T.C KARABÜK ÜNİVERSİTESİ Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Tasarım ve Konstrüksiyon Öğretmenliği LİSANS TEZİ PROJESİ TÜP HİDRO ŞEKİLLENDİRME İÇİN EKSENEL SİSTEM TASARIMI HAZIRLAYAN Adı Soyadı: Ümit ÜNALAN DANIŞMAN Prof. Dr. İbrahim KADI Haziran 2013
KABUL Ümit ÜNALAN tarafından mezuniyet tezi olarak hazırlanan TÜP HİDRO ŞEKİLLENDİRME İÇİN EKSENEL SİSTEM TASARIMI başlıklı bu çalışma, komisyonumuzca mezuniyet ödevi yönetme ve değerlendirme kılavuzunun ilgili maddelerince değerlendirilerek kabul edilmiştir. Tarih: 26 /06 / 2013 ADI SOYADI İMZA Danışman : Prof. Dr. İbrahim KADI Üye : Prof. Dr. Kerim ÇETİNKAYA Üye : Prof. Dr. Mustafa Yaşar Üye : Doç. Dr. Süleyman SEMİZ Üye : Yrd.Doç. Dr. Halil İbrahim DEMİRCİ Üye : Öğr.Gör Ender NALÇACIOĞLU TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasının planlanmasında, araştırılmasında, yürütülmesinde ve oluşumunda ilgi ve desteğini esirgemeyen, engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığım, yönlendirme ve bilgilendirmeleriyle çalışmamı bilimsel temeller ışığında şekillendiren hocam Sayın Prof. Dr. İbrahim KADI ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım. İsmini yazamadığım yardımda bulunan değerli hocalarıma da teşekkürlerimi sunarım. Benden yardımlarını esirgemeyen, çalışmamda bana her zaman destek olan, Karabük Üniversitesi Makine Eğitimi Bölümü Araştırma Görevlisi Murat AYDIN a teşekkür ederim. Sevgili aileme, maddi manevi hiçbir yardımı esirgemeden yanımda oldukları ve her zaman bana güvendikleri için tüm içtenlikle teşekkür ederim.
ÖZET Teknolojinin gelişmesiyle, hafif malzemelerden karmaşık şekilli, dayanıklı parçaların üretim ihtiyacı doğmuştur. Bu ihtiyaca karşılık bulunan yöntemlerden biri hidro şekillendirmedir. Hidrolik şekillendirme temel olarak metal saç veya tüp malzemenin akışkan bir ortam vasıtasıyla (su, viskoz polimerik malzeme vs) kapalı bir kalıpta şekillendirilmesidir. Hidro şekillendirme basınçlı akışkan kullanılarak tüplere farklı şekiller verilmek amaçlı kullanılmaktadır. Bu çalışmada, hidro şekillendirme ile tüp şekillenebilirliğini sağlamak için eksenel itme kuvveti ile basınçlı sıvı kullanılarak hidro şekillendirme sistemi tasarlanmıştır.
ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1. Tüp hidro şekillendirme işlem basamakları. a.kalıp açık, b. Kalıp kapalı, c.sıvı gönderimi, d. Basınç artırımı8 Şekil 2.2. Hidro şekillendirme için tüp malzemele9 Şekil 2.3. Tüp hidro şekillendirme ile üretilmiş ürünler. a. Farklı kesitli, b. Farklı tip10 Şekil 2.1. Düşük, yüksek, çoklu basınçlı hidro şekillendirme işleminde kalıbın kapanması sırasında kesit şekillenmesi. Sıvı basınçlı (sağ) ve sıvı basınçsız(sol) durum11 Şekil 2.2. Hidro şişirme işlemi boyunca basınç sıralaması 13 Şekil 2.3. Hidro şekillendirilmiş y birleştirmeli egzoz 13 Şekil 2.4. Hidro şekillendirilmiş otomotiv egzoz konisi 14 Şekil 2.5. Hidro şekillendirilmiş körüklü parça 15 Şekil 2.6. Körüklü şekillendirme işlem sırası 15 Şekil 3.1. Sistemin mesh örülmüş hali17 Şekil 3.2. Güvenlik faktörü 17 Şekil 3.3. Gerilme analizi18 Şekil 3.4. Toplam Deformasyon 18 Şekil 3.5. 4/2 Yön kontrol valfı kesiti 19 Şekil 3.6. Sistemde kullanılan tek kollu 4/2 yön kontrol valfi19 Şekil 3.7. Hidrolik depo 20 Şekil 3.8. Sistemde kullanılan hidrolik depo 20 Şekil 3.9. Sistemde kullanılan silindir 21 Şekil 3.10. Hidrolik hortum 21 Şekil 3.11. Ön ve arka bağlantı plakaları 22 Şekil 3.12. Üst plaka 22
Şekil 3.13. Kalıp bağlama aparatı 23 Şekil 3.14. Akışkan girişli kapaklar 23 Şekil 4.1. Sistemin genel görüntüsü 25 Şekil 4.2. Deneyin devre şeması 26 Şekil 4.3. Makinenin genel görüntüsü 27 Şekil 4.4. Sistemde kullanılan hidrolik yağ pompası 27 Şekil 4.5. Sistemde kullanılan yön kontrol valfi28 Şekil 4.6. O-Ring kanallar açılmış sıvı basıncı sağlayan kapaklar28 Şekil 4.7. Sol eksenel kuvveti sağlayan piston29 Şekil 4.8. Sağ eksenel kuvveti sağlayan piston29
BÖLÜM 1 GİRİŞ Şişirme işlemleri tüplerin şekillendirilmesinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Tipik bir şişirme işlemi sırasında kullanılan takımlar; Hidrolik piston, kalıp, tüp, kalıp alt plakası, kalıp üst plakası, yağ tankı, tek kollu yön kontrol valfi ve hortum. Şekillendirme işleminin başlangıcında, şişirilecek tüp kalıbın içine yerleştirilerek kalıp kapatılır. Kalıbın kapanmasıyla tüp içerisine sıvı gönderilerek basınç uygulanır. Sıkışan yağ kalıp iç profilini alarak üzerine takılı iş parçasını da kalıp profilinin şeklini alır. Kalıbın açılmasından sonra is parçası içerisine sıkışmış yağ parçadan çıkarılır. Geleneksel yöntemlerde, tek kademede malzemede deforme olmaksızın istenilen bükümü elde etmek mümkün olmamaktadır. Günümüzde alüminyumun otomotiv ve uçak sanayisi basta olmak üzere sanayide yer tutması, fakat malzeme özellikleri itibariyle mekanik yöntemlerle yapılan şekillendirmedeki kısıtlamalar, problemlerin oluşumunu azaltan ve daha iyi sonuçlar veren metotların araştırmasını öne çıkarmaktadır. Bu ihtiyaçlara cevap verebilen metotlardan birisi de hidro şekillendirmedir. Bu metot; çok büyük parçaların