KÜTLESEL ŞEKİLLENDİRME İŞLEMLERİ

Transkript

1 KÜTLESEL ŞEKİLLENDİRME İŞLEMLERİ Başlangıç parçaları silindirik kesitli çubuk ve kütük; dikdörtgen kesitli kütük, levha veya plaka gibi gemetrilere sahip lan parçalar lup önemli miktarda şekil değişimlerinin gerçekleştiği plastik şekil verme işlemleridir. Büyük iş parçaları söz knusu lduğunda işlem genellikle dayanımı düşürmek için sıcak şartlarda gerçekleştirilir. Sğuk şartlarda şekillendirme yapıldığında üründe sertleşme ve dayanım artışı meydana gelir. Dört temel yöntem bulunur: Haddeleme, Dövme, Ekstrüzyn, Tel/Çubuk Çekme. 1. HADDELEME: Zıt yönde dönen (en az) iki adet merdane arasında meydana getirilen basınç ile iş parçasının kalınlığının azaltıldığı plastik şekil verme işlemidir. Haddeleme ile yarı mamul ve sn ürün elde dilebilir. Haddeden çıkan ürünlerin kesitleri basit veya karmaşık labilir. 1

2 l t Uzunluğu, genişliği w ve kalınlığı ile iade edilmek üzere; yassı kütük, şerit, levha ve plaka gibi genişliğin kalınlığa göre büyük lduğu düz kesitli ürünlerin haddelenmesinin analizi görece basit lup, haddelemede redüksiyn miktarı; d t t bağıntısı ile hesaplanır. Burada; t başlangıç kalınlığı, t ise sn kalınlıktır. Redüksiyn miktarının maksimum değeri, sürtünme katsayısına ( ) ve merdane yarıçapına ( R ) bağlı larak; dmax 2 R şeklinde iade edilir. Sürtünme katsayısı, sğuk işlem şartlarında 0,1; ılık işlem şartlarında 0,2 ve sıcak işlem şartlarında 0,4 civarında değerler alır. Haddeleme esnasında girişten itibaren basınç artarak merdanelerle iş parçası arasında izai hareketin (kayma) lmadığı nktada maksimum değerine ulaştıktan snra çıkışa dğru tekrar azalır. Yukarıdaki basınç-mesae graiğinde eğrinin altında kalan alan hadde kuvvetini ( F ) iade eder. Redüksiyn miktarından daha önemli bir haddeleme parametresi redüksiyn ranı lup; r d t şeklinde iade edilir. Özellikle düşük wt ranı ve düşük sürtünme durumunda iş parçasındaki genişlik artışı ihmal edilemez. Bu durumda, indisi başlangıç ve indisi bitiş şartlarını iade etmek üzere; twl t w l veya v iş parçası hızı lmak üzere; twv t w v 2

3 yazılabilir. Haddelemede iş parçasının ileri kayması; v vr s v r bağıntısı ile iade edilir. Burada; değişimi; v r w R r merdanenin çevresel hızıdır. Buna göre gerçek birim şekil t ln t bağıntısı ile hesaplanır. Pekleşme nedeniyle rtalama akma gerilmesi; n ( akma ) K rt n 1 lduğundan gerekli haddeleme kuvveti; L F w pdl ( ) wl 0 akma rt bağıntısı ile hesaplanır. Burada, L temas yayı uzunluğu lup; L R( t t ) bağıntısı ile hesaplanır. Gerekli hadde gücü ise; FL n P Mwr 30 lup, burada; w r r merdanelerin açısal hızını ve hesabında iki merdane için tplam kuvvet klu uzunluğu L alınmıştır. n r ise merdanelerin devir sayısını iade eder. Mment Örnek: 300 mm genişliğinde ve 25 mm kalınlığında bir levha her birinin yarıçapı 250 mm lan iki tahrik merdanesine sahip hadde tezgâhından geçirilerek iş parçasının kalınlığı 50 d/d merdane hızında 22 mm ye düşürülmektedir. İş parçasının malzemesinin dayanım katsayısı 275 MPa, pekleşme üsteli 0,15 ve iş parçası ile merdaneler arasındaki sürtünme katsayısı 0,12 lduğuna göre haddeleme şartlarının uygun lup lmadığını belirleyerek gerekli haddeleme gücünü hesaplayınız. d mm d 2 max (0,12) (250) 3, 6 mm lduğundan haddeleme şartları uygundur. 25 ln 0, ,15 (275)(0,128) ( ) 175,7 0,15 1 akma rt MPa 3

