Modern dişli üretiminde kuru kesme prosesleri, talaş mekaniği ve proses stabilitesi

Dişli çarklar; otomotiv transmisyonları, elektrikli araç tahrik sistemleri, endüstriyel redüktörler, robotik aktüatörler ve rüzgâr türbini tahrik sistemleri gibi çok sayıda güç aktarım uygulamasında kullanılmaktadır. Bu sistemlerde dişli performansı yalnızca geometrik doğrulukla sınırlı değildir. Diş yüzey kalitesi, profil ve helis sapmaları, yüzey bütünlüğü, gürültü ve titreşim davranışı da üretim prosesinin başarısını doğrudan etkilemektedir.

Dişli üretiminde azdırma (hobbing), özellikle silindirik dış dişlilerin yüksek verimlilikle üretilmesinde en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir. Sürekli kesme hareketi ve takım–iş parçası arasındaki senkronize dönme ilişkisi sayesinde yüksek üretkenlik sağlamaktadır. Bununla birlikte azdırma prosesi; talaş oluşumu, termal yükler ve takım aşınması açısından karmaşık bir talaş kaldırma mekanizmasına sahiptir.

Geleneksel azdırma proseslerinde kesme sıvıları; soğutma, yağlama ve talaş tahliyesi amacıyla kullanılmaktadır. Ancak kesme sıvılarının maliyetleri, çevresel etkileri ve sürdürülebilir üretim hedefleri nedeniyle kuru kesme prosesleri son yıllarda daha fazla önem kazanmıştır. Özellikle yüksek adetli seri üretim uygulamalarında çevrim süresinin düşürülmesi ve üretim kapasitesinin artırılması amacıyla kuru kesme teknolojileri yaygınlaşmaktadır.

Kuru kesme; takım malzemesi, kaplama teknolojisi, kesme parametreleri, talaş tahliyesi ve proses stabilitesinin birlikte değerlendirildiği bütüncül bir üretim yaklaşımıdır. Kuru kesmede oluşan ısının büyük bölümü talaş ile sistem dışına taşınmaktadır. Bu nedenle takım yüzeyine talaş yapışmasının önlenmesi, talaşın kesme bölgesinden hızlı uzaklaştırılması ve kesici kenarın yüksek sıcaklıklara karşı korunması kritik hale gelmektedir.

Bu çalışmada modern dişli üretiminde kuru kesme prosesleri; talaş mekaniği, termal davranış, takım aşınması, kaplama teknolojileri ve proses stabilitesi açısından literatür tabanlı olarak değerlendirilmiştir. Ayrıca kuru ve yaş azdırma prosesleri; kesme hızı, çevrim süresi, takım davranışı ve üretim kapasitesi açısından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.

2. Kuru Kesme Teknolojisinin Dişli Üretimindeki Yeri

2.1. Kuru Kesme ve Yaş Kesme Arasındaki Temel Farklar

Yaş kesme proseslerinde kesme sıvısı üç temel görev üstlenmektedir: kesme bölgesini soğutmak, takım ile iş parçası arasındaki sürtünmeyi azaltmak ve talaşın kesme bölgesinden uzaklaştırılmasına destek olmak. Kuru kesme proseslerinde ise bu üç görev farklı teknik yollarla karşılanmak zorundadır. Soğutma fonksiyonunun büyük bölümü talaşın kesme bölgesinden hızlı şekilde uzaklaştırılmasıyla sağlanır. Yağlama etkisi ise takım kaplaması ve kesici kenar geometrisi üzerinden kontrol edilir. Talaş tahliyesi ise hava yönlendirmesi, takım geometrisi, tezgâh içi talaş akışı ve işleme bölgesi tasarımı ile sağlanır.

Kuru kesmede prosesin başarısı, oluşan ısının iş parçasına ve takıma ne kadar az aktarıldığı ile yakından ilişkilidir. Kesme sırasında oluşan enerjinin önemli kısmı talaş üzerinde taşınabiliyorsa, iş parçasında termal deformasyon riski azalır. Buna karşılık talaşın kesme bölgesinde kalması, yeniden kesime girmesi veya diş yüzeyine temas ederek yüzey hasarı oluşturması durumunda proses kalitesi bozulabilir.

