DİKDÖRTGEN KARE VE PROFİLLİ KAPLARIN DERİN ÇEKİLMESİ Prof. M. Emin YURCİ Y.Ü. Mühendislik Fakültesi Dekan Yardımcısı 10 KASIM 1991 138
PRÎZMATİK VE PROFİLLİ SAC PARÇALARIN DERÎN ÇEKİLMESİ Mehmet Emin YURCİ Derin Çekme Yöntemi île îmal Edilen Parçalar Derin çekme yöntemi ile imal edilen Prizmatik şekilli veya karmaşık profilli sac parçalar Şekil: 1 de görüldüğü gibi sınıflandırılabilmektedir. Şekil: 1 Derin çekilen sac parçaların sınıflandırılması Dikdörtgen Şekilli İş Parçalarının Derin Çekilmesi Kare, oval ve dikdörtgen kapların derin çekilmesinde, gerçek anlamda çekmeye maruz kalan bölgeler sadece köşelerdir. Yan yüzeylerde ve kenarlardaki metal hareketi daha ziyade bükme olarak tanımlanabilir. Kabın köşelerindeki gerilmeler, malzeme kalıp kavisine doğru ilerlerken bası, kalıp kavisini geçer geç- Prof,, Yıldız Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü 139
2 raez çeki gerilmeleri şeklindedir. Hem yan cidarlar ve hemde flanş kısmındaki köşeler arasında kalan metal yalnızca çeki gerilmesi etkisinde kalmaktadır. Köşelerdeki metal, sadece bükmenin oluştuğu yan cidarlara göre daha şiddetli gerilmelerin etkisi altında bulunmaktadır. Buna göre köşe bölgelerde metal fazlalıkları oluşurken, kemar bölgelerde ise içeri doğru hareket eğilimi saptanmaktadır (Şekil: 2). Köşe veya yan cidarlardaki çekme boşluğu fazlaca tutulmuş ise, malzeme kırışma eğilimi göstermektedir. Genişliği, köşe kavisi yarıçapının iki katından biraz fazla olanları hariç, kare ve dikdörtgen kaplar genellikle tek kademede çekilebilirler. Ancak burada çekilebilirlik daha ziyade kavisin yarıçapı ve sac kalınlığı ile ilgili bulunmaktadır. Derinlik, köşe kavisi yarıçapının altı katı veya daha az ise, bu kaplar genellikle tek kademede çekilebilmektedir. Bu oran değeri iki kademeli çekimlerde 12, üç kademelerde 17, dört kademelerde 22 olarak alınmaktadır. Ayrıca, kare veya yaklaşık kare biçimli kaplar ile yaklaşık silindirik oval kaplarda, ilkel pul alanı, stampa kesitalanınm dört katını aşmadığı takdirde bu parçalar da tek işlemde imal edilebilirler. Uzunluk/Genişlik oranı 3 olan kutular için bu oran 4,5 olarak alınmalıdır. Küçük köşe yarıçaplı (geniliği %3 f ü) ve düşük karbonlu çelikler ile bazı paslanmaz çeliklerden imal edilmiş kare kutular genişliğin %80 f ine kadar derinlikte çekilebilirler. Alüminyum alaşımlarında (3003-0 ve 5052-0) söz konusu oran %70-î-75 f tir, Çekilebilirliği etkileyen diğer faktörler ise, metal bileşimi, sertlik, sac kalınlığı ile kabın dip kavisidir. Yumuşak prinç saclar, tek operasyonda köşe kavisi yarıçapının altı katma kadar derinliğe kolayca çekilebilirler. Ancak, bazı paslanmaz çelikler için bu sınır, köşe kavisi yarıçapının sadece üç katı olarak alınabilir. Sacın incelmesi ve dip kavisi yarıçapının küçülmesi max. çekme derinliğini azaltmaktadır. Derinliği, köşe kavisi yarıçapının altı katından fazla olan kaplar iki veya daha fazla sayıda operasyon ile çekilmelidir. İki veya daha fazla sayıda çekme kademesi uygulandığı takdirde, birinci kademe için kalıp çevresi Şekil:3 f teki gibi belirlenir. 140
