Artan enerji fiyatları, kesme süreçlerinin enerji verimliliğini endüstriyel uygulamaların odak noktası haline getiriyor. Enerji tüketiminin önemli, sıklıkla göz ardı edilen bir kısmı, yüksek basınçlar altında soğutma sıvısının sağlanmasından kaynaklanmaktadır. Frezelemenin kinematik özellikleri nedeniyle, kesici uçların bir kısmı işlemde değildir. Yine de bu kesici uçlar sürekli olarak soğutma sıvısı ile beslenmektedir. Özellikle küçük işlem açılarında, hacim akışının önemli bir kısmı kullanılmaz durumda kalmaktadır.
Verimliliği artırmak için umut verici bir yaklaşım, soğutma sıvısını yalnızca gerçekten ihtiyaç duyulan yerlerde sağlamaktır. Bu araştırma projesinin amacı, gerekli soğutma sıvısı miktarını azaltmak için aktif kesici uçların seçici beslemesini sağlamaktır. Bu ilkenin uygulanması için mekanik bir kontrol fonksiyonu olan bir alet konsepti geliştirilmiştir (bkz. Şekil 1). Bu, soğutma sıvısı kanallarının konum bağımlı kontrolünü mümkün kılar ve ilk işlevsel prototipin temelini oluşturur.
Simülasyon destekli yeni alet konseptinin geliştirilmesi
Geliştirmenin başlangıç noktası, soğutma sıvısının artık tüm kesici uçlara aynı anda verilmemesi, bunun yerine belirli açılardan hedeflenerek dağıtılması olan mekanik bir kontrol prensibiydi. Bunun için, soğutma kanalları entegre edilmiş bir alet gövdesi tasarlandı ve besleme, aletle göreceli olarak sabit olan kontrol halkaları üzerinden sağlandı.
Geliştirme sürecinde, işlev prensibi, tasarım ve simülasyon araçları yardımıyla adım adım geliştirildi. Bu süreçte, döner alet ile sabit kontrol elemanı arasındaki gerekli göreceli hareketi gerçekleştiren kontrol mekanizmasının tasarımına özel bir odaklanma yapıldı. Bu sayede, belirli bir döner açıya bağlı olarak belirli soğutma kanalları periyodik olarak açılıp kapatılabilir. Akış süreçlerinin simülasyon destekli analizi, kanal geometrisi ve sızdırmazlık noktalarının tasarımında özellikle dikkate alınması gereken yüksek statik basınç alanlarının belirlenmesini sağladı (bkz. Şekil 2, solda). Akış kanallarının geometrisi ve sızdırmazlık noktalarının konumlandırılması, basınç kayıplarını en aza indirmek ve soğutma sıvısının eşit dağılımını sağlamak amacıyla optimize edildi. Ayrıca, akış simülasyon sonuçları, aktif memelerin sayısının maksimum yediden iki veya üçe düşürülmesinin hacim akışını yaklaşık %57 ila %71 oranında azaltabileceğini gösterdi. Yüksek soğutma sıvısı basınçları altında hareketli parçaların sızdırmazlığında özel zorluklar ortaya çıktı. Aynı zamanda, uzun çalışma süreleri boyunca güvenilir bir işlev sağlamak için kontrol mekanizmasındaki sürtünme ve aşınmanın sınırlanması gerekiyordu. Bunun için uygun sızdırmazlık konseptleri geliştirildi ve kontrol halkalarının montajı yapılandırıldı. Ayrıca, aletin gerekli sertliğini sağlamak ve mevcut makine arayüzlerine entegrasyonu mümkün kılmak için kompakt bir yapı gereklidir.
Sonuç olarak, tasarım, simülasyon ve pratik testlerin iteratif etkileşimi sayesinde, kesici uçlara hedeflenmiş soğutma sıvısı dağılımını mümkün kılan işlevsel bir prototip ortaya çıktı ve sonraki deneysel araştırmalar için temel oluşturdu.
