AŞINDIRICILI SU JETİ İLE KESİLEREK ELDE EDİLEN YÜZEY KALİTESİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ
Mustafa Kemal KÜLEKCİ1, Adnan AKKURT2
1Mersin Üniiversitesi Tarsus Teknik Eğitim Fakültesi, 33480 TARSUS
2 Yenimahalle Teknik ve EML ANKARA
ÖZET
Bu çalışmada aşındırıcılı su jeti ile kesilmek suretiyle elde edilen iş parçası yüzey kalitesi ile kesme parametreleri arasındaki bağıntılar araştırılmıştır. Makalede aşındırıcılı su jeti ile kesilen, alüminyum malzemenin yüzey pürüzlülüğü değerlendirilmiştir. Kesme hızı, aşındırıcı kütle oranı, orifis büyüklüğü, aşındırıcı karıştırma odasının (tüpünün) büyüklüğü, aşındırıcı garnetin boyutları, su basıncı gibi işlem parametrelerinin yüzey kalitesine etkisi, yüzeylerinden itibaren farklı derinliklerde irdelenmiştir. Verilen sonuçlar su jeti ile kesme işlemlerinde optimum işlem parametrelerinin seçilmesine yardımcı olabileceği gibi, aşındırıcılı su jeti ile kesime işlemindeki kesme mekanizması hakkında da önemli veriler içermektedir.
Anahtar Kelimeler: Aşındırıcılı su jeti, su jeti ile kesme, kesme mekanizması
EVALUTION OF QUALITY OF THE SURFACES PRODUCED BY ABRASIVE WATERJET CUTTING
ABSTRACT
In this study the relationship between surface finish of the surfaces produced by abrasive waterjet cutting and associated cutting process parameters had been investigated. Roughness of the surfaces cut by the abrasive waterjet of aluminium, glass, steel and rubber specimens were assessed. The effects of process parameters such as; cutting speed, abrasive mass flow rate, size of water orifice, size of abrasive mixing tube, size of abrasive garnet and water pressure on surface quality were investigated. The roughness was measured at different depths of a cut sample. The results of this study can help to select optimum process parameters and also provide important information in understanding the cutting mechanism associated with the abrasive waterjet cutting process.
Keywords: Abrasive waterjet, waterjet cutting, cutting mechanism
GİRİŞ
Aşındırıcılı su jeti ile kesme uygulamaları yaygınlaştıkça, yapılan araştırmalar kesme işlemi ile yüzey kalitesi üzerinde yoğunlaşmaktadır. Su jeti ile kesilen malzemede kesme işlemi, jet içerisine dahil olan aşındırıcı taneciklerin çarpma etkisi ile meydana gelen erozyon mekanizmasından ibarettir. Sünek malzemelerle yapılan çalışmalar erozyon işleminin, kesme aşınma mekanizması ve deformasyon aşınma mekanizmasını içerdiğini göstermektedir [1,2]. Buna bağlı olarak kesilen yüzeyde iki farklı kesme bölgesinin meydana geldiği görülmektedir. Kesme aşınma mekanizmasında, aşındırıcı parçacıklar yüzeye küçük açılar ile çarpmakta ve nispeten düzgün bir yüzey vermektedir. Derinlik arttıkça deformasyon aşınma mekanizması etkin olmakta ve yüzeyde dalgalanmalara neden olmaktadır [3,4].
Yüzeydeki iki farklı özellik, lazer, plazma veya aşındırıcılı su jeti ile kesme gibi jet ile kesme işlemlerinin hepsinde söz konusu olmaktadır. Bu işlemlerde jet içermiş olduğu enerjinin önemli bir kısmını kaybetmediği bölgede düzgün bir yüzey vermektedir [5]. Bir sonraki aşamada jet, sapmaya uğramakta ve malzemeye çarpma açısı büyümektedir [6]. Bunun doğal bir sonucu olarak kesme mekanizması değişmektedir. Su jeti ile sünek
malzemelerin kesilmesinde bu değişim, malzemedeki atomik sınırların kesilmesinden, deformasyon kesilmesine dönüşüm şeklinde görülmektedir [7,8]. Deformasyon aşınma mekanizması; malzemenin uzaklaştırılmasında ve daha kalın malzemelerin kesilebilmesinde oldukça etkili olduğu görülmektedir. Bununla birlikte kesilen malzeme kalınlığı arttırıldıkça jette bozulmalar başlamakta, üniform ve sürekli kesme işlemi zorlaşmaktadır [9,10]. Kesilen kalın malzemelerde, kesintili ve değişken malzeme miktarının koparılması yüzeyde dalgalanmalara neden olmaktadır [11]. Malzeme kalınlığı arttırıldıkça yüzeydeki dalgalanmaların derinliği ona bağlı olarak da yüzey pürüzlülüğü artmaktadır [12]. Jet deki sapma sonucu meydana gelen dalgalanmalar, sünek veya kırılgan olsun tüm malzemelerde görülmekte ve malzeme kalınlığı artışına bağlı olarak artmaktadır [13,14].
