Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 7 Sayı1- 2, (2003), 1-14

FREZELEME İŞLEMLERİNDE EKONOMİK İŞLEME ŞARTLARININ OPTİMİZASYONU Metin ZEYVELİ* ,

Mahmut GÜLESİN**

*ZKÜ Karabük Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü 100.Yıl / KARABÜK **Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makina Eğitimi Bölümü Teknikokullar/Ankara

ÖZET Bu çalışmada, çok pasolu frezeleme işlemlerinde, optimum işleme parametrelerinin seçimini yapan bir bilgisayar programı geliştirilmiştir. Optimizasyon; kesme hızı, ilerleme hızı, talaş derinliği, paso sayısı gibi en önemli işleme parametreleri için yapılmıştır. Optimizasyon işleminde maksimum üretim oranı ve minimum maliyet kriterlerini sağlayacak takım ömrü modelleri kullanılmıştır. Program ‘‘tarama’’ yöntemi kullanılarak Delphi programlama dilinde hazırlanmıştır. Anahtar Kelimeler : Optimizasyon, Optimum İşleme Parametreleri,İşleme, Frezeleme.

COMPUTER AIDED OPTIMISATION OF MACHINING PARAMETERS IN MILLING OPERATIONS ABSTRACT In this study, a computer program which selects optimum machining parameters in milling operations has been developed. Optimisation has been done for the most important machining conditions namely; cutting speed, feed, depth of cut and number of cuts. In the optimisation, tool life models that meet maximum production rate and minimum cost criteria have been used. The computer program has been developed by using ''Research'' method in Delphi Programming Language. Key Words: Optimisation, Optimum Machining Parameters, Machining, Milling.

1. GİRİŞ Talaş kaldırma işleminde kesme parametrelerinin optimum seçimi, Bilgisayar Destekli İşlem Planlama (BDİP) çalışmalarının önemli basamaklarından birini oluşturmaktadır. İşlem planlamada ardışık sırayla uygun takım tezgahı ve kesici takıma karar verilir. Talaş kaldırma işleminin başarısı, işleme parametrelerinin seçimi ile doğrudan ilişkilidir. Kullanıcı tanımlı işlem planlamada doğru işleme parametrelerinin seçimi kullanıcının takım tezgahı, kesici takım ve parça malzemesi temeline dayalı el kitaplarından elde ettiği deneyimlerine bağlı olarak gerçekleştirilir. Ancak talaş kaldırma işlemine etki eden birçok parametre vardır. Bu nedenle kesme parametrelerinin genel amaçlı hazırlanmış el kitaplarından faydalanılarak seçilmesiyle gerçekleştirilecek bir kesme işlemi elverişli bir işlem olmamaktadır. BDİP sistemlerinde takım tezgahı, kesici takım ve işleme parametrelerinin otomatik seçilmesi ile işlem planlamada önemli bir hız artışı ve serilik sağlandığı gibi kullanıcıdan kaynaklanacak hataların minimum olması ve sistemin en uygun veriler elde etmesi sağlanmaktadır. Optimum işleme parametrelerinin belirlenmesi amacıyla uzun zamandır araştırmalar yapılmaktadır. Parametreler arasındaki doğrusal olmayan ilişkiden dolayı, işleme parametrelerinin optimizasyonu karmaşık

