Ofset Bükme İşleminde Şekillendirme Hızı ve Malzeme Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 11, No: 3, 2014 (75-83) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 11, No: 3, 2014 (75-83) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Ofset Bükme İşleminde Şekillendirme Hızı ve Malzeme Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi Hande GÜLER * * Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Müh. Böl., Bursa/ TÜRKİYE handeguler@uludag.edu.tr Özet Bu çalışmada bir ofset bükme işlemi, farklı malzemeler ve farklı şekillendirme hızları kullanılarak sonlu elemanlar yöntemi ile sayısal olarak incelenmiştir. Kullanılan şekillendirme programı Dynaform dur ve farklı malzemelere ait gerçek gerilme- gerçek şekil değiştirme bağıntıları bu programda bulunan Elastik-Plastik deformasyon modeline girilmiştir. Çalışmada, maksimum von mises gerilmesi, maksimum incelme, şekillendirilebilirlik ve eğilme açısı değerleri karşılaştırılmış ve farklı malzeme ve hız seçiminin bu değerleri önemli ölçüde etkilediği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Bükme İşlemi, Sonlu Elamanlar Yöntemi, Dynaform, Eğilme Açısı. Numerical Investigation of the Forming Velocity and Material Effect on the Offset Bending Process Abstract In this study, an offset bending process simulation has been done using different materials and forming velocities. The FEM program was Dynaform and true stress-true strain curves have been keyed in the Elastic- Plastic deformation model. Maximum von mises stress, maximum thinning, formability and bending angle values have been compared according to the materials and velocities. It was found that these values have effected significantly by the choosing of the different materials and the forming velocities. Keywords: Bending Process, Finite Element Method, Dynaform, Bending Angle. Bu makaleye atıf yapmak için Güler H. *, Ofset Bükme İşleminde Şekillendirme Hızı ve Malzeme Etkisinin Sayısal Olarak İncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2014(11) How to cite this article Güler H. *, Numerical Investigation of the Forming Veloctiy and Material Effect on the Offset Bending Process Electronic Journal of Machine Technologies 2014(11) 75-83

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Ofset Bükme İşleminde 1. GİRİŞ Yüksek kalitedeki şekillendirilmiş sac parçaların kısa zamanda ve düşük maliyetle üretilmesi, imalat sektörünün başlıca hedefi olmuştur. Bu hedefe ulaşmak için, tasarım ve üretimin her kademesinde sürekli ilerlemeler kaydedilmektedir [1]. Günümüzde, şekillendirme işlemi için üretim maliyetlerinde önemli avantajlar sağlanması amacıyla sonlu elemanlar analiz programlarının kullanılması büyük önem arz etmekte ve ayrıca, sac malzemelerin şekillendirme işlemleri sonrasında veya esnasında oluşabilecek hataların önceden tespit edilmesine ve bu hataların önüne geçilmesine bu programlar büyük katkı sağlamaktadır [2]. Bilindiği üzere, sac parçaların şekillendirilmesinde malzeme özelliklerine bağlı olarak sekil verme esnasında yırtılma, kırışma, buruşma; şekillendirildikten sonra ise çarpılma ve geri esneme gibi problemler ile karşılaşılmaktadır [3]. Ancak, sonlu elamanlar programları vasıtasıyla, bu problemler önceden tespit edilmekte ve gerçek üretime geçmeden, istenilen geometrik toleranslarda ve hasarsız sac parçaların üretimi ön görülmektedir. Sonlu elemanlar yöntemiyle; karmaşık olan problemlerin daha basit alt problemlere ayrılarak her birinin kendi içinde çözümlenmesi ile tam çözüm sağlanırken, bu