The Advantages of Numerically Controlled Machine Tools

Sayısal Kontrollü Tezgâhların Avantajları

G. S. Jollis
Uçuş İtki Bölümü
General Electric Co.
Schenectady, N. Y.

Sayısal kontrol, basitçe, belirli bir sürecin çeşitli öğelerini denetlemek için uyumlu sayıların veya değerlerin uygulanmasıdır. Besleme, hızlar, boyutlar, basınçlar, sıcaklıklar ve daha birçok işlevi kontrol etmek için belirlenmiş sayısal değerler uygulanır. Uygulamada, sayı ya da "bilgi", uygun bir "depolama ortamına" yerleştirildiğinde, "kontrol sistemi" için komut sinyali hâline gelir; bu da, karşılığında, belirli bir işlevin gerçekleşmesini sağlar.

Depolama ortamının delikli kâğıt şerit, manyetik bant ya da delikli kart olması bu değerlendirme açısından çok az fark yaratır. Aynı şekilde, bu tartışma kapsamında bilginin iletilmesinde kullanılan sistem—elektriksel, elektronik, optik, ses veya mekanik—de eşit derecede önemsizdir. Ancak, denetlenecek sürece yönelik belirli komut sinyalleriyle ya da eşgüdümlü ve senkronize talimatların bir birleşimiyle çalıştığımızı ve bu sinyallerin bir sayının tanımlandığı kadar doğru ve tartışmasız biçimde tanımlandığını hatırlamak önemlidir. Bir sayının kendisinde hata yoktur.

Daha 1807 yılında, Joseph Marie Jacquard tarafından tekstil tezgâhlarını kontrol etmek için delikli kart sistemi tasarlanmıştır. Daha yakın zamanlarda, otomatik piyanolar için kullanılan tanıdık kâğıt piyano ruloları da esasen aynı işlevi yerine getirmiştir. Müziği yüksek doğruluk ve tekrarlanabilirlikle üretmiştir; melodiyi değiştirmek için gereken süre yalnızca "şeridin" değiştirilmesi için gerekli olan süre kadardı. Ancak, sayısal kontrol ilkelerinin ciddi bir incelemesi ve bunların tezgâhlara daha gelişmiş ve karmaşık uygulamaları 1949 yılına kadar başlamamıştır. Bu çalışma, ABD Hava Kuvvetleri’nin desteğiyle Massachusetts Institute of Technology tarafından yürütülmüştür.

O tarihten bu yana, sayısal kontrollü ekipmanların geliştirilmesi büyük ilerleme kaydetmiş ve aksi hâlde mümkün olmayabilecek işlerin başarılmasına yardımcı olmuştur.

Avantajlar

Sayısal kontrollü ekipmanların ilk önemli özelliği, girdinin hatasız olması ve sıfır toleransa sahip bulunmasıdır. Şablonlar ve kamlar sayısal verilerle değiştirilebilir. Şablonların yapılması ve ayarlanmasında kaçınılmaz olan tolerans birikimi ortadan kaldırılır; çoğu durumda zahmetli ve israfçı deneme çalışmaları artık gerekli değildir. Sayısal kontrolle, bir tezgâh tarafından üretilen ilk parça genellikle doğrudur. Bu durum, muayene yöntemlerini büyük ölçüde basitleştirir; hatta muayenenin kendisi sayısal kontrollü aygıtlarla gerçekleştirilebilir.

İkinci olarak, vakaların çoğunda karmaşık bağlama aparatları ve fikstürler artık gerekli değildir. Bu yalnızca önemli ölçüde maliyet tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda bir kurulumdan diğerine hızlı geçişe olanak tanır. Ayrıca, fikstürler ve bağlama aparatları için kullanılan depolama alanı başka amaçlarla değerlendirilebilir.

Üçüncü ve çok önemli bir avantaj, kontrol kurulum süresinin—yani kontrol sinyallerini planlamak için gereken sürenin—esas olarak sıfıra indirilmesidir. Böylece toplam işleme süresi önemli ölçüde azalır; tezgâh belirli bir zaman diliminde daha fazla parça üretebilir; parçalar daha küçük miktarlarda yapılabilir; ve stok en düşük düzeyde tutulabilir. Özellikle işleme süresi çevriminin kısalması, sayısal kontrolde en büyük parasal değerlerden birini temsil eder.