Buradan hareketle yüzeydeki bu dalgalanmaların giderilmesi kesme aşınma mekanizması bölgesinin genişletilmesi ile mümkündür sonucu çıkmaktadır[15].
Bu çalışmada kesme işlemi ile parametreler arasındaki bağıntı araştırılmaktadır. Bu parametreler; su basıncı, orifis çapı, aşındırıcı boyutu, kesme hızı, aşındırıcı kütlesi akış oranıdır. Şekil 1.’de kesilen parçaların geometrisi ve boyutları verilmektedir. Kesilen tüm numunelerde nozul-parça yüzeyi arası mesafesi 2 mm (0,08 inch) alınmıştır. Deneylerde Şekil 1. de görüldüğü gibi eğimli numuneler kullanılmıştır. Parça kalınlığı 12,7 mm - (0,5 inch) 25 mm (1 inch) arasındadır. Yapılan kesme işlemlerinde yüzey kalitesi üzerinde parça kalınlığı parametresinin etkisi incelenmiştir.
Şekil 1. Kesilen parçaların geometrik yapısı ve kesme yönü.
YÜZEY PÜRÜZLÜLÜĞÜNÜ ÖLÇME DÜZENEĞİ
Kesilen yüzeylerin pürüzlülük değerlerinin ölçümünde temaslı ve temassız olmak üzere iki yöntem kullanılmaktadır. Temassız ölçüm yönteminde kullanılan yüzey ölçüm aparatında üç temel organ bulunmaktadır:
• Optik mesafe algılayıcısı,
• İlerleme tablası,
• Değerlendirme ve çıktı bilgisayarı.
Şekil 2.’de gösterildiği gibi optik mesafe algılayıcısı numune (İş parçası) üzerine odaklanmış bir kızılötesi lazer ışını ile çalışmaktadır. Sistemdeki 2 mikron çapında olan ışık, algılayıcı içerisindeki odaklama detektörüne gönderilmektedir. Ölçülen yüzeye olan mesafenin değişmesi durumunda detektör bir sinyal göndererek, lensi hareket ettirerek lazer ışınının tekrar parça yüzeyine odaklanmasını sağlamaktadır. Odaklama mesafesinin sabit olması durumunda aparatın lens hareketi iş parçası yüzeyindeki girinti-çıkıntılara eşdeğer olmaktadır. Tablo 1.’de yüzey pürüzlülüğünü temassız ölçen cihazın teknik özellikleri verilmiştir.
Şekil 2. Temassız yüzey pürüzlülük ölçüm aparatı [16].
Tablo 1. Temassız yüzey pürüzlülük değeri ölçümü yapabilen RM 600 model cihazın teknik özellikleri Özellik Değer
Pürüzlülük Ölçüm Aralığı +- 300 µm
Ölçüm Çözünürlüğü 200 µm
Ölçümde Doğrusallık % 0,3
Ölçüm Oranı Yüzey pürüzlülüğüne bağlıdır. Oldukça kaba
yüzeyler için dakikada minimum 5 ölçüm, normal ölçüm oranı ise dakikada 500 adet ölçümdür.
Minimum Yansıtma % 1 ∼ 2
İlerleme Hızı Dakikada maksimum 0,5 mm
İlerleme Aralığı (Stroku) Maksimum 60 mm
Mutlak Hata ± % 0,3
Elde edilen veriler bilgisayarda bir yazılım sayesinde analiz edilerek grafiklere dönüştürülebilmektedir. Yapılan analizlerde kesilen yüzeye ait, ortalama pürüzlülük, rms (root means square) pürüzlülüğü, maksimum yükseltiler arasındaki pürüzlülük ve dalgalanmalar gibi özellikler değerlendirilebilmektedir [17].
Temassız lazer ölçüm aparatı ile diğer klasik aparatlara nazaran daha iyi sonuçlar elde edilmektedir. Bunların en önemlisi ölçüm aparatı ile parça yüzeyi arasında temasın olmamasıdır. Sağladığı diğer avantajlar ise;
• Daha yüksek çözünürlük ve hassasiyet,
• Daha iyi tekrar edilebilir sonuçlar vermesi,
• Daha güvenilir olması.
En büyük dezavantajları ise, lazer algılayıcının düşük yansıtma özelliği nedeni ile karanlık yüzeyler daha az duyarlılık göstermesidir. Bu gibi yüzeylerde daha sağlıklı sonuçlar elde etmek için yüzey ince, ancak yüksek yansıtma özelliği olan kaplamalar ile kaplanabilir. Bu durumda doğruluktan (hassasiyetten) bir miktar sapma olması doğaldır [18,19].
KESİLEN YÜZEYLERDE PÜRÜZLÜLÜĞÜN ÖLÇÜMÜ
Pürüzlülük ölçüm aparatının kalibrasyonu, pürüzlülüğü önceden bilinen standart bir yüzeyden faydalanılarak yapılabilmektedir. Standart olarak alınan yüzey üzerinde lazerli ve mekanik aparatlar ile yapılan ölçümlerden elde edilen sonuçlar arasındaki fark % 1’den daha az çıkmaktadır [20].
