Optimal takım işleme?
Stream Finishing (SF) ile Electro Finishing (EF) karşılaştırması

Giriş
Kesici kenar yuvarlatma ve kesici kenarların homojenleştirilmesi, takım ömrünü artırmak için temel önlemlerdir. Hem mekanik kütlesel yüzey işleme, özellikle Stream Finishing Prosesi, hem de Electro Finishing, hedefe yönelik kenar hazırlığı için seçenekler sunar. Stream Finishing Prosesi yüksek malzeme kaldırma oranı ve esnekliği sayesinde daha büyük takımlar için uygunken, Electro Finishing mekanik kuvvetlere dayanamayacak hassas takımlarda avantajlarını gösterir. Bu rapor her iki prosesi ayrıntılı olarak açıklamakta, avantaj ve dezavantajlarını karşılaştırmakta ve uygulama alanlarını incelemektedir.


1. Mekanik stream finishing: Stream Finishing Prosesi

Stream Finishing Prosesi, aşındırıcı granül ile doldurulmuş döner bir proses kabına dayanır ve iş parçası bu kabın içine daldırılır. Belirli proses parametrelerinin ayarlanması, 0.5 ile 2.0 arasında ayarlanabilir C faktörü ile kontrollü kesici kenar yuvarlatma sağlar. Genellikle daha uzun takım ömrü ve iyileştirilmiş talaş oluşumu sağlamak için 1’den büyük bir C faktörü tercih edilir.

1.1 Proses tanımı ve teknik uygulama

Stream Finishing, genellikle aşındırıcı taşlama veya parlatma granülü ile doldurulmuş döner bir proses kabına dayanır; belirlenen şekilde sabitlenmiş iş parçası bu kaba daldırılır (Şekil 1).
OTEC Präzisionsfinish GmbH, bu prosesi Stream Finishing (SF) Prosesi olarak geliştirmiştir. İş parçası tutucusunun kendi ekseni etrafında hassas dönüşü, daha geniş bir işleme seçenekleri yelpazesi sağlar. Eksenler etrafında birçok dönüş kombinasyonu mümkündür. İş parçası tutucusu ayrıca boyuna eksen etrafında darbeli şekilde (yani yüksek dinamikli alternatif dönüş) döndürülebilir. Daldırma derinliği ve açısı ile ortaya çıkan duvar ve taban boşluğu, proses verimliliğini ayarlamak için temel parametrelerdir. Akış, proses parametreleri kullanılarak belirli iş parçası gereksinimlerine çok esnek şekilde uyarlanabilir. Bu sayede homojen yüzey işleme ve hedefe yönelik kenar ve kesici kenar hazırlığı sağlanır.

*Şekil 1 Stream Finishing (SF) için basitleştirilmiş şema, kap (solda), kısmi radyal kesit görünümü (ortada). Şeffaf, döner bir kapta dolgu üst tabakasının görünümü.


Sürtünme enerjisi, granülün iş parçasına göre basıncı ve hareketinden kaynaklanır. Stream Finishing sırasında bu enerji girişi yüzey kondisyonlama için faydalıdır [1] ve kayma gerilimi kaynaklı mikro yapısal değişimlere olanak tanır; bu durum yüksek hız çeliği (HSS) için basma kalıntı gerilimi oluşumuna da yol açabilir. Uzun yıllara dayanan uygulamalar, Stream Finishing Prosesinin yüksek tekrarlanabilirlik sunduğunu ve farklı takım geometrilerine esnek şekilde uyarlanabildiğini göstermektedir. DEM simülasyonu gibi dijital modelleme yenilikleri, bu güçlü yönler açısından ek geliştirme potansiyeli sunmaktadır.

