Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, b. Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye,

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), Mayıs 29, Karabük, Türkiye METALİK SACLARIN HİDROLİK ŞEKİLLENDİRME İLE ŞEKİLLENEBİLİRLİĞİNİN TEORİK VE DENEYSEL İNCELENMESİ THEORETICAL AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF FORMABILITY OF METAL SHEETS BY HYDROFORMING Tahsin AĞYEL a, Mustafa YAŞAR b a Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, tahsinagyel@gmail.com.tr b Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye, myasar@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada, üç farklı metalik sac (AA 554 serisi,8 mm lik alüminyum alaşımlı sac, C 16 serisi 1 mm lik Dkp sac ve C 16 serisi,3 mm lik galvaniz kaplamalı sac)kullanılarak, bu sacların kare şekillendirilmesi çalışılmıştır. Çalışmalarda yalnızca erkek kare zımba kullanılmış, dişi kalıp yerine sıvı kullanılmıştır. Analizlerde farklı malzeme modelleri kullanılarak elde edilen sonuçların sel sonuçlar ile uygunluğu irdelenmiştir. Bu amaçla hidrolik şekillendirme sistemi kurulmuş, modelden elde edilen sonuçlar dikkate alınarak sel çalışmalara geçilmiştir. Deneysel çalışmalar sırasında oluşacak kırışıklıklar ve yırtılmalar minimum seviyede tutulmaya çalışılmıştır. Anahtar kelimeler: Sac metal şekillendirme, Alüminyum Alaşım, Dkp sac, Galvanizli sac Abstract In this study, three different metallic sheets (.8 mm AA 554 series aluminum alloy plate, C 16 and C-series 16 series 1 mm mm DKP sheet coated galvanized sheet metal) in used, in this sheet s square to shape were stadies. studies only male square punch, has been used and liquid also has been used instead of female mold. Obtained by using different material models for analysis of experimental results with theoretical results have been analyzed for compliance. For this purpose, hydroforming system has been established; taking theoretical model into consideration, it has been accessed to the experimental work. It was tried to keep wrinkles and tears at minimum level during the experimental studies. Keywords: Sheet metal forming, Aluminium alloy, DKP Sheet, coated Galvanized sheet 1. Giriş Günümüzde gelişen teknoloji ile birlikte, metallerin soğuk şekillendirilmesi alanındaki yeni uygulamalardan biri hidrolik şekillendirmedir. Hidrolik şekillendirme temel olarak metal sac veya tüp malzemenin akışkan bir ortam (su, viskoz polimerik malzeme vs) vasıtasıyla kapalı bir kapta şekillendirilmesidir [1]. Bu çalışmada hidrolik akışkan basıncı kullanılarak AA 554 serisi alüminyum alaşımlı sac malzeme, C 16 serisi DKP sac malzeme ve C 16 serisi galvaniz kaplamalı sac malzemelerin şekillendirilmesi incelenmiş ve şekillendirme sırasında kırışıklıkların ve yırtılmaların önüne geçilmesi amaçlanmıştır. Malzeme üzerindeki kalınlık değişimlerine etki eden faktörlerin birbirleriyle ilişkisi incelenip, en iyi sonucun elde edilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Bu şekilde maliyet, üretilebilirlik, parça sayısı gibi önemli kısımlardan belli kolaylık ve avantajlar sağlanmıştır. Daha önce yapılmış olan çalışmalar da ise McClintock [2], Rice ve Tracey [3], hidrostatik basınç altında, malzemeye uygulanan kuvvetin arttığı halde, sac metal levhalarda meydana gelen sünek yırtılmaların çok ani olarak azaldığını çalışmalarında göstermişlerdir. Clift ve diğerleri [4], Hartley ve diğerleri [5], sac metallerin derin çekme çalışmalarında kullandıkları hidro statik basınç sayesinde mikro çatlakların başlangıcını geciktirdikleri ve oluşsa bile yayılmalarını önlediklerini ortaya koymuşlardır. Erkan Önder ve Erman Tekkaya, çalışmalarında geleneksel derin çekme ve hidro dinamik derin çekme yöntemlerinin birbirlerine göre üstünlüklerini araştırmışlar, çeşitli kesitlerdeki parçaların çekme sonuçlarını olarak ortaya koymuşlardır [6]. 