şekillendirilebilmesi için gerekli olan pres kuvvetlerinin, konvansiyonel metotlarla sağlanmasının çok zor hatta imkansız olması, çok karmaşık parçaların şekillendirilebilmesi, üretim periyodunun kısa olması ve prototip parçaların üretiminde tasarruf sağlanması gibi özelliklerinden dolayı cazip hale gelmiştir. Bu metodun uygulama alanlarının nispeten sınırlı olmasına rağmen, şekillendirme işleminin daha iyi sonuçlar vermesi, şekillendirme sırasında kırışıklıkların az olması ve şekillendirme işleminin de daha kolay yapılabilmesinden dolayı tercih edilmektedir. Sonlu elemanlar metodundaki ve bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişme ile birlikte simülasyon yöntemi yaygın olarak metallerin şekillendirme işlemindeki mekaniğin anlaşılmasında kullanılmaya başlanmıştır. Şekillendirme sonuçlarının önceden doğru olarak tahmin edilmesi sayesinde, şekillendirilecek parçaların geliştirilme zamanını önemli ölçüde azaltmıştır. Buna ek olarak, simülasyon, deneysel yöntemlerle ölçülemeyen bazı parametrelerin ölçülebilmesine ve dolayısıyla da yeni şekillendirme teknolojilerinin gelişmesine yardımcı olmuştur. Örneğin, parça boyunca gerilim/birim sekil değiştirme dağılımı ve zımba/kalıp arasında kalan malzemenin temas noktalarındaki ara yüzeyin gerilim dağılımı gibi durumlar nümerik simülasyonlarla kolayca elde edilmiştir. Fakat, problemin karmaşıklığına bağlı olarak, nümerik modeli önceden geliştirmek o kadar kolay olmamaktadır.
1.1.ÇALIŞMANIN AMACI Tüp hidro şekillendirme esnasında basıncın yüksek olması, tüp malzemenin kalıp yüzeyine tam olarak oturmasına ve istenen geometrinin sağlıklı bir biçimde olmasını sağlamaktadır. Fakat basıncın fazla olması aynı zamanda malzemenin kesitinin ani bir şekilde incelmesini ve yırtılmaların oluşmasına sebep olur. Bu noktada basınç ve malzemede meydana gelen kesit değişimi arasında hassas bir denge bulunmaktadır. Basınç, şekillendirme esnasında arttırılırken, kalınlık incelmesi dengeli bir şekilde korunmalıdır. Şekillendirme esnasında eksenel itme kuvveti ile tüp malzeme eksen doğrultusunda hareket ettirilerek yırtılmaların önüne geçilmesi ve tüp malzemede istenen geometrinin başarılı bir şekilde sağlanması, şekillendirme sırasında meydana gelen hataların önüne geçilmesi amaçlanmaktadır. Bu sayede ürünlerde ölçü tamlığı tam olarak sağlanırken, daha kaliteli bir üretim hedeflenmektedir. 1.2. LİTERATÜRDE BULUNAN BENZER ÇALISMALAR Serdar Şahin in 2004 yılında yaptığı çalışmasında, hidro şekillendirme yönteminin genel bir gözden geçirilmesini yapmıştır. Klasik şekillendirme yöntemleri ile karşılaştırmış, hidro şekillendirme çeşitleri ve uygulama alanlarını açıklamış, işlem basamakları tasarımını incelemiştir [1]. Güner Çelikayar ın 2003 yılında, yüksek basınç altında metallerin şekillendirilmesi adlı çalışmasında, hidro şekillendirme işleminin önemini açıklamış ve tüp hidro şekillendirme yöntemi üzerine çalışmıştır. Çalışmada tüp hidro şekillendirme işlemi için gerekli olan kalıp elemanları, kullanılacak akışkan, kullanılan pres sistemi ve otomasyon sistemlerini detaylı bir biçimde anlatmıştır [2]. McClintock [3] 1968 yılında, Rice ve Tracey [4] 1969 yılında, hidrostatik basınç altındaki malzemeye uygulanan kuvvet arttığı halde, sac metal levhalarda meydana gelen sünek yırtılmaların çok ani olarak azaldığını çalışmalarında göstermişlerdir. Vollertsen in 2001 yılında yaptığı, tüp ve sac malzemelerin hidro şekillendirme işleminin gelişmesi adlı çalışmasında, hidro şekillendirme işleminin günümüze kadar gelen değişimini incelemiştir. Çalışmasında içi boş parçaların üretim metotlarına değinmiştir. Yüksek dayanımlı ve ölçü tamlığıyla parçaların üretilebilmesi için sıvı ortamının kullanım gerekliliğini ortaya koymuştur. Tüp hidro şekillendirme işleminin küçük hacimli ürünler için yüksek standartlara ulaştığını göstermiştir. Tek bir sac malzemenin, iş parçası ve sıvıyı ayıran bir diyafram kullanılarak şekillendirilmesinin mümkün olduğunu ve bu sayede tek adımda parçaların şekillendirilebileceğini açıklamıştır [5].
Chen ve arkadaşları 2007 yılında tüp hidro şekillendirme üzerine yaptıkları çalışmada, hidrolik basınç, deforme olmuş tüp dış köşe kıvrımı, tüp kalınlığı ve malzemenin akma gerilmesi arasındaki ilişkiyi araştırmışlardır. Çalışmalarında sonlu eleman analizlerine de yer vermişlerdir. Sonlu eleman analizini uygun gördükleri teorik model üzerinde gerçekleştirmişlerdir. Akışkan basıncı sırasında köşe kavislerinde meydana gelen deformasyonu incelemişlerdir [6]. Yuan ve arkadaşlarının 2006 yılında yaptıkları tüp hidro şekillendirme de kırışık kullanımı ve kontrolü adlı çalışmalarında tüp hidro şekillendirme işlemi üzerine teorik ve deneysel şekillendirmeler yapmışlardır. Bu şekillendirmelerden, kırışık oluşumunun ağırlıklı olarak yükleme yoluna bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır. Yükleme yolunun ise eksenel besleme ve iç basınç arasındaki ilişki olduğunu açıklamışlardır. Eksenel besleme sisteminin tüp hidro şekillendirme işleminde kullanılması gerektiğini açıklamışlardır [7].
