SAC METAL ŞEKİLLENDİRME PROSESLERİNDE GERİ ESNEME TELAFİSİ

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Mayıs 2014, BURSA SAC METAL ŞEKİLLENDİRME PROSESLERİNDE GERİ ESNEME TELAFİSİ Emre ESENER *, Mehmet FIRAT **, Mustafa YENİCE *** * Bilecik Ş. E. Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine ve İmalat Müh. Böl., BİLECİK ** Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., SAKARYA *** Coşkunöz A.Ş., Uludağ Üniversitesi,Teknopark, BURSA ÖZET Geri esneme, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan sac metal şekillendirme proseslerinde en sık görülen problemlerin başında gelmektedir. Geri esneme malzemenin elastikiyet özelliğinde ötürü şekillendirme sonrası malzemede oluşan bir şekil bozukluğudur. Geri esnemeyi azaltmak adına birçok çalışma yürütülmektedir. Bu çalışmada, endüstriyel bir ürün olan tavan destek sacı parçası üzerinden geri esneme telafisi gerçekleştirilmiştir. Geri esneme telafisinde kalıbın geri esnemeye negatif yönde tekrar işlenmesi ile yeni kalıp modeli oluşturulmuştur. Modelleme ve telafi aşamalarında Catia, sonlu elemanlar analizlerinde ise Autoform yazılımları kullanılmıştır. Oluşturulan bu yeni kalıp modeli ile gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda geri esnemenin efektif bir şekilde azaltıldığı gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: Geri esneme, metal şekillendirme, sonlu elemanlar yöntemi. SPRINGBACK COMPENSATION IN SHEET METAL FORMING PROCESSES ABSTRACT There are many manufacturing problems when considering sheet metal stamping parts. Shape distortion problems like springback is an issue encountered during production. In this study, a springback compensation was performed on a roof stiffener automotive part. Displacement adjustment method was studied in springback compensation; Catia software was used in modeling and compensation steps and Autoform software was used in finite element analysis. Finite element analysis results with new die tool surfaces showed that displacement adjustment is an effective method for compensating springback. Keywords: Springback, metal forming, finite element method. 1. GİRİŞ Sac metal şekillendirme prosesi, özellikle otomotiv alanında en yaygın uygulamalardan birisidir. Fakat yöntemin üretilen parçaların geometrilerinden dolayı karmaşık olması birçok problemi beraberinde getirmektedir. Sac üzerindeki yırtılmalar, kırışmalar, kulaklanmalar bu problemlerden bazılarıdır. Fakat en sık karşılaşılan ve en önemli problem geri esnemedir. Geri esneme malzemenin elastikiyet özelliğinden dolayı, sac metal şekillendirme işlemi sonrasında malzemenin eski haline dönme isteğidir. Bu nedenle sacın geometrisinde bir miktar değişim meydana gelir. Geri esnemeyi tahmin etmek ve telafi etmek üzerinde çalışılan en önemli konulardır. Geri esneme tahminde endüstriyel ve akademik alanda en sık kullanılan yöntem sonlu elemanlar analizleridir. Sonlu elemanlar analizleri ile prosesi gerçekleştirmeden sacın şekillendirme ve geri esneme durumu hakkında bilgi edinilebilir. Böylelikle zamandan ve maliyetten kazanç sağlanılmış olunur. Geri esnemeyi önlemek adına da birçok çalışma yürütülmektedir. Sıcak şekillendirme günümüzdeki en efektif çözümlerin başında gelmektedir. Sıcak şekillendirme haricinde kalıp telafisi de kullanılan bir 1

