5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye METAL ENJEKSİYON KALIPLAMADA YOLLUK TASARIM SİSTEMATİĞİ RUNNER DESIGN SYSTEMATIC IN METAL INJECTION MOLDING Servet YÜKSEL a ve Cevdet GÖLOĞLU a, * a, * Karabük Üniversitesi, Tasarım ve Konstrüksiyon Anabilim Dalı, 78050, Karabük, Türkiye E-posta: cgologlu@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada metal enjeksiyonla parça üretmek için örnek bir parça üzerinde kalıp yolluk tasarım sistematiği tanıtılmıştır. Kalıp tasarımına esas olacak kalıp setine parça yerleştirilmesi ve yolluk tasarımı yapılmış, Vulcan analiz programı ile dolum, akış hızı ve sıcaklık analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler ile tasarım yenilenmiştir. Yeni yolluk tasarımın daha etkin sonuçlar vermesi neticesinde kalıp seti ve elemanlarının tasarımı gerçekleştirilmiştir. Makalede verilen sistematik ile metal enjeksiyonunda oluşabilecek hatalı parça ve kalıpların önüne geçilmesi, maddi kayıpların azaltılması sağlanmıştır. Anahtar kelimeler: Metal enjeksiyon, Tasarım sistematiği, Yolluk tasarımı, Yolluk analizi. Abstract In this study, a runner design systematic to produce metal injection parts is introduced on a sample part. Part accommodation to die set and runner design which are essential to die design were conducted. The analyses of fill, flow velocity and temperature were realized by Vulcan die casting analysis software. By the results obtained the runner design was renewed. Design of die set and its components were completed based on new effective runner design. Prevention of faulty parts and dies on metal injection and lessening economic losses were realized by the systematic given in the paper. Keywords: Metal injection molding, Design systematic, Runner design, Runner analysis. 1. Giriş İmalat sektöründe üretim miktarları ve kalite artışının yanında, tasarlanan parçanın karmaşık şekillerden oluşması ve klasik döküm yöntemleri ile üretilmesi zor olan parçaların imalinde metal enjeksiyon kalıpçılığının önemini artırmıştır. Düşük ergime sıcaklığına sahip çinko, alüminyum, magnezyum, kurşun, bakır alaşımları vb. metal alaşımlarının aynı boyutsal hassalıkta, yüksek basınç altında kalıplar yardımıyla üretilmesi (biçimlendirilmesi), metal enjeksiyon işlemi olarak ifade edilmektedir [1]. Üretilen parçaların kullanım alanları ve kimyasal koşullarına uygun alaşımların geliştirilmesini sağlamıştır. Bazı durumlarda estetik, beklenen amaç olabilirken, diğer bir durumda malzeme dayanımı önem kazanmaktadır [2-3]. Ürüne uygun malzeme belirlemek için dikkate alınması gereken noktalar; mekanik özellikler (dayanım, sertlik, şekil değiştirme), yaşlanmanın etkisi, ısı etkisi (akışkanlık, soğuma etkisi, dayanımdaki değişiklik), talaşlı imalata uygunluk (bitirme, parlatma, kaplama), kimyasal etkilere ve korozyona karşı dayanım, maliyet olarak ifade edilmektedir [4-5]. Bu çalışmada bağlantı elemanı olarak kullanılan muylu başı parçasının çoklu kapılama yöntemi ile üretilmesi için kalıplama sistematiği çalışılmıştır. Birden fazla kalıp boşluğuna sahip metal enjeksiyon kalıplarında kaliteli ürün elde edilmesindeki en önemli etkenlerden biri olan yolluk tasarımı parça için yapılmış, Vulcan analiz programı yardımıyla yollukların analizleri gerçekleştirilmiş, çıkan sonuca göre yolluk üzerinde bazı bölgelerde hatalarla karşılaşılmıştır [6]. Sorun çıkan bölgelerin düzeltilmesi için yeni bir yolluk tasarımına gidilmiş ve tekrar yapılan analizler sonucunda hataların giderildiği görülmüştür. Kalıp tasarımı için uygun yolluk doğrulanmıştır. Kalıp yarımları oluşturularak, maça, itici, ve merkezle sistemleri dahil olmak üzere kalıp konstrüksiyonu oluşturulmuştur. Uygulanan kalıp tasarım sistematiğinden başarılı sonuçlar alınmıştır. 