İlk önce yatay yönde pürüzlülük varyasyonu (değişim) araştırılmıştır. Belirli bir derinlikte kesilen yüzey üzerinde üç ayrı yönde pürüzlülük verileri incelenmiştir. Bu ölçümler farklı derinlikteki kesme işlemleri için tekrarlanarak, veriler kaydedilerek ikinci dereceden polinom ile sapmalar araştırılmıştır. Kesilen Alüminyum numune için sapma eğrisi Şekil 3.’de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi aynı derinlikteki kesme işlemlerinde pürüzlülük değerlerinde önemli sapmalar olmamaktadır [15]. Her bir derinlikteki kesme işlemlerine ait parametre değerleri de Şekil 3’de verilmiştir. Şekil 3.’de açıkça görüldüğü gibi sonuçlardaki varyansın (değişiklik) hemen hemen üniform olduğu görülmektedir. Deformasyon aşınma mekanizmasının etkin olduğu bölgeye bakıldığında, yüzeydeki dalgalı izlerin pürüzlülüğün mutlak değerini aniden arttırdığı görülmektedir (Şekil 4). Şekil 3. ve Şekil 4.’den açıkça görüleceği üzere, parça kalınlığının kesilen yüzeyde düşey yöndeki pürüzlülük profili üzerinde oldukça küçük bir etkisi vardır. Kesme yönüne doğru kalınlığı giderek artan parçaların kesilmesinde, düşey yöndeki pürüzlülük değerinde önemli bir değişiklik (varyans) meydana gelmemektedir. Sabit kalınlıktaki parçaların kesilmesinde ise, birbirine oldukça yakın pürüzlülük değerleri elde edilmiştir.
Şekil 3. Alüminyum (6061-T6511) malzemesinin aşındırıcı su jeti ile kesilmesinde kesme aşınma bölgesinde yüzeyden itibaren tabana doğru derinlik yönünde, yüzey pürüzlülüğünün değişimi (Orifis çapı: 0.25 mm, kullanılan basınç: 50kpsi, kesme hızı: 254mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 340 g/dak) [19].
0 1 2 3 4 5 6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Yüzeyden itibaren tabana doğru yükseklik (m m) Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
Şekil 4. Alüminyum (6061-T6511) malzemesinin aşındırıcılı su jeti ile kesilmesinde deformasyon aşınma bölgesinde, tabandan itibaren yüzeye doğru yükseklik yönünde, yüzey pürüzlülüğünün değişimi (Orifis çapı 0.25mm, kullanılan basınç 50kpsi, kesme hızı: 254 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 227 g/dak) [19].
Grafikler dikkatlice incelendiğinde kesme aşınma ve deformasyon aşınma mekanizması ile kesilen bölgeler tanımlanabilmektedir. Bu iki bölgenin pürüzlülük karakteristikleri birbirinden ayrılmaktadır. Kesilen yüzeyin üst kısmında kesme mekanizmasının etkin olduğu bölgede pürüzlülük profilinin olabildiğince gelişi güzel ve harmonik olduğu görülmektedir. Bunun aksine alt kısımdaki deformasyon aşınma bölgesindeki pürüzlülük karakteristiğinin tekrarlı yükselti ve inişlerden ibaret olduğu görülmektedir [21]. Bu iki bölge arasında yer alan ara bölgede ise pürüzlülük profilinin bu iki tür arasında değiştiği görülmektedir [22]. Sünek malzemelerde görülen diğer bir pürüzlülük karakteristiği ise arada bir görülen aşırı yükseltiler ve inişlerden oluşan pürüzlülük profilidir [23]. Bu tür yükseltilerin nedeni bazı aşındırıcı partiküllerin yüzeye daha büyük çarpma açıları ile çarparak yüzeyde derin kesikler oluşturması ve bazen de bu kesikler içinde hapsolmalarıdır [24]. Şekil 5’de bu şekilde yüzeye saplanmış bir partikülü gösteren elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü verilmiştir. Şekil 6’da ise alüminyum numunede 3,2 mm’den 15,9 mm’ye kadar 5 ayrı kesme derinliğinde elde edilen pürüzlülük değerleri verilmiştir.
Şekil 5. Kesilen alüminyum numunenin yüzeyine saplanmış aşındırıcı garnet taneciğinin elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü [25].
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Tabandan itibaren yüzeye doğru kesilen mesafe (mm) Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
Şekil 6. Aşındırıcılı su jeti ile kesilen alüminyum numunede farklı derinliklerde yüzey pürüzlülük değerleri [26].
