SIVI BASINCI İLE ŞEKİLLENDİRME DENEY DÜZENEĞİNİN TASARIMI

Transkript

1 TMMOB Makina Mühendisleri Odası 11. Otomotiv Sempozyumu 8-9 Mayıs 2009 SIVI BASINCI İLE ŞEKİLLENDİRME DENEY DÜZENEĞİNİN TASARIMI Özet Otomotiv sanayisi, yoğun rekabetin yaşandığı ve seri üretim teknolojilerinin ve yeniliklerinin ilk uygulandığı canlı sektörlerden birisi olmuştur. Bu sektörde üretilen ürünlerin çoğunluğunun kalıplama yöntemi ile elde edildiği göz önüne alındığında, kalıpçılık sektöründeki gelişmeler de araç sac metal gövde imalatı için önem kazanmaktadır. Sıvı basıncı ile şekillendirme (SBŞ) yöntemi, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan yüksek dayanımlı sac metal ürünlerin imalatında kolaylıklar sağlamaktadır. Yöntem, karmaşık geometrili parçaların hassas olarak üretilmesine getirdiği yenilikleri nedeni ile otomotiv endüstrisinde artan bir ilgi görmektedir. Bu çalışmada, SBŞ yönteminin otomotiv endüstrisindeki uygulamaları detaylı bir şekilde incelenmiş, bir SBŞ prosesinin deney düzeneğinin tasarımından üretimine kadar gerçekleştirilen aşamalar sunulmuştur. Anahtar kelimeler: Sıvı ile şekillendirme, Sıvı ile kalıplama, Sıvı ile şekillendirme deney düzeneği 1- GİRİŞ Sıvı basıncı ile şekillendirme, çekme ve diğer metal şekillendirme metotlarına alternatif maliyet etkili bir şekillendirme prosesidir. Sıvı basıncı ile şekillendirme işleminde, kauçuk zar ve bir zımba takımı parçalara şekil vermek için kullanılmaktadır. İşlem esnasında; zımba akışkanın şekil verdiği dişi kalıp içine girmektedir ve bu esnada sac malzeme giren takım zımba etrafına sarılmakta ve şekil verilmesi istenen parça oluşturulmaktadır [1]. Sıvı basıncı ile derin çekme teknolojisi ilk kez 1890 yılında geliştirilmiştir. Özelikle II. Dünya savaşından günümüze kadar olan süreçte devam eden geliştirme ve yeniliklerden sonra, birçok özel üretim ekipman ve cihazlar geliştirilmiş ve kullanıma sunulmuştur [2]. Sıvı basıncı ile şekillendirme işlemlerinin birçok farklı yöntemi bulunmaktadır. Bu işlemler, hidrolik şekillendirme, karşı hidrolik basınçla derin çekme, hidromekanik derin çekme, hidrodinamik derin çekme, su ile çekme, arttırılmış hidrolik basınçla çekme, hidrolik çerçeve ile çekme ve sac üzerine eşit basınç ila hidromekanik derin çekme olarak adlandırılmaktadır [3,18]. Şekil 1. Sac SBŞ Şeması, a- Sac Ayarlama, b-sac Sabitleme, c- Çekme ve d- Bitirme [4]. Sıvı basıncı ile şekillendirme yöntemi birçok avantajlara sahiptir. Bu avantajlar, çekme oranının geleneksel çekme oranlarından yüksek olması, konik ve parabolik parçaların tek adımda üretilebilmesi, aynı takımlar ile farklı malzemelerin de çekilebilmesi, daha az çekme adımları ve kalıp maliyetini sadece dişi veya erkek kalıbın yapılması ile yarı yarıya azaltması olarak gösterilebilmektedir. Bilgisayar teknolojisindeki ilerlemelere bağlı olarak da SBŞ proseslerinin özellikle 1990 lı yıllardan sonra LSDyna, Marc-Mentant, Pam-Stamp, DynaForm, AutoForm vb. mühendislik yazılımları kullanılarak simüle edildiği birçok çalışmanın yapıldığı görülmüştür [4-14]. Sıvı basıncı ile şekillendirme yöntemi, kalıpçılık, otomotiv, beyaz eşya, uzay ve havacılık olmak üzere birçok sektörde kullanılan parçaların üretiminde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Şekil 1 (a) ve (b) de Sıvı basıncı ile şekillendirme yönteminin otomotiv endüstrisinde kullanılmakta olan uygulanmakta olan bazı uygulamaları verilmiştir.

