Son yüzyıldaki teknolojik gelişmeleri göz önüne aldığımızda, üretim alanında gittikçe ilerlemenin ve mükemmelin hedeflendiğini görmekteyiz. Özellikle uzay-uçak ve otomotiv endüstrisinde kalite beklentileri çok yüksek olmakla beraber, bir ürünün kalitesini belirleyen kriterler de oldukça fazladır. Yüzey pürüzlülük ise bu kalite kriterlerinden sadece birisidir.
Yüzey pürüzlülük, makine bileşenlerinin işlevsellik kabiliyetlerini etkileyen bir parametredir [1].
1. Giriş
Yüzey pürüzlülüğü, bir ürünün kalitesini gösteren ve iki parçanın birleşim yüzeyinde etkili olan hassas bir kalite kriteridir. Yüzey pürüzlülüğünün uygun değerler arasında sağlanması ile malzemenin yorulma kırılma dayanımı, korozyon dayanımı arttığı gibi estetik olarak da güzel görünmeyi sağlar [2].
Özellikle talaşlı imalat yöntemi ile işlenmiş parçalarda yüzey pürüzlülüğü önemli bir süreç çıktısıdır. Talaşlı imalattan çıkan parçanın yüzey kalitesi, kullanılacağı yerdeki fonksiyonel özelliklere bağlıdır [3].
2. Yüzey Pürüzlülük Terminolojisi ve Ölçüm Yöntemi
2.1.Terminoloji
Örnekleme Uzunluğu, l: Dalgalanma ile pürüzlülüğü ayırmada kullanılan nominal dalga boyudur. Kesme uzunluğu olarak da bilinir.
Değerlendirme Uzunluğu, L: Yüzey parametrelerinin değerlendirildiği uzunluktur. Değerlendirme uzunluğunun beş örnekleme uzunluğunda olması önerilir.
Ortalama Çizgi, M: Hangi yüzey sapmalarının ölçüleceğini belirten referans çizgidir.
Profil Piki, profilin bir kısmında, ortalama çizginin üzerinde, maksimum yüksekliktir.
Profil Vadisi, profilin bir kısmında, ortalama çizginin altında, maksimum deriliktir.
Profil Düzensizliği, profil piki ve bitişiğindeki profil vadisidir [4].
Ra Yüzey Pürüzlülğü : Malzemenin merkezinden yukarı doğru oluşan profil dalgalanmalarının mutlak aritmetik ortalaması Ra yüzey pürüzlülüğüdür. En çok kullanılan yüzey pürüzlülük ölçme parameteresidir.
Şekil 1. Ra yüzey pürüzlülüğün şematik gösterimi [1]
Ra yüzey pürüzlülüğünde, ortalama yüzey pürüzlülüğünü ölçmüş olsak da pik ve vadiler arasındaki farkı ölçemeyiz. Birbirinden çok farklı profiller, aynı Ra değerine sahip olabilir (şekil 2) [5].
Şekil 2. Aynı Ra’ya sahip farklı profiiler [5].
Ra, malzemenin profili hakkında gerçek bir değer vermeyebilir. Pikli bir profil ve vadili bir profil ölçüldüğünde aynı Ra değerini bulabiliriz. Fakat bu iki yüzeyin aynı Ra değerine sahip olması, aynı yüzey özelliklerine sahip olduğu anlamına gelmemektedir. Aşağıdaki Şekil 3’te aynı Ra’ya sahip pikli ve vadili profili görebilirsiniz. Bu iki profil birbirinden çok farlı özellikler gösterebilir.
Şekil 3. Aynı Ra’ya sahip farklı yüzey profilleri [6].
RMS Yüzey Pürüzlülüğü, Rq, değerlendirme uzunluğu (L) boyunca profil düzensizliklerinin geometrik ortalamasıdır. Rq, piklere ve vadilere karşı daha duyarlı bir yüzey pürüzlülük ölçüm parametresidir. Bu da Rq parametresini Ra’ya karşı daha etkin bir parametre olarak kılmaktadır. Ana fark olarak, Rq parametresi ile ölçümde ara sıra yüksek ve düşük okumalar artarken Ra sadece bunların ortalamasıdır. Dolayısıyla bir profili ölçerken çıkan Rq değeri, Ra değerinden biraz daha (yaklaşık %11) fazla olacaktır [6].
