İmal Usulleri. Fatih ALİBEYOĞLU -3-

Transkript

1 Fatih ALİBEYOĞLU -3-

2 İMAL USULLERİ Giriş Üretim, doğada bulunan maddeleri istenilen özellik ve biçimdeki ürünlere dönüştürmek olarak tanımlanabilir. Üretim yöntemleri iç dönüşümler ve dış dönüşümler olmak üzere ikiye ayrılır. İç dönüşümler cevherin indirgenmesi, kimyasal arıtma, ısıl işlemler gibi kimyasal dönüşme yöntemleridir. Dış dönüşümler malzemenin istenilen biçim ve boyutlara getirilmesi anlamına gelir. Bu yöntemler imal usulleri diye adlandırılır.

3 Üretim Yöntemleri İMAL USULLERİ ne Genel Bakış İç Dönüşümler Kimyasal ve Fiziksel Dönüşümler Döküm Erimiş durumdaki akıcılıktan yararlanır. Kum Kalıba Döküm Hassas Döküm -Metal Kalıba Döküm Basınçlı Döküm Kaynak Yerel Eritme ile Birleştirme sağlanır. - Oksi Asetilen Elektrik Ark - Tozaltı -Plazma Dış Dönüşümler Biçimlendirme Plastik şekil verme Malzemenin Şekil Değiştirme kabiliyetinden yararlanılır. - Dövme Haddeleme- Ekstrüzyon -Çekme Talaş Kaldırma İstenmeyen kısımlar uzaklaştırılır. -Tornalama Frezeleme- Planlayama - Taşlama Fatih Alibeyoğlu, Kafkas Üniversitesi

4 Tanım, Tarihçe Döküm, insanlık tarihinin bilinen en eski metal şekillendirme yöntemlerinden biridir. Eriyik metalin, ısıya dayanıklı boş kalıp içerisine dökülerek katılaşması olayına döküm denir. Döküm yönteminin MÖ 3500 lü yıllarda Mezopotamya da bulunduğu tahmin edilmektedir. Dökümle üretilen bazı parçalar Motor Blokları Döküm borular Yangın Vanaları Mücevher

5 Döküm Yöntemleri Bozulabilir kalıba döküm: Döküm yapıldıktan sonra kalıp bozulur. Daha kompleks parçalar mümkünken kalıp yapımı yavaş olduğu için üretim hızı düşüktür. Örneğin kum kalıba döküm, köpük kalıba döküm Kalıcı kalıba döküm: Kalıp metalden yapılır. Seri üretim için sıklıkla kullanılır. Üretim hızı yüksek olmasına karşın karmaşık geometrilerde çok avantajlı bir yöntem değildir. Örneğin kokil döküm vs.

6 Dökümün Üstünlükleri Son ürüne yakın şekil elde edilir. Diğer üretim yöntemlerine nispeten daha hızlı proses Düşük hurda miktarı Karmaşık şekil elde edilebilir. İçi boş şekiller Boyut sınırı yok Makul derecede yüzey kalitesi

7 Dökümün Zayıflıkları Çok ince kesitlerin elde edilmesi güçtür. Az sayıda parça için genellikle ekonomik değildir. Aynı malzemelerin plastik şekil verme yöntemiyle elde edilmiş olanı daha dayanıklıdır. Genellikle hassas boyut toleranslarının ve iyi yüzey kalitelerinin sağlanması güçtür. Çevre dostu imalat yöntemi değildir.

8 Döküm aşamaları Metalin eritilmesi Eriyiğin kalıba dökülmesi Katılaşma süreci Kalıbın sökülmesi Ürün

9 Metalin Eritilmesi Metali eritmek için eritme ocaklarından yararlanılır. Eritmeden önce alaşımın ayarlanması, bileşimin ayarlanması, katışıkların giderilmesi, gaz giderme ve aşılama gibi işlemler yapılabilir. Saf metali döküm sıcaklığına ulaştırmak için harcanan enerji; Metalin başlangıç sıcaklığından erime sıcaklığına çıkarılması Metalin sabit sıcaklıkta eritilmesi Erimiş metalin döküm sıcaklığına çıkarılması İçin harcanır ve birim ağırlık başına düşen toplam ısı Q= Toplam Isı ρ= yoğunluk c k = katı durumdaki özgül ısı T e =Erime Sıcaklığı T 0 =başlangıç sıcaklığı r=erime ısısı c S = sıvı durumdaki özgül ısı T d =Döküm Sıcaklığı