BÖLÜM 2 GENEL BİLGİLER Tüp hidro şekillendirme işlemi, metalik tüp malzemenin içine gönderilen basınçlı akışkanın tüp malzeme yüzeyine baskı uygulaması ile şişirme işlemidir. Tüp malzeme kalıp yarımları arasına yerleştirildiğinde, malzeme şişerek kalıbın şeklini almaktadır. Fakat şişme esnasında, yüzey genleşmesi sebebiyle malzemede kalıcı şekil değişimi sırasında basıncın artmasıyla kalınlıkta ani incelmeler ve bu ani incelmelerden ötürü yırtılmalar görülmektedir. Malzeme kalıp içerisinde hareket edemediği için, şişme esnasında incelme bir veya birkaç noktadan meydana gelmekte ve çatlaklar oluşmaktadır. Tüplerin şekillendirilmesi, metal isleme operasyonlarının önemli bir kısmını teşkil etmektedir. Bu şekillendirme işlemleri, sanayileşmiş ülkelerdeki üretim alanlarında her yıl daha da büyüyerek gelişmektedir [1, 2, 3, 4]. Daha da ötesi, üretim endüstrisinde maliyeti azaltma ve performansı arttırma, buna ek olarak, geleneksel çelik malzemeler yerine çevreye duyarlı, çok daha hafif ve yüksek dayanımlı malzemelerin kullanımı öne çıkmaktadır. Örneğin otomotiv endüstrisinde, otomobil parçalarının ağırlıklarında %50 oranında bir azalma sağlayacağından ve böylece yakıt tüketim de azalacağından dolayı bu parçaların alüminyum alaşımlarından üretilmesi konusunda birçok çalışma yapılmış ve halen devam etmektedir [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Bunun yanında, alüminyumun çok iyi bir geri kazanım karakteristiğine sahip olması, bu konunun önemini daha da arttırmaktadır. Günlük yasamda otomobiller vazgeçilmez en önemli ulaşım araçları olmasından dolayı, ilgili alanda yapılan çalışmaları önemli kılmaktadır [5]. Hidrolik şekillendirme temel olarak sac metal veya tüp malzemenin akışkan bir ortam vasıtasıyla (su, viskoz polimerik malzeme vs) kapalı bir kapta sekilendirilmesidir. Bu kadar geniş bir tanımı olmasından dolayı, hidrolik şekillendirme daha çok benzer işlemler için kullanılan genel bir ad olarak düşünülebilir. İlk olarak 1890 larda ortaya çıkmış ancak asıl gelişimini II [1]. Dünya savası sonrasında gerçekleştirmiş bir imalat yöntemidir. İlk araştırmalar Almanya ve Japonya da gerçekleştirilmesine rağmen günümüzde Amerika, Rusya, Fransa, İsrail, Kore gibi değişik ülkelerde gerek üniversite gerekse özel araştırma birimlerinde yoğun bir şekilde konu üzerinde çalışılmaktadır. Yöntem, yeterli bilgi birikimine ulaşılamamış olmasından ve bazı teknik zorluklardan ötürü 1990 lara kadar gereken ilgiyi görmemiştir [2]. Bu bölümde hidro şekillendirme işleminin tanımı ve işlem basamakları, hidro şekillendirmenin kullanıldığı alanlar, hidro şekillendirme teknolojisinin çeşitleri ve kendi arasında sınıflandırılması, bu teknolojiyle kullanılan malzemeler, hidro şekillendirmenin avantajları gibi, hidro şekillendirme
teknolojisiyle alakalı bilgiler verilmiştir. 2.1. HİDRO ŞEKİLLENDİRME Hidro şekillendirme, metalik malzemelerin istenilen şekilde elde edilmesinde akışkan basıncının kullanıldığı bir imalat yöntemidir. Daha geniş bir tanım yapılırsa; hidrolik şekillendirme, temel olarak metal sac veya tüp malzemenin akıskan bir ortam vasıtasıyla (su, viskoz, polimerik malzeme vs.) kapalı bir kapta şekillendirilmesidir. Bu kadar geniş bir tanımı olmasından dolayı, hidrolik sekillendirme daha çok benzer işlemler için kullanılan genel bir ad olarak düşünülebilir [8]. Hidro şekillendirme sisteminde, sac malzemenin bir yada her iki tarafı sekilendirilen parçaya destek olan, basınçlı viskoz kullanılmaktadır. Böylece dişi kalıba ihtiyaç duyulmadan şekillendirme gerçekleştirilmektedir. Basınçlı akışkanın görevi; Şekillendirme işleminin başlangıcından bitimine kadar tüp malzemeyi desteklemek ve böylece şekillendirmenin daha verimli olmasını sağlamak, Malzeme hatalarının başlangıcını ertelemek, Tüp malzemenin iki tarafına birden uygulandığında kırışıklıkların oluşumunu önemli ölçüde azaltmaktır. 2.2. HİDRO ŞEKİLLENDİRMENİN KULLANILDIĞI ALANLAR Hidro şekillendirme, uygulama alanı fazla olan üretim yöntemlerinden birisidir. Tüp malzemelerin kullanıldığı bütün endüstri dallarında hidro şekillendirme yöntemi uygulanmaktadır. Bu endüstri dallarını sıralarsak; Uzay ve havacılık sanayi. Otomotiv sanayi. Tarım araçları. Enerji. Üretim ve imalat sanayi. Yemek sanayi.