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

bir işlemdir. Bu nedenle işleme parametrelerinin optimizasyonu için farklı bir çok metot kullanılmıştır. Bununla birlikte talaş kaldırma işlemlerinden biri olan frezeleme işlemleri konusunda az sayıda çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda minimum üretim maliyeti, minimum üretim zamanı veya en fazla gelir elde edecek işleme koşullarının belirlenmesine öncelik verilmiştir. Doğrusal olmayan bu amaç fonksiyonlarının yine doğrusal olmayan sınırlayıcı fonksiyonlar ile sınırlanması problemin çözümünü güçleştirmektedir [1]. Araştırmacılar frezede talaş kaldırma işlemi konusunda birtakım çalışmalar yapmışlar ve farklı yaklaşımlarda bulunmuşlardır. Bunlar arasında kompleks, sırasal sınırlandırılmamış minimize etme, geometrik programlama, sürekli dinamik programlama ve kısıtlayıcı kontrol yöntemleri gibi yaklaşımlar sayılabilir. Eskicioğlu ve arkadaşı [2] optimum işleme parametrelerinin doğrusal olmayan fonksiyonlarının, doğrusal olmayan sınırlamalara bağlı olarak belirlenmesinde matematiksel modeller kullanmıştır. Çalışmada frezeleme işlemleri için geliştirilen birim üretim maliyeti ve birim üretim zamanı modelleri, doğrusal olmayan üç matematiksel programlama metodu ile çözülmüştür. Hati ve Rao [3] optimum kesme parametrelerini belirlemek için belirleyici ve olasılık yaklaşımlarını kullanarak matematiksel programlama tekniğini uygulamışlardır. Optimizasyon işleminde, birim üretim maliyeti, üretim oranı ve kazanç oranına karar verilmiştir. Mesquita ve diğerleri [4] optimum kesme hızı, ilerleme hızı ve talaş derinliğinin bilgisayar yardımıyla seçimi için bir model tanımlamış ve Meccano2 isimli enteraktif bir program sunmuşlardır. Geliştirilen program çok pasolu kaba tornalama işleminde kesme parametrelerine karar verirken eş zamanlı olarak minimum birim üretim maliyeti, minimum birim üretim zamanı ve minimum paso sayısı olarak üç kriteri dikkate almaktadır. Optimum işleme parametreleri ve kriter değerleri grafiksel olarak da kullanıcıya sunulmuştur. Jha [5] frezeleme işleminde kesme parametrelerinin optimizasyonu için geometrik programlama metodunu kullanmıştır. Çalışma sonucunda geometrik programlama tabanlı programların uygun çözümler üretmede çok yavaş kaldığı vurgulanmıştır. Kılıç ve arkadaşları [6] tek pasolu frezeleme işlemlerinin optimizasyonunu kullanıcı ile etkileşimli olarak grafiksel metot ile yapabilen bir yazılım geliştirmişlerdir. Ekran üzerinde amaç fonksiyonu ve sınırlayıcı fonksiyon eğrileri çizilebilmekte ve böylece optimum kesme koşulları görülebilmektedir. Çalışmada, amaç fonksiyonu olarak birim üretim zamanı ve birim üretim maliyeti dikkate alınmış ve bunları minimum yapacak kesme parametreleri belirlenmiştir. Kirksharian ve arkadaşı [7] ekonomik işleme problemlerinin çözümü için, kesme parametrelerinin belirlenmesinde etkileşimli grafik yöntemi isimli bir yöntem geliştirmiştir. Wang ve arkadaşları [8] optimum işleme parametrelerinin seçimi için, genetik algoritma ve simülasyon benzeşiminin kullanıldığı bir yaklaşım sunmuşlardır. Tandon ve arkadaşları [9] Nümerik kontrollü tezgahlar için evrimsel hesaplama yöntemini kullanarak son frezeleme işleminin optimizasyonunu incelemişlerdir. Çalışmada kritik parametrelerin belirlenmesinde yapay sinir ağları kullanılmıştır. Onwubolu ve arkadaşı [10] çok pasolu tornalama operasyonlarında kesme parametrelerinin belirlenmesi için genetik algoritmanın kullanıldığı bir optimizasyon tekniğini sunmuşlardır. Wang vd. [11] çok pasolu tornalama operasyonlarında optimum kesme parametrelerinin ve kesici takımın seçiminde genetik algoritmayı kullanmışlardır. Shunmugam vd. [12] çok pasolu frezeleme işlemlerinde, paso sayısı, her bir paso talaş derinliği, kesme hızı ve ilerleme hızı gibi işleme parametrelerini belirlemek için genetik algoritmayı kullanmışlardır. Çakır ve Gurarda [13] çok pasolu tornalama ve frezeleme operasyonları için minimum üretim maliyeti kriteri temeline dayalı bir optimizasyon modeli sunmuşlardır. İşleme parametrelerinin optimum değerleri tarama yöntemi ile elde edilmiştir. Bu çalışmada, literatürde geçen tek pasolu frezeleme işlemlerinin optimizasyonunun aksine, çok pasolu frezeleme işlemlerinin optimizasyonu ele alınmıştır. Bu nedenle belirli bir tezgah gücü için, bir pasoda kaldırılamayacak talaş miktarının ekonomik olarak hangi işleme parametreleri ile kaç pasoda kaldırılabileceği belirlenmektedir. Optimizasyon, yüzey frezeleme, merdiven frezeleme, kanal frezeleme, cep frezeleme ve ada frezeleme işlemleri için geçerlidir. Bu amaçla frezelemede talaş kaldırma işleminin ekonomikliği ele alınmıştır. Ekonomik olarak işleme şartlarının optimizasyonun da, minimum maliyet ve maksimum üretim kriterleri olmak üzere temel iki kriter kullanılmıştır. Optimizasyon işleminde ise bu kriterleri sağlayacak Taylor’un ve Gilbert’in takım ömrü modellerinden faydalanılmıştır. Optimizasyon, tarama optimizasyon yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. [14].

