Derin Okuma — Blisk 5-Eksen İşleme

Tek parçanın sessizliği

Bir turbofan motorunun içine girdiğinde gözüne ilk çarpan şey kanatlar olur. Oysa işin ağırlığı kanatların oturduğu göbekte, yani blisk'te saklıdır. Blisk, "bladed disk" kelimelerinin kısaltması. Kanatçıkların disk gövdesiyle tek parça halinde, aynı metalden, aynı dökümden çıktığı bir yapı. Eski nesil motorlarda her kanatçık ayrı dövülür, kökü yuvasına geçirilir, sonra flanşlarla ve kilitlerle sabitlenir. Blisk'te bu ara bağlantıların tamamı ortadan kalkar.

Kalkması ne kazandırır? Her şeyden önce ağırlık. Bir kanatçık kökü, yuvası, kilidi ve flanşı toplandığında ortaya çıkan kütle, kanadın kendisinden birkaç kat fazla olabilir. Yüzlerce kanatçık düşünüldüğünde bu, motorun toplam ağırlığında hissedilir bir düşüş demek. Ama asıl kazanç ağırlıkta değil, titreşimde ve sızıntıda.

Neden kanatçık kökü bir zayıflık noktasıdır

Ayrı kanatçıklı tasarımda her kök-yuva çifti, çalışma sırasında mikro hareket yapar. Mikro hareket, temas yüzeylerinde aşınmaya ve yorulma çatlaklarına yol açar. Bakım mühendisleri bu bölgeleri özel muayene programlarıyla takip eder. Blisk'te böyle bir arayüz yok. Yük, kanatçıktan diske kesintisiz akar. Sonuç, yorulma ömründe ciddi bir artış ve bakım aralıklarının uzaması.

Sızıntı tarafı da önemli. Ayrı kanatçıklı disklerde kök boşluklarından geçen hava, kompresörün verimini düşürür. Blisk'te bu boşluklar olmadığı için basınç kaybı azalır. Küçük bir yüzde gibi görünen bu kazanç, motorun yakıt tüketiminde doğrudan kendini gösterir. Peki bu tek parçayı üretmek neden onlarca parçayı üretmekten daha zor?

Beş eksenin geometriyle dansı

Blisk'i tek parça halinde çıkarmanın iki ana yolu var. Döküm ve katı bloktan işleme. Döküm yöntemi titanyum için zor, çünkü eriyik metalin kalıbı tam doldurması ve soğuma sırasında çatlamaması gerekir. Katı bloktan işleme ise bir titanyum veya nikel alaşımı silindirden, malzemenin büyük kısmını talaş olarak atarak kanatçıkları ortaya çıkarmak demek. İşte beş eksenli işleme tam burada devreye girer.

Beş eksen, tezgahın kesici ucunu üç doğrusal yönde (X, Y, Z) ve iki dönme yönünde (genellikle A ve C) hareket ettirebilmesi anlamına gelir. Üç eksenli bir tezgahta parçayı her yüzden işlemek için defalarca sökmek, yeniden bağlamak gerekir. Her sökme-takma, referans kaybı ve hassasiyet düşüşü demektir. Beş eksende parça tek bağlamada kalır, kesici ucun kendisi kanatçığın kavisli yüzeyini takip eder.

Kanatçık yüzeyi düz değil. Havayı sıkıştırmak için tasarlanmış bir kanatçık, kökten uca burulur, kalınlığı değişir, ön kenarı ile arka kenarı farklı eğriler izler. Serbest yüzeyi, kesici ucun her an doğru açıyla temas ederek işlemesi gerekir. Yanlış açı, yüzeyde iz bırakır ve o iz yorulma çatlağının başlangıcı olur.

O yüzden takım eksen açısı sürekli iki kısıt arasında salınır. Bir yanda kanatçığın yerel eğimi, diğer yanda takımın kavrama boyu. Kavrama boyu uzadıkça takım esner, kısaldıkça tutucu gövde kanatçığın komşusuna çarpar.

Bir kompresör blisk'inin kanatçıkları arası boşluk, tipik olarak 15-25 milimetre bandında. Kesici takımın sapı bu boşluğa girmek zorunda. Sap çapı 12 milimetreyi geçtiğinde, komşu kanatçığa değmeden dibe inmesi imkansızlaşır.

O yüzden kanatçığın kök bölgesine yakın kısımlar, çapı 6 milimetreye kadar inen uzun ince takımlarla işlenir. İnce takım, düşük kesme kuvveti demek. Düşük kuvvet, düşük ilerleme. Düşük ilerleme, uzun süre.