Şekil 4. Rq ve Ra hesaplaması farkı [6].
Maksimum Profil Yüksekliği, Rt; değerlendirme uzunluğundaki profilin en yüksek ve en düşük noktaları arasındaki dikey mesafedir.
Örnekleme Uzunluğundaki Maksimum Yükseklik, Rti, örnekleme uzunluğundaki profilin en yüksek ve en düşük noktaları arasındaki dikey mesafedir.
Ortalama Maksimum Yükseklik, Rz; değerlendirme uzunluğu boyunca hesaplanan ardışık Rti değerlerinin ortalamasıdır. Değerlendirme uzunluğu, beş örnekleme uzunluğunda olduğunda Rz değeri Rz(DIN) değeri ile eşdeğerdir.
Maksimum Pürüzlülük Değeri, Rmax, değerlendirme uzunluğu boyunca ardışık olarak ölçülmüş Rti değerlerinin en büyüğüdür.
Şekil 5. Yüzey pürüzlülük parametreleri Rt, Rti, Rz, Rz(DIN) ve Rmax gösterimi [7].
On Düzensiz Noktanın Uzunluğu, Rz(ISO), değerlendirme uzunluğundaki beş en yüksek profil pikinin gerçek yüksekliği ve beş en derin vadinin gerçek derinliğinin ortalamasıdır.
Şekil 6. Rz(ISO) gösterimi [6].
3.Maksimum Pik-Vadi Uzunluğu, R3Z, değerlendirme uzunluğundaki 3. en yüksek pik-vadi uzunluğunun ortalamasıdır.
Maksimum Profil Pik Yüksekliği, Rp, değerlendirme uzunluğundaki en yüksek nokta ile ortalama uzunluk arasındaki yüksekliktir.
Ortalama Maksimum Profil Pik Yüksekliği, Rpm, ardışık olarak ölçülmüş Rp değerlerinin ortalamasıdır.
Maksimum Profil Vadi Derinliği, Rv, değerlendirme uzunluğundaki en derin vadi ile ortalama uzunluk arasındaki yüksekliktir.
Şekil 7. Rp, Rpm ve Rv’nin gösterimi [8].
2.2. Yüzey Pürüzlülük Ölçüm Yöntemleri
Yüzey pürüzlülük ölçüm yöntemleri genel olarak ikiye ayrılmaktadır. Bunlar [8];
- Karşılaştırma metoduyla ölçüm
- Cihaz ile doğrudan ölçüm
2.2.1. Karşılaştırma Metoduyla Ölçüm
Karşılaştırma metoduyla yüzey pürüzlülüğü ölçümünde, aynı talaşlı işlemden geçmiş ve yüzey pürüzlülük değeri bilinen bir numune ile karşılaştırma yapılır. Seri bir ölçüm yöntemi olsa da, çok güvenilir sonuçlar vermemektedir.
Karşılaştırma metoduyla ölçüm yöntemlerini aşağıdaki gibi gruplandırabiliriz;
• Görsel Muayene
• Dokunarak Muayene
• Çizik ile Muayene
• Mikroskop ile Muayene
• Yüzey Fotoğrafları ile Muayene
• Mikro-İnterferometre
• Wallace Yüzey Dinometresi
• Yansıyan Işık Yoğunluğu
Görsel Muayene
Bu yöntem, çıplak göz kontrolü ile sağlanır. Büyük bir yüzey incelendiğinde yanlış ölçüm yapılması kuvvetli ihtimaldir. Bu nedenle kısıtlı bir muayene yöntemidir ve çok pürüzlü yüzeylerde etkili olabilir.
Dokunarak Muayene
Bu yöntem, hangi yüzeyin daha pürüzlü olduğunu basitçe değerlendirebilir fakat pürüzlülüğün derecesini vermez. Bu yöntemde, parmak ucu saniyede 25mm ilerleyerek kontrol yapılır. 0,0125 mm’ye kadar küçük düzensizlikler algılanabilir.
Çizik ile Muayene
Bu yöntemde, kurşun, plastik gibi daha yumuşak bir malzeme, ölçüm yapılacak yüzeye ovulur. Oluşan çizik izlenimine göre yüzey pürüzlülüğü ölçülür.
