tübitak 2209 - Karabük Üniversitesi

TÜBİTAK
2209 - ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ / YURT DIŞI ARAŞTIRMA
PROJELERİ DESTEKLEME PROGRAMI
ILIK SAC ŞEKİLLENDİRME PROSESİ İÇİN
KALIP TASARIMI VE İMALATI
Proje Yürütücüsü:
--------------------
MART 2016
1. GİRİŞ VE TEORİK ÇERÇEVE
Sac metal şekillendirme işlemi endüstriyel olarak yoğun kullanım alanına sahip, seri
üretime en uygun plastik şekil verme yöntemidir. Sac malzemelerin plastik
şekillendirme yoluyla imalatı, şekillendirme proses tipinin belirlenmesi ve kullanılacak
kalıbın tasarım ve imalatının yapılmasına dayanmaktadır. Sac şekillendirme
işleminde şekillendirilecek malzemenin karakteristiği kalıp tasarımını etkileyen önemli
bir unsurdur. Alüminyum-magnezyum alaşımlı malzemelerin gerekli dayanımı
sağlayabilmeleri için ihtiva ettikleri alaşım elementleri bu malzemelerin akma
dayanımını arttırırken şekil alabilme özelliklerini sınırlamaktadır. Bu sebeple
alüminyum-magnezyum
alaşımlı
malzemelerin
sıcaklık
etkisiyle
şekillendirilebilirliklerini arttırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Malzemelere ait geri
esneme özellikleri ve kayma bantlarının sayısı sıcaklık ile önemli ölçüde
değişmektedir. Bu anlamda malzeme özelliklerinin artan sıcaklıkla nasıl değiştiğinin
iyi bir şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Artan sıcaklıklarda malzemelerin geri
esneme miktarındaki değişimler konusunda bazı çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Öztürk ve arkadaşları yaptıkları çalışmada artan sıcaklıkla birlikte alüminyum
magnezyum
alaşımlı
malzemelerdeki
geri
esneme
miktarının
azaldığını
gözlemlemişlerdir [1].
Alüminyum-magnezyum alaşımlı sac metal malzemelerin özgül mukavemetinin
(mukavemet/ağırlık) çok yüksek olması sebebiyle bu malzemeler otomobil, havacılık,
uzay, medikal cihazlar, elektronik ve enerji endüstrilerinde yoğun kullanım alanına
sahiptir [2]. Özellikle otomotiv sektöründe, fosil esaslı enerji kaynaklarının kısıtlı
olması ve çevre kirliliğine sebebiyet veren egzoz emisyonlarının azaltılabilmesi
amacıyla alüminyum-magnezyum alaşımlı sac metal malzemeler kullanılarak daha az
yakıt tüketen araçların tasarımı ve imalatı gittikçe önem kazanmaktadır. Alüminyummagnezyum alaşımlarının %90 oranında geri dönüşümünün ve tekraren işlenerek
kullanılabilirliğinin sağlanması da bu malzemelere olan ilgiyi arttırmaktadır.
Alüminyum-magnezyum alaşımlarının endüstriyel olarak önemi bu malzemelerin
şekillendirilebilirliğinin
göstermektedir.
arttırılması
için
kalıp
tasarımı
ve
imalatının
önemini
2. PROBLEMİN TANIMI
Ilık şekillendirme yönteminde kalıp tasarımı, kalıp geometrisi ve kalıp malzemesi
önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle sacın sıcak olması sebebiyle kalıpta aşınma ve
sıcak deformasyon hataları, kalıp yüzey bozulmaları meydana gelmektedir.
Karbonlu çeliklere nazaran oda sıcaklığında şekil alabilme özellikleri çok düşük olan
alüminyum-magnezyum alaşımlarının şekillendirilebilirliklerinin arttırılması, malzeme
içindeki dislokasyon mekanizmalarının sıcaklık etkisiyle aktif hale getirilmesi ile
sağlanabilir.
3. ÇALIŞMANIN AMACI
Malzemeler
şekillendirilirken
uygulanacak
ısıtma
metodu
şekillendirilmenin
arttırılması yönünden büyük öneme sahiptir. Malzeme şekil değiştirirken yüksek
gerilmeye maruz bölgelerin ısıtılması ve akmaya karşı daha az direnç gösteren
bölgelerin soğutulması şekil alabilme kabiliyetini önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu
çalışmada endüstriyel olarak şekillendirilebilirliği büyük önem taşıyan Al5754 sacların
şekillendirilebilmesi
için
gerekli
şekillendirilebilirliği
maksimum
kalıp
tasarımı
yapacak
sıcaklık
ve
imalatı
koşulları
gerçekleştirilecek,
deneysel
olarak
incelenecektir.
