www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141
Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (3) 45-52
TEKNOLOJİK
ARAŞTIRMALAR
Kısa Makale
Zincir Dişlilerin İmalatı İçin MATLAB
Programlama İle CAD - CAM CNC İntegrasyonu
Cebeli Özek, Engin ÜNAL, Müzeyyen Bulut ÖZEK
Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü, 23119, ELAZIĞ.
ÖZET
Son 40 yıldır dünyada ve ülkemizde Nümerik Kontrollü Freze tezgâhları mekanik üretim işlemlerinde hızlı bir şekilde yer almaktadır. CNC freze tezgâhları daha hassas işleme yeteneğine ve yüksek verimlilik alanlarına sahip olduklarından klasik freze tezgâhlarına göre daha kullanışlıdırlar. Bu çalışma, zincir dişlilerin CNC freze tezgâhlarında imalatı için MATLAB programlama dili kullanılarak CAM kodlarının otomatik olarak elde edilmesi için amaçlandı. Bunun için zincir dişlilerin temel büyüklüklerine göre bir MATLAB programı hazırlandı. Diş sayısı 20 olan bir zincir dişlinin MATLAB programlama ile CAD modeli oluşturuldu. Bu CAD modeli ile CAM kodları elde edildi. Elde edilen CAM kodlarının doğruluğunu kontrol etmek için zincir dişlinin DYNA 4m CNC programında simülasyonu yapıldı. Bu CNC programı dik işleme merkezli Fanuk 0Mt freze tezgâhına yüklenerek zincir dişli imal edildi.
Anahtar Kelimeler:Zincir Dişli, CNC, İmalat, MATLAB programlama
1 . GİRİŞ
Bilgisayar teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak takım tezgâhlarında da önemli değişmeler olmaktadır. İmalat mühendisliğinde, daha önceleri kullanılan konvansiyonel tezgâhların yerini günümüzde CNC tezgâhları almıştır. CNC tezgâhları, konvansiyonel tezgâhların eksen hareketlerinin ve diğer fonksiyonlarının bir bilgisayar tarafından kontrol edilmesi ile ortaya çıkmıştır. Bu kontrol işleminin yapılabilmesi için, bilgisayara hangi hareketlerin nasıl yapılacağının bildirilmesi gerekir. Bu da ancak belirli bir formatta yazılan ve parça programı olarak da bilinen bir program ile olabilir.
CAD/CAM sistemlerinde, programlama işlemi tamamen bilgisayar ortamında yapılmaktadır. Programı yapılacak parçaya ait boyut bilgileri CAD/CAM programı içerisinde oluşturulmakta, daha sonra bu bilgiler teknolojik veriler ile birleştirilerek kesici takımın takip etmesi gereken yollar hesaplanmaktadır.
Kesici takım yolu denilen bu işlem sıralaması, herhangi bir CNC kontrol ünitesine, uygun kodlara dönüştürülerek aktarılmaktadır. Aynı zamanda parça programı bilgisayarların grafik özelliklerinden yararlanılarak simülasyonu yapılarak, hatalar varsa önceden tespit edilerek giderilebilmektedir. Bu şekilde çok karmaşık parçaların tek tek parça programları yapılabilmektedir.
C programlama dili kullanılarak, CNC torna tezgâhlarında birden fazla bağlanıp sökülerek işlenmesi gereken dönel iş parçaları için işlem planlaması hazırlayabilen bir yöntem ve yöntem için geliştirilen bilgisayar programı tanıtılmıştır. CAD/CAM yazılımları tarafından üretilen ve kesici takım yolu adı verilen dosyayı sayısal denetim (SD) programına dönüştüren bir sistem geliştirilmiştir. Burada, paket programlardan elde edilen kesici takım verileri, fanuk kontrol ünitesine sahip dik işlem merkezli freze
helisel düz dişlinin tel erozyon tezgâhında CAD-CAM-NC Entegrasyonu yardımıyla imalat programı yapılmıştır [3].
