Chapter 16: Kütlesel Şekillendirme İşlemleri. DeGarmo s Materials and Processes in Manufacturing

Transkript

1 Chapter 16: Kütlesel Şekillendirme İşlemleri DeGarmo s Materials and Processes in Manufacturing

2 16.1 Giriş Metal malzemeler, binlerce yıldır şekil değişimi yardımıyla şekil verilmektedir. Dövme, haddeleme, tel çekme gibi işlemler Orta Çağda dahi yapılıyordu. Sanayi Devrimi, bu işlemlerim daha yüksek bir seviyede yapılmasına imkan verdi. Günümüzde, birçok süreç otomatik hale geldi.

3 16.2 Şekil Değişimi İşlemlerinin Sınıflandırılması Kütlesel şekil verme işlemleri, birincil veya ikincil işlem olarak iki kısımda sınıflandırılabilir: Birincil işlemler, döküm malzemeyi slab, levha veya kütük (ara şekiller) haline getirir. İkincil işlemler, bu şekilleri yarı-bitmiş veya bitmiş ürün haline getirir. Kütlesel şekil verme işlemleri, kalınlığın veya kesit alanlarının azaldığı veya malzemenin şeklinin büyük oranda değiştiği işlemlerdir. Saç şekillendirme işlemleri, malzemenin şekil değişiminde kalınlığının ve kesit alanının nispeten sabit kaldığı işlemlerinden oluşur.

4 16.3 Kütlesel Şekil Verme İşlemleri Haddeleme (Rolling) Dövme (Forging) Ekstrüzyon (Extrusion) Tel, çubuk ve boru çekme Soğuk şekil verme, soğuk dövme ve darbeli ekstrüzyon Delme (Piercing)

5 16.4 Haddeleme Haddeleme, basma kuvveleri sayesinde malzemenin kalınlığını azaltır veya kesit alanının şeklini değiştirir. Genelde malzemenin işlenmiş bitmiş bir ürüne dönüşmesinde kullanılan ilk işlemdir. Kalın hammaddeler genellikle haddelenerek, blum, bilet(kütük), ya da slab şeklini alır.

6 Başlangıç Malzemeleri Blum, kare veya dikdörtgen kesite sahiptir. Billet, blumdan daha küçüktür ve kare veya dairesel kesite sahiptir. Birden fazla haddelenerek yapısal şekillere dönüşebilirler. Slab, genişliği kalınlığının iki katından büyük olan dikdörtgen prizma şeklindedir. Slab, sac üretmek için kullanılır.

7 Haddelemenin İş Akışı Figure 16-1 Çeşitli çelikten üretilmiş mamul ve yarı mamul biçimlerinin üretimi için akış şemaları. Haddeleme işlemlerinin bolluğuna dikkat edin (Courtesy of American Iron and Steel Institute, Washington, D.C.)

8 Haddelemenin Temelleri Metal malzeme zıt yönde dönen iki merdanenin arasından geçirilir. Sürtünme kuvveti,malzemeyi ileri doğru iter. Metal sıkıştırılır ve kesit alanı daralır ve bu daralmayı telafi etmek için uzar. Şekil 16-2 Metalin şekil değişimini ve yeniden kristalleşmeni gösteren sıcak haddelemenin şematik gösterimi

9 Sıcak Haddeleme ve Soğuk Haddeleme Sıcak haddelemede, başarılı bir şekil verme işlemi için sıcaklık kontrolü gereklidir. Malzemenin sıcaklığı her noktada aynı olmalıdır. Sıcaklık tekrar kristalleşme sıcaklığının yaklaşık derece üstüne düştüğünde haddeleme sonlandırılır. Homojen tane büyüklüğünü sağlar. Pürüzsüz yüzeylere ve hassas boyutlara sahip sac, bar, şerit ve çubuk gibi ürünler soğuk haddeleme ile üretilir.