Yüzey Pürüzlülüğüne Su Basıncının Etkisi
Bu çalışmada yüzey karakteristiklerini analiz etmeye yeter derecede ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) raporlaştırılmıştır. Ra değeri yüzeyin pürüzlülüğünü değerlendirmede yeterli veriyi sağlamaktadır. Şekil 7.’de su basıncı ile farklı kesme derinliklerinde yapılan kesme işlemlerinden elde edilen yüzey pürüzlülükleri arasındaki ilişki verilmiştir. Sonuçlar daha düşük basınçlarda da, kesilen derinliğin üst kısımlarında daha iyi yüzeylerin elde edildiğini göstermektedir. Aşındırıcı kütlesi akış oranı tüm basınç değerlerinde sabit 227 g/dak alınmıştır. Daha düşük basınçlarda daha iyi yüzey kalitesinin elde edilmesi ters gibi gelebilir, ancak elde edilen yüzey kalitesi, aşındırma partikül hızı ve birim alana çarpan partikül çapı gibi parametrelere bağlıdır [27,28]. Düşük hıza sahip partiküller yüzeyde daha az hasar meydana getireceklerdir. Fakat enerjilerini oldukça hızlı bir şekilde kaybettiklerinden kesme aşınma bölgesi deformasyon aşınma bölgesine nazaran artmış olacaktır [29]. Buna ilave olarak bir hedefe yönlendirilen partiküllerden bir kısmı malzemeden parçacıklar koparırken geriden gelen diğerleri yüzeyin bitirme işlemini gerçekleştirmiş olacaklardır [30]. Şekil 7.’de kesme aşınma bölgesinin basınç ile orantılı olarak arttığı görülmektedir. Şekil 8.’de 172 Mpa ve 276 Mpa basınç ile kesilen yüzeylerin elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri verilmiştir. Yüzeydeki bitirme işleminin homojen olduğu görülmektedir. Şekil 8.’deki karanlık noktalar, malzemeye dik açılar ile çarpan parçacıkların yüzeyde oluşturdukları oyuklara aittir.
Şekil 7. Su basıncının yüzey pürüzlülüğüne etkisi (Orifis çapı 0.25mm, kesme hızı: 127 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 227 g/dak, kesilen malzeme: alüminyum) [30].
Şekil 8. Aşındırıcılı su jeti ile kesilen alüminyum numune yüzeyinin elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü (Kullanılan aşındırıcı boyutu: 80 Mesh, su basıncı: 40 kpsi, ilerleme hızı: 127 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı kütle oranı: 227 g/dak, orifis çapı: 0,254) [30].
Orifis Boyutu Etkisi
Orifis boyutunun etkisi Şekil 9.’da verilmiştir. Odaklama lüleleri için optimum kesme sonuçları elde etmek amacıyla orifis boyutları belirlenmiştir. Örneğin 0,76 mm boyutundaki odaklama lülesi için en uygun kesme işlemi 0,25 mm (0,010 inch) veya 0,3 mm (0,012 inch) orifis boyutunda elde edilmektedir. Ancak bunun dışındaki boyutlarda elde edilen sonuçlardan da fazla bir fark görülmemiştir. Orifis çapının arttırılması durumunda daha yüksek su akış oranı ve pompa gücü gerektirecektir [31]. Diğer taraftan kesme ve yüzey bitirme işlemi büyük ölçüde aşındırıcı akış oranına bağlıdır. Bu parametre ise daha önce değinildiği gibi bu araştırmada sabit alınmıştır [32].
Odaklama Lülesi Boyutu Etkisi
0,25 mm (0,010 inch) orifis boyutunun kullanılması halinde kesilen yüzeyde en uygun pürüzlülüğün, 0,56 mm (0,022 inch) delik çapına sahip lüle ile elde edilebildiği görülmektedir (Şekil 10). Şekil üzerinde 0,76 mm (0,030 inch) ve 1,1 mm (0,043 inch) delik çapına sahip lüleler ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılabilir. Daha küçük
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 5 10 15 20 25
Jetin kesme yönünde derinlik (mm) Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
25 kpsi 30 kpsi 40 kpsi 50 kpsi
kanalı genişliğini düşürür [33]. Ancak diğer tarafları karıştırma işlemi esnasındaki enerji kayıplarını ve aşındırıcı partiküllerinin çarparak kırılmalarını azaltmak için oldukça dikkatli montaj ve yüksek kaliteli odaklama lülesi gerekmektedir [34].
Şekil 9. Kullanılan orifis çapının yüzey pürüzlülüğüne etkisi (kesme hızı: 127 mm/dak, kullanılan basınç:
50kpsi, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 340 g/dak, kesilen malzeme: alüminyum) [30].
Şekil 10. Odaklama lülesi çapının yüzey pürüzlülüğüne etkisi (Orifis çapı 0.25mm, kullanılan basınç 50kpsi, kesme hızı: 127 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 227 g/dak, kesilen malzeme: alüminyum) [19].