Genel CNC programı yardımıyla Konik Düz Dişli imalatında özel çakılar (Kremayer çakı.. vb) kullanılmadan piyasada ucuz ve bol miktarda bulunan parmak freze çakıları ile imalat yapılabildiği, ayrıca Vargel tezgâhlarında konik düz dişli açmak için Matterson aparatı kullanılarak düz dişli açılabildiği gibi, klasik freze tezgâhlarında da, herhangi bir özel çakıya ihtiyaç duyulmadan Matterson aparatı kullanılarak parmak freze çakısı ile düz konik dişlilerin açılabildiğini araştırmış, aynı çalışmada dik işlem merkezli CNC freze tezgâhında Matterson aparatı kullanılarak konik düz dişlilerin imalatı için tamamen yeni bir freze çakısı tasarlanmış ve bu çakı ile konik dişlinin sağ ve sol evolvent profillerinin ayrı ayrı açılabilmesi için iki farklı CNC programı hazırlanarak, konik düz dişlilerin imalatı yapılmıştır.
Aynı çalışmanın devamı olarak, yardımcı bir aparat kullanmadan DYNA MYTE 2900 CNC freze tezgâhında konik düz dişlilerin açılması için makro programlı CNC imalat programı hazırlayarak konik düz dişlilerin imalatını yapmıştır [4]. CNC torna ve freze tezgâhlarında dönel ve prizmatik iş parçalarını işlemek için parça programlarının otomatik üretimi ve kontrolü için iki sistemin geliştirilmesi ve kullanımı açıklanmıştır. Otomatik parça programı üretimi, ISO (G ve M) kodlan kullanılarak yapılmıştır.
Makalede sunulan her iki yöntem, bir kişisel bilgisayar üzerinde ve C programlama dili kullanılarak geliştirilmiştir [5].
Eliptik mil parçası şeklindeki parçaların, CNC freze tezgâhlarında işlenme parametrelerinin araştırılmasına ve genel bir imalat programının hazırlanmasına yönelik bir çalışma yapılmıştır [6]. CNC tezgâhlarının ülkemizde de giderek yaygınlaşması dikkate alınarak, kalıpçılık endüstrisinde ve akışkanlar mekaniğinde uygulama alanı bulan Arşimet spirali şeklindeki kanalların, dikey işleme merkezi CNC freze tezgâhında işlenme durumlarının araştırılmasına ve genel bir imalat programının hazırlanmasına yönelik bir çalışma yapılmıştır [7].
Prizmatik parçalar için geliştirilen bir unsur tabanlı parametrik tasarım programında, üretim unsurlarının uygulanacağı parametrik parçaya ait yüzey ve kenar bilgileri çıkartılarak üretim unsurları tanımlanmıştır.
Bu uygulamada yüzey kenar fonksiyonları ve unsur tanımlamaları AutoLISP programlama dili kullanılarak yapılmıştır. Bu tip programların parça modellemede verimi artırdığı ve modelleme kolaylığı sağladığı görülmüştür [8].
Çeşitli profile sahip düzlem bir kamın lazer kesme ile üretimi için CAD/CAM aşamaları verilmiştir.
Araştırmada seçilen kam profilinin, ToPs100 adlı tezgâhın paket programında simülasyonu yapılmış ve hata olup olmadığı kontrol edilmiştir. Düzlemsel kamın, x ve y koordinatları, Pascal programlama dilinde hesaplanmış ve bu değerler, AutoLISP programında kullanılarak kamın AutoCAD' de çizimi gerçekleştirilmiştir [9].
Pimlerle birleştirilmiş, dişleri değiştirilebilen bir düz dişli modeli geliştirilerek, gövde, kapak ve tek tek dişler olmak üzere dişli üç kısımdan oluşmaktadır. Tek tek imal edilmiş olan dişlerin üzerinde pim deliği, gövde üzerinde ise pim yuvası bulunmaktadır. Modülü 8, diş sayısı 10 ve basınç açısı 20° olan bir düz dişli dik işlem merkezli Fanuk 0Mt freze tezgâhında imal edilmiştir [10].
Dişleri değiştirilebilen düz dişlilerin imalatı için yeni bir model geliştirilmiştir. Bu modele göre, tek tek imal edilmiş olan dişlerin hatvesi ölçülerek profili kontrol edilmiştir. İmal edilen bu dişli ile azdırma tezgahında imal edilen dişlinin profilleri karşılaştırılmıştır [11].
Bu çalışmada, bir zincir dişlinin imalatı için MATLAB programlama dili kullanılarak genel CNC imalat programlarını veren bir program hazırlanmıştır. Bu MATLAB programında, zincir dişlinin diş sayısı, hatvesi ve rolenin çapı girilerek istenilen boyutlarda bir zincir dişlinin imalatı amaçlanmıştır.
