BİLDİRİLER KİTABI MAKINA-IMALAT TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU. Editör: Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU. MMO Yayın No: EKİM 1999 KONYA

Transkript

1 \{0 \\t\ \\\\\\[0\ MAKINA-IMALAT TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU BİLDİRİLER KİTABI Editör: Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU MMO Yayın No: EKİM 1999 KONYA

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak. No: 36/1-A Demirtepe, ANKARA Tel : (0.312) Fax : (0.312) e-posta: mmo@mmo.org.tr MMO Yayın No :228 ISBN : Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO 'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI : Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI KONYA ŞUBESİ BASKI : HÜNER-İŞ MATBAACILIK - KONYA Tel: (332)

3 Makina-lmalat Teknolojileri Sempozyumu, Ekim 1999, KONYA 6061 ALÜMİNYUM ALAŞIMIN HALKA DENEYİNE SICAKLIK VE YAĞLAMA DEĞİŞKENLERİN ETKİSİ Yrd.Doç.Dr. Hamdi SÖZÖZ 1, Doç.Dr. Serdar SALMAN 2, Prof.Dr. A. İrfan YÜKLER ' 2ı3 Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Göztepe - İSTANBUL Tel: , E-Posta ÖZET Dövme işlemi bir plastik şekillendirme yöntemidir. Bu yöntemle, metalik malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek mümkündür Alüminyum; uçak sanayii, otomobil sanayii, boru hatları ve inşaat sektörü gibi farklı alanlarda kullanılabilen bir alaşımdır. Bu çalışmada, 6061 Alüminyum alaşımının dövme ile optimum plastik şekillendirilmesi için halka deneyi sonuçlarından faydalanılmıştır. Deneye sıcaklık ve yağlama değişkenlerinin etkisi incelenmiştir. Anahtar kelimeler: 6061 Alüminyum alaşımı, plastik şekillendirme, halka deneyi, dövme. THE EFFECT OF TEMPERATURE AND LUBRİCATİON VARİABLES İN THE RİNG TEST OF 6061 ALUMİNİUM ALLOY ABSTRACT The forging operation is a plastic deformation operation. By this method, it is possible that improve to mechanical properties of metallic materıals Aluminium is one of the aluminium alloys \vhich can be used in different areas like airplane and automotive industries, pipe lines and building sectors. in this study, the ring test's results vvere be utulized for the optimum plastic formation of the 6061 aluminiunı alloy, by forging operation. in test, the effect of the temperature and the lubrication variables vvere investigated. Key vvords: 6061 Aluminium alloy, plastic deformation, ring test, forging. -99-

