TÜBİTAK ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ / YURT DIŞI ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEKLEME PROGRAMI ILIK SAC ŞEKİLLENDİRME PROSESİ İÇİN

Transkript

1 TÜBİTAK ÜNİVERSİTE ÖĞRENCİLERİ YURT İÇİ / YURT DIŞI ARAŞTIRMA PROJELERİ DESTEKLEME PROGRAMI ILIK SAC ŞEKİLLENDİRME PROSESİ İÇİN KALIP TASARIMI VE İMALATI Proje Yürütücüsü: MART 2016

2 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 arttırılması için kalıp tasarımı ve imalatının önemini göstermektedir.

3 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 kalıp tasarımı ve imalatı gerçekleştirilecek, şekillendirilebilirliği maksimum yapacak sıcaklık koşulları deneysel olarak incelenecektir. 4. LİTERATÜR TARAMASI Sıcaklık etkisiyle alüminyum-magnezyum alaşımlarının şekillendirilebilirliğinin arttırılması amacıyla ilk çalışmalar 1970 yılında başlamış ve 250 o C 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 o C ile ~300 o C (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.

4 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, 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

5 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 Al5754 belirlenmiştir. Kalıp parametreleri belirlenirken, kalıpların ~200 o C ile ~300 o C 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.

6 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.

7 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.

8 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.

9 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 [4] Akıllı A. ve Demirci H.İbrahim, AA5754 malzemesinin derin çekme metodu ile soğuk-sıcak şekillendirilmesi, International Iron & Steel Symposium, 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