2. ZİNCİR DİŞLİLER İÇİN TEMEL BÜYÜKLÜKLER
Zincir dişliler, iletilen güç ve hareketin verildiği millerin birbirine yakın olmadığı yerlerde güç ve kuvveti doğrudan iletirler. Bu dişli sistemlerinde, hareket iletiminde kayma söz konusu değildir. Sessiz çalışmaları ve güvenli olmalarından dolayı sanayide özellikle de otomotiv, gemi ve makine teknolojisinde tercih edilirler. Zincir çeşitlerine göre, zincir dişliler, dişli zincir dişliler, roleli zincir dişliler, blok zincir dişliler, normal zincir dişliler ve çaplı zincir dişliler gibi çeşitleri vardır.
Dişli zincir dişliler ile motordan herhangi bir makinaya veya transmisyon noktasına, kuvvet, güç ve dairesel hareketi iletirler. Roleli zincir dişliler bir milden diğer bir mile güç ve kuvvet iletilmesinde, blok zincir dişliler bir milden başka bir mile kuvvet iletilmesinde, motorlar, motosiklet, bisiklet ve matbaa makinelerinde, normal zincir dişliler en yaygın olarak bir motordan bir makineye büyük güçlerin iletilmesinde ve çaplı zincir dişlilerde yükün çok dönme momentinin ise az olduğu yerlerde kullanılırlar.
Normal zincir dişliler, 1, 2 ve 3 ağızlı olarak yapılır ve genellikle çok ağızlı olanları tercih edilir.
Şekil 1. Zincir dişli boyutları.
CNC freze tezgâhlarında imalatı düşünülen herhangi bir zincir dişliye ait formüller aşağıdaki şekiller göz önüne alınarak çıkarılmıştır. Şekil 1’de verilen zincir dişli üzerindeki sembolik ölçüler, aşağıda yazılan bağıntılarla hesaplandı. Hazırlanan MATLAB programı bu formüllere göre düzenlendi.
sinα o T
d = (1)
d1 do
df = − (2)
d1 do
dk = + (3)
2
r1 = d1, r2 =0.8×T, Z
α=180, ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
− ⎛
= do
d1 sin 1 γ
T d1
2α
df d0 dk
γ α
T d1
X
h
2α
r2
r1
df
d0
dk
tanγ d1
doi = (4)
Q W
β = −
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
− ⎛ ⋅
=
doi r2 1 2 tan
W (5)
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
⋅
⋅
−
⋅ +
= −
dk do 2
22 2 r dk o2 1 d cos
Q (6)
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
⋅
⋅
−
− +
⎟−
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
− ⎛ ⋅
=
dk do 2
22 2 r dk o2 1 d cos doi
r2 1 2 tan
β (7)
2γ 2β 2α
φ= − − (8)
Zincir dişliler, kapalı (yağ içinde) veya açık yerlerde çalışabilirler. Ancak toza ve paslanmaya karşı da korunmalıdırlar. Dolayısıyla, yapıldıkları malzemeler, çoğunlukla sürtünme ve aşınmaya karşı dayanıklı çelik ve dökme demir malzemelerdir. Rutubetli yerlerde çalışacak olanlar paslanmaz çelik veya bronzdan ve hatta kullanılma şartlarına göre dişlerin yüzey sertleştirilme işlemine tabi tutulabilecek malzemelerden yapılmaları daha uygundur.
Zincir dişliler, üniversal freze tezgâhlarında ve farklı yöntemlerle yapılabilirler. Sanayide kullanılan zincir çeşitlerine göre zincir dişliler uygun profilde modül çakıları yardımıyla imal edilmektedir. Ancak bu çakıların pahalı olmaları ve her iş yerinde bulunması pek mümkün değildir. Ölçülerinde tornalanmış bir zincir dişlinin frezeleme işlemi, düz dişli çarklarda olduğu gibidir.
Frezeleme sırasında dişlinin, bölüm dairesi, diş dibi çapı ve diş derinliği dikkate alınarak divizörden gerekli bölüntü yapılarak imal edilirler. Dişli çevresi delinerek zincir dişlinin imal edilmesinde, zincir dişli taslağı diş üstü çapı ölçüsünde tornalanır. Dişlinin çapı, yani diş üstü çapından ‘’2d1’’ kadar fazla alınır.
