TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2008 (1) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Mehmet ŞENEL, Feridun KARAKOÇ Dumlupınar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 43100, Kütahya, Türkiye Özet Mühendislik uygulamalarında özellikle imalat, montaj ve kullanım aşamasında dışarıdan gelebilecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçlar ortaya çıkabilir. Bunu engellemek için malzemenin bu tip etkiler karşısında davranışının nasıl olacağının bilinmesi istenir. Bu sebeple darbe testleri, malzemelerin hasar modlarının ve dinamik deformasyonlarının ölçülmesinde kullanılmaktadır. Darbe testleri genellikle günlük yaşamda karşılaştığımız çivi çakmak, çekiçle dövmek, otomobil çarpışmaları, araçların küçük tampon darbeleri, hareket halinde araca sıçrayan taş, yoldaki çukura hızla ve aniden düşen bir araba tekerleği ve kompozit bir kanat yapı üzerine bakım esnasında düşürülen bir aletin darbe etkileri gibi gerçek olaylarla bir benzeşim yapılarak oluşturulmaktadır. Tübitak-kariyer projesi (105M195) olarak desteklenen çalışmada deney düzeneği tasarımı CATIA V5 programı ile, Part Design, Assembly Design ve Drafting modülleri kullanılarak gerçekleştirilmiş ve imalatı yapılmıştır. Bu çalışmada yeni tasarlanıp imal edilen düşük hızlı darbe test düzeneğinin çalışma prensi tanıtılmıştır. Anahtar Kelimeler: Düşük Hızlı Darbe, Tasarım ve Đmalat. 1. Giriş Genel olarak, darbeler düşük hızlı veya yüksek hızlı olarak sınıflandırılırlar. Fakat bu katagoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Yapılan araştırmalar bu geçişin belirlenmesinde henüz net bir sonucun elde edilmediğini göstermektedir. Bu konuda yapılmış çalışmalardan bir kısmı düşük hızlı darbeyi, hedefin rijitliğine, malzeme özelliklerine ve çarpan cismin kütle ve rijitliğine bağlı olarak 1 ila 10 m/s arasında değişen hızlar olarak tanımlamışlardır [1]. Düşük hızlı darbeye en basit örnek olarak kompozit malzeme üzerine (uçak kanadı gibi) imalat veya bakım esnasında kaza sonucu bir parçanın (takım aleti) düşmesi verilebilir. Düşük hızlı darbeler normal olarak çarpışma temas anında malzeme içyapısında deformasyon oluşturan darbelerdir. Bazen düşük hızlı darbe düşük enerjili darbe olarak ta tanımlanır. Düşük hızlı darbede malzemenin içyapısında darbeye karşı cevap verebilmek için gerekli olan temas süresi yeterlidir ve sonuç olarak daha fazla enerji elastik olarak absorbe edilir. Bu nedenle hedefin dinamik yapısal cevabı çok büyük bir öneme sahiptir. Yüksek hızlı darbe tepkisi malzeme boyunca yayılan gerilme dalgası tarafından hakim olunur ki bu durumda malzeme darbeye karşı cevap verebilme zamanına sahip olamaz ve çok küçük bir bölgede hasar oluşur. Hasarları oluşturan darbe testleri genel olarak üç kategoride toplanmaktadır, bunlar; ağırlık düşürme testleri, sarkaç testleri (izod ve charpy) ve hava veya gaz silah (düşük hız veya balistik testler) testlerdir. Düşük hızlı darbe testleri için şu anda piyasada ve bazı üniversitelerde Instron, Dynatup darbe test makineleri kullanılmaktadır. Bu makinelerde sabit ağırlıkta, farklı hızlarda darbe testleri değişik sıcaklık ortamlarında uygulanmaktadır (Şekil-1). Tasarımını ve imalatını gerçekleştirdiğimiz darbe test cihazı ise maksimum 10m/s hız kriteri göz önüne alınarak numune üzerine farklı kuvvetler etkisi (çeki-çeki, bası-bası ve çeki-bası (kayma)) uygulama imkânı vermektedir. Ayrıca düşen ağırlık kütle değeri de değiştirilebilmektedir. Bunun yanında ileride yapılabilecek bir çalışma olarak malzeme sıcaklık şartını değiştirebilecek ek düzeneğinde montajına imkân sunmaktadır.