metodun kullanılması ile ancak pahalı deneysel yöntemlerle incelenebilen birçok makine elemanının kolayca incelenebilmesi ve optimum dizaynın gerçekleştirilmesi mümkün olabilmiştir [4]. Bükme işlemi üretim sanayinde en çok kullanılan şekillendirme yöntemlerinden biri olup, istenen kusursuz bükme profilini elde edebilmek için, gerilme- şekil değiştirme dağılımları büyük önem arz etmektedir [5]. Gerilme- şekil değiştirme dağılımları ise, her malzemeye göre farklı değerler gösteren eğriler olup, bükme esnasında malzemenin deforme olup olmayacağı ya da ne kadar geri yaylanacağı konusunda da farklılıklar göstermektedir. Bükme işlemi ile ilgili literatür taraması yapıldığında ulusal ve uluslar arası çalışmalar ile karşılaşılmaktadır. Tekaslan ve ark. V bükme kalıplarında bakır malzemenin şekillendirilmesini incelemiş ve geri esneme miktarlarını tespit etmiştir. Ayrıca, zımbanın malzeme üzerinde bekletilme süresi, sac malzeme kalınlığı ve zımba yükünün geri esneme üzerindeki etkileri belirlenmiştir [6]. Bir başka çalışmada yine Tekaslan ve Şeker [7], pirinç sac malzemede geri esneme miktarlarının belirlenebilmesi için, bir V bükme kalıbı tasarlamış ve farklı bükme açılarındaki geri esneme miktarlarını tespit etmiştir. Bir diğer çalışmada ise, Zhong-qi ve Zhong-qin [8] tarafından U bükme işlemi uygulanmış parçanın boyut hassasiyetini arttırabilmek amacıyla dönel bükme işlemi simülasyonu yapılıp deneysel verilerle doğrulaması gerçekleştirilmiştir. U şeklinde ve 2 mm kalınlığındaki LY12M kodlu alüminyum profilin dönel bükme işlemindeki boyut hassasiyetini, yanal basınç ve gerdirme kuvvetinin önemli ölçüde etkilediği sonucuna varılmıştır. Toros ve ark. [9], TRIP800 çeliğinin V bükme işlemi için şekillendirilebilme ve geri yaylanma özelliklerini nümerik ve deneysel olarak araştırmışlardır. Nümerik simülasyonlarda farklı malzeme modelleri kullanarak YLD2000-2d modelinin geri yaylanma tahmininde en iyi sonucu verdiğini belirlemişlerdir. Bahloul ve ark. [10] tarafından yapılmış çalışmada ise, ABAQUS sonlu elemanlar programı kullanılarak S500MC kodlu düşük alaşımlı çeliğin bükme simülasyonu gerçekleştirilmiş ve zımba kuvveti ve sacdaki gerilme dağılımı tahminleri yapılmıştır. Bu çalışmada ise diğer çalışmalardan farklı olarak, farklı şekillendirme hızlarının ve farklı malzeme seçiminin offset bükme işlemindeki etkileri sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Bu amaçla, sonlu elemanlar yazılımı olan DYNAFORM programı kullanılmış ve şekillendirilmiş sac üzerindeki maksimum gerilme, maksimum incelme, şekillendirilebilirlik ve geri yaylanma miktarları belirlenmiştir. 76

3 Güler,H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) BÜKME İŞLEMİ Bükme işlemi; levha malzemenin plastik deformasyon yoluyla kavisli bir şekil alması prosesi olup, en yaygın kullanılan sac metal şekillendirme yöntemlerinden birisidir. Bu üretim yöntemi, sac parçanın sekline, malzeme özelikleri ve üretim adedi gibi değişkenlere bağlı olarak çeşitlilik göstermektedir [11]. Şekil 1 de en çok kullanılan bükme kalıbı çeşitlerinden bazıları görülmektedir ve genellikle en çok en çok kullanılanı 90 lik V-bükme kalıbıdır (Şekil 1a). 