3 Şekil: 3 Kademeli çekimde boyutlar Burada, a kabın yarı genişliği, d kabın kenar boyutundaki azalma, c köşedeki bastırıcı kısmı, r imal edilmiş parçanın yarıçapı, R ilk kademe yarıçapıdır, b çekmedeki redüksiyon payı köşe yarıçapına r bağlıdır ve 1,5 r olarak alınabilir. Köşe yarıçapı 6,5 mm.den büyük olduğu takdirde, b=r alınmalıdır, c 3 mm. olduğu hallerde, ilk kademe yarıçapı R, r f in 4*5 katı alınabilir. R/r oranı diğer boyutlara göre değişmektedir. Birden fazla çekme kademesi gerekli olduğu takdirde yukarıdaki yöntem uygulanır. Sac Kalxnlxgxnin Etkisi Kare veya dikdörtgen kapların çekilmesinde, sac metal, köşelerde bası gerilmelerinin etkisinde kalmaktadır. Kalıp kavisi üzerinden çekilen metal, ise yan cidarlarda çekme gerilmeleri altındadır. Yan cidarlar üzerindeki bası gerilmeleri metalin köşelerden akışına neden olur. Metalin köşe bölgelerden yan cidarlara doğru basılması içteki düşey yarıçapın, kabın genişliğine oranı r/b ile belirlenmektedir. Metalin bükülme ve kırışmaya olan direnci ise, kalınlık/ilkel pul genişliği (S/B) oranınabağlı olmaktadır, 1010 çeliğinden tek kademede çekilen kare veya dikdörtgen kaplara ait biçimlendirilebilirlik faktörü (0,71-\iı7h') Tablo: 1 f de gösterilmiştir. Biçimlendirilebilirlik Faktörü (0,71 r/h) Sac Kalınlığı/İlkel Pul Genişliği (s/b) Oranı (r/b) Oranı* %2 %1 %0,6 %0,3 0,4 0,3 0,2 0,1 0,05 0,40 0,36 0,33 0,25 0,42 0,38 0,34 0,25 0,44 0,40 0,36 0,25 0,48 0,42 0,38 0,25 * Düşey köşe kavisi yarıçapının r, kap genişliğine b oranıdır. Tablo: 1 Bir operasyonda çekilen kare veya dikdörtgen kapların çekilebilirlik faktörleri (1010 çeliği için) 141
4 Kare ve dikdörtgen kaplar için max. derinlik/genişlik oranları Tablo: 2 f de verilmektedir. Bu değerler, yukarıdaki (r/b) oranlarına ve sac kalınlığının ilkel pul genişliğine oranına (S/B) bağlı olmaktadır. Max. (h/b) oranları Sac Kalınlığı/İlkel Pul Genişliği (s/b) Oranı (r/b) Oranı %1,5*2 0 %1,0-s-l, 5 %0,6*1,0 %0, 3+0,6 0,3 0,2 0,10 0,05 1,0 0,90 0,75 0,60 0,40 0,95 0,82 0,70 0,55 0,35 0,90 0,76 0,65 0,50 0,30 0,85 0,70 0,60 0,45 0,25 a Düşey köşe kavisi yarıçapının r, kap genişliğine b oranıdır. Tablo: 2 Bir operasyonda çekilen kare veya dikdörtgen kapların max. derinlik/genişlik (h/b) oranları. Şekil: 4 Kare ve dikdörtgen kapların biçimlendirilebilirlik bölgeleri. 142