2 2.1. İhtiyaç Belirleme ve Planlama Bu aşamada; şekillendirme prosesinin seçimi, şekillendirilmesi planlanan iş parçalarının, malzeme türlerinin ve kalınlığının belirlenmesi yapılmıştır. Belirlenen bu parametrelere göre, şekillendirme için gerekli kuvvet, baskı yastığı için ideal kuvvet ve kalıp içi kapalı alan basıncı için sistemin güç ihtiyaçları belirlenmiştir. SBŞ işlemlerinde çekme kuvvetinin hesaplanmasında Eşitlik (1) den yararlanılmaktadır [17]. Fdr = (1,5).Rm.d.π.s + (a) A p.p 10 (1) Fdr : Çekme kuvveti (N); Rm : Çekme gerilimi (N/mm2); d : Zımba Çapı (mm); s : Sac kalınlığı (mm); Ap : Zımba Kesit Alanı (cm2); p : Kapalı Bölümdeki basınç (dan/cm2) SBŞ işlemlerinde, baskı plakası basıncı ve kuvvetinin hesaplanmasında Siebel s metodu kullanılmıştır. Baskı Plakası basıncın hesaplanması Eşitlik (2) de, kuvvetinin hesaplanması da Eşitlik (3) te verilmiştir [17]. (β 3 p = 2.10 (b) Şekil 1. (a) ve (b) SBŞ Yönteminin Otomotiv Endüstrisindeki Bazı Uygulamaları [15, 16]. 2. DENEY DÜZENEĞİ TASARIMI SBŞ yöntemlerinden hidro-mekanik derin çekme işlemi için deney düzeneği kurulum aşamaları adım adım belirtilmiş ve bu aşamalar detaylı olarak açıklanmıştır. Şekil 2 de bu aşamalar verilmiştir. gerçek 1) 2 + D.R m 200.s (2) : Baskı Yastığı Basıncı (N/mm2); : Çekme Gerilimi (N/mm2); : Sacın Açınım Çapı Ölçüsü (mm); : Sac Kalınlığı (mm); β gerçek : Gerçek Çekme Oranı; p Rm D s FBH = ABH.p FBH p ABH (3) : Baskı Yastığı Kuvveti (N); : Baskı Yastığı Basıncı (N/mm2); : Etkili Baskı Plakası Alanı (mm2); 2.2. Hidrolik Devre Parametreleri İhtiyaç belirleme ve planlama aşamasından sonra, bu ihtiyaçları karşılayacak hidrolik donanımların seçilmesi gerekmektedir. Çekme kuvveti, baskı yastığı basıncı, çekme hızı, kalıp içi sıvı basıncı, SBŞ işlemlerinde etkili olan ve hidrolik ekipmanlarca ayarlanabilen parametrelerdir. Şekil 2. SBŞ Deney Düzeneği Tasarım Aşamaları ŞBŞ işlemlerinin en büyük dez avantajları, çok yüksek şekillendirme basıncının ve düşük çekme hızlarının gerektirmesi olarak sıralanabilir.