Ancak, sözde daha hızlı işleme yalnızca kontrol kurulum süresindeki azalmadan kaynaklanır ve metal kaldırma işleminin gerçek çalışması sırasında var olmayan başka mucizelerden değil. Gerçek kesme hızları ve ilerlemeler hâlâ kesici takımın kendisi ve mevcut beygir gücü ile sınırlıdır. Sayısal kontrol bu faktörleri değiştirmez. Bununla birlikte, takımların en iyi şekilde kullanılabilmesi için uygun koşulları sağlar.

İş sertleşmesi gösteren malzemeler söz konusu olduğunda, bekleme süresi ve ilerleme miktarlarının kontrol edilebilmesi büyük önem taşır.

Modern ve Eski Tezgâhlar

Buraya kadar ele alınan avantajların tümü sayısal kontrol sisteminin kendisinden kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, iyi tasarlanmış bir kontrol sisteminin hassasiyeti, çok küçük toleransları ve tekrarlanabilirliği, modası geçmiş bir tezgâha uygulandığında pek az yarar sağlayacağı açıktır. Her operatör, tezgâh kızaklarındaki boşluk (backlash) ve sürtünme olgusuna aşinadır. Becerisine bağlı olarak bu koşulları telafi edebilir. Sayısal kontrol bunu yapamaz.

Buna ek olarak, yay etkisi ile kızak ataleti birleşimi bir rezonans durumu ortaya çıkarır; bu durum tasarımda dikkatle ele alınmazsa yetersiz performansa yol açabilir. Buna vidalar, yataklar, miller vb. elemanlardaki esneklik gibi diğer faktörleri de eklersek, tezgâhın kendisinin, kontrol sisteminin yeteneklerinden yararlanabilmesi için sayısal kontrole uygun biçimde tasarlanması gerektiğini anlarız. Genel sonuçlar doğal olarak zincirin en zayıf halkasına bağlı olacaktır.

Bu gereksinimlerin farkına varan tezgâh üreticileri, artık hassas ölçüm cihazları alanında kullanılan donanımları kullanmaktadır. Boşluk, tamamen ortadan kaldırılması pratikte mümkün olmasa da, kontrol ve ölçüm sisteminin hem pozitif hem de negatif yönde çok küçük ayarlamalar yapabilmesini sağlayacak şekilde en aza indirilir. Bilyalı rulmanlı vida milleri ve diğer sürtünmeyi azaltıcı düzenekler, özellikle ince ayarlamalar sırasında yapışma-sürüklenme (sticktion) sorununu en aza indirmek için zorunludur. Yapışma-kayma koşulunun neden olabileceği salınımlar, kontrol sisteminin performansını büyük ölçüde sınırlar. Aynı durum, özellikle düşük frekans aralığında, rezonans için de geçerlidir. Daha sağlam tezgâh konstrüksiyonu bu sorunlara çözüm sağlar.

Ekonomik Avantajlara Örnek

Sayısal kontrollü tezgâhların avantajlarının gerçekçi bir değerlendirmesi, temel işlevler ve ilgili ilkelerden söz edilmeden yapılamaz. Aşağıdaki örnek, bu tezgâhların ilk ekonomik avantajını, yani kontrol sinyallerinin hassasiyetini ve hızını göstermektedir.

Bir jet motoru için magnezyum bir dişli kutusunun üretim programı, ilave bir jig bor makinesinin satın alınmasını gerektiriyordu. Toplam değeri 90.000 dolar olan iki geleneksel ekipmanın yerini alan, 55.000 dolara bir sayısal kontrollü makine temin edildi. Ortaya çıkan ekipman maliyet tasarrufu 35.000 dolar oldu.