Dişli, frezede veya başka bir tezgâhta pim çapında olan bir matkapla bölüm dairesindeki merkez noktalarından delinir. Taslak, diş üstü çapına kadar tornalanır. Dişli malafa yardımıyla tornaya bağlanarak, bölme aparatı aracılığıyla pim delikleri arasında kalan kısımlar zincirine uygun profildeki çakıyla işlenir. Daha sonra diş boşluğuna uygun bir parmak freze çakısı ile uygun çap ve diş derinliğinde dişlerin boşlukları frezelenir. Ancak dişlerin yan yüzeylerinde kalan fazlalıklar, başka bir profil frezesiyle boşaltılarak son profil yüzeyi elde edilir. Bu yolla imal edilen zincir dişliler, en hassas olanlarıdır.
Çıkarılan formüllere göre boyutlandırılan zincir dişlilerin imalatı için geliştirilen MATLAB programının akış şeması yukarıda Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Zincir dişlinin CNC kodlarının türetimi için akış diyagramı.
3. UYGUN ÇAKI SEÇİMİ VE DİŞLİNİN CAD MODELİ
MATLAB programlama dili kullanılarak CAM kodlarının elde edilebilmesi için uygun parmak freze çakısının seçilmesine dikkat edilmelidir. Bu yüzden, Şekil 1 üzerindeki d1 çaplarının dikkate alınması gerekir. Bu çaplara uygun parmak freze çakısı seçilmediği zaman, zincir dişlinin hatalı olarak imal edilebilir. Bu yüzden parmak freze çakısının çapı d çapından küçük seçilmelidir.
Zincir dişli adında bir dosyanın açılması
G90, G40, G21, G17, G54, G01, M03, S ve F gibi tezgâh ve program çalıştırma parametrelerinin açılan dosyaya yazılması
i=1, Z
Talaş kesme yüksekliğinin ve her bir kesme yüksekliğine göre alt program çağırma kodlarının
(M98) ve M30 i=1, i>= Z
Başla Dosya*Zincir
MATLAB’ın grafik ortam bilgilerinin yazılması [dosya adı, diş sayısı (Z), hatve (T) ve
Role çapı (d1) ...gibi değerlerin girilmesi]
Açılan dosya içerisine M99 kodununyazdırılması
Açılan dosyanın kapatılması
Dur
MATLAB grafik ortamında zincir dişli modelinin görüntülenmesi
(BDT modeli)
Herhangi bir zincir dişlinin CAM kodlarının türetilebilmesi için MATLAB programlama dilinin grafik fonksiyonları kullanılarak hazırlanan program aşağıdaki gibidir.
Şekil 3. İş parçası için MATLAB programlama ile oluşturulan CAD modeli.
Yukarıda Şekil 2’de akış şeması verilen MATLAB programı çalıştırıldığı zaman, iş parçasının CAD modeli oluşturulurken aynı anda program içerisinde açılan dosyaya CAM kodlarıda yazılmaktadır.
Burada türetilecek olan CAM kodlarının yazdırılacağı, dosyanın adı, iş parçası üzerine açılacak olan dişlinin diş sayısı Z=20, hatvesi 12 mm ve role çapı 10 mm girildi. Girilen bu değerlere göre zincir dişlinin CAD modeli yukarıdaki gibi elde edildi (Şekil 3). Bu modele göre, programda açılan dosya içerisine yazılan CAM kodları da aşağıdaki gibi elde edildi. Daha sonra, elde edilen bu kodların doğruluğunu kontrol etmek için bu kodlara göre iş parçasının, Dyna 4m CNC programında simülasyonu yapıldı (Şekil 4).
Şekil 4. Dyna 4m CNC programında iş parçasının simülasyonu.
20
55
37 38
5356 48
45 4144 40
42 52
50 46 43
21
3229
3633 35
30 2825
26 22 24
5760
65 68 58
6164 62
72
68 69 70
78 73
76 17 1013 10
9
6 18 13
10
4
79 3
7780 1 8
5
4. SEMBOLLER Z : Diş sayısı, T : Hatve (mm), d1 : Role çapı (mm), df : Diş dibi çapı (mm), dk : Diş üstü çapı (mm), do : Bölüm dairesi çapı (mm),
doi : r1 ve r2 yarıçaplarının teğet noktalarına olan uzunluktaki çap (mm).