2.2. Kuru Kesmede Takım Kaplamalarının Rolü

Kuru kesme proseslerinde kesici takım kaplamaları kritik öneme sahiptir. Kesme sıvısının bulunmaması nedeniyle takım kesici kenarı daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşır. Bu nedenle kaplamanın oksidasyon direnci, sıcak sertliği, yüzeye yapışma kabiliyeti, sürtünme katsayısı ve aşınma direnci proses performansını etkiler.

TiN kaplamalar geleneksel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmasına rağmen, yüksek sıcaklık dayanımı açısından modern kuru kesme koşullarında sınırlı kalabilir. TiAlN ve AlCrN esaslı kaplamalar, yüksek sıcaklıkta oksidasyon direnci ve sertlik davranışı açısından daha uygun çözümler sunmaktadır. Özellikle alüminyum içeren kaplamalarda belirli sıcaklıklarda Al2O3 esaslı koruyucu oksit tabakasının oluşması, kesici kenarın yüksek sıcaklık etkilerine karşı korunmasına katkı sağlayabilir.

Kuru kesimde kullanılan azdırma bıçakları standart HSS azdırma bıçaklarıyla aynı değerlendirilmemelidir. Bu sistemlerde özel karbür malzemeler ve yüksek sıcaklık dayanımına sahip gelişmiş kaplama teknolojileri kullanılmaktadır. Özellikle TiAlN, AlCrN ve benzeri PVD kaplamalar yüksek sıcaklıklarda sertliğin korunmasına katkı sağlar. Bu sayede kesme hızları artırılabilir, çevrim süreleri düşebilir ve üretim adetleri yükseltilebilir.

Ancak kesme hızının yükselmesi takım üzerindeki termal yükü de artırır. Bu nedenle takım maliyeti, kaplama maliyeti, takım ömrü ve yeniden bileme kabiliyeti kuru kesim değerlendirmesinde birlikte ele alınmalıdır.

3. Takım Aşınması ve Kaplama Davranışı

3.1. Takım Aşınması ve İş Parçası Malzemesinin Etkisi

Kuru kesme proseslerinde takım aşınması; proses stabilitesi, yüzey kalitesi ve üretim maliyeti açısından kritik öneme sahiptir. Dişli azdırma prosesinde kesici kenarlar kesikli yüklemeye maruz kaldığından aşınma davranışı sürekli kesme proseslerinden farklılık gösterebilmektedir. Başlıca aşınma mekanizmaları; abrasif aşınma, yapışmalı aşınma ve krater aşınmasıdır.

İş parçası malzemesi takım aşınmasını doğrudan etkilemektedir. 20MnCr5 gibi yüzey sertleştirme çelikleri uygun takım ve kaplama ile yüksek kesme hızlarında işlenebilirken, 42CrMo4 ve EN-GJS-700-2 gibi malzemelerde aşınma ve takım arızası riski artabilmektedir. Wear dergisinde yayımlanan çalışmada, PM-HSS S390 takımlarla 20MnCr5 malzemesinde 350 m/dk’ya kadar iyi işlenebilirlik rapor edilmiştir. WC-Co K30 karbür takımlarda daha yüksek kesme hızlarına ulaşılabilse de krater ve abrasif aşınma mekanizmaları belirleyici hale gelebilmektedir.

3.2. PM-HSS ve Karbür Takımların Karşılaştırılması

PM-HSS takımlar, kesikli kesme koşullarında tokluk avantajı sağlamaktadır. Dişli azdırma gibi kesikli kesme karakterine sahip proseslerde bu özellik önemlidir. Bununla birlikte PM-HSS takımların bazı uygulamalarda daha yüksek kesme kuvveti ve iş mili torku gerektirdiği belirtilmektedir.

Karbür takımlar, yüksek sıcaklık dayanımı ve yüksek kesme hızlarına uygunlukları nedeniyle kuru kesme proseslerinde önemli avantajlar sunmaktadır. Ancak karbür takımların düşük tokluk davranışı nedeniyle kesikli kesme sırasında çentiklenme veya kırılma riski bulunmaktadır. Bu nedenle karbür takım kullanımında makine rijitliği, takım bağlama kalitesi ve proses stabilitesi daha kritik hale gelir.

