MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri

Transkript

1 K O C A E L İ ÜNİVERSİTESİ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü MMT407 Plastik Şekillendirme Yöntemleri 5 Masif Şekillendirme Yrd. Doç. Dr. Ersoy Erişir Güz Yarıyılı

2 5. Masif Şekillendirme 5.1. Giriş 5.2. Soğuk şekillendirme (cold forming) 5.3. Yarı sıcak şekillendirme (warm forming) 5.4. Sıcak şekillendirme (hot forming) 2 Genel Bakış

3 Haddeleme Açık kalıpta dövme Kapalı kalıpta dövme Damgalama Ektruzyon Tel çekme Derin çekme Kenarlama Döndürme (Sıvama) Şişirme (Yüksek iç basınç ile) Kutu ütüleme Uzatma Genişletme Germe Doğrusal takım hareketi ile bükme Eğrisel takım hareketi ile bükme Kaydırma Burma Plastik Şekillendirme Yöntemleri Basma ile şekil verme Çekme-basma ile şekil verme Çekme ile şekil verme Eğme (bükme) ile şekil verme Kayma ile şekil verme Doege, Behrens, 2007 Masif şekillendirme yöntemleri 3

4 Ana yöntem Şekillendirme yöntemi Şematik gösterimi Açıklama Serbest yığma Parçada lokal olarak malzeme toplama amaçlı yığma Basma (Yığma) Açık kalıpta yığma Uzatma Kalıpta form verme Parçanın kalınlığını adım adım düşürerek serbest şekillendirme Kalıpta uzatma İş parçası kalıbın içinde uzatılarak şekillendirilir Doege, Behrens, 2007 Masif şekillendirme yöntemleri 4

5 Ana yöntem Dövme Şekillendirme yöntemi Çapaklı dövme Çapaksız dövme Şematik gösterimi Açıklama Çevresel olarak tamamen sınırlandırılmış bir işparçasının kalıpta şekillendirilmesi, burada fazla malzeme kalıp boşluğuna akar. Çevresel olarak tamamen sınırlandırılmış bir işparçasının kalıpta şekillendirilmesi, burada fazla malzeme akışı yoktur. Yassı haddeleme İş parçası merdaneler arası açıklıktan geçerek merdane eksenine dik olarak hareket eder. Haddeleme Kesit haddeleme İş parçası ilerleme olmaksızın eksenel dönem hareketi yapar. Eğrisel haddeleme İş parçası eksenel dönem hareketi yapar, ancak burada iş parçası merdaneler arasında ilerleme hareketi de yapar. Doege, Behrens, 2007 Masif şekillendirme yöntemleri 5

6 Ana yöntem Şekillendirme yöntemi Şematik gösterimi Açıklama Çubuk-İleri Ekstrüzyon İş parçası bir matrise doğru basılır. Kap-İleri Ekstrüzyon Bir dolu parçadan sabit bir alt zımba ile kap şeklinde parça elde edilir. Ekstrüzyon Tüp-İleri Ekstrüzyon Kap-Geri Ekstrüzyon Bir kap şeklinde parçadan daha ince kesite sahip yine bir kap şeklinde parça elde edilir. Bir dolu parçadan kap şeklinde parça elde edilir. Şekillendirme zımba ile pres kalıbı arasındaki boşluk ile sağlanır. Doege, Behrens, 2007 Masif şekillendirme yöntemleri 6

7 Masif yarı mamul Bitmiş parça (ürün) Masif şekillendirme WZL, Fraunhofer IPT 7

8 Masif şekillendirme ile üretilen parçalar Metal Forming Handbook,

9 Kapalı kalıpta dövmede satırlanmalar parçanın hatlarını izler. Böylece yüklenmeler ile aynı doğrultuda satırlanmalar -> Dövme parçalar daha yüksek yük kapasiteli Döküm Çubuktan talaşlı işlem ile çıkarılmış parça Ön form olarak haddelenmiş yarı mamul Haddeleme Kapalı kalıpta dövülmüş parça Satırlanmalar yok Uygun olmayan/süreksiz satırlanmalar Uygun /sürekli satırlanmalar Hacmin yaklaşık %2 si Gözenek ve Lunker Gözenek ve Lunker ler şekillendirme yöntemleri sırasında (Haddeleme, Dövme) kapanıyor. Doege, Behrens, 2007 Neden masif şekillendirme? 9