2

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

2. OPTİMİZASYON MODELİ 2.1. Kabul Edilen Değişkenler Talaş kaldırma işleminin gerçekleştirilmesi için öncelikle işlenecek malzeme, kesici takım ve takım tezgahına bağlı ilerleme hızı, devir sayısı ve talaş derinliği gibi değişkenlerin belirlenmesi gerekmektedir. İşlenecek malzemenin, istenilen amaçlar doğrultusunda en uygun şekilde işlenmesi için gerekli olan bu değişkenlere, işleme parametreleri denir. İşleme parametreleri talaş kaldırma işlemini doğrudan etkilediğinden bu parametreler için en uygun değerler seçilmelidir. Bu çalışmada, aşağıda verilen işleme parametreleri dikkate alınıp optimizasyon yapılmıştır. Bu işleme parametreleri; N :

Devir Sayısı

(rev/min),

f

:

İlerleme hızı

(mm/rev),

a

:

Toplam talaş miktarı (mm),

Ps :

Paso Sayısı.

şeklinde adlandırılır.

2.2. Sınırlayıcı Fonksiyonlar Takım ömrü, talaş kaldırma işleminde maliyeti belirleyen en önemli parametredir. Takım ömrüne bağlı olarak öncelikle amaç fonksiyonları oluşturulur. Bu fonksiyonlarda yer alan işleme parametrelerinin optimize edilmesinde ise birtakım sınırlayıcı fonksiyonların sağlanması gerekmektedir. Bu sınırlayıcılar, takım tezgahı, kesici takım ve iş parçasından kaynaklanan sınırlayıcılardır. Bunlar; 1. İşleme sırasında kullanılacak devir sayısı, kullanılacak kesme hızının en büyük ve en küçük değerlerine göre hesaplanmaktadır. Buna göre devir sayısı Eşitlik 1 ve Eşitlik 2’ deki gibi ifade edilir [15]:

N max =

(Vmax .1000) 2.π .r

[rev/min]

(1)

N min =

(Vmin .1000) 2.π . r

[rev/min]

(2)

2. Kesme gücü, işleme parametrelerine bağlı olarak hesaplanmakta olup, tezgah gücünden küçük olmalıdır. Kesme gücü malzemenin özgül kesme kuvveti, cinsi, talaş derinliği, ilerleme hızı ve kesici takım geometrisi gibi işleme parametrelerine bağlıdır [14]. Buna göre tezgah gücü sınırlaması şöyledir:

Pm1 < Pm

Pm1 =

(3)

(k s .a.S z .Vmax ) [kW] (0,7.60000)

(4)

Burada; Pm1 Pm

:

Talaşın kaldırılması için gerekli tezgah gücü (kW), :

Takım tezgahının gücü (kW. 3

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

:

Sz Vmax :

Bir diş için ilerleme hızı (mm/rev),

Maksimum kesme hızı (m/min), :

ks

Özgül kesme kuvveti. (N/mm2 ).

3. Diğer bir sınırlayıcı ise, işlemeyi gerçekleştiren takımın kesici kenar uzunluğudur. Takım kesici kenar uzunluğu, özellikle minimum paso sayısının bulunmasında, kaldırılacak talaşın maksimum, paso sayısının da minimum olmasını etkilemektedir. Bu nedenle takım kesici kenar uzunluğu [16]:

Tkg > a

(5)

Tkg

:

Takım kesici kenar uzunluğu (mm),

a

:

Talaş derinliği (mm).

2.3. Optimizasyon Kriterleri Talaş kaldırma işleminin başarılı olması, seçilen işleme parametrelerine bağlıdır. İşleme parametrelerinin optimizasyonun da maksimum üretim ve minimum maliyet kriterleri temel amaç fonksiyonu olarak dikkate alınmıştır. Ayrıca, paso sayısı, takım ömrü ve işleme zamanı da dikkate alınan diğer kriterlerdir. Bu kriterler aşağıda verilmiştir: 1. Maksimum üretim kriter: Maksimum üretim için, işleme parametrelerinin optimizasyonun da ekonomik işlemeye bağlı olarak geliştirilmiş olan Eşitlik 6’ da ki takım ömrü modeli kullanılmıştır [15]:

1 Tg = ( − 1) tc n

(6)

Tg

:

Maksimum üretim için takım ömrü (min),

n

:

Takım ömrü üs değeri,

tc

:

Takım değiştirme zamanı (min).