2. Deneysel Çalışmalar Bu çalışmada hidrolik şekillendirme sonucu malzemenin cidar kalınlıklarındaki değişimin incelenmesi, oluşacak deformasyon ve yırtılmaların tespiti ve bunun geciktirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada oluşturulan hidrolik şekillendirme sistemi Şekil 1 de, sistemin şematik çizimi Şekil 2 de gösterilmiştir. Sistem 5 tonluk hidrolik prese bağlanmıştır. Hidrolik şekillendirme için akışkan sıvının konulduğu sıvı odası, malzemeye pot baskısı uygulayan baskı plakası ve şekillendirmeyi sağlayan zımba kullanılmıştır. Baskı plakası ve zımba arasında sızdırmazlığı sağlamak için dairesel kesitli o-ring ler yerleştirilmiştir. Hidrolik akışkan, sıvı giriş vanası kullanılarak sıvı odasına konulmuş ve baskı plakası ile sac malzeme sıkıştırılmıştır. Zımbanın malzemeyi şekillendirmesi sırasında sıvı odasında sıkışan akışkanda basınç meydana gelmiştir. Bu basınç şekillendirme için gerekli olan değeri aştığında basınç emniyet valfi ve akış kontrol valfi kullanılarak yağ tankına tahliyesi sağlanmıştır. Bu sistemde malzeme her zaman zımbanın şeklini almaktadır. Akışkan sıvının sıkıştırılması IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 ile sac malzemeyi zımbaya sararak şekillenme gerçekleştirilmiştir. Kurulan sistemde maksimum çekme yüksekliği 81 mm, çekilecek malzemenin ilkel çapı maksimum 16 mm dir. Baskı plakasının kalınlığı 3 mm ve sıvı odasının kalınlığı 14 mm olarak üretilmiştir. Sıvı odasında oluşan basıncın baskı plakası ve sac malzemeyi yukarı kaldırma etkisi yüzünden baskı plakasının kalınlığı daha fazla olacak şekilde tasarlanmıştır. Baskı plakası M14 civatalar ile sıvı odasına bağlanmıştır. Akışkan sıvının doldurulması sırasında sıvı odasındaki havanın tahliyesi için 1 mm çapında bir adet hava deliği yerleştirilmiştir. Bu hava deliği setiskur civata ile sabitlenmiştir. Böylece sistem içerisinde kalan havanın deformasyona olan etkisi giderilmiştir. Bu çalışmada şekillendirilecek olan, AA 554 serisi alüminyum sacın kimyasal özelliği Tablo 1 de, mekanik özelliği Tablo 2 de ve C 16 serisi sacın kimyasal özeliği Tablo 3 de, mekanik özelliği ise Tablo 4 te verilmiştir. Tablo 1. AA 554 serisi alüminyum sacın kimyasal özelliği Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti,4,4,1,5 2,6 3,6,3,2,15 Tablo 2. AA 554 serisi alüminyum sacın mekanik özelliği Yoğunluk (kg/m 3 ) 2,6x1 3 Çekme Dayanımı 22 Akma Dayanımı 1 Elastikiyet modülü 1 Poison Oranı,3 Tangent Modülü 416 Tablo 3. C 16 serisi alüminyum sacın kimyasal özelliği C Si Mn Cr Mo Ni Al %,66 <,5,194,19 <,5,15,51 Co Cu Nb W Pb Sn Fe % <,1 <,5 <,2,1 <,2,1 99,6 Tablo 4. C 16 serisi alüminyum sacın mekanik özelliği Şekil 1. Hidrolik şekillendirme sisteminin şematik gösterimi. Yoğunluk (kg/m 3 ),85x1 3 Çekme Dayanımı 33 Akma Dayanımı 5 Elastikiyet modülü 25 Poison Oranı,3 Tangent Modülü 55 Deneysel çalışmalarda hidrolik şekillendirme için kullanılacak sıvı basıncını, baskı plakası kuvvetini ve zımba hareket miktarını belirleyebilmek, metalik sacların yırtılma limitlerini belirleyerek sel çalışmalarda temel alınacak değerleri tespit etmek amacıyla, sel düzeneğin modeli oluşturulmuştur. Daha önceden CAD programıyla oluşturulan 3D model, çözümlemede kullanılacak