Takım yolu, sapma ve o meşhur 0,05 milimetre

Beş eksenli işlemenin en kritik kavramı takım yoludur. Kesicinin parça üzerinde izlediği yol, bilgisayar destekli imalat yazılımında hesaplanır. Ama yazılımın çizdiği ideal yol ile tezgahın gerçekte izlediği yol arasında fark vardır. Kesici uca uygulanan kuvvet, ince kanatçığı esnetir. Buna sapma denir. Sapma telafi edilmezse kanatçık kalınlığı toleransın dışına çıkar.

Havacılıkta kanatçık kalınlık toleransı tipik olarak artı-eksi 0,05 milimetre bandında tutulur. İnsan saçının ortalama kalınlığı 0,07 milimetre civarındadır. Yani kabul edilen hata, bir saç telinden daha az. Toleransa ulaşmak için tezgahın termal stabilitesi, takım aşınması ve titreşim aynı anda yönetilir. Titanyum işlerken kesme bölgesinde sıcaklık 600 santigrat dereceyi aşabilir, bu yüzden yüksek basınçlı soğutma sıvısı doğrudan kesme noktasına püskürtülür.

Sapmayı ölçmenin bir yolu takım tezgahına bağlı prob kullanmaktır. Finiş geçişinden önce kanatçığın kalınlığı probla okunur ve takım yolu yazılımda yeniden hesaplanır. Buna uyarlamalı işleme denir. Her kanatçık için ayrı ölçüm, ayrı hesap, ayrı geçiş demek. Tezgahın boşta geçirdiği bu süre, toplam işleme süresinin kabaca yüzde 15-20'sini oluşturur.

Bir blisk'in işlenmesi, kanatçık sayısına ve boyutuna göre değişir. Küçük bir kompresör blisk'i 20-40 kanatçık taşır ve işleme süresi kaba işlemeden finişe 40-80 saat arasında olabilir. Büyük fan blisk'lerinde bu süre yüzlerce saate çıkar. Tezgahın saatlik maliyeti düşünüldüğünde, tek bir blisk'in işleme maliyeti yüz binlerce lirayı bulabilir.

Kaba işlemeden finişe geçişin gerçek maliyeti

Katı bloktan işleme, tek bir kesme geçişi değil, birbirini izleyen katmanlar halinde ilerler. Kaba işleme aşamasında amaç malzemeyi hızlı atmak, kanatçığa yakın bir ön şekil çıkarmaktır. Aşamada takım büyük, kesme derinliği yüksek, yüzey kalitesi ikincil plandadır. Finiş aşamasında ise takım küçülür, ilerleme hızı düşer, her geçiş milimetrenin onda biri mertebesinde talaş kaldırır. İki aşama arasındaki süre oranı tipik olarak birden ona kadar çıkar. Yani 60 saatlik bir işin kabaca 6 saati finiş, geri kalanı kaba işlemedir.

Kaba işlemede asıl sınır takım ömrüdür. Titanyum, ısıyı çelikten çok daha yavaş iletir. O yüzden kesme bölgesindeki ısı takımın üzerinde birikir, takım kenarı hızla aşınır. Bir karbür takım, titanyumda çelikte işlediğinin belki beşte biri kadar süre dayanır. Takım değişimi sırasında tezgah durur, referans yeniden doğrulanır, sıcaklık dengesi bozulur. Her takım değişimi, toleransı yeniden kurma maliyeti demektir.

Titanyumun ısı iletkenliği çeliğin kabaca yedide biri kadardır. Tek sayı, tüm işleme stratejisini belirler. Isı talaşla gitmezse kesici kenarda birikir. Kenar yumuşar, kimyasal olarak titanyumla tepkimeye girer ve ani bir kopmayla takımı kaybettirir.

O yüzden titanyumda kesme hızı çeliktekinin yarısından aza çekilir. Hız düşünce süre artar. Süre artınca tezgah maliyeti katlanır.

Finiş aşamasında ise asıl düşman titreşimdir. İnce kanatçık, kesici uçtan gelen periyodik kuvvetle kendi doğal frekansında salınmaya başlar. Salınım, yüzeyde dalga izi bırakır ve kanatçığın yorulma ömrünü kısaltır.

Çözüm, tezgahın ve bağlamanın rijitliğini artırmak, kesme parametrelerini kanatçığın doğal frekansından uzak tutmaktır. O yüzden her kanatçık geometrisi için ayrı bir işleme stratejisi gerekir. Farklı uzunlukta iki kanatçık, farklı doğal frekansa sahip. Aynı devir ve ilerleme, birinde temiz yüzey, diğerinde dalga üretir.

