadığı için, kesici takımın ısı iletkenliği yüksek olmalıdır, ¾ Kesici takım, işlenen malzeme ile daha az kimyasal tepkimelere girmeli ve iyi bir
kimyasal kararlılık özelliği olmalıdır,
¾ Kesme esnasında oluşan kuvvetlerin dar bir alana yayılması ve tırlama olasılığı nedeniyle kesici ucun zayıflaması durumlarına karşı, kesici takımın tokluk ve kırılma direnci yüksek olmalıdır,
¾ Talaş kalınlığının küçük olması nedeniyle daha rahat talaş kaldırabilmek için, kesici takımın uç keskinliği yüksek olmalıdır,
¾ Kesici takımın, yüksek basınç, çekme ve kayma dayanımı gibi özellikleri belirli bir değere sahip olmalıdır.
Tablo 3.5. Titanyumun bazı karakteristikleri ve kesici takıma etkisi [127].
Malzeme Karakteristikleri Kesici Takıma Etkisi
Mukavemetin yüksek sıcaklıklarda korunması Yüksek kuvvet ve ısıların oluşması
Dar talaş – takım temas alanı Kesme kuvvetinin ve ısının yoğunlaşması Isıl iletkenliğin düşüklüğü Isının sıkışıp yükselmesi
Periyodik talaş oluşumu ve düşük elastisiteden
kaynaklanan değişken kuvvetler Titreşim ve tırlama
Kimyasal reaktifliğin yüksek olması Özellikle krater aşınması olmak üzere kimyasal tabanlı aşınmalar
Titanyum alaşımlarının frezeleme, delme, tornalama, broşlama, planyalama gibi geleneksel işleme yöntemleriyle işlenmesinde genellikle saf tungsten karbür (WC/Co) kesici takım kullanılmaktadır. Bu kesici takımın, kimyasal bileşimi işleme şartlarına bağlı olarak farklı oranlarda değiştirilebilmektedir. Ayrıca bu takımlar kendi aralarında birçok sınıfa ayrılmakta ve genellikle K serisi olarak tanınmaktadırlar. Tungsten karbür takımlarda Co içeriği, birçok araştırmacı tarafından farklı oranlarda katılarak işlenebilirliğin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Ayrıca bu takımlardaki tane boyutu da sertlik ve mekanik özellikleri etkilemektedir. Aucode, Ti6Al4V alaşımının tornalanmasında %6 Co içerikli ve orta taneli (0.8 ila 1.4 μm) WC/Co takımların oldukça yüksek performans gösterdiğini belirtmiştir. Ayrıca başka bir çalışmada bu tür karbür kesici takımlara klor veya indiyum ilavesinin etkili bir kesme yapabileceği tavsiye edilmiştir [124].
P sınıfı kesici takımlar ise termal özelliklerinden dolayı aşınma dirençleri az olan takımlardır. Bu sınıf takımların mukavemetini arttırmak için genellikle TiC, TiCN, TiN – TiC, Al2O3 – TiC, TiN – Ti (C,N) – TiC, Al2O3 ve TiB2 kaplamaları yapılmaktadır. Ancak bu sınıf takımlar kaplamalı da olsa benzer özellikler göstermektedirler ve bundan dolayı titanyum alaşımlarının talaşlı işlenmesinde genel olarak kullanılmazlar.
Seramik takımların kullanılması gün geçtikçe artmaktadır. Bununla birlikte bu takımların ısıl iletkenlik değerlerinin düşük olması kesici takımda sıcaklığın artmasına neden olmakta ve takımın aşınmasını hızlandırmaktadır. Şekil 3.1’ de görüldüğü gibi seramik takımlarla yapılan işlemlerde meydana gelen ısının büyük bir kısmı takıma aktarılmaktadır. Bu durumsa ısı, takımdan da uzaklaşmayacak ve özellikle ısıl tabanlı aşınma mekanizmaları hızlanacaktır. Ayrıca bu takımların kırılma tokluğunun düşük olması ve işlenen titanyum alaşımı ile kimyasal reaksiyona girmesi diğer önemli faktörlerdir.
Kübik bor nitrür (CBN) ve çok kristalli elmas gibi süper sert kesici takım malzemeleri, titanyumların işlenmesinde takım aşınmasında iyi performans göstermektedirler. Ancak, yüksek fiyatları nedeniyle uygulamaları sınırlı kalmaktadır.
Titanyumun işlenmesinde Şekil 3.2’ de gösterilen dönel kesici takımlar da kullanılmaktadır. Yuvarlak bir ucun kendi ekseni etrafında döndürülmesi ile kesme bölgesinde
takımın farklı kısımlarının işleme katılması prensibine dayanan bu takımların takım ömrüne ve yüzey kalitesine önemli katkıda bulunduğu söylenebilir. Kesme kuvvetlerinde, kesme sıcaklığında yaşanan düşme sonucu malzemedeki mukavemet artışına bağlanabilecek küçük bir artış yaşanmaktadır. Ancak, titanyumun işlenmesinde temel sorunlardan olan ısının uzaklaşma zorluğu takımın aktif kısmının sürekli değişmesi ile aşılmaktadır. Şekil 3.3’ de görülen bu durum temas süresinin azalmasının yanında ısınan kısmen soğumak için fırsat bulmasına da bağlanabilir.
Şekil 3.1 Ti6Al4V alaşımı ve CK45 çelik için farklı takımlarla yapılan işlemlerde ortaya çıkan ısının takıma ve talaşa dağılım oranı [124].
Şekil 3.2 Dönel kesici takım [128]. İş parçası n nt f V Vr Vt Yuvarlanan karbür takım
ε
20 40 126 60 80 84 42 0 Ti-6Al-4V Çelik CK45 Tak ım T ala ş Is ı da ğı lım ı α (%) Takımın ısıl iletkenliği λn (J/mm s ˚C) 100Şekil 3.3 Kesme hızı – sıcaklık grafiği [124].
Yapılan deneylerde elde edilen serbest yüzey aşınması değerlerine göre, örneğin 360 m/dak’ lık kesme hızında, 0.2 mm’ lik bir aşınma klasik takımda 0.8 dakikada meydana gelirken, dönel takımda bu süre 33 dakika olmaktadır. Kesme sıcaklığındaki düşüş sayesinde, baskın olan ısıl tabanlı aşınma mekanizmaları da etkisini yitirmekte ve takım ömrü ortalama 40 kat artmaktadır. Takım ömrü arttığı için kesme hızının geleneksel işlemeye göre çok daha yüksek değerlere çıkabilmesi ve verimliliğin artması mümkündür. Bu şekilde, çok sayıda uç yerine yalnızca bir ucun takılması ve toplam ayar zamanının büyük ölçüde azalması, sürekli olarak takım değiştirilmediği için kalite tutarlılığının olması dönel takımın başlıca avantajları olarak sayılabilir. Ancak, dönel takımlar, karmaşık iş parçaları için kullanılamayan, çok rijit sistemlere ihtiyaç duyan ve yuvarlak uç kullanıldığı için en yüksek talaş derinliği değerinin sınırlı olduğu takımlardır, bu nedenle yaygın olarak kullanılmazlar.