10 Talaşlı şekillendirme Masif şekillendirme Bilet ağırlığı 1,275 kg Bilet ağırlığı 0,398 kg Başlangıçtaki iş parçası ve talaşlı şekillendirilmiş parçada malzeme akışı (satırlanmalar) Başlangıçtaki iş parçası ve dövme ile şekillendirilmiş parçada malzeme akışı (satırlanmalar) Diğer yöntemlerle karşılaştırılması Metal Forming Handbook,

11 Masif şekillendirme Ekstrüzyon İki ayrı parçanın kaynakla birleştirilmesi flanş kap Birleştirilmiş parça Masif şekillendirme ile daha kararlı ve sızdırmaz bir parça üretilebilir. Diğer yöntemlerle karşılaştırılması Metal Forming Handbook,

12 VİDEO 12

14 Sıcaklık, C YMK L + d d L 1500 A d + g L + g Tavlama renkleri Sarımtrak beyaz 1200 Difüzyon tavlaması 1200 Açık sarı Sarı HMK A 3 A 2 A 1 Kaba tane 1000 g tavlaması 1000 A 911 cm Sarı-kırmızı g + Fe 3 C 900 Açık kırmızı g+a Kiraz kırmızı 723 Yumuşatma tavlaması Koyu kırmızı a 600 Gerilim giderme tavlaması Kahverengimsi kırmızı Yeniden kristallenme tavlaması 500 Koyu kahverengi 400 a + Fe 3 C M s Ötektoid altı Ötektoid üstü çelik çelik Karbon miktarı, kütle-% Sıcak, yarı-sıcak ve soğuk şekillendirme? Temper renkleri Gri Mavimsi gri Açık mavi Mavi Mor Kırmızı Sarı-kahverengi Saman sarısı Bleck,

15 Tufal tabakası Kırılma şekil değiştirmesi Akma gerilmesi k f, MPa İş parçası sıcaklığı, C Malzemelerin davranışı Metal Forming Handbook,

16 Artıları: Düşük takım malzemesi maliyeti Deformasyon hızının etkisi düşük Isıtma için enerji gereksinimi yok Büzülme olmadığından ölçülerde hata yok Yüksek yüzey kalitesi Parçalarda mukavemet artışı Eksileri: Yüksek kuvvet ve iş gereksinimi Sınırlı şekillendirebilirlik Yöntemin artı ve eksileri WZL, Fraunhofer IPT 16

17 Parça ağırlığı Şekillendirebilirlik Talaşlı işlem ihtiyacı 0, kg <1,6 (geleneksel soğuk şekillendirilebilir çelik) çok düşük Önce Sonra Soğuk şekillendirme parçaların küçük şekillendirme miktarlarında yüksek kalitede şekillendirilmesini sağlar. Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 17

18 Şekillendirme yöntemi DIN ISO kalitesine göre IT-değeri Aritmetik ortalama yüzey pürüzlülüğü Ra, m Soğuk ekstrüzyon Yarı sıcak ekstrüzyon Sıcak ekstrüzyon Özel yöntemlerle ulaşılabilir değer Özel yöntemler kullanmadan ulaşılabilir değer Düşük toleranslar (şekil, ölçü ve pozisyon) ve yüksek yüzey kalitesi elde edilebilir. Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 18

19 Çubuk ekstrüzyonu Dolu parça ekstrüzyonu Tüp ekstrüzyonu Boru ekstrüzyonu Kap ekstrüzyonu Önce Sonra İleri ekstrüzyon Geri ekstrüzyon Yanal ekstrüzyon a: Zımba, b: Matris, c: İş parçası d: Kalıptan çıkarıcı, e: Karşıt zımba, f: Mandrel Soğuk ekstrüzyon yöntemleri Metal Forming Handbook,

20 İş parçasının yerleştirilmesi İş parçasının matrise girişi Ekstrüzyon Parçanın çıkarılması Zımba İş parçası Alıcı Kalıptan çıkarıcı Matris Çubuk-İleri-Ekstrüzyon WZL, Fraunhofer IPT 20