Burada, takım ömrü üs değeri, hız / ömür bağıntısının eğimidir. 2. Minimum maliyet kriteri : Ekonomik işlemeye göre minimum maliyet kriterinde Eşitlik 7’ de ki takım ömrü modeli kullanılmıştır [15]:

C 1 Te = ( − 1) ( t + t c ) n Cm

(7)

Te

:

Minimum maliyet için takım ömrü (min.),

Ct

:

Her kesici kenar için takım maliyeti (TL),

Cm

:

İşleme maliyeti (tezgah, işçilik ve diğer maliyetler) (TL).

3. Minimum paso sayısı kriteri : Minimum paso sayısı, optimizasyon işleminde takım tezgahının gücü ve kesici takım kesici kenar uzunluğu değişkenlerine bağlı olarak bulunmaktadır. Optimizasyon işleminde 4

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

bitirme talaşı (tf) 0.8 mm olarak sabit alınmaktadır. Sonra takım tezgahının gücünün kaldırabileceği maksimum kaba talaş (tr) miktarı bulunur. Kaba talaş miktarının bulunmasında takım kesici kenar uzunluğu sınırlayıcı olarak dikkate alınmıştır. Paso sayısı; toplam talaş miktarından bitirme talaşının çıkartılıp, kaba talaş miktarına bölümünün bir fazlası ile elde edilir [12]:

 (a − t f )  Ps =  + 1  tr  tf

:

Son paso talaş miktarı (mm),

tr

:

Kaba talaş miktarı (mm).

(8)

4. İstenilen takım ömrü kriteri : Kullanıcı için gerekli olan başlangıç takım ömrünün (T), istenilen takım ömrüne eşit olması gerekmektedir. Buna göre başlangıç takım ömrü, kullanıcının seçtiği optimizasyon kriterine bağlı olarak Eşitlik 9’ da görüldüğü gibi minimum maliyet kriteri için Te’ ye veya maksimum takım ömrü kriteri için ise Tg’ ye eşit olmalıdır [15]: T = Te

veya

(9)

T = Tg

Kesme hızı-ömür ilişkisini etkileyen en önemli faktör, talaş derinliği “h” ve genişliği “b” değerleridir. Talaşın h ve b değerlerinin büyümesi ile takım ömrü azalmaktadır. h ve b yerine, ilerleme hızı (f ) ve talaş derinliği (a) alınırsa, kesme hızı (V), takım ömrü (T), ilerleme hızı ve talaş derinliği arasında Gilbert modeli olarak bilinen genişletilmiş Taylor takım ömrü modeli elde edilir [17].

TV k f m ap = C

(10)

Burada, k, m, p ve C sabit değerler olup, çeşitli araştırmacılar tarafından farklı kesme koşulları için deneysel olarak tespit edilmiştir. Ancak, değişik araştırmacılar tarafından aynı malzeme için aynı koşullar altında yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen değerler arasında oldukça büyük farklılıklar göze çarpmaktadır. Bu konuda yapılan araştırmalar göstermiştir ki ‘k > m > p’ dir. Bu nedenle, ömür üzerine en büyük etkiyi kesme hızı, sonra ilerleme hızı ve en az etkiyi talaş derinliği yapmaktadır [17,18]. İlerlemeye ait üs değeri (m) 0,3 - 0,8 aralığında, talaş derinliğine bağlı üs değeri (p) ise 0,2 - 0,4 aralığında bir değer alınmaktadır [12,19]. Ekonomik işlemeye bağlı işleme parametrelerinin elde edilebilmesi için, Eşitlik 6’ da verilen maksimum üretim ve Eşitlik 7’ de verilen minimum maliyet kriterleri, Eşitlik 10’ da verilen genişletilmiş takım ömrü denkleminde yerlerine yazılırsa;

1 ( − 1) t c V k f m a p = C n

(11)

C 1 ( − 1) ( t + tc ) V k f m a p = C n Cm

(12)

şeklinde ekonomik işlemeye bağlı olarak, maksimum üretim ve minimum maliyet takım ömrü kriterlerini içeren genişletilmiş takım ömrü denklemleri elde edilmektedir. Takım ömrüne bağlı olarak bir saatte üretilecek parça sayısı; 5

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

 60 (1 − Tc T )   Pr =    T p  

(13)

eşitliği ile hesaplanmaktadır [9]. Burada; Pr

:

Bir saatte üretilen parça sayısı (adet),

T

:

Takım ömrü (min.),

Tc

:

Takım değiştirme zamanı (min.),

Tp

:

Her parça için işleme zamanı ve ilgili diğer zamanlar (min.)

