Bu Yazıyı Dinleyebilirsiniz.

Kesici takımlar genellikle kesme yüzeylerine uygulanmış ultra ince moleküler bileşik kaplama ile üretilir ve piyasaya sürülürler. Bu kaplamalar, kesici takımı aşındıran ve takım ömrünü hızla tüketen kuvvetlere karşı direnç sağlayacak şekilde geliştirilmiştir.

Kaplamalar sadece belirli malzemelerin daha kolay kesilmesini sağlamakla kalmaz aynı zamanda ısı ve sürtünmeyi de sınırlandırarak takım performansını artırır. Kaplamalı bir takım seçiminde, hangi kaplamanın ihtiyaçlara yeterli cevabı vereceğini belirlemek için hem malzeme hem de yapılacak kesme işlemlerinin takımın kenarlarını nasıl kırabileceği gibi etkenler düşünülmelidir. Bu kararlar alınmadan önce, kaplamaların kesici takıma kattığı kesme yetenekleri de anlaşılmalıdır. Bu makalede, takım kaplamalarının sürece kattığı faydalara ve takım ömrünü ve performansını iyileştirmede nasıl çalıştıklarına derinlemesine bir göz atacağız.

Kaplama Nedir?

Takım kaplamaları organik ve inorganik bileşenlerden oluşur ve bu bileşenler, Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) ya da Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) kullanılarak alt tabakaya uygulanır ve yapıştırılır ve istenen kalınlığa ulaşılana kadar tabakalar halinde takım yüzeyine uygulanmaya devam edilir.

Kaplamalı kesici takımlar üç ana işlevi yerine getirir:

1. Takım ve iş parçası arasında bir termal bariyer sağlamak,
2. Takım kayganlığını iyileştirmek,
3. Takım aşınma direncini artırmak.

Bu üç özellik doğru kullanılırsa, kesici takım malzeme yüzeyine çok daha fazla itilebilir, işleme döngülerinin kısalması sağlanır ve takım ömrü çok daha uzun olur.

1. Takım ve İş Parçası Arasında Termal Bariyer Sağlamak
Kesme işlemleri hem takım hem de parça üzerinde ısı biriktirir. Bu durum zararlı olabileceğinden, ısı azaltmak için çeşitli yöntemlerin kullanımı kesme işlemlerinde önemlidir. Karbür takımların sıcaklığı hızla artarken, sertliği de o oranda azalmaya başlar. Bu da daha fazla aşınma ve yanma gibi sonuçlar doğurur. Termal iletkenlik, malzemenin ısı enerjisini tutma veya aktarma yeteneğini gösteren bir malzeme özelliğidir.

Takım ve İş Parçası Arasında Termal Bariyer Sağlamak

Örneklendirmek gerekirse; Tungsten karbürün termal iletkenliği 20°C’de 88 W/m.K’dir. Bunun anlamı, 20°C sıcaklıktaki bir ortamda, kaplamasız bir karbür takımın Kelvin cinsinden ölçülen sıcaklık gradyanı ile iletebileceği termal enerji miktarının metre başına 88 Watt olduğudur. Takım kaplamalarında kullanılan malzemeler, ısı iletkenliğinde yeterli olmayan 4,5 W/m.K gibi düşük bir ısıl iletkenlik oranına sahiptir. Bu durum, 4,5 W/m.K termal iletkenlik sunan bir kaplamanın, tungsten karbür ile karşılaştırıldığında 19,56 kat daha az ısı aktarabildiği anlamını taşır.

Kaplamaların termal yeteneklerini gösteren bir deney şu sonuçları vermiştir: Hem AlTiN Nano kaplamalı hem de kaplamasız takımlar 4340 çeliği 155m/dak ve 200m/dak hızında, 0,5mm/dev ilerleme hızı ile çalıştırılmış ve soğutma sıvısı kullanılmamıştır.

İki takım karşılaştırıldığında, kaplamalı takımın ısı emme konusunda kaplamasız takıma göre daha iyi performans gösterdiği açıktır. Takım kaplamalarının sahip olduğu düşük termal iletkenlik oranları, karbür ve işlenen parça arasında termal bir bariyer oluşturarak, kesme işlemi sırasında üretilen ısıyı talaş ve parçaya yönlendirir. Bu sayede karbürün iç sıcaklığı önemli ölçüde düşürülmüş olur. Daha düşük sıcaklıklarda daha yüksek kesme hızları sağlanabilir. Yukarıda belirttiğimiz termal gradyanlar incelendiğinde, 155m/dakika hızla çalışan kaplamasız takım ve 200 m/dakika hızla çalışan kaplamalı takım, kabaca aynı yüzey sıcaklığına sahiptir. Bu durum, kaplanmış takımın %22,5 daha hızlı çalışabildiği anlamına gelir.