5 Çekme operasyonlarının sayısı, bunu etkileyen (h/b) oranı ile kabın düşey iç kavis yarıçapının, kabın genişliğine oranı (r/b) tarafından belirlenmektedir (Şekil:4). Burada, 2 eğrisinin altında kalan A,B ve C alanları, kare ve dikdörtgen kapların tek operasyonlu çekimleri ile ilgili sınırlamaları göstermektedir. 1 eğrisinin üzerinde kalan D,E ve F alanları ise iki veya daha çok sayıda operasyonlu çekimler ile ilgilidir. 1 ve 2 eğrileri arasında kalan alan da tek operasyonlu çekme için sınır bölgesidir. A,B ve C alanları içinde kalan kapların ilkel pul kalınlıkları, ilkel pul genişliğinin % 0,6 f smdan fazla değildir. D,E ve F alanları içindekilerde ise, ilkel pul kalınlığı genişliğinin %2 f sinden az değildir. Şekil: 4 f teki her alan belirli karakteristikleri ifade etmektedir. A alanında, iç köşe yarıçapı küçük olan ve r/(b-h) oranı 0,17 değerini aşmayan sığ kaplar söz konusudur. Bu tip parçalarda, köşe bölgelerden yan cidarlara doğru küçük bir miktar metal akışı olmaktadır. Böylelikle, yan cidar yükseklikleri sabit kalmaktadır. Şekil: 5 f te A alanı için tipik ilkel pul çizimleri gösterilmektedir. B alanı, orta büyüklükte köşe yarıçapları gösteren ve r/(b-h) oranı 0,17*0,4 sınırları arasında değer alan sığ kaplar ile ilgilidir. Köşe bölgelerden, yan cidarlara doğru gerçekleşen metal akışı, bu tip parçalarda kulaklanmaya neden olmaktadır. Şekil:5c ve Şekil:6, B alanı ile ilgili ilkel pullar için tipik köşe çizimlerini göstermektedir. D alanındaki parçalar 0,65 değerinden büyük olmayan bir (h/b) oranına sahiptir. Buna ait bir ilkel pul çizimi de Şekil: 5d f de gösterilmiştir. F alanı ise, (h/b) oranı 0,7 f den büyük olan parçaları kapsamaktadır. D ve F alanları, E bölgesinde çakışmaktadır. A.Detayı (B bölgesi için) (D bölgesi için) Şekil: 5 Şekil:4 f teki A,B ve D alanlarını kapsayan kare ve dikdörtgen kaplar ile ilgili ilkel pulların köşe kavislerinin düzenlenmesi ve tipik köşe biçimleri. 143
6 A,B ve D alanlarındaki kaplara ait ilkel pulların köşe kavislerinin düzenlenmesini Şekil:5a f yi esas alarak açıklayalım. 1- Kabın köşesini belirleyen iki adet referans ekseni çizilir ve köşe kavisi merkezi belirlenir, 2- tikel pul genişliğini belirlemede gerekli olan yan cidar payı (h+0,57 r, ) hesaplanır ve referans eksenleri üzerine ilâve edilir. Burada, h kap derinliğini, r, düşey dip kavisi yarıçapını göstermektedir. 3- İlkel pulun köşesini belirleyen R yarıçapı aşağıdaki ifadeden hesaplanır. R =^Jr 2 +2hr-0,86r d (r+0,lr d ) D alanı için R değeri %10*20 daha fazla seçilir, 4- R yarıçaplı çemberler çizilir ve eksenler ile kesim noktaları olan b ile c belirlenir. 5- ab ve cd doğru parçalarının orta noktaları işaretlenip, bu noktalardan geçen doğrular ile önceki aşamada çizilen R çemberine teğetler geçirilir. 6- gh ve ij doğrularının açıortayı çizilerek R yarıçaplı yaylar ile köşeler birleştirilir. 1: İlk referans ekseni 2: İkinci referans ekseni Şekil: 6 Geniş köşe yarıçaplı kaplar için köşe çizimi. 144