5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Bu çalışma ile Şekil 1 'de sembolik boyutları verilen zincir dişli için CNC kodları türetilirken, MATLAB programlama dili kullanılmış ve piyasada kullanılan CAD/CAM programlarına ihtiyaç kalmamıştır.
Parmak freze çakısı seçilirken, iş parçası üzerinde role çaplarının dikkate alınması gerekir. Bu role çaplarına uygun parmak freze çakısı seçilmediği takdirde, zincir dişlinin hatalı olarak imal edilmesi ihtimali yüksektir. Bu sebeple parmak freze çakısının çapı role çapından daha büyük seçilmemelidir. Aksi takdirde zincir dişli üzerindeki role çaplarının büyük olduğu kısımlarda çakı yarıçapından dolayı takım yollarının kesişmesi söz konusu olacağından parçanın CNC freze tezgâhında gerçek ölçülerine göre imal edilemeyeceği görülmüştür. Ayrıca hazırlanan programda çakının, Z ekseni boyunca talaş kesme derinliğinin diş genişliğine göre seçilmesi ve işlenecek olan zincir dişlinin malzemesi ile zincir dişlinin kalınlığı göz önünde bulundurularak seçilmelidir. Bu çalışmada talaş kesme derinliği 10 mm yani diş genişliği 10 mm alınarak CNC kodları bu değere göre türetilmiş ve toplam talaş kesme derinliği bir seferde verilmiştir.
Sonuç olarak; bu çalışma ile zincir dişliyi belirleyen temel büyüklükler, hazırlanan MATLAB programına dışardan girilerek elde edilen CNC imalat programı CNC freze tezgâhına yüklenmiş, böylece CNC freze tezgâhlarında zincir dişlilerin imalatı için CNC kodlarının türetimi genelleştirilmiş ve imalatlarının yapılabilirliği ispatlanmıştır.
6. KAYNAKLAR
1. Kayacan, M., C.; Çelik, A., Ş.;"Tornalama İşlemleri İçin Birden Fazla Bağlama Gerektiren İş Parçalarının İşlem Planlaması", 9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi - UMTİK, 13–15 Eylül 2000.
2. Ersoyoglu, A., S., Ünüvar, A.; "SD Parça Programlarının Oluşturulması İçin Son İşlemci Tasarımı", 9. Uluslar arası Makine Tasarım ve İmalat Kongresi - UMTİK, 13-15 Eylül 2000.
3. Akkurt, M.; (1993), "Tel Erozyon İşlemine Yönelik CAD-CAM-CNC İntegrasyonu", İ. T. Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi.
4. Özel, C ; (2000), "Düz Konik Dişlilerin Sayısal Denetimli Freze Tezgahlarında Hassas Şekilde Açılmasının Tasarım ve İmalatı "F. Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi.
5. Dereli, T. ve Filiz, H., 2000. Automatic CNC Code Generation In Process Planning of Rotational And Prismatic Parts, Politeknik Dergisi, Cilt:3 Sayı:2 s.1-25.
6. Özel, C.; Özek, C., "Eliptik Mil Şeklindeki İş Parçalarının CNCF Freze Tezgahlarında İmalatlarının Araştırılması", GAP IV. Mühendislik Kongresi Bildiriler Kitabı, 06-08 Haziran 2002, Şanlıurfa.
7. Özel, C.; Özek, C., "Arşimet Spirali Şeklindeki Kanalların CNC Freze Tezgahlarında İmalatlarının Araştın1ması", GAP IV. Mühendislik Kongresi Bildiriler Kitabı, 06-08 Haziran 2002, Şanlıurfa.
8. Başak, H., Gülesin, M., "Üretim İçin Modellemede Yüzey Kenar Fonksiyonları ve Unsur Tanımlama", II Makine Malzemesi Ve İmalatı Teknolojisi Sempozyurnu, 702-711, Manisa, 7-9 Kasım 2001.
9. Güven, O., Ünal, S., "Düzlem Bir Kamın Lazer Kesme ile İmalatında CAD-CAM", IV.
Mühendislik Mimarlık Sempozyumu, 187- 193, Balıkesir, 11-13 Eylül 2002
10. Özek, C., İnan, A., " Pimlerle Birleştirilmiş Dişleri Sökülebilen Bir Düz Dişlinin İmalatı”, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, (15) 421-432, 2003.
11. Özek, C., “Dişleri Değiştirilebilen Düz Dişli İmalatının Araştırılması”, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora tezi. 2002.