Aşındırıcı Partikül Boyutu Etkisi
Aşındırıcı boyutlarını tanımlamada kullanılan Mesh birimi değeri azaldıkça partikül ortalama boyutu büyümekte ve birim ağırlık başına partikül sayısı düşmektedir [35]. Yapılan bir çok çalışma [3,25]; Büyük partikül boyutlarının daha büyük atalete sahip olmaları nedeni ile daha hızlı kestiklerini göstermektedir. Ancak büyük boyutlu partiküller ile yapılan kesme işleminde, kesme aşınma bölgesi genişletmekle beraber sağladıkları yüzey kalitesi daha kabadır [36]. Şekil 11. incelendiğinde 220 Mesh partikül boyutu ile çalışıldığında en iyi yüzey kalitesinin, üst kısımda oldukça dar bir bölgede (3,8 mm yüzeyden itibaren) elde edildiği görülmektedir. 3,8 mm
0 1 2 3 4 5 6
0 5 10 15 20 25
Jetin kesme yönünde, parça yüzeyinden itibaren derinlik (mm)
Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
çap: 0,18 mm çap: 0,25 mm çap: 0,3 mm çap: 0,35 mm
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
0 5 10 15 20 25
Jetin kesm e yönünde, parça yüzeyinden itibaren derinlik (m m)
Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron) çap: 0,55 mm
çap: 0,76 mm çap: 1 mm
(0,15 inch) ten sonra pürüzlülüğün önemli derecede kabalaştığı görülmektedir. Şekil 11.’de verilen kesme derinlikleri göz önüne alındığında yüzey bitirme kalitesi ile kesme performansı arasında en iyi dengenin 120 Mesh garnetden elde edildiği görülmektedir [9,25].
Kesme Hızının Etkisi
Yüzey bitirme işleminde kesme hızı en önemli etkiye sahiptir. Özellikle de kesme aşınma bölgesinin arttırılmasında etkilidir [37,38]. Daha düşük, kesme hızlarında çalışılması durumunda, kesilen yüzeyde birim alana düsen partikül sayısı artmakta, buna paralel olarak kesme aşınma bölgesi genişlemekte ve geriden gelen partiküller daha önceki aşamalarda kabaca kesilen kısımları düzelterek yüzey pürüzlülük kalitesini arttırmaktadır [39]. Doğal olarak yüzey kalitesi artarken, kesme işlemi süresi de artmaktadır. Dolayısı ile burada en önemli işlem kesme hızı parametresinin belirlenmesidir. Sekil 12.’de kesme hızı ile yüzey bitirme kalitesi arasındaki bağıntı verilmiştir. 254 mm/dak (0,10 inch) kesme hızında, kesme aşınma bölgesinin oldukça dar ve yüzey pürüzlülüğünün hızlı bir şekilde arttığı görülmektedir. Oysa kesme hızının 63,5 mm/dak’dan (2,5 inch/dak) daha küçük seçilmesi durumunda, elde edilecek yüzey pürüzlülüğünün değişmeden sabit kaldığı görülmektedir. Şekil dikkatlice incelendiğinde kesme aşınma bölgesinde derinlik arttıkça başlangıçta yüzey pürüzlülüğünün giderek azaldığı, daha sonra ise tekrar artma eğilimi gösterdiği anlaşılmaktadır.
Şekil 11. Aşındırıcı partikül boyutunun yüzey pürüzlülüğüne etkisi (Orifis çapı 0.25mm, kullanılan basınç
50kpsi, kesme hızı: 127 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 227 g/dak, kesilen malzeme: alüminyum) [19].
Şekil 12. Kesme hızının yüzey pürüzlülüğüne etkisi (Orifis çapı 0.25mm, kullanılan basınç 50kpsi, kesme hızı:
254 mm/dak, jet içerisindeki aşındırıcı garnet boyutu: 80 mesh, Jet içerisindeki aşındırıcı oranı: 227 g/dak, kesilen malzeme: alüminyum) [19].
SONUÇ
0 5 10 15 20
0 5 10 15
Jetin kesm e yönünde, yüzeyden itibaren derinlik (mm )
Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
80 meş 120 meş 220 meş
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25
Jetin kesm e yönünde, yüzeyden itibaren derinlik (mm ) Yüzey pürüzlülük değeri Ra (mikron)
254 mm/dak 190 mm/dak 127 mm/dak 64 mm/dak 25 mm/dak
Yüzey bitirme işlemi ile aşındırıcılı su jetinin kesme işlemi parametreleri arasındaki ilişkiyi araştırmak amacı ile kapsamlı bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler değerlendirildiğinde; kesme işlemi başlangıcında, yüzey pürüzlülüğü derinliğin artması ile artmamaktadır [40,41]. Yüzey pürüzlülük değeri kesme aşınma bölgesinde ilk önce düşme eğilimi göstermekte, daha sonra artma eğilimi göstermektedir. Derinlik arttıkça partiküllerin kırılarak daha küçük boyutlara ayrılması yüzey kalitesini bir miktar iyileştirmektedir [42].
Bazı malzemelerde daha iyi yüzey pürüzlülüğünün elde edilmesinde başvurulacak diğer bir yöntem su basıncının düşürülmesidir. Bu yöntemin olumsuz tarafı ise kesme hızı düştüğünde üretim süresinin artmasıdır [43]. Sünek malzemelerde yüksek basıncın kullanılması, partikül hızını dolayısı ile kinetik enerjiyi arttırmakta ve yüzeyde plastik deformasyon ile yığılmalar nedeniyle kaba yüzey meydana gelmektedir [44,45].