İşletmedeki tasarruflar şu şekilde gerçekleşti:

1. Dübelleme pim deliklerinin delinmesi
2. Eski süre: parça başına 1,67 saat
3. Yeni süre: parça başına 0,20 saat
4. Tasarruf: %88
5. Flanş deliklerinin kaba boralanması ve delinmesi
6. Eski süre: parça başına 2,5 saat
7. Yeni süre: parça başına 1,0 saat
8. Tasarruf: %60
9. Hat boralama, tamamı
10. Eski süre: parça başına 16 saat
11. Yeni süre: parça başına 4 saat
12. Tasarruf: %75

Buna ek olarak, delme ve bağlama fikstürlerinin maliyetleri %50’nin üzerinde azaltıldı. Yeniden işleme ve hurda miktarındaki azalma %95’e ulaştı. Daha ayrıntılı bir inceleme, mühendislik değişikliklerinin basitleştirilmiş yöntemlerinden ve küçük parti üretim olanaklarından kaynaklanan ek tasarrufları da ortaya koyacaktır. Bir konfigürasyondan diğerine geçiş genellikle yalnızca bir şeridin değiştirilmesini gerektirir. Açıkça görülmektedir ki, iyileştirilmiş tezgâh konstrüksiyonu da bu tür sonuçların elde edilmesinde önemli bir rol oynamaktadır.

Yüksek Sıcaklık Alaşımlarının İşlenmesi

Şimdi, geleneksel malzemelerin ve havacılık endüstrisi alaşımlarının işlenmesinden, jet motoru ve uzay aracı üreticilerinin yüksek sıcaklık alaşımlarının işlenmesinde karşılaşılan çok daha büyük sorunlara geçiyoruz. Bu uygulamada karşılaşılan daha yüksek kesme kuvvetleri, azami rijitlik gerektirir. Azaltılmış titreşim, takım ömrünü uzatır ve yüzey kalitesini iyileştirir.

Ayrıca, ilerleme miktarlarının ve bekleme süresinin hassas biçimde kontrol edilmesi iş sertleşmesini azaltır; bu da yine takım ömrünün artması anlamına gelir. Böylece, ilerleme ve hızları kritik sınırlar içinde tutarak ve operatör kontrolünden uzaklaştırarak, en uygun koşulları sürdürebilir ve takım performansı açısından en yüksek sonuçları elde edebiliriz.

Dolayısıyla sayısal kontrol, yukarıda gösterildiği gibi yalnızca imalat maliyetlerini düşürmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda işlenebilirlik sorunlarının ve takım maliyetlerinin azaltılmasına da önemli ölçüde katkıda bulunur.

Tablo I: Sayısal Kontrol Uygulamalarının Ekonomik Avantajları (Beş Örnek)

Bu örnekler jet motoru parçalarının imalatına ilişkindir; parça tanımları ve malzemelere ait ayrıntılar gerekli olmadığından verilmemiştir. Liste hiçbir şekilde tam değildir, ancak tipiktir.

Özet

Sayısal kontrollü makineler aracılığıyla mümkün olan maliyet tasarruflarını özetlerken aşağıdaki sonuçlara ulaşıyoruz:

1. Küçük Parti Üretimi 1.1 Hızlı şerit değişimi küçük parti üretimine olanak tanır. Bu durum stok, parça depolama, kayıtlar ve tekrar elleçlemeyi azaltır.
   1.2 Atölye tipi üretim ve özel işler daha ekonomik hâle gelir.
   1.3 Fikstür ve şablon maliyetleri kısmen, bazen tamamen ortadan kaldırılır.
   1.4 Fikstür depolama, bakım ve kurulum süresi maliyetleri azaltılır.

2. Geliştirilmiş Takım Ömrü 2.1 Daha yüksek tezgâh rijitliği ve kontrollü bekleme süreleri, ilerlemeler ve hızlar daha uzun takım ömrü sağlar.
   2.2 Toleranslar ve yüzey kaliteleri iyileştirilir.

3. Ekipmanın Daha İyi Kullanımı Sıfır veri giriş süreleri daha hızlı üretime, ekipman ömrü boyunca daha fazla parça üretimine ve eşdeğer üretim için daha az sayıda makineye yol açar.

4. Hurda Azaltımı Girdi verilerinin hassasiyeti ve tekrarlanabilirlik, hurdayı ve yeniden işlemeyi azaltır.