Aydınlatma. Sağlık. Eğlence. Ofis ve dış mekan mobilya sanayi. Metal şekillendirme. Plastik enjeksiyon kalıp ekipmanları. 2.3. HİDRO ŞEKİLLENDİRME TÜRLERİ Hidrolik şekillendirme bir tür değişken biçimli takım (soft tool) veya diğer bir deyişle esnek şekillendirme teknolojisidir. Değişken biçimli takımla sekilendirme teknolojileri basit ekipmanlar gerektirmeleri, mevcut donanıma uyum sağlayabilmeleri, düşük enerji tüketimleri, yüksek ürün kaliteleri ve fayda/maliyet oranlarının yüksek olmasından dolayı yaygın olarak kullanılmaktadırlar [9]. Genel olarak hidro şekillendirme 2 gruba ayrılmaktadır; Tüp hidro şekillendirme. Sac hidro şekillendirme. Tüp hidro şekillendirme, iki ucu açık boru malzemenin iç yüzeyine uygulanan akışkan basıncıyla malzemenin şeklinin değiştirilmesidir. Şişirme ile sekilendirmeye benzerlik göstermektedir. Tüp hidro şekillendirmede zımba yerine akışkan sıvı kullanılmaktadır. Malzemeye uygulanan iç basınç ile tüpün yüzeysel genleşmesi sağlanmaktadır. Bu genleşme eksenel yönde sıfırdır. Başlangıçta tüp daireselliğini korumakla beraber çapında büyüme meydana gelmektedir [10]. Tüp malzeme iki kalıp yarımı arasına yerleştirilir. Malzemedeki genleşme bu kalıp yarımlarına doğru gerçekleşmektedir. Sekil 1 de tüp hidro şekillendirme için işlem basamakları gösterilmistir. Tüp hidro şekillendirmede değişik seviyeli akışkan basıncı kullanılmaktadır. Akışkan basıncı kalıbın kapanması aşaması boyunca kullanılır. Bu basınca Kalıp Kapanma Basıncı denir. Tüp malzeme kalıp kapandıktan sonra iki uçtan uygulanan kuvvetle kalıp içine itilir. Böylece Eksenel Besleme etkisi oluşturulmaktadır. Eksenel beslemeden sonra tüp içerisindeki basınç şekillendirme için gerekli olan maksimum seviyeye arttırılır. Bu basınç genellikle Kalibrasyon Basıncı olarak adlandırılır [11].
Şekil 2.7. Tüp hidro şekillendirme işlem basamakları. a.kalıp açık, b. Kalıp kapalı, c.sıvı gönderimi, d. Basınç artırımı. Piyasada daha fazla bilinen tüp hidro şekillendirme otomotiv ve diğer endüstrilerde, yüksek hacimli üretimler için uygulanmaktadır. Sekil 2 de pek çok uygulama için elektrik direnç kaynağı (EDK) yada lazer kaynağı ile üretilmiş tüp malzemeler gösterilmiştir. Şekil 8.2. Hidro şekillendirme için tüp malzemeler Üretilecek ürüne bağlı olarak tüp malzemeler alüminyum ekstrüzyondan, bakır borulardan, tek tek paralel veya konik kesitli sac malzemelerden üretilebilmektedir. Sekil 2.3 de tüp hidro şekillendirme yöntemi ile üretilmiş ürünler gösterilmiştir.
a. Farklı kesitli b. Farklı tip Şekil 2.9. Tüp hidro şekillendirme ile üretilmiş ürünler. a. Farklı kesitli, b. Farklı tip. Tüp hidro şekillendirme birbirleriyle ilişkili 5 işlem sınıfına ayrılmaktadır; Düşük basınçlı hidro şekillendirme. Yüksek basınçlı hidro şekillendirme. Çoklu basınçlı hidro şekillendirme. Hidro şişirmeyle şekillendirme. Körüklü hidro şekillendirme. 2.3.1. Düşük Basınçlı Hidro Şekillendirme Düşük basınçlı hidro şekillendirmede, şekillendirilen kesitin çevre uzunluğu başlangıçtaki tüp malzeme ile nerdeyse aynıdır. Bazı kalıplarda, tüp malzemenin özellikleri ve kalınlığına bağlı olarak çevre uzunluğu yaklaşık olarak %3 oranında artabilmektedir. Hidro şekillendirme işlemi
boyunca kalıp ilk kapatıldığında tüpün içinde akışkan basıncı bulunmamaktadır. Bu yüzden Sekil 2.4 te gösterildiği gibi tüp malzemenin yüzeyi deforme olup, kırışıklıklar meydana gelmektedir. Bu kırışıklıklar daha sonra akışkan basıncı ile giderilebilmektedir. Ama derin kırışıklıklar düşük akışkan basıncı ile giderilemeyebilir. Malzeme, üst yüzeydeki köse kıvrımlarını tamamen dolduramayabilir. Düşük basınçlı hidro şekillendirmede parça kesitleri, kalıbın kapanması yüzünden meydana gelen başlangıç kırışıklıklarını en aza indirmek için dikkatlice tasarlanmalıdır [11]. Şekil 2.10. Düşük, yüksek, çoklu basınçlı hidro şekillendirme işleminde kalıbın kapanması sırasında kesit şekillenmesi. Sıvı basınçlı (sağ) ve sıvı basınçsız(sol) durum. Bu olumsuzlukları gidermek için düşük basınçlı şekillendirme kullanılmaktadır. Bu işlemde tüp malzeme kalıp yarımları arasına yerleştirilir. Kalıp kapanmadan tüp malzeme içerisine düşük miktarda akışkan basıncı verilmektedir. Bu sayede derin kırışıklıklar önlenmekte ve düşük akışkan basıncı sayesinde kalıp içerisindeki kıvrımlar daha rahat bir şekilde dolmaktadır. Bu işlemde tüp malzemede yok denecek kadar az bir genleşme meydana gelmekte ve malzeme kesitinde çok az kalınlık değişimi gözlenmektedir. 2.3.2. Yüksek Basınçlı Hidro Şekillendirme Yüksek basınç hidro şekillendirilen kesitin çevre uzunluğu malzemenin plastik uzama yüzdesinin izin verdiği limite kadar uzamasına olanak tanımaktadır. Kalıbın kapanması esnasında oluşabilecek herhangi bir yüzey deformasyonu ve kırışıklık, yüksek basınç kullanımı ile giderilmektedir. Yüksek genişlemeden dolayı, hidro şekillendirilen kesit genellikle düşük geri yaylanma ve ölçü tamlığına sebep olan yüksek plastik gerilmelere maruz kalmaktadır. Kesit çevresindeki kalınlık değisimi genelde yüksektir. İncelmeler malzemenin köselerinde meydana gelmektedir. Yüksek basınç, ayrıca