4 L 250(25 22) 27, 4 mm F (175, 2)(300)(27, 4) N 1445 kn ( )(27, 4) (50) Nmm P ,5 207,3 kw 30 s Daha önce belirtildiği üzere, haddelemede en az iki tahrik merdanesi bulunmakla birlikte pratikte çeşitli hadde düzenleri kullanılır. (a) 2 merdaneli klasik hadde düzeni: Tersinmez (tek yönlü) veya tersinir (çit yönlü) labilir. (b) 3 merdaneli hadde düzeni: 2 kademeli haddeleme sağlar. (c) 4 merdaneli hadde düzeni: Küçük tahrik merdanelerini destekleyen merdaneler içerir. (d) Salkım merdaneli hadde düzeni: Daha etkin bir destekleme sağlar. (e) Tandem merdaneli hadde düzeni: Ardışık merdanelerle redüksiyn arttırılır. Haddeleme ile aşağıda örnekleri verilen arklı işlemler gerçekleştirilebilir. Vida dişi haddeleme 4

5 Halka haddeleme Dikişsiz bru haddeleme 2. DÖVME: Milattan önce 5000lere dayanan en eski metal şekillendirme yöntemidir. Krank, biyel, dişli, kasnak, yapı elemanı, türbin kanadı ve talaşlı imalat öncesi ara şekillerin elde edilmesinde yaygın kullanılır. Üç yöntemi bulunur. (a) Açık kalıpta dövme (yığma) (b) Kapalı kalıpta çapaklı dövme (c) Kapalı kalıpta çapaksız (hassas) dövme 5

6 Açık kalıpta dövme: Yığma da denilen işlem ile iş parçası genellikle biri sabit lan iki kalıp arasında sıkıştırılır. Sürtünme ıçılaşmaya yl açan önemli bir etken lmakla birlikte, analizi klaylaştırmak için başlangıçta ihmal edilir. Aşağıdaki şekillerde sırasıyla sürtünmesiz ve sürtünmeli şartlar şematik larak verilmiştir. Sürtünmesiz ve hmjen dermasyn şartları altında açık kalıpta dövme analizinde gerekli kuvvet hesabı yapılırken işin snundaki kuvvet dikkate alınır. Çünkü yığma işleminde gerekli kuvvet hem kesit alanının sürekli larak artması hem de pekleşme nedeniyle sürekli larak artar. Gerçek birim şekil değişimi; h h ln bağıntısı ile hesaplanır. Burada; h başlangıç yüksekliğini ve h ise sn yüksekliği iade eder. Buna göre, gerekli yığma kuvveti; n 2 F ( akma ) A ( K )( ) D 4 bağıntısı ile hesaplanır. 6