10 Metalin Eritilmesi Ham metal : Atık metal, alaşım malzemeleri Atmosfer: Hava(Oksijen), vakum, inert gaz(argon) Isıtma Dış kaynaklı ısıtma: elektrik, gaz, sıvı yakıt İç kaynaklı ısıtma: indüksiyon fırınları, yakıtın metalle karıştırılarak yakılması Fırın malzemesi Isıya dayanıklı seramikler FIRIN ISI Eriyik metal Atık metal

11 Eriyiğin Kalıba Dökülmesi ve Yolluk Sistemleri Sıvı metalin kalıp boşluğunu doldurulmasında yolluk sistemlerinden yararlanılır. Bir yolluk sisteminin başlıca bölümleri döküm ağzı, düşey yolluk, yatay yolluk ve ara yolluklardır.

12 İdeal Yolluk İdeal yolluk sisteminin işlevleri şu şekilde sıralanabilir; Kalıbın sıvı metal ile dolmasını sağlar Kalıba dolan metalde türbülans oluşmasını önleyerek, metalin oksitlenmesine, gaz almasına, cürufun ve erozyonla kopan kalıp parçalarının sıvı metale karışmasını engeller. Sıvı metal içerisindeki cüruf, köpük, oksit gibi istenmeyen parçaların kalıp boşluğuna gitmesini engeller. Metalin kalına doluşunu düzenleyerek, yönlenmiş katılaşmayı kolaylaştıran, çarpılmaya neden olmayan bir sıcaklık gradyeni oluşturur. Kalıp boşluğuna gereken hızda dolmaya yetecek kadar büyük, malzeme kaybına neden olmayacak kadar küçük boyutlardadır.

13 Yolluk Sistemleri Kalıp boşluğunu dolduracak sıvı metal, düşey yolluğun üzerinde bulunan döküm ağzının içine dökülür. Döküm ağzı huni görevi görür. Düşey yolluk aşağıya doğru daralır ve metali yatay yolluğa iletir. Düşey yolluk kesiti aşağıya doğru daraltarak metalin serbest akmasına, hızının giderek artması amaçlanarak şekillendirilir. Bu şekilde düşey yolluğa hava kaçması önlenir. Topuk boyutları ve biçimi, yön değiştirerek yatay yolluğa geçen metalin erezyonla kalıbı bozmasına ve türbülansla gaz almasına engel olacak şekilde düzenlemelidir. Yatay yolluk ara yolluklarla kalıp boşluğuna bağlanır. Yatay yolluğun ucunda pislik tutucu bulunur.

14 Kum Döküm Kalıbı

15 Kum Döküm Kalıp Terimleri Kalıp iki yarıdan oluşur: Üst derece, Alt derece Kalıp yarıları, derece denen bir kutunun içindedir İki yarı, ayırma yüzeyinde birbirinden ayrılır Model, serbest, levhalı, şablon, Yolluk sistemi, Besleyici, iç soğutucu Maça, kalem maça, Döküm boşluğu

16 Kalıp Boşluğunun Oluşturulması Kalıp boşluğu, parçanın şekline sahip olan bir model çevresinde kumun sıkıştırılmasıyla oluşturulur, (elle yada makinalarla) Model çıkarıldığında, sıkıştırılmış kumda kalan boşluk, dökme parçanın istenen şekline sahiptir Model, katılaşma ve soğuma sırasında metalin büzülmesi ve ilave işleme payları kadar genellikle daha büyük yapılır Kalıp kumu nemlidir ve şeklini koruması için bir bağlayıcı içerir(kil)

17 Maça Kullanımı Kalıp boşluğu, dökülecek parçanın dış yüzeyini oluşturur Ek olarak parçanın iç geometrisini belirleyecek şekilde, kalıp boşluğunun içine yerleştirilen bir maça tarafından belirlenen iç yüzeylere de sahip olabilir, İç maçalar dışında kalıbın zayıf bölgeleri ile kalıplama zorluğu olan çıkıntı ve girintili kısımlarda da maça kullanılır Kum dökümde maçalar genellikle kumdan yapılır ancak bileşimleri ve üretim tekniklerindeki farklılıktan dolayı daha dayanıklıdırlar. Maçalar kalıp içinde maça başı denen özel boşluklara yerleştirilirler, gerektiğinde maça desteklerinden yararlanılarak yerlerinden oynamamaları sağlanır.

18 Yolluk Erimiş metalin kalıp dışından kalıp boşluğuna doğru aktığı kanal Düşey yolluğun üstünde, genellikle sıçramayı en aza indirecek ve metalin düşey yolluğa türbülanssız girmesini sağlayacak bir döküm ağzı bulunur Metalin içinde akarak yatay yolluğa ulaştığı bir düşey yolluk içerir (huni), ucunda topuk bulunur ve bununla sıvı metalin hızı azaltılarak yatay yolluğa geçişi sağlanır yatay yolluk yada ara yolluklarla döküm boşluğuna bağlantı yapılır

19 Besleyici ve Çıkıcılar Katılaşma sırasında parçanın büzülmesi sonucu oluşan hacim azalmasını karşılamak üzere bir sıvı metal kaynağı olan, kalıp içindeki depo Atmosfere kapalı olanları besleyici açık olanlarına çıkıcı denir Besleyicinin fonksiyonunu yerine getirebilmesi için, esas parçadan sonra katılaşacak, şekilde tasarlanmalıdır

20 Akıcılık Metal ve alaşımlarının yolluk sisteminden akarak, kalıbı kusursuz olarak doldurma özelliği akıcılık olarak adlandırılır. Malzemenin akıcılık özelliğinin saptanması için kullanılan en yaygın pratik deney döküm spiralidir. Döküm spiraline belirli koşullar altında dökülen sıvı metalin spiral içinde ilerlediği uzunluk, eriyiğin döküm kabiliyetinin bir ölçüsü olarak kullanılır. Döküm ağzı Düşey yolluk Spiral kalıp Katılaşmadan önceki akış sınırı Fatih Alibeyoğlu, Kafkas Üniversitesi

21 Katılaşma Yöntemleri Başlangıç malzemesi, ya bir sıvıdır ya da yüksek derecede plastikleştirilmiştir ve malzemenin daha önceden hazırlanmış kalıp denen bir boşluğa doldurularak katılaştırılması sayesinde bir parça oluşturulur. Katılaştırma yöntemleri, işlenen mühendislik malzemesine göre sınıflandırılabilir: Metaller Seramikler, özel camlar Polimerler ve polimer matrisli karma malzemeler (PMC ler)

22 Katılaşma Yöntemlerinin Sınıflandırılması Bozulabilir kalıba döküm Kum döküm Metallerin dökümü Diğer döküm yöntemleri Kalıcı kalıba döküm Katılaştırma yöntemleri Cam işleme Ekstrüzyon ve ilgili yöntemler Enjeksiyonla kalıplama Polimer ve PMC lerin imalatı Diğer kalıplama yöntemleri PMC ler için özel yöntemler Kaynak : Turgut Gülmez

23 Metalin Katılaşması Kalıp boşluğunu dolduran sıvı metalin soğuyarak tekrar katı hale dönüşümü Katılaşma, metalin durumuna bağlı olarak değişiklik gösterir. Saf bir element, veya Bir alaşım Katılaşma olayı çekirdeklenme ile başlar ve oluşan çekirdeklere sıvıdan atomların eklenmesiyle tane büyümesiyle devam eder. (soğuma hızı) Döküm yapısı-birincil katılaşma Homojen ve heterojen katılaşma Aşılama

24 Katılaşma Saf bir metal katılaşma/erime sıcaklığına eşit sabit bir sıcaklıkta katılaşır

25 Saf Metallerin Katılaşması Kalıp cidarının aşırı soğutma etkisi (chilling) nedeniyle, dökümden hemen sonra ara yüzeyde ince taneli bir katı metal filmi oluşur Katılaşma sürerken film kalınlığı, erimiş metalin çevresinde bir Kabuk oluşturacak şekilde artar Katılaşma hızı, kalıba olan ısı transferine ve ayrıca metalin ısıl özelliklerine bağlıdır Kalıp cidarı yakınında eş eksenli ince taneleri ve dökümün merkezine doğru yönlenmiş büyük kolonsal taneleri gösteren,saf bir metalin dökümündeki karakteristik tane yapısı Fatih Alibeyoğlu, Kafkas Üniversitesi

26 Alaşımların Katılması Çoğu alaşım, sabit bir sıcaklık yerine bir sıcaklık aralığında katılaşır-likidus ve solidus sıcaklıkları Bir bakır-nikel alaşım sisteminin faz diyagramı; ve (b) döküm sırasında % 50 Ni - % 50 Cu bileşimindeki bir alaşımın soğuma eğrisi

27 Alaşımların Katılaşması Alaşımlarda çoğunda katılaşmanın bir sıcaklık aralığında oluşması sonucu, dendritik tane yapısı, mikro ve makro segregasyon oluşumu, mikrogözeneklilik ve belirgin çekme boşluğu oluşumu gerçekleşir Bu olumsuz özellikler erime sıcaklıkları birbirinden farklı katılaşma aralığı büyük ve hızlı soğuyan alaşımlarda daha bariz olarak ortaya çıkar. Ötektik bileşimli alaşımlar ise tek bir sıcaklıkta katılaştıklarından bu sorunlar yaşanmaz ve bu yüzden dökümcülükte tercih edilirler. Döküm merkezinde alaşım elemanlarının segregasyonunu gösteren, bir alaşım dökümündeki karakteristik tane yapısı.

28 Katılaşma Süresi Kalıbın sıvı metalle dolmasından sonra gerçekleşen Katılaşma belirli bir süre alır Toplam katılaşma süresi T TS = dökümden sonra katılaşma için gerekli süredir T TS aralarındaki ilişki Chvorinov Kuralı olarak bilinen, dökümün boyut ve şekline bağlıdır T TS C m V A n burada T TS = toplam katılaşma süresi; V = dökümün hacmi; A = dökümün yüzey alanı; n = üstel sayı (tipik değeri = 2); ve C m kalıp sabiti.

29 Chvorinov Kuralı C m kalıp sabiti aşağıdakilere bağlıdır: Kalıp malzemesi Döküm metalinin ısıl özellikleri Erime sıcaklığına oranla döküm sıcaklığı Belirli bir döküm işlemi için C m değeri, parça şekli çok farklı olsa bile, aynı kalıp malzemesi, metal ve döküm sıcaklığı kullanılan önceki deneysel verilere dayanabilir. Daha yüksek bir hacim/yüzey oranına sahip bir döküm, düşük oranlı olana göre daha yavaş soğur Erimiş metali kalıp boşluğuna beslemek için, besleyicinin T TS değerinin ana dökümün T TS değerinden daha büyük olması gerekir Besleyici ve dökümün kalıp sabitleri birbirine eşit olacağından, ana dökümün önce katılaşması için, besleyicinin daha büyük hacim/yüzey oranına sahip olacak şekilde tasarlanması gerekir Bu tasarım, büzülmenin etkilerini en aza indirir T TS C m V A n

30 Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme Silindirik bir dökümün katılaşma ve soğuma sırasındaki büzülmesi: (0) erimiş metalin dökümden hemen sonraki seviyesi; (1) soğuma sırasında sıvının kendini çekmesinin neden olduğu küçülme (boyutsal küçülmeler, anlaşılabilirliği arttırmak için abartılmıştır).

31 Katılaşma ve Soğumadaki Büzülme (2) Katılaşma büzülmesinin neden olduğu çekme boşluğunun oluşumu ve yükseklikteki azalma; (3) katı metalin soğuması sırasında ısıl kendini çekme (büzülme) nedeniyle yükseklik ve çaptaki ek küçülme (boyutsal küçülmeler, anlaşılabilirliği arttırmak için abartılmıştır).