1.2 Sanal model olarak DEM simülasyonu

Stream Finishing gibi kütlesel yüzey işleme prosesleri Ayrık Elemanlar Yöntemi (DEM) ile simüle edilebilir. Geleneksel FEM veya CFD yöntemlerinden farklı olarak DEM, birbirleriyle ve sınır yüzeyleriyle etkileşime girebilen serbest hareketli parçacıkları simüle eder [2]. Dinamik hareketler için sürekli güncellenmesi gereken statik bir hesaplama ağına ihtiyaç yoktur. Her zaman adımında, her parçacığın komşu parçacıklarla ve duvarlarla (örneğin iş parçası yüzeyi) etkileşimi hesaplanır. Zaman adımı, her parçacık hareketinin hassas şekilde yakalanmasını sağlayacak kadar küçüktür. Bu durum, örtük çözücülerdeki yakınsama problemlerini ortadan kaldırır – bu da açık simülasyon yöntemlerinin bir avantajıdır. Parçacıklar ile duvar arasındaki kuvvetler, göreli hareket, kütle ve atalet üzerinden hesaplanır; teğetsel sürtünme ve adezyon kuvvetleri de eklenir. Normal temas modelinde, örtüşen parçacık sayısı arttıkça kuvvet artar; yay-sönümleyici model, karşı kuvvet azaldığında geri sıçrama üretir. Enerji emilimi de restitüsyon katsayısına bağlı olarak bu aşamada modellenir. Bu simülasyon yöntemi hem karmaşık hem küresel hem de ideal küresel parçacık şekilleri için uygundur. Küresel soyutlama daha az hesaplama gerektirir ve milyonlarca parçacığın simülasyonuna olanak tanır. Küresel olmayan parçacıklar için yuvarlanma direnci modeli kullanılarak hem verimli hem de gerçekçi simülasyon sağlanır.

DEM simülasyonunun nicel ve görsel değerlendirme seçenekleri oldukça çeşitlidir. Doğrulama simülasyonları veya makine yük analizleri için ortaya çıkan kuvvetler veya eğilme momentleri kullanılır. Bunlar, iş parçası ve tutucu üzerindeki toplam yerel normal ve teğetsel kuvvetlere dayanarak hesaplanır. Uygulamaya yönelik optimizasyonlar için parçacıkların iş parçası yüzeyine göre bağıl hızı ve yerel basınç ile bağıl hızın çarpımı özellikle önemlidir. Yeterli basınç ya da yüksek hız tek başına etkili işlemeyi sağlamaz – yalnızca her iki değişkenin kombinasyonu uygun bir performans göstergesi sunar. Bu değişken P×V değeri olarak adlandırılır ve prosesin performans eşdeğerini temsil eder [4].

Electro Finishing, elektrolitler içinde metalin anodik çözünmesi yoluyla hassas yüzey işleme sağlar [6]. Özellikle hassas takımlar veya malzemeler (örneğin sert metal) için avantaj sunar çünkü iş parçasına neredeyse hiç mekanik gerilim uygulamaz.

2.1 Proses tanımı ve teknik uygulama

Electro Finishing, elektrolit içinde malzemenin hedefli anodik çözünmesi yoluyla metal yüzeylerin pürüzlülüğünü azaltan elektrokimyasal bir prosestir. Mekanik parlatmanın aksine, kristal mikro yapıyı değiştiren veya yüzeye gömülebilen aşındırıcılar kullanılmaz. Bu nedenle hassas ve karmaşık şekilli iş parçaları safsızlık oluşmadan ve mekanik deformasyon olmadan pürüzsüzleştirilebilir. Bu avantajlar, son yıllarda özellikle medikal implantlar ve diş hekimliği alanında artan endüstriyel kullanım sağlamıştır.

Anodik çözünme ile yüzey düzeltme prensibi 20. yüzyılın başında Beutel [5] ve Spitalski [6] tarafından tanımlanmış olsa da, günümüzde kullanılan elektropolisaj çözümlerinin çoğu Figour [7] ve Jacquet [8] tarafından 1930’larda yapılan çalışmalara dayanmaktadır. Sonraki yıllardaki sistematik çalışmalar, Electro Finishing’in difüzyon sınırlı bir tabaka oluşumuna bağlı olduğunu ve özellikle mikro pürüzlülüğün bu şekilde giderildiğini göstermektedir [9–19].
En iyi pürüzsüz ve parlak yüzeyi elde etmek için Electro Polishing prosesi, elektrolit ve iş parçası malzemesi iyi uyumlu olmalıdır [18, 19]. Güçlü asit karışımlarından nötr ve alkalin çözeltilere ve susuz çözeltilere kadar birçok elektrolit sistemi vardır [20]. Bunlar, sıvı elektrolitin anodik potansiyel uygulanarak iş parçasını çözmesi ve böylece malzeme kaldırarak yüzeyi pürüzsüzleştirmesi ile karakterizedir. Bu nedenle bunlara parlatma banyoları denir. Ancak bu banyoların dezavantajları; genellikle yüksek derecede korozif olmaları, zararlı maddeler içermeleri ve elektrotlarda yüksek gaz oluşumu üretmeleridir. Ayrıca elektrik alanı gölgelenmesi nedeniyle karmaşık şekilli parçaların iç bölgeleri daha az etkili işlenir veya hiç işlenmez.

