Görüntüleme: 106 Yazar: Site Editörü Yayınlanma Tarihi: 2025-11-04 Kaynak: Alan
İçerik Menüsü
● giriiş
● CNC İşlemlerinde Isı Kaynakları
● Isı Boyutsal Değişime Nasıl Neden Olur?
● İşe Yarayan Soğutma Yöntemleri
● Malzeme ve Fikstür Seçimleri
● Modelleme ve Telafi Araçları
● Çözüm
Termal sorunlar her CNC atölyesinde sıklıkla uyarı vermeden ortaya çıkar. Bir parça ilk çalıştırmada tolerans dahilinde ölçülür, ardından gün geçtikçe spesifikasyonların dışına çıkar. Nedeni neredeyse her zaman ısıdır. Kesici takımlar, miller, vidalı miller ve hatta soğutma sistemleri, makineye ve iş parçasına yayılan sıcaklık üretir. Metaller ısıtıldığında genleşir ve hassas işlerde birkaç derece bile fark yaratır. Alüminyum her santigrat derecelik artışta metre başına yaklaşık 23 mikron büyür. Çelik, derece başına metre başına yaklaşık 12 mikron kadar daha az genleşir, ancak bu etki uzun parçalarda veya sıkı geçmelerde hala artmaktadır.
Sorunu en çok yüksek hızlı makineler veya sert alaşımlar çalıştıran atölyeler görüyor. Ohio'daki bir türbin kanadı atölyesi bir keresinde tüm Inconel parçalarını hurdaya çıkarmıştı çünkü dört saatlik sürekli kesmenin ardından kök çapı 18 mikron büyümüştü. İş mili sütunu ısıtmıştı ve Z ekseni uyumu bozmaya yetecek kadar kaymıştı. Almanya'da 4140 çelikten hidrolik bloklar üreten başka bir tesis, vardiya sonunda 0,015 mm açılan delik boyutları buldu. Her iki durumda da çözüm yeni bir makine değil, süreç boyunca sıcaklığın daha iyi kontrol edilmesiydi.
Buradaki amaç basit: ısının değişen parça boyutlarından korunması. Bu, sıcaklığın nereden geldiğini, nasıl hareket ettiğini ve kritik alanlara ulaşmasını hangi adımların engellediğini anlamak anlamına gelir. Önümüzdeki sayfalar ana ısı kaynaklarını, genleşmenin fiziğini, gerçek mağazalarda işe yarayan soğutma yöntemlerini ve sorunları başlamadan önce tahmin eden modelleme araçlarını kapsıyor. Her bölüm gerçek üretim alanlarından (sorunu çözen ve kazanımları koruyan atölyelerden) örnekler içerir.
Isı sisteme aynı anda birden fazla yerden girer. Kesme bölgesi en sıcak noktadır. Takım ile iş parçası arasındaki sürtünme, yerel sıcaklıkları çelikte 600 °C'nin, titanyumda ise 900 °C'nin üzerine çıkarabilir. Bu enerjinin çoğu talaşlarla birlikte ayrılır, ancak maddeye yetecek kadarı takıma, tutucuya ve fener miline iletilir. 7075 alüminyumu 300 m/dak'da kesen 12 mm'lik karbür parmak freze, yaklaşık 1,2 kW ısı üretir. Bunun yaklaşık %40'ı ilk dakika içinde makine yapısına akar.
İğler kendi sıcaklıklarını katar. Rulmanlar ve motor sargıları sürekli kayıplar üretir. 12.000 rpm'de çalışan 15 kW'lık bir iş mili, hafif yük altında bile 800 W'lık ısıyı açığa çıkarabilir. Bilyalı vidalar ve doğrusal kılavuzlar da katkıda bulunur. Hızlı travers hareketleri somunlarda ve raylarda sürtünme yaratarak ağır çevrimlerde yerel sıcaklıkları 5–8 °C yükseltir. Soğutma sistemleri bazen işleri daha da kötüleştirir. Taşma soğutucusu kesme bölgesinden sıcaklığı alır ve makine yatağına veya fikstürüne taşır. 20 °C'de başlayan devridaim sıvısı bir saat sonra 35 °C'ye ulaşarak soğutma akışını bir ısıtma battaniyesine dönüştürebilir.
