DETERMINATION OF PRODUCTION DEFECTS VIA SHEET METAL FORMING SIMULATIONS

Transkript

1 SAÇ METAL ŞEKİLLENDİRME SİMÜLASYONLARI İLE ÜRETİM HATALARININ TESPİTİ Osman Koray DEMİR (1) 1FİGES A.Ş, Makina Mühendisi ÖZET Bir üretim hatasının sonlu elemanlar yötemi kullanılarak simülasyonunun yapılması, sorunun simülasyon yardımı ile çözülmesi yolunda önemli bir başlangıç noktasıdır. Bu çalışmada, eksplisit çözüm yönteminin saç metal şekillendirme işlemlerinde meydana gelen üretim kusurlarının belirlenmesi konusundaki başarısı sınanmıştır. Çalışmada eksplisit çözücü olarak LS-DYNA, önişlemci ve sonişlemci olarak da DYNAFORM kullanılmıştır. Bu yazılımlar kullanılarak birinde saçta yırtılma, diğerinde de saçta yapraklanma ve katlanma sorunları görülen şekillendirme işleminin simülasyonu yapılmış ve sonuçlar gerçek hayatla karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucu, eksplisit çözüm yönteminin saç metal şekillendirme işlemlerinde meydana gelen hataları yakalama konusunda başarılı olduğu sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Şekillendirilebilirlik Şeması, yapraklanma, yırtılma, saç metal şekillendirme, eksplisit sonu elemanlar yöntemi DETERMINATION OF PRODUCTION DEFECTS VIA SHEET METAL FORMING SIMULATIONS ABSTRACT Simulating a production defect using finite element method is an important starting point in order to solve the problem by the help of simulations. In this study, the success of explicit finite element method in determining production defects occurring in sheet metal forming processes is tested. In the study, as the explicit solver, LS-DYNA, and as the pre and postprocessor DYNAFORM is used. Using those softwares, simulations of two forming processes, in which cracking, wrinkling and folding defects are observed are simulated, and the results are compared with the real life. As a result of the comparisons, it was concluded that the explicit solution method is successful in capturing defects occurring in sheet metal forming processes. Keywords: Forming Limit Diagram, wrinkling, cracking, sheet metal forming, explicit finite element method 1. Giriş Saç metal şekillendirme alanında eksplisit sonlu elemanlar metodu, yeni kalıp tasarımları yapmak ve eldeki kalıpları geliştirmek amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Eldeki kalıpları geliştirmenin amacı, daha mukavim ürünü daha hızlı elde etmek olabileceği gibi, son ürünü üretim sırasında meydana gelen kusurlardan arındırmak da olabilir. Hatalı üretime neden olan bir kalıp üzerindeki değişiklikleri ve deneme yanılmayı bilgisayar simülasyonu kullanarak yapabilmek için, öncelikle hatalı kalıbın yaptığı üretimin, yani hatanın simülasyonunu yapmak gerekir. Aşağıda, eksplisit sonlu elemanlar yöntemi ile yapılmış hata simülasyonlarına iki örnek verilmiştir. İlk örnekte yırtılan, ikinci örnekte ise yapraklanan bölgeler, simülasyonlar tarafından başarıyla tespit edilmiştir. 1 FİGES A.Ş. ODTÜ Teknokent Gümüş Bloklar / Ankara-Türkiye

2 2. Yırtılma Problemi Yırtılma probleminin meydana geldiği şekillendirme işlemi, iki erkek kalıp, bir dişi kalıp, bir tutucu kalıp ve iki de çıkarıcı kalıp ile gerçekleştirilmektedir. Sözü geçen kalıplar Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1: Kalıpların ve iş parçasının iki ayrı görünümü Şekil 1 de görülen dişi kalıp sabit, erkek kalıplar ise hareketlidir. Tutucu parça sacı kendisi ile dişi kalıp arasında, çıkarıcı kalıplar ise sacı kendileri ile erkek kalıplar arasında sıkıştırmaktadır. Tutucu 2 ton, çıkarıcı kalıplar ise toplam 14 ton kuvvet uygulamaktadır. İşlemin modellenmesi için DYNAFORM önişlemci programı kullanılmıştır. Kalıpların ve şekillendirilmemiş sacın CAD resimleri arayüze ithal edilerek Sonlu Elemanlar ağı ile örülmüştür. İş parçası üzerinde bir kenarı 2.6 mm olan 9053 adet eleman kullanılmıştır. Elemanlar, 4 veya 3 kenarlı, 4 düğüm noktalı, yüzeyde tek, kalınlık boyunca 5 integrasyon noktasına sahip olan kabuk elemanlardır. Şekil 2 de elemanlarıyla birlikte gösterilen sacın kalınlığı 4 mm dir. Şekil 2: İş parçasının elemanları Kullanılan eleman ekleme algoritması sayesinde, simülasyon boyunca fazla deformasyona uğrayan elemanlar dörde bölünerek eleman başına düşen deformasyon azaltılır. Böylece gerektiği yerde gerektiği kadar çok eleman kullanarak zamandan tasarruf etmek amaçlanmıştır. Eleman ekleme algoritması sayesinde saç, şekillendirme işleminin sonunda aşağıdaki eleman yapısına sahip olmaktadır. (Şekil 3)