Katı parçacıklar ve sıvı elektrolit içeren karışımlar, yüzeyin daha homojen işlenmesini sağlayan alternatif bir yaklaşımdır [21, 22]. Bu sayede geleneksel parlatma banyolarına göre daha çevre dostu ve daha az korozif kimyasallar kullanılabilir.

*Şekil 3 İletken sıvı içeren katı parçacıklı süspansiyonda metal yüzey çözünmesini gösteren şematik çizim. Metal iyonları (Mez+) iletken elektrolit çözeltisi ve fonksiyonel katılar tarafından absorbe edilir.

2.2 Avantajlar ve sınırlamalar

Sert metal takımların Electro Finishing işleminde önemli bir malzeme özel konusu kobalt çözünmesidir – kobalt bağlayıcı fazın seçici çözünmesi. Bazı uzmanlar bunu dezavantaj olarak görürken, diğerleri sonraki PVD kaplamalar için aderansı artırdığını düşünmektedir. Kobalt çözünmesini minimuma indirme çalışmaları sürmektedir.
Electro Finishing’in bir diğer avantajı, mevcut PVD kaplamaların pürüzsüzleştirilmesi ve daha iyi bir son yüzey elde edilmesidir. Bu işlem sırasında metal atomları çözünürken, bileşikteki oksijen veya azot gaz fazına geçer. Bu kaplamalar genellikle mekanik aşınmaya karşı çok dirençli olduğundan, bu elektrokimyasal malzeme giderim yöntemi burada özellikle avantajlıdır. Mekanik aşınma, kaplama damlacıklarının kopmasına neden olabilir; bu durum Electro Finishing sırasında plato benzeri malzeme giderimi ile oluşmaz.
Hedefli proses kontrolü ile Stream Finishing, damlacıkların nazik şekilde giderilmesini veya pürüzsüzleştirilmesini sağlar. Damlacık kopmasının kabul edilebilir olduğu durumlarda, yüzey pürüzlülük tepe değerlerini hızlı şekilde azaltmak için kullanılabilir.
Electro Finishing ile elde edilen düşük mikro pürüzlülük, kesme temas yüzeyleri arasındaki yapışmayı azaltır ve kuvvet iletimini optimize eder. Stream Finishing ile karşılaştırıldığında, Electro Finishing genellikle 0.7 ile 0.9 arasında C faktörü elde eder; bu da simetrik kenar yarıçapı veya şelale etkili yuvarlatma gerektiren uygulamalar için idealdir.

Mikro takımlar, keskin ağızlı takımlar (kırılma riski), belirli mekanik akış gölgesi olan takımlar, HSS kılavuzlar ve PVD kaplı takımlar özellikle uygundur.


3. Proseslerin karşılaştırılması

3.2 Uygulama alanları

-Stream Finishing, yüksek malzeme kaldırma gerektiren uygulamalar ve hassas işleme gerektiren büyük takımlar için idealdir.
-Electro Finishing, hassas takımlar veya kaplanmış takımlar için idealdir çünkü minimum malzeme kaldırma ile mükemmel pürüzsüzlük sağlar.


4. Pratik örnekler ve vaka çalışmaları

4.1 Takım endüstrisinde kullanım



*Şekil 4 Elektropolisaj uygulanmış kesici kenarın SEM görüntüsü


Endüstriyel kullanımda Stream Finishing Prosesi genellikle frezeler, matkaplar, kılavuzlar ve benzeri takımlar için, özellikle takım ömrünü uzatmak amacıyla kullanılır. Buna karşılık Electro Finishing, özellikle medikal cihazlar ve saatçilik sektöründe mikro takımlar üzerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Şekil 4, örnek olarak elektropolisaj uygulanmış bir takım yüzeyini göstermektedir. Kobalt çözünmesi izleri görülmekte ve sert metalde kobalt bağlayıcı fazda tungsten karbür fazına göre daha fazla aşınma vardır. Ayrıca son derece düşük mikro pürüzlülük ve tribolojik olarak avantajlı plato benzeri yüzey görülmektedir. Bu durum, kaplanmış hassas takımlar için bile son işlemin katma değerini göstermektedir.