Ortam koşulları da rol oynuyor. Klimasız binalarda sabah ve öğleden sonra arasında 6 °C'lik mağaza sıcaklığı dalgalanmaları yaygındır. Bu tek başına 400 mm'lik bir çelik armatürü 0,03 mm genişletir. Bir pencereden veya yakındaki bir fırından gelen güneş ışığı, masayı birkaç mikron eğen sıcak noktalar oluşturabilir. Kaliforniya'daki bir havacılık tedarikçisi, muhafazanın yalnızca bir tarafını ısıtan tavan penceresine doğru 0,012 mm'lik Y ekseni kaymasını izledi.
Genişleme basit bir kurala göre gerçekleşir: uzunluk değişimi orijinal uzunluk çarpı termal genleşme katsayısı çarpı sıcaklık artışına eşittir. Parça büyük olana veya tolerans dar olana kadar sayılar küçük görünür. 10 °C ısıtan 500 mm alüminyum braket uçtan uca 0,115 mm büyür. Isı eşit değilse parça eğilir veya bükülür. Düz bir plakanın yüzey frezelemesi, üst yüzeyi alttan daha hızlı ısıtır. Üst kısım daha fazla genişleyerek dışbükey bir şekil oluşturur. Bu tür durumlarda 0,05 mm'lik ölçülen düzlük hataları tipiktir.
Makine yapısı da genişliyor. Dikey 1 metrelik kolona sahip işleme merkezi, dökümdeki her 10 °C artış için Z'de 10–12 mikron büyüyor. Birden fazla eksen farklı oranlarda ısındığında etki artar. Sıcak bir iş mili burnu, takım ucunu aşağı doğru hareket ettirirken, daha soğuk bir yatak yerinde kalarak kesme derinliğini değiştirir. Belgelenen bir durumda, Haas VF-4, iki saatlik alüminyum kaba işleme sonrasında 22 mikronluk Z kayması gösterdi. Parçanın üst tarafı büyük, alt kısmı ise küçük çıktı.
Çip paketleme başka bir katman ekler. Bir cebe sıkışan kalın talaşlar yalıtım görevi görerek ısıyı yeni kesilmiş yüzeye karşı tutar. 17-4 PH paslanmazdan frezelenmiş bir cep, alet geçtikten sonra birkaç saniye boyunca 180 °C'de tutuldu; bu, zemin çapını 8 mikron büyütmeye yetecek kadardı. Talaşların hava püskürtme veya yüksek basınçlı soğutma sıvısı ile temizlenmesi sorunu ortadan kaldırdı.
Soğutma sıvısı seçimi temeli oluşturur. 10–15 °C sıcaklıktaki su basma sistemleri metallerden ısının çoğunu uzaklaştırır. Okuma değirmeninde yapılan bir test çalışmasında, kesme bölgesine 70 bar sağlayan bir iş mili kurulumu, 316 paslanmaz çelikte sıcaklıkları 220 °C'den 110 °C'ye çıkardı. Aynı atölye, 300 parçada ±0,003 mm'lik delik toleranslarına sahipti. Minimum miktarda yağlama (MQL), alüminyum ve magnezyum için daha iyi sonuç verir. Saatte 20 ml yağ buharı sağlayan iki nozul, akü tepsilerindeki termal büyümeyi 0,028 mm'den 0,009 mm'ye düşürdü.
Soğutulmuş soğutma sıvısı döngüleri makinenin kendisini sabit tutar. Döküm boyunca 12°C su sirküle eden yataklı soğutucu, Hermle C42 üzerinde Z ekseni kaymasını sekiz saatte 3 mikrona kadar tuttu. Maliyet yüksekti, ancak mağaza ışıkların kapalı olduğu vardiyaları denetim hatası olmadan yürütüyordu. Daha basit mağazalar yalıtım sağlar. Doosan DNM 5700'de kolon ve tabla etrafındaki köpük levhalar ortam etkisini %60 oranında azaltıyor.
Hava soğutmanın yeri var. İş mili burnuna yönelik –20 °C hava üreten vorteks tüpleri, titanyum kaba işleme sırasında rulman sıcaklıklarını 15 °C düşürdü. Aynı sistem, ince duvarlı havacılık halkalarında 0,018 mm'lik radyal büyümeyi önledi.
