FARKLI TİP İNCE CİDARLI MALZEMELER İÇİN SIVAYARAK DELİK DELME PROSESİ İLE DİŞ AÇMA YÖNTEMİ

Transkript

1 TMMOB Makina Mühendisleri Odası 11. Otomotiv Sempozyumu 8- Mayıs 2 FARKLI TİP İNCE CİDARLI MALZEMELER İÇİN SIVAYARAK DELİK DELME PROSESİ İLE DİŞ AÇMA YÖNTEMİ ÖZET İnce cidarlı malzemelerde montaj yüzeyine diş açmak için değişik yöntemler mevcuttur. Bu yöntemlerden bir tanesi de sıvayarak delik delme yöntemidir. Bu çalışmada üretimde yoğun olarak kullanılan St7-2, CM22NBK ve S4MC malzemeleri seçilerek, bu malzemelerde sıvayarak delik delme (flowdrill) prosesi uygulandığında ortaya çıkan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sıvama işleminden sonra test numunelerine diş açılarak, çatlak kontrolü için çatlak testine alınmıştır. Ardından numunelerin delik dipleri etrafındaki sertlikler incelenmiş ve son olarak tüm test numuneleri çekme test cihazına bağlanarak mukavemet incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Sıvama, delik delme, diş açma 1. GİRİŞ İnsanoğlu, yaşamını daha rahat ve kolay geçirmek amacıyla sürekli üretim araçları olan makine ve aletleri geliştirmeye çalışmışlardır. Gelişmeler ağır çalışma şartlarına (yüksek sıcaklık, yüksek hız vs.) uyum sağlayarak düşük enerji kayıplı, uzun ömürlü makine tasarımını zorunlu hale getirmiştir. Üretim işlemleri, şekillendirme ve montaj olarak 2 ayrı sınıfta değerlendirilirse daha düşük işçilik süreleri ve daha az malzeme israfı ile düşük maliyet ve yüksek kalite her üretim tesisinin ana amacıdır. Sıvayarak delik açma prosesi de üretim süreci olarak bu ana unsurları olumlu yönde etkileyen bir yöntemdir. İnce cidarlı malzemelere bir vida montajı yapabilmek amacıyla, malzemeden talaş kaldırmaksızın diş açmak için, malzemenin yığılması ve daha mukavim bir malzeme elde etmek adına, önemli bir adımdır. Bu durumda montaj yüzeyi için vidalı yüzey elde etmek adına, ek bir malzeme kaynatmaya, puntalamaya veya perçinlemeye gerek kalmayacaktır. Böylece ek malzeme maliyetleri düşürülerek üretim süreleri de düşürülmüş olacaktır. Bu durumda, bahsi geçen avantajlara ek olarak, meydana gelecek olan kaynak gerilmelerini de elimine edecek bir proses olması nedeniyle, sıvayarak delme prosesi diğer ince cidarlı malzemelerde vidalı yüzey oluşturmak için uygulanan yöntemlere göre bir adım daha öne geçmektedir. Davison ve diğerleri[1]; et kalınlığı mm den az ince çelik borulara sıvama yöntemiyle delik delmişlerdir. Deneylerinde kaynakla birleştirilmiş somuncivata ile sıvama yöntemiyle diş açma yöntemini karşılaştırmışlardır. Deneylerinin sonucunda ince borulara sıvama ile delik delme yöntemiyle plastik şekil değiştirmelerinin arttığını ve kaynakla birleştirilmiş somuncivata yöntemine göre daha fazla mukavim olduğunu görmüşlerdir. Davison ve diğerleri[2]; ince et kalınlığına sahip borulara civata takabilmek için yeni bir termal delik delme tekniği olan sıvama ile delik delme yöntemini incelemişlerdir. Yaptıkları deneylerin sonucunda ince et kalınlığına sahip borularda kaynak veya perçinleme yerine en uygun tekniğin sıvama ile delik delme olduğunu belirtmişlerdir. Bu çalışmada amaç; farklı tip malzemelerde sıvama ile delik delinerek ortaya çıkan sonuçlar birbiriyle karşılaştırılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA 2.1 Deney Numuneleri Deneyde kullanılacak ve çekme deneyleri baz alınarak xmm[7,8] boyunda kesilen St7 2, CM22NBK ve S4MC malzemelerin özellikleri Tablo-1 de verilmiştir. Tablo1: Malzeme özellikleri[] 2.2. Sıvayarak Delik Delme Ekipmanları Sıvama ile delik delme ekipmanları; Şekil 1 de gösterildiği üzere her birinin proseste ayrı yeri olan 1 adet değişik ekipmandan oluşmuştur.