Mikroskop ile Muayene
Karşılaştırmalı ölçüm yöntemleri arasında en güvenilir diyebileceğimiz yöntem, mikroskop ile muayenedir. Fakat bu yöntem ile küçük alanlar ölçülebilir ve ortalama değer bulabilmek için birkaç okuma yapılması gerekebilir. Bu yöntemde, yüzey pürüzlülüğü uygun olan bir numune ve ölçülecek numune mikroskop altına koyularak ölçüm yapılabilir.
Yüzey Fotoğrafları ile Muayene
Bu yöntemde, yüzeyin büyütülmüş fotoğrafları, yüzeydeki düzensizlikleri ortaya çıkarmak için çekilir. Farklı açılardan aydınlatarak fotoğraflar alınabilir. Örneğin, dikey aydınlatma ile fotoğraf çektiğimizde çizikler vb. yüzey düzensizlikleri koyu renk çıkarken, yüzeyin düz kısımları aydınlık olarak yansır. Eğik aydınlatma söz konusu olduğunda ise durum tam tersidir.
Mikro-İnterferometre (Girişimölçer)
Bu yöntemde, optik bir düzlem incelenecek olan yüzeyin üzerine yerleştirilir ve monokromatik ışık kaynağı ile aydınlatılır. Aydınlatma sonucu yüzeydeki düzensizlikler tespit edilir.
Wallace Yüzey Dinometresi
Bir çeşit sürtünme ölçerdir. Test ayakkabılarının bir yatak yüzeyine sönümlediği ve önceden belirlenmiş bir yay basıncının uygulandığı bir sarkaçtan oluşur. Sarkaç, başlangıçtaki konumuna kaldırılır ve test edilecek yüzey üzerinde salınmasına izin verilir. Yüzey pürüzsüzse, daha uzun süreler için daha az sürtünme ve sarkaç salınımları olacaktır. Böylece, salınım zamanı yüzey dokusunun doğrudan bir ölçüsü olarak değerlendirilir.
Yansıyan Işık Yoğunluğu
Bu yöntemde bilinen miktardaki ışık demeti ölçülecek olan yüzeye yansıtılır. Bu yansıtma farklı yönlerde yapılır. Farklı yönlerdeki ışık yoğunluğu değişimi ise bir fotosel ile ölçülür.
2.2.2. Cihaz ile Doğrudan Ölçüm Yöntemleri
Cihaz ile doğrudan ölçüm yöntemi kantitatif analiz yöntemidir. Bu yöntemde kalem bir uç kullanılır ve yüzey pürüzlülüğü nümerik olarak belirlenir. Kalem, parçanın yüzeyinde ilerler ve çıktılar gösterge olarak cihazda okunur.
Prensibi;
İnce uçlu prob ya da kalem, bitmiş parçanın yüzeyinde ilerler. Yüzeydeki düzensizlikler nedeniyle kalemin dikey hareketleri pürüzlülüğü değerlendirmek için kullanılır. Kalemin ucu elmas ya da benzeri sert bir malzemeden yapılır. Kalemin hareketi sonucunda elektrik sinyalleri üretilir ve bu elektrik sinyalleri çıktı olarak kullanılır.
Bu tür araçların en büyük avantajı, elektrik sinyallerini istenilen yüzey pürüzlülük parametresini elde etmek için kullanmasıdır. Bu nedenle bu aletler kırılgan, karmaşık, maliyeti yüksek ve ölçüm için yetenekli operatörler gerektirse de oldukça yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Yüzey pürüzlülük ölçümü için kullanılan kalem probları;
I. Profilometre
II. Tomlinson Yüzeymetre
III. Taylor Hubson Talysurf
I.Profilometre
Şekil 8. Profilometrenin şematik gösterimi [8].
Profilometre ile mikron cinsinden yüzey pürüzlülüğünü ölçebiliriz. Kalıcı bir mıknatıs alanına yerleştirilmiş indüksiyon bobini bulunmaktadır. Prob, test edilecek numune üzerinde gezerek yüzey düzensizlikleri nedeniyle aşağı yukarı doğru hareket eder ve bu hareketler, indüksiyon bobininin mıknatıs alanında hareket etmesine ve bir voltaj oluşumuna neden olur. İndüklenen gerilim yükseltilip kaydedilir. Bu yöntem, derin delikli yüzeylerin yüzey pürüzlülüğünün ölçülmesinde en uygun yöntemdir.