3 Yapılan hidrolik devre tasarımı ile, şekillendirme işleminde kullanılacak silindirin basıncının ve hızının, baskı yastığı plakasının basıncının ve kalıp içi basıncın ayarlanabilir olması gerekmektedir. Çalışma kapsamında hazırlanan hidrolik devre ile belirlenen parametreler ayarlanabilmektedir. Kalıp içi basıncı için önerilen basınç aralıkları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo1. SBŞ İçin Önerilen Basınç Değerleri [17]. Malzeme Al ve Al Alaşımları St 13, St14 Uygulanan basınç p (bar) Paslanmaz Çelik gibi yüksek alaşımlı çelikler Kalıp içi basınç için çok yüksek basınçlar gerekmektedir. Ancak çok yüksek basınçların elde edilebilmesi için hidrolik ünitelerde ek basınç yükseltme donanımlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu durum sistem maliyetini çok yüksek oranda arttırmaktadır. Hidro-mekanik derin çekme işlemlerinde, kalıp içerisinde yüksek basınç elde etmek için alternatif olarak basıncın sıkıştırılması yöntemi kullanılmaktadır. Hidrolik akışkan kalıp içinde hapsedilmekte, zımba ilerledikçe de basınç yükselmektedir. İstenilen basınç değerine ulaşıldığında ise oransal valf veya boşalta valfi istenilenden fazla oluşan basıncı tahliye etmektedir. Hidromekanik derin çekme işlemlerinde, ön şişirme basıncı olumlu bir etkiye sahiptir. Ön şişirme ile sac şekillenmeden önce çekme yönünün tersine şişmekte, kalıp ile sac arasına akışkan sıvı girmesiyle doğal bir yağlayıcı ortam oluşmasına, kalıp kavisi ile sacın temasının en aza inmesine katkıda bulunmaktadır. Bu durum da çekme oranının artmasını sağlamaktadır [17]. Sistemin genel basıncının belirlenmesinin devamında, şekillendirme kuvveti ve baskı yastığı kuvvetinin elde edilmesi için gerekli olan silindir çapları belirlenmelidir. Silindir çaplarının belirlenmesinde Eşitlik (4) kullanılmaktadır [23]. A= F / ρ (4) 2 A : Silindir kesit alanı (cm ); F : Kuvvet (kg); ρ : Basınç (kg/cm2); Silindir çaplarının belirlenmesinden sonra, istenilen hız aralıklarının elde edilebilmesi için pompa debi ve motor gücü hesabı yapılmaktadır. Hesaplamalar için Eşitlik (5) ve (6) kullanılmaktadır. V= 10. Q A (5) V : Çekme hızı (m/min); Q : Debi (lt/min); A : Silindir Kesit Alanı (cm2) Р= Q.ρ 600.η (6) P : Motor Gücü (Kw); Q : Debi (lt/min); ρ : Basınç (kg/cm2); η : Verim (0.85) Tasarımı yapılan deney düzeneğinde; çok yüksek çekme hızı değerlerinin sistem için bir dezavantaj olmasından dolayı, çekme zımbasının hızı 0-18 mm/s arsında ayarlanabilecek şekilde tasarlanmıştır. Maksimum 18 mm/s (1.08m/min.) ve 200 mm silindir çapı için gerekli pompa debisi değeri 33.92lt/min olarak hesaplanmıştır. Şekillendirme öncesi ön şişirme basıncı için, sistem maksimum basıncı 250 kg/cm2 (bar) olarak dikkate alınmıştır. Maksimum sistem basıncı ve pompa debisine göre de motor gücü yaklaşık 16.6 Kw olarak hesaplanmıştır. Deney düzeneğinde, kalıp içi kapalı alan basıncı için hidrolik ekipmanların sınırlamasından dolayı maksimum 500 kg/cm2 (bar) değerine ulaşılabilmektedir Mekanik Tasarım İhtiyaçların belirlenmesi ve ihtiyaçlar için gerekli güç ekipmanlarının seçilmesi aşamasının devamında sistemin mekanik olarak tasarımının yapılması aşamasına geçilmektedir. Mekanik tasarım aşamasında Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) yazılımları aktif olarak kullanılmaktadır. Üç boyutlu (3D) yapılan tasarımlar hem kullanıcıya daha görsel tasarım imkanı hem de mühendislik analiz programlarına veri aktarımı konusunda uyum sağlamaktadır. Mekanik tasarım esnasında; kontrol paneli kullanım açısından ergonomiklik, montaj, demontaj, takım değiştirme, ürün yerleştirme ve çıkartma, şekillendirme esnasında meydana gelebilecek akışkan sızıntısı ve yüksek basınçlı akışkanın doğrudan kullanıcıya gelmesini engelleyecek güvenlik önlemleri açsından öncelikle dikkate alınmalıdır. Hidro-Mekanik SBŞ deney düzeneğinin tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli aşamalardan birisi de kalıp kavisi ve zımba kalıp boşluğu arasındaki boşluk olarak görülmüştür.

