Chapter 15: Metal Şekillendirmenin Temelleri. DeGarmo s Materials and Processes in Manufacturing

Transkript

1 Chapter 15: Metal Şekillendirmenin Temelleri DeGarmo s Materials and Processes in Manufacturing

2 15.1 Giriş Şekil değişimi kullanarak şekil verme işlemi, mühendislik malzemelerinin plastisite (yoğrulabilirlik) özelliğinden faydalanır. Plastisite, bir malzemenin özelliğini kaybetmeden katı olarak akabilme kabiliyetidir. Şekil değişimi büyük kuvvetlere ihtiyaç duyar. Bu şekil değişimleri, üç boyutta kütlesel şekil değişimi, basit kayma veya bileşik eğilme şeklinde olabilir.

3 Gerilme Durumları Tablo 15-1: Gerilme durumları

4 15.2 Şekil Verme İşlemi: Bağımsız Değişkenler Şekil verme işlemi, bağımsız ve bağımlı değişkenler içerir. Bağımsız değişkenler, mühendis veya operatörün süreçte direkt olarak karar verdiği parametrelerdir. Başlangıç malzemesi Çalışma parçasının başlangıç şekli Takım veya kalıp geometrisi Yağlama Başlangıçtaki sıcaklık İşlemin hızı Şekil değişiminin miktarı

5 Şekil Verme İşlemi Tablo 15-2: Yaygın şekil verme işlemleri ve gerilme durumları İş parçasındaki gerilme durumunu belirten sayılar, Tablo 15-1 de parantez içinde verilmiştir.

6 Forming Operations

7 15.3 Bağımlı Değişkenler Bağımlı değişkenler, bağımsız değişkenlerin seçimi ile belirlenir. Kuvvet veya güç gereksinimi Ürünün malzeme özellikleri Çıkış (en son ) sıcaklık Yüzey bitirme ve hassasiyet Malzeme akışının niteliği

8 15.4 Bağımsız-Bağımlı İlişkiler Bağımsız değişkenler- kontrolü doğrudan ve ilk başta Bağımlı değişkenler- kontrolü tamamen dolaylı Süreç tarafından belirlenir. Bir bağımlı değişken kontrol edilmesi gerekiyorsa, tasarımcı bağımlı değişkeni değiştiren uygun bağımsız değişkeni seçer.

9 Bağımsız-Bağımlı İlişkiler Bağımsız ve bağımlı değişkenler arasındaki ilişki üç şekilde öğrenilebilir: Tecrübe Deney Modelleme Figure 15-1 Schematic representation of a metalforming system showing independent variables, dependent variables, and the various means of linking the two.

10 15.5 Modelleme Sonlu elemanlar modeli kullanılarak simülasyonlar yapılır. Bu modeller sayesinde, bir malzemenin haddeleme işlemindeki davranışı, dövme kalıbını dolduruşu, ekstrüzyon kalıbı içinde ki akışı, dökümdeki katılaşması hakkında önceden tahmin yürütebiliriz. Isıl işlemlerin de simülasyonu gerçekleştirilebilinir. Pahalı deneme ve hata önleme döngüleri ortadan kaldırılır.

11 15.6 Genel Parametreler Şekil verilecek malzemenin özellikleri tanımlanmalıdır. Şekil değişimine gösterilen mukavemet veya direnç Farklı sıcaklıklardaki koşullar Şekil vermenin limitleri Yağlandırıcılar ile tepkime Şekil değişim hızı ve etkileri Hıza duyarlı malzeme- aynı sonucu elde etmek için daha fazla enerji gereklidir.

12 15.7 Çalışma Koşullarında Sürtünme ve Yağlama Şekil değişimi için büyük kuvvetlere ve basınçlara ihtiyaç vardır. Bazı işlemlerde enerjinin %50 si sürtünmeyi yenebilmek için harcanır. Yağlamadaki yapılan değişiklikler: malzemenin akışını değiştirir, kusurları yok eder veya ortaya çıkarır, yüzey kalitesini ve boyutsal hassasiyeti değiştirir, ürün özelliklerinde değişikliğe yol açar. Üretim hızı, takım tasarımı, takım aşınması, ve proses optimizasyonu, sürtünmeyi belirlemek ve kontrol etme becerisine bağlıdır.