şeklinde ifade edilmektedir. 5. İşleme zamanı : Kaldırılacak toplam talaş miktarının takım tezgahında kaldırılması esnasında geçen süredir. Talaş hacmine bağlı olarak işleme zamanı Eşitlik 14’ de verilen denklemden elde edilmiştir [20].

  W  Tt =    1000 V f a 

(14)

Burada; Tt

:

İşleme zamanı (min.),

W

:

Kaldırılacak talaş hacmi (mm3 )

olarak tanımlanmıştır.

3. GELİŞTİRİLEN BİLGİSAYAR PROGRAMININ YAPISI Bu çalışma, Bilgisayarlı Sayısal Kontrollü (Computer Numerical Control, CNC) tezgahlar temel alınarak hazırlanmıştır. Geliştirilen bu program, gerekli olan en az girdileri kullanıcıdan alıp işlem yapabilecek ve uzman bir kişinin bilgi-becerisine ihtiyaç duymadan çözüme ulaşabilecek yapıda tasarlanmıştır. Programda, kullanıcı girdilerinden kaynaklanabilecek hataların azaltılması ve esneklik sağlanması için malzeme ve kesici veri tabanları oluşturulmuştur. Program, optimizasyon, veri tabanı ve grafik modülünden oluşmaktadır. Optimizasyon modülünde kullanıcı tarafından seçilen değişkenler hafızada tutulup, bunlara bağlı olarak kesici ve malzeme veri tabanlarından alınan değerler ile optimizasyon işlemi gerçekleştirilmektedir. Optimizasyon işlemi, seçilen frezeleme işleminin çok pasolu olarak, kullanıcının seçtiği kesici takım, malzeme, tezgah gücü gibi sınır şartları ve maksimum üretim veya minimum maliyet gibi ekonomik işleme şartlarına bağlı olarak kaç pasoda işlenebileceğini bulmaktadır. Veri tabanı modülünde malzeme ve kesici bilgileri yer almaktadır. Malzeme veri tabanında, kesme hızı aralıkları, özgül kesme kuvveti ve kesme şartlarına bağlı katsayılar bulunmaktadır. Kesici veri tabanında, kesici takıma ait boyutlar ve özellikler yer almaktadır. Grafik modülünde ise, ilerleme hızı - talaş derinliği ve ilerleme hızı - tezgah gücü değişimleri grafik olarak sunulmuştur. Hazırlanan 6

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

programın genel yapısı Şekil 1’ de verilmiştir. Program çalıştırıldığında Şekil 2’ de görülen ana menü ekrana gelmekte ve ilk olarak kullanıcı bu menüden esnek olarak frezeleme tipi , iş parçası malzemesi, tezgah gücü ve optimizasyon kriteri değerlerinin seçimini yapmaktadır.

Frezeleme Tipi Seçimi

Optimizasyon Kriteri Seçimi

İş Parçası Malzemesi Seçimi

Bulunan İşleme Parametreleri( N , f, a )

İşleme Parametrelerini Dosyaya Yaz

Malzeme Veritabanı

Parametrelerin Grafiklerinin Gözlenmesi

Tezgah Gücü Seçimi

Kesici Veritabanı

Son

Şekil 1. Geliştirilen programın genel yapısı.

Şekil 2. Kullanıcının değer girdiği program ana menüsü. Şekil 2’deki menüden frezeleme tipi seçildiğinde Şekil 3’de görülen yüzey frezeleme ölçüleri menüsü ekrana gelmekte ve frezeleme ölçülerinin girilmesi istenmektedir. Kullanıcı seçtiği frezeleme tipine ait frezeleme ölçülerini bu menüden girip tamam butonu ile programa devam eder.

Şekil 3. Malzemenin frezeleme ölçülerinin girildiği pencere

7

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

Yine ana menüde optimizasyon kriteri seçildiğinde, seçime bağlı olarak Şekil 4’de görülen optimizasyon kriteri değişkenleri menüsü ile optimizasyon kriteri için gerekli olan takım değiştirme zamanı (tc), her kesici kenar için takım maliyeti (Ct), işleme maliyeti (Cm) değerleri menüden girilip tamam butonu seçilir ve programa devam edilir.