4. LİTERATÜR TARAMASI
Sıcaklık
etkisiyle
alüminyum-magnezyum
alaşımlarının
şekillendirilebilirliğinin
arttırılması amacıyla ilk çalışmalar 1970 yılında başlamış ve 250 oC sıcaklıkta birim
şekil değiştirmede %300 artış elde edilmiştir. Ilık şekillendirme olarak isimlendirilen,
malzemenin faz yapısını değiştirmeden şekillendirilebilirliği arttırabilecek olan sıcaklık
derecesi, malzemenin yeniden kristalleşme sıcaklığına kadar olan ~200 oC ile ~300
oC
(malzemeye bağımlı olarak 0.3*Tm) sıcaklık aralığıdır [3].
Aysu Akıllı ve Halil İbrahim Demirci yaptıkları çalışmada sıcaklığın şekillenmeye
etkisini
incelemek
amacıyla
derin
çekme
işleminde
25°C
ve
220°C’deki
şekillendirmelerin cidar kalınlığı ve kap derinliği üzerindeki etkisini incelemişlerdir.
Ayrıca malzemenin anizotropi özelliğinin şekillenme etkisini görmek amacıyla
deneyleri hadde yönü esas alınarak 0° - 45° ve 90° olarak yaparak haddeleme
yönünün, cidar kalınlığına ve şekillenmeye olan etkilerini incelemişlerdir. Derin çekme
modeli olarak silindirik kap seçmişler ve alüminyum-magnezyum alaşımı olan 2 mm
kalınlığındaki AA 5754 malzemesi kullanmışlardır. 1,5- 2- 3- 4- 5 MPa aralıklarında
baskı plakası kuvvetleri kullanılarak baskı plakasının etkisini de incelemişlerdir.
Silindirik derin çekme işleminde alüminyum malzemesinde en iyi şekillenmenin 2
MPa ile gerçekleştiği görülmüştür. Deneyler sonucunda farklı baskı plakası
kuvvetlerinde sıcaklığa bağlı olarak cidar kalınlıklarında farklı dağılımlı incelmeler ve
derinlikte ise artmalar gözlemlenmiştir [4].
Özgür TEKASLAN ve arkadaşları yapmış oldukları çalışmada uygun kalıp
tasarımının yapılabilmesi için, sac malzemelerde büküldükten sonra elastik şekil
değiştirmeye bağlı olarak meydana gelen geri esneme miktarını kalıplama işlemi
yapılmadan önce belirlemeye çalışmışlardır [1].
5. ARAŞTIRMA SORUSU
Ilık şekillendirme işlemi için gerekli sıcaklık değerlerine ulaşmak amacıyla malzemeye
vereceğimiz ısı enerjisinin sadece malzeme üzerinde etkili olması metalik
malzemelerin yüksek iletkenlik özellikleri nedeniyle mümkün değildir. Bu nedenle ılık
şekillendirme işleminde karşılaşılan en büyük problemler kalıbın ısıtılması, kalıp içi
sıcaklığın ölçümü, sıcaklık kontrolü, yalıtım, kalıp malzemesinde meydan gelen
aşınma ve yüzey değişikliğidir.
Bu çalışmada Al5754 malzemesinin sınır şekillendirme oranını arttıracak şekilde
ısıtılmasını sağlayacak kalıpların tasarımı ve imalatı gerçekleştirilecektir. Kalıp
tasarım sürecinde imal edilecek parçanın şekil ve boyut özelliklerinin belirlenmesinin
yanı sıra kalıplara ısıtıcı rezistansın nasıl konumlandırılacağı, sıcaklığın kapalı kalıp
sistemi içerisinden nasıl ölçüleceği, tezgâh gövdesine ve ortama geçerek yaşanan ısı
kaybının yalıtım malzemesi kullanılarak nasıl engelleneceği ve istenilen sıcaklık
derecelerinde kontrolün nasıl sağlanacağı konuları da göz önünde bulundurulacaktır.
Ayrıca yapılacak olan çalışma ile şekillendirme sırasında kalıp elemanlarında
sürtünme ve yüksek sıcaklıktan dolayı oluşan aşınmanın malzeme seçimi veya
kaplama
kullanımı
ile
azaltılması
amaçlanmaktadır.
Bununla
beraber
ılık
şekillendirme uygulamalarında yüksek sıcaklık söz konusu olduğu için buna uygun
kalıp parametrelerinin neler olduğunun belirlenmesi gerekmektedir.