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 1. Đnstron marka darbe test cihazı 2. Tasarım ve Đmalat Darbe Test Düzeneği Tasarımı Düşük hızlı darbe testleri maksimum 10m/s hızında ve istenilen değişik ağırlık yüklerinde uygulanacak şekilde tasarlanmıştır. 10m/sn lik hız sınırı düşük hızlı darbeler için öngörülen hız olduğundan 5m lik bir düşme yüksekliğine karşılık gelmektedir [3]. Bu hızın üzerindeki darbeler, yüksek hızlı darbe olarak literatürde geçmektedir [4]. Darbe kütleleri değişken olup portatif olarak değiştirilebilecektir. Tasarlanmış olan test cihazının cad modeli şekil 2 de verilmiştir. Ağırlık düşürme cihazının yarı küresel uçlu kafa kısmına yerleştirilmiş bir piezoelektrik kuvvetölçer darbe esnasındaki kuvvet-zaman diyagramını verir. Veriler sensörlerden bilgisayar ortamına aktarılarak grafiksel sonuçlar oluşturulur. Deney düzeneğinin taşınabilir olabilmesi ve montaj kolaylığı açısından tüm bağlantılar cıvata bağlantılı olarak tasarlanmıştır. Tasarımı gerçekleştirilen parçalar ile standart parçalar hakkında gerekli bilgiler ile teknik özellikleri aşağıda açıklanmıştır. Deney düzeneğini oluşturan elamanlar: 1. Alt Tabla: Tüm sistemin üzerine bağlandığı L şeklindeki tabladır. Deney düzeneğinin boyunun yüksek olmasından dolayı dengeyi sağlamak için zemine bağlanacaktır, bu tabla aynı zamanda çarpma esnasında oluşacak titreşimi zemine iletecektir. Malzeme olarak St-37 seçilmiştir. 2. Piston Tutucu: Pistonları tablaya bağlayan ve pistonun ileri geri kaymasını önleyen parçadır. 3. Plastik Tampon: Vurucu ucun parçayı delip geçmesi durumunda, düşen ağırlığı frenleyen silindirik kolona bağlı plastik parçadır. 4. Kare Profil: Üç adettir. Rijitliği sağlamak ve silindirik sütunlar ile üst tablayı dolayısıyla DC motoru taşımak için düşünülmüştür. Boylarının çok uzun olmasından ve hareketli parçayı taşımasından dolayı üç profil birbiri ile ara bağlantılarla bağlanmıştır. Ayrıca arka uçtaki profil dengeyi korumak için bir destek parçası ile duvara monte edilecektir. 5. Vurucu Uç (Impactor) : Tasarımın en önemli parçalarından birisidir. Numune üzerinde hasar oluşturmak için kullanılacaktır. Numunelerin hem metalik mühendislik malzemelerinden hem de plastik özellikli 42

3 Şenel, M., Karakoç, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) malzemelerden oluşacağından dayanıklı olması gerekmektedir. Uç kısmı yarı küresel olan bu parça AISI 4340 çeliğinden imal edilecektir. Vurucu ucun arka kısmına kuvvet sensörü yerleştirilecektir. 6. Vurucu Uç Ağırlığı: Bu ağırlık numune üzerinde değişik yüksekliklerden bırakılarak numune üzerinde enerji ve hasar oluşumunu sağlayacaktır. Değiştirilebilir olarak tasarlanmıştır. Lineer rulmanlarla silindirik kolona bağlanacaktır. 7. DC Motor: Standart olarak dışarıdan alınacaktır. Elektro mıknatıs ile düşen ağırlığı taşıyacaktır. Redüktörlü olup hem mıknatısı hem de düşen ağırlığı istenilen yüksekliklere inip çıkartacaktır. 8. Tel Halat: DC motor ile elektro mıknatısı birbirine bağlayan halattır. 9. Tel Halat Bağlantı Parçası: Tel halat ile elektro-mıknatıs ve DC motor arasındaki bağlantıyı sağlamaktadır. Elektro mıknatısı tutan parça üzerine monte edilecektir. 10. Elekro-mıknatıs: Düşen ağırlığı dolayısı ile vurucu ucu istenilen yükseklik seviyelerinde tutacaktır. Tel halat yardımı ile aşağı ve yukarı hareket ederek değişik seviyelerden ağırlık düşümünü sağlayacaktır. 11. Lineer Rulman: Dört adettir. Đkisi ağırlığı, diğer ikiside elektro mıknatısı silindirik kolonlara yataklamak için kullanılacaktır. Lineer rulman seçiminde sürtünmesi en az olan rulman özelliği taşımasından dolayı seçilmiştir. Böylelikle ağırlığın düşmesi esnasında oluşacak sürtünme kayıpları azaltılmıştır. Lineer rulmanlar düşük sürtünme, yüksek rijitlik, yüksek kararlılık ve düzgün çalışma özelliklerine sahiptir. Şekil 3. Lineer Rulman 43