32 Katılaşma Büzülmesi Katı faz sıvı fazdan daha yüksek yoğunluğa sahip olduğundan, hemen tüm metallerde meydana gelir Böylece, katılaşma, birim metal ağırlığı başına hacimde bir küçülmeye neden olur İstisna: Yüksek C içerikli dökme demir Katılaşmanın son aşamasındaki grafitleşme, faz dönüşümüyle ilgili hacimsel azalmanın aksine, genleşmeye neden olur Katılaşma büzülmesi sonunda; 1. Sıvı metal seviyesinde bir azalma meydana gelir, 2. Katılaşmanın ilerlemesi ile kalın kesitlerin ortasında yeterli sıvı kalmayacağından boşluk meydana gelir(çekme boşluğu)

33 Çekme Payı Model yapımcıları, kalıp boşluğunun ölçüsünü büyük yaparak katılaşma büzülmesi ve erime sıcaklığından oda sıcaklığına soğuma esnasında oluşan ısıl küçülmeyi hesaba katarlar Kalıbın son döküm boyutuna göre daha büyük yapılma miktarı, model çekme payı olarak adlandırılır Döküm boyutları, lineer olarak belirtilir; böylece toleranslar buna göre belirlenir, Sadece çekme payı değil buna ilaveten işleme payı, modelin kolay sıyrılması için ayırma yüzeyine dik düzlemlere eğim ve maça başı çıkıntıları ilave edilir

34 Yönlendirilmiş Katılaşma Büzülmenin zararlı etkilerini en aza indirmek için, sıvı metalden en uzak döküm bölgelerinin ilk önce katılaşması ve katılaşmanın bu bölgelerden yolluğa/besleyici(ler)e doğru ilerlemesi istenir Böylece, çekme boşluklarının önlenmesi için erimiş metal sürekli olarak, en son katılaşacak olan besleyiciden çekilebilir ve çekme boşluğu esas döküm parça yerine besleyicide (yada çıkıcı) meydana gelir, Yönlenmiş katılaşma terimi, katılaşma kavramını ve bunu kontrol edildiği yöntemleri kapsar, Bunun için öncelikle uygun kalıp dizaynı ile yapılmaya çalışılmalı Bu yolla gerçekleşmiyor ise uygun yerlerde besleyici yada/yerine çıkıcı, iç ve dış soğutucular, yalıtım levhaları kullanılabilir.

35 Yönlendirilmiş Katılaşmanın Eldesi İstenen yönlenmiş katılaşma, dökümün kendisini, kalıbı yönlenmesini ve bunu besleyen besleyici sistemini tasarlamak için Chvorinov kuralını kullanarak başarılır. Dökümün küçük V/A oranına sahip kesitlerinin besleyiciden uzağa yerleştirilmesiyle, katılaşma ilk olarak bu bölgelerde başlar ve dökümün diğer bölgeleri için sıvı metalin önü açık kalır. Soğutucular - dökümün belirli bölgelerinde hızlı katılaşmayı sağlayan iç ve dış ısı emiciler Çıkıcı: Atmosfere açık besleyicilere çıkıcı denir.

36 Dış Soğutucular (a) Dökümün kalın kesitlerindeki erimiş metalin hızlı katılaşmasını desteklemek için dış soğutucu; ve (b) dış soğutucunun kullanılmaması durumundaki muhtemel sonuç.

37 Besleyici Tasarımı Besleyici, dökümden ayrılan ve sonraki dökümleri yapmak için yeniden eritilen bir atık metaldir Bir işlemde atık miktarını en aza indirmek için, besleyicideki metal hacminin en düşük değerde olması istenir Besleyici geometrisi genelde, V/A oranını en büyük yapacak şekilde seçildiğinden, bu durum besleyici hacminin mümkün olan en düşük değere indirilmesini sağlar.

38 Kaynaklar Mikell Grover- Modern İmalatın Prensipleri Turgut Gülmez- İTÜ Özgü Bayrak- Erzincan Üniversitesi J. Colton- Georgia Institute of Technology