Kesilen bölgede iyi bir yüzey bitirme elde edebilmek için kesme hızı düşük tutularak düzgün yüzey bölgesi, partiküllerin tekrarlı çarpma etkisi ile attırılabilmektedir. Kesme hızı düşürüldükçe yüzey kalitesi artarken üretim süresinin arttığı göz önünde bulundurularak, yüzey kalitesi ile üretim süresi arasında optimizasyonun yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır [46]. Elde edilen bir diğer bulgu malzeme türü ne olursa olsun yüzey topografyasının iki bölgeden ibaret olduğudur. Birinci bölge homojen ve nispeten düzgün olan bölge, ikinci bölge ise bir birine paralel hatlar şeklinde uzanan kaba bölgedir [47]. Kaba bölgedeki hatların büyüklüğü, kesme derinliği, aşındırıcı yükleme ve diğer parametrelere bağlı olarak değişmektedir. Oluşan paralel hatlı çizgili dalgalanmaların frekansı jet çapına ve kesme hızına bağlı olarak şekillenmektedir [48]. Ancak aralarındaki bağıntı, tahmini bir eşitliğin çıkarılmasına olanak sağlayacak kadar belirgin değildir.
Daha önceki kısımlarda da değinildiği gibi, jet benzeri araçlar ile yapılan kesme işlemlerinde elde edilen tüm yüzeylerin topografyası iki kısımdan meydana gelmektedir. Bunun muhtemel nedeni ise jetdeki dinamik kararsızlık nedeni ile üst kısımda düzgün yüzey, daha alt kısımlarda ise jet deki bozulmalar nedeni ile malzemeye tam nüfuz edememesi sonucu kaba yüzeylerin oluşmasıdır [49]. Aşındırıcılı jetlerdeki bükülmeler ve tekrarlanma periyodu yüksek hızlı bir kamera ile tespit edilmiştir [3,30]. Aşındırıcı partiküllerin yoğunluğunun kaba, dalgalı, ikinci yüzeyde tekrarlı olarak değiştiği görülmektedir. Bu kararsız bölgede aşındırıcı zerreciklerin bir araya giderek topaklandığı ve tekrar dağıldığı gözlenmektedir. Bu topaklanan partikül topluluğu yüksek enerji yoğunluğu içerdiklerinden malzemeye nüfuz edilerek geriden gelen jetin çıkışını açarak rahatlatmaktadır.
Kesme performansı ve yüzey kalitesini geliştirecek bir diğer parametrede ikinci bölge olarak adlandırılan deformasyon aşınma bölgesinin daraltılmasıdır [49]. Düzgün olan birinci bölgede yüzey kalitesi, aşındırıcı boyutuna, partikül hızına ve malzeme türüne bağlıdır.
Pratikte, yüzey bitirme işlemini optimizasyon kriterleri olmadan tartışmak mümkün değildir. Burada uygulayıcının toplam kesme giderlerini en aza indirmeye çalıştığı kabul edilirse; Bu durumda uygulayıcı minimum bir pürüzlülük seviyesi belirleyebilir. Ancak buna ilave olarak optimum kesme parametreleri, sabit ve değişken olan maliyet kriterlerine bağlı olacaktır. Eğer sabit olan kriterler yüksek ise yüksek aşındırıcı akış oranı ve daha büyük (Orifis) çapı kullanılarak yüksek kesme oranı elde etmeye çalışılmalıdır [50]. Eğer değişken olan kriterler yüksek ise, daha düşük aşındırıcı akış oranı ve düşük kesme hızları uygun olabilir. Yapılan çalışma alüminyum için gerekli olan parametrelerin seçiminde bir referans olarak istifade edilebilir. Hassas yüzey bitirme ve hassas kesme kanalı gerektiren uygulamalar için aşındırıcılı su jeti parametreleri oldukça dikkatli seçilmelidir [51]. Kesme kanalı genişliği kanal üst kısmında jet çapına yakındır. Ancak kanalın dip kısım genişliği kesme mekanizmasına bağlıdır [52]. Kesme aşınma bölgesinin alt kısımlarında jet genişlediği için buradaki kanal genişliği üst kısımdan daha fazla olmaktadır. Çizgili hatların baskılı olduğu deformasyon aşınma bölgesinde kanal genişliği üniform olmamakla beraber üst kısımdan ortalama olarak daha dardır [26]. Yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda kanalın üst ve alt kısmındaki genişlik farkının sıfır olması istenirken, bazı uygulamalarda kesilen yüzeye ikinci bir işlem uygulanacağından bu farkın pek önemi yoktur. Bu çalışmada sadece yüzey karakteristikleri üzerinde odaklanılmıştır.
Aşağıdaki sonuçlar bu çalışma ile desteklenmiştir.
• Daha iyi kesme performansı sağlayan işlem parametreleri aynı zamanda kesme aşınma bölgesini genişletmektedir,
• Kesilen kanalın alt kısmındaki yüzey bölgesinde oluşan paralel hatlı dalgalı yüzey, yüzey pürüzlülüğünü tayin etmektedir,
• Kesme aşınma bölgesinde elde edilen daha iyi yüzey kalitesi her zaman deformasyon aşınma bölgesinde daha iyi yüzey elde edilebileceğini garanti etmez,
• Kesme parametrelerinin optimizasyonu yüzey kalitesini arttırabilir,
• Burada ele alınan parametreler arasında her iki aşınma mekanizması bölgesinde de önemli yüzey kalitesi artısı sağlayan parametre daha düşük kesme hızının seçilmesidir,
• Burada denenen malzemelerin hepsinde özellikleri farklı olmasına rağmen, benzer yüzey topografyası elde edilmiştir.