4 Sac kalınlığına göre çekme kalıbı için önerilen kalıp kavisi değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Kalıp Kavisi Değerleri [19]. Sac Kalınlığı S (mm) Kalıp Kavisi r (mm) SBŞ işlemlerinde, zımba ile kalıp boşluğu arasındaki tek taraflı boşluk değeri (çekme boşluğu) yaklaşık sac kalınlığının 1.1 ile 1.25 katı arasında değişen değerlerde alınmasının uygun olduğu tespit edilmiştir [9,12, 13, 17, ]. SBŞ deney düzeneği kurulumu için yapılan çalışmada UG-NX4 CAD programı ortamında yapılan tasarım Şekil 3 te verilmiştir. Şekil 4. Deney Düzeneği Tasarımı Montajı Teknik Resim Görüntüsü 2.4. Mekanik Tasarımın Doğrulanması Mekanik tasarımın tamamlanması aşamasının devamında tasarımın mühendislik hesaplamalarının yapılması aşamasına geçilmiştir. Bu aşamada yapılan tasarımlar analiz programlarına aktarılmakta, konstrüksiyon üzerinde belirlenen yerlerde sabit mesnetler tanımlanmakta, yük gelecek yerlere de uygulanacak yük türüne göre kuvvetler uygulanmaktadır. Doğrulama çalışmalarında istenilen dayanım özelliklerini göstermeyen parçalar için yeniden mekanik tasarım aşamasına dönüş yapılmalı ve eksiklikler giderilmelidir. Şekil 3. Deney Düzeneği Tasarımı Katı Model Görüntüsü Yapılan tasarıma; SBŞ işlemi esnasında, baskı yastığı ve şekillendirme zımbasına gelen yükleri ve kalıp boşluğu içerisindeki akışkanın basınç değişimi anlık olarak aktaran veri okuma sistemi eklenmiştir. Toplanan veriler ile sacın şekillendirilmesi esnasında meydana gelen zımba ilerlemesi değerine karşılık basınç ve yük değişimlerini grafiksel olarak ta kullanıcıya aktarmaktadır. Bu çalışmada, yapılan tasarım Cosmos-Works yazılımı kullanılarak mühendislik analizleri yapılmıştır. Analizler için başlangıçta tasarım katı model olarak Solid-Works (SW) ortamına aktarılmıştır. Öncelikli olarak aktarılan modele ait parçaların malzemeleri tanımlanmıştır. Devamında aktarılan model, sonlu elemanlar (FEM) analizleri için ağ (Mesh) ile örülmüştür. Sabit mesnet noktaları ve kuvvet gelen alanlar belirlendikten sonra bu alanlara kuvvetler uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, dayanım ve esneme açısından yorumlanmış kritik olan alanlar belirlenmiştir. Şekil 5 te analiz çalışması esnasında alınan görüntü sunulmuştur.

5 3. SONUÇ Günümüzde gerek boruların SBŞ işlemleri, gerekse de sac metallerin SBŞ işlemleri dünyada artan bir ilgi kazanmakta ve kon ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmaktadır. SBŞ teknolojileri ile kompleks şekilli parçaların tek seferde üretilebilmesi, daha yüksek çekme oranına sahip ürünlerin elde edilebilmesi ve kalıp maliyetini yarıya düşürmesi nedenleri ile yöntem otomotiv, beyaz eşya, uzay ve havacılık ve kalıpçılık sektörlerindeki bir çok parçanın üretilmesinde kullanılmaktadır. Şekil 5. Cosmos Hesaplamaları Works Ortamında Mühendislik 2.5. Üretim ve Montaj Tasarlanan ve akabinde doğrulanan parçalar belirlenen toleranslar içerisinde tezgahlarda üretimi yapılmalıdır. Üretim sonrası en önemli aşamalardan birisi de montaj olarak görülmektedir. Bazı yerlerde zaman zaman dar toleransların bulunduğu büyük ebatlı parçaların montajı zaman almaktadır. Montajı kolay olmayan tasarımlar işgücü ve zaman kaybına yol açmaktadır. Yapılan tasarımların montaj tasarımı esas alınarak yapılması kolaylıklar sağlamaktadır. SBŞ işlemleri için montaj esnasında dikkat edilmesi gerek en önemli durumlardan birisi de hidrolik ekipmanların ve bağlantı hortumlarının montajı oluşturmaktadır. Yüksek basınçların olduğu hidrolik bağlantı elemanlarında meydana gelebilecek sızıntılar sistemde güç kayıplarına ve yaralanmalara neden olabilmektedir. Şekil 6 da çalışma kapsamında belirlenen tasarım aşamalarına göre üretilmiş SBŞ deney düzeneği görülmektedir. SBŞ yöntemlerinde, sac malzeme türü, kalınlığı, baskı plakası kuvveti, akışkan basıncı, kullanılan akışkan türü, iş parçası şekli, kalıp şekillendirme zımbası arasındaki boşluk, kalıp kavisi, zımba kavisi, şekillendirme hızı, ilk şişirme basıncı gibi bir çok parametrenin etkili olduğu araştırma çalışmalarından elde edilmiştir. Hidro-Mekanik SBŞ yöntemleri için yapılan tasarımlarda bu parametrelerin ayarlanabilmesine imkan tanınması proseste istenilen sonuçların elde edilmesini sağlayacaktır. Yapılan çalışmada; hidro-mekanik şekillendirme deney düzeneği belirtilen adımlar kullanılarak hazırlanmıştır. Deney düzeneği ile şekillendirme basıncı, çekme hızı, baskı yastığı basıncı ve kalıp kapalı alan basıncı istenilen değerlerde hassas olarak ayarlanabilmektedir. Denemeler sonucunda, sistem başarılı bir şekilde çalıştırılmış ancak kalıp konstrüksiyonu ile ilgili bazı problemler oluşmuştur. Gözlemlenen ve revizyon çalışması başlatılan aksaklıklar, açınım sac malzemenin kalıp üzerine ortalı yerleştirilememesi, baskı yastığının silindirleri içindeki sürtünmeden dolayı eş zamanlı ve eşit miktarda basamaması olarak tespit edilmiştir. Tespit edilen aksaklıkların giderilmesi için; sac yerleştirme mastarları tasarlanmış, dengeli basma için de baskı yastığı ve silindir bağlantı yerlerinin küresel yapılı olmasına karar verilmiştir. İlk yatırım maliyetinin yüksek oluşu, şekillendirme işlemleri için çok yüksek akışkan basınçlarını gerektirmesi ve şekillendirme hızının az olması SBŞ yöntemlerinin dezavantajlarını oluşturmaktadır. İhtiyaçlara cevap verebilecek sistemin tasarımı, tasarımın doğrulanması, üretim ve montaj bir biri bağlantılı süreçler olmaktadır. Bu süreçlerin planlanması ve organizasyonu proseste oluşabilecek aksaklıkların kolaylıkla giderilebilmesine ve yöntemin başarılı bir şekilde uygulamaya geçirilmesinde kolaylılar sağlayacaktır. Şekil 6. Tasarım ve Üretimi Tamamlanan SBŞ Deney Düzeneği