II. Tomlinson Yüzeymetre
Tomlinson yüzeymetre ile yüzey pürüzlülük ölçümü, diğerlerine kıyasla daha ucuz ve güvenilir bir yöntemdir. Dr. Tomlinson tarafından tasarlanmıştır.
Algılama elemanı, yüzey pürüzlülüğü ölçülecek parçanın üzerinde aşağı yukarı doğru hareket eder. Yaylar nedeniyle hareketi yalnızca dikey yöndedir. Yüzey pürüzlülüğünün ölçülmesi için cihaz gövdesi motor ile yüzey boyunca hareket ettirilir. Probun hareketleri sayesinde silindir de hareketlenir. Dişli cam üzerindeki elmasın hareketi de kolun hareketi ile sağlanmış olur. Bükücünün yatay hareketi ile cam plaka üzerinde bir iz oluşur [8].
Şekil 9. Tomlinson yöntemi şematik gösterimi [8].
III. Taylor Hubson Talysurf
Şekil 10. Taylor HubsonTalysurf yöntemi şematik gösterimi [4].
Kalem, E şekilli bir parçanın ortasında dönen armatüre eklenir. Bobinlere ise önceden belirlenmiş bir akım verilir. Referans bir nokta belirlendikten sonra, elektrikli bir motor ile doğrusal bir şekilde ölçüm yapılan parça üzerinde hareket edilir. Yüzeydeki düzensizlikler nedeniyle kalem aşağı yukarı hareket ederken armatür bu hareketlerden etkilenir. Armatürün hareketleri ile hava boşlukları oluşur ve alternatif akımda genliğe neden olur. Akımdaki bu değişiklikler ile yüzey pürüzlülüğü ölçülür [4].
3.SONUÇ
Yüzey pürüzlülüğü ölçümü özellikle doğrudan işlenmiş parçalarda önemli bir proses çıktısıdır. Yüzey pürüzlülüğü sürtünme, aşınma, görsellik gibi birçok parametreye etki etmektedir.Parçaların birbirine temas ederek çalıştığı karmaşık sistemlerde pürüzlülük sürtünmeyi ve parça ömrünü etkilediği için önemlidir. Bu nedenle üretilen parçaların yüzey pürüzlülükleri değeri önemlidir ve bir parçanın kalitesini belirlemede kullanılan kriterlerdendir bu nedenle ölçümü önemlidir.
Ceyda Yeşilay
KBT Metroloji ve Kalite Mühendisliği Çalışma Grubu
KAYNAKÇA
[1]. Harsh Y Valeraa *, Sanket N Bhavsara, Experimental Investigation of Surface Roughness and Power Consumption in Turning Operation of EN 31 Alloy Steel, Procedia Technology 14 ( 2014 ) 528 – 534
[2]. Kuldip Singh Sangwana,*, Sachin Saxenaa , Girish Kanta , Optimization of Machining Parameters to Minimize Surface Roughness using Integrated ANN-GA Approach, Procedia CIRP 29 ( 2015 ) 305 – 310
[3]. Rogelio L., Hecker a, Steven Y.Liang b, Predictive Modeling of Surface Roughness in Grinding, Volume 43, Issue 8, June 2003, Pages 755-761
[4]. http://site.iugaza.edu.ps/aabuzarifa/files/METRO20152_CH81.pdf Ziyaret tarihi: 20.10.2017
[5]. http://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Euro_Inox/RoughnessMeasurement_EN.pdf, Ziyaret tarihi: 23.10.2017
[6]. http://www.alphaomegapt.com/pdf%20files/Surface%20Finish%20Definitions.pdf., Ziyaret tarihi: 20.10.2017
[7]. http://www.predev.com/pdffiles/surface_roughness_terminology_and_parameters.pdf, Ziyaret tarihi: 20.10.2017
[8]. http://nritech.edu.in/eLearning/MECH-3-1/III-1-MECH-MSE-UNIT4.pdf, Ziyaret tarihi: 24.10.2017