10 Haddelemede Merdane Düzenleri Şekil 16-3 Haddelemede çeşitli merdane düzenleri

11 Haddelemede Merdane Düzenleri Daha küçük çaplı merdaneler, verilen daralma için daha küçük temas uzunluğuna ve neden olurlar ve şekilde islenilen değişimi yapmak için daha az kuvvete gerek vardır. Daha küçük kesit alanları, merdanenin katılığını azaltır. Sadece uçlarından desteklendiği için merdaneler, elastik olarak esnemeye eğilimli olabilir Şekil 16-4 Verilen bir daralma için, merdane çapının temas uzunluğuna etkisi.

12 Sürekli (Tandem) Haddeleme Billet, blum, ve slablar ıstılır ve entegre çalışan tersine dönmeyen merdane serisi boyunca ilerler. Merdanelerin sekronizasyon problemleri, sorunlar yaratabilir. Figure 16-5 Typical roll-pass sequences used in producing structural shapes.

13 Haddelenmiş Ürünlerinin Özellikleri Sıcak haddelenmiş ürünlerin özelliklerinde yöne bağımlılık azdır. Sıcak haddelenmiş ürünlerin özellikleri benzerdir ve güvenebilinir bir kaliteye sahiptirler. Yüzeyler pürüzlü olabilir ve yüzeyde oksit bulunabilir. Boyutsal toleranslar, metal cinsine ve ürünün büyüklüğüne göre değişir. Soğuk haddelenmiş ürünler, üstün yüzey özellikleri ve boyutsal hassasiyet gösterirler

14 Yassılık ve Merdane Kusurları Merdaneler, mükemmel düzlükte parçalar üretilecek şekilde düzenli aralıklarla yerleştirilir. Bazen yassılık istenebilir. Figure 16-7 (above) (a) Loading on a rolling mill roll. The top roll is pressed upward in the center while being supported on the ends. (b) The elastic response to the three-point bending. Figure 16-8 Use of a crowned roll to compensate for roll flexure. When the roll flexes in three-point bending, the crowned roll flexes into flatness.

15 Termo-mekanik İşlemler ve Kontrollü Haddeleme Isı, kuvvetleri azaltmak veya plastik şekil vermeyi kolaylaştırmak için kullanılabilinir. Fakat ısıl işlemler genellikle daha sonra gerçekleştirilen işlemlerdir. Termomekanik işlem, istenilen özelliklere sahip tek bir parça elde etmek için, şekil değişimini ve ısıl işlemi birleştirir. Bilgisayar ile kontrol gerektirir. Önemli enerji tasarufu sağlar.

16 16.5 Dövme Kalıplar vasıtasıyla, yerel sıkıştırma kuvvetlerinin plastik şekil değişime neden olduğu işlemlerdir. Bilinen en eski metal şekillendirme yöntemidir. Üretilen parçalar çok çeşitli boyutlarda olabilir. Yöntemler Uzatma Yığma Kalıpla dövme

17 Açık Kalıpla Dövme (Serbest Dövme) Bir demirci/nalbant ın yaptığı dövme işleminin aynısıdır. Fakat mekanik ekipman işlemi geçleştirir. Darbe, bazı mekanik çekiçler tarafından oluşturulur. En basit endüstriyel çekiç, yerçekimiyle çalışan düşüm makinalarıdır. Bilgisayar kontrollü çekiçler değişken darbeler sağlayabilir.

18 Açık Kalıpla Dövme Şekil 16-9 (Solda) Çift-çerçeve bir düşüm şahmerdanı (Courtesy of Erie Press Systems, Erie, PA.) (Sağda) Bir dövme şahmerdanının şematik gösterimi

19 Şekil (Üstte) Açık kalıp dövmede malzemenin serbest akışı. Fıçılaşma, kalıp ve malzeme arasındaki sürtünmeden kaynaklanır. (Ortada) Değişik çaplara sahip bir şaftın açık kalıpta dövülmesi. (Allta) Açık kalıp yöntemi ile kesintisiz halka dövme.(courtesy of Forging Industry Association, Cleveland, OH.)

20 Kapalı Kalıp Dövme Kalıplar, metalin akışını kontrol etmek için tasarlanır. Üst parça çekice ve alt parça örse bağlanır. Metal akar ve kalıbı tamamen doldurur. Şekil Kapalı kalıp dövmenin şematik gösterimi. Malzemenin kalıbı tamamen doldurması ve merkez düzlemde çapak oluşumu.