Kuru kesimde her azdırma bıçağı kullanılamaz. Uygun karbür malzemesi ve uygun kaplama sistemine sahip azdırma bıçaklarının seçilmesi gerekir. Yüksek sıcaklıktaki talaşın azdırma bıçağı yüzeyine yapışması durumunda takım geometrisi bozulabilir. Talaşın takım ile iş parçası arasına sıkışması halinde hem azdırma bıçağı yüzeyinde hem de dişli yüzeyinde lokal bozulmalar oluşabilir.

Yaş kesim ile kuru kesim arasında dişli kalite sınıfı açısından her zaman belirgin bir fark oluşmaz. Uygun takım, kaplama, tezgâh rijitliği, bağlama ve talaş tahliyesi koşulları sağlandığında kuru kesim ile yüksek kaliteli dişli üretimi mümkündür. Asıl fark çoğu uygulamada çevrim süresi ve kapasite kullanımında ortaya çıkar.

Takım ömrü doğrudan yalnızca kuru kesime bağlı değildir. Proses şartları doğru uygulanırsa takım ömründe ciddi problem oluşmayabilir. Ancak talaş yapışması, yetersiz talaş tahliyesi veya dengesiz kesme parametreleri nedeniyle azdırma bıçağı yüzeyi kısa sürede bozulabilir. Bazı durumlarda çok az sayıda parçada bile takım değişimi gerekebilir.

4. Kuru Kesme Proseslerinde Sürdürülebilirlik ve Üretim Verimliliği

4.1. Çevrim Süresi ve Verimlilik

Yüksek hızlı kuru kesme proseslerinde kesme hızlarının artması çevrim süresinin azalmasına katkı sağlayabilir. Ancak çevrim süresi yalnızca kesme hızına bağlı değildir. Takım ömrü, takım değiştirme süresi, talaş tahliye performansı, ölçüm süresi, proses güvenilirliği ve fire oranı da toplam üretim verimliliğini etkiler.

Bu nedenle kuru kesme proseslerinde verimlilik değerlendirmesi yapılırken yalnızca parça başına işleme süresi değil, toplam proses ekonomisi dikkate alınmalıdır. Takım ömrü azalıyorsa veya yüzey hasarı nedeniyle fire artıyorsa, yüksek kesme hızı tek başına avantaj sağlamayabilir.

Kuru kesim teknolojilerinin özellikle otomotiv sektöründe yaygınlaşmasının temel sebebi yüksek adetli seri üretimdir. Aynı dişlinin yüz binlerce veya milyonlarca adet üretildiği uygulamalarda yüksek maliyetli karbür azdırma bıçakları ve özel kaplama sistemleri ekonomik hale gelir; takım maliyeti toplam üretim adedine yayıldığında kabul edilebilir seviyeye iner.

Redüktör sektöründe ise durum daha farklıdır. Sürekli farklı modüller, farklı diş sayıları ve farklı dişli geometrileri işlendiği için proses sürekliliğini sağlamak daha zordur. Düşük ve orta adetli üretimlerde takım maliyeti, proses geçiş süresi, temizlik ihtiyacı ve kuru/yaş kesim geçişlerinin yönetimi daha kritik hale gelir.

4.2. Sürdürülebilir Üretim Açısından Değerlendirme

Sürdürülebilir üretim açısından kuru kesme prosesleri, kesme sıvısı kullanımını azaltması nedeniyle önemli bir potansiyel taşımaktadır. Bununla birlikte kuru kesme prosesinin sürdürülebilirlik katkısı; takım ömrü, enerji tüketimi, iş parçası kalitesi ve fire oranı ile birlikte değerlendirilmelidir.

Bir proses kesme sıvısını ortadan kaldırsa bile takım ömrünü ciddi şekilde düşürüyor veya fire oranını artırıyorsa sürdürülebilirlik avantajı sınırlı kalabilir. Bu nedenle kuru kesme proseslerinde sürdürülebilirlik; takım, kaplama, talaş tahliyesi, proses stabilitesi ve kalite kontrol ile birlikte ele alınmalıdır.

