MAKİNELERDE KESME VE DÖVME İŞLEMLERİNDE KUVVET ANALİZİ VE GÜÇ HESABI

A)Kesme İşleminde kuvvet analizi ve güç hesabı

1)Takım ve talaşa etkiyen kuvvetler

Şekil 1.1 kesme işleminde talaşa etkiyen kuvvetler

Üstteki şekilde; ø kayma düzlemi açısı,α talaş açısıdır.Ayrıca; F sürtünme kuvveti, N normal kuvvet, Fs kayma kuvveti, Fn dik kuvvet diye isimlendirilir.Bu kuvvetler doğrudan ölçülemez; aşağıdaki şekilde bileşkesi bunlarla aynı olan ölçülebilen kuvvetler gösterilmiştir.

Şekil 1.2 kesme işleminde takım üzerine etkiyen ölçülebilen kuvvetler

takımTalaş

Parça

Talaş takım

Parça

ø αβ

FR

N

RFn

Fs

R

Fc

Ft

2)Merchant dairesi

Bir talaşlı imalat operasyonunda F, N, Fs, Fn kuvvetlerinden hiçbiri doğrudan ölçülemez. Çünkü uygulandıkları doğrultular takım geometrisine ve kesme koşullarına göre farklılıklar gösterir. Ancak, bir dinamometre kullanılarak takıma etkiyen iki kuvvet doğrudan ölçülebilir. Bunlar kesme kuvveti (Fc) ve kesme kuvvetine dik olarak etkiyen kuvvettir (Ft). Kesme kuvveti kesme hızıyla aynı yöndedir. Merchant dairesi bizim ölçülemeyen kuvvetleri ölçülebilen kuvvetler cinsinden yazıp hesaplayabilmemizi sağlar.

F = Fcsinα + Ftcosα

N = Fccosα - Ftsinα

Fs = Fccosø - Ftsinø

Fn = Fcsinø + Ftcosø

Şekil 1.3 Merchant dairesi ve elde edilen formüller

Talaş açısının 0 olduğu durum ortogonal kesmede özel bir durumdur. Bu durumda F = Ft ve N = Fc olur. Böylece bu özel durumda sürtünme kuvveti ve sürütünme kuvvetine dik olan kuvvet dinamometre ile doğrudan ölçülebilir.

R,R’,R’’

F

N

Ft

Fn

Fc

Fs

β-α ø

α

αβ

3)Kesme işlemi ile ilgili kavramlar

Şekil 1.1 de gösterilen kesme modeli ortogonal kesme modelidir.Bu modelde takım tarafından talaşa uygulanan sürtünme kuvveti (F) ve bu kuvvete dik olan (N) kuvvet kullanılarak sürtünme katsayısı bulunur.

µ = F/N

Bu iki kuvvet kullanılarak bileşke kuvvet(R) bulunur.Bileşke kuvvetin pozisyonu sürtünme açısı adı verilen bir açıyla tanımlanır.

µ = tanβ

Takım kuvvetlerinin yanı sıra, iş parçası tarafından talaş üzerine etkiyen iki kuvvet vardır. Bunlar kayma kuvveti ve kayma kuvvetine dik olan kuvvettir (Fn). Kayma kuvveti (Fs) kayma düzlemi üzerinde kayma deformasyonu oluşturan kuvvettir. Kayma kuvveti kullanılarak, talaş ile iş parçası arasındaki kayma düzlemi üzerinde etki eden kayma gerilmesi tanımlanır.

τ = Fs/As

Buradaki kayma gerilmesi değeri talaşlı imalat operasyonunun gerçekleşebilmesi için gerekli olan gerilme değeridir.

Burada As kayma düzlemi alanıdır. Kayma düzlemi alanı aşağıdaki denklemle elde edilir.

As = (t0w)/(sinφ)

4)Merchant denklemi

Metal kesmede önemli bir ilişki Eugene Merchant tarafından elde edilmiştir. Bu ilişki ortogonal kesme modeli esas alınarak elde edilmiştir. Ancak üç boyutlu talaşlı imalat operasyonlarında da geçerliliği vardır. Merchant kayma gerilmesini aşağıdaki formda yazarak başlamıştır.