3 Şekil 3: Deformasyondan sonra iş parçasının elemanları İşlem gerçekte yavaş gerçekleşmesine rağmen, eksplisit çözüm yönteminin özelliğinden dolayı, kalıba gerçek hızından hayli yüksek olan 4000 mm/s hız atanmıştır. Bu durumun sonuçları olumsuz yönde etkilememesi amacıyla iş parçası için genleme hızından bağımsız, ayrıca yavaş yapılmış bir çekme testinin sonuçlarına dayanan malzeme bilgileri kullanılmıştır. Ek olarak, simülasyon boyunca kinetik enerjinin genleme enerjisine oranla önemsiz sayılabilecek oranlarda kalmasına dikkat edilmiştir. İş parçası için kinetik enerji ve genleme enerjisi eğrileri aşağıda verilmiştir. (Şekil 4) Şekil 4: İş parçası için genleme enerjisi ve kinetik enerji eğrileri İş parçası için, DYNAFORM malzeme kütüphanesinden, Elastiklik Sabiti 207 GPa, Yoğunluğu 7850 kg/m 3, Poisson Oranı 0.28 olan HRDQSK (Hot Rolled, Drawing Quality, Special Killed) çeliği kullanılmıştır. Malzemenin akma eğrisi aşağıda verilmiştir. (Şekil 5)

4 Akma Gerilmesi (MPa) Akma Gerilmesi - Plastik Genleme Plastik Genleme Şekil 5: İş parçası malzemesi akma eğrisi Kullanılan malzeme modeli, LS-DYNA nın 36 numaralı 3 Parameter Barlat adındaki malzeme modelidir. Bu model, sacın anizotropikliğini Lankford parametreleri adı verilen üç parametre ile hesaplara dahil eder. HRDQSK malzemesinin Lankford parametreleri 0, 45 ve 90 derecelerde sırasıyla 0.815, ve dır. Zaman adımı, simülasyon boyunca, kütle oranlaması yöntemi kullanılarak 0.4x10-6 s değerinde sabit tutulmuştur. Sonuçlarda kum saati enerjisinin iç enerjiye oranının önemsiz değerlerde kalmasına dikkat edilmiştir. Şekil 6 da, iş parçasında genleme enerjisi ve kum saati enerjisi eğrileri verilmiştir. Şekil 6: İş parçası için genleme enerjisi ve kum saati enerjisi eğrileri Simülasyon sonucunda çizdirilen ve Şekil 7 de verilmiş olan Şekillendirilebilirlik Şeması, iş parçasının kırmızı ile gösterilen bölgelerinde yırtılma meydana geleceğini öngörmektedir.

5 Şekil 7: İş parçasının üstten görünüşü. Yırtılacağı öngörülen bölgeler kırmızı ile işaretlenmiş Bu sonuçlar ile gerçek hayat, Şekil 8 yardımı ile karşılaştırılabilir. Şekil 8: İş parçası, yakınlaşılmış alttan görünüşler. Solda parçanın fotoğrafı, sağda simülasyon sonucu verilmiş Şekil 8 de de görüldüğü gibi, eksplisit sonlu elemanlar yöntemi, yırtılmanın yerini belirleme konusunda başarılı olmuştur. 3. Yapraklanma ve Kıvrılma Problemi Yapraklanma probleminin meydana geldiği şekillendirme işlemi, hareketli bir erkek ve sabit bir dişi kalıp ile gerçekleştirilmektedir. Sözü geçen kalıplar, Şekil 9 da gösterilmiştir.