Avrupa ve Japonya’daki çevresel düzenlemeler de kuru kesim teknolojilerinin gelişiminde önemli rol oynamıştır. Kesme yağlarının çevresel etkileri, atık yönetimi ve yağ kullanımına ilişkin yaptırımlar, üreticileri yağsız kesim teknolojilerine yatırım yapmaya yöneltmiştir. Bu nedenle talaş tahliye sistemleri, termal stabilite, kaplama teknolojileri ve proses kontrol şartları uzun yıllar boyunca optimize edilmiştir.

Kuru kesim teknolojileri yüksek adetli üretimlerde önemli verimlilik avantajı sağlayabilir. Ancak sürdürülebilir başarı için takım teknolojisi, kaplama sistemi, talaş tahliyesi, termal yönetim ve proses kontrolünün birlikte optimize edilmesi gerekir. Düşük ve orta adetli üretim yapan işletmelerde ise proses değişkenliği ve yüksek takım maliyetleri nedeniyle aynı ekonomik avantaj her zaman oluşmayabilir.

4.3. Kuru ve Yaş Azdırma İçin Kesme Hızı, Kaplama ve Çevrim Süresi Karşılaştırması

Azdırma işleminde kesme süresi, Gleason Cutting Tools dokümanında verilen eksenel azdırma kesme süresi bağıntısına göre değerlendirilmiştir. Bu bağıntı, toplam ilerleme mesafesi, iş parçası diş sayısı, azdırma bıçağı devri, eksenel ilerleme ve azdırma bıçağı başlangıç sayısı arasındaki ilişkiye dayanmaktadır.

Toplam ilerleme mesafesi: Azdırma bıçağının işlem boyunca eksenel yönde kat ettiği toplam mesafedir. Yalnızca dişli yüz genişliğinden oluşmaz. Yaklaşma mesafesi, dişli yüz genişliği ve çıkış mesafesinin toplamıdır. Bu değer büyüdükçe kesme süresi artar.

Parça diş sayısı: İşlenen dişlinin toplam diş sayısını ifade eder. Diş sayısı arttıkça iş parçasının dönmesi gereken toplam açı artar ve çevrim süresi uzar.

Azdırma bıçağı devri (RPM): Azdırma bıçağının dakikadaki dönüş sayısıdır. Kesme hızı arttıkça RPM yükselir ve kesme süresi düşer.

Eksenel ilerleme: Azdırma bıçağının iş parçası boyunca eksenel yönde ilerleme miktarıdır. Genellikle mm/dev olarak ifade edilir. İlerleme arttıkça çevrim süresi azalır; ancak talaş kalınlığı ve takım yükü büyür.

Azdırma bıçağı ağız sayısı: Aynı anda talaş kaldırmaya katkı sağlayan başlangıç (thread) sayısını ifade eder. Ağız sayısı arttıkça bir devirde daha fazla ilerleme gerçekleştiği için çevrim süresi azalır

RPM → Azdırma bıçağı devri (dev/dk)
V_C → Kesme hızı (m/dk)
Hob ØD → Azdırma bıçağı dış çapı (mm)

Bu tabloya göre modül 4 ve 600–750 N/mm² çekme dayanımı aralığında TiN kaplamalı S705/M35 yaş kesim referans alındığında, AlCrN kaplamalı ASP2052/S390 ile kesme hızı 70 m/dk’dan 132 m/dk’ya çıkmaktadır. S290 AlCrN ile 165 m/dk, MC-90 AlCrN ile ise 184 m/dk değerine ulaşılmaktadır. Bu artış doğrudan azdırma bıçağı devrini ve kesme süresini etkilemektedir.

Aynı parça için örnek kesme süresi hesabı

Yaş kesim — S705/M35 TiN — 70 m/dk

4.4. Kaplama ve takım malzemesine göre kesme süresi karşılaştırması

Burada görülen temel nokta şudur. Aynı modül, aynı diş sayısı, aynı azdırma bıçağı çapı, aynı eksenel ilerleme ve aynı başlangıç sayısı altında çevrim süresini düşüren ana parametre kesme hızıdır. Kesme hızını yükselten unsur ise yalnızca kuru kesme yöntemi değildir, takım malzemesi ve kaplama kombinasyonu belirleyicidir.

4.5. Modül büyüdükçe kesme hızı nasıl değişiyor?

Aynı koşulda S705/M35 TiN Yaş Kesim ve MC-90 AlCrN yaş kesim değerleri ise tablodaki gibidir.