2. Tasarımı Sistematiği Kalıp tasarımı, kalıplanacak parçanın tanımlaması ile başlar ve üretilmek istenen parçanın kullanım alanına göre fiziki ve kimyasal şartlara uyum sağlayabilecek alaşım seçilir. Alaşım türüne göre basınçlı döküm yöntemi belirlenir ve makine seçimi yapılır. Alaşım belirlendikten sonra kalıp yarımlarının oluşması için kalıp taslağı belirleme aşamasına geçilir. Bu aşamada kalıplanacak parça her iki kalıp yarımından çıkabilmesi için parça üzerinde verilecek çıkış açıları, malzeme özelliğine göre verilecek çekme payları, üretilmek istenen ürün adedine göre kalıpta oluşturulacak kalıp boşluğu sayılarının tespiti, kalıp yarımlarının oluşmasında ayırma yüzeylerinin belirlenmesi gibi basamaklar gerçekleştirilir. Sonraki aşamada yolluk tipi kararlaştırılarak parçanın en iyi şekilde dolumun gerçekleşmesi için malzemenin kalıp boşluğuna girişini sağlayacak giriş kanalın yeri belirlenir. Şekil 1 de kalıp tasarım sistematiği verilmiştir. Şekil 1. Kalıp tasarım sistematiği IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
3. Parçanın Tanımlanması Üzerinde çalışılan muylu başı parçasının talaşlı imalat yöntemi imal edilme maliyetlerin yüksek olması, üretim zamanın fazla olması nedenleriyle metal enjeksiyon yöntemi tercih edilmiştir (Şekil 2). Parça malzemesi olarak AISi8Cu3Fe alüminyum alaşımı belirlenmiştir [7]. Malzeme alaşım elementlerinden demir, yapışma risklerini azaltmakta, sıcaklıkta mekanik direnci iyileştirmekte, parçanın kalıptan çıkartılmasını kolaylaştırmaktadır. Silisyum, ötektik değere ulaşana kadar akabilirliği iyileştirmekte, çekintiye karşı hassasiyeti azaltmakta ve sıkıştırılmış parçalar elde edilmesine imkân sağlamaktadır. Bakır, çatlama risklerini, sertliği ve sıcağa karşı direnci arttırmakta ve işlenebilirliği iyileştirmektedir. Buna karşın, korozyona karşı direnci belirgin bir şekilde azaltmaktadır. Çok az miktarlarda bulunsa bile bu etkisi ortaya çıkmaktadır. Malzeme alüminyum alaşımlı bir malzeme olduğu metal enjeksiyon yöntemi olarak soğuk kamaralı basınçlı döküm yöntemi seçilmiştir (Çizelge 1). Şekil 3. Kalıp çıkış açıları Şekil 4. Kalıp ayırma yüzeyi Şekil 2. Muylu başı Çizelge 1. Muylu başı malzeme özellikleri Cinsi AISi8Cu3Fe Yoğunluğu 6,6 gr/cm³ Genleşme katsayısı 0,0000274/ C Katılaşma oranı 4-5 Ağırlık 82,1gr Hacim 12254mm 3 Yüzey alanı 7130,6mm 2 Genel Tolerans ±0,2 Çekme payı, teorik olarak alüminyum alaşımlarda %0,4-0,7 arsında alınmaktadır [5]. Kalıptaki verilecek tolerans ±0,2 mm değerinde göz önüne alınarak çekme payı %0,4 alınmıştır. Parçanın her iki kalıp yarımından çıkabilmesi için kalıp çıkış açılarının her iki kalıp yarımında da verilmesi gerekmektedir (Şekil 3). Kalıp imalinde parçanın bir kısmı hareketli kalıp yarımında, diğer kısmı ise sabit kalıp yarımı üzerine işlenmektedir. Parçanın her iki kalıp (çekirdek) yarımından da çıkabilmesi için, çıkış açılarının her iki kalıp yarımında da verilmesi gerekmektedir [8]. Çıkma açılarının parçada birleştiği düzlem, kalıp ayırma yüzeyidir (Şekil 