Şekil 4.Optimizasyon kriteri değişkenleri penceresi Bu aşamadan sonra ana menüden optimizasyon butonu seçilir ve kullanıcı tarafından girilen frezeleme tipi, optimizasyon kriteri, iş parçası malzemesi, tezgah gücü, frezeleme ölçüleri ve optimizasyon kriteri değişkenleri değerleri hafızada tutulur. Programda, malzeme veri tabanından, seçilen malzemenin işlenmesi için gerekli kesme hızı, özgül kesme kuvveti ve katsayılar seçilmektedir. Sonrasında kesici takım veri tabanından, kullanıcının girdiği frezeleme tipi ve ölçülerine bağlı olarak kesici takım seçilmektedir. Veri tabanından seçim işlemi, program tarafından, kullanıcının önceden belirlediği işleme özelliklerine bağlı olarak seçilmektedir. Veri tabanı modülü istenildiğinde ekleme ve çıkarma yapılabilecek şekilde tasarlanmış olup değişken işleme şartlarına adapte olması amaçlanmıştır. Veri tabanı modülü Şekil 5’de verilmiştir.

Şekil 5. Malzeme ve kesici takım veri tabanı modülü. Malzeme veri tabanında, malzemeye ait kesme hızı, özgül kesme kuvveti değişkenleri ve katsayılar bulunmaktadır. Kesici takım veri tabanında ise kesici takımın diş sayısı, çapı, uç kesme genişliği, uç radüsü, uç cinsi ve seri no değerleri bulunmaktadır. Programda, malzeme ve tezgah gücü değişkenleri Şekil 2’de görülen ana menüde, Şekil 6’da verilen liste şeklinde, yer almaktadır. Kullanıcı bu listeden malzeme ve tezgah gücü değişkenlerini seçmektedir.

8

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

Şekil 6. Malzeme ve tezgah gücü seçimi. Optimizasyon işleminde, öncelikle seçilen kriter için takım ömrü değeri hesaplanır. Sonrasında bu takım ömrü, (10) ‘nolu genişletilmiş takım ömrü eşitliğinde yerine yazılır ve malzeme veri tabanından bulunan, malzemeye ait kesme hızı aralığı, küçükten büyüğe kadar taranır ve (10)’nolu denklemde işleme konulup her kesme hızı için bir ilerleme hızı değeri bulunur. Bu değerler ile öncelikle, takım kesici kenar uzunluğu kadar talaş derinliğinin kaldırılması için gerekli olan tezgah gücü hesaplanır. Hesaplanan tezgah gücü, kullanıcın seçtiği tezgah gücünden küçük ise tezgah gücü sınırlaması sağlanmış olur. İşleme devam edilir ve bir pasoda talaşın kaldırılması için gerekli parametreler, belirtilen sınırlamalar dahilinde bulunur. Ancak takım kesici kenar uzunluğu kadar talaşın kaldırılması için gerekli tezgah gücü, kullanıcının seçtiği tezgah gücünden büyük ise bu talaşı bir pasoda kaldırmak mümkün değildir. Bu durumda paso sayısı bir artırılarak, iki paso sayısına karşılık gelen talaş derinliğinin kaldırılması için gerekli tezgah gücü hesaplanır ve girilen tezgah gücü ile karşılaştırılır. Bu işlem, girilen tezgah gücü ile toplam talaş derinliğinin çok pasolu olarak kaldırılabilmesi için gerekli en uygun talaş derinliği, paso sayısı, kesme hızı (devir sayısı), ilerleme hızı değerleri bulunana kadar devam eder. Uygun değerler bulunuyor ise program işleme kaldığı yerden devam eder ve işleme parametrelerini dosyaya kaydeder. Kayıt edilen işleme parametrelerinin dağılımı ise grafiksel olarak grafik modülünde izlenebilmektedir. Programda, kesici takım veri tabanından seçilen kesici takımın özellikleri talaş kaldırma işlemi için gerekli olan şartları sağlayamadığı zaman, tekrar kesici takım veri tabanından farklı bir kesici takım seçilebilmekte ve işleme devam edilmektedir. Program, kesici takım veri tabanında uygun hiçbir kesici takım bulamadığı zaman ise kullanıcıdan yeni kesici takım değerlerinin girmesini istemekte ve işleme devam etmektedir. Bu aşamadan sonra bulunan işleme parametrelerine bağlı olarak bir saatte üretilecek parça sayısı (Pr) ve toplam talaş miktarının kaldırılması için gerekli işleme zamanı değerleri bulunur. Paso sayısı değişkeninin hesaplanmasında (8)’ nolu eşitlik kullanılmıştır. Talaş kaldırma işlemlerinin temelinde, işleme şartlarına bağlı olarak istenilen yüzey kalitesinin elde edilmesi için, paso sayısı kaba paso ve ince paso şeklinde iki sınıfa ayrılır [10]. Bu nedenle programda, ince paso 0.8 mm’lik bir paso şeklinde, son paso talaş miktarı olarak kabul edilmiş ve bu paso tüm işleme şartlarında sabit olarak dikkate alınmıştır [16]. Grafik modülünde ise, elde edilen parametrelerin almış olduğu değerlerin dağılımı grafiksel olarak görülebilmektedir. İşleme parametrelerinin grafikleri, ilerleme hızı-talaş derinliği (Şekil.12) ve ilerleme hızıtezgah gücü (Şekil.13) eğrileri şeklinde sınıflandırılarak izlenebilmektedir. Bu grafiklerden ilerleme hızına bağlı olarak talaş derinliğinin değişimi, ilerleme hızına bağlı olarak gücün değişimi ve en uygun değerleri grafikte görülebilmektedir.

