Hidrolik Silindir İmalatı
Sanayi devrimi ile birlikte akışkan gücü birçok endüstride kullanılmaya başlamıştır. Günümüzde akışkan sistemleri; tarımdan, metal endüstrisine, otomotivden, havacılık endüstrisine her alanın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir [1, p. 5]. Sıvı akışkan sistemlerinin en önemli parçalarından biri olan hidrolik silindirler, hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürerek doğrusal hareket sağlar. Lineer hareket sağladıkları için hidrolik silindirlere aynı zamanda hidrolik lineer aktüatör de denilmektedir [1, p. 251].
Bu yazıda hidrolik silindir imalatı hakkında fikir vermesi için örnek bir hidrolik silindirin imalatı ele alınacak ve detaylıca incelenecek. Örnek silindir tasarımında, “imalat için tasarım” (DFM) mantalitesiyle püf noktalara değinilecek. İlk olarak, örnek teşkil edecek hidrolik silindir ve parçaları ortaya konulacak. Daha sonra kullanılacak olan üretim araçları ele alınacak. Son olarak parçalar ve üretim süreci baştan sona imalat için tasarım (DFM) detayları ile adım adım incelenecek.
Hidrolik Silindir Parçaları ve Üretimi
Çift etkili tek milli hidrolik silindirler en çok üretimi yapılan hidrolik silindirlerdendir [2]. Bu sebeple, bu yazıda örnek olarak bu tipte bir silindir incelenecek. Resim 1’de örnek silindirin resmi verilmiştir ve silindiri oluşturan parçaların isimleri belirtirmiştir.
Yukarıda görülen silindir talaşlı imalat ve kaynaklı imalat operasyonları ile yaygın olarak kullanılan çelik malzemelerden üretilecek. Mil imalatı için sıklıkla sert krom kaplı Ck45 çelik malzeme tercih edilmektedir. Ön boğaz ve piston imalatında ise pik veya sfero döküm çelik kullanılabilir. Diğer parçalarda çoğu zaman St52–3 çelik malzeme kullanılır [3].
Üretim sürecinde ilk olarak, ham madde, parça ölçülerine göre temin edilip ve yine parça ölçülerine göre testere ile kesilecektir. Kesildikten sonra ham maddeler, torna ve freze tezgâhlarında talaşlı imalat operasyonları ile işlenecek. Talaşlı imalat operasyonları ile birlikte kaynak operasyonları da gerçekleştirilecektir. Son olarak, işlemleri bitmiş parçalar ve alt montajlar el aletleri kullanılarak birleştirilecek böylece hidrolik silindir son halini alacaktır. Bir sonraki alt başlıkta, bahsedilen üretim adımları tek tek detaylandırılacak fakat bundan önce, üretim sürecinde hangi makinelerin kullanıldığı açıklanacak.
Bir önceki paragrafta bahsedilen üretim operasyonlarını uygulamak için gerekli üretim makineleri başlıca metal kesme testeresi, torna tezgâhı, freze tezgâhı, dairesel kaynak makinası ve manşon kaynak makinasıdır. Testere, genellikle uzun şeritler halinde satın alınan metal ham maddeyi parça ölçülerine göre kesmek için kullanılır. Resim 2’te silindirik bir çubuğu kesmekte olan testere görülmektedir.
Diğer bir üretim makinası olan torna tezgâhı, eksenel simetriye sahip parçaları işlemek için kullanılır. Örnek olarak inceleyeceğimiz hidrolik silindirde mafsallar hariç tüm parçalar eksenel simetriye sahip parçalardır. Bu nedenle silindir parçalarının çoğu torna tezgâhında işlenirler. Üstüne üstlük, silindir imalatında torna tezgâhının canlı takım özelliğine sahip olması beklenir. Canlı takımlar, parçaların üzerindeki çeşitli asimetrik yapıları (örneğin kovan üzerindeki deliği) oluşturmak için kullanılır ve üretim zamanını kısaltarak verimliliği arttırır. Torna tezgahında bulunması gereken başka bir özellik ise torna sabit yatağıdır. Boyu çapından görece uzun kovan ve mil gibi parçaları işlerken salgıyı önlemek için parçayı sabit yatak ile yataklamak gereklidir. Resim 3’te canlı takım ile parça işlemekte olan bir torna tezgâhı görülmektedir.
Torna tezgâhının aksine freze tezgâhında sadece mafsallar işlenir. Dahası, eğer torna tezgâhında canlı takım özelliği yok ise freze tezgâhı parçalar üzerindeki asimetrik yapıları oluşturmak için kullanılabilir. Resim 4’te parça işlemekte olan bir freze tezgâhı görülmektedir.