21 Kapalı Kalıp Dövme Fazla metal, sıkışarak kalıbın dışına taşabilir. Bu metala çapak (flash) denir. Çapaksız dövme, metalin tam bir sınırlandırma getirilmiş bir kalıp boşluğunda şekil değişimi ile gerçekleşebilir. Pek çok dövme ürünü, bir boşluklar dizisi ile üretilir. İlk basılar, uç şekillendirme adını alır. Ara basılar, metali yaklaşık olarak nihai şekle sokar. En son şekil, final dövme işlemi ile verilir.

22 Şekil Kapalı kalıpla dövme ve her basıda meydana gelen ürünler. Bitmiş ürün ve tanelerin akış yönü (Courtesy of Forging Industry Association, Cleveland, OH.)

23 Çekiç ve Örs Düzenine Alternatifler İki çekiç, iş parçasını şekillendirebilir. İmpaktörler, daha az gürültü ve titreşimle çalışırlar. Figure Schematic diagram of an impactor in the striking and returning modes. (Courtesy of Chambersburg Engineering Company, Chambersburg, PA)

24 Pres Dövme Pres dövme, büyük ve kalın ürünler için kullanılır. Yavaş sıkıştırma hareketi, metalin tamamen içine girer. Daha homojen bir şekil değişimi ve akış üretir. Kalıp ve iş parçası arasındaki temas daha uzun Kalıplar ısıtılabilinir. (izotermal dövme) Presler, mekanik veya hidrolik olarabilir.

25 Kapalı Kalıp Dövme İşleminin Tasarımı ve Yardımcı Araçlar Dövme kalıpları, genellikle yüksek alaşımlı veya takım çeliğinden yapılır. Daha iyi ve daha ekonomik parçalar için kurallar : Kalıplar, düzgün tek bir düzlemden ayrılmalıdır veya parçanın şeklini takip etmelidir. Ayırma yüzeyi, dövme merkezinden geçen bir düzlem olmalıdır. Gerekli koniklik Uygun köşeler ve radyüsler Çeşitli kesitler dengeli olmalıdır Lif akış çizgilerinin tüm avantajları kullanılmalıdır. Boyut toleransları gerekli olandan daha yakın olmamalıdır.

26 Kapalı Kalıp Dövme Önemli tasarım ayrıntıları Ara işlemlerin sayısı Her adımda meydana gelecek ürün Kalıbı dolduracak metal miktarı Her adımdaki çapak boyutları İyi boyutsal hassasiyet. Figure A forged-andmachined automobile engine crankshaft. Forged steel crankshaft provide superior performance compared to those of ductile cast iron. (@ Sergiy Goruppa/iStockphoto).

27 Orbital Dövme

28 Yığma (Upset Forging) Boyunun sıkıştırılmasıyla bir malzemenin çapının büyümesi Hem soğuk hem sıcak yığma Yığmanın üç kuralı: 1. Zararlı burkulmanın olmaması için, bir darbede yığılacak malzemenin desteklenmeyen kısmının uzunluğu, malzemenin çapının üç katıyla sınırlandırılmalıdır. 2.Çalışma parçasının desteklenmeyen kısmının uzunluğu, çapının üç katından büyük olduğu durumlarda, yığmanın çapı çalışma parçasının çapından 1.5 katından fazla olmadığında başarılı bir yığma gerçekleşebilir. 3.Çalışma parçasının uzunluğunun çapının 3 katından fazla olan ve kalıp boşluğunun çapının, çalışma parçasının çapının 1.5 katından küçük (2. kural) olduğu yığma işlemlerinde, kalıptan taşan desteklenmeyen malzemenin boyu, malzemenin çapından fazla olmamalıdır

29 Yığma(Upset Forging) Şekil Yığmanın üç kuralının şematik gösterimi. (Courtesy of National Machinery Company, Tiffin, OH.)

30 16.6 Ekstrüzyon Metal sıkıştırılır ve sabit bir kesite sahip bir ürün meydana getirmek üzere şekillendirilmiş bir kalıp içinden akmaya zorlanır. Sıcak veya soğuk gerçekleştirilir. Bir ıstampa kalıbın bir ucundan ilerler ve kalıp boyunca metalin plâstik bir şekilde akamasına neden olur. Yaygın olarak kullanılan metaller: alüminyum, magnezyum, bakır ve Şekil Direk ekstrüzyon ve kullanılan ekipmanlar. (Courtesy of Danieli Wean United, Cranberry Township, PA.)

31 Ektrüzyon Ürünler Figure Ekstrüzyonla elde edilen şekiller. (Solda) Alüminyum ürünler. (Courtesy of Aluminum Company of America, Pittsburgh, PA.) (Sağda) Çelik ürünler. (Courtesy of Allegheny Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh, PA.)

32 Ekstrüzyonun Avantajları Haddeleme ile üretilmesi mümkün olmayan birçok şekil üretilebilinir. Konikliğe ihtiyaç yoktur. Bir tek adımda meydana gelecek kesit alanındaki daralma miktarı kullanılan ekipmana bağlıdır, malzemeye veya tasarıma bağlı değildir. Kalıplar nispeten ucuzdur. İstenilen bir şekil küçük miktarlarda ekonomik olarak üretilebilinir.

33 Ekstrüzyon Yöntemleri Direkt ekstrüzyon Istampa, bileti itekler ve kalıptan çıkmasını sağlar. Sürtünmeyi yenecek güç sağlanmalı Endirekt ekstrüzyon Boşluklu bir ıstampa, kalıbı sabit bilete doğru itekler. Figure Direkt ve endirekt ekstrüzyon. Direkt ektrüzyonda, hem ıstampa ve hem bilet hareket eder ve bilet ve kalıp arasındaki sürtünme, bu harekete karşıdır. Endirekt ekstrüzyonda, bilet sabittir. Bilet-oda arasında sürtünme yoktur.

34 Ekstrüzyonda Kuvvetler Yağlama, sürtünmeyi önlemek için önemlidir ve ısıl bariyer olarak davranır. Ekstrüzyonda metal akışı Akış karmaşık olabilir. Yüzey çatlakları, iç çatlaklar ve akış kaynaklı çatlakların izlenmesi gereklidir. Süreç kontrolü önemlidir. Figure Diagram of the ram force versus ram position for both direct and indirect extrusion of the same product. The area under the curve corresponds to the amount of work (force x distance) performed. The difference between the two curves is attributed to billet-chamber friction.

35 Boşluklu Şekillerin Ekstrüzyonu Mandreller, oyuklu veya birden fazla uzunlamasına boşluklara sahip şekillerin üretilmesi için kullanılabilirler. Figure Mandrel kullanılarak boşluklu şekil üretilen iki yöntem. (a) Mandrel ve ıstampa birbirinden bağımsız hareket eder. (b) Birlikte hareket ederler.

36 Hidrostatik Ekstrüzyon Yüksek basınçlı sıvı iş parçasını çevriler ve ekstrüzyon için gerekli kuvveti uygular. Bilet-kovan arasındaki sürtünmeyi engeller. Yüksek verimlilik Sıcaklıklar, sıvı bir soğutucu olarak davradığı için sınırlıdır. Contalar sızıntıyı önleyecek şekilde tasarlanmalıdır. Şekil Comparison of conventional (left) and hydrostatic (right) extrusion. Note the addition of the pressurizing fluid and the O-ring and miter-ring seals on both the die and ram.

37 Sürekli Ekstrüzyon Conform process Malzeme sürekli olarak bir yivli tekerlek içine beslenir ve birleştirici bir kalıp bölümü tarafından oluşturulan bir odaya sürtünme kuvveti yardımıyla iletilir. Malzeme odaya uygun olarak yığılır. Malzeme katı, metal tozu, punchouts veya talaş olabilir. Metalik ve metalik olmayan tozlar iyice karıştırılmış olabilir. Figure Cross-sectional schematic of the Conform continuous extrusion process. The material upsets at the abutment and extrudes. Section x-x shows the material in the shoe.