2. Kaplamalar Takım Kayganlığını Artırır
Hem ısı oluşumunu sınırlamak hem de kesmeyi pürüzsüz ve titreşimden uzak tutmanın en önemli yöntemlerinden biri de parça ile kesici takım arasındaki sürtünme miktarını azaltmaktır. Harekete karşı direnci temsil eden sürtünme kuvveti, kesici takımlar özelinde düşünüldüğünde, parçayı keserken takımın yanal ve radyal hareketlerine karşı oluşan kuvvettir. Bu karşıt kuvveti belirlemek için genellikle Yunanca Mu (μ) harfi ile gösterilen sürtünme katsayısı kullanılır. Sürtünme katsayısı, bir yüzeyden diğerine geçişte gereken kuvvetin, iki yüzey arasındaki basınca bölünmesi ile elde edilir.

Sürtünme kuvveti μ ile doğru orantılıdır ve μ en aza indirgendiğinde, kaplamaların kesme işleminde oluşan toplam sürtünme kuvvetini nasıl azalttığı da gözlemlenebilir. Malezya Teknoloji Üniversitesi tarafından yapılan bir çalışmada, kaplamasız bir karbür takım üzerinde oluşan sürtünme katsayısının kaplama sayesinde nasıl düşürebileceğini gösterilmiştir. Yapılan deneyde, 1040 karbon çeliği 60 mm/dakika, 1 mm kesme derinliği, 0,06 mm/devir ilerleme hızı ve bir takım toplam 1000 m uzunluğu kesene kadar tekrarlanan 100 mm kesme uzunluğu kullanılmıştır. Kaplanmış alet, daha popüler bir kaplama malzemesi olan AlTiN kaplamaya benzer TiCN kaplamaya sahiptir ve sonuçlar şunlardır:

Yukarıdaki şekilde de görülebileceği gibi, TiCN kaplamaya sahip takım, kaplamasız takıma oranla çok daha düşük sürtünme katsayısına sahiptir. Bu düşük oran, kesme işlemi esnasında üretilen sürtünme kuvvetlerini ve ısı oluşumunu azaltırken daha iyi bir parça kalitesi sunar ve takım ömrünü uzatır.
Yüksek kayganlık sunan bir kaplama, düşük erime sıcaklıklarına sahip malzemelerin yanı sıra yüksek sertliğe sahip alaşım malzemeler gibi çok yüksek ısı üretebilen malzemelerin kesilmesi için de ideal bir tercih olacaktır.

Alüminyum ve diğer demir dışı malzemeler gibi düşük erime noktasına sahip malzemeler, yüksek sürtünme nedeniyle ısı oluşumuna ve talaşların takım yüzeyine yapışmasına neden olabilir. Bu durum, daha sonra takım kanallarında talaş birikmesine ve dolayısıyla kesici kenarların aşınmasına neden olabilir. Bu durum, daha kalın bir kenar oluşumuna neden olan ve takımı bozabilen yerleşik kenar (BUE) olarak adlandırılan bir durumdur. Daha düşük sürtünme katsayılarının elde edilmesi ile talaşların takıma yapışması ve dolayısıyla BUE oluşması zorlaşır. Paslanmaz çelik ve benzeri yüksek sıcaklık oluşturabilen malzemelerin işlenmesinde, sürtünme kuvvetlerini minimize etmek, ısı oluşumunu azaltarak takımın kesme kenarını korumaya ve düzgün sonuçlar elde etmeye olanak tanır.

3. Takım Kaplamaları Takım Aşınma Direncini Artırır
Yüksek mikro sertlik derecesine sahip bir kaplama ile çalışmak, kesici takımın aşınmaya direncini ve ayrıca kalıcı deformasyonlardan kaçınma yeteneğini de artırır. Kesme endüstrisinde, tungsten karbür takımların kaliteleri, yapılacak kesim işlemine bağlı olarak C1 ile C14 arasında değişir. Tungsten karbürün C1 ila C14 kaliteleri, 760 HV ila 1740 HV arasında değişen Vickers Sertliğine, kaplamaları ise tungsten karbürden daha yüksek mikro sertliğe sahiptir.

