ALÜMÝNYUM ALAÞIMLARININ OTOMOTÝV ENDÜSTRÝSÝNDE UYGULANILABÝLÝRLÝÐÝ

Transkript

1 ALÜMÝNYUM ALAÞIMLARININ OTOMOTÝV ENDÜSTRÝSÝNDE UYGULANILABÝLÝRLÝÐÝ ve MEKANÝK ÖZELLÝKLERÝ Fevzi BEDÝR, Ertuðrul DURAK, Kamil DELÝKANLI Süleyman Demirel Üniversitesi, Makina Mühendisliði Bölümü ÖZET Bu çalýþmada alüminyum alaþýmlarýnýn otomotiv sektöründe gövde panel ve makina parçalarýnda etkin olarak kullanýmý ile ilgili literatür araþtýrmasý yapýlmýþtýr. Özellikle gövde konstrüksiyonu ve ilgili baðlantý elemanlarý üzerinde durulmuþtur. Alüminyum alaþýmlarý düþük yoðunluklu, yüksek mukavemetli ve mükemmel korozyon dayanýmý nedeni ile otomobillerin gövde panel uygulamalarýnda oldukça ilgi çekmektedir. Gövde panel uygulamalar için alüminyum- bakýr, alüminyum magnezyum, alüminyum-magnezyumsilisyum olmak üzere üç farklý alüminyum alaþýmý kullanýlmaktadýr. Otomotiv panel ve montajýnda alüminyumun etkili ve ekonomik kullanýlmasý için onun özellik ve karakteristiðine göre her bir parçanýn optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için alaþýmlarýn hem fiziksel hem de mekanik ayný zamanda þekillendirilebilme ve birleþme özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bir otomobil paneli tasarlarken bileþenlerin performansýný da dikkate almak gerekmektedir. Çökertme direnci, bölgesel rijitlik, burulma ve bükme rijitlikleri iyi tanýmlanmalýdýr. Panel dayanýmý ve titreþim etkileri tasarým kriterlerininin üzerinde olmalýdýr. Böylece çelik panelin performansýna sahip alüminyumdan yapýlmýþ hafif bir yapý elde edebilir. Alüminyum malzemeye göre optimize edilmiþ bir otomobil panel tasarýmý çeliðe aðýrlýk olarak %65'e varan kazaným saðlayabilir. Anahtar Kelimeler: Alüminyum alaþýmlarý, otomotiv gövde panelleri, mekanik özellikleri ABSTRACT In this study, the literature-resources were researched about effectively using of aluminium alloys in automotive industry as body panel or assemblies. A combination of low density, high strength and excellent corrosion resistance make aluminium alloys attractive for many automobile body panel applications. While a number of aluminium alloys may be used for such applications, several alloys have emerged as being particularly attractive for body panel design. These alloys are available for body panel applications, aluminium-copper alloys, aluminium-magnesium alloys, aluminium-magnesium- silicon alloys. For the most efficient and economical application of aluminium for automotive panels or assemblies, it is necessary to optimize the design of the part specifically for the properties and characteristics of aluminium. This required knowledge of the physical and mechanical properties of aluminium alloys. When designing an automotive panel or assembly, the performance requirements for the component must be considered. Issues such as dent resistance, local stiffness, and overall torsion and bending should be addressed, and panel strength and vibration effects must meet or exceed design criteria. Therefor it is possible to get a lightweight aluminium panel with performance equivalent to that of the steel panel. A design optimized for aluminium has provided weight saving up to 65% over a comparable steel panel. Keywords: Aluminium alloys, automotive body panels, mechanical properties. Giriþ Alüminyum alaþýmlarý malzeme özelliklerinden dolayý oldukça ilgi çekmektedir[1]. Geçmiþ yýllarda dünyanýn farklý yerlerindeki alüminyum gövde panel saclarý otomotiv endüstrisinde sadece özel uygulamalar için kullanýlmaktaydý. Dünya genelinde ise alüminyum paneller büyük oranlarda özel araçlar için kullanýlmaktadýr. Alüminyumun çeliðe nazaran daha hafif olmasý aracýn toplam aðýrlýðýnda %40 ile %60 oranlarýnda bir geri kazaným saðlamaktadýr[2-6]. Orta büyüklükte sedan bir araç için sadece kaput dikkate alýndýðýnda yaklaþýk 11 kg.lýk bir hafiflik ve geri kazaným saðlamaktadýr. Hava