düşük basınç işlemi ile mümkün olmayan karmaşık kesitlerin oluşturulmasına imkan sağlamaktadır [11]. Yüksek basınçlı şekillendirme işleminde, yüksek basıncı üretmek ve bu basıncı kullanmak için sağlam ekipmanlar ve büyük presler gerekmektedir. Başlangıç maliyeti fazla olmasına rağmen üretim döngüsü düşük basınçlı hidro sekilendirmeye oranla daha yüksektir. 2.3.4. Çoklu Basınçlı Hidro Şekillendirme Düşük basınçlı hidro şekillendirmenin bir çeşidi de çoklu basınçlı hidro şekillendirme yada sıralı basınçlı hidro şekillendirme olarak da adlandırılır. Çoklu basınç işlemi için, akışkan sıvı, kalıp açık pozisyondayken tüp içerisine gönderilir. Akışkan basıncı kalıp kapanma basıncına kadar arttırılır ve kalıp kapandığı zaman tüp içerisindeki basınç kalibrasyon basıncına kadar yükseltilir. Kalıp kapanma aşaması süresince akışkan sıvı bir çeşit mil görevi görmektedir. Böylece düşük basınçlı hidro şekillendirmenin sebep olduğu aşırı kırışıklık ve yüze deformasyonuna engel olunmuş olur. Sekil 2.4 te kalıp kapanırken parça içinde sıvı basıncı ve sıvı basıncının olmadığı kesit şekilleri kıyaslanmaktadır. Malzemenin kalıp ayırma çizgisi boyunca sıkışmaya eğilimi önemli ölçüde azaltılmakta ve malzeme kalıbın kapanmasıyla akışkan tarafından köşelere doğru itilmektedir [11]. Malzemenin kesit çevresinin genişlemesi % 1-3 oranında tutulduğunda çoklu basınçlı hidro şekillendirme, karmaşık kesitleri şekillendirebilen, düşük basınçlı hidro şekillendirmenin tüm avantajlarına sahiptir. Bu metodun kullanımı ile, yağlama için gereksinim önemli ölçüde azaltılabilir yada giderilebilmektedir. Düşük basınçlarda bile çok daha iyi yüzey formları elde edilebilir.
2.3.5. Hidro Şişirmeyle Şekillendirme Hidro şişirmede, düşük ve yüksek basınçlı şekillendirmelerden farklı olarak, tüpün yüzeysel genleşmesi tamamen kalıp kapalı iken gerçekleşmektedir. Akışkan içerisindeki basınç sıralı bir şekilde artmaktadır. Bu yöntemle T ve Y birleştirmeli tüp malzemelerin üretilmesi mümkündür. Sekil 2.5 te hidro şişirme boyunca basınç sıralaması gösterilmiştir. Şekil 2.11. Hidro şişirme işlemi boyunca basınç sıralaması [12]. Şişirme işlemi boyunca tüpün önemli bir uzunluğu kalıp boşluğuna itilir. Genellikle bu işlem; uzun parçalarda yüksek genişleme oranlarının elde edilmesinde, Sekil 2.6 da gösterildiği gibi Y birleştirme ve T kesit kollarının çıkarılmasında, Sekil 2.7 de gösterildiği gibi egzoz parçaları ve şaftların en az kalınlık incelmesi ile üretiminde kullanılır [11]. Şekil 2.12. Hidro şekillendirilmiş y birleştirmeli egzoz
Şekil 2.13. Hidro şekillendirilmiş otomotiv egzoz konisi Son besleme işlemi parçanın şekillenebilirliğini oldukça arttırmaktadır. Büyük gerilmeler iç basınç tarafından, kesit çevresinde meydana gelirken, en düşük gerilme, eksenel kuvvet tarafından tüp malzemenin uzunluğu boyunca uygulanır. Son besleme ve iç basınç, şekillenme limit diyagramında kalınlık değişiminin sabit bir çizgi seklinde kalması için kontrol edilir. Sabit kalınlık çizgisi ne kadar uzunluktaysa kesit sekline ve genişleme miktarına bağlı olarak işlem ilerletilebilir. Uzunluk boyunca sıkıştırıcı kuvvetlere karsı çıkan kısmi dayanımın oluşması ve kesit genişlemesinden dolayı geometride değişiklikler meydana gelebilir [11]. 2.3.6. Körüklü Hidro Şekillendirme Körüklü parçaların, Sekil 2.8 de gösterildiği gibi, hidro şekillendirme yöntemi ile üretilmesi mümkündür. Körüklü şekillendirme için, Sekil 2.9 da gösterilen dilimlere ayrılmış takım kullanılır. Malzeme kalıp alt yarımı üzerine yerleştirildikten sonra kalıp üst yarımı eksenel yönde, hala açık olan takım dilimleriyle birlikte aşağı indirilir. Sonra düşük basınçlı akışkan, tüp malzeme içine gönderilir ve açık dilimli takım hafifçe malzeme yüzeyini deforme etmesi için malzemeye baskı uygulanır. Daha sonra dilimler, her körük içine malzemenin dolması için eksenel yönde baskı uygular ve dilimlerin kapanması ile malzeme içindeki akışkan basıncı, kalıp boşluğunun seklini alarak körüklerin oluşması için tamamen arttırılır.
Şekil 2.14. Hidro şekillendirilmiş körüklü parça Şekil 2.15. Körüklü şekillendirme işlem sırası BÖLÜM 3 SONLU ELEMANLAR METODU Sonlu Elemanlar Metodu, çeşitli mühendislik problemlerine kabul edilebilir bir yaklaşımla çözüm arayan sayısal bir çözüm yöntemidir. Bu metotta, ele alınan mühendislik probleminin çözüm bölgesi alt bölgelere ayrıklaştırılır ve her alt bölgede aranan fonksiyonun ifadesi polinom olacak şekilde seçilmektedir. Belirli işlemlerle, her alt bölgede polinom olarak kabul edilen çözümün katsayıları belirlenmeye çalışılmaktadır. Çözüm bölgesi alt bölgelere ayrılabilmekte ve değişik sonlu elemanlar kullanılabilmektedir. Gerektiğinde bazı alt bölgelerde daha hassas hesaplamalar yapılabilmektedir. Böylece, geometrisi karmaşık şekillerin incelenmesine olanak sağlanmaktadır.