13 Sürtünme Koşulları Metalforming friction differs from the friction encountered in mechanical devices For light, elastic loads, friction is proportional to the applied pressure μ sürtünme katsayısı At high pressures, friction is related to the strength of the weaker material Figure 15-2 The effect of contact pressure on the frictional resistance between two surfaces.

14 Sürtünme Sürtünme, bir arayüzey boyunca kaymaya karşı gösterilen dirençtir. Sürtünmeye bağlı olaylar: Aşınma Tutma (adezyon) Direnç, zayıf malzemenin mukavemeti ve temas alanı ile orantılıdır.

15 Yüzey Bozulmaları Yüzey aşınması (wear), sürtünmeye bağlıdır. Çalışma parçasındaki aşınma bazen kabul edilebilinir. Fakat tezgahtaki aşınmalar kabul edilemez. Takım aşınması ekonomik olarak maliyetlidir ve boyutsal hassasiyeti etkileyebilir. Toleranslar, düzgün yapılamayabilinir. Takım aşınması yüzey kalitesini etkileyebilir

16 Yağlama Birçok metal şekil verme yönteminin başarılı olmasında kilit rol oynar. Öncelikle sürtünmeyi ve takım aşınmasını azaltmak amacıyla en uygun olanı seçilir. Isıl bariyer, soğutma sıvısı, korozyon önleyici olarak da kullanılabilirler. Diğer faktörler Kolay temizlenmesi, zehirsiz ve kokusuz olması, alev alma, sıcaklığı, hız, ıslatma özellikleri

17 15.8 Sıcaklık İlişkileri İş parçasının sıcaklığı, işlemin en önemli değişkenlerinden biridir. Genellikle, sıcaklıktaki artış,süneklikte artışa, mukavemette azalmaya ve şekil değişim sertleşmesinin derecesinde azalmaya neden olur. Sıcak işleme Soğuk işleme Ilık çalışma

18 Sıcak İşleme Tekrar kristalleşme sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta uygulanan plastik şekil değişimi Sıcaklık, malzeme ile büyük ölçüde değişir Yeniden kristalleşme, pekleşmenin etkilerini ortadan kaldırır. Sıcak işleme, metal ve çevresinde istenmeyen reaksiyonlara neden olur.

19 Sıcak İşlemede Yapı ve Özellik Değişimi katılaşma sonrası tanelerin büyüklükleri genellikle aynı değildir. İstenmeyen tane şekilleri görülebilir. (sütunsal taneler gibi) Tekrar kristalleşmeyi aşağıdaki olaylar takip eder: Tane büyümesi İlave şekil değişimi ve tekrar kriştalleşme Sıcaklık düşüşü sonucu, difüzyon son bulur ve tekrar kristalleşmiş yapı donar.

20 Sıcak İşleme Kalıntı ve çökeltiler yeniden yönlendirilerek, mühendislik özellikler iyileştirilebilinir. Plastik şekil değiştirme sırasında, çökeltiler metalin tabanı doğrultusunda akar Figure 15-3 Cross section of a 4-in.- diameter case copper bar polished and etched to show the as-cast grain structure. Figure 15-4 Etched surface of a sectioned crankshaft showing the grain flow pattern that gives forged parts enhanced strength, fracture resistance, and fatigue life. (Courtesy of the Forging Industry Association, Cleveland, OH)

21 Sıcak İşlemede Sıcaklık Değişimleri Sıcak şekil verme işleminin başarısı ya da başarısızlığı sıcaklığın kontrol edilebilme yeteneğine bağlıdır. İş parçasının şeklini değiştirmek için uygulanan enerjinin %90 ı ısıya dönüşür. Düzgün olmayan sıcaklık dağımı oluşabilir ve çatlamalara yol açabilir İnce kesitler kalın kesitlere göre daha hızlı soğur. Figure 15-5 Schematic comparison of the grain flow in a machined thread (a) and a rolled thread (b). The rolling operation further deforms the axial structure produced by the previous wire- or rod-forming operations, while machining simply cuts through it.