21 İş parçasının yerleştirilmesi İş parçasının matrise girişi Ekstrüzyon Parçanın çıkarılması Zımba İş parçası Matris Kalıptan çıkarıcı Kap-Geri-Ekstrüzyon WZL, Fraunhofer IPT 21

22 İş parçasının yerleştirilmesi Matrisin kapatılması Ekstrüzyon Parçanın çıkarılması Üst Zımba Üst Matris İş parçası Alt Matris Alt Zımba Çubuk-Yanal-Ekstrüzyon WZL, Fraunhofer IPT 22

23 Tüpler Vites kutusu milleri Çeşitli dişliler Vidalar Soğuk ekstrüzyon ile üretilen parçalar WZL, Fraunhofer IPT 23

24 Ön basma kalıbı Matris İkinci basma kalıbı Kalıptan çıkarıcı Bitmiş parça Vidaların üretimi WZL, Fraunhofer IPT 24

25 Billet Çubuk-İleri- Ekstrüzyonu Çubuk-Geri- Ekstrüzyonü Çubuk-Yanal- Ekstrüzyonu Tavlama Kaplama Vites kutu milinin üretimi WZL, Fraunhofer IPT 25

26 Flanş bölgesinde oluşan yüksek çekme gerilmeleri nedeniyle oluşan yüzey çatlakları Yanal ekstrüzyon çatlakları WZL, Fraunhofer IPT 26

27 Zımba Sızdırmaz Matris İş parçası Basınç ortamı Yüksek basınç valfi Geleneksel basma Basınçlı ortamda basma h çatlak =26,8 mm h min =28,2 mm h min =10,2 mm h çatlak =9,0 mm Basma gerilmesi oluşturularak daha fazla şekil değiştirme miktarları hedeflenebilir. Basma gerilmeleri uygulanarak çatlak oluşumunun engellenmesi WZL, Fraunhofer IPT 27

28 Dikey basma kuvvetleri yok Dikey basma kuvvetleri uygulanması sabit sabit Ulaşılabilen maksimum şekil değiştirme Takım düzeneğinde küçük bir değişiklikle basma gerilmeleri oluşturulabilir. Basma gerilmeleri uygulanarak çatlak oluşumunun engellenmesi WZL, Fraunhofer IPT 28

29 Çubuk-İleri-Ekstrüzyonda oluşan çatlaklar WZL, Fraunhofer IPT 29

30 Chevron çatlakları FEMsimülasyonu 3. deformasyon adımı Gerçek parça En içteki malzemenin ayrılması ile oluşan Chevron çatlakları Nedeni: merkezdeki çekme gerilmeleri (çekme numunesinde boyun oluşması benzeri durum) Çubuk-İleri-Ekstrüzyonda oluşan çatlaklar WZL, Fraunhofer IPT 30

31 Testere ile kesme ya da kalıpta kesme Basma Kap-Geri- Ekstrüzyon Kalıpta delme Çubuk-Yanal- Ekstrüzyon Kalıpta kesme Kalibrasyon (çaplama) Yumuşatma tavlaması Yumuşatma tavlaması Yumuşatma tavlaması Proses adımları arasında tavlama ile daha fazla miktarda şekil değiştirme elde edilebilmektedir. Konik (açılı) dişli bir parçanın üretimi WZL, Fraunhofer IPT 31

33 Tufal tabakası Kırılma şekil değiştirmesi Akma gerilmesi k f, MPa İş parçası sıcaklığı, C Akma gerilmesinin azalması ve şekil değiştirme miktarının artması Malzemelerin davranışı Metal Forming Handbook,

34 Artıları: Parçalarda mukavemet artışı Dar tolerans aralığı Yüksek yüzey kalitesi Eksileri: Isıtma için enerji gereksinimi Yüksek akma gerilmeleri Yöntemin artı ve eksileri WZL, Fraunhofer IPT 34

35 Soğuk Yarı sıcak Parça ağırlığı 0, kg 0, kg Şekillendirebilirlik <1,6 <4 Talaşlı işlem ihtiyacı çok düşük düşük Billet Soğuk şekillendirme Yarı sıcak şekillendirme Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 35

36 Şekillendirme yöntemi DIN ISO kalitesine göre IT-değeri Aritmetik ortalama yüzey pürüzlülüğü Ra, m Soğuk ekstrüzyon Yarı sıcak ekstrüzyon Sıcak ekstrüzyon Özel yöntemlerle ulaşılabilir değer Özel yöntemler kullanmadan ulaşılabilir değer Orta düzeyde toleranslar (şekil, ölçü ve pozisyon) ve orta derecede yüzey kalitesi elde edilebilir. Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 36

37 Bağlantı tripodu Yakıt enjektörü Yöntemin artı ve eksileri WZL, Fraunhofer IPT 37

39 Düzlemsel basma yüzeyi Numune/iş parçası Yükseklik değişimi: Silindirik numuneler için Basit basma (yığma) Doege, Behrens

40 Sürtünmesiz Basit sürtünme Analitik sürtünme Normal gerilmelerin ( z ) dağılımı Doege, Behrens

41 Normal gerilme ( z ) Her iki durumda d 0 =40 mm Yarıçap mm Yarıçap mm Normal gerilmelerin ( z ) dağılımı örneği (Al99,5 numune ve oda sıcaklığı) Doege, Behrens

42 Tufal tabakası Kırılma şekil değiştirmesi Akma gerilmesi k f, MPa İş parçası sıcaklığı, C Düşük akma gerilmesi ve yüksek şekil değiştirme miktarı Malzemelerin davranışı Metal Forming Handbook,

43 Artıları: Düşük kuvvet ve iş gereksinimi Yüksek şekil değiştirme miktarı Eksileri: Isıtma için yüksek enerji gereksinimi Yüksek takım maliyeti Büzülme ile ölçü hataları oluşumu Tufal oluşumu ile malzeme kaybı ve talaşlı işlem gereksinimi Sıcak şekillendirmenin artı ve eksileri WZL, Fraunhofer IPT 43

44 Soğuk Yarı sıcak Sıcak Parça ağırlığı 0, kg 0, kg 0, kg Şekillendirebilirlik <1,6 <4 <6 Talaşlı işlem ihtiyacı çok düşük düşük yüksek Billet Soğuk Yarı sıcak Sıcak şekillendirme şekillendirme şekillendirme Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 44

45 Şekillendirme yöntemi DIN ISO kalitesine göre IT-değeri Aritmetik ortalama yüzey pürüzlülüğü Ra, m Soğuk ekstrüzyon Yarı sıcak ekstrüzyon Sıcak ekstrüzyon Özel yöntemlerle ulaşılabilir değer Özel yöntemler kullanmadan ulaşılabilir değer Düşük düzeyde toleranslar (şekil, ölçü ve pozisyon) ve yüzey kalitesi elde edilebilir. Kapasitesi WZL, Fraunhofer IPT 45

46 Demir alaşımları oksijen bulunan bir ortamda 600 C üzerine ısıtıldığında, yüzeyde tufal adı verilen demir oksit tabakaları oluşur. İş parçası şekillendirilmesi sırasında tufal tabakası yüzeyden ayrılır. Bu nedenle, malzeme kaybına, yüzey hatalarına ve artan takım aşınmasına neden olunur. Tufal WZL, Fraunhofer IPT 46

47 5. Masif Şekillendirme 5.1. Giriş 5.2. Soğuk şekillendirme (cold forming) 5.3. Yarı sıcak şekillendirme (warm forming) 5.4. Sıcak şekillendirme (hot forming) Açık kalıpta dövme Kapalı kalıpta dövme Ring haddeleme 47 Genel Bakış

48 Uzatma Yuvarlak kesit dövme Genişletme Basma (yığma) Çekiçle çökertme Çekiçle bükme Çekiçle inceltme Açık kalıpta dövme LFU, Dordmunt,

49 İş parçası Manipulator Basma (yığma) Üst takım Uzatma İş parçası Alt takım Açık kalıpta dövme için en basit kalıp tasarımları kullanılır. Açık kalıpta dövme Düz satıhlı Oval satıhlı Dairesel satıhlı WZL, Fraunhofer IPT 49

50 Dövme ile yuvarlatma İngot Basma (yığma) Hurda Nihai haddeleme ve kesme Uzatma Kesit düşürme Basma (yığma) Form verme Uzatma Kesit düşürme Proses akışı WZL, Fraunhofer IPT 50