7 Burada, D sn çap lup hmjen şekil değişimi sayesinde hacim sabitliğinden hesaplanabilir. Ancak sürtünme nedeniyle ıçılaşma dikkate alınmalıdır. Bunun için dövme şekil aktörü; K y 0,4D 1 h bağıntısı ile dikkate alınmalıdır. Burada;, sürtünme katsayısı lup D anlık çap ve yüksekliğidir. Sıcak dövme durumunda pekleşme ihmal edilir ( m C bağıntısı ile hesaplanabilir. Snuç larak gerekli yığma kuvveti; F K ( ) A y akma bağıntısı ile hesaplanır. ve h n ise sırasıyla iş parçasının 0 ) ve akma gerilmesi Örnek: Silindirik bir iş parçasına uygulanan yığma işleminde iş parçasının başlangıç yüksekliği 75 mm ve başlangıç çapı 50 mm lup işlem snunda yüksekliği 36 mm ye düşürülmektedir. İş parçasının malzemesinin dayanım katsayısı 350 MPa, pekleşme üsteli 0,17 ve iş parçası ile kalıplar arasındaki sürtünme katsayısı 0,10 lduğuna göre işlemin başında ve snunda gerekli yığma kuvvetini hesaplayınız. Temasın başlamasıyla birlikte kuvvet sıırdan artmaya başlayacaktır. % 0,2 birim şekil değişimi ile akmanın başlayacağı kabulü ile başlangıçtaki akma gerilmesi hesaplanabilir. Bu esnada çap ve bydaki değişim sn derece küçük lup ihmal edilebilir. Bu durumda; 0, 4(0,1)(50) 0,17 2 F K y ( akma ) A [1 ][350(0,002) ][ (50) ] N 75 4 Fıçılaşma ihmal edilirse, hacim sabitliğinden işlem snundaki çap; 2 2 D h D h 50 (75) D (36) D 72,17 mm (75) İşlem snundaki birim şekil değişimi; h 75 ln ln 0, 734 h 36 İşlem snunda gerekli yığma kuvveti; 0, 4(0,1)(72,17) 0,17 2 F K y ( akma ) A [1 ][350(0,734) ][ (72,17) ] N 36 4 Kapalı kalıpta dövme: Kalıp tasarım ve imalatı dikkat gerektirir. Çapaklı dövmede çapak hacmi nedeniyle başlangıç parçası sn üründen büyüktür. Byut arkı iyi ayarlanmalıdır. Fark lması gerekenden az lursa ürüne sn şekli verilemezken azla lursa kuvvetler beklenenden büyük lacağından iş parçası ve kalıplar zarar görebilir. Sıcak dövmede sğuma nedeniyle meydana gelecek büzülme de hesaba katılmalıdır. Malzeme akışını klaylaştırmak için köşe yuvarlatma ve tasarım iyileştirme gerekir. Ayrıca, işlem snrası parçanın klay çıkarılabilmesi için eğim verilir. Çk karmaşık şekiller de dövme birkaç kademede tamamlanır. 7

8 Yükseklik genellikle sabit lmadığından analizde rtalama yükseklik; h rt V A t bağıntısı ile hesaplanır. Burada; V hacim, A t ise çapak dâhil kesit alanını iade eder. Buna göre birim şekil değişiminin ve birim şekil değişim hızının rtalama değerleri sırasıyla; h rt ln h v rt h rt rt bağıntıları ile hesaplanır. Buna gerekli dövme kuvvet ve enerjisi sırasıyla; F K A F akma t E K V E akma rt bağıntıları ile hesaplanır. Burada; değerleri verilmiştir. K F kuvvet aktörü ve K E enerji aktörü lup aşağıdaki tablda Dövme işlem türü K F K E Basit, çapaksız 6 2 Karmaşık, çapaksız 8 3 Basit, çapaklı 6 3 Karmaşık, çapaklı 8 4 8

9 Dövme ile tk ve dayanıklı parçalar yüksek imalat hızı ve az malzeme kaybı ile elde edilir. Dövme işleminde kullanılan makinalar çekiç ve pres larak iki gruba ayrılır. Çekiçler; serbest düşmeli, güç düşmeli ve karşı vuruşlu şeklinde sınılandırılır. Presler ise mekanik ve hidrlik tahrikli labilir. Mekanik preslerin eksantrik (kranklı) ve sürtünmeli (vidalı) türleri bulunur. 3. EKSTRÜZYON: İstenilen kesiti elde etmek için kalıp bşluğundan iş parçasının zrlandığı basma işlemidir. İki türü bulunur: İş parçası ile zımbanın aynı yönde hareket ettiği direkt (ileri/dğrudan) ekstrüzyn ve iş parçası ile zımbanın zıt yönde hareket ettiği endirekt (geri/dlaylı) ekstrüzyn. Direkt ekstrüzynda sürtünme silindir cidarları ile blk arasındaki temas nedeniyle azla lup gerekli ekstrüzyn kuvveti yüksek, endirekt ekstrüzynda ise zımba pistnunun kesiti kısıtlı lup zayıtır. 9