22 Soğuk İşleme Tekrar kristalleşme sıcaklığının altındaki sıcaklıkta gerçekleştirilen plastik şekil değişimi. Sıcak işleme ile karşılaştırıldığında avantajları Isıya gerek yoktur Daha iyi yüzey kalitesi Mükemmel boyutsal kontrol Daha iyi yeniden üretilebilirlik Mukavemeti, yorulmaya ve aşınmaya karşı dayanıklılık artar. Yön ile ilgili özellikler kazanılabilinir. Kirlenme en aza iner.

23 Soğuk İşlemenin Dezavantajları Şekil değişimini başlatmak ve bitirmek için daha büyük kuvvetlere ihtiyaç vardır. Daha ağır ve güçlü ekipmana ve dayanıklı takımlara ihtiyaç duyulur. Daha az süneklik Metal yüzeyler temiz olmalıdır. Süneklik kaybını telefi etmek ve bunun yanında pekleşmeyi sağlamak için ara tavlamaya gerek olabilir. Kazanılan yönlü özellikler, zararlı olabilir İstenmeyen iç gerilmeler oluşabilir.

24 Metal Özellikleri ve Soğuk İşleme Soğuk işlem uygulanacak malzeme seçerken iki özellik çok önemlidir Akma noktasındaki gerilmenin büyüklüğü Birim şekil değiştirme bölgesinin akma gerilmesinden kırılmaya kadar olan uzunluğu. Malzeme seçerken, Toparlanma( springback) göz önünde tutulmalıdır. Figure 15-6 Use of true stress-true strain diagram to assess the suitability of two metals for cold working.

25 Soğuk İşlemede Başlangıç ve Nihai Özellikler Başlangıç malzemesinin kalitesi, soğuk işleme sürecinin başarı ya da başarısız olmasını belirler. Başlangıç materyali kalıp ya da merdanelere aşınmasına neden olabilir, temiz ve oksit tabakası olmamalıdır. Figure 15-7 (Below) Stress-strain curve for a low-carbon steel showing the commonly observed yield-point runout; (Right) Luders bands or stretcher strains that form when this material is stretched to an amount less than the yield-point runout.

26 Additional Effects of Cold Working Isıl işlemler, soğuk işleme öncesinde veya soğuk işleme sırasında aralıklı olarak uygulanabilir. Isıl işlemler, fazladan soğuk işleme ve şekil değiştirmeye izin verir. Soğuk işleme, özellikleri yöne bağlı bir yapı oluşturur. Anizotropi Figure 15-8 Mechanical properties of pure copper as a function of the amount of cold work (expressed in percent).

27 Ilık Şekil Verme Şekil değişimleri, soğuk ve sıcak şekil vermenin arasındaki sıcaklıkta gerçekleşir. Avantajları Takım ve ekipman üzerindeki yükler azalır. Malzemenin sünekliği artar. Daha az sayıda tavlamı işlemi yapılır. karbonsuzlaştırma Sıcak işleme göre daha pürüzsüz yüzeyler ve dha iyi boyutal hassasiyet. Dövme ve ekstrüzyon gibi işlemlerde kullanılır.

28 Ilık Şekil Verme Figure 15-9 Increasing the temperature increases the formability of aluminum, decreasing the strength and increasing the ductility. (Adapted from data provided by Interlaken Technology Corporation, Chaska, MN)

29 İzotermal Şekil Verme Şekil değişimi sabit bir sıcaklık altında gerçekleşir. Kalıplar ve takımlar, iş parçasıyla aynı sıcaklıkta olacak şekilde ısıtılır. Düzgün olmayan yüzey sıcaklıklarında kaynaklan çatlakları ortadan kaldırır. İnert atmosfer kullanılabilir. Figure Yield strength of various materials (as indicated by pressure required to forge a standard specimen) as a function of temperature. Materials with steep curves may require isothermal forming. (From A Study of Forging Variables, ML-TDR-64-95, March 1964; courtesy of Battelle Columbus Laboratories, Columbus, OH.)