2 diğer yöntemdir. Sonlu elemanlar analizleri sonucunda elde edilen geri esneme değerlerine göre kalıp negatif yönde yeniden işlenerek malzeme geri esnediğinde istenilen geometriye gelmesi amaçlanmaktadır. A.Anderson yaptığı çalışmada [1] yumuşak çelik grubu, rephos çeliği ve trip çelik malzemeye sahip bir otomobil parçası üzerinden şekillendirme prosesi gerçekleştirmiş ve sonlu elemanlar analizlerini gerçekleştirmiştir. Trip çeliğinin diğer çeliklere göre daha fazla geri esnediğini tespit etmiştir. R. Lingbeek ve diğerlerinin çalışmalarında [2] bir otomotiv parçası üzerinden kalıp yüzeyleri bozularak bir geri esneme telafisi gerçekleştirmişlerdir. Sonuç olarak yöntemin efektif olduğunu belirtmişlerdir. F. Lan ve arkadaşları yaptıkları çalışmada [3] bir alüminyum alaşımı üzerinden şekillendirme işlemi gerçekleştirerek geri esneme durumunu değerlendirmişlerdir. Sonlu elemanlar analizleri ile entegre olarak birden fazla iterasyonla kalıp telafisi gerçekleştirmişlerdir. Sonuç olarak telafinin geri esnemeyi azalttığını belirtmişlerdir. M. Banu ve diğerlerinin çalışmalarında [4] DP600 malzemesi ile bir kanal çekme prosesi gerçekleştirmişlerdir. Sonlu elemanlar analizleri ile malzemede meydana gelen kırışıklık ve geri esneme durumunu incelemişlerdir. R. Lingbeek ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada [5] bir otomobil parçası üzerinden kalıp telafisi gerçekleştirerek yöntemin efektif olduğunu belirtmişlerdir. T. Meinders ve diğerlerinin çalışmalarında [6] yumuşak çelik grubundan bir otomobil parçasının şekillendirme prosesi gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçları telafi ve optimizasyon yapılarak iyileştirmişlerdir. M. Firat ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada [7] Numisheet 93 S- Kanal parçası üzerinden şekillendirme ve sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada sunulan model ile yapılan simülasyonlar sonucunda daha hassas değerlerin elde edildiğini belirtilmiştir. Literatürdeki diğer çalışmalardan da [8-15] görüldüğü üzere geri esneme üzerine oldukça fazla çalışılmaktadır. Bu çalışmada ise DP600 malzemeye sahip endüstriyel bir ürün olan tavan destek sacı şekillendirme prosesi üzerinden geri esneme telafisi gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Tavan destek sacı ve araçtaki konumu. Yapılan çalışmada orijinal parça geometrisi üzerinden kalıp takımı ve sac açınımı tasarımı yapılmıştır. Kalıp tasarımında Catia v5r21 yazılımı kullanılmıştır. Kalıp takımı elde edildikten sonra orijinal geometri ile ilk simülasyon gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonrası geri esneme durumu incelenmiş ve ardından kalıp yüzeyi bozularak (Displacement Adjustment) telafili bir kalıp yüzeyi elde edilmiştir. Sonrasında bu yeni kalıp yüzeyi ile simülasyonlar gerçekleştirilmiş ve sonuçlar geri esneme açısından incelenmiştir. Genel prosesin iş akış şeması Şekil 2 de verilmiştir. 2. MALZEME ve PROSES Çalışmada endüstriyel bir uygulama olan tavan destek sacı şekillendirme prosesi incelenmiştir. Şekil-1 de tavan destek sacının görüntüsü verilmiştir. Proseste malzeme olarak çift fazlı çelik grubundan 0.8mm kalınlığında iki yüzü 10 mikron galvaniz kaplı DP600 kullanılmıştır. Parçalar Coşkunöz A.Ş. firmasında bulunan preslerde şekillendirilmiştir, şekillendirme sırasında parça tutucu kuvvet 120 ton dur. Şekil 2. Genel prosesin iş akış şeması. 2