7 B ve C alanları kapsamındaki kaplarda, malzeme yan cidarlara doğru metal akışı için A alanmdakilerden daha fazla basınç etkisi altında kalmaktadır. Buradaki gibi köşelerde yığılma ve yan cidarlarda ise azalma gösteren bir metal akışım sağlayacak şekilde düzenlenmiş bir ilkel pul modeli Şekil:6 f da gösterilmiştir. 1- Yukarıda 1,2,3 ve 4 maddelerde açıklanan işlemler aynen uygulanır. Belirlenen köşe yarıçapı, taban kavisi ile uyumlu değilse ikinci bir referans ekseni belirlenir (h+0,57 r,). 2- Düzeltilmiş köşe yarıçapı R aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanır. R = R [o,074 (R/2r) 2 + 0,982] 3- Kabın yan cidarları ile ilgili olarak, parçanın genişlik ve boyundan h ve h. ölçüleri çıkarılır. w l h = yr 2 /(b-2r) ve h, = yr 2 /(l-2r) W 1 y faktörü Tablo:3 f te verilmektedir. az r/b Oranı Çekme derinliği/çekme genişliği (h/b) oranına karşılık y değerleri 0,3 0,4 0,5 0,6 0,10 0,20 0,25 0,30 0,08 0,06 0,05 0,04 0,11 0,10 0,08 0,06 0,20 0,17 0,12 0,10 0,08 0,27 0,20 0,17 0,12 - X Düşey köşe kavisi yarıçapının r, kap genişliğine b oranıdır. Tablo:3 4- Çekilecek parçanın köşe kavisini elde etmek için, R kavisine teğet R. ve R çemberleri çizilir, 1 W F ve C alanları kapsamında olup yüksek (h/b) oranı gösteren parçalarda, ilkel pul dairesel olarak kesilebilir. Bu takdirde çapı, D = 1,13 ^ b 2 + 4b(h-0,43r) - l,72r (h+0,33 r) formülünden hesaplanır.
8 C ve F alanları kapsamında olup yüksek (h/b) oranı gösteren parçalar genellikle iki ucu yarımdaire olan dikdörtgen biçimli ilkel pullardan çekilmektedir. Yarım daireleri birleştiren iki paralel doğrunun uzunluğu, kabın uzunluk ve genişliği arasındaki farka eşittir. Karmaşık Şekilli Parçaların Derin Çekilmesi Karmaşık profilli kapların (Şekil:1) derin çekilmesi ile silindirik kaplar arasındaki en önemli fark metalin akış şeklidir. Bu akış silindirik parçalarda çevresel olarak uniform bir şekilde gelişirken, karmaşık profilli alanlarda parça biçimine bağlı olarak herbir bölgede farklılıklar göstermektedir. Dolayısıyla, her bölge farklı zorlandığı gibi farklı gerinimlere de maruz kalmakta ve kırışma ile yırtılmalar meydana gelebilmektedir. Bu bakımdan mümkün olduğu kadar homojen bir gerinim dağılımı sağlamaya çalışılmalıdır. Bastırıcılar ile birlikte jederler kullanarak gereken yerlerde frenleme etkisi yaratmak akışın yavaş olduğu kısımlarda da sürtünmeyi azaltan yağlama etkisi uygulamak şeklinde yönlendirmelerde bulunmak mümkündür. Şekil: 7 Karmaşık profilli bir parçada akış bölgeleri. OIŞ BUKEY BÖLGE İC BÜKEY BÖLGE DOĞRUSAL 8ÖLGE Profilli parçanın dışbükey bölgelerinde çekme gerilmesi, içbükey bölgelerinde ise basma gerilmesi meydana gelmektedir. Dolayısıyla dışbükey bölgelerde plastik akış yavaşlarken, içbükey bölgelerde hızlanmaktadır. Dışbükey yüzeyleri ve özellikle köşe bölgelerindeki akış doğal bir frenlemeye uğramaktadır. 145