Bir sistem için SEM kullanıldığında, ilk olarak fiziksel problemin matematiksel modeli kurulmakta veya hazır alınmaktadır. Daha sonra, ele alınan probleme ait Varyasyonel ifade /Formülasyon kurulup, çözüm bölgesi sonlu eleman adı verilen alt bölgelere ayrıklaştırılmaktadır. Bu işleme ayrıklaştırma veya sonlu eleman ağı (mesh) adı verilmektedir (şekil 3.1). SEM, değişik ve karmaşık malzeme özellikleri olan sistemlerde kolaylıkla uygulanabilmekte ve anizotropik, nonlinear, zamana bağlı malzeme özellikleri gibi malzeme özellikleriyle işlem yapabilmektedir. Sınır koşulları, sistemin temel denklemleri kurulduktan sonra, oldukça basit satır sütun işlemleriyle denklem sistemine dahil edilebilmektedir. SEM matematiksel olarak genelleştirilebilir ve çok sayıda problemi çözmek için aynı model kullanılabilmektedir. Yöntemin hem fiziksel anlamı hem de matematiksel temeli mevcuttur. Bunlara rağmen, bazı problemlere uygulanmasında zorluklar yaşanmakta, elde edilen sonucun doğruluğu her zaman verilerin doğruluğuna bağlı olmaktadır. Sistemin tamamlanması için gerekli olan malzeme ve parçalar temin edilmiş ve modellemesi yapılmış ANSYS 12.0 programında analizi yapılarak kontrol edilmiştir. Piston uçlarına 100N luk kuvvet uygulanarak sistemin güvenliği kontrol edilmiştir. Şekil 3.1. Sistemin mesh örülmüş hali 3.1. Güvenlik Faktörü (Safety Factor ) Hidrolik pistonun her iki uçuna uygulanan 100 er Newton luk eksenel kuvvetler sonucunda sistemin güvenli olduğu tespit edilmiştir (Şekil 3.2).
Şekil 3.2. Güvenlik faktörü 3.2. Gerilme Analizi (Equivalent(von-mises)Stress) Sisteme uygulanan analiz sonucunda pistonun uç kısımlarında oluşan gerilmeler sistemi etkilemeyecek kadar az olduğundan üretimi yapılmasında hiçbir sakınca olmadığı sonucuna varılmıştır(şekil 3.3). Şekil 3.3. Gerilme analizi 3.3. Toplam Deformasyon (Total Deformation) Toplam deformasyon oranında asıl zorlanmaların olduğu yerler piston yüzeylerinin olduğu kısımlardır(şekil 3.4).
Şekil 3.4. Toplam Deformasyon 3.3.1. Tüp Hidro Şekillendirme İşlemi İçin Eksenel İtme Sistemi Tasarımı Şekil 3.6 da görülen sistemde, pistonların ileri geri hareketini sağlayan 4/2 tek kollu yön kontrol valf ı bulunmaktadır. Çift etkili silindirlerin çalıştırılmasında kullanılırlar. Valfe kumanda biçimi elle, mekanik olarak, hava sinyalleri ve elektro-manyetik sinyallerle yapılabilmektedir. Mekanik ve hava sinyali ile kumanda edilen 4/2 valfler sıkça kullanılmaktadır. Şekil 3.5 te bir 4/2 yön kontrol valfi kesiti ve sembol resmi görülmektedir. Sürgülü tipte yapılanları çok kullanılmaktadır. Şekil 3.5. 4/2 Yön kontrol valfı kesiti
Şekil 3.6. Sistemde kullanılan tek kollu 4/2 yön kontrol valfi 3.3.1.1 Hidrolik Yağ Tankı Hidrolik akışkanı depolayan, çalışma şartlarına uygun şekilde hazırlayan devre elemanlarına depo(tank) adı verilir(şekil 3.7). Isınan hidrolik akışkanın kolayca soğutulması için deponun alt kısmı hava akımı oluşturacak şekilde dizayn edilmelidir. Depoya dönen akışkanın dinlenmeden emilmesini önlemek için, dinlendirme levhası konulmalıdır. Depo kapasitesi, hidrolik sisteme gerekli olan akışkan miktarına ve dağıtım sisteminin büyüklüğüne göre seçilir. Pratik olarak pompa debisinin 3-5 katı kadar alınabilir. Sistemde kullanılan deponun debisi 30 lt/dk dır(şekil 3.8).
Şekil 3.7. Hidrolik depo Şekil 3.8. Sistemde kullanılan hidrolik depo. 3.3.1.2. Çift Etkili Silindir Hidrolik akışkanın pistona çift yönden etki ettirildiği silindir çeşididir(şekil 3.9). Pistonun ileri ve geri hareketi basınçlı akışkan yardımıyla sağlanır. Genellikle her iki yönde iş istendiği için, en sık kullanılan silindir çeşididir. Sistemdeki görevi pistonlar birbirlerine doğru hareket ederek kalıbın içerisinde bulunan tüp malzemeyi sıkıştırarak istenilen şeklin alınmasına yardımcı olmaktır. Şekil 3.9. Sistemde kullanılan silindir. 3.3.1.3. Hidrolik Hortum Hidrolik kontrollü ünitelerde yüksek basınçlı hidrolik yağ, fule, oil, gres yağı su ve hava tahliyesinde kullanılır(şekil 3.10). Sistemdeki görevi yağ aktarımını sağlamaktır.
Şekil 3.10. Hidrolik hortum 3.3.1.4. Bağlantı Plakaları Şekil 3.11. Ön ve arka bağlantı plakaları Hidrolik silindirleri sabitlemek için kullanılırlar(şekil 3.11). Ön bağlantı plakası hidrolik silindir içerisine geçirilerek altı köşe başlı cıvata ve somunla masaya sabitlenir. Arka bağlantı plakası pistonun arka kısmına bulunan silindire bir mil takılarak cıvata ve somunla masaya sabitlenir. 3.3.1.5. Üst Plaka Şekil 3.12 de görülen üst plaka, hidrolik silindirlerin ileri-geri hareketi sağlamak için plaka üzerine parmak freze tezgâhında kanallar açılmıştır. Kalıbın boyutlarına göre hidrolik piston kanallar üzerinde ileri-geri hareketi sağlanmış olacaktır. Plakanın boyutları 1000*1500*5 mm dir.