Prototipin geliştirilmesine yönelik referans ve uygulama araştırmaları
Yeni alet konseptinin yapısal geliştirilmesine paralel olarak, seçici soğutma sıvısı temininin performans potansiyelini değerlendirmek ve geliştirmeyi hedefli olarak yönlendirmek amacıyla deneysel aşınma araştırmaları gerçekleştirildi. Bunun için, yüksek termal ve mekanik yüklemeleri dikkate almak üzere Ti6Al4V titanyum alaşımı frezelenmiştir. Referans denemeleri, yüksek basınçlı iç soğutma ile konvansiyonel bir freze aleti ile gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte, soğutma sıvısı temini için enerji gereksinimi, aşınma davranışı ve süreç stabilitesi gibi merkezi süreç parametreleri kaydedilmiş ve prototip sistem için karşılaştırma temeli olarak kullanılmıştır. Buna dayanarak, aynı deneme ortamlarında seçici soğutma sıvısı beslemesine sahip bir prototipin farklı geliştirme aşamaları incelenmiştir. Amaç, işlem bağımlı soğutma sıvısı dağılımının doğrulanması ve bunun alet aşınması ve enerji gereksinimi üzerindeki etkisinin değerlendirilmesidir.
Araştırmaların merkezi bir yönü, seçici soğutma sıvısı konseptinin işlevsel doğrulanmasıydı. Bu süreçte, işlem bağımlı soğutma sıvısının yönlendirilmesinin temelde gerçekleştirilebilir olduğu ve kesici uç bölgesinde soğutma sıvısı dağılımının hedefli bir şekilde etkilenebileceği ortaya çıktı. Ancak, mekanik uygulamanın sınırlamaları da ortaya çıktı. Özellikle, sızdırmazlık etkisi, sertlik ve dinamik davranış arasındaki hedef çatışması, yerel sızıntı ve bypass akışlarına yol açtı ve bu nedenle pompa akışının bir kısmı etkili bir şekilde kesici uçlara ulaşamadı. Elde edilen bulgular, geliştirme sürecine geri döndü ve sızdırmazlık geometrisi ve işlev yüzeylerinde kademeli yapısal uyarlamalara yol açtı. Frezeleme denemelerinin değerlendirilmesi (bkz. Şekil 2, sağda), Ti6Al4V için prototipin özellikle düşük işlem genişliğinde (ae = 8 mm) ve kesme hızında (vc = 80 m/dk) belirgin bir çalışma süresi artışı sağladığını (aşınma işaret genişliği VB = 200 µm'de çalışma süresi sonuna ulaşılması) göstermektedir. Parametre kombinasyonuna bağlı olarak, %142'ye kadar çalışma süresi artışları elde edilmiştir. İşlem genişliğinin artmasıyla (ae = 48 mm), seçici KSS temini ile sağlanan çalışma süresi artışının azaldığı (yaklaşık %85'e kadar) görülmektedir.
Sonuçlar, seçici soğutma sıvısı temininin özellikle düşük işlem genişliğinde etkili olduğunu göstermektedir. Bu durumlarda, zamanlama ve mekansal olarak hedeflenmiş soğutma, kesici uçta yerel sıcaklık zirvelerinin azaltılmasına yol açmaktadır. Ancak, daha büyük işlem genişliklerinde, genel olarak artan termal yükleme baskın hale gelmekte ve bu nedenle seçici soğutmanın göreceli faydası azalmaktadır. Araştırmalar kapsamında, 42CrMo4 malzemesi de incelenmiş olup, incelenen parametre aralığında, temel olarak hedeflenen termal yükleme azaltımına rağmen referans işleme karşısında anlamlı bir çalışma süresi artışı gösterilememiştir. Bu, burada soğutma sıvısının etkisinin sistematik bir süreç avantajı sağlamadığını göstermektedir.
Genel olarak, araştırmalar, seçici soğutma sıvısı temininin belirgin bir uygulama bağımlı potansiyelini doğrulamaktadır; özellikle Ti6Al4V malzemesi için ılımlı işlem koşullarında aşınma davranışı ve süreç stabilitesi açısından faydalı etkiler gösterilmiştir. Etki, esasen, işlem bölgesinde soğutma sıvısının zamanlama ile sağlanması ve buna bağlı olarak termal değişken yüklerin azaltılması üzerine kuruludur.
Yazarlar: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Alexander Schulze
İletişim:
