ÖZET 1.GİRİŞ. Şekil-1: Sac malzemenin kalıpsız olarak ASŞ yöntemi ile şekillendirilmesi ([5] ten uyarlanmıştır)

Transkript

1 ARTIMLI ÞEKÝLLENDÝRME TEKNÝÐÝ ÝLE PROTOTÝP SAC PARÇA ÜRETÝMÝ M. Emin TAMER / Atýlým Üniversitesi Omer MUSÝC / Atýlým Üniversitesi Ýzzet ÖZDEMÝR / Atýlým Üniversitesi Besim BARANOÐLU / Atýlým Üniversitesi Ali SAKÝN / TOFAÞ A.Þ. Ýsmail DURGUN/ TOFAÞ A.Þ. 179

2 ÖZET Bu çalışma temel olarak TOFAŞ Ar-Ge prototip atölyede belirlenmiş bir sac ürün üzerinde ASŞ yöntemi ile imalat sürecini göstermektedir. Üretim için seçilen parçanın CAD geometrisi üzerinden takımyolu tanımlanmış ve üretim tanımlanan takımyolunun CNC dik işleme merkezine (G-kodları olarak) programlanması sonrasında imalat gerçekleştirilmiştir. İmalat sonrasında elde edilen parçanın optik ölçümleri yapılmış ve parçanın CAD geometrisi ile karşılaştırılmıştır. Çalışmada, geometrik toleransların oldukça iyi bir yakınlık gösterdiği değerlendirilmektedir. 1.GİRİŞ Ürünlerin tasarımları sonrası piyasaya çıkma sürelerinde en önemli aşama prototip aşamasıdır. Bu aşama, aynı zamanda ürün geliştirme sürecinin de en uzun süren safhasını oluşturmaktadır. Prototip aşamasında, özellikle araç üretimi söz konusu olduğunda, seri imalatta kullanılan yöntemlerin uygulanıyor olması maliyetleri arttırmaktadır. Ayrıca seri imalatta uygulanan yöntemler esnek değildir tasarımdaki küçük değişiklikler ancak büyük maliyetlerle uygulanabilmekte ve bu uygulama uzun süre alabilmektedir. Bu sebeplerden dolayı, prototip imalat için düşük adetli üretimlerde maliyetleri yüksek olmayan ve tasarımdaki değişiklikleri uygulamakta (gerek zaman gerekse mali olarak) iyi çözümler sunabilen yöntemlerin kullanılması önem arz eder. Prototip imalat ile ilgili önerilmiş pek çok çalışma literatürde yer almaktadır. Bunlar arasında, seri imalatta kullanılan kalıplara alternatif olarak farklı (daha ucuz, daha kolay üretilen ve geri dönüşümü daha az enerji ile gerçekleştirilebilecek olan) malzemelerle üretilen kalıplar [1-3] önemli yer tutmaktadır. Bunun karşısında ise, kalıpsız bir imalat yöntemi olarak artımlı sac şekillendirme (ASŞ) yöntemi, özellikle son on yıl içinde giderek artan bir ilgi görmektedir [4]. Seri imalatta kullanılan yöntemlerin, prototip imalatta kullanımının pratik olmamasının en temel sebebi, kalıp maliyetleri ve kalıp imalat süreçleridir. Herhangi bir parça için kalıbın tasarlanması, üretiminin planlanması ve üretimi hem uzun zaman almakta hem de maliyetli olmaktadır. Önemli husus, yüksek adetli üretimlerde bu zaman ve maliyet önemini kaybetmektedir; ancak az adetli üretimlerde neredeyse üretim için harcanan zamandan bile fazla zaman bu tasarım ve imalat sürelerine harcanmaktadır. Bu anlamda kalıp malzeme maliyetlerini düşürmek de çok büyük bir avantaj sağlamamaktadır. Bunun yanında, tasarım süreci bir deneme-yanılma süreci olarak da değerlendirilebilecek bir süreçtir. Bu sebeple, tasarım süreci içinde parça geometrisi değişmekte ve bu değişen geometrinin üretilmesi de kalıpla yapılması halinde hem maliyetli olmakta hem de tasarım hızına yetişemeyecek bir kalıp imalat süresi ortaya çıkarmaktadır. Bu sebeple, malzeme maliyetleri olarak ucuz malzemelerden üretiliyor olsa bile, kalıp kullanarak imalat, belirli oranda prototip imalat için dezavantaj içermektedir. Artımlı sac şekillendirme yöntemi, temel olarak bir CNC dik işleme tezgahında kesici takım yerine küresel uçlu bir takım kullanarak ve önceden programlanmış bir takımyolunu takip ederek sac üzerine baskı uygulanması ve sacın lokal olarak plastik şekil değiştirmesinin sağlanması olarak tarif edilebilir. Bu yolla (takımyolu boyunca lokal şekil değiştirmelerin toplamı olarak) sac malzeme istenilen şekle getirilebilmektedir (Şekil-1). Takımyolunun oluşturulmasında doğrudan parçanın CAD geometrisi kullanılır ve bu durum seri üretimde kullanılan yöntemlerde ortaya çıkan kalıp üretim süresi ve maliyeti konusunda ASŞ yöntemine büyük bir avantaj sağlar. Şekillendirme süresi seri imalatta kullanılan yöntemlere göre uzun olmakla birlikte, prototip imalat sırasında adetler fazla olmadığından dolayı bu üretim süresi önemli bir fark oluşturmaz. Şekil-1: Sac malzemenin kalıpsız olarak ASŞ yöntemi ile şekillendirilmesi ([5] ten uyarlanmıştır) 180

3 ASŞ yöntemi, Şekil-1 de görüldüğü şekli ile sadece bir şekillendirme ucu ile yapılabileceği gibi, karşı kalıplı, destek kalıplı ve iki şekillendirme ucu kullanılarak da yapılabilir (Şekil-2). Benzer şekilde, şekillendirme ucu yerine su jeti, lazer ve elektromanyetik alan kullanımı da getirdiği belli avantaj ve dezavantajlar dahilinde kullanılabilir [6-8]. Bu çalışma, TOFAŞ tarafından üretilen bir parçanın prototip imalatına yönelik bir yöntem geliştirme ve bu yöntemin etkinliğini ve imalatta kullanılabilirliğini gösterme amacındadır. Seçilen parça, ASŞ yöntemi ile üretilmesi zor bir parçadır; çünkü üç yönde dik açıya yakın duvarlar bulunmaktadır. Bu dik duvarların tek seferde üretilmesi mümkün olmadığından, alternatif takımyolları üzerinde çalışılmıştır. Bu çalışma ile bu ve benzeri parçaların birden fazla şekillendirme adımı ile uygun takım yolları kullanılarak imal edilebileceği gösterilmiştir. Şekil-2: ASŞ yönteminde karşı kalıplı (üst), destek kalıplı (orta) ve çift şekillendirme uçlu (alt) yöntemler ([6] dan uyarlanmıştır) 2.ASŞ YÖNTEMİ İLE İMALAT Bu çalışmada, sac şekillendirme işlemi konvansiyonel CNC dik işleme merkezinde gerçekleştirilmiştir. CNC tezgah üzerine sacı tutmak amacı ile Şekil-3 te görülen şekilde tutucu destekler yerleştirilmiştir. Seçilen parçanın üç boyutlu katı modeli Şekil-4 de görülebilir. Ayrıca, parçanın derin çekme ile imal edilmiş bir görüntüsü Şekil-5 te verilmiştir. Şekillendirme için 10mm çapında küresel karbür takım kullanılmıştır (Şekil-6). Şekil-3: CNC tezgahta kurulan tutucu sistem, takım tutucu ve şekillendirici takım 181

4 Şekil-4: ASŞ ile imalat için seçilen parçanın CAD çizimleri Şekil-5: Derin çekme ile imal edilen parça 2.1 İLK DENEMELER Şekil-7: Şekillendirme için kullanılan küresel uçlar (ortada 10mm çaplı uç) Üç boyutlu katı model kullanılarak HyperMill programında duvar temizleme algoritması ile G-kodları üretilmiştir. İlk aşamada kullanılan takımyolunun simülasyon çizgileri Şekil-8 de görülebilir. Şekil-8: Tek adımda ASŞ ile imalat için oluşturulan G-kodları 182