4 1. Giriş Dövme işlemi; metal malzemelerin çekiçleme ve presleme gibi darbe ve basınç altındaki işlemlerle kontrollü plastik deformasyon sağlanarak tane boyutunu küçültme ve mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla uygulanan bir plastik şekil verme yöntemidir. Bu şekillendirme yöntemi, en eski metal şekillendirme sanatıdır. Taş devrinden metal devrine geçiş ile dövme sanatı uygulanmaya başlamış ve 18.yüzyılın sonlarına kadar el sanatı olarak gelişmesini sürdürmüştür. Teknolojik gelişmelere paralel olarak 19. ve. yüzyıllarda dövme endüstrisi hızla gelişmiştir. Temel olarak dövme işlemleri parçaların aynı anda iki veya üç boyutta metal akışı sağlanarak meydana getirilmesi açısından diğer üretim işlemlerinden farklıdır. Dövülen malzemelerde, sürekli mukavemet ve darbelere karşı direnç gibi mekanik özelliklerde iyileşme görülmektedir. Dövme işlemi için farklı sınıflandırmalar yapılabilir. Kullanılan makinaların çalışma prensibine göre; şahmerdan dövme ve preste dövme şeklinde sınıflandırma yapılabilir. Şahmerdanla dövmede, plastik şekillendirme iş parçası yüzeyine uygulanan kuvvetle gerçekleştirilir. Preslerde ise iş parçasının plastik şekillendirilmesi yavaş yavaş artan basma kuvvetleriyle yapılır. Şahmerdanla dinamik kuvvetler, preslerde statik kuvvetler uygulanır. Dövme işlemleri değişik sıcaklıklarda yapılır. Yüksek sıcaklıklarda hem malzemenin şekil değiştirme kabiliyeti daha yüksektir, hem de metalin plastik deformasyon direncinin düşük olması nedeniyle gerekli kuvvet daha küçük olmaktadır. Bazı metaller, bazı küçük parçaların üretiminde oda sıcaklığında yani soğuk dövülerek de şekillendirme yapılabilir [1]. Optimum tasarım için, dövme işlemine etki eden faktörlerin bilinmesi gereklidir. Bu temel faktörler üç grupta toplanmaktadır; (1) İşlenmemiş ham parçanın (ilkel parça) yüksekliğinin çapına oranı, dövülecek parçanın ön şekillendirilmesi, akma gerilmesi, dövme sıcaklığı. (2) Kalıp sıcaklığı ve yağlama maddeleri, iç ve dış köşe eğrilikleri, çapak tasarımı ve sürtünme şartlarıdır. (3) Dövme makinasının karakteristikleri, kuvvet ve enerji kapasiteleri, pres veya çekiç (şahmerdan) kullanılması, kuvvet altındaki hızlar ve temas süreleridir. Dövme işlemlerinin tasarlanması için gerekli olan hesaplamalar tecrübe ve sezgilere dayanarak yapılmaktadır. Dövme parametrelerinin kontrol ve hesabı, tecrübeye dayandığından bu alanda çok az analitik araştırmanın yapılmış olduğunu ortaya çıkarmaktadır. Tecrübeli personelin maharetine bağlı olmak, personel fazlasına dolayısıyla verimin düşmesine sebep olmaktadır [1,2,3]. Dövme işlemine etki eden faktörlerin iyi bilinmesi ve bunların kontrolü oldukça önemlidir. Dövme işlemlerine etki eden faktörlerden malzeme akışına karşı takımla malzeme arasında oluşan sürtünmenin değerlendirilmesini yapmak ve gerilme-şekil değiştirme arasındaki bağıntıyı elde etmek için "halka" (ring) deneyi uygulanmaktadır. Takımla halka şeklindeki malzeme arasındaki sürtünmenin tayini için özellikle malzeme eksenine dik basma kuvvetiyle malzemede oluşan içe ve dışa doğru radyal metal akışı incelenir [4,5]

5 Sürtünme; şekillendirme işlemlerinde gerekli kuvvet ve gücü etkilediği gibi takım aşınması dolayısıyla takım ömrünü de etkiler. Sürtünmenin doğru ölçümü ve kontrol altına alınabilmesi üretimin optimizasyonu ve ekonomikliği için önemlidir. Bundan dolayı da halka testinin önemi daha iyi ortaya çıkmaktadır.bu çalışmada, 6061 Alüminyum alaşımına halka deneyleri uygulanmıştır. Deneyler farklı sıcaklıklarda ve farklı sürtünme ortamlarında yapılmıştırr2,4]. 2. Deney Prosedürü 2.1. Deneyde kullanılan malzeme ve cihazlar Deneyde kullanılan halka malzemeler Amerika AA (Aluminium Association) standardında 6061 Alüminyum alaşımıdır. Bu malzeme uçak konstruksiyonlarında, otomobil parçalarında, TV kulelerinde, nakliye ekipmanlarında, boru hatlarında, mobilya-jektöründe ve diğer yapısal alanlarda kullanılan iyi korozyon dirençli, şekillendirmeye uygun ve kaynak yap labilir bir alüminyum alaşımıdır. Bu malzemenin kimyasal kompozisyonu Tablo l'de, bazı mekanik özellikleri de Tablo 2'de görülmektedirrgj^ı Tablo Al Alaşımının ağırlıkça kimyasal bileşim %'si [9]. Al Mg Fe Mn Si Zn Ti Diğer Elementler 98,9 3,5-4,5 0,5 0,2-0,7 0,4 0,25 0,15 0,15 (en fazla) (en fazla) (en fazla) (en fazla) Tablo Al alaşımının bazı mekanik özellikleri [9]. Sertlik Poisson oranı Elastisite modülleri Yorulma dayanımı (HB) ( C) (kg/mm 2 ) (kg/mm 2 ) , (çekme) 6, (basma) Halka deneyi için hazırlanan malzeme dış çapı 40 mm, delik çapı mm ve kalınlığı 13,3 mm ölçülerinde olup Şekil 1 'de gösterilmektedir. R.-10 mm T= 13.3 mm Şekil 1. Halka malzeme boyutları [2,4]