3 3. SONLU ELEMANLAR ANALİZLERİ Orijinal parça yüzeyi üzerinden kalıp takımı elde edildikten sonra ilk simülasyonlar gerçekleştirildi (Şekil 3-4). Sonlu elemanlar analizlerinde Autoform yazılımı kullanıldı. Parça geometrisinde simetri bulunduğundan çözüm süresini kısaltmak adına ½ model kullanılmıştır. Sürtünme katsayısı 0.15 ve yarı model kullanıldığı için parça tutucu kuvvet 60 ton olarak verilmiştir. Simülasyon çözümleri gerçekleştirildikten sonra geri esneme değerleri incelenmiştir. Parçadaki kalınlık dağılımı Şekil 5 te gösterilmiştir. ilk simülasyon sonucunda %28.4 iken telafili kalıpla yapılan simülasyon sonucunda bu oran %95.03 e çıkmıştır. Sonuç olarak kalıp telafisinin geri esnemede oldukça etkili olduğu görülmektedir. Bu yöntemin dezavantajı ise kalıp yeniden işleneceğinden dolayı prosesin maliyetini arttırmasıdır. Şekil 6. İlk simülasyon sonucu yüzey karşılaştırması. Şekil 3. Orijinal parça geometrisi. Şekil 4. Parça geometrisinden elde edilen kalıp yüzeyleri ve sac açınımı. Simülasyon gerçekleştirildikten sonra Autoform yazılımından şekillendirme sonrası ve geri esneme yüzeyleri ayrı ayrı alınmıştır. Sonrasında, geri esneme değerleri bu iki geometrinin farkı alınarak elde edilmiştir. Elde edilen bu fark Catia yazılımında telafi için kullanılmıştır. Şekil 5. Şekillendirme sonrası kalınlık dağılımı. Telafi için Catia v5r21 yazılımı kullanılmıştır. Geri esneme için elde edilen fark dosyası kullanılarak kalıp yüzeyleri tekrar düzenlenmiştir. Kalıp telafisinin ardından telafi edilen yüzey, Catia yazılımından alınarak tekrar Autoform yazılımında simülasyona sokulmuştur. 4. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Telafi edilen kalıpla gerçekleştirilen simülasyon sonrasında elde edilen yeni yüzeyler orijinal yüzey ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar Şekil 6-8 de gösterilmektedir. 0.8 mm endüstriyel bant içerisine giren yüzey noktaları Şekil 7. Telafili kalıpla yapılan simülasyon sonucu yüzey karşılaştırması. Şekil 8. Simülasyonlar sonucunda yüzey durumları. KAYNAKLAR 1. A. Andersson, 2005, Numerical and experimental evaluation of springback in a front side member, Journal of Materials Processing Technology v.169 pp R. Lingbeek, J. Huetink, S. Ohnimus, M. Petzoldt, J. Weiher, 2005, The development of a finite elements based springback compensation tool for sheet metal products, Journal of Materials Processing Technology v.169, pp F. Lan, J. Chen, J. Linb, 2006, A method of constructing smooth tool surfaces for FE prediction of springback in sheet metal forming, Journal of Materials Processing Technology, v.177, pp M. Banu, M. Takamura, T. Hama, O. Naidim, C. Teodosiu, A. Makinouchi, 2006, Simulation of springback and wrinkling in stamping of a dual phase steel rail-shaped part, Journal of Materials Processing Technology, v.173, pp R. Lingbeek, T. Meinders, S. Ohnimus, M. Petzoldt, J. Weiher, 2006, Springback Compensation: 3

4 Fundamental Topics and Practical Application, 9 th ESAFORM conference on Material Forming, April, Glasgow, U.K. 6. T. Meinders, I.A. Burchitz, M.H.A. Bonte, R.A. Lingbeek, 2008, Numerical product design: Springback prediction, compensation and optimization, International Journal of Machine Tools & Manufacture, v.48, pp Mehmet Firat, Bilgin Kaftanoglu, Orhan Eser, 2008, Sheet metal forming analyses with an emphasis on the springback deformation, Journal of materials processing technology, v.196, pp S.A. Asgari, M. Pereira, B.F. Rolfe, M. Dingle, P.D. Hodgson, 2008, Statistical analysis of finite element modeling in sheet metal forming and springback analysis, Journal of materials processing technology, v.203, pp G. Ingarao, R. Di Lorenzo, F. Micari, 2009, Analysis of stamping performances of dual phase steels: A multi-objective approach to reduce springback and thinning failure, Materials and Design, v.30, pp LiuWei, Yang Yuying, Xing Zhongwen, Zhao Lihong, 2009, Springback control of sheet metal forming based on the response-surface method and multi-objective genetic algorithm, Materials Science and Engineering A, v.499, pp Giuseppe Ingarao, Rosa Di Lorenzo, 2010, A new progressive design methodology for complex sheet metal stamping operations: Coupling spatially differentiated restraining forces approach and multi-objective optimization, Computers and Structures, v.88, pp L. Marretta, G.Ingarao, R.DiLorenzo, 2010, Design of sheet stamping operations to control springback and thinning: A multi-objective stochastic optimization approach, International Journal of Mechanical Sciences, v.52, pp Wei Chen, 2011, Investigation of Friction Modelling and Elastic Tooling influences on the Springback Behaviour in Sheet Metal Forming Analysis, MSc Thesis, University West. 14. Long Tang, Hu Wang, Guangyao Li, 2013, Advanced high strength steel springback optimization by projection-based heuristic global search algorithm, Materials and Design, v.43, pp Xiongqi Peng, Shaoqing Shi, and Kangkang Hu, 2013, Comparison of Material Models for Spring Back Prediction in an Automotive Panel Using Finite Element Method, Journal of Materials Engineering and Performance, v.22, pp

5 5