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 2. Darbe Test Düzeneği Cad Modeli 1. Alt tabla 2. Piston tutucu 3. Plastik tampon (2 adet) 4. Kare profil (3 adet) 5. Vurucu uç 6. Vurucu uç ağırlığı 7. DC motor 8. Tel halat 9. Tel halat bağlantı parçası 10. Elektro mıknatıs 11. Lineer rulman (4 adet) 12. Piezoelektrik kuvvet sensörü 13. Ara destek 14. Silindirik kolon (2 adet) 15. Mil Tutucu 16. Çene (4 adet) 17. Hidrolik piston (2 adet) 18. Kırlangıç kızak (4 adet) 19. Numune 12. Piezoelektrik Kuvvet Sensörü: Ağırlık düşürme testinde temas kuvvetini ölçmeye yarayan kuvvet sensörüdür. Analizi yapabilmek için elektronik veriler bilgisayara aktarılarak okunur. Kit halinde standart olarak satılmaktadır. Model olarak PCB Quartz ICP Force Sensor (Model 201B04) seçilmiştir. 44

5 Şenel, M., Karakoç, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 4. Kuvvet Sensörü 13. Ara Destek: Profilden yapılmış olup profil kolonların yüksek olmasından dolayı rijitliği sağlamak amaçlı düşünülmüştür. Ayrıca arka kolon duvara bir profil yardımıyla tutturulacaktır. 14. Silindirik Sütun: Đki adettir. Elektromıknatıs ve vurucu uç bu sütunlara lineer rulmanlarla yataklanacaktır. Bu sütunlar numune boyutlarını engellememesi açısından alt ve üst mil tutucular arasına monte edilecektir. Silindirik sütunlar minimum sürtünme kuvveti için yüzeyi düzgün işlenmiş St 52 malzemeden yapılmış transmisyon millerinden yapılmıştır. 15. Silindirik Sütun Tutucu: Đki adet olup, silindirik sütunların üst ve alt kısımlarına yerleştirilecektir. Özellikle alttaki tutucu numune boyutlarında kısıtlamaları engellemek için tasarlanmıştır. Sütunlar bu tutucuların üzerine yerleştirilmiş ve numune boyutları değişkenliği arttırılmıştır. 16. Çene: Dört adet olarak düşünülmüştür. Đkisi pistonlara bağlı olarak hareket edebilirken diğer ikisi de ayarlanabilecektir, fakat sabit olarak monte edilecektir. Çeneler kırlangıç tip kızaklar üzerinde kaymaktadırlar. Sabitleme işi arka kısımlarındaki cıvatalar yardımı ile yapılacaktır. 17. Hidrolik Piston: Đki adettir. Bu pistonlar numune üzerinde ön gerilme oluşturmak için yerleştirileceklerdir. Alt tablaya ve iki hareketli çeneye bağlanacaktır. 18. Kırlangıç Tip Kızak: Dört adet olup ikisi hareketli ikisi sabit çeneleri tutacaktır. Alt tablaya monte edilecektir. 19. Numune: Projede, numuneler kompozit plaklar olarak düşünülmüştür. Fakat bunun yanında metalik malzemeler ve seramik malzemelerinde darbe testleri yapılabilecektir. Yani numuneler kompozit, metalik ve seramik olarak seçilebilir. Ayrıca özellikle plastik numunelerin çenelere bağlantılarında numune ezilmesini ve kaymasını önlemek için çene bağlantı kısımlarında alüminyum plakalar kullanılacaktır. Çenelerin hareketli olması numunelerde farklı boyutta kullanıma izin verecektir. 45