olan LS-DYNA programına aktarılmıştır. Şekil 3 te kare çekme için matris, baskı plakası, zımba ve sac malzemenin modeli gösterilmiştir. Şekil 2. Hidrolik şekillendirme sistemi. Hidrolik şekillendirme yönteminin, derin çekme yöntemine göre karmaşık parçaların şekillenebilirliği, yüksek çekme oranı, kalınlık değişimlerinin düzenli oluşu gibi birçok yönden avantajı vardır. Hidrolik şekillendirmenin bu avantajlarını göstermek amacıyla, piyasada çok yaygın olarak kullanılan metalik saclardan Al esaslı ve demir esaslı sacların yaygınlığını da göz önüne alarak bu çalışmada 1 mm kalınlığında C 16 Dkp sac,,8 mm kalınlığında AA 554 sac,,3 mm kalınlığında C 16 galvaniz kaplamalı sacların kullanılması tercih edilmiştir. Şekil 3. Hidrolik şekillendirme siteminin 1/4 modeli

3 Üç çeşit sacın her birinden yedi adet 16 mm çapında toplam 21 adet numune el makası ile kesilip 8 mesh SİC zımpara ile temizlenen numuneler e hazır hale getirilmiştir. Sonra spektral analiz yöntemi kullanılarak numunelerin kimyasal ve fiziksel özellikleri tespit edilmiştir. Numunelerin tespit edilen bu özelliklerine bakılarak hem şekillendirme hem de sel şekillendirme de uygulanacak olan zımba basınç kuvveti, pot baskı kuvveti ve sıvı basınç kuvvetleri hesaplanmıştır. Deneysel şekillendirmeler sıvı basınçlı ve sıvı basınçsız olmak üzere iki farklı şekilde yapılmıştır. Bunun sebebi hidrolik şekillendirme sonucu malzemede daha düzenli cidar kalınlıkları değişimi elde edebilmek, oluşacak yırtılmaları ve kopmaları daha aza indirebilmek ve daha fazla çekme derinlikleri elde edebilmektir. Deneysel sekilendirmeler yapılırken modelden elde edilen pot baskı kuvveti, zımba kurs ölçüsü ve sıvı basınç kuvveti değerleri sel şekillendirmelerin yapılmasında kıstas olarak alınmıştır. Hidrolik şekillendirme işleminin yapılabilmesi ve yüksek çekme oranlarına ulaşabilmek için sel şekillendirmeler Hidroliksan marka 5 tonluk hidrolik preste gerçekleştirilmiştir. Deney düzeneği kurulmuş, malzemesi olan sac kalıba konmuş; yırtılma, kopma veya yüksek çekme oranlarına ulaşılıncaya kadar hidrolik şekillendirme işlemi yapılmıştır. Deneysel şekillendirme sonucu kare olarak şekillenmiş numunelerin kalınlık değişimlerinin şekillendirmedeki numune kalınlıkları ile karşılaştırmak için kayseri Simfer Beyaz Eşya fabrikasında tel erozyon yöntemi ile numuneler köşelerinden ikiye kesilmişlerdir. Köşe bölgelerinden kesilmesinin sebebi ise yırtılmalar, kopmalar ve aşırı incelemeler numunenin köşe bölgelerinde meydana gelmektedir. Tel erozyon yönteminin seçilmesinde ki amaç pürüzsüz bir kesme yüzeyi elde edilmesidir. Teorik şekillendirmede numuneler ¼ yüzey modeller olarak tasarlandığı için tel erozyon sonucu kesilen numunelerin kesilmiş yüzeylerinin yarısı 5 eşit parçaya bölünmüştür ve daha sonra kalınlık değişimleri her eşit parçanın tam orta noktasından iğne uçlu mikrometre ile ölçülmüştür. Teorik ve sel şekillendirme sonucu elde edilen kalınlık değişimlerini görmek ve karşılaştırmak için Microsoft Excel programında karşılaştırmalı kalınlık grafiği çıkarılmıştır. 