6. DİZAYN-YÖNTEM VE PROSEDÜRLER
Ilık şekillendirme ve ılık şekillendirmeye uygun kalıp tasarımı konusunda yapılan
çalışmalar incelenmiştir. Bu çalışmalar ışığında kalıp malzemesi olarak Ç2367,
şekillendirilecek
malzeme
olarak
belirlenirken, kalıpların ~200
oC
Al5754
ile ~300
belirlenmiştir.
oC
Kalıp
parametreleri
sıcaklığında en iyi performansı
gösterebilmesi için özellikle malzemelerin ısı iletim katsayıları, ısıl genleşme gibi
mekanik özellikleri göz önünde bulundurulmaktadır. Literatür taramasından elde
edilen veriler doğrultusunda kalıbın sayısal hesaplamaları yapılarak projeye uygunluk
esasları çerçevesinde ideal kalıp tasarımı yapılacaktır. Yapılacak tasarım tamamen
bilgisayar ortamında katı model halinde gerçekleştirilecektir. Tasarlanan kalıp
üzerinden daha sonra şekillendirme çalışmaları ve dayanım esasları için termal,
dinamik ve statik olarak teorik analizler gerçekleştirilecektir. Bu teorik analizlerde
çalışma koşulları bilgisayar ortamında simülasyon olarak oluşturulacaktır. Sistemin
çalışması esnasında sıcaklık, kuvvet, sac malzeme gibi faktörler karşısında kalıbın
teorik analizi yapılacaktır. Gerekli yükler ve baskı kuvvetleri altında kalıpta
deformasyon ve şekil değişimleri incelenecektir. Teorik analizlerden elde edilen
veriler doğrultusunda kalıbın üretimi gerçekleştirilecektir. Üretilen kalıpta deneysel
çalışmalar yapılacak olup, deneysel ve teorik analizlerden elde edilen veriler
karşılaştırılacaktır.
i.
ÖRNEKLEME
Ilık derin çekme prosesi, oda sıcaklığında şekillendirilebilirlikleri düşük olan
alüminyum-magnezyum alaşımlarının sıcaklık etkisiyle şekillendirilebilirliklerinin
arttırıldığı plastik şekil verme yöntemidir. Sıcaklık sıvıların viskozitesini düşürerek
hareket kabiliyetini kolaylaştıran fiziksel bir büyüklüktür. Hareket kabiliyetinin artması
sıcaklıkla birlikte atomların kinetik enerjisinin de artmasının bir sonucudur.
Bu
projede katı malzemeler için örnekleme yapılarak sıcaklıkla metal malzemelerin
hareket kabiliyetinin arttırılması (şekil alabilme kabiliyeti) hedeflenmiştir.
ii.
ALETLER-ARAÇ GEREÇ –CİHAZ
Fişek Rezistans: Fişek rezistanslar, makine parçaları, kalıplar ve klişe kalıpların
ısıtılmasında kullanılmaktadır. Bunlar içerdiği magnezyum oksit sayesinde parça
üzerinde eşit bir ısı dağılımı sağlamaktadır.
Termostat: Termostat, sıcaklığı istenilen derecede sabit tutabilen kontrol sistemidir.
Sıcaklık değişimi termostattaki duyarlı bir parçaya tesir ederek basınç sinyalinin
oluşmasını sağlar. Böylece ısıtma veya soğutma sisteminin kontrolü sağlanır.
Sensörler: Sıcaklık ölçümü için çok çeşitli yöntemler vardır. Bunlar içinde en çok
kullanılan sensörlerden birisi ısıl çiftlerdir. Isıl çift iki farklı alaşımın ucunun
kaynaklanması ile oluşturan basit bir sıcaklık ölçü elemanıdır. Kaynak noktası sıcak
nokta, diğer açık iki uç soğuk nokta (veya referans noktası) olarak anılır. Isıl çift olayı
farklı alaşımlara sahip tellerin ısı iletimini farklı zamanda iletmesinden dolayı referans
noktasında oluşan potansiyel farkından doğar.
Erkek ve dişi kalıplar: Bir kalıp, birçok elemandan meydana gelmiş olsa da bir ürünün
şeklini belirleyecek olan dişi ve erkek kalıptır. Dişi kalıp istenen ürünün dış kısmına
biçim verirken erkek kalıp ürünün iç kısmına biçim verir. Üretim sürecinde en önemli
aşama, gereç seçimi ve çelik seçimidir. Doğru ve uygun çelik seçimi ancak tasarım
verilerinin doğru saptanmasıyla sağlanabilir. Başarılı bir kalıp üretimi daima doğru ve
uygun malzeme seçimi ile gerçekleşir. Ayrıca sıcak şekillendirme uygulamalarında
yüksek sıcaklık söz konusu olduğu için buna uygun kalıp parametrelerinin neler
olduğunun belirlenmesi gerekmektedir.