τ = Fccosα - Ftsinα

tow/sinø

Bir takımın kesme kenarından başlayan mümkün olan tüm açıların dışında kayma deformasyonunun oluşabilceği bir tek kayma düzlemi açısı vardır. Bu açı, kayma gerilmesinin iş parçası malzemesinin kayma dayanımına eşit olduğundaki açıdır. Diğer mümkün olan tüm kayma açıları için kayma gerilmesi kayma dayanımından daha düşüktür. Bu nedenle diğer açılarda talaş oluşumu meydana gelmez. Böylece iş parçası malzemesi, enerjiyi en düşük seviyeye indiren kayma düzlemi açısını seçmiş olur.Merchant bu açının kayma gerilmesinin kayma düzlem açısına göre türevinin alınıp 0 'a eşitlenmesiyle bulunduğunu göstermiştir.

Ø = 45 +

Merchant denklemindeki varsayımlar şunlardır; iş parçası malzemesinin kayma dayanımı sabittir, birim şekil değişimi hızı, sıcaklık ve diğer faktörlerin etkisi yoktur. Gerçek bir talaşlı imalat operasyonunda bu varsayımlar ihlal edildiğinden, bu denklem yaklaşık sonuçlar elde etmede kullanılan bir bağıntı olarak düşünülmelidir.

Merchat Denkleminden Elde Edilebilecek Çıkarımlar:

Bu denklem talaş açısı, takım talaş sürtünmesi ve kayma düzlemi açısı arasında genel bir ilişkiyi tanımlar. Kayma düzlemi açısı, talaş açısının arttırılmasıyla ve takım ile talaş arasındaki sürtünme açısının azaltılmasıyla arttırılabilir. Talaş açısı uygun takım tasarımıyla arttırılabilir. Sürütünme açısı ise yağlayıcı olarak kesme akışkanlarının kullanılmasıyla azaltılabilir.

Kayma düzlemi açısının arttırılmasının önemi aşağıdaki şekilde görülebilir. Diğer etkilerin aynı kalması şartıyla kayma düzlemi açısının büyük olması kayma düzlemi alanının azalmasına neden olur. Kayma düzlemi alanının azaltılmasıyla talaş oluşturmak için gerekli olan kayma kuvveti de azaltılmış olur. Kayma düzlemi açısının daha büyük olması ile daha az kesme enerjisi, daha az güç gereksinimi ve kesme sıcaklığının azaltılması sağlanır. Bu iyi nedenler, talaşlı imalatta kayma

α-β2

düzlemi açısının mümkün olduğunca arttırılmaya çalışılmasını gerektirir.

5)Kesme işleminde güç ve birim güç

Talaşlı imalat operasyonu için gereken güç kesme hızı ile kesme kuvvetinin çarpılmasıyla elde edilir.

Pc = Fc x v

Gücün(Pc) birimi Nm/s veya W , kesme kuvvetinin birimi N ve kesme hızının birimi m/s 'dir.

Talaşlı imalat operasyonunu gerçekleştirmek için gereken güç(Pg), motor ve aktarma organlarının mekanik kayıplarından dolayı daha fazladır.

Pg =

Burada Pg toplam güç, E ise takım tezgahının mekanik verimidir. Genellikle E yaklaşık % 75-80 dir.

Bazen gerekli olan gücü, birim talaş kaldırma oranı için gerekli olan güce çevirmek daha kullanışlıdır.Gücün talaş kaldırma oranına(Rmr) bölünmesiyle birim güç(Pu) elde edilir.

Pu =

Burada Rmr talaş kaldırma oranıdır. Birimi ise mm3/s 'dir. Birim gücün birimi ise Nm/mm3 'tür.

Birim güç, talaşlı imalatta birim hacim metal kaldırmak için gerekli olan gücü elde etmek için kullanışlı bir veri oluşturur. Bu veri kullanılarak çeşitli iş parçası malzemeleri için gerekli olan güç değerleri karşılaştırılabilir.

B)Dövme işleminde kuvvet analizi ve güç hesabı

Pc

E

Pc

Rmr