5. Uluslrrsı İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Myıs 2009, Krük, Türkiye EKSTRÜZYONLA ŞEKİLLENDİRİLEN TİCARİ SAFLIKTAKİ ALÜMİNYUMUN SONLU ELEMANLAR METODUYLA MODELLENMESİ VE ANALİZİ FINITE ELEMENT MODELLING AND ANALYSIS OF EXTRUDED ALUMINIUM IN TRADE PURITY Hlil İrhim DEMİRCİ, * ve Htice EVLEN, *Krük Üniversitesi, Krük, Türkiye, E-post: hdemirci@kruk.edu.tr Krük Üniversitesi, Krük, Türkiye, E-post: hkgul@kruk.edu.tr Özet Ekstrüzyon işlemi oldukç phlı ir şekillendirme metodudur. Son yıllrd ekstrüzyon mliyetini ve iş gücü kyını minimum indirgemek için FEM modellemelerine ve nlizine oldukç yoğun ir ilgi oluşmy şlmıştır. FEM modellemesi tsrımcıy üretimde orty çıkilecek htlrın tsrım şmsınd ortdn kldırılmsınd üyük ir vntj sğlmktdır. Bu çlışmd elli ir koniklik çısı ve ekstrüzyon ornın ship ir klıp tsrlnrk deneysel uygulm ve FEM modellemesi gerçekleştirilmiş, her iki uygulmnın sonuçlrı geometrik olrk krşılştırılmıştır. Deneysel uygulmlr için ticri sflıktki lüminyum, nliz işlemi için ise progrmın kendi kütüphnesinde ulunn ve deneylerde kullnıln lüminyumun kimysl özelliklerini tşıyn Al 6063 mlzemesi seçilmiştir. Ekstrüzyon ornı %1.9 ve ekstrüzyon klıı koniklik çısı 3 olrk elirlenmiştir. Ypıln çlışmlr sonucund, deneysel olrk elde edilen oyutlrın FEM nlizi ile elde edilen oyutlrl ynı olduğu, yrıc FEM nlizi ile, şekil değiştirmeye şlyn kdr yük ve gerilim doğru orntılı, şekil değiştirmeye şldığı ndn itiren ise ters orntılı olduğu elirlenmiştir. Anhtr Kelimeler: Ekstrüzyon, FEM Anlizi, Alüminyum Astrct Extrusion is one of the very expensive forming methods. In recent yers intensive interests hve een given to FEM nd nlysis for decresing extrusion expenses nd lor power to minumum level. FEM modelling provides mojor dvntge t the design stgein order to eliminte the errors in mnufcturing. In this study n extrusion die hving certin conicl ngle nd extrusion rtio, hve een designed nd mnufctured. Experimentl nd FEM studies hve een performed nd oth results hve een compred. Aluminium in Trde Purity (AL 6063) selected for experimentl specimens, which contins chemicl properties of pure luminium used in experimentl studies, hs lso een set in progrm mteril lirry for FEM nlysis. Extrusion rtio hs een defined in 2% nd conicl ngle ws 3 degree for extrusion die. Results of experimentl study nd FEM nlysis shows tht the oth studies re in hormony with one nother nd geometricl dimensions re lmost identicl. In ddition, it is identified tht the lod is proportionl to strin until the mteril strts deforming, however it is inversly proportionl fter deforming. Key Words: Extrusion, FEM Anlysis, Aluminium 1. Giriş Ekstrüzyon, silindirik ir metl kütlenin ir lıcı (kovn) içinde üyük ir kuvvetle sıkıştırılıp ir klıptn