Osman YAZICIOĞLU, Senai YALÇINKAYA *

Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Eğitimi Bölümü

GİRİŞ

Genel olarak su jeti (SJ), kesme ve delme işlemlerinin yapılmasını sağlamaktadır.  Su jetine aşındırıcı katıldığında daha sert parçaların da kesilmesi mümkün olmakta ve bu yöntem   aşındırıcılı su jeti (ASJ) olarak bilinmektedir. Su jeti kesme kuvvetlerini azaltmakta ve ısınmayı yok etmektedir. İşleme  esnasında  parçaya temas olmadığından takım aşınması söz konusu değildir.

Şekil 1. Aşındırıcı Beslemesi Yandan Olan Tekli Su Jeti Lüle Tasarımı

 

Sistemde kullanılan temel elemanlardan filtre, suyu temizler ve sistemin ömrünü uzatır. Kompresör, yüksek basınçta su sağlar. Borular ve bağlantı elemanları basınçlı suyun taşınması için kullanılır. Aşındırıcı silosu, aşındırıcı sağlar. Orifis, karışım odası ve lüle aşındırıcı ile suyun karıştırılmasını temin eder. Kesme lülesi, jetin yönlendirilmesini sağlar. Sayısal denetimli eksenler kesme kafasının konumlanması ile görevlidir. Tutucu eleman ise harcanan jetin yakalanması için kullanılır. Uygulamada sistemin optimum koşullarda çalışması için hazırlanan yazılımlar kullanılmaktadır. ASJ yöntemi teknik, güvenlik, ekonomi ve çevre yönleriyle üstünlükler sağlamaktadır. 
 

ÇALIŞMA İLKESİ

ASJ sisteminin kalbi Şekil 1’de verilen çok küçük aşındırıcı su jeti lülesidir. Basınçlı su safir bir lüleden, yüksek hızlı jet olarak çıkar. Su jeti ve katı aşındırıcı parçacıklar akımı ayrı bir besleme kanalından özel şekillendirilmiş aşındırıcı jet lülesine girer. Burada su jeti momentumunun bir kısmı aşındırıcı parçacıklara geçer ve aşındırıcıların hızı çabucak artar. Aşındırıcı parçacıkların ivmelenmesi için harcanan enerjinin su jetine verilen toplam enerjinin sadece %0.3 kadarı olduğu bilinmektedir [7].

Su jeti ile aşındırıcı parçacıklar arasındaki momentum geçişi karmaşık bir olaydır. Mekanizmalardan biri basınçlı su jetinin sınırlı dinamik kararlılığı ile ilgilidir. Su jeti damlalar halinde kırılarak katı parçacıkları ivmelendirir. İkinci bir mekanizma su fazının katı parçacıklara gösterdiği sürüklenme kuvvetleri ile ilgilidir.

Su ve aşındırıcı arasında momentum geçişinin sonucunda lülede yüksek hızlı aşındırıcı akışı oluşur ve böylece kesme veya delme işlemi gerçekleştirilir. Hızlı değişen gerilme alanlarının veya kesilen malzemenin özelliklerine bağlı mikro işlem etkilerinin etkisi altında  erozyon, kayma ve kırılma sonucu kesme meydana gelir. Kesme hızı besleme hızı, parçadan uzaklık, su jeti  basıncı veya aşındırıcı parametreleri  ayarlanarak denetlenir. Lüleler Şekil 2’deki gibi tekli veya çoklu su jetleri için de tasarlanabilir [6-7-10-11].

Bor karbür (B₄C) iyi bir aşındırıcıdır ancak pahalıdır. Silisyum karbür (SiC) ve korund (Al₂O₃) diğer aşındırıcılardandır. Akışkan olarak sudan başka benzen, gliserin ve mineral yağlar da kullanılabilmektedir.

Şekil 2. Aşındırıcı Beslemesi Yandan Olan Tekli ve Merkezden Olan Çoklu Su Jeti Tasarımları

SİSTEMİN TEKNİK ÖZELLİKLERİ

ABD endüstrisinde en büyük su jeti ile işleme kapasitesine sahip LAI şirketi bünyesinde 18 adet su jeti istasyonu bulunmakta ve 1100 çeşit su jeti uygulaması yapılmaktadır [15].

Aşındırıcılı su jeti ile metal kesmede yüksek su basınçları kullanıldığında maliyet düşmektedir. Ancak aşınma nedeniyle lüle ömrü kısalmaktadır. Bu yöntem, alışılmış talaşlı üretimdekine göre daha karmaşık olan erozyon kavramına dayanmaktadır. Kesme derinliği belirli bir basınçtan sonra lineer değişmektedir [8-9-22-24].

Tipik bir ASJ sisteminin fiyatı 100 000 $ dolar civarındadır. ABD'de Dia Jet Limited tarafından piyasaya sürülen bir ASJ sisteminde su basıncı 69 MPa, su debisi 16 L/min, kesme tablası tam otomatik ve 3x1.5m boyutlarında,  PC Burny 10 ve Windows NT esaslı PC denetimli  olarak verilmektedir[4].  Sistemin özelliklerine göre fiyat değişmektedir. Özellikle üç boyutlu işleme yapabilen tablanın değişmesini gerektirmeyen sistemler özel amaçlarla çalışmada kolaylık sağlamaktadır. Amaca uygun çalışma için yeterli  sistemlerin seçilmesi gereği açıktır.  Kullanım ihtimali düşük ise daha karmaşık bir sistemin seçilmesi gereksiz olarak maliyeti artıracaktır.

Yüksek pompa basınçları uygulamada sorun çıkarmaktadır. Basınç 200 MPa olduğunda yüksek basınçlı contalarda 700-800 saat  ömür elde edilebilmektedir. Basıncın 380 MPa değerine yükselmesi conta ömrünü 150-200 saate düşürmektedir [12].

Döküm için yüksek gürültü seviyesi 80-100 dBA ortaya çıkmaktadır. Deere firması mühendislerinden David Malm  böyle durumlarda işitme duyusunu koruyucu ekipman giyilmesi gerektiğini belirtmektedir [16].

ASJ sisteminde, üretilen tasarım verileri CADAM veya CATIA bilgisayar destekli tasarım programları kullanılarak değerlendirilmekte ve  DNC (doğrudan sayısal denetim) cihazına ve sonra da hücre denetçisine girilmektedir [13].

Bilgisayar yazılımları, kesme hızı ve çalışma maliyetini 20 ye kadar parametrenin fonksiyonu olarak çubuk grafikler ile verebilmektedir. Böylece belirli bir malzeme ve parça kalınlığı için çeşitli parametrelerin sistemin başarısını nasıl etkilediğini kullanıcının görmesi sağlanmaktadır. Toplam maliyeti, elektrik gücü, işçilik, su, aşındırıcı, orifis ve tüp aşınması ve pompa bakımı oluşturmaktadır. Böyle bir yazılımın fiyatı 900 $ kadardır [1].

Kesme işleminde kullanılan   basınçlı su jetinin önemli üstünlüklerinden biri yüksek işleme hızıdır. Beş eksenli uygulanan basınçlı su jeti  çok yüksek esneklik  sağlamaktadır. Ayrıca takım masraflarını azaltmakta ve çok adımlı işlemlerde yeniden konumlama ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır.  Beş eksenli olmayan düz su jeti makinalarında bazı parçaların işlenmesi mümkün değildir. Tek parça alüminyumdan helikopter rotor parçaları beş eksenli makinalarda  işlenebilmektedir. Nükleer pompa ve jeneratörler için pervane vanaları gibi üç boyutlu işleme gerektiren elemanlar da imal edilebilmektedir. Petrol kuyusu sondajı, aydınlatma ve  kağıt sanayiinde kullanılan boru, tüp ve bilezik gibi eğri yüzeyler üzerinde özel açılı kanal ve deliklerin açılması da mümkün olmaktadır. ASJ ile plastik kompozitler dahil pek çok parça kesilebilmektedir. Alüminyum, çelik ve titanyum için kesme kalınlığı 450 mm ye kadar çıkmaktadır. Hareket denetimli makinalarda programlanan yörüngelerle konum toleransı 625 mm kadar olabilmektedir. Esasen ısı üretilmediği ve temas olmadığı için çok ince parçalarda bile çarpılma oluşmamaktadır.

Basınçlı su jeti ile belirli kalınlıktaki parçaların kesilmesinde   parametrelerin seçimi için bulanık mantık ve genetik yaklaşımların birlikte kullanıldığı yeni bir yaklaşım  Chakravarthy ve Babu tarafından teklif edilmektedir. Böylece optimum çalışma parametreleri, su jeti basıncı ve aşındırıcı debisi gibi belirlenebilmektedir [2-3].  Süreç kontrolü ve süreç modelleme tanımlanmakta ve kalite ve güvenirliğin iyileştirilmesi araştırılmaktadır [21].

Sert kayaların   delinmesi Kolle (1998:90-94) [14] ve kesilmesi   Xiaohong, Jiansheng , Yiyu, Lin, Huiming ve Jiajun (2000:1143-1148) [23] tarafından incelenmektedir.

SU JETİNİN UYGULANDIĞI MALZEMELER

Su jetinin aşındırıcılı veya sade olarak uygulandığı malzeme çeşitlerinde artış olduğu gözlenmektedir. Hızı 760 m/s'ye ulaşan su jeti, sunta ve mantar gibi birçok malzemeyi kesebilmektedir. Aşındırıcılı su jeti ise çelik ve titanyum gibi sert malzemelerin kesilmesinde kullanılmaktadır[5]. Tablo 1'de aşındırıcı kullanılmasına göre su jeti ile işlenebilen malzemelerin bir listesi verilmektedir.

Tablo 1. Aşındırıcı Kullanılma Durumuna Göre Su Jeti İle İşlenebilen Malzemeler

SU JETİNİN DİĞER YÖNTEMLERLE KARŞILAŞTIRILMASI

Su jeti ile yapılan işlemlerde en temel özellik ısıl gerilmelerin ortaya çıkmamasıdır. Böylece çarpılmalar önlenmekte ve malzeme özellikleri korunabilmektedir. Ayrıca cam ve plastik gibi düşük sıcaklıklarda ergiyen malzemeler sorunsuz kesilebilmektedir. Endüstride makina parçaları için Bilgisayar Destekli Tasarım(CAD) yazılımları ile üretilen çizimler kullanılabilmekte ve kalıp, takım tertibatı veya CNC programlama gerekmemekte sonuç olarak su jeti yöntemi düşük maliyet sağlamaktadır.

İmal edilecek parça sayısında alt sınır yoktur. İlk maliyetin düşük olması, yüksek kaliteli ürünlerin bir adet bile olsa imalatını mümkün kılmaktadır.

Diğer yöntemlerde kalıp veya takım tertibat için belirli süre beklemek gerektiği halde su jeti ile üretimde çizimlerden hemen işe başlanılabilmektedir.

Kesme işleminde ±0.1mm gibi yüksek hassasiyet elde edilebilmekte ve kesme yüzeyi ince kum püskürtülen yüzeyler gibi düzgün çıkabilmektedir. Hurda miktarını azaltmaktadır. Nükleer santral gibi yerlerde yangın tehlikesini ortadan kaldırdığından güvenlik sağlamaktadır. Zararlı gazlar, sıvılar veya yağlar gerekmediğinden çevreyi koruyucu özelliği bulunmaktadır.

Su jetinin laser ve tel erozyon gibi yöntemlerle parça maliyeti, hassasiyet, işe başlama durumu, malzeme kısıtı, çarpılma ve kesme yüzeyi yönlerinden karşılaştırılması Tablo 2’de verilmektedir [5-19].

Tablo 2. Su Jetinin Diğer Yöntemlerle Karşılaştırılması

 
Tablo 2'de su jetinin, malzeme kısıtı ve çarpılma bakımından diğer tüm yöntemlerden daha iyi durumda olduğu görülmektedir. Malzeme kısıtı bulunmaması değişik malzemeler için yatırım yapılması zorunluluğunu ortadan kaldırmakta ve kapasite kullanım oranını iyileştirmekte ve böylece su jeti yöntemine önemli üstünlük kazandırmaktadır. Çarpılma oluşmaması ise masraflı son işlemler yapılması gereğini ortadan kaldırmakta ve böylece zaman tasarrufu da sağlamaktadır. Kesme yüzeyinin durumu ise tel erozyon gibidir ve yine diğer yöntemlerden üstündür. Parça maliyeti yönünden ise plazma ve alevle kesmeden daha pahalı bulunmaktadır.
 

SONUÇ

Aşındırıcılı su jeti tasarımları, imalatta kullanılmaya başlandığı 1980’li yıllardan itibaren yapılan  araştırmalarla yetenek ve hassasiyet yönünden sürekli bir iyileşme göstermektedir. ASJ ile plastik ve kompozit dahil hemen her malzeme kesilebilmekte ve düz veya açılı olarak delinebilmektedir. Tasarımdan üretime geçiş doğrudan yapılmakta ve bekleme gerekmemektedir. Kesme parametrelerinin optimizasyonu için geliştirilmiş yazılımlar bulunmaktadır. Yüksek basınç kesme kalitesini iyileştirmekte ancak lülelerin ömrünü kısaltmaktadır. ASJ nin endüstride maliyet ve kesme süresi yönünden tasarruf sağladığı belirtilebilir. 
 WATERJET kesme teknolojisi

Teknoloji

Sujeti (waterjet) ile kesme yöntemi , kalınlıkları 0,1 mm den 200 mm ye kadar sert veya yumuşak ayrımı olmaksızın , yeryüzündeki tüm malzemeleri 0,1 ila 1,1 mm arasında su veya su-abrasiv karışımı hüzmesi ile kesebilen bir teknolojidir.

Basınç oluşumu:

Sistem , primer ve sekonder olmak üzere iki ayrı kademeden oluşur. Primer kademe ; değişken deplasmanlı basınç duyarlı bir pistonlu hidrolik pompa aracılığıyla oluşturulan max. 200 bar hidrolik yağ basıncından oluşur.Pompanın hemen üzerine yerleştirilmiş NG16
ölçüsünde, H merkez bir yön denetim valfi aracılığıyla çift milli hidrolik silindirin primer kademesinin ,strok sonlarına bağlı olarak sıra ile basınçlandırılması sağlanır. Çift milli silindirin millerinin içerisinde hareket ettiği kılıflar ayni zamanda sekonder kademenin silindirlerini oluşturur.Hidrolik kademenin piston alanı ile çift taraflı piston millerinin kesit alanları arasında 20 kat alan farkı vardır. Dalma tip (plunger) konstrüksiyon esasına göre çalışan yüksek basınç kademesinde oluşan basınç da , bu alan farkı nedeniyle, primer hidrolik kademede oluşturulan 200 bar basıncın 20 katı olan 4000 bar seviyesindedir. Ancak enerjinin korunum kanunları esasına dayalı olarak , Primerden basılan 4000 bar basınçlı kesme suyunun debisi de , primer kademedeki hidrolik yağ debisinin 1/20 si kadar olacaktır.
Su çıkış debisi , pompa tiplerine bağlı olarak 1 lt/dak ile 8,5 lt/dak arasında değişmektedir.

Suyun aşındırma etkisi:

Sistemin sekonder devresinde oluşturulan 4000 bar basınçlı su, Pnömatik uyarılı yüksek basınç iğne valfe (kesme kafası) ulaştırılır.
Kesme kafasının çıkışına yerleştirilen 0,1 ila 0,35 mm gerçek elmas veya endüstriyel elmas(safir) memeye kadar basınç enerjisi şeklinde ulaştırılan su basıncı , suyun elmas memeden fışkırması ile atmosfer basıncına düşer. 4000 bar basınç farkından oluşan su akış hızı 800 m/sn (ses hızının 2,5katı ) mertebesindedir. Yumuşak malzemelerin kesilmesi , memeden fışkıran yalın suyun direk etkisiyle gerçekleşir. Sert malzemelerde ise , hem malzemeye çarpan tanecikerin dinamik etkisini (F= m x a) arttırmak hem de keskin köşeli taneciklerin çarpmasıyla oluşan aşındırmayı arttırmak amacıyla fışkıran suyun içerisine, hassas olarak dozajlanan abrasiv karışımı sağlanır. Suyun aşındırma etkisini kesme gerilmesi şeklinde ifade etmek mümkündür , bu durumda T [daN/cm2]= F [daN] / A [cm2] formulü ile tanımlanan bir proses ortaya çıkarki , buradaki alan fışkıran su huzmesinin alanı , kuvvet ise, çarpan su-abrasiv taneciklerinin dinamik etkisidir. Suyun ilk memeden (su memesi) çıkış aşamasında , çok yüksek hızlı suyun bir karışım odasından (venturi borusu) geçerken oluşturduğu vakum etkisiyle içerisine çektiği abrasiv , su ile karışarak malzeme üzerine fışkırtılır.

Su memesi / Abrasiv borusu :

İlk kademedeki su memesinin çapının yaklaşık 3 katı olan çaptaki ikinci kademe abrasiv borusu olarak adlandırılır . Su ile abrasivin karışım halinde fışkırdığı bu borunun çapı , 0,55mm , 0,76mm , 1,1 mm gibi üç ayrı alternatife sahiptir. Bu durumda , kesilen parçadaki kesim izi kalınlığı ve girilebilen min.radüs çapı da bu ölçülerde olacaktır. Abrasiv borusu çapı arttıkça , malzeme üzerine aktarılan enerji miktarı da artacağından , kesim hızına etkisi hızı arttırma yönünde olacaktır.Kullanılabilecek abrasiv borusunun çap sınırı da kullanılan yüksek basınç pompası debisiyle ilintilidir. Abrasivli kesimde kullanılabilecek Pompa / su memesi / abrasiv memesi ilişkisi aşağıda verilmiştir.

Waterjet kesme yönteminin kullanım alanları