10 (a) (b) (c) (d) (a) Direkt ekstrüzynla dlu parça imalatı (b) Direkt ekstrüzynla bş parça imalatı (c) Endirekt ekstrüzynla dlu parça imalatı (d) Endirekt ekstrüzynla bş parça imalatı Ekstrüzynda çevre uzunluğunun kesit alanına ranı arttıkça yani kesit karmaşıklaştıkça işlem zrlaşır ve gerekli kuvvet artar. Buna göre benzer gemetrideki bş kesitlerin dlu kesitlere ranla ekstrüzynu daha zrdur. Haddelemeye benzer şekilde ekstrüzynda da işlemin büyüklüğünü iade etmek için bir ran kullanılır. Buna ekstrüzyn ranı denir ve; rx A A ile iade edilir. Burada; A başlangıç kesit alanı ve ideal dermasyn için birim şekil değişimi; A ln r ln x A şeklinde iade edilir. A sn (ürün) kesit alanıdır. Buna göre, sürtünmesiz 10

11 Gerekli ekstrüzyn basıncı; n K A p ( akma ) rt ( )(ln ) n1 A bağıntısı ile hesaplanır. Ancak gerçek şartlarda ekstrüzynda birim şekil değişimi; a bln r x x a bağıntısı ile iade edilir. Burada; ve b kalıp açısı ile ilgili ampirik sabitler lup açı değeri arttıkça büyüme eğilimindedirler. Karakteristik larak a 0,8 ve b 1,2 ~ 1,5 değerleri kullanılır. Buna göre; Direkt sğuk ekstrüzynda; 2L p ( akma ) rt ( x ) D Endirekt sğuk ekstrüzynda; p ( ) akma rt x Direkt sıcak ekstrüzynda; 2L p akma ( x ) D Endirekt sıcak ekstrüzynda; p akmax bağıntıları kullanılır. Ekstrüzyn kuvveti ise; F K pa p bağıntısı ile hesaplanır. Burada K p şekil aktörü lup; K p Cx 0,98 0,02( ) C c 2,25 şeklinde iade edilir. Burada; C x ürünün çevre uzunluğu ve C c ise ürünün kesit alanına sahip çemberin çevre uzunluğudur. Gerekli tezgâh gücü; P Fv bağıntısı ile hesaplanır. Burada, v zımba hızıdır. 11

12 Örnek: 75 mm uzunluk ve 25 mm çapındaki bir blk ekstrüzyn ranı 4 lan bir direkt ekstrüzyn işlemiyle dairesel ürün şeklinde şekillendirilmektedir. İş parçasının malzemesinin dayanım katsayısı 415 MPa, pekleşme üsteli 0,18 lup ve katsayıları sırasıyla 0,8 ve 1,5 alınacağına göre gerekli ekstrüzyn basıncını uzunluğun 75 mm, 50 mm, 25 mm ve 0 mm değerleri için hesaplayınız. Gerekli kuvvetin maksimum değerini hesaplayınız. ln r x ln 4 1,386 a bln r 0,8 (1,5)(1,386) 2,88 x x a L =75 mm, 50 mm, 25 mm ve 0 mm için zımba basıncı değerleri sırasıyla; n 0,18 2L K 2L 415(1,386) 2*75 akma rt x x D n 1 D 0, b p ( ) ( ) ( ) (2,88 ) MPa, n 0,18 2L K 2L 415(1,386) 2*50 akma rt x x D n 1 D 0, p ( ) ( ) ( ) (2,88 ) MPa, n 0,18 2L K 2L 415(1,386) 2* 25 akma rt x x D n 1 D 0, p ( ) ( ) ( ) (2,88 ) 1820 MPa, n 0,18 2L K 2L 415(1,386) 2*0 akma rt x x D n 1 D 0, p ( ) ( ) ( ) (2,88 ) MPa lup L =0 mm için bulunan MPa değeri aynı zamanda zımba basıncının terik minimum değeridir. Bu değer iş parçası uzunluğu byunca endirekt ekstrüzyn için gerekli zımba basıncıdır. Basıncın maksimum değeri için gerekli kuvvet ise ürün kesiti dairesel lduğundan C C 1 lup; C F K pa p D N bulunur. x 2,25 2 2,25 2 p [0,98 0,02( ) ]( )( ) [0,98 0,02(1) ](3 312)( ) Cc 4 4 Direkt ekstrüzynda rtaya çıkan yüksek sürtünmenin neden lduğu gerekli basınç ve kuvvet artışının önüne geçmek için hidrstatik ekstrüzyn uygulaması geliştirilmiştir. x c 12