yastýðý ve ABS fren sistemi gibi fonksiyonel geliþmeler araçlarýn güvenli seyrine katký saðlarken, son yýllarda aðýrlýk tasarrufu araçlarýn belirli aðýrlýk grubunda tutulmasýný saðlamaktadýr. Alüminyum alaþýmlarýnýn saðladýðý aðýrlýk tasarrufu ve sonucu olarak saðladýðý yakýt tasarrufu otomotiv endüstrisinde önemli bir kazaným olduðu kabul edilmektedir. Fren ve süspansiyon gibi diðer sistemlerin tasarýmý aracýn aðýrlýðýnda ilave kazanýmlar saðlarken alüminyumunun daha fazla kullanýmý için fikirsel ve tasarým süreçlerinden geçmektedir. Otomotiv endüstrisinde alüminyum malzemelerin kullanýmýnda birçok avantajlar bulunmaktadýr. Alüminyum malzeme olarak çeliðe nazaran farklý karakteristik özellikler sahip olmasýna raðmen alüminyum panellerin taþýnmasý, 37

2 þekillendirilmesi, kaynaklanmasý, mamul hale gelmesine kadarki aþamalarda birçok sistem ve ekipmanlarýn, çelik açýdan akma noktasý önemli bir parametredir. Kalýpta gerekli þekillendirilebilme ve yaylanmayý saðlamak için panellerde kullanýlanlar ile ayný olmasý büyük bir avantaj þekillendirme þartlarýndan önce akma noktasý yeterince olarak görülmektedir[7-9]. düþük olmalýdýr. Þekillendirme ve vernikleme Bu çalýþmada alüminyum alaþýmlarýnýn otomotiv prosesinden hemen sonra uygulanan fýrýnlama iþlemi endüstrisinde kullanýlabilirliði, þekillendirilebilirleri, tasarým parçanýn yeterli rijitlik ve presleme direncini faktörleri, derin çekme ve þekillendirilebilme özellikleri sürdürebilmesi için yüksek akma mukavemeti üzerine daha önce yapýlan çalýþmalar derlenerek bir gerekmektedir[1]. literatür araþtýrmasý yapýlmýþtýr. Alüminyum alaþýmlarý düþük yoðunluklu, yüksek Otomobil Gövde Panel Uygulamalarýnda Kullanýlan Alüminyum Alaþýmlarýnýn Özellikleri Birçok alüminyum alaþýmý 0.8 mm kalýnlýktan 1,3 mm kalýnlýða kadar deðiþen levha sactan mamul parçalar þeklinde otomobil gövdesinde kullanýlmaktadýr. Sac levhalarýn þekillendirilebilirliði, kimyasal kompozisyona, özelliklerine ve alaþýmýn yapýsýna, tane büyüklüðüne ve þekline, tanelerin homojenliðine, metaller arasý partiküllerin büyüklüðüne morfolojisine, mekanik özelliklerin isotropik deðerine ve metalin deformasyon sertleþmesine yaþlanma kapasitesine baðlý olarak deðiþir[10-12]. Birçok araþtýrmacýya göre alüminyum sac levhalardaki tane büyüklüðü 50 µm geçmemelidir ve 1,5-50 µm sýnýrlarýnda olmalýdýr[13]. Ýri taneli yapý deforme edilmiþ yüzey bölgesinde kaba görüntüye neden olur. Bu durum hem görüntüyü bozar hem de derin çekme esnasýnda çatlak oluþumuna neden olur. Optimum deðerlere baðlý olarak tane büyüklüðü artýkça þekil deðiþtirme direnci ve metalin þekil deðiþim esnasýndaki yaylanmasý artar[1]. Metalin yaylanmasý büyük ölçüde þekillendirilmiþ bölgenin hassasiyetini etkiler ve kalýbýn çalýþan yüzeyinin aþýnmasýný artýrýr. Ýyi þekillendirilebilirliðe ilave olarak levha sac alaþýmlarý yeterli yüksek mukavemete, dispersiyon sertleþmesine ve korozyon direncine sahip olmalýdýr. Bu mukavemetli ve mükemmel korozyon dayanýmý nedeni ile otomobillerin gövde panel uygulamalarýnda oldukça çok ilgi çekmektedir. Gövde panel uygulamalar için alüminyum-bakýr, alüminyum magnezyum, alüminyum-magnezyum-silikon, olmak üzere üç çeþit alüminyum alaþýmý kullanýlmaktadýr (Al-Cu) Serisi Alüminyum Alaþýmlarý 2008, 2010 ve 2036 gövde panel uygulamalarýnda kullanýlan baþlýca alaþýmlardýr. Bu alaþýmlar ýsýl iþlem uygulanabilir ve tabii yaþlanabilirler. Bu durumda 2008 ve 2010 alaþýmlarý otomobilin fýrýnlama çevriminde bir miktar mukavemetini kaybederler. Bu alaþýmlardan 2036 alaþýmý en yüksek mukavemete sahiptir ve 2010 alaþýmlarý 2036'nýn üzerine þekillendirilebilirliði artýrmak amacý ile tasarým yapýlýr ve oldukça yüksek korozyon direncine sahiptirler (Al-Mg) Serisi Alüminyum Alaþýmlarý Otomobil panelleri için kullanýlan diðer alaþýmlar 5182, 5454 ve 5754 alaþýmlarýdýr. Bu alaþýmlar ayný zamanda mangan elementi de ihtiva ederler. Bu alaþýmlar çökelme sertleþmesi göstermezler ve ýsýl iþlem esnasýnda mukavemetleri de artmaz. Bu alaþýmlara þekil verme yolu ile ilave mukavemet kazandýrýlabilirler. Fakat bu özelliklerini de fýrýnlama çevrimi esnasýnda kaybederler. Bu nedenle -O ýsýl iþlem özelikleri alaþýmýn mukavemetinin daha uygun hale gelmesine yardýmcý olur alaþýmlarý istisna olarak þekillendirilir ve yüksek korozyon dayanýmýna sahiptirler. Bu alaþýmlar 38

3 deformasyon esnasýnda Lüders bantlarýnýn oluþumuna duyarlýdýr. Bu alaþýmlardan 6111 en yüksek mukavemete hassas olmalarýndan dolayý, dýþ gövde panel sahiptir. Bunun yanýnda 6111 üstün uzama þekillendirme konstrüksiyonunda tercih edilmezler. Ayrýca 5182 kabiliyetine sahipken 6009 bükme þekillendirilme özelliði alaþýmý yaklaþýk %3'ün üzerinde magnezyum ihtiva bir miktar daha diðerlerine göre iyidir[14,15]. ettiklerinden þekillendirme ve daha sonra ekzoz ve katalitik sistem gibi parçalara yakýn uygulamalarda uzun Özellikleri süreli 65 C'nin üzerinde sýcaklýða maruz kaldýklarýndan Alüminyum gövde panel alaþýmlarýnýn tipik mekanik gerilme-korozyon çatlamasýna maruz kalabilirler. özellikleri Tablo 1'de verilmiþtir. Gerilme-korozyon hassasiyeti genellikle gövde panel Bazý alaþýmlarýn yorulma özellikleri de Tablo 2'de ve uygulamalarý için pratik görülmemektedir. Þekil 1'de verilmiþtir (Al-Mg-Si)Serisi Alüminyum Alaþýmlarý 6009, 6022 ve 6111 Al-Mg-Si alaþýmlarýdýr serisi R: gerilme oraný, her bir yorulma çevrimdeki min.gerilme/maks.gerilme alaþýmlar gövde panel alaþýmlarýdýr ve ýsýl iþlem K: teorik gerilme yýðýlma faktörü uygulanabilen alaþýmlardýr. Özellikle fýrýnlama çevrimi milyon yük çevrimindeki ortalama sýnýr esnasýnda çökelme sertleþmesine karþý oldukça dayanýmý Tablo 1. Alüminyum Gövde Panel Alaþýmlarýnýn Modelleme Deðerleri[16] Tablo 2. Alüminyum Gövde Sac Alaþýmlarýnýn Yorulma Özellikleri Þekil 1. Alüminyum Paneller Ýçin Uzama Ömür Diyagramý, Tersinir 39

4 Tasarým Faktörleri Otomotiv panel uygulamalarýnda alüminyumun en etkili ve ekonomik kullanýlmasýnda onun özellik ve karakteristiðine göre her bir parçanýn optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için alaþýmlarýn hem fiziksel hem de mekanik ayný zamanda þekillendirilebilme ve birleþme özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Otomotiv paneli veya bileþenleri tasarlarken bu bileþenlerin performans ihtiyacý dikkate alýnmalýdýr. Çökertme direnci bölgesel rijitlik, burulma ve bükme rijitlikleri iyi tanýmlanmalýdýr. Panel dayanýmý ve titreþim etkileri tasarým kriterlerininin üzerinde olmalýdýr. Genel olarak alüminyum hafif olmasýndan dolayý dikkat çekmektedir. Bazý durumlarda mevcut çelik panel tasarýmýnda dikkate alabilir ve elastisite modülünü dengelemek için kalýnlýk ve kesit alaný üzerinde küçük modifikasyonlar yapýlabilir. Böylece çelik panelin performansýna sahip alüminyumdan yapýlmýþ hafif bir yapý elde edebilir. Ancak aðýrlýktan maksimum kazaným elde etmek için baþlangýçta doðru karar vererek uygun bir tasarým yaklaþýmýnda bulunmak gerekmektedir. Yaklaþýk %40-50 aðýrlýk kazanýmý elde etmek için mevcut çelik konstrüksiyonu alüminyum konstrüksiyona çevirmektir. Alüminyuma göre optimize edilmiþ tasarým çelik panele göre %65'e varan kazaným saðlayabilir. Ayný zamanda tasarým aþamasýnda üretim faktörlerini de dikkate almak önem kazanýr[17-20]. Çökertme direnci Özellikle çarpma ve darbe altýnda oluþan çökertme direnci karýþýk bir konudur[20]. Dýþ panelin çökertme direnci malzemenin akma mukavemeti, kalýnlýðý, þekli ve yüzey alaný ile ilgilidir. Diþ panel tasarýmý ayný kaldýðý durumda malzeme kalýnlýðý ve akma mukavemeti önemli parametreler olarak görülmektedir. Böyle durumda çelik ile alüminyum arasýndaki eþdeðer çökertme direncini dikkate almak gerekmektedir ve t t a s = ys ya kullanýlabilir. Burada t ve t kalýnlýk,,, malzemelerin a s ya ys akma mukavemetleridir. Otomotiv gövde panellerinin çökertme performanslarýný karþýlaþtýrmanýn iki yolu vardýr; baþlangýç hýzý ve eþdeðer çökertme derinliðidir. Baþlangýç hýzý, farkýna varýlabilir bir çökertmenin oluþabilmesi için gerekli olan minimum hýzdýr. Bu deðer genellikle deneysel olarak tespit edilir. Simülasyon ve gerçek panel yüzeyine çelik bilyeler kullanýlarak çarpma etkisi laboratuvar þartlarýnda denenerek yapýlýr. Çelik bilyelerin hýzlarý 30 km/h ten 95 den daha büyük deðerler kadar denenmektedir. Bu sonuçlar panelin çökertme direncini panel kalýnlýðýný optimize etmek için incelenmektedir. Çökertme performansýný deðerlendirmek için kullanýlan diðer bir teknik verilen bir hýzda ve kütlede çökertme derinliðinin deðerlendirilmesidir. Panelin Sehimi y, kn/m Þekil 2. Tam Ölçülendirilmiþ Küçük Bir Kaput Elemanýn Çökertme Derinliði Dýþ panel uygulamalarýnda, yükün panelde oluþturduðu sehim tasarým için önemli bir faktördür. Genel olarak yük altýnda parçalarýn sehimi diðer baðlantýlý parçalarýn etkilenmemesine dikkat edilmelidir. Müþterinin panel üzerine uyguladýðý yük neticesinde oluþan sehim ayný ölçüde önemlidir. Dýþ panel geometrisi iç panelin geometrisi ile beraber tasarlanmasý bölgenin rijitlik için önemli bir faktör oluþturmaktadýr. Panelin baþtanbaþa sehimi, kiriþler arasý 40

5 açýklýðý ve panel kalýnlýðý iç panel tasarýmýnda bir bütün olarak dikkate alýnmalýdýr. Sehimi azalmanýn iki yol vardýr. Dýþ panelin kalýnlýðýný artýrmak veya iç panel destekleme kiriþlerinin açýklýðýný azaltmaktýr. Ýkinci yaklaþým diðerine göre çok daha etkilidir. Eþit kalýnlýklardaki alüminyum kiriþler arasý açýklýðýnýn %70 oranýna düþürürsek çelik paneldekine eþdeðer bir sehim elde edilebilir. Ýç panel kiriþinin derinlik Çelik panel geometrisine ve kiriþ tipine baðlýdýr. Çamurluk veya dörtte birlik panel uygulamalarda iç destekleyici panel yoktur. Bu durumlarda mühendis panel kalýnlýðýný artýrarak panel rijitliðini artýrýlabilir. Basit olarak destekli bir panel dikkate alýnýrsa, ayný dayanýmý elde etmek için alüminyumun kalýnlýðýný çeliðe göre yaklaþýk %44 oranýnda artýrmak gerekmektedir. Bu durum %50 oranýnda aðýrlýk tasarrufu saðlar. Ýç panel veya destekli uygulamalarda kiriþin kesit alanýna ait atalet momentini artýrarak yeterli eðme ve burulma rijitliði saðlanabilir. Bu yöntem panelin basit olarak kalýnlýðýný artýrmaktan daha etkili olur. Þekil 4 de her iki metodun uygulanmasý durumunda sonuçlarýný göstermektedir. Alüminyum panel Dýþ panel kalýnlýðýnýn artmasý Ýç panel kiriþlerinin atalet momentlerinin artmasý Þekil 3. Alüminyum ile Çeliðin Konstrüktif Karþýlaþtýrýlmasý ve geniþlik olarak deðiþmesini gerektirmemektedir. Þekil 3'te iki destek açýklýðý %50'ye kadar azaltýlmasýnýn etkisi görülmektedir. Çelik panelin sehimi: Alüminyumun sehimi: Burada, K, yük ve mesnetleme þartlarýna baðlý faktör. D al=0.375d st elde edilir. d 3 KPL E I Eðme ve Burulma Rijitliði Otomotiv paneli veya diðer benzeri eleman guruplarýnýn performans kriteri eðme ve burulma rijitliðidir. Bir bütün olarak her bir panelin yeterli rijitliðe sahip olmasý gerekmektedir. Kaput, tavan ve kapý gibi elemanlarýn bütün olarak rijitliði dikkate alýnmalýdýr. Eðme ve burulma rijitliði panel kalýnlýðýna, kiriþlerin kesit d st = al st KP(L/2) = E I al 3 = 3 KPL 8E 3 st I Þekil 4. Dýþ Panel Kalýnlýðý ve Ýç Panel Kriþ Geniþliðine Baðlý Olarak Eðme Rijitliði ve Aðýrlýðýn Deðiþimi Çelikle karþýlaþtýrýlýrsa, alüminyum tasarým için etkili atalet momenti üç faktör yardýmý ile artýrýlabilir. 1. Parça derinliðini çeliðin performansý ile karþýlaþtýrýldýðýnda yaklaþýk %44 kadar artýrmak gerekmektedir. Bu durum bazý durumlarda mümkün olmayabilir. Bu uygulamalarda ya parça açýklýðýný ya da malzeme ölçüsünü artýrmak gerekmektedir. 2. Çelik panelin performansýna eþit bir panel elde etmek için kiriþin kesit alaný geniþliðini yaklaþýk %50 artýrmak gerekmektedir. Bu deðiþim ayný eðme ve burulma rijitliði için yaklaþýk %50-60 aðýrlýktan tasarruf saðlayacaktýr. 41