3. Deney Sonuçları Ve Değerlendirme çekme yüksekliği ve uygulanan sıvı basınç değerleri Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 5. Ön sıvı basınçlı AA 554 serisi alüminyum sac hidrolik şekillendirmede kullanılan parametreler. Numune Numarası Pot Baskı Torku (Nm) Zımba Basınç Kuvveti Çekme Yüksekliği (mm) Sıvı basıncı , , , , Deneylerde minimum basınç 6 MPa, maksimum basınç 1 MPa olarak kullanılmıştır. Şekillendirme işlemlerinde 1 ve 2 alüminyum numunelerde yırtılma meydana gelmemiştir. Diğer numunelerde yırtılmalar meydana gelmiştir. Bu için ölçülen karşılaştırmalı kalınlık değişim grafiğine bakıldığında, ve sel sonuçlar arasında grafikte bir paralellik olduğu görülmektedir. Bu paralellik ise ve sel sonuçlar arasında malzeme kalınlık değişim grafiğinde uyum olduğunu göstermektedir. Deneysel şekillendirme neticesinde malzemede kalınlık değişiminin olduğu Şekil 4 de görülmektedir Şekil 4. AA 554 Serisi alüminyum sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları Deneysel olarak şekillendirilmiş alüminyum sac Şekil 5.3 te verilmiştir. Deneysel çalışmalarda daha net ve karşılaştırmalı sonuçlar elde etmek amacıyla çalışma iki parçaya bölünmüştür. Çalışmanın birinci bölümünde, aynı kalıplar kullanılmakla birlikte ters yönde hidrolik basınçla ler yapılmıştır. İkinci bölümünde ise ters yönde hidrolik basınç kullanılmadan aynı ler yapılmıştır Ön Sıvı Basınçlı Hidrolik Şekillendirme AA 554 Alüminyum Sac Hidrolik Şekillendirme AA 554 serisi sacın sel çalışmalarında en düşük sıvı basıncı sabit 6 MPa olarak hesaplanmıştır, lerde bu değer baz alınarak işlemler yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sırasında kullanılan 5 ayrı zımba basınç kuvveti, pot baskı kuvveti, şekillendirme sonrasında elde edilen Şekil 6. AA 554 sac sel sonuç C 16 Serisi Galvaniz Kaplamalı Sac Hidrolik Şekillendirme C 16 galvaniz kaplamalı sacın malzeme kalınlığının ince olması nedeni ile plastik deformasyon neticesinde ŞSD nda da görüleceği gibi kırışıklıkların olduğu bölgeler

4 oluşmuştur. Bunun neticesinde C 16 galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirmede çok büyük çekme yüksekliklerine ulaşılamamıştır. Numunelerin hidrolik şekillendirme sırasında kullanılan zımba basınç kuvveti, pot baskı torku, şekillendirme sonrasında elde edilen çekme yüksekliği ve uygulanan ön sıvı basıncı değerleri Tablo 6 da verilmiştir. Malzeme kalınlıkları değişimi ve sel sonuçları karşılaştırmalı olarak Şekil de verilmiştir. Tablo 5. Ön sıvı basınçlı C 16 serisi galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirmede kullanılan parametreler. C 16 Serisi,3 mm Galvaniz kaplamalı sac Pot Zımba Sıvı Çekme Numune Baskı Basınç Yüksekliği basıncı Numarası Torku Kuvveti (mm) (Nm) 1 3 5, , , , , 1 Tablo 6. Ön sıvı basınçlı C 16 serisi Dkp sac hidrolik şekillendirmede kullanılan parametreler. Numune Numarası C 16 Serisi 1 mm Dkp sac Pot Baskı Torku (Nm) Zımba Basınç Kuvveti Çekme Yüksekliği (mm) Sıvı basıncı , , , Şekil 9 da C 16 Dkp sac hidrolik şekillendirme sonucu malzeme kalınlık değişimi verilmiştir Şekil 9. C 16 Serisi Dkp sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları. Deneysel olarak şekillendirilmiş alüminyum sac Şekil 1 da verilmiştir. Şekil. C 16 Serisi galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları. Deneysel olarak şekillendirilmiş galvaniz kaplamalı sac Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 1. C 16 Dkp sac sel sonuç Ön Sıvı Basınçsız Hidrolik Şekillendirme AA 554 Alüminyum Sac Hidrolik Şekillendirme Şekil 8. C 16 galvaniz kaplamalı sac sel sonuç. Deneysel olarak şekillendirilmiş alüminyum sac Şekil 11 de, Şekil 12 de AA 554 serisi alüminyum sac hidrolik şekillendirme sonucu malzeme kalınlık değişimi verilmiştir C 16 Serisi Dkp Sac Hidrolik Şekillendirme Hidrolik şekillendirme sırasında kullanılan zımba basınç kuvveti, pot baskı torku, şekillendirme sonrasında elde edilen çekme yüksekliği ve uygulanan ön sıvı basıncı değerleri Tablo 6 da verilmiştir. Şekil 11. AA 554 sac sel sonuç.