90 lik V-bükme kalıbında zımba ucu kavis yarıçapı, saç malzeme kalınlığından az olmamalıdır. Ofset bükme kalıbı, iki 90 bükme işlemini bir arada yapabilir. Bu tarz bükme işlemi, 90 lik bir V bükme işleminin dört katı şekillendirme kuvveti gerektirmektedir. Ofset bükme işlemi daha ziyade ince saclar (3 mm veya daha ince) ile sınırlandırılmaktadır (Şekil 1b). Kavis bükme kalıbı, yarıçapı sac malzeme kalınlığının 4 katından fazla olması gereken bükme işlemlerinde kullanılan kalıplardır ve geniş bir yuvarlatma gösteren 90 lik kalıp ve stampa ile gerçekleştirilmektedir (Şekil 1c). Dar açılı V bükme işlemi genellikle basınçlı havayla çalışan bükme kalıplarında yapılmaktadır. Burada şekillendirme için tam bir stampa- kalıp çakışması söz konusu değildir. Dar açılı bükme, katlama işleminin başlangıç aşaması olarak da uygulanmaktadır (Şekil 1d) [12,13]. Şekil 1. En çok kullanılan Bükme kalıplarına örnekler [12] 3. SAYISAL MODELLEME, PROSESİN GİRDİLERİ VE ANALİZ Sonlu elemanlar yönteminin genel uygulanabilirliği, onu problemler için güçlü ve esnek bir kullanım aracı haline getirmiştir ve bu nedenle yapısal ve mekanik problemlerin çözümü için çok sayıda yapısal program geliştirilmiştir. Analiz aşamasındaki en önemli husus, bir probleme yaklaşım yapılırken kullanılan sayısal analiz programının ve algoritmasının problem tipine uygunluk sağlamasıdır [14]. Bu bölümde, bir ofset bükme işleminin modellenmesi ve analizindeki aşamalar incelenmiştir. Şekil 2 de, simülasyonu gerçekleştirilmiş ofset bükme kalıbının model geometrisi verilmiştir. Modelin elemanları; üst kalıp, alt kalıp ve sacdan oluşmaktadır. Şekillendirilen sacın en dış ölçüleri 63,245x 86,5 mm olup, sac kalınlıkları 0,70 mm den 1,50 mm ye değişmektedir. Katı modeli Solidworks programında çizilen parçaların, sonlu elemanlar modelinin oluşturulması için Dynaform programı kullanılmıştır. Kullanılan şekillendirme hızları 1000mm/s ve 2000 mm/s olup, her hangi bir sac tutma kuvveti uygulanmamıştır. 77

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Ofset Bükme İşleminde Şekil 2. Ofset bükme kalıp modeli 3.1. Malzeme Özellikleri Büyük plastik deformasyon işlemlerinde elastik davranışların ihmal edilebilecek kadar küçük olmasına karşın, malzeme modelinin oluşturulmasında Elastik-Plastik deformasyon modeli olarak "piece-wise linear" malzeme modeli seçilmiştir. Bu malzeme modeli, eğer gerilmeler akma gerilmesinin altındaysa Elastisite modülünü, gerilmeler akma gerilmesinin üstündeyse gerilme-şekil değiştirme eğrisini kullanan Elastik -Plastik bir malzeme modelidir [15]. Bu modelin en önemli avantajı, malzemelere ait gerçek gerilme- gerçek şekil değiştirme (true stress-true strain) eğrilerinin programa girilebilmesidir. Bu amaçla, Şekil 3 te detayı gösterilen sac parça için farklı malzemelere ait gerçek gerilme -şekil değiştirme eğrileri girilmiştir. Tercih edilen malzemelerin ticari isimleri, SSAB Çelik Dış Ticaret Ltd. Şti. firması tarafından üretimi ve satışı gerçekleştirilen Docol 1200 M (0.70 mm), Docol 1400 M (1.50 mm), Docol 1500 M (1.50 mm), Docol 1000 DP (1.60 mm) ve Docol 200 (1.50 mm) malzemeleridir. Bu malzemelere ait girilen gerçek gerilme-gerçek şekil değiştirme eğrileri [16] SSAB Çelik Dış Ticaret Ltd. Şti. firmasından sağlanıp, Dynaform programına girilmiştir. (Şekil 4) Şekil 3. Şekillendirilen sac parçanın geometrisi 78

5 Güler,H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Şekil 4. Malzemelere ait gerçek gerilme- şekil değiştirme eğrileri 4. ANALİZ SONUÇLARI Elde edilen analiz sonuçlarının özeti, Tablo 1 de verilmiştir. Buna göre, şekillendirme hızı V= 1000 mm/ s den V=2000 mm/s ye arttırıldığında, tüm malzemeler için maksimum Von mises gerilmesi ve maksimum incelme değerleri artmıştır. Bunun yanında ise, bazı malzemeler için şekillendirme hızının arttırılması hasar oluşumuna neden olmuştur. Bahsi geçen malzemeler ise, martenzitik çelik malzemeler olan Docol 1200M, Docol 1400M ve Docol 1500M dir. Diğer taraftan şekillendirme hızının arttırılması Docol 200 ve Docol 1000 DP malzemeleri için herhangi bir hasara neden olmamıştır. Bu durum Şekil 5 de verilen FLD diyagramından görülmektedir. Tablo 1. Nümerik analiz sonuçları Malzeme Adı Kalınlık (mm) Akma Gerilmesi (MPa) V (mm/s) Hasar Maksimum Von Mises (MPa) Maksimum İncelme (%) Eğilme Açısı ( ) Docol 200 1, Hayır ,358 60,444 Docol 200 1, Hayır ,387 63,081 Docol 1000 DP 1, Hayır ,673 57,181 Docol 1000 DP 1, Hayır ,752 58,656 Docol 1200 M 0, Hasar riski var ,168 - Docol 1200 M 0, Evet ,373 - Docol 1400 M 1, Hayır ,162 24,439 Docol 1400 M 1, Evet ,912 - Docol 1500 M 1, Hayır ,139 17,559 Docol 1500 M 1, Evet ,063-79

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Ofset Bükme İşleminde Şekil 5. FLD diyagramı sonuçları Maksimum Von mises gerilmeleri değerlendirildiğinde, şekillendirme hızının arttırılması, Docol 200 malzemesinde maksimum gerilme değerini % 0,63; Docol 1000 DP de % 0,89 gibi düşük miktarlarda arttırmıştır. Bu durum martenzitik çeliklerde daha fazla olarak gözlemlenmiştir. Docol 1200 M de % 5,3 gibi bir artış söz konusu iken, Docol 1400 M de % 14,2 ve Docol 1500 M de % 19 olduğu sonucuna varılmıştır. Diğer malzemelere kıyasla, martenzitik çeliklerdeki bu artışın sebebi, malzemelerin şekillendirme hızı arttırılması sonucu hasara uğramasından kaynaklanmaktadır. Şekil 6 da verilen Von mises gerilme dağılımları incelendiğinde, maksimum gerilme değerlerinin genel olarak modelin üst ve alt radyüs kısmında olduğu görülmektedir. Nitekim benzer sonuçlara Şekil 7 de verilen incelme dağılımlarında da karşılaşılmaktadır. Şekillendirme hızının V=1000 mm/s den V=2000 mm/s ye arttırılması ile Docol 200 ve Docol 1000 DP malzemeleri sırasıyla % 0,25 ve % 0,58 oranında düşük miktarda incelme göstermişlerdir. Ancak bu değerler Docol 1200 M, Docol 1400 M ve Docol 1500 M malzemelerinde artış göstererek sırasıyla % 17,64, %74,08 ve % 75,58 olarak belirlenmiştir. Martenzitik malzemelerdeki daha yüksek incelme artışının nedeni olarak, yine hız artışının hasara neden 80

7 Güler,H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) olması söylenebilir. Şekil 6. Von mises gerilme dağılımı sonuçları Şekil 7. Maksimum incelme sonuçları Bükme kalıplarında incelenmesi gereken önemli parametrelerden biri de "geri yaylanma" ve geri yaylanma miktarını veren "geri yaylanma açısı" dır. Şekillendirilecek olan malzemenin, mümkün olduğunca kalıp yüzeylerinin geometrisiyle örtüşmesi istenir. Bu nedenle de, şekillendirme sonucunda oluşan sac parçanın geri yaylanma açısı mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Sonlu elamanlar analizi sonuçları Şekil 8 e göre değerlendirildiğinde, hasar gerçekleşen ve riski olan analizlerde (V= 1000 mm/ s için Docol 1200 M, Docol 1400 M, Docol 1500 M ve V=2000 mm/s için Docol 1200) geri yaylanma açısı oluşmadığı görülmektedir. Diğer taraftan, Docol 200 ve Docol 1000 DP malzemelerinde yaklaşık olarak sırasıyla % 60 ve % 50 civarında geri yaylanma açısı oluşmuşken, Docol 1400 ve Docol 1500 malzemelerinde sırasıyla, % 24,439 ve % 17, 559 olarak olmuştur. Şekil 8. Geri yaylanma açısı sonuçları 81

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Ofset Bükme İşleminde 5. SONUÇ Sonuçlar genel olarak değerlendirildiğinde, farklı malzeme ve şekillendirme hızı seçiminin ofset bükme şekillendirmesini önemli ölçüde etkilediği sonucuna varılmıştır. Maksimum von mises gerilmesinin minimum değerinin Docol 200 malzemesinde elde edildiği görülmüştür. Ancak diğer taraftan, bu malzeme seçildiği takdirde geri yaylanma açısı olarak belirtilen eğilme açısı değeri maksimumdur. Bilindiği üzere, özellikle bükme kalıplarında şekillendirilen sacın kalıp yüzeylerinden büyük miktarlarda sapmaması istenir. Bu nedenden ötürü Docol 200 malzemesinin sergilediği yaklaşık olarak 60 lik bükme açısıyla seçilen ofset bükme işlemi için tercih edilmesi uygun değildir. Diğer taraftan minimum eğilme açısı değeri ise, Docol 1500 M malzemesi ile elde edilmiştir ve ayrıca bu malzemenin düşük hızlardaki ofset bükme işlemi hasar oluşturmamaktadır. Bu durumdan ötürü, bükme işleminin gerçek üretimi için, çalışmada seçilen malzemeler arasında Docol 1500 malzemesinin seçiminin daha doğru olduğu sonucuna varılmıştır. 6. TEŞEKKÜR The author would like to thank Mr Sinan Kucuk from SSAB for providing the true stres-true strain curves. 7. KAYNAKLAR 1. Gavas, M., Köklü, U., Alparslan, Y. E., 2010, Merkezi Delikli Al-1050 Sac Malzemenin Derin Çekme Özelliklerinin İncelenmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 7, 2, Toros, S., Ece, R. E., Öztürk, F., Alkan, M. 2009, 5754-O Al-Mg Alaşımında Ön Gerilmenin Geri Esnemeye Etkisinin Deneysel ve Sonlu Elemanlar Yöntemiyle İncelenmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 6, 3, Ece, R. E., Öztürk, F., 2010, Elektrik Akımı İle Isıtma Yönteminin Sıcak Şekillendirme Uygulamalarından Kullanımının İncelenmesi, 2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi, , Balıkesir 4. Gök, A., Demirci, H. İ., Gök, K., 2009, Sonlu Elemanlar Metodunun Gerçek Bir Sanayi Parçası Üzerinde Uygulanması, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük 5. Tekaslan, Ö., Şeker, U., Gerger, N., 2007, Bükme Kalıplarında 0.75 Mm Kalınlığındaki Çelik Sac Malzemenin Geri Esneme Miktarlarının Belirlenmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13, 1, Tekaslan, Ö., Gerger, N., Şeker, U., 2008, V Bükme Kalıplarında Bakır Sac Malzemelerin Geri Esneme Miktarlarının Tespiti, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 23, 1, Tekaslan, Ö., Şeker, U., 2008, Pirinç Sac Malzemelerin Geri Esneme Miktarlarının Tespiti, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük 8. Zhong-qi Y, Zhong-qin L, 2007, Numerical analysis of dimension precision of U-shaped aluminium profile rotary stretch bending, Transactions of Nonferrous Metals Society of China; 17, (3), Toros S, Polat A, Ozturk F, 2012, Formability and springback characterization of TRIP800 advanced high strength steel, Materials and Design; 41,

9 Güler,H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Bahloul R, Mkaddem A, Santo PD, Potiron A, 2006, Sheet metal bending optimisation using response surface method, numerical simulation and design of experiments, International Journal of Mechanical Sciences; 48, Güler, H., 2013, Yüksek Mukavemetli Çelik Sacların Yüksek Sıcaklıktaki Şekillendirme Parametrelerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa 12. Yurci, M.E.,1991, V BÜKME KALIPLARI, Işıktaş, A., 2011, Farklı Kalınlıklardaki Dkp Ve Paslanmaz Sacların Farklı Açılarda Yapılan V- Bükme İşlemindeki Geri Yaylanmalarının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir 14. Gürsel, K. T., Çakır, S., 2011, Sıvama ile Monte Edilen Mekanizmalarda Oluşan Sıkıştırma Kuvvetlerinin Saptanması, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17, 3, Elitok, K., Güler, M. A., Avcı, F. H., Stelzmann, U., LS-DYNA ile ECE-R66 Yönetmeligi ne Uygun Otobüs Devrilme Analizi, R66_Yonetmeligi.pdf