6 Þekil 5. Burulma Altýnda Kiriþlerde Oluþan Yer Deðiþimi 3. Eðme ve burulma rijitliði için katmanlý tasarým dikkate alýnmaktadýr. Ayný panel kalýnlýðý için katmanlý tasarým bilinen tasarýma göre daha az sehim gösterir. Þekil 5'te her iki tasarým içinde burulma yüklemesinin sonuçlarýný göstermektedir. Þekil 5'ten elde edilen sonuçlar önceki ifadeyi doðrular þöyle ki, katmanlý alüminyum tasarým için genellikle tasarým ebatlarýný azaltmak mümkündür. Çelik tasarým ile karþýlaþtýrýldýklarýnda, çok katmanlý alüminyum tasarým %50-55 oranlarýnda aðýrlýktan tasarruf saðlayabilir. Titreþim Aþýrý panel titreþimleri veya dalgalanmalar, otomobil dýþ paneller tasarýmýnda özellikle yatay panel uygulamalarýnda önemli diðer bir faktördür. Parça titreþimlerinin tabii frekanslarý serbest konumlarýnda rijitlik ile orantýlý, kütle (m) ile ters orantýlýdýr. Rijitlik hem panel geometrisine hem de kullanýlan malzemenin elastisite modülüne baðlýdýr. Elastisite modülü ve alüminyumun yoðunluðu çeliðin üçte biri nispetinde olduðundan tabii frekansý hesaplamada kullanýlan oran k/m etkili deðildir. Böylece serbest konumdaki ayný geometriye ve kalýnlýða sahip alüminyumun ve çelik parçalarýn titreþim davranýþý tanýmlýdýr. Ýster alüminyum kullanýlsýn isterse çelik kullanýlsýn parça geometrisi ve pres kalýp tasarýmý titreþim ve yalpalanmada önemli bir faktör olarak tanýmlanmalýdýr. Yorulma Tekrarlý yüklere maruz kalan parçalar yorulma hasarýna karþý kontrol edilmelidir. Tablo 2'de minimum 5 milyon çevrimli alüminyum alaþýmlarý için güvenli sýnýr bölge verilmiþtir[21]. S-N diyagramý alüminyum alaþýmlarýnýn yorulma dayanýmý için gerekmektedir. Dikkatli bir tasarým için yüksek gerilme bölgeleri yok edilmelidir. Gerilme yýðýlmalarýnýn oluþtuðu baðlantý bölgeleri, delikler veya diðer bölgeler hasara maruz kalan alanlardýr. Parça baðlantýlarý bölgelerinde uygun geçiþ, parçalarýn yorulma ömürlerini artýrdýðý için farklý kesit alanlarý arasýndaki tüm geçiþler uygun hale getirilmelidir. Yorulmanýn deðerlendirilmesinde baðlantý bölgelerinin mevcut deney verilerinin karþýlaþtýrýlmasý faydalý olur. Malzeme Özellikleri ve Deneyleri Þekillendirilebilirliði belirlemek için yapýlan deneyler iki ana grupta toplanabilir: (1) Malzeme özelliklerini ölçmek; (2) gerçek þekillendirme þartlarýný simule etmektir. Malzeme deneyleri kalýnlýk ve sürtünme þartlarýndan baðýmsýz olarak bilgi verirler. Örneðin, çekme, sehim, sertlik, düzlemsel çekme ve iki eksenli germe deneyler. Simülatif deneyler genellikle sürtünme þartlarýna malzeme kalýnlýðýna ve geometrisine ve þekillendirme tipine baðlý olarak bilgi verirler. Eðme deneyi, germeli bükme deneyi, delik geniþletme deneyi, sýnýr haddeleme deneyi ve katlama ve buruþturma deneyi, derin çekme deneyi, Englehard derin-çatlak deneyi, Olsen bombe deneyi, Erichsen deneyi, sýnýr bombe yüksekliði, Fukui deneyi, Marciniak deneyi simülatif deneylerden bazýlarýdýr. Endüstriyel uygulamalarda þekillendirilebilirliðin deðerlendirilmesi sýnýrlýdýr. Kullanýlacak olan farklý malzemelerin verilerini karþýlaþtýrmak içindir. Bu sýnýrlamanýn ana nedeni, preslemenin deðiþik aþamalarýnda metal akýþýnýn ve 42

7 geometrisinin büyük ölçüde farklýlýk göstermesidir. uygulanmasý belirli bir yaklaþým gösterir. n deðeri Böylece kullanýlan malzeme farklýlýklar gösterebilir. Sonuç olarak þekillendirme uygulamalarýnda sadece tek bir deneyin malzemenin ne kadar iyi olduðu hakkýnda bir deðerlendirme yapmamýza imkan saðlamaz. Özel tasarýmlara ve þekillendirme iþlemine baðlý olarak belirli deneylerin yapýlmasý diðer deneylere göre oldukça uygun olabilir. Örneðin, baðlantý yerlerinde yorulma deneyleri uygulanabilir. Ayrýca þekillendirilebilirliðin deðerlendirilmesinde çekme deneyi, sýnýr bombe yüksekliði deneyi ve bükme deneyleri oldukça yaygýn olarak kullanýlmaktadýr. Tek eksenli çekme deneyi malzemenin akma gerilmesi, çekme gerilmesi ve uzama özelliklerinin belirlenmesinde yaygýn olarak kullanýlmaktadýr. Gerçek gerilme-gerçek deformasyon eðrisi þekillendirmede n,r ve K parametrelerinin belirlenmesinde oldukça önem taþýr. n bilindiði gibi deformasyon sertleþmesi üssü olarak tanýmlanýr. En büyük deðeri büyük deformasyonu gösterir. Düþük karbonlu derin çekilebilir çeliklerde bu deðer 0.23 olarak verilmiþtir. Alüminyum için n deðeri artan deformasyonla artar ve bir maksimumdan sonra azalma eðilimi gösterir. Isýl iþlem görmüþ alüminyum gövde panellerinin normal n deðerleri 0,23 ve ilgili gerilme-þekil deðiþtirme eðrisi Þekil 6'da verilmiþtir. Þekil de karþýlaþtýrmak amacý ile düþük karbonlu (derin çekme otomotiv çeliði) çeliðin deðerleri de verilmiþtir. r deðeri plastik deformasyon oraný olarak bilinmektedir ve malzemenin derin çekme esnasýndaki malzemenin incelmesine baðlý olarak direnci olarak tanýmlanmýþtýr. Geniþlik doðrultusundaki gerçek deformasyonun kalýnlýk doðrultusundaki gerçek n ve K deðerleri Holloman denkelemindeki =K deformasyona oraný olarak tanýmlanýr. Normal malzeme parametrelerini tanýmlar. Bu denklemin anizotropi r metal plakanýn deðiþik doðrultulardan elde alüminyumun gerilme-deformasyon eðrisine edilen deðerlerin ortalamasýdýr. Çeliklerde ortalama r Mühendislik ge r ilme, ( Mpa) Mühendislik þekil deðiþimi, e Þekil 6. Gerilme-Þekil Deðiþtirme Eðrisi ve Grafik Deðerleri 43

8 deðeri ararlýðýnda iken alüminyum gövde panellerinde ise aralýðýndadýr. Son zamanlarda Þekillendirme Sýnýr Diyaðramý (ÞSD) ÞSD diyagramlarý özel presleme þartlarýnýn fizibilitesine r malzeme özelliði bilinen ölçüm yönteminin yanýnda yaklaþýmda bulunmak amacý ile kullanýlýr. ÞSD, sac alüminyum plaka alaþýmlar için sýnýr derin çekme derinliði ile de iliþkilidir. Derin çekme derinliði en kritik deformasyon þartlarýný gösterir. Olsen ve Erichsen deneylerine benzer þöyle ki hasar anýndaki derin çekme derinliðini ifade eder ve þekil deðiþtirmenin bir ölçüsüdür. Yeni bir malzemenin testleri yapýldýðýnda baþlangýç deneyler, en küçük derinliðin elde edildiði numune geniþliðini oluþturmak için yapýlýr. Numune geniþliði dikkate alýnýrsa sac numune tutucuya yerleþtirilir ve þekil deðiþim esnasýnda yeterince gergin olmasý saðlanýr. Bir zýmba yardýmý ile derin çekilir ve hasara uðratýlýr. Tam bu esnada yük azalmaya baþlar. En büyük yükseklik deðeri zýmba altýnda en büyük þekil deðiþtirme daðýlýmýný ifade levhalarýn iþlenmesinde hasara en yakýn veya hasar anýndaki esas ve ikincil yüzey uzamalarýnýn kombinasyonunu ifade eder ve böylece güvenli ve güvensiz bölge olarak ikiye ayrýlýr (Þekil 7). ÞSD yarým küre bir zýmba üzerinde farklý geniþliklerdeki numunelerin þekil deðiþtirilmesi ile elde edilir. Farklý geniþlikler deformasyon esnasýnda farklý gerilme durumunu ve farklý küçük uzama seviyeleri gösterir. Daha geniþ numuneler pozitif küçük uzamalar gösterirken dar numuneler negatif küçük uzamalar gösterecektir. Çünkü ÞSD malzeme-kalýnlýk iliþkisi vardýr. Malzeme/kalýnlýk iliþkisi her bir malzeme için elde edilmelidir. Çelik için kalýnlýðýn etkisi iyi tanýmlanmalýdýr ve ÞSD, n ve kalýnlýðýn bir fonksiyonu olarak tanýmlanmalýdýr. eder ve en büyük deformasyondur. Derin çekme Alüminyum için kalýnlýðýn etkisi daha az önemlidir. Þekil 4.3 yüksekliði malzemelerin þekillendirilebilme özelliklerini karþýlaþtýrmak amacý ile kullanýlabilir ve çelik ve alüminyum gövde panellerin kalite kontrolü olarak kullanýlmaktadýr. Sürtünme Genel olarak hem çeliðin hem alüminyumun sürtünme karakterleri ve özellikleri haddeleme yönüne göre numunenin yerleþimine göre deðiþmektedir. Anisotropi çeliðe göre alüminyum da daha çok ön plana çýkmaktadýr. Numune tutucular deðiþirse presleme performansý etkilenebilir. Kalýp-levha ararsýndaki sürtünme karakteristiði genellikle ortalama Colomb sürtünme katsayýsý ile ifade edilir ve simülatif deneylerden elde edilebilir. Sürtünme katsayýsý plaka, takým yüzeyini ve yaðlayýcýnýn karakteristiklerinin kombinasyonunu gösterir. kalýnlýðýn ÞSD üzerine etkisini göstermektedir. Bu çalýþma sadece bir alüminyum alaþýmý için yapýlmýþtýr. Þekil 7, AA6111 ve düþük karbonlu otomotiv çeliði için ÞSD'mý verilmiþtir. Mukavemetlerini karþýlaþtýrmak için çelik daha yüksek ÞSD'ye ve daha büyük uzama bölgesine sahiptir. Literatürdeki ÞSD'lerin karþýlaþtýrýlmalarýna dikkat edilmelidir. Farklý laboratuvar ortamlarýnda yapýlan deneylerde Round-robin testlerinden ÞSD'lerde çok farklý sonuçlar elde edilmektedir. ÞSD diyagramýný elde etmek için deðiþkenleri parametreleri azaltmak için yeni bir iþlem önerilmiþtir (4.8). Laboratuvar þartlarýnda ÞSD esas itibarýyla þekil deðiþimini göstermektedir. Eðer parçanýn geometrisi dikkate deðer bir þekil deðiþimine maruz kalýyorsa deðerlendirme yaklaþýmý için standart bir ÞSD kullanýlmalýdýr. Ön gerilmeli farklý ÞSD'leri analiz etmek için deformasyon yoluna ve farklý deformasyon aþamalarýna baðlý deðerlendirilebilir. 44

9 90 80 Esas þekil deðiþimi, % Güvensiz bölge Güvenli bölge Çelik 6111-T Ýkincil þekil deðiþimi, % Þekil 7. Þekil T4 Apnel Alaþýmý ve Derin Çekilebilir Düþük Karbonlu Çelik Ýçin ÞSD Diyagramý ÞSD yardýmý ile þekil deðiþiminin deðerlendirilmesi kalýp tasarýmýnda ve hata gidermede önemli bir bilgidir. Þekil deðiþiminin deðerlendirilmesinde panel sac bilinen þartlar altýnda ýzgara þeklinde çizgilendirilir ve analiz edilir. Bu çizgiler yardýmý ile daireler ve/veya kareler düz metal levha üzerine yerleþtirilir. Ýpek ekran (silk screening), foto 1. Son yýllarda otomobil üretiminde alüminyum alaþýmlarýnýn kullanýmý üzerinde çalýþmalar devam etmektedir. Alüminyumun kullanýmý aracýn toplam aðýrlýðýný azaltmakla beraber yakýt tüketimini azaltmaktadýr. Farklý tahrik sistemlerinin daha verimli çalýþmasýna da imkan vermektedir. daðlama ve elektro-kimyasal daðlama þekilleri levha 2. Kullanýlmýþ ve aþýnmýþ alüminyum parçalarýn %80- üzerine yerleþtirerek kullanýlan deðerlendirme yöntemleridir. Panel, deformasyondan sonra baþlangýç durumuna göre þekli deðiþir. Ýzgara modeli, ilk boyutlarýna göre meydana gelen deðiþimler, deformasyon esnasýnda oluþan yüzey uzamalarýný, þekil deðiþimlerini hesaplamada yardýmcý olurlar. Hassasiyet ve maliyet esas alýnarak bu deðiþimlerin deðerlendirilmesinde birkaç teknik kullanýlabilir. En yaygýn olarak kullanýlan sistemler Mylar (poliester film materiel) ölçeði, mikroskopik tip optik sistem ve bilgisayar destekli video sistemleridir. ÞSD lý deforme olmuþ bir panelin uzamalarýný Sonuç 95 oranýnda geri dönüþümü atýklardan faydalanma imkanlarýný da saðlamaktadýr. 3. Geliþmiþ ýsýl iþlem yöntemleri kontrollü yeniden kristalleþen yapýya ve üretim parametrelerine sahip sac levhalarýn üretimine imkan saðlar ve dýþ panel uygulamalarýnda uygunluk saðlar[1,13]. 4. Otomotiv endüstrisinde alüminyum malzemelerin kullanýmýnda bir çok avantajlar bulunmaktadýr. Alüminyum malzeme olarak çeliðe nazaran farklý karakteristik özellikler sahiptir ancak malzeme olarak alüminyumun taþýnmasý, þekillendirilmesi, kaynaklanmasý, mamul hale gelmesine kadarki iþlemlerde kullanýlan birçok sistem ve makinalar, çelik malzemelerle kullanýlanlar ile ayný olmasý karþýlaþtýrarak, parçanýn kritik bölge veya hasar büyük bir avantaj saðlamaktadýr. görülmeyen güvenli bölgeleri tahmin edilebilir [22]. 5. Özellikle otomotiv panel uygulamalarýnda 45

10 alüminyumun etkili ve ekonomik kullanýlmasýnda Woodward, Mechanical Engineering Publication Limited, her bir parçanýn özellik ve karakteristiðine göre London, optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için 8. M.J.,Wheeler, P.G.,Sheasby, D.,Kewley, Aluminum Structured Vechike Technology-A Comprehensive alaþýmlarýn hem fiziksel hem de mekanik ayný Approach to Vehicle Design and Manufacturing in zamanda þekillendirilebilme ve birleþme Aluminum SEA Technical Paper Series , özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. 6. Çelik konstrüksiyonlar alüminyum konstrüksiyona çevirildiklerinde yaklaþýk %40-50 aðýrlýk kazanýmý elde edilebilmektedir. Alüminyuma göre optimize edilmiþ tasarým çelik panele göre %65'e varan kazaným saðlayabilir. Ayný zamanda tasarým aþamasýnda üretim faktörlerini de dikkate almak önem kazanýr. Kaynakça 10. S.J.,Harris, B.,Noble, D.G.,McCartney, et al., Controlling The Formability and Strength of AlMgSi alloys, in: Aluminium Alloys, ICAA-6, July 510, 1998, Japan, pp Development of Hydromechanical Forming Technology Using Aluminum Damping Sheet For Deep Drawing Automotive Part, in: Aluminium Alloys: ICAA-6, July 510, 1998, Japan, pp sheets, Aluminium, No.1, pp.6266, I. N.,Fridlyander,.,V.G.,Sister, O.E.,Grushko, V:V.,Berstenev, 13. TR , Fabrication of Sheets from AV-Type Alloys L.M.,Sheveleva, L.A.,Ivanova1, Aluminum Alloys: with Fine-Grained Recrystallized Structure for Cold Forming, Promising Materials In The Automotive Industry, Metal Technol. Recommend, VIAM, Moscow, Science and Heat Treatment, Translated from 14. J.W.,Evancho, J.G.,Kaufman, New 6xxx Series Alloys for Metallovedeniei Termicheskaya Obrabotka Metallov, auto Body Sheet, Int. Automotive Eng. Congress and No.9,pp.3-9, September, Exposition, Detroit., MI., SEA technical paper series 2. F.,Rosch, Aluminum-Its Suitability and Performance in Light , Weight Automobile Structure, Automotive Technology for 15. S.A.,Court, H.D.,Dudgeon,, R.A.,Ricks, Ýmproved Improving Fuel economy, Germany, SEA Technical Paper Performance in al-mg-si (6xxx) Extrude Structure Alloys Series , through Microstructural Control 1, Proceedings of the F.J.,Paefgen, The Audi Space Farame (ASF)- A new Way Int.conf. on Aluminum Alloys, pp , to Build Passenger Car Body Work in Aluminum, Development in Body Work Design&Manufacturing, Germany, SEA Technical Paper Series , W.,Leitermann, Aluminum Body Structure of the A8, 5.Int.Cong. of the European Automobile Engineers Cooperation, France, SEA Technical Paper Series , F.J.,Peafgen, Aluminum Space Frame-a New Kind of Vehicle Construction, Automobile Technology for Improving Fuel Economy, Germany, SEA Technical Paper Series , H.,Wallentowitz, J.,Leyers, T.,Parr, Materials For Future Automotive Body Structures, A Report, Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ÝKA), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, and Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbh Aachen, Business Briefing:Global Automotive Manufacturing & Technology, F.,Ostermann, Aluminum Materials Technology For Automobile Construction, English translation by Row T.,Dakurai, S.,Yoshizama, 12. R.,Mahmudi, W.T.,Roberts, D.V.,Vilson, et al., Mechanical 16. Aluminum Standard & Data,1997 American Association Inc., Washington DC. 17. R.L.,Rolf, M.L.,Sharp, W.C.,Herbein, Minimizing the Weight of Aluminum Body Panels, SEA Paper , W.N.,Smith, J.E., Grand, Reducing the Cost of the Aluminum Panels, SEA Paper , W.C.,Herbein, N.B.,Wolff, Minimizing the Weight and Cost of the Aluminum Deck lid, SEA Paper , H.,Torburn, EWÝ, The Automotive Future in Aluminum, Corus Aluminum NV, Belgium, Properties and Formability Of The Grained Aluminum Alloys Comparative Test of Stiffness and Dent Resistance on Aluminum and Steel Fender, 1994 IBEC Conference Proceeding. Aluminum Automotive Extrusion Manual, Aluminum association Inc. Washington, Publicatio AT6,1998. Metal Hand Book 9.Edition, V.14 Forming and Forging ASM Int., Tool and Manufacturing Engineers Handbook 4.Edt., V.2 Forming, Forming Society of Manufacturing Engineering, New aluminum welding technologies in the automobile Industry, Material Joining Newsletter, v17,n2, p1, Colombos, OH, 46