51 VİDEO Açık kalıpta dövme 51

52 Artıları: Çok büyük boyutlu ( 250 ton) parçalar dövülebilir. Az sayıda parça ve tek parçalar için basit kalıplar kullanıldığı için kapalı kalıpta dövmeye göre oldukça ekonomiktir. Döküm ve kapalı kalıpta dövmeye göre toplamda daha az çalışmaya ihtiyaç duyulur. Üretilen parçalarda por ve gözenek yoktur. Eksileri: Seri üretime uygun değildir. Üretilen parçalarda toleranslar yüksek olmalıdır. Kapalı kalıpta dövmeye göre maliyeti yüksektir. Açık kalıpta dövmenin artı ve eksileri Doege, Behrens

54 Üst kalıp Çapaksız dövme: Düşük kuvvetler Malzemenin tamamının kullanımı Sadece % 0.5 hacim değişimi İş parçası doğru konumlandırılmalıdır. Alt kalıp Üst kalıp Alt kalıp Dövülmüş parça Çapak boşluğu Dövülmüş parça Çapaklı dövme: Hacim değişimi tolere edilebilir. İş parçasını çok hassas konumlandırmak gerekli değildir. Çapak alma işlemi gerektiğinden fazladan bir proses adımı daha olmalıdır. Kapalı kalıpta dövme WZL, Fraunhofer IPT 54

55 Yığma Toplama Doldurma Basma (yığma) Genişletme Yükseltme Dövme sırasında gravürlerin doldurulması Doege, Behrens

56 Krank mili Biyel kolu Ön-form Ara-formlar Bitmiş form Delme Parça Hurda Aks taşıyıcı Efektif bir ön-form oluşturmak sonraki adım sayısını azaltabilmektedir. Kapalı kalıpta çapaklı dövme WZL, Fraunhofer IPT 56

57 Dişleri konik açılmış dişliler Sonsuz dişli Planet dişli Üniversal mafsal Puls dişlisi Konik dişli Kapalı kalıpta çapaksız dövme Doege, Behrens

58 I. Kesme II. Isıtma III. Ön şekillendirme/kütle dağıtma IV. Ön dövme/nihai dövme V. Çapak alma ve Delme VI. Soğuma ve Isıl işlem Proses adımları Doege, Behrens

59 Kare kesitli Dairesel kesitli Billet Billet Kesme Doege, Behrens

60 Makas Kesme hızı Kesme kuvveti Çubuk tutucu Billet Kılavuz Çatlak oluşumu Çubuk Çubuk karşıt tutucu Billet tutucu Kesme boşluğu u Makas Makinenin taşıyıcıları Makas basma bölgesi Çekme bölgesi Kesme Doege, Behrens

61 Fırın İndirekt (Fırında) ısıtma: Fırını ısıtmak için gaz, petrol ürünleri ya da elektrik kullanılabilir. İş parçası ışınım ve konveksiyon ile ısıtılır. Indüksiyon ile ısıtma Direkt ısıtma: İndüksiyon ile ısıtma: Eddy current akımları ile manyetik indüksyon üzerinden iş parçası yüzey bölgesi ısıtılır. Direnç ile (kondüktif) ısıtma: İş parçası ile temas halinde bulunan yüksek frekanslı akım kaynağı üzerinden iş parçası ısıtılır. İndüksiyon ve kondüktif ısıtma çok hızlı olduğu için birincil tufal oluşumu engellenmiş olur. Isıtma yöntemleri WZL, Fraunhofer IPT 61

62 Dış kaplama İzolasyon Egzos Gaz brülörü (gaz yakıcı) Kapak Isıtılan parçalar Isıtma İndirekt (Yığımlı fırın) Doege, Behrens

63 İtmeli sistem doğrultusu Koruyucu dış boru Koruyucu iç boru Su soğutmalı taşıyıcı sistem Su soğutmalı bobin Isınan parça Isıtma Direkt (İndüksiyon fırın) Doege, Behrens