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 5. Catia V5 ile test düzeneği tasarımı Vurucu Uç (Impactor) Tasarımı: Genel olarak vurucu uçlar yarı küresel bir geometriye sahiptir. Şekil 6. Şekil 6. Piyasada Kullanılan Vurucu Uç Geometrisi Bu çalışma kapsamında vurucu uç geometrisinde farklı geometriler kullanılarak bu farklılığın ortaya çıkaracağı sonuçlar incelenecektir. Şekil 7. Vurucu Uç Ana Gövdesi 46

7 Şenel, M., Karakoç, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 8. Değiştirilebilir Vurucu Uç Ön Kısmı, a) Düz silindirik uç, b) Yarı küresel uç, c) Uç kısmı dairesel konik uç, d) Uç kısmı sivri konik uç. Test Düzeneği Đmalatı Test düzeneği tasarımı yapıldıktan sonra imalat aşamasına geçilmiş olup, düzenek Ankara Ostim Alkan Makine tarafından imal edilmiştir. Aşağıda test düzeneğinin bitmiş halde resimleri görülmektedir. Test düzeneği genel olarak 5 bölümden oluşmaktadır: Birinci bölüm-alt tabla: Bu bölümde alt tabla üzerinde hidrolik sıkıştırıcılar, numune tutucu çeneler ve kule ayakları bulunmaktadır şekil 9. Şekil 9. Alt tablanın önden ve üstten görünümü Đkinci bölüm-kule: Bu bölümde kuleyi oluşturan üç ayak profil, ağırlığın serbest ve düzgün düşmesini sağlayan iki mil, elektro mıknatıs ve ağırlık ile kuvvet sensöründen oluşmaktadır. 47

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Elektro mıknatıs Kuvvet Sensörü Profil ayaklar Ağırlık Şekil 10. Ağırlık, profil ayaklar, elektro mıknatıs ve kuvvet sensörü Üçüncü bölüm-makara: Bu bölüm üç profil ayak üzerine oturtulmuş tabla üzerinde bulunan motor ve makara kısmından oluşmaktadır. Şekil 11. Kule üst kısmı Dördüncü bölüm-kumanda ünitesi: Bu bölümde sisteme ait elektro mıknatıs ve hidrolik pistonlar kumanda edilmektedir. Şekil 12. Kumanda ünitesi 48

9 Şenel, M., Karakoç, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Beşinci bölüm-bilgisayar ünitesi: Bu bölümde kuvvet sensöründen alınan verileri işlemek üzere bilgisayar kısmından oluşmaktadır. Bilgisayara sensörden gelen verileri iletmek üzere bir kart takılmış ve veriler Lab Wiev programı kullanılarak düzenlenmiştir. Şekil 13. Veri toplama ünitesi Düşük hızlı darbe test düzeneğinin genel görünüşü Şekil-14 de verilmiştir. 3. Değerlendirme Şekil 14. Düşük Hızlı Darbe Test Düzeneği Tasarımda kullanılan kriterler ve özgünlük açısından bakıldığında, aşağıda sıralanmış bulunan kriterler göz önüne alınarak tasarım gerçekleştirilmiştir; 1. Farklı boyutlarda numunelerin bağlanabilirliliği, 2. Numunelere dört farklı şartın verilebilmesi, a) iki uçtan destekli öngerilmesiz, b) iki uçtan destekli öngerilmeli (çeki veya bası), c) dört uçtan destekli öngerilmesiz, d) dört uçtan destekli öngerilmeli (çeki-çeki, bası-bası, çeki,bası) 49

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2008 (1) Şekil 15. Ön gerilme durumunun şematik gösterilimi. 3. Vurucu uç geometrisinin değiştirilebilirliliği, 4. Đleride sıcaklık şartlarını değiştirebilme imkânının sağlanması. Kaynaklar 1. Shivakumar, K.N., Elber, W. And Illg,W. Prediction of low-velocityimpact demage in thin circular Laminates, AIAA J. 23(3), Aslan, Z., Karakuzu, R., ve Okutan, B The Response of Laminated Composite Plates Under Low-Velocity Impact Loading, Composite Structures, Vol: Luo RK, Gren ER, Morrison CJ Impact Damage Analysis of Composite Plates. Int. J. Impact Eng. Vol 22(5), p: