TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (4) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale Silindirik Derin Çekme İşleminde Zımba Uç Formunun Cidar Kalınlık Dağılımına Etkisinin SEY Yöntemiyle İncelenmesi Mehmet KARALI Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, İstanbul Özet Bu çalışmada silindirik derin çekme işleminde kalıp geometrisinin kap üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla derin sac çekme işleminin SEY modeli kurulmuştur. SEY için Marc-Mentat yazılımı kullanılmıştır. Modelde aksi simetrik model tercih edilmiştir. Derin çekme işleminde yaygın olarak kullanılan Etial 5 alüminyum sac levhanın malzeme modeli referans alınmıştır. Zımba uç formu değiştirilerek farklı şekillendirmeler gerçekleştirilmiştir. Yaygın olarak kullanılan uç formlarından yuvarlak, eliptik ve küresel uçlar model olarak seçilmiştir. Yuvarlak ve eliptik uçlar için farklı yarıçap değerleri referans alınarak birbirlerine göre farkı incelenmiştir. Eliptik uçlu zımbanın, zımba ilerleme eksenindeki yarıçap değeri ile ona dik eksendeki yarıçap değerleri yer değiştirilerek karşılaştırmalar yapılmıştır. Zımba uç formunun kap köşesinin oluşumunda, cidar kalınlık değişiminde ve mukavemet açısından önem arz eden boyun verme bölgesinde farklılıklar oluşturduğu gözlenmiştir. Elde edilen veriler literatürde yer alan benzer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Derin sac çekme, zımba uç formu, cidar kalınlık değişimi 1. Giriş Zımba uç formu elde edilmek istenen kap geometrisine bağlı olarak; yuvarlak, eliptik, küresel ya da pahlı olarak şekillendirilmektedir. Ancak çok kademeli derin çekme ile derin bir basınç tüpü imalatı amaçlanmışsa, büküm yerleri başta olmak üzere cidar kalınlık değişimi mukavemet açısından önem arz etmektedir[1-3]. Derin çekme işlemleri esnasında zımba tarafından iş parçasına uygulanan pot kuvvetine, kalıp boşluğuna ve zımba uç yapısına bağlı olarak, derin çekilen parça cidarlarında kırışmalar ve bölgesel yırtılmalar ortaya çıkabilmektedir. Şekil 1. Derin çekme sacının kalıp boşluğuna itilişi

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) Silindirik Derin Çekme İşleminde Zımba Uç Formu Özellikle, Zımba saca değdikten sonra kalıp içerisine doğru hareketi esnasında zımba uç yarı çapı ve kalıp kenar yarıçapının toplamı kadar ilerlediğinde, sac levha dar bir boşluktan geçmeye zorlanacaktır. Bu esnada Şekil 1 deki gibi sacın flanş çapı küçülmekte ve σ 1 kuvvetinin de etkisiyle kap çapına indirgenmeye zorlanmaktadır. Çap daralmasından dolayı oluşan σ 1 kuvvetleri nedeniyle kalıp içerisine zorlanan bölgedeki sac cidarları kalınlaşma eğilimi gösterirken, σ 2 zımba kuvvetiyle bu kalınlık kalıp boşluğuna doğru itilerek incelmeye zorlanmaktadır. Bu esnada malzemede hook yasasına uygun bir deformasyon gerçekleşmektedir. Kabın, kalıp boşluğuna itilmeye zorlandığı ilk esnada malzeme yığılmasından kaynaklanan şekillenme direnci artacağından kısa süreli bir akma görülecektir. Bu akma kap cidarında ani incelmelere sebep olacaktır[4,5]. sac malzeme zımba uç formunu aldıktan sonra malzeme yığılmasını en stabil bir şekilde dağıtarak düzgün bir akışın sağlanabilmesi için zımba uç formunun geometrik yapısının çok önemli olduğu düşünülmektedir. 2.1 Yöntem Yuvarlak köşeli zımbalar için köşe yuvarlaklığı sac kalınlığının 5-10 katı arasıdır[6,7]. Dolayısıyla yuvarlak köşelerin etkisi araştırılırken alt ve üst değerler referans alınmıştır. Bu durumda; Min. köşe yuvarlatma yarıçapı= 5x 2 mm (sac kalınlığı)= 10 mm Max. köşe yuvarlatma yarıçapı = 10x 2 mm (sac kalınlığı)= 20 mm olarak tayin edilmiştir Eliptik köşeli zımbalar için Şekil 2 deki gibi iki farklı yarıçap değeri olduğundan r 1 ve r 2 yarıçapları yer değiştirilerek birbirinden farkı incelenmiştir. Şekil 2. Eliptik köşeli zımba geometrileri r 1 >r 2 ve r 1 <r 2 şeklindeki iki farklı tasarımın cidar kalınlık değişimde fark oluşturacağı düşünülmektedir. Burada da, minimum yarıçap değeri olan 10 mm, maksimum yarıçap değeri ise 15 mm olarak kabul edilmiştir. Küresel uçlu zımbanın tasarımında, zımba yarıçapı küresellik yarıçapı olarak kabul edilmiştir. 2. Sonlu Elemanlar Metodu 2.1 Sonlu Eleman Modeli Derin sac çekme işleminde zımba uç formunun sayısal modelinin oluşturulması için Marc Mentat FEM kodu kullanılmıştır. Bu çalışmada kullanılan modelleme için Marc Mentat programının arabirimi kullanılmıştır. Modelin oluşturulmasından sonuçların elde edilmesine kadar olan işlemler alt bölümlerde ele alınmıştır Modelin Oluşturulması ve Ağ Örülmesi Hesaplama süresinin azaltılması ve da makul sonuçların alınması açısından Eksenel simetrik bir modelleme yapılmıştır. Eksensel simetrik modelleme katı modellemeye oranla daha hızlı, iki boyutlu modellemeye oranla daha gerçekçi sonuçlar vermektedir. Bu amaçla Şekil 2 deki gibi çekme sacının dörtte biri iki boyutlu olarak çizilmiştir. Zımba ve matris birer rijit eleman olarak eğrilerden oluşturulmuştur. Sac ve pot çemberi ise deforme edilebilir olarak elemanlardan oluşturulmuştur. Çizimler 1/1 ölçeğinde çizilmiştir. 54

3 Karalı, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) Şekil 3. Derin sac çekme için eksenel simetrik modelleme Sac levha ve pot çemberine ağ örülürken kullanılan elemanların dört noktadan düğümlü ve kare şekilli olanı tercih edilmiştir. Sacın her 0.5 mm si için bir ağ örülmüştür. Pot çemberi üzerindeki ağ miktarı ve şekli önemli olmamakla birlikte işlem hızını artırmaması için saca göre daha büyük boyutlarda ağ örülmüştür. Sac için toplam 600 eleman ve 755 düğüm noktası oluşturulmuştur. Zaman zaman yüksek deformasyon bölgelerinin oluştuğu kısımlarda ağ ve düğüm noktası sayıları artırılarak deformasyon özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Hesaplama süresinin azaltılması amacıyla daha düşük deformasyonların meydana geldiği taban bölgesinin ağ sayısı düşürülmüştür. Özellikle köşe ve yakın bölgelerinde deformasyon ayrıntılarının daha iyi neticeler vermesi açısından ağ sayısının artırılmasının faydaları görülmüştür. Zımba ve matrisin köşe yuvarlaklarının sacı daha düzgün kavrayabilmesi için 25 adet bölüntü yapılmıştır. Bölüntüler şekil üzerinde artı şeklindeki noktalarla gösterilmektedir. Sonuçların değerlendirilmesinde kolaylık olması açısından sac üzerindeki düğüm noktalarının numaralandırılması Şekil 3 deki gibi olacak şekilde düzenlenmiştir Sınır Şartlarının Belirlenmesi Sacın eksenel simetrik modelinin bir gereği olarak sac merkezini teşkil eden ve simetri ekseninden geçen noktalar Y ekseni (simetri eksenine dik eksen) yönünde sabitlenmiştir Şekil 4. Pot çemberinin X yönündeki hareketi kısıtlanmıştır. Y yönünde ise 1 MPa lık bir pot baskısı uygulanmıştır. Böylece çekme esnasında sacın geriye doğru olan katlanmaları engellenmiştir. Şekil 4. Sınır şartları 55

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) Silindirik Derin Çekme İşleminde Zımba Uç Formu Malzeme Özellikleri Büyük plastik deformasyon işlemlerinde elastik davranışların ihmal edilebilecek kadar küçük olmasına karşın, malzeme modelinin oluşturulmasında Elastik-Plastik deformasyon modeli tercih edilmiştir. Marc Mentat programının malzeme özellikleri bölümünde, Parçalı Lineer metoduna uygun 11 adet akma kriteri mevcuttur. Burada Von Mises izotropik akma kriteri referans alınmıştır Sürtünme Modelini Oluşturma Bu çalışmada Coulumb sürtünme modeli kullanılarak levha-matris ve levha-baskı plakası arasında sürtünme modeli oluşturulmuştur. Sürtünme modelinde yüzey-yüzey kontak modeli kullanılmıştır. Zımba ve matris için rijit, sac ve baskı plakası için deforme edilebilir kontak gövdeleri seçilmiştir. Levha-matris arasında Coulumb sürtünme katsayısı 0,08 alınmıştır. Matris ile baskı plakası arasında ise Coulumb sürtünme katsayısı 0,12 alınmıştır[4]. 3 Analiz Sonuçları Farklı zımba uç geometrileri ile yapılan derin çekme işlemleri sonucu elde edilen sonuçlar toplu halde Şekil 5 de verilmiştir. Bu grafikte esas olarak zımba uç formunun cidar kalınlığına etkileri karşılaştırılmıştır. Zımba merkezine denk gelen kap merkezinden kap köşesine ve kap köşesinden de kap tepesine doğru izlenen yol üzerindeki kalınlık değişimleri karşılaştırılmıştır. Yatay eksen üzerinde görülen 40 mm noktası kabın tam köşesine denk gelmektedir. Model olarak seçilen sac kalınlığı 2 mm olmasına rağmen, cidar kalınlık değişimi Yüzde (%) olarak ifade edilmiştir. Bu sonuçlara göre; Şekil 5. Zımba uç geometrisinin cidar kalınlık değişimine etkisi Köşesi 10 mm ve 20 mm yarıçaplı olarak yuvarlatılmış zımba ile çekilen kabın cidar kalınlık değişimlerinde önemli farklar görülmektedir. Taban incelmeleri bakımından R20 eğrisi R10 eğrisinden daha aşağıda görülmektedir. Bu da tabanda daha çok incelme olduğunu göstermektedir. Buna karşılık R20 ile çekilen kabın köşesi R10 ile çekilen kabın köşesine oranla daha az incelme göstermiştir. R20 eğrisi köşeyi döndükten sonra R10 eğrisine göre daha yumuşak bir değişim göstermektedir. Köşeler dönüldükten sonra her iki eğride aynı karakteristik özelliği göstermektedir. Köşeleri eliptik bir geometride şekillendirilen zımba ile yapılan çekme işlemlerinde de farklı sonuçlar gözlenmektedir. Eliptik 1 ve eliptik 2 eğrileri kap taban bölgesin hemen hemen aynı karakteristik özelliğe sahip görünmektedir. Ancak Eliptik 2 eğrisi Eliptik 1 eğrisine göre köşe bölgelerde hem ani hem de daha çok incelme 56

5 Karalı, M. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (4) göstermektedir. Eliptik 2 eğrisinde maksimum incelme kap köşesinin taban tarafında görülürken; Eliptik 1 eğrisinde ise duvar tarafında görülmektedir. Köşe bölgeden duvar tarafına dönüldüğünde eliptik 1 eğrisinde daha ani kalınlaşmalar ve daha ani incelme noktası görülmektedir. Küresel formlu zımba ile yapılan çekme sonucunda elde edilen cidar kalınlık değişim eğrisinde ise, köşe kavramı olmadığından daha düzgün bir kalınlık dağılımı gözlenmektedir. Taban bölgesi diğerlerine nazaran daha fazla ama daha düzgün incelmiştir. Duvar tarafına yaklaşıldıkça incelme azalmaktadır. Anca köşeler dönüldükten sonra görülen ani incelme burada da görülmektedir. 4 Sonuç Sonuç olarak; imal edilecek kabın ne amaçla kullanılacağına bağlı olarak zımba uç formu tercihi değişebilir. Örneğin; elde edilecek kap bir basınç tüpüne dönüştürülecekse mukavemet açısından en elverişli olanı yuvarlak ve toleranslar dahilinde maksimum yarıçapın tercih edilmesi uygun olur. Çünkü maksimum incelme köşede olmasına rağmen diğerlerine göre daha az incelmiştir ve ani incelmeler oluşmamıştır. Eğer çok kademeli bir çekme yapılacaksa yine yuvarlak köşeli ve yüksek yarıçaplı ya da küresel olanının tercih edilmesi uygun görülmektedir. Çükçü; Kap cidar kalınlık değişimi diğerlerine göre daha az ve daha düzgün olduğundan sonraki çekmelerde daha az deformasyon bozukluğu oluşacaktır. Şekil 6. Eliptik köşeli zımbada sac şekillendirme kuvvetleri Eğer köşelerin eliptik olması arzu ediliyorsa eliptik 1 eğrisi eliptik 2 eğrisine göre daha avantajlı görülmektedir. Çünkü Şekil 6 da görüldüğü gibi sacı incelmeye zorlayan F kuvvetinin yatay bileşeni daha büyük olduğundan, yatay bileşen boyunca sürtünme daha fazla olacaktır ve zımba köşenin daha az şekillenmesini sağlayacaktık. F y kuvveti daha fazla olduğunda köşedeki incelmede artacaktır. Kaynaklar 1. Karalı, M.; Derin Sac Çekme İşleminde Pot Çemberi Baskısının Cidar Kalınlığı Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul (2005). 2. Samuel, M.: Numerical and Experimental Investigations of Forming Limit Diagrams in Metal Sheets, Journal of Materials Processing Technology, (2004) Yagami, T; Manabe, K.; Yang, M.; Koyama, H.: Intelligent Sheet Stamping Process Using Segment Blankholder Modules, Journal of Materials Processing Technology, (2004) JianGuo, H.; Jonas, J.J.; Ishikawa, T.: FEM Simulation of The Forming of Textured Aluminum Sheets, Materials Science and Engineering, A256 (1998) Colgan, M.; Monaghan, J.: Deep Drawing Process: Analysis and Experiment, Journal of Materials Processing Technology, 132 (2003) Çapan, L.; Metallere Plastik Şekil Verme, Çağlayan Basımevi, III.Baskı, İstanbul, (1999). 7. Güneş, A.T.: Pres İşleri Tekniği, TMMOB, Cilt 2, Ankara, Türkiye, (2002)