4). Kalıptaki göz sayısı, bir baskıda çıkacak parça adedi anlamına gelmektedir. Bir baskıda ne kadar çok parça elde edilirse, işçilik süresinin kısalması ve üretim adetlerinin artmasına neden olacaktır. Kalıptaki göz sayısını belirleyen bazı etkenler, mevcut tezgâhın kapasitesi ve parçanın tasarımıdır. Parçanın büyük olması kalıbın tezgâh tablasına sığmayacak ebatlara ulaşması, özellikle parçanın yan duvarlarında maça yapılarak çıkarılacak deliklerin sayısı, yönü, kalıbın göz sayısını belirlemeyi sağlar. Şekil 4 de maça çıkarılacak yönler belirtilmiştir. Yan duvarlarda sadece bir yönde maça çıkartılmak istenen yer olduğundan kalıp göz sayısını etkilemektedir. Bir baskıdaki üretim sayısının fazla olması için kalıbın göz sayısı 12 adet olması kararlaştırılmıştır. 4. Yolluk Tipi Belirleme İdeal bir yolluk, yolluk kanallarına hızlı bir şekilde giren sıvı metalin düzenli ve eşit bir biçimde kalıp boşluğuna doğru yol almasını, kalıp boşluğunu tam olarak dolumunu sağlamalıdır. 4.1. Yolluk-I Birden fazla göz sayısına sahip parçalar için yolluk tasarlarken sıvı metalin tüm yolluk girişlerine aynı anda dolması gerekir. Yolluk tasarımında yolluk girişlerinin yerleri belirlemede daha simetrik olması ve sıvı metalin en kısa mesafeden kalıp boşluğuna girmesi düşünülmüştür. Yüksek basınçtaki malzeme, ana yolluk kanalından her bir parça için ayrı bir dağıtıcı kanalla giriş kanalından geçerek kalıp boşluğunu dolumu gerçekleşmektedir. Parçaların yollukla beraber kalıp boşluğundan birbirinden ayrılmadan çıkması ve fazla yer işgal etmesi için; taşma kanalları iki parça arasında olacak şekilde yeri belirlenmiştir ve yapılan tasarım Yolluk-I olarak adlandırılmıştır (Şekil 5).
Şekil 5. Yolluk I 4.1.1. Yolluk-I Kesitleri Yolluk kesitleri trapez şeklinde olup yan kenar açıları 20º verilmiştir. Yolluğun parçadan rahatça kesilebilmesi için parçanın giriş kesitinin yüksekliği 1,5-3 mm uzunluğu ise 3-5 mm arasında belirlenmiştir. Parça kesitinin en büyük et kalınlığı 6 mm olduğundan, bu boyutun yarısı alınarak giriş kesitinin yüksekliği 1,5 mm belirlenmiştir. Dağıtıcı giriş kesiti, parça giriş kesitini 2 katı olarak alınmıştır (Şekil 6). Şekil 7. Dolum analizi Şekil 8. Sıcaklık analizi Şekil 6. Ana dağıtıcı, dağıtıcı kanal, giriş kanal kesitleri 4.1.2. Analiz Uygulaması İlgili parça Vulcan Döküm Prosesleri İçin Simülasyon Yazılım programı [6] ile dolum, akış hızları ve sıcaklık analizleri yapılmıştır. Analiz parametreleri olarak; malzeme: AISi8Cu3Fe, kalıp sıcaklığı: 120ºC ve parça sıcaklığı: 370ºC girilmiştir. Şekil 7 de oklar ile gösterilen dağıtıcı kanallarda malzeme ilk parçalara göre daha hızlı dolumu tamamladığı için buradaki parçalarda diğerlerine göre daha fazla hava boşluğu oluşacaktır. Sıvı metal yüksek hızdan dolayı maça yüzeyinde sıcak yapışma oluşturacaktır. Yolluktaki en yüksek akış hızı değeri 78 m/sn dir (Şekil 9). Malzemenin kalıp içersine doluşunu gözleyerek, erğiyiğin nasıl bir şekilde akacağı konusunda ön fikir edinilir. Dolum analiz sonucuna göre, en son dolan parçanın sıvı metal sıcaklığı ile ilk dolan parça arasında farklılık olacaktır. Bu nedenle Şekil 7 de oklarla gösterilen bölgeler en son soğuyacak katılaşacağı için bu bölgelerde katılaşmadan kaynaklı porositilerin (boşlukların) oluşma ihtimali yüksek olacaktır. Buna rağmen, parçanın küçük olması nedeniyle çok büyük döküm boşlukların yerine küçük noktalar halinde mikro porosity (küçük boşluklar) oluşması muhtemeldir. Yolluk dolum sırasında malzemenin sıcaklığı en fazla olduğu bölge ana dağıtıcı kanal ve yan dağıtıcı kanallarda görülmekte ve sıcaklık en fazla 750ºC olmaktadır. Giriş kanalından itibaren sıcaklık değerleri azalmakta parça uç kısımlarına doğru 744ºC değerine düşmektedir (Şekil 8). Şekil 9. Akış hızı analizi