2 b) Sıvamanın başlangıcı, plastik şekil değiştirme c) Sıvama matkabı ucunun malzeme içerisinde ilerlemesi d) Sıvama matkabı ucunun malzemeyi tamamen delmesi e) Sıvama matkabı ucunun malzeme içerisinden çıkması f) Kılavuzla diş açma [5] NC Matkap Tezgahı Tüm sıvama ile delik delme işlemleri HKS2MG Matkap tezgahında yapılmıştır. Matkap tezgahının ilerleme hızları 1 ile 4 mm/dak ve dönme devirleri ise ile 2 dev/dak arasında değişmektedir Kılavuz Çekme Sıvama işleminin ardından çapı 8 mm olan kılavuzla bütün test numunelerine diş açılmıştır. Şekil1. Sıvama ekipmanları: [4] 1. Pens tutucusu: Pense yataklık ederek işlem tezgahının fonksiyon aktarımını sağlar. 2. Dört tırnaklı ay anahtarı: Pens tutucusu ile pensin sıkıştırılmasını sağlar.. Yağ kovancığı: Yağın içine konması için kap görevi üstlenir. 4. Sıvama ucu: Metalin içine yüksek devirde girerek akmasını sağlar. 5. Kılavuz: Sıvama işleminden sonra deliğin içine girerek diş açılmasını sağlar..yağlama fırçası: Yağ kovancığındaki yağı sıvama ucuna veya kılavuza sürülmesine yardımcı olur. 7. Açıkağız anahtar: Pens tutucusu ile pensin sıkıştırılmasını sağlar. 8. Pens: Sıvama ucunu sabitleyip, sıvama ucunun malzemeye rahatlıkla girmesini sağlar. FTMZ flowdrill yağı: Sürtünmeyi azaltarak aşırı ısınmayı abzorbe eder. 1. FD-KS flowdrill macunu: Sürtünmeyi azaltarak aşırı ısınmayı abzorbe eder. 2.. Numune Testleri Numuneler sıvama prosesi ile delindikten sonra ve kılavuz ile diş açıldıktan sonra sırası ile çatlak testi, Rockwell B sertlik testi ve çekme deneyi gerçekleştirilmiştir.. DENEYSEL SONUÇLAR.1. Devir sayıları-sıcaklık sonuçları Tablo 2: Devir sayıları, ilerleme hızları ve ölçülen sıcaklık 2.. Sıvama İşlemleri Sıvama işleminde malzemede meydana gelen plastik şekil değiştirme Şekil 2 de verilmiştir. Sıvama ile delik delme prosesinin akışı kademede incelenebilir. Sıcaklık ( C) Devir Sayısı (d/d) St7-2 t= CM22NBK t= S4MC t= S4MC t=2 Şekil : Devir sayısı-sıcaklık ilişkisi Şekil 2. Sıvama işleminde malzemenin plastik şekil değiştirmesi a) Sıvama matkap ucunun malzemeyle ilk teması Sıvama testlerine ilk olarak St7-2 numuneleri ile başlanmıştır. İlk numune testi için devir sayısı 11dev/dak ve ilerleme hızı ise 5 mm/dak olarak seçilmiştir. Belirlenen ilk kriterlerin ardından her sıvama

3 işleminde devir sayısı kademeli olarak arttırılmıştır. İlerleme hızlarını da devir sayısına oranla artış sağlayacak şekilde belirlenmiştir. Tablo : Test öncesi ölçülen Rockwell B sertlik [4] İşlemler sırasında; devir sayısı ne kadar arttırılırsa sıvama işleminin o kadar kolay gerçekleştiği görülmüştür. St7-2 için 14 dev/dak ya kadar olan işlemlerde malzemede eğilmeler gözlenirken, bu devirden sonra sıvamanın daha rahat ilerlediği gözlenmiştir. CM22NBK için 1 dev/dak ve mm/ dak ilerleme hızında sıvama ucunun malzeme içerisine, diğer test kriterlerine göre delik açılan malzemelere oranla en rahat girdiği ve malzemenin yüzeyinde hiçbir çökme olmadığı gözlemlenmiştir. S4MC numunelerinde ise 1 dev/dak devrinde ve mm/dak da daha rahat sıvandığı gözlemlenirken, 2 mm et kalınlığında ki S4MC numunelerinde 1 dev/ dak ya kadar kılavuz ucu zorlanarak malzeme içine girdiği gözlemlenmiştir. Sıcaklık analiz edilirse; bütün test numunelerinin sıcaklık ölçüm işlemleri, 8-5 modelli Cole Parmer Infrared termometre ile yapılmıştır. Infrared