Aynı zamanda ılık şekillendirme etkisini en iyi analiz edebileceğimiz geometri kare
şekillendirmedir. Kare kalıpta sac şekillendirmede, keskin köşelerin kalıp içine
akıtılması ciddi bir problemdir. Bu sebeple kare kalıpta elde edilebilecek başarı diğer
geometrilerde de kullanılabilir olacaktır.
Zımba temas bölgesi
Isının tesir edeceği bölge
Üst Kalıp
Zımba
Isıtıcı
Rezistanslar
Alt Kalıp
Kalıpta ısıtılacak yüzey
Şekil 1: Ilık sac şekillendirme işleminde kullanılacak ön tasarımı yapılmış kare kalıba
ait resim
iii.
VERİ TOPLAMA
Sensörler ile veri toplanacak ve elde edilen değerlerin istatistiki olarak analizi
yapılacaktır. Sıcaklıkla malzemedeki değişim gözlemlenecektir. Elde edilen bu
değerler ve gözlemlerden yararlanılarak yırtılma, marullaşma vb. kusurlar minimize
edilmeye çalışılacaktır.
iv.
VERİ ANALİZİ
Bu çalışmada özgül mukavemetin yüksek olması sebebiyle Al5754 malzemesinin ılık
derin çekme yöntemi ile çekilebilme kabiliyetinin arttırılması üzerine çalışma
yapılacaktır. Şekillendirme işlemlerinde malzemeden maksimum faydalanabilmek ve
şekillendirme kabiliyetini tespit etmek için çeşitli şekillendirme kabiliyeti deneylerinden
ve şekillendirme sınır diyagramlarından faydalanılacaktır [5]. Aynı zamanda
malzemenin şekillendirilebilirliğini artıracak en uygun sıcaklık değeri elde edilecek ve
malzeme üzerinde istenilen sıcaklıkları sağlayacak ısıtma sitemine sahip derin çekme
kalıbı geliştirilecektir. Tasarım ve analizler okulumuz laboratuvarlarında ticari çizim
programları ile yapılacaktır.
7. ÇALIŞMANIN ÖNEMİ
Ilık şekillendirme işlemi uygulaması güç olan bir süreçtir. Özellikle nihai ürün işlem
parametreleri ve termo mekanik özelliklerden çok fazla etkilenmektedir. Karabük’te
bulunan Özgür Makine tarafından yürütülen Ar-Ge çalışmalarında sıcak şekillendirme
işleminde meydana gelen zorlukları azaltmak için yeni yöntemler geliştirilecektir. Bu
yöntemler, şekillendirme işleminde meydana gelen kalıp hasarlarını en aza indirmek,
ılık şekillendirme için uygun kalıp parametrelerinin belirlenmesi ve Al5754
malzemesinin çekilebilme kabiliyetinin arttırılmasıdır.
Ülkemizde ılık sac şekillendirme kalıplarının nadir bulunduğu göz önüne alındığında
yapılan bu çalışmayla bu alanda piyasada bir canlanma oluşacaktır. Bu canlanmanın
sonucunda
ılık
şekillendirme
işleminin
ülkemiz
sanayisinde
kullanılabilirliği
yaygınlaşacaktır. Aynı zamanda bu çalışma, Tübitak Vizyon 2023’te de amaçlanan
“Tekstil alanında, katma değeri yüksek, yenilikçi, rekabetçi ve ileri teknolojiler içeren
ürün ve hizmet sunumları ile ülkemizin toplumsal refahını ve dünya ticaretindeki
payını artırmak” hedefine hizmet edecektir.
8. KAYNAKLAR
[1] Öztürk F., Toros S., Kılıç S., Baş M.H., 5083-H111 alüminyum magnezyum
alaşımının geri esneme özelliğinin sıcaklıkla değişimi, Çukurova Üniversitesi
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi 30.Yıl Sempozyumu,16-17 Ekim 2008, ADANA.
[2] Smith W.E., Mühendislik alaşımlarının yapı ve özellikleri, demir dışı alaşımlar, Cilt
2, çeviri Erdoğan, M., Nobel Dağıtım, (2001).
[3] P.J. Bolt, N.A.M.P. Lamboo, ve P.J.C.M. Rozier, "Feasibility of warm drawing of
aluminum products"Journal of Material Processing Technology, Vol. 115 (2001),
pp.118-121.
[4] Akıllı A. ve Demirci H.İbrahim, “ AA5754 malzemesinin derin çekme metodu ile
soğuk-sıcak şekillendirilmesi”, International Iron & Steel Symposium, 02-04 April
2012, Karabük, Türkiye
[5] Kayalı E.S. , Ensari C. , Silahtaroğlu S. ;1979 , “Derin Çekme Kalitesindeki
Saçlarda Özellikleri Etkileyen Faktörler” III: Ulusal Metalürji Kongresi
9. APENDİKS