6 Şekil 9: Kalıpların oblik ve yandan görünümleri İşlemin modellenmesi için DYNAFORM önişlemci programı kullanılmıştır. Kalıpların ve şekillendirilmemiş sacın CAD resimleri arayüze ithal edilerek Sonlu Elemanlar ağı ile örülmüştür. İş parçası üzerinde bir kenarı 8 mm olan adet eleman kullanılmıştır. Elemanlar 4 veya 3 kenarlı, 4 düğüm noktalı, yüzeyde tek, kalınlık boyunca 5 integrasyon noktasına sahip olan kabuk elemanlardır. Sacın kalınlığı 2 mm dir. Bir önceki örnekte de yapıldığı gibi, işlem gerçekte yavaş gerçekleşmesine rağmen, eksplisit çözüm yönteminin özelliğinden dolayı, kalıba 5000 mm/s hız atanmıştır. Bu durumun olumusuz etkilerinden kaçınmak için, yırtılma örneğinde anlatılan önlemler alınmış, ve sonuçta ortaya çıkan kinetik etkiler kontrol edilmiştir. Şekil 10, kinetik enerji, genleme enerjisi ve kum saati enerjisi sonuçlarını birlikte vermektedir. Buradan hem kinetik etkilerin, hem de sıfır enerji modlarının sonuçlardaki rolü kontrol edilebilir. Şekil 10: İş parçası enerji eğrileri

7 İş parçası için Elastiklik Sabiti 207 GPa, Yoğunluğu 7850 kg/m 3, Poisson Oranı 0.28 olan Sıcak Haddelenmiş Soğuk Su Verilmiş (HRCQ: Hot Rolled Qold Quenched) çelik malzeme kullanılmıştır. Malzemenin akma eğrisi aşağıda verilmiştir. (Şekil 11) Akma Gerilmesi (MPa) Akma Gerilmesi vs. Plastik Genleme Plastic Genleme Şekil 11: İş parçası malzemesinin akma eğrisi Kullanılan malzeme modeli, LS-DYNA nın 37 numaralı TRANSVERSELY ANISOTROPIC ELASTIC PLASTIC adlı malzeme modelidir ve sacın anizotropikliğini bir anizotropiklik katsayısı ile hesaplamalara katmaktadır. HRCQ malzemesi için anizotropiklik katsayısı 0.99 dur. Bu katsayı 1 olduğunda malzeme izotropik davranmaktadır. Simülasyon sonucunda çizdirilen ve Şekil 12 de görülebilecek olan Şekillendirilebilirlik Şeması, iş parçasının pembe ile gösterilen bölgelerinde yapraklanma meydana geleceğini öngörmektedir. Şekil 12: İş parçası oblik görüntüsü. Pembe bölgelerin yapraklanacağı öngörülüyor

8 Malzemedeki yapraklanma ve katlanma seviyesi yüksek olduğu için, bu kusurlar, Şekillendirilebilirlik Şemasına gerek olmadan da gözlemlenebilir. Şekil 13 de, sağda, simülasyon sonucunda iş parçasının alttan görünümü verilmiştir. Solda ise, parçanın aynı açıdan çekilmiş fotoğrafı vardır. Şekil 13: İş parçasının alttan görünümü. Solda parçanın fotoğrafı, sağda simülasyon sonucu verilmiş Şekil 13 de de görüldüğü gibi, eksplisit sonlu elemanlar yöntemi, yapraklanma ve katlanmaları belirleme konusunda başarılı olmuştur. 3. Sonuçlar Bu çalışmada, eksplisit sonlu elemanlar yönterminin saç metal şekillendirme işlemlerinin simülasyonu ve bu işlemlerde meydana gelen üretim kusurlarının belirlenmesi konularında başarısı sınanmıştır. Bu amaçla, birinde yırtılma, diğerinde de yapraklanma görülen iki kusurlu metal şekillendirme işlemi incelenmiş ve LS-DYNA kullanılarak simülasyonları yapılmıştır. Yapılan simülasyonlar ve bunların gerçek hayatla karşılaştırılması sonucu, bu çözüm yönteminin kusurları başarılı bir şekilde tespit edebildiği sonucuna ulaşılmıştır.