Düşük genleşmeli malzemeler riski azaltır. Invar armatürleri, derece başına metre başına 1,2 mikrona kadar şekil tutar; uzun alüminyum ekstrüzyonlar için idealdir. Kovar paletleri, işlemeyi takip eden lehimleme sırasında elektronik muhafazaları sabit tutar. İş parçaları için alaşımı prosesle eşleştirin. 6061 alüminyum makineler hızlıdır ancak agresif soğutmaya ihtiyaç duyar. 7075 daha iyi güç ve biraz daha az genleşme sunar; toleranslar 0,01 mm'nin altındaysa ekstra takım aşınmasına değer.
Aletlerin üzerindeki kaplamalar ısı transferini keser. TiAlN katmanları 900 °C'ye dayanır ve tutucuya olan iletimi azaltır. Gri demirde motor bloklarını frezeleyen bir dizi kaplamalı kesici uç %40 daha uzun süre dayandı ve delik büyümesini 0,006 mm'nin altında tuttu. Elmas benzeri karbon (DLC), kompozitlere yönelik karbür matkaplarda çalışarak arayüz sıcaklıklarını 120 °C'ye düşürür ve delik genişlemesini önler.
Parça kadar fikstürler de önemlidir. Vakumlu aynalar ısıyı eşit şekilde yayar ve soğutma sıvısının arka tarafa ulaşmasını sağlar. 400 mm karbon fiber panel üzerinde mekanik kelepçelerden vakuma geçiş, yayı 0,045 mm'den 0,007 mm'ye keser.
Isınma döngüleri en ucuz çözümdür. İlk parça sıcaklıkları eşitlemeden önce iş milini 15 dakika boyunca %50 hızda çalıştırmak. Bir Boeing tedarikçisi bunu her programa ekledi ve Y ekseni kaymasını 14 mikrondan 2 mikrona düşürdü. Uyarlanabilir takım yolları da yardımcı olur. Köşelerde veya kalın bölümlerde ilerleme hızını düşüren yazılım, ısının sabit kalmasını sağlar. Mastercam'in dinamik frezelemesi, 4140 dişli ham parçasındaki tepe sıcaklıklarını %18 azalttı.
Sensör geri bildirimi döngüyü kapatır. İş milindeki PT100 probları ve tabla verileri kontrole besler. Eğim 4 °C'yi aşarsa, makine ofsetleri duraklatır veya ayarlar. Bu sistemi kullanan bir Detroit şanzıman atölyesi, 12 saatlik bir çalışma boyunca şaft çaplarını ±0,002 mm'de tuttu.
Toplu sıralama yükü dağıtır. Sıcak parçalarda alternatif kaba işleme geçişleri ve soğuk parçalarda ince talaş işleme işlemleri. 800 alüminyum muhafazadan oluşan bir seri, serpiştirme işlemleriyle termal hataları %45 oranında azalttı.
Seattle'daki bir havacılık ve uzay atölyesi, beş eksenli Fives portalında 2 metrelik alüminyum kanat direkleri işledi. İş mili ısısı, üç saat sonra Z boyutunu 0,027 mm artırdı. ANSYS'te bir FEA modeli oluşturdular, kolon tabanındaki sıcak noktayı buldular ve soğutma kanalları eklediler. Değişiklik sonrası doğruluk ±0,004 mm dahilinde kalarak parti başına 48.000 $ tasarruf sağlandı.
İsviçreli bir tıbbi üretici, CoCrMo kalça gövdelerini Mikron HSM 400'de döndürdü. Küçük aletler, topun çapını 0,011 mm'ye çıkaran yerel sıcak noktalar oluşturdu. Bir sinir ağını sıcaklık ve CMM verileriyle eğittiler, ardından Fanuc kontrolü aracılığıyla canlı dengelemeler uyguladılar. Verim %88'den %97'ye yükseldi.
Illinois'deki bir atölye, Doosan Puma torna tezgahında çelik kalıpları kesiyor. Sabah kısımları mükemmeldi; öğleden sonra parçaları 0,019 mm'den büyük. Yalıtımlı kapaklar ve 20 dakikalık ısınma, hatayı 0,003 mm'ye düşürdü. Toplam maliyet: Malzemelerde 1.200 dolar.
Sonlu eleman modelleri, kesme başlamadan önce genişlemeyi tahmin eder. Giriş geometrisi, hızlar ve soğutma sıvısı akışı; yazılım, sıcaklık ve deformasyonun renkli bir haritasını çıkarır. Kanadalı bir kalıp üreticisi bunu fikstür desteklerini yeniden tasarlamak için kullandı ve tabla bükümünü 9 mikrondan 4 mikrona çıkardı.