termometrenin ölçüm aralığı - ºC ile + ºC arasındadır. Şekil te görüldüğü üzere test numunelerini sıvama ile delik delinmesi esnasında en yüksek sıcaklık değeri, mm kalınlığındaki S4MC numunelerinde ortaya çıkmıştır. Bunun sebebi, S4MC malzemesinin diğer test malzemelerine oranla daha sert bir malzeme olması nedeni ile sıvama ucunun, yüksek devirle malzemeye girmesi esnasında, diğer malzemelere göre daha fazla zorlanmasından kaynaklanmaktadır. mm kalınlığındaki CM22NBK test numuneleri ile St7-2 test numunelerinin sıcaklıkları birbirleriyle yakın çıkmasına karşın CM22NBK test numunelerinin sıcaklık, St7-2 test numunelerinden daha yüksek çıkmıştır. Bu da yine CM22NBK malzemesinin St7-2 malzemesinde daha sert bir malzeme olmasından kaynaklanmaktadır. En düşük malzeme sıcaklıkları ise 2 mm kalınlığındaki S4MC test numunelerinde ortaya çıkmıştır. Bu da doğal olarak et kalınlığının diğer test numunelerinden 1 mm daha düşük olması nedeniyle, sıvama ucunun malzemeyle daha az süre temasta kalmasından kaynaklanmaktadır Sonuç olarak seçilen malzemelerde devir sayısı ve ilerleme hızları arttıkça, sıvama ucunun malzemelerin içine rahatlıkla girdiği ve sıcaklık nin arttığı gözlemlenmiştir Şekil4: St7-2 nin sıvama işleminden sonra ölçülen Rockwell B sertlik Şekil5: CM22NBK nın sıvama işleminden sonra ölçülen Rockwell B sertlik Sertlik(RB) Num une No 5 7 sağ Şekil: S4MC t=mm nin sıvama işleminden sonra ölçülen Rockwell B sertlik sol.2. Rockwell B sertlik deneyi Bütün metallerde ve özellikle çelikte sertlik, soğuk şekil değiştirme ve ısıl işlem sonucu geniş sınırlar içerisinde değişir. Bunun tersi olarak, sertlik nden malzemenin içyapı durumu hakkında sonuçlar çıkarılabilir [5].

4 Sertlik(RB) Num une No sağ Şekil7: S4MC t=2mm nin sıvama işleminden sonra ölçülen Rockwell B sertlik Tablo te test numunelerin delik etrafına en yakın yerlerinden alınan sertlik görülmektedir. Şekil 4-7 ile karşılaştırıldığında tüm sertlik nde bir artış olduğu görülmektedir. Bu doğal olarak sıvama ile delik delme esnasında ortaya çıkan yüksek sıcaklıkların ardından, diş açmak için uygulanan soğuk şekillendirme işlemiyle ortaya çıkan pekleşme sonucu, malzemelerin dayanımının artmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 4-7 den de görüleceği gibi St7-2 numunelerinin sertlik, genel olarak CM22NBK numunelerine yakın çıkarken mm ve 2mm kalınlıklarındaki S4MC numuneleri bu değerlerden daha yüksek çıkmıştır. Test sonuçlarına göre mm ve 2mm kalınlıklarında ki S4MC malzemelerin sertlik CM22NBK nın üzerinde çıkmıştır. Burada en önemli etken ise S4MC nin element yapısındaki daha fazla Mn, Si olması ve CM22NBK da bulunmayan Ti ve V dan kaynaklanmaktadır ki bu da, bu malzemelerin CM22NBK ya oranla daha gevrek olduğunda işaret ederler. St7-2 nin ise CM22NBK dan daha düşük değerlerde kalması St7-2 de Si ve Mn olmamasından kaynaklanır. Bu da CM22NBK nın St7-2 den daha gevrek bir malzeme olduğunun göstergesidir. sol Yapılan incelemeler sonucunda tüm test numunelerinde hiçbir çatlak tespit edilmemiştir. CM22NBK için, 7 ; S4MC t= mm için 5; St7-2 için ve S4MC t=2 mm için da deformasyon olduğu tespit edilmiştir ama bunlar kılcal çatlak veya yarık olarak değerlendirilmemelidir..4.