5 C 16 Dkp Sac Hidrolik Şekillendirme Deneysel olarak şekillendirilmiş Dkp sac Şekil 15 de, Şekil 16 da C 16 serisi Dkp sac hidrolik şekillendirme sonucu malzeme kalınlık değişimi verilmiştir. 5.3 Şekil 12. AA 554 Serisi alüminyum sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları C 16 Galvaniz Kaplamalı Sac Hidrolik Şekillendirme Deneysel olarak şekillendirilmiş galvaniz kaplamalı sac Şekil 13 de, Şekil 14 de C 16 serisi galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirme sonucu malzeme kalınlık değişimi verilmiştir. malzeme kalınlığı mm Şekil 15. C 16 Dkp sac sel sonuç. basınçsız dkp (1-a) 5.3 Merkezden Uzaklık mm Şekil 13. C 16 galvaniz kaplamalı sac sel sonuç. Galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirme sonucunda malzemenin kalınlıkları arasında birbirine yakın değerler elde edilmiştir. Bu da ve sel sonuçlarda paralelliğin oluşmasına ve oluşan kalınlık değişim grafiğinin biraz daha fazla uyumlu olmasına sebep olmuştur Şekil 14. C 16 Serisi galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları. Şekil 16. C 16 Serisi Dkp sac hidrolik şekillendirme malzeme kalınlık değişim grafiği sonuçları. 4. Genel Sonuçlar Bu tez çalışmasında, üç farklı metalik sac kullanılarak, bu sacların kare şekillendirilmesi çalışılmıştır. Elde edilen değerler ve karşılaştırmalardan elde edilen sonuçlar aşağıya çıkartılmıştır. 1- Bu tez çalışmasında, yapılan hidrolik şekillendirmeler neticesinde sonuçlar ile sel sonuçlar arasında malzeme kalınlık değişimleri açısından en fazla % 15 fark (% 85 uyumluluk) olduğu görülmüştür. 2- Hidrolik şekillendirme sonucu elde edilen numunelerin malzeme kalınlığında zımbanın köşelerine karşılık gelen bölgelerinde incelmelerin olduğu, numunelerin ağız kısımlarına doğru malzeme kalınlıklarında artış olduğu gözlenmiştir. 3- Deneysel çalışmalar sonucunda çekme yüksekliği açısından en iyi sonuç AA 554 serisi alüminyum alaşımlı sacda sıvı basıncı 8 MPa ve çekme yüksekliği 25,5 mm olarak 2 numaralı numunede, C 16 serisi dkp sacda sıvı basıncı 13.3 MPa ve çekme yüksekliği 31 mm olarak 4 numaralı numunede, C 16 serisi galvaniz kaplamalı sacda sıvı basıncı 5.3 MPa ve çekme yüksekliği 23 mm olarak 1 numaralı numunede elde edilmiştir.

6 4- Ön sıvı basınçlı ve ön sıvı basınçsız C 16 galvaniz kaplamalı sac hidrolik şekillendirmelerin her ikisinde de levhanın malzeme kalınlığının,3 mm gibi çok ince olması ve levhada kırışıklıkların oluşması neticesinde düşük çekme yüksekliklerine ulaşılmıştır. 5- Deneysel çalışmalar kendi aralarında karşılaştırıldığında ise sıvı basıncı kullanılarak şekillendirilen parçalarda hem şekillendirme derinliği açısından hem de parçanın şekillendirilmesi açısından büyük farklar oluştuğu gözlemlenmiştir. 6- Teorik modelde kullanılan malzeme modelinin ve oluşturulan modelin bu gibi çalışmalarda yeterli sonuç vereceği anlaşılmıştır. Kaynaklar [1] Şahin, S., Hidrolik Şekillendirme Yönteminin Esasları ve Sınıflandırılması, Mühendis ve Makine, cilt 45, no 533, (24). [2] Mcclıntock, F.A., A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Holes, Journal of Applied Mechanics, vol. 35, , (1968). [3] Rıce, J.R. and Tracey, D.M., On the Ductile Enlargement of Voids on Triaxial Stress Fields, Journal of Mechanical Physics and Solids, vol., 21 21, [4] Clıft, S.E., Hartley, P., Sturgess, C.E.N. and Rowe, G.W., Fracture Prediction in Plastic Deformation Process, International Journal of Mechanical Science, vol. 32, no. 1, 1 1, 199. [5] Hartley, P., Pıllınger, I. and Sturgess, C., Numerical Modeling of Material Deformation Processes Research Development and Applications, Springer-Verlag, [6] Çelikayar, G., Yüksek Basınç Altında Metallerin Şekillendirilmesi (Hidroforming), III. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi, 4- Aralık İzmir,