Şekil 3.12. Üst plaka 3.3.1.6. Kalıp Bağlama Aparatı Tasarımı Şekil 3.13. Kalıp bağlama aparatı Şekil 3.13 de görülen kalıp bağlama aparatı, iki adet 150*50*100 mm boyutlarında L plaka, iki adet 150*50*50 boyutlarında U profil, bir adet 200*150*15 mm boyutlarında plakalardan oluşmaktadır. Kalıbın ekseninin hidrolik pistonun eksenine göre ayarlamak için L plakanın yan yüzeyine 10*50 boyutlarında iki adet kanal açılarak eksenlerin kolay bir şekilde ayarlanması sağlanmıştır. 3.3.1.7. Akışkan Girişli Kapaklar
Şekil 3.14. Akışkan girişli kapaklar Şekil 3.14 de görülen akışkan girişli kapaklar her pistonda bir tane bulunmak üzere toplamda iki tane vardır. Kapaklar 60 mm iç çapında olup kalıbı kapatıp eksenel kuvvet sayesinde numuneyi kalıp içine oturtmak ve sıvı basıncı uygulamak için tasarlanmıştır. BÖLÜM 4 MATERYAL ve METOD 4.1. Makinenin Genel Görüntüsü Şekil 4.1. Sistemin genel görüntüsü 4.2. Çalışma Prensibi Butona bastığımızda her iki piston aynı anda ileri hareket etmeye başlıyor (Şekil 4.8 ve 4.9). Elimiz çektiğimiz zaman hidrolik pistonlar aynı anda geri geliyorlar. Sistemde 4/2 yön kontrol valfı (Şekil 4.6), iki adet hidrolik silindir, iki adet veya valfı kullanılmıştır(şekil 4.1).
Şekil 4.2. Deneyin devre şeması Analizler sonucunda güvenli olduğuna karar verildikten sonra malzeme listesi oluşturuldu. Bu listeye göre malzemeler temin edilerek üretimine başlandı. Üretim aşamasında, dört adet 50*50*500 ebatlarında birleştirilmiştir.zeminden profiller, 50 cm 50*50*1500 yukarı 20*5*1500 ebatlarındaki ebatlarında profillere federler kaynakla kaynatılarak desteklenmiştir. Oluşturulan masanın üst yüzeyine 5mm kalınlığında sac malzeme freze tezgahında kanallar açıldıktan sonra masanın üzerine kaynakla birleştirme yapılmıştır. Torna tezgahında hidrolik pistonların uç kısımlarına M20 diş açılarak sıvı basıncı vermek için t boru takıldı borunun bir ucuna sıvı pompalamak için hidrolik hortum diğer ucuna iç çapı 60 mm olan numuneyi kalıp içine koymamızı sağlayıp sıvı basıncı vermek için 2 adet akışkan girişli kapakların silindire montajı yapılmıştır(şekil 4.7). Pistonların yerleştirilmesi için ön ve arka kısımlarına bağlantı aparatları torna tezgahında hazırlandıktan sonra pistonlara bağlanarak, pistonların alt kısmına U profiller yerleştirilmiş ve plakaya altı köşe başlı cıvatalarla montajı yapılmıştır. 4/2 tek kollu yön kontrol valfini cıvatalarla masaya montajı yapılmıştır. Dört adet hidrolik hortumla piston ve yön kontrol valfine bağlantı yapılmıştır. İki adet hidrolik hortumla giriş ve çıkışı yağ tankına montajı yapılmıştır. Pistonların önüne takılan akışkan girişli kapaklardan sıvı basıncı vermek için T boru sayesinde 2 adet hidrolik hortum takılmıştır. Yağ sızması esnasında etrafa yağın akmasını önlemek amacıyla federlerin arasına 440*470*2 mm ebatlarında yağ altlığı yerleştirilmiştir. Kalıbın bağlanması için iki piston arasına iki adet U profil,iki adet L plaka ve bir adet plakadan oluşan sağa-sola ve yukarı aşağıya hareket edebilen bir aparat yerleştirilmiştir. Sistem Şekil 4.4 te görüldüğü gibi tamamlanmıştır. 4.2.Kullanılan Numunenin Tanıtılması Bu çalışmada kullanılmış olan tüp malzemesinin dış capı 60 mm, iç çapı ise 58 mm, et kalınlığı 1 mm, boyu 270 mm ölçülerindedir. Şekil 4.3 de kullanılan tüp malzeme görülmektedir. AL 1050 serisi alüminyum tüp kullanılmıştır.
Şekil 4.3. Kullanılan tüp malzeme Çizelge 4.1 Mekanik Özellikleri Tem Akma Çekme Uzam Sertli Temp Akma Temp Akma per Mukavem Mukavem a k er Mukavem er Mukave eti eti eti meti (MPa) (MPa) -50% (brine (MPa) (MPa) l) min-max min-max min- minmin-max minmax max max 0/H 20-35 65-80 38 20-21 0/H11 20-36 0/H11 20-36 111 2 2 HX2 60-85 90-100 30 HX2 60-86 HX2 60-86 HX4 90-105 110-115 9 35-36 HX4 90-106 HX4 90-106 HX6 120 0-130 39 HX6 121 HX6 121 HX8 110-140 130-150 5 43 HX8 110-141 HX8 110141 HX9 130-170 100-180 3 48-51 HX9 130-171 HX9 130171 Çizelge 4.1 Kimyasal Özellikler Fe 0,4 Si 0,25 Zn 0,07 Ti 0,05 Mg 0,05 Mn 0,05 Cu 0,05 Al 99,5 4.3. Malzeme Listesi Çizelge 4.1 Malzeme listesi. Say ı Adı ve Açıklamalar Parça numarası 1 Üst Plaka 500*1500*5 1 2 U profil 50*50*5*1500 2 4 L köşebent 50*50*5 3
2 Hidrolik piston 4 4 U profil 460*50*65 5 1 Yağ tankı 30 lt lik 6 1 3/8 Tekli kumanda kolu 7 2 Feder 1 1500*50*5 8 2 Feder 2 500*50*5 9 1 Hidrolik piston bağlantı plakası 1 10 1 Hidrolik piston bağlantı plakası 2 11 1 Silindirik pim çap:40 12 1 Yağ altlığı 440*470*2 13 2 U profil 140*50*5 14 8 Altı köşe başlı cıvata M24*80 15 8 Altı köşe başlı somun M24*20 16 8 Rondela 17 2 Boru bağlantı T rakor 18 1 3/8 R2 80cm Düz hidrolik hortum 19 1 3/8 R2 100cm Düz hidrolik hortum 20 1 3/8 R2 130cm Düz hidrolik hortum 21 1 3/8 R2 170cm Düz hidrolik hortum 22 1 3/8 R2 50cm Düz hidrolik hortum 23 1 3/8 R2 150cm Düz hidrolik hortum 24 1 3/8 R2 110cm Düz hidrolik hortum 25 5 3/8-3/4 Nipel 26 1 Hidrolik yağ tankı 30 lt/dk 24
Şekil 4.4. Makinenin genel görüntüsü Şekil 4.5. Sistemde kullanılan hidrolik yağ pompası
Şekil 4.6. Sistemde kullanılan yön kontrol valfi Şekil 4.7. Sıvı basıncı yapmaya sağlayan silindir kalıplar.