Stream Finishing ile ilgili olarak, Zeilmann ve ark. (2024) tarafından yapılan kapsamlı testlerde katı karbür frezelerde önemli takım ömrü artışı gözlemlenmiştir [23].

Gözlemlenen takım ömrü artışları işlenen malzemeye bağlı olarak değişmektedir: temperlenmiş takım çeliğinde yaklaşık %30 artış sağlanırken, alüminyumda bu artış %400’e kadar çıkmıştır. Burada yaklaşık 20 µm kesici kenar yuvarlatmasının çelik için ideal olmadığı, biraz yüksek kaldığı unutulmamalıdır. Daha yüksek yuvarlatma değerleri plastik malzeme yer değiştirmesini ve kesme kuvvetlerini artırır; bu durum alüminyum gibi daha az dayanıklı malzemelerde daha az olumsuz etki yaratır [24, 25]. Testlerde ayrıca daha düşük aderans eğilimi ve daha iyi ısı dağılımı gözlemlenmiştir.

*Şekil 6 Kılavuz bağlama yüzeyi, başlangıç 0 dk, Electro Finishing 2 dk (orta), 3 dk (alt), Alicona G6 80WD4 ile ölçülmüş, ölçüm alanı 157 x 581 µm


Electro Finishing ile ilgili olarak, bir kılavuz üzerinde yapılan uygulama, TiN kaplı takımların pürüzlülüğünün (Sp yüzey parametresi) %80’e kadar azaltılabildiğini göstermektedir. İşlenmiş yüzey ile başlangıç durumu karşılaştırıldığında damlacıkların önemli ölçüde pürüzsüzleştiği ve yalnızca 2 dakika içinde neredeyse tamamen ortadan kalktığı görülmektedir. Pürüzlülük yaklaşık %70 azalırken, tüm damlacıkların tamamen giderilmesi için ek 60 saniye gerekmiş ve toplamda 3 dakika içinde Sp parametresinde %80 azalma sağlanmıştır. Plato benzeri malzeme giderimi de gözlemlenmiştir.

Bu örnekler, Stream Finishing’in kaplama öncesi geometri iyileştirmede ve Electro Finishing’in kaplama sonrası ideal yüzey elde etmede nasıl etkili olduğunu göstermektedir. Bu sayede Electro Finishing teknolojisinin potansiyel dezavantajları minimize edilirken avantajlarından yararlanılabilir.

4.2 Ekonomik değerlendirme

Proseslerin maliyet etkinliği de önemli bir faktördür. Stream Finishing üniteleri daha yüksek ilk yatırım gerektirirken, kısa çevrim süreleri sayesinde parça başına maliyet düşüktür. Electro Finishing ise özel elektrolit çözeltileri ve daha uzun işlem süreleri gerektirdiğinden, parça başına değişken maliyet daha yüksektir. Yüksek hacimli üretim ve mekanik olarak dayanıklı iş parçalarında SF daha ekonomik olurken, küçük seriler, karmaşık parçalar ve kaplama sonrası işlemler için Electro Finishing avantajlıdır.


5. Sonuç ve öngörüler

Her iki proses – Stream Finishing ve Electro Finishing – kendine özgü avantajlara sahiptir. Stream Finishing, yüksek malzeme kaldırma ve belirgin kenar yuvarlatma gerektiren uygulamalar için veya büyük takımların verimli işlenmesi için idealdir. Halihazırda yaygın olduğu alanlarda, takım ve kenar hazırlığı ile C faktörü ayarlaması için mükemmel bir seçenektir.