Otomatik kaynak makinaları kaynak operasyonlarını hızlı ve hatasız gerçekleştirmek için gereklidir. Dairesel kaynak makinası; arka kapak ve kovan gibi eş eksende bulunan parçaları kaynatmak için kullanılır. Buna karşın, manşon kaynatma makinası ise isminden anlaşılacağı üzere manşonları kovan gibi parçalara kaynatmak için kullanılır. Resim 5’te parça kaynatmakta olan bir otomatik kaynak makinası görülmektedir.
Bu alt başlıkta örnek olarak üretimini incelenecek olan silindir tanıtıldı ve nasıl üretileceğine kısaca değinildi. Daha sonra, bu silindirin üretimi için gerekli olan üretim makinalarına değinildi. Sıradaki bölümde silindirin üretim süreci ve parçaların tasarımı detaylıca ele alınacak.
Adım Adım Üretim Operasyonları
Resim 6’de üretim süreci bir akış şeması şeklinde gösterilmiştir. Daha önce de bahsedildiği gibi üretim süreci; ham madde temini ve testere kesimi ile başlamakta, talaşlı imalat ve kaynaklı imalat operasyonları ile devam etmekte ve en sonunda alt montajların birbirine montajı ile son bulmaktadır. Bu uzun şema, ilerideki paragraflarda ufak bölümler halinde incelenecek. Aynı zamanda not edilmelidir ki şemada görülen yağlama nipeli, manşon, rulman, segman, somun ve keçeler; çoğu zaman dış tedarikçilerden satın alınmaktadır. Bu sebeple, bahsi geçen parçaların üretimine değinilmeyecek.
Resim 7’de üretim sürecinin ilk adımı olan testere kesimi adımları görülmektedir. Daha önce de belirtildiği üzere, metal ham madde çoğunlukla uzun çubuklar veya borular şeklinde satılır. Bu yüzden, ölçüleri parçaya göre sipariş edilmiş boru veya çubuk, parça uzunluğuna göre kesilmektedir. Kesme işlemi için çoğunlukla otomatik şerit testere kullanılır. Kesme işleminden sonra ham iş parçası, artık torna veya freze tezgâhına bağlanıp işlenilmeye başlanabilir.
Resim 8’de kovan halini alacak iş parçasının ilk üç operasyonu gösterilmektedir. Boru şeklindeki parça; iç yüzeyi H8 toleransında ve honlanmış olarak tedarik edilir. Piston keçeleri, kovan iç yüzeyine temas halinde hareket edeceği için honlanmış yüzeyin çiziksiz olması büyük önem taşır. Akış şemasında da görüldüğü üzere ilk operasyonda iş parçasının alın yüzeyi işlenir ve kaynak ağzı açılır, hidrolik yağ deliği canlı takım yardımıyla açılır ve iyi bir yataklama için dış yüzeyin yatağa oturacak kısmı işlenilip pürüzlüğü ve ovalitesi azaltılır. Bu operasyondan sonra manşon, delinen deliğin üzerine otomatik kaynak makinası kullanılarak kaynatılır. Daha sonra iş parçası tekrar torna tezgahına bağlanıp yataklanarak diğer alın yüzeyi işlenir ve iç yüzeyine diş çekilir. Diş çekme işleminin kaynaktan sonra yapılmasının sebebi kaynak işleminin dişler üzerinde deformasyona sebep olabilecek olmasıdır.
Resim 9’da arka kapak ve mafsal halini alacak iş parçaları üzerinde gerçekleştirilecek talaşlı ve kaynaklı imalat operasyonları ve ardından gerçekleşecek olan mafsal üzerindeki montaj operasyonları, sırasıyla gösterilmektedir. Arka kapak torna tezgahında önce arka yüzeyi ve sonra ön yüzeyi olacak şekilde işlenilir ve canlı takım ile hidrolik yağ akışı için delik açılır. Freze tezgâhında ise mafsal işlenilir. Talaşlı imalat operasyonları tamamlanan arka kapak ve mafsal daha sonra birbirine kaynatılır. Mafsal ve arka kapağın eş eksende kaynatılması için arka kapakta ufak bir pim ve mafsalda aynı boyda bir pim deliği hali hazırda oluşturulmuştur. Bu pim ve delik birbirine geçerek kaynak operasyonu esnasında parçaların eş merkezde olmasını sağlar. En sonunda ise rulman mafsala çakılıp segman yerleştirilir ve yağlama nipeli mafsala vidalanır. Kaynak işleminden hemen sonra parçalar hala sıcak iken rulmanın çakılması, rulmanın genleşmiş boşluğa rahatça geçmesini sağlar.