13 Ekstrüzynda kalıp açısının değeri de gerekli kuvvet üzerinde etkili lup küçük açı değeri sürtünmeyi, büyük açı değeri ise gereksiz (aydasız) işi arttırdığından ptimum bir değer belirlenir. Ekstrüzyn ile ünirm kesitli uzun yarı mamuller imal edilebilir. Sğuk ekstrüzynda dayanım artışı sağlanır. Byut hassasiyeti yüksek, malzeme kaybı düşüktür. Ekstrüzynda merkez patlaması, brulama ve yüzey çatlaması gibi kusurlar meydana gelebilir. (a) Merkez patlaması (b) Brulama (c) Yüzey çatlaması 4. TEL/ÇUBUK ÇEKME: İş parçasının kalıp bşluğundan çekilerek kesitinin daraltıldığı çekme gerilmesi ve basınç etkisiyle gerçekleştirilen şekillendirme işlemidir. Tel çubuğa göre küçük kesitli iş parçasını iade eder. 13

14 Haddelemede lduğu gibi sıklıkla tandem (kademeli) larak uygulanır. Çekme analizinde sırasıyla alan ve çap azalması; r A A A d D D bağıntıları ile iade edilir. Sürtünmesiz durumda birim şekil değişimi; A 1 ln ln A 1 r lup, sürtünme ve hmjen lmayan dermasyn nedeniyle çekme gerilmesi; ç ( akma ) rt (1 )( )( ) tan şeklinde iade edilir. Burada; kalıp ile iş parçası arasındaki sürtünme katsayısı, kalıp (uygulama) açısı, ise hmjen lmayan dermasyn katsayısı lup; 14

15 D 0,88 0,12 L şeklinde iade edilir. Burada; c D D D 2 L c D D 2sin şeklinde iade edilir. Buna göre çekme kuvveti; F A ç şeklinde iade edilir. Örnek: Giriş açısı 15 çekme kalıbından çekilen telin başlangıç çapı 2,5 mm, sn çapı ise 2 mm dir. İş parçasının malzemesinin dayanım katsayısı 205 MPa, pekleşme üsteli 0,20 lup iş parçası ile kalıp arasındaki sürtünme katsayısı 0,07 lduğuna göre gerekli çekme kuvvetini hesaplayınız. A D (2,5) ln ln ln 0, 446 A D (2) D D D 2 (2,5 2) sin15 0,88 0,12 0,88 0,12 0,88 0,12 0, 60 ~ 1,16 L D c D 2,5 2 2sin 0,2 205(0, 446) 0, 07 ç ( akma ) rt (1 )( )( ) (1 )(1,16)(0,446) 94,8 MPa tan 0, 2 1 tan15 0 (94,8) (2) 297, F ç A ç D N Çekme ile bru imalatı için iki arklı yöntem kullanılır: Mandrelsiz ve mandrelli. Mandrelli yöntemde sabit veya hareketli (yüzen) mandrel kullanılabilir. 15

16 (a) (b) (c) (a) Mandrelsiz (b) Sabit mandrelli (c) Yüzen mandrelli 16