5 Parça geometrisinde üç ayrı kenarda dik açıya yakın açılar olması dolayısı ile, parçanın tek aşamada ASŞ ile imalatı mümkün olmamıştır. Denemelerde daha başlangıç aşamasında çeşitli noktalarda yırtılmalar gerçekleşmiştir (Şekil-9). Şekil-9: Tek adımda şekillendirme denemelerinde kenar duvarda oluşan yırtık. Bu durumun temel sebebi, dik açıya yakın duvarlarda şekillendirme esnasında sac kalınlığının fazla incelmesi ve bunun sonucunda da yırtılma meydana gelmesidir. Eğer parçanın tasarımı bahsi geçen duvar kısımların açıları daha eğimli olacak şekilde değiştirilirse, parça kolaylıkla imal edilebilmektedir. Örnek olarak yapılan bir çalışma Şekil-10 da gösterilmiştir. Şekil-10: Duvar açıları daha eğimli yapılarak tasarımı değiştirilen parçanın ASŞ ile tek adımda imalatı Literatürde benzer çalışmalar incelendiğinde, dik duvar açılarının birden fazla adımda şekillendirme ile elde edilebildiği görülebilir [9]. Bu fikirden hareketle parçanın birden fazla aşamada üretilmesi için tekrar takımyolu tasarımı gerçekleştrilmiştir. Bu kapsamda, son aşamada parça geometrisi elde edilebilecek şekilde beş ayrı CAD geometrisi oluşturulmuş ve bu geometriler kullanılarak Hypermill programında (yine duvar temizleme algoritması kullanılarak) birbirini takip eden beş takımyolu üretilmiştir (Şekil-11). İmalat sonucunda dik duvarlar başarı ile elde edilmekle birlikte, ölçüsel toleranslarda sorunlar olduğu görülmektedir (Şekil-12). 183

6 Şekil-11: Beş farklı CAD datası için arka arkaya eklenmiş takımyolu simülasyonları Resim-12: Parçanın CAD çizimi üzerine imal edilmiş parçanın optik okuma sonucu elde edilen üç boyutlu katı modelinin yerleştirilmiş hali. Yan görünüş (üstte), açılı görünüş (altta). Bu durumun temel sebebi, ilk şekillendirme aşamasında orta kısımda oluşan deformasyonun daha sonraki aşamalarda eklemeli olarak artarak gerçek geometriden uzaklaşmasıdır. Burada temel olarak dikkat edilmesi gereken, CAM bilgisinin oluşturulduğu arayüz programı (ve benzer tüm programlar) G-kodlarını verilen bir CAD bilgisine göre keserek şekillendirmek üzerine oluşturduklarıdır. Oysa ki hal-i hazırdaki yöntemde parça kesilmemekte, kesme ucu yerine yerleştirilmiş küresel bir uçla şekil değiştirmeye zorlanmaktadır. 2.2Parça imalatı Yukarıdaki hususlar dikkate alınarak, parçanın imalatı için farklı bir yöntem izlenmesi yoluna gidilmiştir. Bu yeni yöntem, yine sonuçta parça geometrisine ulaşacak şekilde beş ayrı şekillendirme ara-adımı oluşturacak adımdan oluşmakla birlikte, takımyolu hazırlanırken farklı bir strateji izlenmiştir: Buna göre ilk adımda takım parçanın üst yüzeyinden şekillendirmeye başlarken, ikinci adımda alt yüzeyden yukarı doğru, üçüncü adımda tekrar üst yüzeyden aşağı doğru şekillendirecek şekilde programlama yapılmıştır. Diğer adımlar da aynı şekilde alt ve üst yüzeylerden başlayacak şekilde birbirini takip eden bir yapıya sahiptir. Bu yeni şekillendirme stratejisi, kullanılan takımyollarının simülasyon eğriler iile birlikte Şekil-13 te gösterilmiştir. Ayrıca Şekil-14 te aynı takımyolları dik kesit üzerinden gösterilmiştir; bu şekilde dik duvarın adımsal olarak elde edilmesi görüntülenebilir. 184

7 Şekil-14: Dik kesit boyunca takımyolunun gösterimi Şekil-13: Adımlı şekillendirme için takımyolları (her bir adımda takım resimde gösterilen noktadan başlayacak şekilde ayarlanmıştır) 185