çekme Deneyi Çekme testi, sıvama ile delinen numunelere de uygulanarak ortaya çıkan çekme kuvvetlerinin sırasıyla mm kalınlığında St7-2 için Şekil da, mm kalınlığında CM22NBK için Şekil 1 da, mm kalınlığında S4MC için Şekil 11 de ve son olarak 2 mm kalınlığında S4MC için Şekil de gösterilmiştir. Şekil8: Çekme numunesi[] Tablo4: Çekme test numuneleri ölçü [7,8,] Tablo5: M8 delinen numunelerin mukavemet.. Çatlak testi Malzemelerde olası deformasyonları tespit etmek amacıyla yapılan bu testte malzemenin üst yüzeyine kadar ulaşan kılcal çatlaklar aranmıştır. Malzemeler ilk olarak temizlik işlemi için tinerli bezle silinmiştir. Temizlemedeki öncelikli amaç yabancı maddelerin test numuneleri üzerinden uzaklaştırılmasıdır. Daha sonra hava tutularak, tinerin malzemeler üzerinden %1 buharlaşması sağlanmıştır. Tablo 4 teki değerlere göre öncelikle malzemelere matkap tezgahında M8 delik açılarak, çekme testine alınmıştır. Ortaya çıkan değerler Tablo 5 te verilmiştir. Tablo5 ten görüleceği üzere matkapla delinen numunelerde ortaya çıkan gerilme Tablo 1 de verilen malzemelerin norm ne uyum sağlamaktadır.

5 Yük(kN) 18 akm a çekm e Şekil: mm kalınlığındaki St7-2 nin mukavemet Yük(kN) 18 Şekil1: mm kalınlığındaki CM22NBK nın mukavemet Yük(kN) Şekil11: mm kalınlığındaki S4MC nin mukavemet Yük(kN) Şekil: 2mm kalınlığındaki S4MC nin mukavemet Akma Çekme akma çekme akma çekme Şekil - den de görüldüğü üzere ilk olarak malzemelerin kendi aralarında değerlendirmek gerekirse, üretimde kullanılan St7-2 malzemesinin çekme kuvveti ortalama, kn dur. Tablo 5 e göre,2 kn luk değer sıvama ile delinen numunelerin çok çok altında kalmıştır. mm kalınlığında ki CM22NBK sıvama ile delinen numunelerdeki çekme kuvvetleri ortalama 1,4 kn olduğu görülmüştür. Tablo 5 e bakılacak olursa matkapla delinen numunenin Şekil 1 da belirtildiği üzere çekme kuvveti 1,8 kn a oranla, ortaya çıkan kopma değerinin daha yüksek olduğu aşikârdır. Şekil 11 de, mm kalınlığında ki S4MC numunelerinin ortalama 1, kn olan çekme kuvveti, Tablo 5 de belirtildiği üzere 14,2 kn ile karşılaştırıldığında diğer numunelere göre yüksek bir değer olarak görülmüştür. Son olarak Şekil de ise 2 mm kalınlığında ki S4MC diğer malzemelerin çekme kuvvetleri ise ortalama 1, kn olan değeri Tablo 5 deki 8, kn ile karşılaştırıldığında yine yüksek bir değer olarak kalmıştır. Deney malzemelerinin çekme kuvvetlerini birbirleriyle kıyaslanırsa; en yüksek çekme kuvveti mm kalınlığında ki S4MC dır. 2. sırada mm kalınlığında ki CM22NBK,. sırada mm kalınlığında St7-2 olup en düşük çekme kuvveti ise 2 mm kalınlığındaki S4MC numunelerinde meydana gelmiştir. S4MC malzemesi diğer malzemelere göre daha mukavim bir yapıda olmasına rağmen, 2 mm kalınlığındaki S4MC malzemesinin en son sırada yer almasının nedeni sadece et kalınlığının düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Kuvvet nde anlatılan artışlara paralel olarak gerilme nde de bir artış görülmüştür. Flowdrill testlerinden sonra tüm numuneler yine tam delik merkezinden kopmuştur. Bu işlem yine malzemenin en zayıf yerinin sıvama ile delinen yer olduğunu gösterse de ortaya çıkan kopma kuvvetlerinin değer artışı malzemenin delik etrafında yığılmasının göstergesidir. Şekil 4-7 de verilen delik etrafındaki sertlik artışı da bu yorumu desteklemektedir. Sertlik testi yapılırken delik yüzeyinden, parçanın geometrisi nedeniyle sertlik ölçümü yapılamamıştır. Fakat sıvama matkabı ucu