geçirilerek kesit lnının küçültülmesi ve dolylı sı işlemidir [1]. Ekstrüzyon işleminin en önemli prçsı klıptır. İyi tsrlnmış ir klıın prçdki ozulmlrı engelleyeilmek ve elli tolernslrl üretileilmesi için sit ir çıkış hızın ship olmsı ve elli ir hızl sıln ürünün yine elli ir hızl çekilmesi ve soğutulmsı gerekir [2]. Alüminyum snyinde genel olrk ileriye ve geriye ekstrüzyon olmk üzere iki tip ekstrüzyon metodu uygulnmktdır [3]. İleriye ekstrüzyon metodu kovn içerisine yerleştirilen iyetin ıstmp dı verilen ir iticiyle uygulnn sınç etkisiyle, klıp oşluğundn geçirilmesi essın dynn ir yöntemdir. Geriye ekstrüzyon metodund ise içi oş ıstmpnın ucun monte edilen klıp, kovn içinde hreketli iken iyet hreketsizdir. Ekstrüzyon işleminin kompleks olmsı, ekstürize edilen mlzemenin doğrusl olmyn (nonliner) dvrnışı, ısıl değişkenlik, mlzeme ve klıp tkımı rsınd oluşn sürtünme gii nedenlerden dolyı klıp tsrımınd sorunlr neden olur [4-7]. Bun rğmen nliz ve şekillendirme işlemlerinin simülsyonu klıp geometrisinin tsrımınd üyük vntjlr sğlr [8]. Mühendislik uygulmlrınd genellikle yükü zltmk, gerilmeyi düşürmek y d mlzemenin mikro ypısını kontrol edeilmek için en uygun klıp şekli oluşturulmy çlışılmktdır. Son yıllrd FEM (Finite Element Modelling) metoduyl ypıln optimizsyon işlemleri, klsik mtemtik modelleme ypn ypısl mühendislikte optimum geometri tsrımı işlemiyle prlel olrk geliştirilmiştir [6,9,10]. Bu metot tsrım optimizsyonund etkilidir. Prç tsrımınd krşılşıln prolemler ve metl şekillendirme prosesleri (hddeleme, çekme, ekstrüzyon g..) lnınd oldukç yoğun olrk kullnılmktdır [8]. Bu proseslerin hepsindeki prolemlerin çözüm işlemi ynıdır. Ypıln tüm FEM modellemelerinde, modellenecek prçnın toplm lnı sonlu syıy ölünür. Bu elementler nod (düğüm noktsı) dı verilen noktlrdn irleştirilir. Ktı modellerde elemn dhil her noktnın yer değiştirmesi direk olrk nodl yer değiştirmeyle ilişkilendirilir. FEM nodl yer değişimlerini çözmeye ve unun için gereken kuvvetleri hesplmy çlışır. Bunun IATS 09, Krük Üniversitesi, Krük, Türkiye
için de gerilmeler uygulnn kuvvetle eşitlenir. Nodl yer değişimleri ypının hreketindeki her ir sitlemeyle tutrlı olmlıdır [8]. FEM, nodl yer değiştirme için eşitliğin koşullrını ceirsel ir eşitliğe dönüştürür. Denklemler ir kere çözülürse ütün elementlerdeki ktif gerilme ve gerinimler ulunilir. Sonlu elemnlr metodunun kullnılmsının önemli ir nedeni, prçyı çok syıd küçük prçlr ölerek prolemin doğru çözüm yolunu geliştirmesidir [8]. Bu çlışmnın mcı %1.9 ekstrüzyon ornın ship ekstrüzyon klıını FEM destekli olrk tsrlmk, simülsyonunu görmek, düşük sıcklık ve sınç ltınd ekstürize edilen mlzemenin geometrisinde oluşn değişimleri deneysel uygulm ve FEM modeli ile kıyslmk, ekstrüzyon esnsınd oluşilecek htlrı ve çıkck oln rtık mlzemeyi FEM modeli ile göreilmektir. 