9

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

4. ÖRNEK UYGULAMA Bu çalışmada hazırlanan program Şekil 7’de görülen iş parçasını CNC freze tezgahında işlemek için çalıştırılmıştır. Geliştirilen program iş parçası geometrisi, malzeme cinsi, optimizasyon kriteri, tezgah gücü ve kesici takımın özellikleri olmak üzere beş değişik bilgi gurubundan girdiler elde edip işlem yapmaktadır. Program Şekil 2’de görülen ana menü‘deki girdiler ile minimum maliyet kriteri için çalıştırılmış ve optimum işleme parametreleri elde edilmiştir. Veri tabanından bulunan değerler Şekil 9 ve Şekil 10 da verilmiş olup, optimizasyon işlemi sonunda bulunan değerler ise Şekil 11’de verilmiştir.

Şekil 7. Örnek iş parçası

Şekil 8. Program ana menüsü

10

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

Şekil 9. Malzeme veri tabanından bulunan değerler

Şekil 10. Kesici takım veri tabanından bulunan değerler

Şekil 11. Bulunan işleme parametreleri

11

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

Dosyaya kayıt yapılan işleme parametrelerinin grafik çıktıları programda aşağıdaki şekilde kullanıcıya sunulmakta ve parametrelerin optimum değerleri açıkça görülmektedir. İlerleme hızına bağlı talaş derinliği değişimi grafiği Şekil 12’de görülmektedir.

Şekil 12. İlerleme hızı - talaş derinliği ilişkisi.

Şekil 12’de talaş derinliğine bağlı olarak ilerleme hızının değişimi görülmektedir. Talaş derinliğinin maksimum değerinde minimum ilerleme hızında talaş kaldırılmaktadır. Talaş derinliği azaldıkça, ilerleme hızı da artmaktadır. İlerleme hızı ile talaş derinliği arasında parabolik bir değişim gözlenmektedir. Grafiğin en son verisi, girdi parametrelerine bağlı olarak kaldırılabilecek talaş derinliği ve ilerleme hızını ifade etmektedir. İlerleme hızına bağlı tezgah gücü değişimi de Şekil 13'de görülmektedir. Bu grafikte ise seçilen tezgah gücünde talaşın kaldırılabilmesi için gerekli ilerleme hızının değişimi görülmektedir. İlerleme hızı - tezgah gücü değişimi grafiği parabolik bir dağılım göstermekte olup, büyük tezgah gücü değerlerinde büyük ilerleme hızı değerleri elde edilebilmektedir. Burada girdi parametrelerinden biri olan seçilen tezgah gücünde hangi ilerleme hızında talaş kaldırılacağı grafiğin son verisi ile elde edilmiştir.

Şekil 13. İlerleme hızı - tezgah gücü ilişkisi. 12

Frezeleme İşlemlerinde Ekonomik İşleme Şartlarının Optimizasyonu

5. SONUÇ VE TARTIŞMA İşleme parametrelerinin optimizasyonu amacıyla, tam tarama optimizasyon yönteminin kullanıldığı bir program geliştirilmiştir. Geliştirilen bu programla, talaş kaldırma işleminde ekonomikliğin sağlanması amaçlanmıştır. Bunun için talaş kaldırma işleminde hangi kriterlerin kullanılacağı, programda, kullanıcı için detaylı bilgi gerektirmeden kolaylıkla seçilebilmektedir. Geliştirilen program ile en önemli işleme parametreleri olan kesme hızı, devir sayısı, ilerleme hızı ve paso sayısı değişkenlerinin seçimi yapılmıştır. Verilerin bir kısmının veri tabanlarından alınması ile kullanıcıdan kaynaklanacak hatalar azaltılmış ve işlem istenilen kritere göre en iyi şekilde gerçekleştirilmiştir. CNC tezgahlar için hazırlanan programda minimum maliyet ve maksimum üretim kriterleri amaç fonksiyonları olarak kullanılmış olup, elde edilen işleme parametreleri CNC kod türetme veya işlem planlama sistemlerinde girdi olarak kullanılabilir. Program, geliştirilerek CAD ortamında çizilmiş bir parça resminin boyutlarını bulan, bu boyutlara bağlı olarak da işleme parametrelerini belirleyen ve parametreleri CNC kod türetmede kullanan bir yapıya dönüştürülebilir.