64 Tufalsiz Düşük miktarda tufal Aşırı tufal oluşumu Billet, ısıtma öncesi İndüksiyon ile hızlı ısıtma (1280 ºC) Suda su verme Isıtma Tufal oluşumu Yığımlı fırında 30 dk ısıtma (1280 ºC) Havada soğuma Doege, Behrens

65 Demir Wüstit Manyetit Hematit Oksijen Metalden Fe 2+ ve 2e - un FeO ya taşınması FeO oluşması Fe 3 O 4 ve Fe 2 O 3 oluşması Oksijenin yapıya girişi Isıtma Tufal oluşumu Doege, Behrens

66 Sertlik HV (0,05) C45 çeliğinde yüzeyde sertlik değişimi Atmosfer: Argon ile bir miktar hidrojen, Tavlama sıcaklığı: 1000 ºC dk dk dk Yüzeyden uzaklık, mm Isıtma Yüzey karbonsuzlaşması Doege, Behrens

67 Adım 1 Adım 2 Adım 3 Dövme sonrası parça Billet Adım 4 Adım 5 Dövme/Şekillendirme Doege, Behrens

68 Sıcaklık Sıcaklık Sıcaklık Dövme Normalizasyon Su verme Oda sıcaklığı Dövme Su verme Temperleme Zaman Normalizasyon + Su verilmiş ve temperlenmiş Oda sıcaklığı Temperleme Su verilmiş ve temperlenmiş Dövme Zaman Yumuşatma tavlaması Yumuşak tavlanmış Oda sıcaklığı Zaman Soğuma/Isıl işlem Doege, Behrens

69 Sıcaklık Sıcaklık Sıcaklık Dövme Oda sıcaklığı Oda sıcaklığı İzotermal dönüşüm Dövme Su verme Temperleme Dövme Dövme sıcaklığından izotermal dönüşmüş Zaman Dövme sıcaklığından su verilmiş ve temperlenmiş Zaman Oda sıcaklığı Dövme sıcaklığından kontrollü soğuma Zaman Soğuma/Isıl işlem Doege, Behrens

70 Su verilmiş ve temperlenmiş çelikler Q&T (Quenched & Tempered) steels Çökelti sertleşen ferritik perlitik çelikler AFP (Age hardening ferritic-pearlitic) steels Q&T çelikleri ve AFP çeliklerinden dövme ile üretilen parçaların proses akışları 70

71 Kimyasal bileşim Mekanik özellikler Çelik C Si maks Mn P maks S V Ra N/mm 2 Rm % N/mm 2 Uz. % Kes. Dar. 49MnVS > >8 >20 SAE 1046 HT Q&T çelikleri ve AFP çeliklerin mekanik özellikleri 71

72 Isıl işlemden geçen bir dişli parçada üretim maliyetlerinin dağılımı Eckstein,

73 AFP çeliklerde nihai mikroyapı ve mekanik özellikleri etkileyen metalurjik mekanizmalar Erişir,

74 1 Aşınma 2 Termal yorulma / çatlak oluşumu 3 Mekanik yorulma / çatlak oluşumu 4 Plastik deformasyon Takım değişimi gerektiren en önemli nedenler takım köşelerinde malzeme erozyonu ve boşluklarda çatlak oluşumudur. Kapalı kalıpta dövme WZL, Fraunhofer IPT 74

75 Malzeme erozyonu Aşırı çapak oluşumu takımda malzeme erozyonuna neden olmaktadır. Çapak boşluğunda aşınma WZL, Fraunhofer IPT 75

77 Eksenel merdaneler Ring Merkezleme merdanesi Mandrel merdanesi Ana merdane Ring haddeleme ile küçük yarıçaplı bir ringden büyük, daha ince kesitli ve yeni bir profile sahip ring elde edilebilir. Ring haddeleme tezgahı WZL, Fraunhofer IPT 77

78 Ring haddeleme WZL, Fraunhofer IPT 78

79 Mandrel ve ana merdane hareketi ayarlanarak istenen profil verilebilir. Elde edilebilen ring geometrileri WZL, Fraunhofer IPT 79

80 Hem küçük hem de büyük ringler ring haddeleme ile üretilebilir. Parça boyutları WZL, Fraunhofer IPT 80

81 Ring haddeleme ile üretilen parçalar WZL, Fraunhofer IPT 81