KAYNAKLAR
1. H ASHISH , M., “Visualisation of Surfaces Machined With Abrasive - Waterjet Cutting Process”, Experimental Mechanics, 159-168. 1988.
2. H ASHISH , M., “Characteristics of Surfaces Machined With Abrasive - Waterjet”, Journal of Engineering Materials and technology, 113, 354-362. 1991.
3. M ENDİ, F., ve KÜL EKCİ, M.K., “İmalatta Su Jeti Uygulamalarının Değerlendirilmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, ISSN 1300-7009, Cilt5, Sayı 2-3, s.1067-1075. 1999.
4. BLICKWEDEL, H., GUO, N.S., HAFERKAMP, H., LOUIS, H., “Prediction of Abrasive Jet Cutting efficiency and Quality ”, Proceedings of 10th International Symposium in Jet Cutting Technology, 163-180.
NETHERLANDS, 1990.
5. BITTER, J.G.A., “A Study of Erosion Phenomenon – Part I and II”, Wear, 6, 169-190. 1963.
6. FINNIE, I., “The Mechanism of Erosion of Ductile Metals”, Proceedings of the 3th National Congress of Applied Mechanics, ASME, 527-532. USA, 1958.
7. KIM, T.J., LABUS, T.J., “Influence of Basic Jet Parameters And Phisics of Abrasive Waterjet Cutting”, Fluid Jet Technology – Fundamentals and Applications, ISBN 1-880342-01-04, Publ. by the WJTA, st.
Lois, MO, USA, 1993.
8. KAHLMAN, L., KARLSSON, R., NILSON, C.G., “Wear and Machining of Engineering Ceramics by Abrasive Waterjets”, American Ceramic Society Bulletin, Vol.77, No. 8, 1983.
9. MENDİ F., ve KÜLEKCİ, M.K., “Su Jeti Teknolojisindeki Gelişmeler ve Su Jeti İle Kesme Uygulamaları”, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, ISSN 1300-7668, Cilt 5, Sayı 1,147-157.
2001.
10. HASHISH, M., “Pressure Effects in Abrasive Waterjet Machining”, Journal of Engineering Material and Technology, 111, 221-228,1989.
11. McCOUGH, J.A., “Advanced Method of Machining”, Chapman& Hall, ISBN 0-412-3197-05,1988.
12. SCHRIBER, R.R., “Harnessing a Vulcano”, Manufacturing Engineering,66-69,1992.
13. DOYLE, R.A., “Thermomechanical Effects During Solid Particle Erosion”, Wear, 131, 105-221. 1989.
14. STOUT, K.J., SULLIVAN P.J., DONG, W.P., MAINSAH, E., LOU, N., MATHITA, T., ZAHOUANI., Publ.No. EUR 15178 EN of the Commission of the European Communities, ISBN 0-7044-1313-2, 1993.
15. K KÜLEKCİ, M.K, ve GÜRAY, A., “Endüstriyel Malzemeleri Keserek Şekillendirmede Su Jeti uygulamaları”, 8. Denizli Malzeme Sempozyumu, 85-93, Denizli, TÜRKİYE, 2000.
16. LOU, M.S., CHEN, J.C., LI, C.M., “Surface Roughness Prediction Technique for CNC End – Milling”, Journal of Industrial Technology, 15, 2-6.1998.
17. KALPAKJIAN, S., Manufacturing Engineering and Technology, Addison Wesley Publishing Company, USA, 1995.
18. ASM., Friction Lubrication and Wear Technology, ASM International, USA, 1992
19. SINGH, P.J., CHEN, W.L., and MUNOZ, J., “Comprehensive Evalution of Abrasive Waterjet Cut Surface Quality”, 6th American Waterjet Conference, 139-156, USA, 1991.
20. SCHEY, J.A., Tribology in Metalworking – Friction, Lubrication and Wear, American Society for Metas, USA, 1987.
21. HASHISH, M., “Modelling of Abrasive Waterjet Cutting” Proceedings of the Int. Symposium on Jet Cutting Technology, 249-265. Ottawa, CANADA, 1984.
22. HUNT, D.C., BURNHAM, C.D., KIM, T.J., “Surface Finish Characterisation in Machining Advanced Ceramics by Abrasive Waterjet”, Proceedings of 4th US. Waterjet Conference, 169-174. California, USA, 1987.
23. HASHISH, M., “Prediction Models for AWJ Machining Operation”, Proceedings of 7th American Waterjet Conference, 205-209. Washington, USA, 1993.
24. ÖJMERTS, C., “Abrasive Waterjet Machining”, Licentiate Thesis, Chalmers University of Technology, SWEDEN, 1994.
25. ZENG, J., and KIM, T.J., “An Erosion Model in Polycrystalline Ceramics in Abrasive Waterjet Cutting”, Wear 193, 207-217, 1996.