Electro Finishing ise hassas veya karmaşık şekilli takımlar ve kaplanmış takımlar için idealdir; minimum malzeme kaldırma ile mükemmel pürüzsüzlük sağlar. Birçok durumda hibrit yaklaşım – önce Stream Finishing, ardından Electro Finishing – hem makro şekillendirme hem de mikro pürüzsüzlük için en iyi çözümdür. Gelecekte, elektrolit formülasyonundaki gelişmeler kobalt çözünmesini daha da azaltabilir. Aynı şekilde yeni proses stratejileri ve parametre optimizasyonları, Stream Finishing’i daha hedefli hale getirebilir. Dijital simülasyon ve deneysel optimizasyonun birleşimi, ileri takım işleme gelişiminde önemli rol oynamaya devam edecektir. Sonuç olarak, ne mekanik ne de elektrokimyasal proses tek başına üstün değildir – en iyi performans için doğru seçim ve kombinasyon gereklidir.




Detaylı bilgi almak ve numune çalışması yapmak için bizimle iletişime geçin!
info@surtek.com.tr | +90 212 516 33 84  

Florian Reinle, Maximilian Eckl, Luca Wölk, Carlos Barbado Fernández, Lukas Göhler -  OTEC Präzisionsfinish GmbH, Straubenhardt 

Kaynakçalar: 
[1] A. Kacaras, J. Gibmeier, F. Zanger, V. Schulze, Influence of rotational speed on surface states after stream finishing, 4th CIRP Conference on Surface Integrity, 2018
[2] Cundall, P.A., A computer model for simulating progressive, large-scale movements in blocky rock systems. 1971
[3] Zhao T., Coupled DEM-CFD Analyses of Landslide-Induced Debris Flows. 2017
[4] F. Zanger, A. Kacaras, P. Neuenfeldt, V. Schulze, Optimization of the stream finishing process for mechanical surface treatment by numerical and experimental process analysis, CIRP Annals, 2019
[5] E. Beutel in Veröffentlichungen der Chem. Tech. Abteilung des Kais. Königlichen Lehrmittelbüros, Wien, 1907. 
[6] Spitalsky, Deutsches Patent Nr. 225.873, 1910.
[7] H. Figour, P. A. Jacquet, Französisches Patent Nr. 707526, 1930.
[8] P. A. Jacquet, Nature 1935, 135, 1076.
[9] J. Edwards, J. Electrochem. Soc. 1953, 100, 189C.
[10] W. C. Elmore, J. Appl. Phys. 1939, 10, 724.
[11] C. L. Faust, J. Electrochem. Soc. 1949, 95, 62C‐72C.
[12] D. R. Gabe, Metallography 1972, 5, 415.
[13] K. B. Hensel, Met. Finish. 2002, 100, 425.
[14] P. A. Jacquet, Metall. Rev. 1956, 1, 157.
[15] C. Wagner, J. Electrochem. Soc. 1954, 101, 225.
[16] J. Toušek, Corros. Sci. 1975, 15, 113.
[17] D. Landolt, Electrochim. Acta 1987, 32, 1.
[18] G. Yang, B. Wang, K. Tawfiq, H. Wei, S. Zhou, G. Chen, Surf. Eng. 2017, 33, 149.
[19] W. Han, F. Fang, Int. J. Mach. Tools Manuf. 2019, 139, 1-23.
[20] M. Buhlert, Electrofinish - elektrolytisches Glänzen, Glätten und Entgraten von Edelstahl, Stahl, Messing, Kupfer, Aluminium und Titan, 2. Aufl., Leuze Verlag, 2017.
[21] N.K. Krioni, A.D. Mingazhev, V.A. Gafarova, J. Phys.: Conf. Ser. 2021, 1891, 012028. 
[22] Verdooren, A, Albuquerque G. Advantages and Limitations of Electro-Mechanical Finishing, The Santa Fe Symposium on Jewelry Manufacturing Technology 2009, 2009.
[23] Zeilmann, R. P., & Machining Group (GUS), University of Caxias do Sul. (2024). Tribological Conditions Between Tool and Workpiece for Polished Tools: Final Report 2021–2024. University of Caxias do Sul (UCS)
[24] Denkena, B., & Biermann, D. Cutting edge geometries. CIRP Annals, 63(2), 631–653., 2014
[25] Wang, W., et al. Effect of edge preparation technologies on cutting edge properties and tool performance. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 105, 1823–1838, 2019.