9 Şekil:8 Köşelerdeki malzeme akışı ve yön değiştirme Şekil:8 f de malzeme akış eğrileri izlendiği takdirde bunların köşelerde yön değiştirdikleri ve dolayısıyla akış hızının düştüğü görülmektedir. Bu bölge ile devamı olan doğrusal bölge arasındaki hız farkı yığılmalara neden olmaktadır. Bunun sonucunda da sürtünmenin artışı ile aşırı gerinimler ve yırtılmalar meydana gelebilmektedir. Uygulamada köşelerden boşaltma yapılması bu gibi sakıncaları ve yırtılmayı önlemektedir. Doğrusal bölgelerdeki akış ise, köşeler ile dışbükey yüzeylerden daha fazla içbükey yüzeylerden de daha az olmaktadır. Parça açınımının küçük tutulması amacıyla daha ziyade bu bölgelere federler konmaktadır (Şekil:9). Şekil:9 Çeşitli parça örnekleri için feder uygulamaları. Feder1erin kalıp kesitindeki yerleşim şekilleri de Şekil:10 f da gösterilmektedir. 146
Pederlerin kullanım amaçlarını şöyle özetleyebiliriz: 1) Derin çekilen parçanın yüzeyinde oluşan ve bastırcı kuvvetiyle giderilelemeyen potlanmaları önlemek, 2) Sac malzemenin gergin bir konumda kalıba akışını ve biçimini tam olarak akmasını sağlamak, 3) Geri esnemeyi azaltmak, 4) İlkel pul boyutlarının daha küçük tutulmasını sağlamak, 5) Germe etkisiyle çekilebilirliği olumlu yönde etkilemek, Federlerin konduğu yerler için kesin kurallar söylemek mümkün değildir. Ancak, bazı genellemeler yapılabilir. a) Köşelerde malzeme akışı zatın frenlendiğinden buralara feder konmamaktadır. b) Doğrusal bölgelerdeki akışın fazla olması dolayısıyla kenarlara paralel bir veya birden fazla feder uygulanabilmektedir. c) Federlerin başlangıç ve bitim noktaları kavislerden 10 öncedir. d) İçbükey bölgelerde en fazla akış olduğundan bu kısımlara da bir veya birden fazla feder konmaktadır. 147
11 e) Sığ parçalarda iyi bir şekillendirme sağlamak ve geri esnemeyi önlemek için kalıp çevresine federler konmaktadır. f) Parça geometrisinin yarattığı dengesizlikler giderilmektedir. g) Derinliğin fazla olduğu bölgelerde de feder kullanımından kaçınılmalı; hatta malzeme akışını kolaylaştırmak amacıyla yağlayıcılar ve film tabakaları uygulanmalıdır. 148
KAYMAKÇA 1 - Kalıp İmal Tekniği, Prof.Mehmet Emin YURCÎ, Yıldız Üniversitesi, 1989, 2 - Sheet Metal, Donald F. Eary, Edward A.Read, Prentice-Hall, Inc.1958. 3 - Die Design Handbook, ASTME, Me Graw Hill Book Company, 1965, 4 - Metals Handbook, Forming (Vol.4), American Society For Metals, 1969. 5 - Schnitt Stanz und Ziehwerkzeuge, G.Oehler, Springer Verlag, Berlin, 1957. 6 - Dies Moulds And Jigs, V. Vladimirov, Mir Publishers, 1982. 7 - Handbuch der Stanzereitechnik, W.P. Romanowski, VEB Verlag Technik, Berlin, 1959. 8 - Talaşsız Şekil Verme, Prof.Mehmet Emin YURCİ, Yıldız Üniversitesi, 1989. 9 - Handbuch Uniformtechnik, Heinz Tschatsch, Hoppenstedt Technik Tabellen Verlag, 1987. 10 - Modern Manufacturing Process Engineering, B.W.Niebel, A.B.Draper, R.A.Wysk, Me Graw Hill, 1988. 11 - Mechahical Metallurgy, G.E.Dieter, Me Graw Hill, 1976. 149