4.6. Kaplama ve takım malzemesi karşılaştırması

TiN kaplama klasik yaş kesme için ekonomik ve yaygın bir çözümdür. Ancak maksimum çalışma sıcaklığı 600°C seviyesinde kaldığı için kuru kesmede sınırlayıcı olabilir. TiAlN kaplamalar 800°C seviyesine kadar çalışabildiği için kuru kesmede daha uygun hale gelir. AlCrN kaplama ise 1100°C maksimum çalışma sıcaklığı, 3200 HV sertlik ve 0,35 sürtünme katsayısı ile yüksek sıcaklıklı kuru kesme uygulamalarında daha avantajlıdır.

4.7. Yaş kesim ve kuru kesim arasındaki teknik değerlendirme

Yaş kesimde kesme sıvısı; soğutma, yağlama ve talaş tahliyesi görevlerini desteklediği için proses daha toleranslıdır. Bu nedenle TiN kaplamalı klasik takım sistemleri uzun yıllardır yaygın olarak kullanılmaktadır. Kuru kesimde ise oluşan ısının büyük bölümü talaş ile uzaklaştırılmak zorundadır. Bu nedenle takım kaplamasının sıcaklık dayanımı, talaş tahliyesi ve proses stabilitesi kritik hale gelmektedir. AlCrN kaplamalar yüksek sıcaklık dayanımı ve düşük sürtünme katsayısı sayesinde yüksek hızlı kuru kesme uygulamalarında önemli avantaj sağlamaktadır.

Yapılan örnek hesapta TiN kaplamalı yaş kesimde yaklaşık 54,7 sn olan kesme süresi; S290 AlCrN kuru kesimde 23,2 sn’ye, MC-90 AlCrN kuru kesimde ise 20,8 sn’ye düşmektedir. Bu durum özellikle yüksek adetli üretimlerde önemli kapasite artışı sağlamaktadır. Ancak kuru kesmenin başarılı şekilde uygulanabilmesi için takım malzemesi, kaplama teknolojisi, talaş tahliyesi, tezgâh rijitliği ve proses parametrelerinin birlikte optimize edilmesi gerekmektedir.

5. Kaynaklar

1. Kobialka, C., (2002), “Contemporary Gear Hobbing – Tools and Process Strategies”, AGMA Technical Paper, 02FTM6.
2. Hodgyai, N., Máté, M., Oancea, G. and Dragoi, M.V., (2024), “Gear Hobs—Cutting Tools and Manufacturing Technologies for Spur Gears: The State of the Art”, Materials, Vol. 17, 3219.
3. Stark, S., Beutner, M., Lorenz, F., Uhlmann, S., Karpuschewski, B. and Halle, T., (2013), “Heat Flux and Temperature Distribution in Gear Hobbing Operations”, Procedia CIRP, Vol. 8, pp. 456-461.
4. Ueda, Y., Sakurai, N., Takagi, T., Ishizu, K. and Yan, J., (2022), “Exploratory Investigation of Chip Formation and Surface Integrity in Ultra-High-Speed Gear Hobbing”, CIRP Annals, Vol. 71, No. 1, pp. 117-120.
5. Troß, N., Brimmers, J. and Bergs, T., (2021), “Tool Wear in Dry Gear Hobbing of 20MnCr5, 42CrMo4 and EN-GJS-700-2”, Wear, Vol. 476, 203737.
6. NIDEC Machine Tool Corporation, (2021), “Dry Hobbing / Countermeasure for Scratch”, Cutting Tool News.
7. Mitsubishi Heavy Industries, (2015), “Technical Change of Super Dry Coating for Gear Cutting with Low Cost and High Efficiency”, Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, Vol. 52, No. 3.
8. Gleason Corporation, (2016), “Hob Cutters”, Technical Documentation.
9. Samputensili Cutting Tools, (2023), “Gear Hobbing Cutting Data Recommendations”, Technical Documentation.
10. LMT Tools, (2022), “SUNITE Coating Technologies for Gear Cutting Tools”, Technical Documentation.
11. Klocke, F. and Eisenblätter, G., (1997), “Dry Cutting”, CIRP Annals, Vol. 46, No. 2, pp. 519-526.

https://www.yigitersoy.com/