6 Halkaların yüzey pürüzlülükleri Mitutoya Surftest 1 perthometer ile ölçülmüştür. Pürüzlülük değerleri RA = um'dir. Deneyler için 250 kn'luk Instron model çekme ve basma yükü uygulayabilen bir cihaz kullanılmıştır Halka Deneyleri Halka şeklinde daha önce boyutları verilmiş deney parçalarında deformasyon sonucu oluşan geometrik değişimin analitik değerlendirilmesi ile sürtünme ve uygulanan basıncın hesabı Avitzur tarafından formülüze edilmiştir. Soul Male ve De Pierre halka deneyini geliştirmiş ve Avitzur'un denklemlerini kullanarak halka şeklindeki malzemelerin akma gerilmelerini hesaplamışlardır. Deneyde oda sıcaklığı, 400 ve 500 C'ler de çalışılmıştır. Sürtünme ortamları; kuru ve teflon, parafın, grafit yağlayıcılardan oluşan ortamlardır., Deneyde sürtünmenin ve akma gerilmesinin doğru olarak değerlendirilmesinde halka şeklindeki malzemeler deney kuvveti uygulanmadan önceki sıcaklıkları önemlidir. Isıtılan halka malzemelerin kalıplar arasına yerleştirilmesinde ve kuvvet uygulanmaya başlaymcaya kadar geçen sürede gerek radyasyon, gerekse kondüksiyonla ısı kaybı mevcuttur. Isı transferinin ölçümü ile çıkartılan zamansıcaklik düşümü eğrilerinden faydalanılarak ısı kaybı en aza indirilmiştir. Şekil 2'de bu eğri görülmektedir (zaman / saniye) Şekil 2. Al 6061 halkanın zamana göre sıcaklık düşümü, 102 -

7 3. Deney Sonuçlan Halka deneyleri kuru (yağlamasız), teflon, parafın ve grafit gibi yağlama malzemeleriyle, 400 ve SOO "eler de yapılmıştır. Farklı sıcaklık ve sürtünme ortamları için elde edilen değerler sırasıyla Tablo 3,4 ve S'de verilmiştir. Tablo 6'da ise 6061 Al alaşımı malzemelerin halka deney sonuçlan yağlayıcı cinsi, sıcaklık, deformasyon kuvveti (dövme kuvveti), sürtünme faktörü ve akma gerilmesi değerleriyle bir özet görünüş şeklinde verilmektedir. Tablo 3. "C'deki halka deneylerinde dövme kuvvetleri ve dövülmüş parça boyuttan (mm) YağlayıcıDeformasyon Kuvvet Dış Çap Delik Çapı Kalınlık CinsiOranı (%) F(N) D. DI T , Kuru ,3 18,4 9, ,4 18, ,3 10, ,3 21,2 11,9 Teflon 30, , ,6 23 9,2 8, ,3 23,8 Parafin ,4 21,1 21,3 12, ,1 22,4 7, ,2 21,9 9, ,9,6 12 Grafit ,6 21,4 9, ,7 8, ,2-103-

8 ı j Tablo "C'deki halka deneylerinde dövme kuvvetleri ve dövülmüş halka boyutlan (iran) Yağlayıcı Cinsi Deformasyon Oranı (%) 10,5 Kuvvet F(N) Dış Çap D, 41,4 Delik Çapı DI 1 Kuru 40, ,8 47,7 17,6 16, ,9,6 Teflon 30, ,2, ,2 19,3 9, ,4 19,7 Parafin 30, ,3 18, , ,8 16, ,3 1 Grafit , ,1 18, Kalınlık T , ,3 8 5,3 12,1 9, ,1 5.3 Tablo "C'deki halka deneylerinde dövme kuvvetleri ve dövülmüş halka boyutlan (mm) Yağlayıcı Deformasyon Kuvvet Dış Çap Delik Çapı Kalınlık Cinsi Oranı (%) F(N) Do 41,1 DI 19,2 T 12,1 Kuru ,4 16, ,6 8, ,2 12,2 5,3 10, ,7 11,9 Teflon 30, ,7 1 9, ,3 18, ,9 16, ,2 19,2 12 Parafın ,7 17, ,6 17,3 8, ,7 14,2 5,3 9, ,1 1 12,1 Grafit ,7 17, ,4 15, ,6 11,8-104-

9 Tablo 6. Al 6061 halka deneyleri ortalama dövme kuvvetleri sürtünme faktörleri ve akma gerilmeleri Yağlayıcı Cinsi Kuru Teflon Parafın Grafit Sıcaklık ( C) Dövme Kuvveti (kn) , , ,5 45 Sürtünme Faktörü (m) 0,33 0,52 0,65 0,08 0, ,14 0, ,16 0,40 0,53 Akma Gerilmesi (MPa) , ,5 4. Deney Sonuçlarının İrdelenmesi ve Tavsiyeler Dövme kuvvetinin değişimi: Yağlamasız şartlarda 400 C'de C'ye göre %25; yağlamalı şartlarda %45 azalmaktadır. Yağlamasız şartlarda 500 "C'deki kuvvet düşüşü c C'ye göre %45'dir. Yağlamalı şartlarda bu değer %62'ye kadar düşmektedir. Yağlamalı şartlarda "C'deki kuvvet azalma miktarı yağlamasız 400 "C'deki azalmaya oldukça yakındır. Bu yönüyle yağlama etkisinin açıkça ortaya çıkması bir başka bakış açısıdır. Sürtünme faktörü değişimi: C'de en az 400 C'de yaklaşık 2,5 katına çıkmakta, 500 C'da ise 400 C'ye göre 1,5 kat artmaktadır. Yağlama malzemelerinde viskozite düşmesinin buna sebebiyet verdiği söylenebilir. Akma gerilmesindeki değişim: Yağlamasız şartlarda 400 C'de ortalama akma gerilmesi C'deki değerin %65'i, 500 C'de %50'si olduğu görülmektedir. Yağlamalı şartlarda ise, 400 C'deki akma gerilmesi "C'deki değerin %50'si, 500 C'de %30'u kadar olduğu belirlenmiştir. En iyi yağlayıcının teflon olduğu, sonra sırasıyla parafin ve grafitin geldiği tesbit edilmiştir. Yağlamanın iyi olması şekillendirilen parçanın yüzey kalitesinin artmasını, takım yüzeyindeki.malzeme birikiminin önlenmesini, takım aşınmasının azalmasını yani takım ömrünün artmasını sağlamaktadır. Tüm bunlara ilaveten takım-malzeme arasındaki sürtünmenin azalması, parçaların şekillendirilmesi için harcanacak enerjiyi de bir miktar azaltacağından, dövme maliyetinin belirli bir oranda düşmesini de sağlayacaktır. Bu çalışmadaki deney sonuçları, teorik yöntemler ile karşılaştırılabilir ve bu yöntemlerden faydalanabilir. Teorik analiz tekniklerinden UBET kısaltması ile verilen "Upper Bound Element Technique" (üst sınır element tekniği) bu konuda en çok faydalanılabilecek bir tekniktir. Bu tekniğin gerçek şartlar dediğimiz uygulama şartlarına uygunluğu görülmüştür. İngiltere'de Leeds Üniversitesi'nde geliştirilen bu teknik dövme işleminin başından sonuna kadar metal akışı ve dövme kuvvetinin tahmin ve hesaplanmasında kullanılmaktadır. Bu konuda çalışanlar için deney sonuçları ve UBET tekniğinin beraber incelenmesi gerekli bilgisayar programlarının oluşturulması ve geliştirilmesinde ve optimum değerlerin çıkartılmasında tavsiye edilir

10 S. Referanslar [ljkayal, E.S., Ensari, C, Metallerde Plastik ekil Verme İke ve Uygulamalar, TÜ, stanbul, 1986 [2] Sözöz, H., "Alüminyumun Kapal Kalpta Dövülmesinde Sürtünme Parça Ebad ve Çapak Geometrisinin Analizi", Doktora Tezi, Marmara Ün., stanbul, [3]Geleji, A., Forge Equipment Rolling Hills and Accessories, Akademia Kiado, Budapest, [4].Avitzur, B., Forming of Hollow Discs, Israel Journal tech., v2, pp ,1964. [Sj.Soul, G., Male, A.T. and De Pierre, V., "A New Method for the Determination of Material Flow Stress Values Under Metal Working Conditions", USA, AFML Tech, Report, [6].Eruslu, N., Altm o lu, A ve Tapt k, Y., Ala mlar Ders Notu, TÜ, stanbul, Nisan [7].Salman, S. ve Yüce, H., Ala mlar ders notlar, Marmara Ün, stanbul, ubatl997. [8]öncüo lu, S.H., "Alüminyum ve Ala mlar n n Uçak Sanayiinde Kullan m ", Yüksek Lisans Tezi, TÜ, stanbul, r9]karali, E. ve Karame e, A., "Alüminyum Ala mlar ve Kullan m Alanlar", Lisans Tezi, Marmara Ün., stanbul,