birebir bu yüzeyde yüksek sıcaklık oluşturması sebebiyle bu bölgede bir mukavemet artışı olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlara göre, sıvama ile delik delme işleminde çekme kuvvetlerinde görülen bu artış malzemelerde ki mukavemet artışının bir göstergesidir. Sıvama ile delme işleminde malzemeyi plastik deformasyonlara uğratarak sıvanmasına sebep olan yüksek sıcaklık, ardından soğuk şekillendirme yapılarak kılavuzla diş çekme işlemi malzemede bir pekleşme, dolayısıyla malzeme dayanımının artışına sebep olduğunu ortaya koymaktadır. Buna ek olarak, delinen yüzeydeki malzemenin talaş şeklinde malzemeden ayrılmaması, deliğin çeperinde yığılması kesit alanının zayıflamasının tersine daha da güçlendirmiştir. Üstelik bu yüzey pekleşmenin birebir oluştuğu yüzey olmasıyla da daha mukavim bir diş yüzeyi oluştuğunun göstergesidir. Burada tabii ki malzemelerin süneklikleri de önemlidir. Çekme testinden önce ve sonra numuneler üzerinde ölçü işaretleri arasındaki ölçülen mesafe ile % uzama bulunur ve kopmadan önce numunenin gerdirilen miktarı belirlenir [1]. Buna göre numunelerin % uzamalarına bakılırsa CM22NBK, St7-2 nin altında, S4MC nin üzerinde olduğu görülmüştür. Bu sünek yapının grafik hali Şekil 1 de rahatlıkla görülebilir.

6 25 Uzama(%) Şekil1:numunelerin uzama grafikleri CM22NBK St7-2 S4MC,t=mm S4MC,t=2mm 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Sıvama ile delik delme prosesi üretimde en çok kullanılan tip malzeme tipi seçilerek birbirleriyle kıyaslama yoluna gidilmiştir. Yapılan tüm denemelerde; 1- Malzemelerin sıvayarak delik delme prosesi sonucunda, hiçbir şekilde çatlamaya uğramadığı tespit edilmiştir. 2- Malzemelerin sertlik nin, sıvama sonucu ortaya çıkan sürtünme ve ısı etkisiyle arttığı anlaşılmıştır. Bu da sıvayarak delme ve soğuk şekillendirerek diş açma prosesi sonucu, malzemelerde mukavemet artışı olduğu tespit edilmiştir. - Ortaya çıkan kopma kuvvetleri malzemelerin kullanım yerine göre kabul edilebilir değerler olduğu tespit edilmiştir. 5. REFERANSLAR [1] J.E.France, J.B.Davison, P.A.Kirby, Strength and Rotational Response of Moment Connections to Tubular Columns Using Flowdrill Connectors Journal of Constructional Steel Research, cilt 5, 1, s [2] J.E.France, J.B.Davison, P.A.Kirby, Strength and Rotational Stiffness of Simple Connections to Tubular Columns Using Flowdrill Connectors Journal of Constructional Steel Research, cilt 5, 1, s.-4. [] Norton, R., Machine Design 2.nd Edition, Prentice Hall, USA, 2, s.1. [4] D.Sözügüzel, İnce Cidarlı CM22NBK Malzemesi İçin Sıvayarak Delik Delme(Flowdrill) Prosesi ile Diş Açma ve Alternatif Malzeme Seçimi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 27, Ankara. [5] W.Weissbach, Malzeme Bilgisi ve Muayenesi,. Baskı Birsen Yayınevi, İstanbul, 18, s [] G.Dekkers, Flowdrill prosesi firma katologları, Copyright by B.V.Flowdrill, Holland, 1, s.1-. [7]DIN EN Normu, Deutsche Industrie Norm, Soğuk Şekillendirme İçin Yüksek Mukavemetli Çeliklerden Üretilmiş Sıcak Haddeli Yassı Ürünler. [8]DIN 25- Normu, Deutsche Industrie Norm, Dikdörtgen ve Kare Elektrik Kaynaklı Özel İmalat Çelik Borular. [] DIN 172 Normu, Deutsche Industrie Norm, Genel Yapı Çelikleri. [1] D.R. Askeland, The Science and Engineering of Materials, Nobel Yayın Dağıtım Ltd. Şti., Ankara, 18, s.1-5.