38 16.7 Tel, Çubuk, ve Boru Çekme Bir kalıp içinden çekilerek bir malzemenin kesit alanı azaltılır. Ekstrüzyona benzer, fakat buradaki kuvvet çekme kuvvetidir. Figure Çubuk çekme işleminin sistematik gösterimi Figure Soğuk çekme ile geniş borudan, dar bir boru elde etme. Hareketsiz mandrel iç çap boyutlarını, kalıp da dış boyutları ayarlar.

39 Boru ve Tel Çekme Mandrel kullanılmayan yöntem Iç çap hassassiyeti maliyete feda edilir ve bir yüzer fiş kullanılır. Şekil (yukarıda) yüzer fiş ile boru çekme. Figure Schematic of wire drawing with a rotating draw block. The rotating motor on the draw block provides a continuous pull on the incoming wire.

40 Figure Cross section through a typical carbide wire-drawing die showing the characteristic regions of the contour. Figure Schematic of a multistation synchronized wire-drawing machine. To prevent accumulation or breakage, it is necessary to ensure that the same volume of material passes through each station in a given time. The loops around the sheaves between the stations use wire tensions and feedback electronics to provide the necessary speed control.

41 16.8 Soğuk Şekillendirme, Soğuk Dövme ve Darbeli Ekstrüzyon Yüksek hassasiyetli bitmiş parçalar üretmek için, işlenmemiş malzeme bir kalıp boşluğuna sıkıştırılır veya kalıptan geçirilir. Soğuk kafa şişirme, yığmanın bir şeklidir. Çubuk ve tellerin ucundaki genişletilmiş bölümleri (çivi, cıvata kafası gibi) yapmak için Figure Typical steps in a shearing and coldheading operation.

42 Darbeli Ekstrüzyon Kalıp boşluğuna yerleştirilen metal malzemeye tek bir darbe ile vurulur. Metal ileri, geri ya da bunların kombinasyonu şeklinde akar. Zımba şeklin içini kontrol ederken, kalıp şeklin dışını kontrol eder. Şekil Açık ve kapalı kalıplar ile geriye ve ileriye ekstrüzyon.

43 Soğuk Ekstrüzyon Figure (a) Reverse (b) forward (c) combined forms of cold extrusion. (Courtesy the Aluminum Association, Arlington, VA.) Figure (Right) Steps in the forming of a bolt by cold extrusion, cold heading, and thread rolling. (Courtesy of National Machinery Co. Tiffin, OH.)

44 Şekil Soğuk Şekillendirme. sequence involving cutoff, squaring, two extrusions, an upset, and a trimming operation. Also shown are the finished part and the trimmed scrap. (Courtesy of National Machinery Co., Tiffin, OH.) Şekil Yığma ve ilgili işlemlerle üretilmiş parçalar.

45 16.9 Delme (Piercing) Kalın cidarlı dikişsiz boru döner delme ile üretilebilinir. Isıtılan bilet (kütük), büyük, dışbükey konik iki merdane arasındaki boşluğa beslenir. Kütük, dönen bir elips şeklinde bir şekil değişimine zorlanır. Figure (Left) Principle of the Mannesmann process of producing seamless tubing. (Courtesy of American Brass Company, Cleveland, OH.) (Right) Mechanism of crack formation in the Mannesmann process.

46 16.11 Şekil Değiştirme İşlemleri ile Yüzey İyileştirme Şekil değiştirme işlemleri, metal yüzeyini itileştirmek ve değiştirmek amacıyla kullanılabilinir. Peening- (yüzey işleme) yuvarlak uçlu bir aletle vurularak yapılan mekanik yüzey işlemi. Burnishing- Baskı takımı veya makarası ile perdahlama, çapak temizleme. Roller burnishing- içi ve dışı silindirik veya konik yüzeylerin boyutsal tolaransını ve yüzey kalitesini geliştirmek için kullanılır.

47 Özet Çok çeşitli kütlesel şekillendirme yöntemi mevcuttur. Temel yöntemler haddeleme, dövme, ekstrüzyon ve çekmedir. Her yöntemin belli bir limiti ve avantajı bulunmaktadır. En doğru yöntem istenilen şekle, yüzey kalitesine, üretim miktarına, vb bağlıdır.