6. KAYNAKLAR 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.

Chang, T.C., Wysk, R.A., Davis, R.P., Choi, B., “Milling Parameter Optimization Through a Discrete Variable Transformation”, Int. J. Production Research., v.20, n. 4, p. 507-516, 1982. Eskicioğlu, A. M., Eskicioğlu, H., “Optimization of Machining Conditions in Metal Cutting with Nonlinear Programming”, Engineering Systems Design and Analysis, ASME, v.47, n.1, p.95-100, 1992. Hati, S. K., Rao, S.S., “Determination of Optimum Machining Conditions Deterministic and Probabilistic Approaches”, Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, Vol.98, p.507-516, 1976. Mesquita, R., Krasteva, E., Doytchinov, S., “Computer Aided Selection of Optimum Machining Parameters in Multipass Turning”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology , v.10, p.19-26, 1995. Jha, N.K., “A Discrete Data Base Multiple Objective Optimization of Milling Operation Through Geometric Programming”, Journal of Engineering for Industry, Trans. ASME, Vol 112, p.368-374, 1990. Kılıç, S.E., Çoğun, C., Şen, D.T., “Talaşlı İşlemlerin Optimizasyonunda Amaç Fonksiyonu Eşdeğer Eğrilerinin Çizilmesi”, Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, Cilt 2, Sayı 3, s.84-91, Haziran 1991. Kirksharian, A., Masory, O., “A graphical Interactive Tool for The Solution of The Machining Economics Problem”, Computer in Engineering 1988, Proceedings, San Franssisco, 143-148, USA, 1988. Wang, Z. G., Rahman, M., Wong Y. S., Sun J., “Optimization of Multi-pass milling using parallel genetic algorithm and parallel genetic simulated annealing”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45, 1726-1734, 2005. Tandon, V.,El Mounayri, H., Kishawy, H., “NC End Milling Optimization Using Evolutionary Computation”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 42, 595–605, 2002. Onwubolu, G. C., Kumalo, T., “Optimization of Multipass Turning Operations With Genetic Algorithms”, International Journal of Production Research, 39 (16) 3727-3745, 2001. Wang, X., Da, Z, J., Balaji, A. K. And Jwahir, I. S., “Performance- Based Optimal Selection of Cutting Conditions and Cutting Tools in Multipass Turning Operations Using Genetic Algorithms” International Journal of Production Research, 40 (9), 2053-2065, 2002. Shunmugan, M. S., Reddy, S. V. Bhaskara., Narendran, T. T., “Selection of Optimal Conditions in Multi-Pass Face- Milling Using A Genetic Algortihm”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 40(3), 401-414, 2000. Çakir, M. C. ve Gurarda, A., “Optimization and Graphical Representation of Machining Conditions in Multi-Pass Turning Operations”, Computer Integrated Manufacturing Systems, 11, 157-170, 1998. Bal, H., “Optimizasyon Teknikleri”,Gazi Üniversitesi, Ankara, 1995. Sandvik, Modern Metal Cutting A Practical Handbook, Sweden, 1994. Sandvik, CoroKey Basitleştirilmiş Takım Seçme Kılavuzu, 3. Baskı, Türkiye, 1997. Akkurt., M., “Talaş Kaldırma Yöntemleri ve Takım Tezgahları”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1992. 13

Metin ZEYVELİ, Mahmut GÜLESİN

18. Degarmo, E. Paul, Black, J.T., Kohser, Ronald A., “J.Material and Processes in Manufacturing”, İnternational Edition, Printice Hall İnternational İnc., 1997. 19. Şeker, U., “Takım Tasarımı Ders Notları”, G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi, Ankara, 1997. 20. Tolouei-Rad, M., Bidhend, I. M., “On The Optimization Of Machining Parameters For Milling Operations”, International J. Machine Tools & Manufacture, 37, 1-16, 1997.

14