4.2. Yolluk-II Yolluk-I analiz sonuçlarına gösterilen bu hatayı (Şekil 7) düzeltmek için, yolluk tasarımında yolluk girişleri, daha farklı simetrik bir yapıda ve sıvı metalin parçaya yayılması daha kolay olan parçanın merkezine denk gelecek şekilde federlerin üzerinden verilmiştir (Şekil 10). Dağıtıcı kanalın köşelerine kavis verilerek metalin keskin köşelere yapışmaması ve laminer akış sağlayarak kalıp boşluğunun dolumunu kolaylaştırılmıştır. Bu yolluk tasarımı ile dökümden daha kaliteli parça elde edilmesi amaçlanmıştır. 4.2.2. Analiz Uygulaması Aynı şekilde dolum, akış hızları ve sıcaklık analizleri yapılmıştır. Analiz parametreleri olarak; malzeme: AISi8Cu3Fe, kalıp sıcaklığı:120 ºC, parça sıcaklığı: 370 ºC alınmıştır. Ana dağıtıcı kanaldan gelen sıvı metal dağıtıcı kanallara eşit bir şekilde dağılmaktadır. Dağıtıcı kanallarla iletilen sıvı metal her iki yönde bulunan giriş kanallarına eşit bir şekilde dağılarak kalıp boşlularının dolumu gerçekleşmektedir (Şekil 12). Şekil 10. Yolluk kanalları Yollukta toplam ağırlık bulunarak enjeksiyon makinesinin gramajından düşük olup olmadığına bakılır. Eğer toplam ağırlık makinenin gramajından fazla ise parçaların tam dolumu gerçekleşmez. Çözüm olarak kalıplanan parça sayısı azaltılarak makinenin toplam enjeksiyon gramajının altına düşürülmelidir. Taşma kanalı, kalıp boşluğunun daha iyi dolmasını sağlamak ve kullanılan fazla akışkan miktarından kaynaklanan kalıp ayrıma yüzeylerinin arasını açan çapak oluşmasını engellemek için kullanılır. 4.2.1 Yolluk-II Kesitleri Yolluk kesitleri trapez kesitli olup yan yüzeylerine 20º açılar verilmiştir. Yolluk giriş kesiti, parçanın en kalın et payının yarısı alınmaktadır. Yolluk kesitini fazla alınması gereksiz ısı ve basınç kayıplarına neden olmaktadır. Dağıtıcı kanal tabanına 5º eğim verilerek, enjeksiyonda basınç verilmeden önce dağıtıcı kanaldan parça giriş kesite ilk gelecek sıvı metalin soğuyarak giriş kanalının tıkamasının önüne geçilmiş olunur. Dağıtıcı kanalın kesiti giriş kanalına doğru daraltılarak malzemenin daha hızlı bir şekilde akışı sağlanmıştır. Tahliye kanallarının derinliği giriş kanalının derinliği kadar alınmıştır (Şekil 11). Şekil 12. Malzeme akış analizi Şekil 13 de bütün parçalarda gözlenen en son dolan bölgedeki oluşacak hava birikmesi parça içinde boşluk oluşmasına neden olacak ve hatalı bir ürünün çıkmasına sebebiyet verecektir. Bu bölgedeki havayı atmak için hava tahliye kanallarının açılması sağlanmıştır. Akışın en hızlı olduğu bölge giriş kanallarının bulunduğu bölgelerdir. Bu bölgede yaklaşık hız değeri 27 m/s dir. Akış hızının 40 m/s altında olduğu için türbülansa neden olmamaktadır (Şekil 14). Şekil 13. En son dolan bölgeler Şekil 11. Kanal kesitleri Şekil 14. Malzeme akış analizi