8 Bahsi geçen adımlı takımyolu kullanılması sonrasında elde edilen parça Şekil-15 te gösterilmektedir. Optik okuma yolu ile üretilen parça üzerinden elde edilen üç boyutlu katı model ve bu katı model üzerindeki ölçülmüş kalınlık değişimi de Resim-16 da verilmiştir. Üretilen parçanın üretim için temel alınan CAD çizimi ile karşılaştırması Şekil-17 de görülebilir. Karşılaştırma sonucunda, istenen tolerans değerlerine ulaşılabildiği değerlendirilebilir. Şekil-15: Adımlı takımyolu ile imal edilen parça resimleri Şekil-16: İmal edilen parçanın üç boyutlu katı modeli (üstte) ve bu model üzerinde gösterilen kalınlık değişimi (altta) 186

9 2.3 İmalat süresi Şekil-17: CAD çizimi ile imal edilen parçanın karşılaştırılması Bu çalışmada gerçekleştirilen beş adımlı artımlı sac şekillendirme işleminde, CAD bilgisi kullanılarak adımlara ait CAD çizimlerini oluşturmak ve sonrasında bu çizimler üzerinden G-kodlarını elde etmek, toplam 30 dakika mühendislik zamanı gerektirmiştir. Sistemin CNC tezgah üzerine kurulması toplam olarak 15 dakika almaktadır. Her bir adımın arka arkaya programlanması sonrasında imalatın tamamlanması 1 saat 50 dakika almaktadır. Her bir parçanın değiştirilmesi ise 2 dakika sürmektedir. 3.SONUÇ Bu çalışmada temel amaç, prototip imalata yönelik bir teknik olan artımlı sac şekillendirme (ASŞ) yöntemi konusunda yetkinliğin arttırılmasıdır. Bu amaçla, TOFAŞ tarafından belirlenen bir parça üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Öncelikli çalışmalarda görülmüştür ki, dik açıya yakın açıdaki duvarların imalatı ASŞ ile tek adımda mümkün olmamakta, bu duvarlarda yırtılmalar meydana gelmektedir. Bu durum karşısında, tasarımın değiştirilerek duvar açılarının azaltılması sonucunda imalat gerçekleştirilebilmektedir. Alternatif bir yöntem olarak parça birden fazla adımda ASŞ ile şekillendirilebilmektedir. Bu, toplam üretim süresini uzatmak ile birlikte, sonuçta istenen toleransların elde edilebilmesi dolayısı ile az adetli imalatta kullanılabilecek bir yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Özellikle kalıp imalat süreleri ve maliyetleri dikkate alındığında, önerilen metodun prototip imalatı için oldukça ekonomik ve hızlı olduğu değerlendirilebilir. REFERANSLAR [1] Kleiner, M., Curbach, M., Tekkaya, A. E., Ritter, R., Speck., K., Trompeter, M., Development of ultra high performance concrete dies for sheet metal hydroforming, Prod. Eng. Res. Devel. 2008, v.2, s [2] Sladojevic, J., Müller, H., Rapid tooling approaches for small lot production of sheet-metal parts, Journal of Materials Processing Technology, 2001, v115, I1, s [3] Bate, P.S, Shaw, G.R., Hancock, M. A., Jones, S., Barrett, D., J., McDonagh, V.N., Ponton, C. B., Superplastic forming with ceramic lost wax dies, Journal of Materials Processing Technology, 1995, v48, I3-4, s [4] Emmens, W. C., Sebastiani, G., van den Boogaard, A.H., The technology of incremental sheet forming a brief review of the history, J. of Materials Processing Tech, 2010, v.210, s [5] Dai, K., Wang, Z. R., Fang, Y., CNC incremental sheet forming of an axially symmetric specimen and the locus of optimization, J. of Materials Processing Tech., 2000, v.102, s [6] Shankar, R., Jadhav, S., Goebel, R., Homberg, W., Kleiner, M., Incremental sheet metal forming of preformed sheets, Proc. 8th Int. Conf. on Technology of Plasticity, 2005, Verona-Italy. 187

10 [7] Jurisevic, B., Kuzman, K., Junkar, M., Water jetting technology: an alternative in incremental sheet metal forming, Int. J. of Advanced Manufacturing Tech., 2006, v31, s [8] Okoye, C. N., Jiang, J. H., Hu, Z. D., Application of electromagnetic-assisted stamping (EMAS) technique in incremental sheet metal forming, Int. J. of Machine tools & Manufacture, 2006, v46, s [9] Li, J., Hu, J., Pan, J., Geng, P., Thickness distribution and design of a multi-stage process for sheet metal incremental forming, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, v62, s