Yüksek güç ultrasoniği ve ultrasonik destekli freze modülü tasarımı
High power ultrasonic and design of ultrasonic aided milling module
Yazar: BORA ERKILIÇ
Danışman: PROF. DR. CEMAL BAYKARA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
İnsan duyma sınırının üzerindeki ses dalgalarını kullanabilme becerisindeki teknik ilerleme kısaca ultrasonik teknoloji şeklinde tanımlanabilir. Bu teknolojiyi temel alan cihaz ve aygıtlara ultrasonik cihazlar denir.
Ultrasonik cihazlar günümüzde mesafe ölçümünden, basınç sensörüne, termoplastik kaynak makinelerinden, medikal görüntüleme cihazlarına kadar birçok farklı teknoloji ve mühendisliğin konusudur.
Son yüzyılda keşfedilip geliştirilen ultrasonik teknolojilerinin bir alt kolu olan yüksek güç ultrasoniği konusu günümüzde halen önemini sürdürmekte ve üzerine araştırma çalışmaları devam etmektedir.
Bu teknolojinin temelinde üç farklı bilimsel gelişmenin olduğunu söyleyebiliriz. Bunlar;
 Akustik bilimi,
 Malzeme bilimi,
 Elektronik ve kontrol bilimleridir.
Yüksek güç ultrasonik tekniğinin önemli alanlarından biri talaşlı şekil verme işlemleridir. Klasik talaşlı şekil verme işlemlerinin ultrasonik destekli olarak yapılmasıyla yüzey kalitesinde iyileşme, kesme kuvvetlerinin azalması, takım ömrünün artması, yüksek hızlarda işlenebilme gibi işlem kalite ve maliyetini düşüren birçok avantaj sağladığı görülmüştür. Mevcut çalışmalar ışığında ultrasonik destekli talaşlı şekil verme işlemlerinin klasik tipteki talaşlı şekil verme işlemlerine üstün olduğu görülmüştür. Ultrasonik destekli talaşlı şekil verme konusunda hemen hemen tüm tezgah tiplerinde çalışmalar yapılmıştır. Örnek olarak Ultrasonik destekli tornalama, frezeleme, yüzey taşlama ve matkaplama sayılabilir.
Ancak Ultrasonik destekli torna işlemi birçok farklı boyutta ve modda yapılabilmesine karşılık ultrasonik destekli frezeleme işlemi yalnızca küçük takım çapları ve ince işlemlerde uygulanmaktadır. Mevcut literatürde büyük takım çaplarının takılıp kullanılabileceği bir ultrasonik destekli frezeleme modülüne rastlanmamıştır.
Bu konudaki eksik de göz önüne alınarak, bu çalışmada ultrasonik destekli frezeleme işleminde kullanılabilecek bir ultrasonik freze modülü tasarlanmıştır.
Tasarlanan modülün gerçekleştirilmesi durumunda mevcut UDF cihazlarından daha büyük takım çaplarıyla çalışabilen bir yapıda olmasına dikkat edilmiştir. Aynı zamanda daha büyük piezoelektrik kristalleri kullanılarak kesici takım ucunun ulaşabileceği maksimum genliğe ulaşılması hedeflenmiştir.
20kHz frekansta çalışmak üzere tasarlanan modül gücünü 1500watt lık ultrasonik jeneratörden almaktadır. Bu değerlere uyumlu tasarlanan horn malzemesi 316L paslanmaz çelik olarak seçilmiştir.
Bu çalışmada elde edilen bilgiler ışığında tasarlanan modül ileriki aşamalarda daha da geliştirilerek fiziksel olarak imal edilebilir. Büyük takım çapları ve/veya kaba talaş işlerindeki performansı gözlemlenebilir.

Abstract:
The technical progress in the ability to use sound waves above the human hearing limit can be briefly described as ultrasonic technology. Devices based on this technology are called ultrasonic devices.
Ultrasonic devices are the subject of many different technologies and engineering from distance measurement, pressure sensor, thermoplastic welding machines to medical imaging devices.
High power ultrasonic, which is a sub-branch of the ultrasonic technologies that have been discovered and developed in the last century, still continues to be important and research studies are continuing. High-power ultrasonic is the field of ultrasound dedicated to the study of high-intensity applications. Ultrasonic in this field is used to permanently alter the physical, chemical or biological properties of the materials or systems to which it is applied.
The applications of power ultrasonic are usually based on the effects of nonlinear events caused by high intensity waves. As a result of these nonlinear effects, it triggers a series of physical events by ultrasonic energy. These include heat, agitation, diffusion, interface instabilities, friction, mechanical tear, and chemical effects.
Some of the high-power ultrasonic applications are:
 Ultrasonic welding of metals
 Ultrasonic welding of thermoplastics
 Ultrasonic motors
 Use of high-power ultrasonic for emulsion of liquids
 Ultrasonic machining
We can say that the basis of this technology is three different scientific developments. These;
 Acoustic science,
 Material science,
 Electronics and control sciences.
The study of acoustics examines the sound waves emitted in the material environment. We can examine the issues such as how ultrasonic vibrations are transferred to the target region, how the amplitude changes depending on the environment and geometry during transmission with the help of acoustic science.
Materials science is a discipline that examines the physical and chemical properties, structures and behavior of materials. Thanks to materials science, it was possible to develop materials with good electromechanical properties.
In ultrasonic technologies, piezoelectric material is generally used as a vibration source. The application of piezoelectric material at the desired frequency and amplitude is the subject of electronic and control science.
One of the important areas of high-power ultrasonic technique is machining. It has been found that, with the help of ultrasonic augmentation of conventional machining processes, surface quality improvement, reduction of cutting forces, increased tool life, high speed machining can provide many advantages that reduce process quality and cost. In the light of the present studies, it has been found that ultrasonic assisted machining processes are superior to conventional machining processes. Ultrasonic assisted machining has been studied in almost all machine types. Examples include ultrasonic assisted turning, milling, surface grinding and drilling.
However, the ultrasonic assisted turning process can be performed in many different sizes and modes, but the ultrasonic assisted milling process is applied only in small tool diameters and fine operations. In the current literature, no ultrasonic assisted milling module has been found in which large tool diameters can be installed and used.
In this study, an ultrasonic milling module which can be used in ultrasonic assisted milling process has been designed.
In an ultrasonic unit, the energy transformed from electrical waves to mechanical waves in the piezotelelectric material passes through a series of solids and reaches the interaction site with the workpiece. These solid parts are; called booster and horn. The amplifier and horn are responsible for the desired transfer of ultrasonic energy from the transducer to the workpiece, and their natural frequency must match the frequency of the ultrasonic unit. It should also display longitudinal vibrations in the corresponding frequency mode. It is necessary to understand how sound waves move in solids for these situations that need attention in design process.
Apart from these, one of the important points to be mentioned is that the horn and amplifiers should be manufactured in a narrow tolerance range.
Three main characteristics of horn and amplifier to be used in an ultrasonic application can be mentioned. These include horn and amplifier;
 Natural Frequency
 Amplitude Gain
 Material is.
In case the designed module is realized, it is ensured that it is able to work with larger tool diameters than the existing UAM devices. At the same time, it is aimed to reach the maximum amplitude that the cutting tool tip can reach by using larger piezoelectric crystals.
Designed to operate at a frequency of 20kHz, the module is powered by a 1500watt ultrasonic generator. Horn material designed in accordance with these values has been selected as 316L stainless steel.
In the light of the information obtained in this study, the designed module can be further developed and physically manufactured in later stages. Large tool diameters and / or rough machining performance can be observed.