2. Sonlu Elemnlr Metodu (FEM) Sonlu elemnlr metodu, ekstrüzyon esnsınd oluşilecek gerilmeleri ve ekstrüzyon htlrını önceden tespit edeilmemizi sğlycktır. Bütün sonlu elemnlrl çözüm metotlrınd olduğu gii zı işlem smklrı tkip edilerek nliz işlemi gerçekleştirilmiştir. Bunlr; Geometrinin elirlenmesi, element tipinin ve mlzeme özelliklerinin elirlenmesi, cisme ğ örülmesi, sınır şrtlrı ve dış yüklerin elirlenmesi, çözüm oluşturm, elde edilen değerlere göre grfik ve şem oluşturulmsı, mesh işleminin tekrrlnmsı, sonuçlrın yorumlnmsı. FEM nlizi ypılck oln ekstrüzyon klıp sisteminin SolidWorks 2007 progrmınd zım, iş prçsı ve klıptn oluşn ktı model resmi 1/1 oyutlrd çizilmiş ve STL. formtınd kydedilerek Deform 3D progrmın yüklenmiştir. Ypıln çlışmd FEM nlizi Deform 3D pket progrmı kullnılrk gerçekleştirilmiştir. Sistem nlizi için plstik deformsyon ve ısı trnsferi tnımlmsı ypılmıştır. İşlem stndrdı olrk SI irim sistemi tercih edilmiştir. Ekstrüze edilen prçnın mlzeme tnımlmsı için ise progrmın kendi kütüphnesinden deneylerde kullnıln sf lüminyum ileşim ve meknik özelliklerini tşıyn Al 6063 seçilmiştir. Ekstrüze edilen prçy 50000 elementten, 9637 noktdn ğ örülmüştür. İşlem ilerlemesi 5 mm/sn olrk yrlnmıştır. Deformsyon sıcklığı şlngıç olrk 20 C verilmiştir. Ypıln nliz işleminde mlzeme için girilen diğer prmetreler Çizelge 1 de verilmiştir. Şekil 1. Numune ve klıp geometrisi Çizelge 1. Al 6063 lşımının meknik özellikleri. Elstisite Modülü 71000 MP Poisson Ornı 0,3 Yoğunluk 2700 Kg/m 3 Akm Gerilmesi 200 MP Tnjnt Modülü 200 MP Sürtünme Ktsyısı 0,25 3. Deneysel Uygulm Bu çlışmd deney numunesi olrk kullnıln ticri sflıktki lüminyum mlzemenin kimysl ileşimleri Çizelge 2 de verilmiştir. Deneysel çlışmd kullnıln u mlzeme metlik klı (kokil klıp) döküm yöntemiyle 20x150mm oyutlrınd üretilmiştir. Mlzemenin döküm sıcklığı ±5 C hsssiyetindeki kromel-lümel termokupol ile ölçülmüştür. Ticri sflıktki lüminyumun döküm sıcklığı 730 C olrk ölçülmüştür. Metlik klıplr, döküm işleminden önce 220 C ye kdr ön ısıtm işlemi ypılmıştır. Ergitme işlemleri 1100 C ye kdr çıkilen elektrik direnç ocğınd ypılmıştır. Çizelge 2. Deneysel numunelerde kullnıln ticri sflıktki lüminyum mlzemenin kimysl ileşimi. Numune Si Mg Cu Al Sf Al 0,476 0,527 <0,001 98,7 Döküm işlemleri sırsınd frklı soğum hızlrındn dolyı meydn geleilecek oln segregsyonlrı gidermek mcıyl dökülen prçlr 500 C de ir st homojenize edilmiştir. Homojenize edilen numuneler 20x50mm oyutlrınd kesilerek ekstrüze edilmiştir. Ekstrüzyon işlemlerinde kullnıln klıplr H10 sıck tkım çeliğinden ypılmıştır. Şekil 1 de tsrımı ve imltı ypıln ekstrüzyon klıı şemtik olrk verilmektedir. %1.9 ekstrüzyon ornın ship işlem için 3 klıp çısı verilmiştir.