Resim 10’da kovan ve arka kapak üzerinde yapılacak kaynaklı imalat operasyonları gösterilmektedir. Kovan ve arka kapak, dairesel kaynak makinası kullanılarak kaynatılır. Bu iki parçayı dairesel kaynak makinasına bağlamak için mafsalın tepesinde ufak bir punta deliği bulunmaktadır. Kovanın ön tarafı aynaya bağlanılırken arka kapak ise mafsal tepesindeki punta deliği ile sabitlenir. Bu operasyondan sonra hidrolik silindirin kovan kısmı bitirilmiş olur.
Resim 11’de akış şemasının başlangıcındaki diğer parçaların talaşlı imalat operasyonları gösterilmektedir. Piston, ön boğaz ve mil torna tezgâhında işlenirken, silindirin diğer mafsalı yine freze tezgâhında işlenir. Milin dış yüzeyi f7 toleransındadır ve sert krom kaplıdır. Korozyon direnci, yüzey sertliği ve düşük yüzey pürüzlüğü için tercih edilen bu kaplamanın hasar görmemesi ve çizilmemesi büyük önem arz etmektedir. Bunun sebebi, tıpkı kovan iç yüzeyi gibi milin dış yüzeyinin boğaz keçelerine temas halinde hareket edecek olmasıdır. Mil ve mafsalın talaşlı imalatı bittikten sonra mil, mafsala kaynatılır. Mafsal ve arka kapağın merkezlemesi içi kullanılan pim ve delik, aynı şekilde mil ve mafsal için de uygulanır. Tıpkı önceki mafsalda olduğu gibi kaynaktan sonra parçalar sıcakken rulman çakılır. Son olarak segman yerleştirilip, yağlama nipeli vidalanır.
Bir önceki paragrafta işlemleri biten parçaların montajı Resim 12'de gösterilmektedir. İlk olarak keçeler; piston ve ön boğaz üzerindeki kanallara yerleştirilir. Bu operasyon esnasında kanalların temiz, çapaksız ve çiziksiz olması keçelerin zarar görmeden çalışması açısından önemlidir. Daha sonra hidrolik yağıyla temas edecek yüzeyler sistem yağı ile yağlanır ve parçalar birleştirilir. En son pistonu tutacak olan somun sıkılarak alt montaj tamamlanır.
Resim 13’te görüldüğü üzere imalatın son aşaması olan iki alt montaj birbirleriyle montajlanır. Öncelikle piston, kovan içine yerleştirilir. Daha sonra ön boğaz, mafsallı ay anahtarı ile kovana vidalanır. Ön boğazın dış çapındaki delikler, bu anahtarın ön boğazı kavrayabilmesi için delinir. Bu operasyon ile birlikte hidrolik silindirin imalatı tamamlanmış olur.
Üretimi biten silindir test edilir. Testleri başarıyla geçtiği taktirde silindir, paketlenip sevkiyata hazırlanır. İyi tasarlanmış ve düzenli bakımı yapılmış bir silindirin kullanım ömrü yıllarca olabilmektedir.
Kapanış
Bu yazıda örnek niteliği teşkil eden bir hidrolik silindirin imalatı baştan sona incelendi. Hidrolik silindir imalatında yaygın olan imalat yöntemleri kullanılarak tüm aşamalar sunuldu. Buna rağmen, unutulmamalıdır ki bir parçayı imal etmenin birçok farklı yolu olabilir. Örneğin, mafsallar talaşlı imalat ile değil metal döküm olarak imal edilebilir. Dahası, yazıda incelenen hidrolik silindir spesifik olarak çift etkili, tek milli, ön boğazı kovana vidalanan ve arka kapağı kovana kaynaklanan bir hidrolik silindirdi, fakat hidrolik silindirler birçok farklı türde, ölçülerde olabildiği için her tasarım kendine özgü olmakta ve doğal olarak farklı metotlarla üretilebilmektedir. Farklı silindir türlerine örnek olarak; rot tipi silindirler (tie-rod cylinders), teleskopik silindirler, tandem silindirler, çift milli silindirler, ram tipi tek etkili silindirler verilebilir. Doğal olarak bu yazıda incelenen silindirin imalatı, her silindirde geçerli değildir.
Bu yazıda imalatı incelenen hidrolik silindirin ve parçalarının “.stp” uzantılı CAD modellerine bu linkten ulaşabilirsiniz.
Kaynaklar
[1] A. Esposito, Fluid Power with Applications, 7th ed. Harlow: Pearson, 2014.
[2] Akder. Hidrolik Silindirler, [Online] Available: https://www.akder.org/tr/makale/246-hidrolik-silindirler/
[3] M. Arslan and M. Sezer, “Hidrolik Silindir Tasarım ve İmalatında Kullanılan Toleranslar ve Formüller,” in III. Ulusal Hidrolik ve Pnömatik Kongresi ve Sergisi, İzmir, Turkey, Dec. 2003 [Online] Avaliable:
http://www.hpkon.net/wp-content/uploads/mdocs/2003-09.pdf/