6 Teşekkür Bu çalışmayı, 07/ nolu proje ile destekleyen Gazi Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi ne teşekkür ederim. 4. REFERANSLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [13] [14] Zhang, S.H., Danckert, J., Development of HydroMechanical Deep Drawing, Journal of Materials Processing Technology, vol. 83, 1998, Kristensen, B. E., Danckert, J., Nielsen, K. B., Optimized Constitutive Equation of Material Property Based on Inverse Modeling For Aluminum Alloy Hydro Forming Simulation, Trans. Nonferrous Met. SOC. China, vol. 16, 2006, Hama, T., Hatakeyama, T., Asakawa, M., Amino, H., Makinouchi, A., Fujimoto, H., Takuda, H.; FiniteElement Simulation of The Elliptical Cup Deep Drawing Process by Sheet Hydroforming, Finite Elements in Analysis and Design, vol. 43, 2007, An, J., Computer-Aided Analysis And Design of A Sheet Metal Hydroforming Process, The University of Cincinnati, Ph.D. Thesis, 1996, 6-7. Valetta D.A., In Plane-Plane Strain Testing of Sheet Materials for Multi-Stage Processes, Queens s University, Msc. Thesis, 2005, 3-4. Pandya, R.S., Prediction of Variation In Dimensional Tolerance Due to Sheet Metal Hydroforming Using Finite Element Analysis, Wichita State University, MSc Thesis, 2006, 6. Yuan, S.J., Han, C., Wang, X.S., Hydroforming of Automotive Structural Components With RectangularSections, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 46, 2006, Gelin, J.C., Ghouati, O., Paquier, P.; Modelling and Control of Hydroforming Processes For Flanges Forming, Annals of the ClRP Vol. 47, 1998, Novotny, S., Geiger, M., Process Design For Hydroforming of Lightweight Metal Sheets At Elevated Temperatures, Journal of Materials Processing Technology, vol. 138, 2003, Kang B.S., Son,B.M., Kim, J., A Comparative Study of Stamping and Hydroforming Processes For An Automobile Fuel Tank Using FEM, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 44, 2004, Lang, L., Li, T., Zhou X., Kristensen, B.E., Danckert, J., Nielsen, K.B., Optimized Decision of The Exact Material Modes In The Simulation For The Innovative Sheet Hydroforming Method, Journal of Materials Processing Technology, vol. 177, 2006, Palaniswamy, H., Determination of Process Parameters For Stamping and Sheet Hydroformıng Of Sheet Metal Parts Using Finite Element Method, The Ohio State University, PhD Thesis, 2007, 4-5. Zhang, Z., Zhao, S., Zhang Y., A Novel Response Variable For Finite Element Simulation of HydroMechanical Deep Drawing, Journal of Materials Processing Technology, vol 208, 2008, Dohmann, F., Hartl Ch., Hydroforming-Applications Of Coherent Fe-Simulations to The Development of Products and Processes, Journal of Materials Processing Technology, vol. 150, 2004, [15] Hartl Ch., Research And Advances In Fundamentals and Industrial Applications of Hydroforming, Journal of Materials Processing Technology vol. 167, 2005, [16] H. Tschaetsch; Metal Forming Practise, SpringerVerlag Berlin Heidelberg, Germany, 2006, [17] Lin J., Zhao S.D., Zhang Z.Y., Wang Z.W., Deep Drawing Using a Novel Hydromechanical Tooling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 49, 2009, [18] Ataşimşek S., Sac Kalıpları, Bursa, 1977, 420. [19] Lang L., Danckert J., Nielsen K.B.; Study On Hydromechanical Deep Drawing With Uniform Pressure Onto The Blank, International Journal of Machine Tools & Manufacture 44, 2004, [20] Choi H., Koc M., Ni J.; A Study on The Analytical Modeling For Warm Hydro-Mechanical Deep Drawing of Lightweight Materials International Journal of Machine Tools & Manufacture 47, 2007, [21] Zhang S.H., Jensen M.R., Nielsen K.B., Danckert J., Lang L.H., Kang D.C.; Effect of Anisotropy and Prebulging on Hydromechanical Deep Drawing of Mild Steel Cups, Journal of Materials Processing Technology 142, 2003, [22] Peled A., Rubin M.B., Tirosh J.; Analysis of Blank Thickening In Deep Drawing Processes Using The Theory of A Cosserat Generalized Membrane, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 52, 2004, s [23]