c d Şekil 2. Ekstrüzyon klıı kesit görünüşü (Ölçüler mm cinsinden verilmiştir) Metlik klı döküm metoduyl üretilen lüminyum çuuklr ekstrüzyon işlemi için 50mm oyund kesilmiştir. Ekstrüze edilecek numuneler ısıl işlem fırınınd ir st 350 C ye kdr ısıtılmıştır. Isıl işlem fırınındn çıkrıln numuneler ısıtıcılı kovnlr konulrk sıcklıklrı muhfz edilmiştir. Ekstrüzyon işleminde kullnıln pres özellikleri Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3. Deneylerde kullnıln presin özellikleri. Pres Kurs Boyu Pres Bsınç Kpsitesi Pres Kuvveti 400 mm 400 Br 50 Ton Şekil 1 de verilen klıp sisteme monte edildikten sonr 200 C ye kdr ısıtılrk ekstrüzyon işlemleri ypılmıştır. Ekstrüze edilen numunelerde şekil ozukluklrı olmsı nedeniyle klıp sıcklığının yetersiz kldığı düşünülerek klıp sıcklığı 300 C ye çıkrılmıştır. Deneysel çlışmlrd kullnıln ekstrüzyon prmetreleri Çizelge 4 de verilmiştir. % 2 ornınd ekstrüze edilecek numuneler için hzırlnn 3 çılı klıplr, fişek ısıtıcılrl tüm işlem oyunc ısıtılmıştır. Çizelge 4. % 2 Ekstrüzyon deney şrtlrı. Mlzemelerin Giriş Sıcklığı Klıın Giriş Sıcklığı Numune Giriş Çpı Numune Giriş Boyu Pres Bsıncı 350 C±5 300 C±5 20 mm 50 mm 25~30 r Şekil 3. Deneysel uygulm ve FEM nlizi sonuçlrının krşılştırılmsı ) ve ) Deneysel uygulm; c) ve d) FEM uygulmsı Ypıln nliz işleminin sonucund ise mlzemede gerçekleşen uzm ve kesit drlm değerlerinin, deneysel uygulmd elde edilen değerler ile ynı olduğu (Şekil 3.), deneysel uygulmlrd olduğu gii numunenin üst ölgesindeki deformsyon ve ozukluklr FEM uygulmsınd d görülmüştür (Şekil 2 c ve d). Deneysel uygulm ve FEM nlizi ile ekstrüzyon işlemi sonrsınd elde edilen numune oyutlrı Çizelge 5 de verilmiştir. Çizelge 5. Deneysel ve FEM nlizi numune oyutlrının krşılştırılmsı Deneysel Uygulm FEM Anlizi Numune Çıkış Çpı (mm) 14 14.003 Numune Çıkış Boyu (mm) 100 100.02 4. Sonuçlrın Değerlendirilmesi ve Trtışm 20*50mm şlngıç oyutlrıyl ekstrüzyon işlemine ti tutuln numune ekstrüzyon işlemi neticesinde 14*100mm oyutlrınd elde edilmiştir. Ayrıc ekstrüzyon işlemi sonucund elde edilen numunelerin özellikle ıstmpnın stığı tepe noktsınd ozukluk ve ekstrüzyon htsı syıln dipçik (rtık mlzeme) oluştuğu görülmüştür (Şekil 2 ve ).