Şekil 4.8. Sol eksenel kuvveti sağlayan piston Şekil 4.9. Sağ eksenel kuvveti sağlayan piston
4.4. Deney Şekillendirme deneyinde, sıvı basıncı 15 MPa olarak kullanılmıştır. Şekil 4.10 da 150 bar basınçta kalıp içinde şekil almış numune gösterilmiştir. Şekil 4.11 da 15 MPa basınçta şekil almış numune gösterilmiştir. Şekil 4.10. 15 MPa basınçta kalıp içinde şekil almış numune. Şekil 4.11. 15 MPa basınçta şekil almış numune
BÖLÜM 5 SONUÇ VE ÖNERİLER 5.1. SONUÇLAR Yapılan bu çalışmada, tüp malzemeyi şekillendirme işlemine yardımcı olması için eksenel itme sisteminin tasarımı ve itme sistemiyle beraber sıvı ile basınç yapması sağlanmıştır. Yapılan çalışma ile hidrolik silindirlerden elde edilen kuvvetler ile numunenin akışkan kapakların içine girmesi sağlanmıştır. Tüp malzemenin kalıp içine kaymasına yardımcı olarak eksenel kuvvetle birlikte sıvı basıncını yapmayı sağlayan kapaklar yapılmıştır. Hidrolik pompa yardımıyla silindirlere ve sıvı basıncı yapmayı sağlayacak kapaklara basınçlı akışkanın gönderilmesi sağlanmış olup istenen debi ve basınç değerinde silindirler çalışmaktadır. Üretimi yapılan sistemde kalıp ayar plakaları ile farklı kalınlık ve yükseklikte kalıp kullanımı sağlandığında değişik tüp malzemelerin üretimi elde edilebilecek hale getirilmiştir. 5.2. ÖNERİLER Oluşturulan sistemde sıvı basıncı yapmamızı sağlayan hortumlara ayrı olarak birer vana takılırsa sistemin daha iyi kontrol edilmesi sağlanabilir. Farklı boyutlarda piston kapakları temin edilerek kullanım kapasitesi artırılabilir. Kullanılacak numunenin et kalınlığı ne kadar az olursa o orantıda daha az sıvı basıncıyla şekil verilebilir.
KAYNAKLAR 1. Şahin, S., Hidrolik şekillendirme yönteminin esasları ve sınıflandırılması, Mühendis ve Makine, 45 (533): 35-39 (2004). 2. Çelikayar, G., Yüksek basınç altında metallerin şekillendirilmesi (Hidro şekillendirme), III. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi, İzmir, 29-38 (2003). 3. McClintock, F. A., A criterion for ductile fracture by the growth of holes, Journal of Applied Mechanics, 35: 363-371 (1968). 4. Rice, J. R. And Tracey, D. M., On the ductile enlargement of voids on triaxial stres fields, Journal of Mechanical Physics and Solids, 17: 201-217 (1969). 5. Vollertsen, F., State of the art and perspectives of hydroforming of tubes and sheets, Journal of Materials Science Technology, 17 (3): 321-324 (2001). 6. Chen, F. K., Wang, S. J. And Lin, R. H., A study of forming pressure in the tube hydroforming process, Journal of Materials Processing Technology, 192-193: 404-409 (2007). 7. Yuan, S., Wang, X., Liu, G., Wang, Z.R., Control and Use of Wrinkles in Tube Hydroforming, Journal of Materials Processing Technology, 182: 6-11 (2006). 8. Esner, C., AA 5754 malzemesinde derin çekme isleminde baskı plakasının etkisinin teorik ve deneysel olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, 38-39 (2006). 9. Sahin, S., Hidrolik sekillendirme yönteminin esasları ve sınıflandırılması, Mühendis ve Makine, 45 (533): 35-39 (2004). 10. Koçar, O., Alüminyum 1050 tüplerin sekillendirilmesinin teoriksel ve deneysel olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, 2-3, 50-51, 55-56 (2006). 11. Singh, H., Fundamentals of hydroforming, 1st ed., Society of Manufacturing Engineers, United States of America, 1-35 (2008).
ÖZGEÇMİŞ Ümit ÜNALAN, 28.04.1987 Bolu doğumlu. İlkokulu Milli Egemenlik İlkÖğretim okulunda tamamladı. Orta okulu 50. Yıl Ortaokulunda okudu. Daha sonra 2001 yılında İzzet BAYSAL Anadolu Teknik Lisesinde elektronik bölümünde eğitimine devam etti. Orta öğretim bittikten sonra eğitimine 3 yıl ara verdi ve daha sonra 2008 yılında Karabük Üniversitesi Tasarım ve konstrüksiyon II. Öğretimi kazandı ve hala eğitimine devam etmektedir. ADRES BİLGİLERİ Adres Tel : : İhsaniye mah. özlem sok. defne apt B/blok no:13 0(536)647 42 82 E-posta : umit-unalan@hotmail.com Web : ümitünalan.wordpress.com