Isı, soğutma ve termal denge

Beş eksenli işlemede tezgahın kendisi de ısınır. Miller, kızaklar, motorlar sürekli çalışır ve ısı üretir. Isı, tezgah gövdesini genleştirir ve kesici ucun konumunu milimetrenin binde biri mertebesinde kaydırır. 60 saatlik bir işlemede bu kayma birikirse, ilk kanatçıkla son kanatçık arasında ölçülebilir bir fark oluşur. O yüzden havacılık işleme tezgahları iklimlendirilmiş odalarda çalışır ve gövde sıcaklığı sürekli izlenir.

İklimlendirme odasının sıcaklığı genellikle 20 santigrat derecede artı-eksi 1 derece bandında tutulur. Ölçek duygusu için şunu düşün. Bir metre boyundaki çelik bir gövde, sıcaklık 1 derece arttığında yaklaşık 12 mikrometre uzar. Mikrometre, milimetrenin binde biri. 60 saatlik işlemede gövde sıcaklığı 5 derece kayarsa, konum hatası 60 mikrometreye çıkar. Bu, toleransın tamamını yer.

Soğutma sıvısı sadece takımı soğutmaz. Aynı zamanda talaşı kesme bölgesinden uzaklaştırır ve parçanın termal dengesini korur. Yüksek basınçlı soğutma, sıvıyı 70 barın üzerinde bir basınçla doğrudan kesme noktasına püskürtür. Basınç, talaşın takım önünde birikmesini engeller ve kesme sıcaklığını düşürür.

Soğutma kesilirse takım ömrü dakikalar içinde düşer, yüzey kalitesi bozulur. Titanyum işlemede soğutma basıncı 70-100 bar bandına çıkarılır. Basınçta sıvı, ince kanatçıklar arasındaki dar boşluklara nüfuz eder ve talaşı dışarı taşır.

Parçanın kendi termal geçmişi de önemlidir. Kaba işlemede alınan talaş, parçada iç gerilme bırakır. Finiş öncesi bu gerilmelerin gevşemesi için parça bir süre bekletilir veya düşük sıcaklıkta tavlanır. Bekleme, işleme süresine eklenen görünmez bir kalemdir. Gerilme gevşemesi hesaba katılmazsa, finiş sonrası parça zamanla çarpılır ve tolerans dışına çıkar. Kaba işleme ile finiş arasına konan bu ara tavlama, sıcaklığı 500-600 santigrat dereceye çıkarıp kontrollü soğutmayla yapılır. Fırın süresi saatlerle ölçülür ve tezgah bu süre boyunca boş bekler.

Piyasa Hafızası

2018 yılında CFM International, LEAP motorunun fan blisk üretiminde yaşanan tedarik sıkıntısını kamuoyuna taşıdı. LEAP, Airbus A320neo ve Boeing 737 MAX ailelerinin ana motoru. Fan blisk'i tek parça dövmek ve işlemek, geleneksel ayrı kanatçıklı diske göre çok daha uzun bir üretim hattı gerektiriyordu. Talep patlaması geldiğinde hat yetişemedi ve motor teslimatları gecikti. Sonuç, uçak üreticilerinin gövdeyi üretip motor beklerken park etmesi oldu. Ders net.

Tek parça tasarım, performansı artırırken tedarik zincirindeki esnekliği azaltır. Bir blisk hattı kurmak yıllar alır ve tek bir darboğaz, tüm uçak programını geciktirir.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir orta boy kompresör blisk'inin katı bloktan işlenmesinin ekonomisini gösteriyor. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablodaki en çarpıcı satır malzeme verimi. Bloğun yüzde 85'i talaşa dönüşüyor. Titanyum talaşı geri dönüştürülebilir ama hurda fiyatı, blok fiyatının çok altında.

Duyarlılık burada başlıyor. Hurda oranı yüzde 10'dan yüzde 20'ye çıktığında, 330.000 TL'lik üretimin ortalama maliyeti 33.000 TL daha artar. Tek bir kanatçıktaki tolerans hatası, 18 kilogramlık parçanın tamamını çöpe atar. O yüzden beş eksen işlemede süre kısaltmak değil, ilk geçişte doğru parçayı çıkarmak esastır.

Okuma çerçevesi

Blisk 5 eksen işleme, üç katmanda okunur. Birincisi tasarım katmanı. Parça sayısını azaltmak, ağırlığı ve titreşimi kaynağında keser.

İkincisi üretim katmanı. Tek parça, tek bağlama, ama tolerans saç teli kalınlığında ve malzemenin yüzde 85'i talaş. Üçüncüsü tedarik katmanı. Performans kazancı, esneklik kaybıyla ödenir. LEAP örneği bunu gösterdi.

Bir blisk'i ucuz yapan şey, onu hızlı işlemek değil. İlk seferde doğru işlemek.