Şekil 5. ) Dre-yük grfiği ) Kuvvet-zmn grfiği 5. Sonuçlr Şekil 4. Deform 3D nliz simülsyonu ) Klıptn çıkış çpı, )Klıptn çıkış oyu Ayrıc nliz sonucund elde edilen grfikten mlzeme şekillenmeye şlyn kdr yük ve gerinimin doğru orntılı olrk değiştiği, mlzemenin şekillenmeye şlmsındn itiren ise ters orntılı dvrnmy şldığı görülmüştür (Şekil 4.). Bunun nedeni ise, uygulnn yükün etkisiyle klıın konik ölgesinde ekstrüze edilen mlzemenin deformsyon (şekil değiştirmeye) zorlnmsı, koniklik çısının sonund ise mlzemeye verilmek istenen form girmeye şlmsıdır. Aynı şekilde nlizden elde edilen yük-zmn grfiğinden özellikle mlzemenin klıp çısıyl şekillenmeye şldığı nd klıp ve zımy mksimum yükün uygulndığı görülmektedir (Şekil 4.). Ypıln çlışmlr sonucund elde edilen ulgulr şğıd sunulmuştur: 1. Ypıln deneysel uygulm sonucund mlzemenin %2 ornınd ekstrüze olduğu, 20*50mm oyutlrınd ekstrüzyon işlemine şlnırken mlzemenin 14*100mm oyutlrınd ekstrüzyondn çıktığı ve FEM nlizinin sonucund ise ynı şekilde mlzemenin 14*100mm oyutlrınd ekstrüzyondn çıktığı elirlenmiştir. 2. Ayrıc FEM nlizi ile ekstrüze edilen mlzemenin şekillenmeye şlyn kdr yük ve gerinimin doğru orntılı olduğu, mlzemenin şekillenmeye şlmsındn itiren ise ters orntılı olduğu görülmüştür. Yük-zmn grfiğine kıldığınd ise mlzeme klıp çısıyl şekillenmeye şlmsıyl klıp ve zımy gelen yükün mksimum seviyeye ulştığı elirlenmiştir. 3. FEM nlizi ile deneysel uygulm krşılştırıldığınd ise her iki çlışmnın d geometrik deformsyon çısındn irirleriyle ynı olduğu görülmüştür. Kynklr [1] Donti,L nd Tomesni,L., The prediction of sem welds qulity in luminum extrusion, Journl of Mterils Processing Technology 153 154 (2004) 366 373 [2] K.E. Cooke, S. Yng, C. Selcuk, A. Kennedy, D.G. Teer, D. Bele, Development of duplex nitrided nd closed field unlnced mgnetron sputter ion plted CrTiAlN-sed cotings for H13 luminium extrusion
dies, Surfce & Cotings Technology 188 189 (2004) 697 702 [3] Sh P K (2005) Alüminyum Ekstrüzyon Teknolojisi. çev. E. Keleşoğlu ve Y. Errsln, ASM Interntionl The Mterils Informtion Society, Ege Bsımevi, İstnul [4] Xinjin Dun, X. Vely, T. Shepprd, Appliction of finite element method in the hot extrusion of luminium lloys, Mterils Science nd Engineering A369 (2004) 66 75 [5] Juli Gutovsky, Jn Ketil Solerg, Hns Iver Lnge, Lrs Helge Andersen, Wer of Inconel 718 die during luminium extrusion cse study, Wer 256 (2004) 126 132 [6] Q. Li, C.J. Smith, C. Hrris, M.R. Jolly, Finite element investigtions upon the influence of pocket die designs on metl flow in luminium extrusion Prt I. Effect of pocket ngle nd volume on metl flow, Journl of Mterils Processing Technology 135 (2003) 189 196 [7] S. O. Onuh, M. Ekoj, M.B. Adeyemi, Effects of die geometry nd extrusion speed on the cold extrusion of luminium nd led lloys, Journl of Mterils Processing Technology 132 (2003) 274-285 [8] Bhr A. F. (2003) Finite Element Anlysis of Extrusion Dies. Yüksek Lisns Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Mkine Mühendisliği Bölümü, İstnul, 69 s. [9] C.J. Luis-Pérez, R. Luri-Irigoyen, D. Gstón-Ocho, Finite element modelling of n Al Mn lloy y equl chnnel ngulr extrusion (ECAE), Journl of Mterils Processing Technology 153 154 (2004) 846 852 [10] Q. Li, C.J. Smith, C. Hrris, M.R. Jolly, Finite element modelling investigtions upon the influence of pocket die designs on metl flow in luminium extrusion Prt II. Effect of pocket geometry configurtions on metl flow, Journl of Mterils Processing Technology 135 (2003) 197 203