DÜŞÜK KARBONLU ÇELİK LEVHALARDA ZIMBA HIZININ KESME YÜZEYİ GEOMETRİSİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ Özet-Bu çalışmada düşük karbonlu çelik levhalarda (St37) zımba hızının kesme yüzeyi geometrisine etkisi incelendi. Bu maksat için; 3.5mm kalınlığındaki düşük karbonlu çelik levha, (siyah sac), farklı kalıp aralığına(sac kalınlığına göre %4, %4.5, %5, %5.5, %6) sahip kalıplar kullanılarak, 0.01 m/s (hidrolik pres), 0.5 m/s (eksantrik pres) ve 10 m/s (yüksek enerjili şekillendirme presi), zımbalama işlemi yapıldı. Elde edilen numunelerde, kesmekopma yüzey oranı, yüzey pürüzlülükleri, çapak oluşumu ve kavislenmeleri incelendi. Yüksek zımba hızlarında ve uygun kalıp aralığında yapılan kesmelerde kavislenmede, kesme yüzeyinde azalma, kopma boyunda artma tespit edildi. Kopma ve kesme yüzeylerinin ortalama yüzey pürüzlülüğünde yüksek hızda yapılan zımbalamada kayda değer bir azalma tespit edildi. Anahtar Sözcükler: Yüksek Enerjili Şekillendirme, Yüzey pürüzlülük, St37, Kavislenme
1. GİRİŞ Metal şekillendirme ile elde edilen ürünlerin özelliklerinin gittikçe karmaşık hale gelmesi, metal deformasyon yöntemlerinin geliştirilmesini de beraberinde getirmektedir. Tasarlanan ürünlerin en düşük maliyette ve en iyi kalitede üretmek, üretim dünyasının temel hedefini oluşturmaktadır. Bu nedenle pek çok yatırımcı ve araştırmacı geleneksel üretim yöntemlerini geliştirerek alternatif yöntemler bulmak için çalışmaktadır[1 3]. Kesilerek veya zımba ile delinerek şekillendirilen metal levhalar özellikle otomotiv ve elektrik endüstrisinde büyük kullanım alanına sahiptir. [4,5]. Yüzde kalıp boşluğu ve kesilecek parçanın şekli kesme operasyonunun iki önemli parametresidir. Kesme yüzeyinin kalitesi zımba ile kalıp arasındaki mesafe olan kalıp boşluğuna bağlıdır. Kalıp boşluğu, kesilecek levha malzemenin sertliğine bağlı olarak, levha kalınlığına oranla %4 12 arasında değişmektedir.[6] Y.A. Khan ve arkadaşları zımba geometrisini değiştirerek, Kenji HIROTA ve arkadaşları ise negatif kalıp boşluğu vererek yaptıkları değişikliklerin yüzey geometrisine olan etkilerini incelemişlerdir.[6,7] Bu çalışmada patlamalı-mekanik sistem ile çalışan, enerji kaynağının patlatılmasıyla oluşan yüksek enerjiyi doğrudan işparçasına aktaran Yüksek Enerjili Şekillendirme (YEŞ) presi tasarlanıp imalatı yapıldı ve düşük karbonlu çelik levhalarda (St37) zımba hızının kesme yüzeyi geometrisine etkisi incelendi. Bu maksat için; 3.5mm kalınlığındaki düşük karbonlu çelik levha, (siyah sac), farklı kalıp aralığına(sac kalınlığına göre %4, %4.5, %5, %5.5, %6) sahip kalıplar kullanılarak, 0.01 m/s (hidrolik pres), 0.5 m/s (eksantrik pres) ve 10 m/s (yüksek enerjili şekillendirme presi), zımbalama işlemi yapıldı. Elde edilen numunelerin, kesme-kopma yüzey oranları ve pürüzlülükleri, çapak oluşumu ve kavislenmeleri incelendi. b. DENEYSEL ÇALIŞMA 2.1 Zımbalama Makinesi 1960 lı yılarda plastik şekillendirme ile ilgili yeni üretim prosesleri geliştirilmiştir. Bunlardan Yüksek Enerjili Şekillendirme (YEŞ) diye adlandırılan, malzemeyi şekillendirirken enerjiyi yüksek oranda aktarma işlemi uygulayan yöntem de o yıllarda geliştirilmiştir[8,9]. Konvansiyonel metotlarla üretilen ürünler, YEŞ presleriyle üretilirse, yüksek hız oranında
aynı maliyetle, daha yüksek kalitede üretilebilir ve bunlar son işleme gereksinim duymazlar[10]. Bu makinede şekillendirme enerjisinin ihtiyaç yerinde üretilmesi, enerji dönüşümlerini en aza indirerek, enerji kayıplarını azaltması düşünülmektedir. Bu çalışmada dış ortamdaki havayı alarak yakıtla beraber sıkıştırıp ve patlamayı krankın 360 derecesinde yani bir turunda yapan içten yanmalı motorların iki zamanlı kısmından yararlanılmıştır. Tasarlanıp imal edilen YEŞ presinin performansının tespiti için şekillendirme işleminde zamana göre çekicin yer değiştirmesinin tespiti; çekice sabitlenmiş mıknatısın yer değiştirmesini algılayan manyetik cetvel ile olmaktadır. İşparçasına aktarılan yükün tespitini alt kalıbın altına yerleştirilen loadcell sağlamaktadır. Manyetik cetvel ve loadcell in verilerini sağlıklı şekilde bilgisayara aktara bilmek için veri toplama cihazı (10 6 veri/saniye) kullanılmaktadır. Manyetik cetvel, loadcell ve veri toplama cihazının bağlantılarının şematik görünümü Şekil 1 de verildiği gibidir. Şekil 1 Manyetik cetvel, loadcell ve veri toplama cihazının bağlantılarının şematik görünümü
2.2 Materyal ve Metot Bu çalışmada siyah sac (St37) levhalarda kesme yüzey kalitesine zımba hızının etkisi incelendi. Bu maksat için; 3.5mm kalınlığındaki siyah sac levha farklı kalıp aralığına(sac kalınlığına göre %4, %4,5, %5, %5,5, %6) sahip kalıplar kullanılarak, 0.01 m/s (hidrolik pres), 0.5 m/s (eksantrik pres) ve 10 m/s (yüksek enerjili şekillendirme presi), zımbalama işlemi yapıldı. Her bir kalıp ve makine için 3 er numune alınıp hata payının azaltılması düşünüldü. Elde edilen numunelerin kesme ve kopma yüzeylerinin yüzey oranları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntülerinden yararlanılarak tespit edildi. Numunelerin çapak yüksekliği ve kavislenme ölçümleri yapıldı. Elde edilen numunelerin kesme ve kopma yüzeylerinin ortalama yüzey pürüzlülük (Ra) değerleri ölçüldü. Şekil 2 zımbalamada oluşan şekillerin şematik gösterimi verilmektedir. Şekil 2 Zımbalamada oluşan şekillerin şematik gösterimi
2.3 Sonuçlar ve tartışma Üç farklı makine de elde edilen numunelerin kopma ve kesme yüzeylerinin genel durumu Şekil 3 de görülmektedir. Hidrolik preste %5,5 kalıp boşluğunda yapılan zımbalamadan çıkan parçanın kesme kısmının tüm alana oranı %33, eksantrik preste %6 kalıp boşluğunda %30, YEŞ de %6 kalıp boşluğunda ise %25 olarak tespit edildi. Bu durum, zımbalama hızı arttıkça kesme yüzeyinde azalma, kopma yüzeyinde artma olduğunu göstermektedir. (a) (b)
(c) Şekil 3. Kopma ve kesme yüzeylerinin genel görünümü (a)hidrolik pres, (b)eksantrik pres (c)yeş Şekil 4 de 3,5mm kalınlığındaki St37 siyah sac levhanın 5 ayrı kalıp boşluğunda ve 3 ayrı makine de yapılan zımbalama işlemimde elde edilen çıkan parça kesilen yüzey yüzdeleri grafik olarak verilmektedir. Kalıp boşluk yüzdesi azaldıkça 3 makinede de kesilen yüzey yüzdelerinde artış gözlenmektedir. Zımbalama işlemlerinde ideal olarak kabul edilen % 33 (1/3 kesme yüzeyinin tüm yüzeye) oranı zımbalamada kullanılan makinelerde aynı kalıp boşluğunda farklılık göstermektedir. İdeal oran hidrolik preste % 6, eksantrik preste % 5,5, HERF de % 5 kalıp boşluğunda sağlanmaktadır. Bu durum, zımbalama hızı arttıkça ideal kabul edilen kesme yüzey yüzdesini elde etmek için yüzde kalıp boşluğunun azaldığını göstermektedir. Şekil 4. 3,5mm kalınlığındaki St37 Siyah sac levhanın 5 ayrı kalıp boşluğunda ve 3 ayrı makine de yapılan zımbalama işlemimde elde edilen kesilen yüzey yüzdeleri
Şekil 5 deki grafik 3 farklı makineyle 5 farklı kalıp boşluğunda yapılan zımbalama işlemlerinde kopma ve kesme yüzeylerinin ortalama pürüzlülük seyrini göstermektedir. Kalıp boşluklarının hepsinde de zımbalama hızı arttıkça ortalama pürüzlülük değerlerinin azaldığı görülmektedir. İdeal kesme yüzey oranı (%33) ile en düşük ortalama pürüzlülük değerlerinin her makine için aynı kalıp boşluğunda olduklarını Şekil 4 ve Şekil 5 deki veriler desteklemektedir. (a) (b) Şekil 5. Farklı makineler kullanılarak5 farklı kalıp boşluğunda elde edilen ortalama pürüzlülük değerleri(a)kesme yüzeyi, (b)kopma yüzeyi
Şekil 6 da farklı zımbalama hızlarına sahip makinelerden elde edilen çıkan parça numunelerinin kopma ve kesme bölgelerinin ayrıntılı SEM görüntüleri görülmektedir. Yüzeyler üzerinde belirtilen ortalama pürüzlülük değerleri (Ra) 5 farklı kalıp boşluğunda (sac kalınlığına göre %4, %4.5, %5, %5.5, %6) elde edilen değerlerin ortalamasıdır. Zımbalama hızının artmasıyla kopma ve kesme bölgelerinde tespit edilen ortalama pürüzlülük değerlerinde azalma görülmüştür. HERF de yapılan zımbalama hidrolik ve eksantrik presle kıyaslandığında sırasıyla kopma bölgesinde %28 ve %15, kesme bölgesinde %20 ve %6 azalma tespit edildi. (a) (b)
(c) Şekil 13. Kopma ve kesme yüzeylerinin ortalama pürüzlülük (Ra)değerleri ve bu değerlerin alındığı yerler görünümü (a)hidrolik pres, (b)eksantrik pres (c)herf Elde edilen numunelerde çapak yüksekliklerinde kayda değer bir fark tespit edilmemiştir. Farklı makinelerde yapılan zımbalama işlemlerinde oluşan kavislenmeler Tablo 1 de verilmiştir. YEŞ presinde yapılan zımbalamada çıkan numunedeki kavislenmenin diğer makinelerle yapılan numunelere kıyasla kayda değer azalma olduğu tespit edilmiştir. Tablo. Zımbalama makinelerine göre çıkan numunelerin kavislenmesi Kullanılan Malzeme Zımbalamada kullanılan makineler Hidrolik Pres (0,01m/s) Eksantrik Pres (0,5m/s) YEŞ (10m/s) Kavislenme (mm) (3,5 mm kalınlığındaki St37) 0,11 0,5 0,2 3. SONUÇ Bu çalışmada, enerji kaynağının patlatılmasıyla oluşan kinetik enerjiyi doğrudan işparçasına aktaran patlamalı-mekanik YEŞ presi prototip olarak tasarlanıp imal edilmiştir. Bu maksat için; 3.5mm kalınlığındaki düşük karbonlu çelik levha, (siyah sac), farklı kalıp aralığına(sac kalınlığına göre %4, %4.5, %5, %5.5, %6) sahip kalıplar kullanılarak, 0.01 m/s (hidrolik pres), 0.5 m/s (eksantrik pres) ve 10 m/s (yüksek enerjili şekillendirme presi), zımbalama işlemi yapıldı. Bu çalışma sonucunda: İki zamanlı içten yanmalı motor kullanılarak yüksek şekillendirme hızı elde edildiği, Zımbalama hızı arttıkça kesme yüzeyinde azalma, kopma yüzeyinde artma olduğu,
Zımbalama hızı arttıkça ideal kabul edilen kesme yüzey yüzdesini elde etmek için yüzde kalıp boşluğunun azaldığı, İdeal kesme yüzey oranı (%33) ile en düşük ortalama pürüzlülük değerlerinin aynı kalıp boşluğunda olduğu, YEŞ de yapılan zımbalama hidrolik ve eksantrik presle kıyaslandığında kopma ve kesme bölgesinde ortalama pürüzlülük değerlerinde önemli oranda azalma olduğu, YEŞ presinde yapılan zımbalamada çıkan numunelerdeki kavislenmenin diğer makinelerle yapılan numunelere kıyasla kayda değer azalma olduğu tespit edilmiştir. 4. KAYNAKLAR [1] V. P. Astakhov, S. V. Shvets, A novel approach to operating force evaluation in high strain rate metal-deforming technological processes, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 117 (2), 2001, p. 226-237. [2] E. Kanca, N.F. Yılmaz, Ö. Eyercioğlu, Yüksek enerjili şekillendirme (YEŞ) presinin tasarım ve imalatı, TMMOB Makine Mühendisleri Odası Konya Şubesi IV. Makine Tasarımı ve İmalatı Teknolojileri Kongresi,11. 2007 [3] E. Kanca, İ. H. Karahan, Ö. Eyercioğlu, Shear-surface improvement of the austenitic stainless steel AISI 304 using high-speed punching, OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS RAPID COMMUNICATIONS Vol. 2, No. 12, December 2008, p. 822-827 [4] S. Thipprakmasa, S. Rojananan, P. Paramaputi, An investigation of step taper-shaped punch in piercing process using finite element method, Journal of Materials Processing Technology 197 (2008) 132 139 [5] K. Hirotaa, Y. Tsukiyama, T. Yasuumi, Precision blanking of thin sheet metals with the help of chemical etchingi, Journal of Materials Processing Technology 201(2008) 209 213 [6] Y. A. Khan, S. M. Ganesan, H.Valberg, P.T.Moe, A. W. Hansen, Deformation conditions in conventional shearing dependent on geometrical prameters of tooling, Int J Mater Form (2008) Suppl 1: 535-538 [7] K. Hirota, H. Yanaga, K. Fukushima, Experimental and numerical study on blanking process with negative clearance, Journal of Solid Mechanics and Material Engineering, Vol 3 No 2 2009 [8] S.A. Tobias, Survey of the development of Petro-Forge forming machine, Machine Tool Design Research, 1985, p. 105-197. [9] E. Kanca, N.F. Yılmaz, Ö. Eyercioğlu, Yüksek enerjili şekillendirme (YEŞ) presleri, MetelMakina, Mayıs-Haziran 2008 [10] R Davies, E.R. Austin, Developments in high speed metal forming, New York: Industrial Press Inc. 1970.