Makine öğrenimi bunu daha da ileriye taşıyor. Makinedeki on noktadan sıcaklık verilerini toplayın ve bunları CMM ölçümleriyle eşleştirin. Hatayı tahmin etmek için basit bir regresyon modeli eğitin ve ardından düzeltmeleri gerçek zamanlı olarak CNC'ye gönderin. Bir çalışmada 200 çevrim çalıştıran dikey bir değirmende %94 doğruluk elde edildi.
Hibrit modeller fizik ve verileri birleştirir. Temel için FEA ile başlayın, ardından ML'nin talaş yükü veya ortam salınımları gibi değişkenlere göre ayarlanmasına izin verin. Bir Fransız araştırma grubu bunu bir prototip hücresinde kullandı ve alüminyum, çelik ve titanyum işlerinde büyümeyi 0,005 mm'nin altında tuttu.
Açık kaynaklı araçlar engeli azaltır. Scikit-learn içeren Python komut dosyaları, eski Fanuc kontrollerindeki temel dengelemeyi yönetir. Mağazalar, üç aylık veri toplamanın ardından termal hurdada %65 azalma bildirdi.
Isı her zaman işlemenin bir parçası olacaktır ancak parçalara zarar vermesi gerekmez. Kaynakları (kesme bölgesi, fener mili, soğutma sıvısı, atölye havası) belirleyin ve bunlara tek tek saldırın. Isınma döngüleri ve uygun soğutma sıvısı basıncıyla başlayın. Hacim büyüdükçe sensörler ve basit modeller ekleyin. Başarılı olan mağazalar, termal yönetimi sonradan akla gelen bir düşünce olarak değil, bir süreç parametresi olarak ele alıyor.
Bunun getirisi rakamlarda görülüyor. Hurda oranları düşer, inceleme süresi kısalır ve müşteriler parçaları iade etmeyi bırakır. Teksas'taki orta ölçekli bir tesis, yatak soğutucuları ve uyarlanabilir yollar kurulduktan sonra yeniden çalışmayı %72 oranında azalttı. Japonya'daki bir başka firma ise MQL ve ısınma rutininden başka bir şey olmadan 10.000 parçalık tirajlarda mikron altı toleranslara sahipti.
Bu hafta bir iş alın ve fener mili, tabla ve parçadaki sıcaklıkları ölçün. CMM'deki sapmaya dikkat edin. Bir değişkeni (soğutma sıvısı akışı, bekleme süresi veya fikstür malzemesi) değiştirin ve tekrar ölçün. Veriler bir sonraki adıma işaret edecek. Tekrarlamaya devam ettiğinizde termal büyüme eskiden yaşadığınız bir sorun haline gelir.
S: Tolerans kaymasına ısının sebep olup olmadığını nasıl anlarım?
C: Bir çalıştırmanın başlangıcında ve sonunda parça boyutlarını kontrol edin. Hata, makinenin çalışma süresiyle birlikte büyüyorsa ve iş mili veya yatak sıcaklığıyla ilişkiliyse sorun ısıdır.
S: İş mili soğutucusu her şeyi çözer mi?
C: Çok yardımcı olur ancak kesme bölgesini veya iş parçasını soğutmaz. En iyi sonuçları elde etmek için bunu takım içinden soğutma sıvısı ve ısıtma döngüleriyle birleştirin.
S: Termal hataları azaltmanın düşük maliyetli yolları var mı?
C: Evet—ısınma programlarını çalıştırın, sütunu yalıtın, ağır kesimleri vardiyanın başlarında planlayın ve soğutma sıvısını temiz ve serin tutun.
S: Kuru işleme her zaman daha fazla büyümeye neden olur mu?
C: Genellikle ısıyı taşıyacak sıvı bulunmadığından. MQL veya hava soğutma, birçok alüminyum işinde taşma sonuçlarıyla eşleşebilir.
S: Termal modelleme yazılımına ne zaman yatırım yapmalıyım?
C: Termal hatalardan kaynaklanan hurdanın maliyeti yazılım lisansından daha yüksek olduğunda veya müşteriler proses kararlılığının kanıtını talep ettiğinde.