Takım Kaplamaları Takım Aşınma Direncini Artırır

Kaplama, takım sertliğini TiN kaplama kullanıldığında 2213 HV’den CVD elmas kaplamayla 9993 HV’ye kadar artırabilir. TiN kaplamalar yalnızca sertlik için tercih edilmeseler de en düşük kaplamanın bile tungsten karbürden daha sert olduğu bilinmelidir. Kesici takımın sertleştirilmesi, parça sertliğinin takım sertliğine oranında artışa neden olur. Bu durum, özellikle yüksek aşındırıcı malzemeler işlenirken talaşları kesmesine ve malzemeyi daha rahat çıkarmasına yardımcı olurken, aynı zamanda takımın kesme işlemleri sırasında ortaya çıkan aşırı kuvvetlere karşı bütünlüğünü korumasını da sağlar.

Takım sertliğini artırmanın geliştirilmiş performans üzerindeki faydaları Afyon Kocatepe Üniversitesi tarafından yapılan bir deneyde de görülmektedir. Bu deneyde, 4 mm kesme çapına sahip 2 kanallı bir mikro parmak freze kullanılarak, kanal başına 5 mikrometre besleme hızı, 0,2 mm kesme derinliği ve 120 mm kesme uzunluğu ile 20.000 rpm’de Inconel 718’e kanal açılmıştır. Bu işlemde, hem kaplamasız hem de AlTiN kaplı (3620 HV sertlik) karbür parmak freze, soğutma sıvısı kullanılmadan çalıştırılmıştır. Gerçekleşen aşınma ve deformasyonları gösteren, iki takımın optik karşılaştırıcı görüntüleri şu şekildedir:

Kaplamasız bir takımın Inconel 718 Süper Alaşımlı Mikro Frezelemede, kaplama malzemesinin takım aşınması üzerindeki etkisinin deneysel olarak incelenmesi
AITiN PVD kaplamalı bir takımın Inconel 718 Süper Alaşımlı Mikro Frezelemede, kaplama malzemesinin takım aşınması üzerindeki etkisinin deneysel olarak incelenmesi

İki takım da incelendiğinde, kaplamasız takımın yüksek oranda yan hem de krater aşınması yaşadığı ve bu nedenle kesici kenarlarında pullanma oluştuğu görülebilir. Bu takım ile işlem yapılırken, öncelikle yanak aşınması meydana geldi ve bu aşınma, aşındırıcı Inconel alaşım takımı bozmaya başladığından, doğrudan kesici kenarda meydana geldi.

Yan aşınma, kesici kenarı aşıp takımın talaş yüzüne doğru ilerledikçe de krater aşınması meydana geldi. Krater aşınmaları, takımın derinliği ile karakterize edilir ve talaş yüzeyi boyunca kayan talaşlar bu krateri artırırken takım parçaları pul pul dökülmeye başlar. Bu olayın neticesinde yeni, daha zayıf bir kesici kenar oluşur. Bu yeni kenar küt bir geometriye sahiptir ve parçayı düzgün bir şekilde kesme gücüne sahip olmadığından katastrofik takım arızası ortaya çıkana kadar parçalanmaya devam eder.

Yan ve krater aşınması, işlenen malzemenin aşındırıcılığı nedeniyle oluşan iki tür mekanik takım çürümesidir. Kesici takımın mikro sertliğinde yapılacak artış, bu iki duruma karşı direnci de artırabilir. AlTiN PVD kaplı parmak freze, kaplanmamış takıma kıyasla daha iyi dirence sahip olduğunu ve bu nedenle minimum yan aşınma yaşadığı kanıtlanmıştır. Kaplanmış takım ile yapılan işlemlerde, gözlemlenebilen tek aşınma, kesme kenarının biri boyunca gerçekleşen bir mikro kırılma ve kaplamanın soyulmasıdır. Aşındırıcı malzemeye karşı kaplamanın sağladığı koruma belirgin olarak gözlemlenebilir ve bu koruma ile takım ömrü büyük oranda artırılır.

Bu makalemizi de okumalısınız? >> CNC Programı Provası İçin Başlangıç Kılavuzu

İşleme Sırasında Takım Kaplamalarının Faydası
Takım kaplamalarının ısıl direnç, artırılmış kayganlık ve daha yüksek mikro sertlik olmak üzere üç ana avantajı vardır. Bu üçlü yalnızca takım performansını artırmakla kalmaz, aynı zamanda daha uzun süre dayanmasını da sağlar. Termal ve aşındırıcı faktörleri en aza indirmek, takım ömrüne önemli katkılar sağlar.