Malzeme sıcaklığın en fazla oldu bölgeler ana yolluk, giriş kanalı ve maçaların bulunduğu bölgelerdir. Sıcaklık değeri 750 ºC dır. Sıcaklığın en düşük olduğu bölgeler ise parçanın uç kısımları olan baş ve son kısımlarıdır (Şekil 15). kalıp üzerinde dört adet kılavuz kolonlar ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 15. Sıcaklık analizi Dolum analizinde akış yönlerini hız vektörleri şeklinde göstermektedir. Akış yönü ana dağıtıcı kanal boyunca paralel bir şekilde akmaktadır. Malzeme giriş kanalından itibaren parçanın her iki yönünde eşit olarak dağılmaktadır (Şekil 16). 5. Analiz Sonuçları Şekil 16. Malzeme akış yönleri Yolluk-I de malzemenin dolum süresi 0,033 sn dir. Yolluk II de parça giriş kanalının yeri parçanın orta kısmında verilmesiyle yolluk mesafesinin artmasından dolayı dolum süresinde artma gözlenmiştir. Yolluk-II de yolluk kanallarının kesitleri artırarak akış hızında düşme sağlanmıştır. Bu şekilde Yolluk I de görülen yüksek hızdan dolayı oluşacak hava boşluğu ve türbülans oluşma ihtimali ortadan kaldırılmıştır. Yoluk-II de yolluk kanaların boyutunun artmasından dolayı yollukta Yolluk-I e göre ısı artımı gözlenmiştir (Çizelge 2). Çizelge 2. Analiz karşılaştırması Dolum En yüksek akış süreleri (sn) hızları (m/sn) Sıcaklık ( C) Yolluk-I 0,033 78,25 749,78 Yolluk-II 0,034 60,55 749,89 6. Kalıp Konstrüksiyonu Kalıp konstrüksiyonu; parça iticileri, kalıp yarımları, maçalar, maça taşıyıcıları, plakalar, mekanik hareket sağlayan açılı pimler, kılavuz kolon, burçlar, kovan, pim ve bağlantı cıvatalarından oluşmaktadır. Kalıp 22 farklı toplam 148 adet parçadan oluşmuştur (Şekil 17). Hareketli ve sabit kalıp parçaları arasında istenilen karşılıklı pozisyonun sağlanması, hareketli kalıp üzerine dört adet burç ve sabit 7. Sonuç Şekil 17 Kalıp seti tasarım ve montajı Bu çalışmada 12 gözlü metal enjeksiyon kalıp tasarımı kalıp tasarımı sistematiği ile geliştirilmiştir. Önerilen sistematiğe göre örnek muylu başı parçası için, parça yolluk ile modellenip Vulcan analiz programı ile; dolum, akış hızı ve yönleri, sıcaklık analizleri yapılmıştır. Analiz sonucunda dolum hatası ile karşılaşılmıştır. Bu hatayı gidermek için çözüm yolu belirleyip yeni bir yolluk tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan yolluk analize tabi tutularak analiz sonuçlarına göre uygun yolluk tasarımı gerçekleştirilmiştir. Pro/Engineer Wildfire 2.0 BDT yazılımı programı ile üç boyutlu olarak kalıp, maçalar, maça taşıyıcı gibi ana parçalar dahil olmak üzere tüm kalıp modellenmiştir. Çalışma sonucunda çok göz gözlü kalıp boşluğuna sahip metal enjeksiyon kalıbın yolluk tasarımında en uygun yolluk tipi belirlenmiştir. Kaynaklar [1] Erişkin, Y., Hacim Kalıpçılığı, Yüksek Teknik Öğretmen Okulu Yayınları, Ankara, Mart. 1980. [2] Doehler, H. H., Çeviren: Bayvas, M.Ş., Basınçlı Döküm, Erkek Teknik Yüksek Öğretmen Okulu Matbaası, Ankara, 1974. [3] Sung, B.S., Kim, I.S., The molding analysis of automobile parts using the die-casting system, Journal of Materials Processing Technology, 201(1-3), 635-639, 2008. [4] Çiğdemoğlu, M., Basınçlı Döküm Cilt 1, Makine Mühendisleri Odası, Ankara, 1972. [5] Kluz, J., Çeviren: Gıyasettin Erci, Plastik ve Metal Döküm Kalıpları, Milli Eğitim Bakanlığı Etüt ve Programlama Dairesi Yayınları No.72. [6] Vulcan, Döküm Prosesleri İçin Simülasyon Yazılımı, 3B Dizayn, İstanbul. 2008. [7] Birol, Y., Forming of AlSi8Cu3Fe alloy in the semisolid state, Journal of Alloys and Compounds, doi:10.1016/j.jallcom.2008.02.093, 2008. [8] Göloğlu, C., Aldemir, İ., Yılmaz, G., Özgün Ürün Tasarımı ve İmalat Süreç Planlaması, Teknoloji, 9(4), 251-259, 2006.