26. HUNT, D.C., BURNHAM, C.D., and KIM, T.J., “Surface Finish Characterisation in Machining Advanced Ceramics by Abrasive Waterjet”, Proceedings of the 4th U.S. Waterjet Conference, 169-174. California, USA, 1987.
27. SUMMERS, D.A., Fluid Jet Technology – Fundamentals and Applications, Publ. by. WJTA, MO, USA, 1991.
28. LABUS, D.A., High Pressure Equipment and Systems, Publ. by. WJTA, MO, USA, 1991.
29. BURNHAM, C.D., and KIM, J., “Statistical Characterisation of Surface Finish Produced by a High Pressure Abrasive Waterjet” Proceedings of the 5th U.S. Waterjet Conference, pp.169-174, Toronto CANADA, 1989.
30. HASHIS, M., “Optimisation Factors in Abrasive Waterjet Machining”, Jornal of Engineering for Manufacturing, 113, 36-41, 1991.
31. HASHISH, M., duPLESIS, M.D., “Theoretical and Experimental Investigation of Continuous Jet Penetration of Solids”, Jornal of Engineering for Industry, 100,26-32, 1978.
32. VULCAN, Product Catalogue, 1993.
33. HASHISH, M., MONSERUD, D.O., “A New Abrasive - Waterjet Nozzle for Automated and Intelligent Machining ”, Proceedings of 7th American Waterjet Conference, 28-31.WA, USA, 1993.
34. ZENG, J., KIM, T.J., “Development of an Abrasive Waterjet Kerf Cutting Model for Brittle Materials”, Proceedings of 11th Int. Conference on Jet Cutting Technology, 43-47. St Andrews, SCOTLAND, 1992.
35. HAUSNER, H.H., MAL, M.K., Handbook of Powder Metalurgy, Chemical Publishing Company, 1982.
36. MACHINE DESIGN., Jet’ Tec’89, BHRA Publication, USA, 1989.
37. GUO, N.S., LOUIS, H., MEHER, G., “Surface Structure and Kerf Geometry In AWJ: Formation and Optimisation”, Proceedings of 7th American Waterjet Conference, 1-26. Seattle, USA, 1993.
38. FREIST, B., HAFERKAMP, H., LAURINAT, A., LOUIS, H., “Abrasive Machining of Ceramic Products”, Proceedings of 5th American Waterjet Conference, 191-204. Toronto, CANADA, 1989.
39. SUNDRARAJAN, G.L., SHEWMON, P.G., “A New Model for the Erosion of Metals at Normal Incidence”, Wear, 84, 237-258, 1983.
40. SIMPSON, M., “Abrasive Particle Study in High Pressure Waterjet Cutting”, International Journal of Water Jet Technology, 1, 17-28, 1990.
41. KHALMAN, L., KARLSSON,S., NILSSON, C.G., ., “Wear and Machining of Engineering Ceramics by Abrasive Waterjets”, American Ceramics Society Bulletin, 72, 93-98, 1993.
42. MURAI, H., NISHI, S., “Structure of Waterjet and Erosion of Materials”, Proceedings of 5th American Waterjet Conference, 89-98. Toronto CANADA, 1989.
43. ASTM STANDARDS., Standard Terminology Relating to Wear an Erosion, Designation: G40-94, Annual Book of ASTM Standards, USA, 1995.
44. HASHISH, M., “Optimisation Factors in Abrasive Waterjet Machining”, Journal of Engineering for Industry, 113, 29-37,1991.
45. FAIRHURST, R.M., “DIAJET – A New Abrasive – Waterjet Cutting Technique”, Proceedings of 8th International Symposium on Jet Cutting Technology, 395-402. Durham, ENGLAND, 1992.
46. HASHISH, M., Abrasive Jets, Fluid Jet Technology, ISBN 1-8800342-01-04. USA,1993 .
47. SWANSON, R.K., KILMAN, M., CERWIN, S., TRAWER, W., “Study of Particle Velocities in Water Driven Abrasive Jet Cutting”, Proceedings of 4th American Waterjet Conference, by ASME, 103-107.CA, USA, 1987.
48. ÖJMERTS, K.M.C., AMINI, N., “A Discrete Approach to the Abrasive Waterjet Milling Press”, Proceedings of 12th International Conference on Jet Cutting Technology, 425-434. Rounen FRANCE, 1994.
49. ROCHESTER, M.C., BRUNTON, J.H., “Surface Pressure Distribution During Drop Impingement”, Proceedings of 4th Conference on Rain Erosion and Related Phenomena, 371-393. Meersburg, GERMENY, 1974.
50. ÖJMERTS, K.M.C., “Abrasive Waterjet Milling – an Experimental Investigation”, Proceedings of 7th American Waterjet Conference, 771-791. Seatle, USA, 1993.
51. HOLMQVİST, G., ÖJMERTS, K.M.C., “Waterjet Peeninig”, External Report, Chalmas University of Technology, SWEDISH, 1995.
52. ÖJMERTS, K.M.C., “Analysis of Surfaces Produced by Abrasive Waterjet Milling Techniques”, Proceedings of 13th International Conference on Jetting Technology, 753-768. Sardinia, ITALY, 1996.
