METAL ŞEKİLLENDİRME PROSESİ ÜZERİNDEN GERİ ESNEME TELAFİ YÖNTEMLERİNİN İNCELENMESİ Emre ESENER, emre.esener@bilecik.edu.tr Bilecik S.E. Üniversitesi, Bilecik, Türkiye Mehmet FIRAT, firat@sakarya.edu.tr Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye ÖZET Geri esneme, özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan sac metal şekillendirme proseslerinde en sık görülen problemlerin başında gelmektedir. Geri esneme malzeme üzerindeki kuvvet kaldırıldığında geometride şekil bozukluğuna neden olmaktadır. Bu çalışmada, endüstriyel bir ürün olan tavan destek sacı parçası üzerinden geri esneme telafisi yöntemleri incelenmiştir. Geri esneme, proses parametrelerinin etkisi ve kalıp yüzeyi telafisi ile azaltılmıştır. Modelleme ve telafi aşamalarında Catia, sonlu elemanlar analizlerinde ise Dynaform yazılımları kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Geri esneme, sonlu elemanlar analizi, deneysel tasarım. ABSTRACT Sheet metal forming processes has been widely used as mass production tool especially in automotive and related industries. There are many manufacturing problems when considering sheet metal stamping parts. These may occur due to complexity of product geometry or formability related concerns such as tearing, wrinkling etc. Shape distortion problems like springback is another issue encountered during production.springback causes geometry deflection after removing the die tools. In this study, springback compensation methods were discussed on an industrial roof stiffener part. Springback compensation was investigated by the effects of process parameters and displacement adjustment. Catia software was used at modelling and compensation stages and Dynaform software was used at finite element analysis. Keywords: Springback, finite element analysis, desgin of experiment.
1. GİRİŞ The 16 th International Conference on Machine Design and Production Otomotiv ve havacılık sektöründe en yaygın uygulamalardan birisi sac metal şekillendirme prosesidir. Fakat yöntemin üretilen parçaların geometrilerinden dolayı karmaşık olması birçok problemi beraberinde getirmektedir. Şekillendirme sırasında ve sonrasında meydana gelen yırtılmalar, kırışmalar, kulaklanmalar bu problemlerden bazılarıdır. Fakat en sık karşılaşılan ve en önemli problem geri esnemedir. Geri esneme malzeme üzerindeki kuvvet kaldırıldığında geometride şekil bozukluğuna neden olmaktadır. Geri esneme miktarını tasarım aşamasında tahmin etmek hem akademik hem de endüstriyel açıdan önemlidir [1-5]. Geri esneme tahminde endüstriyel ve akademik alanda en sık kullanılan yöntem sonlu elemanlar analizleridir. Sonlu elemanlar analizleri ile prosesi gerçekleştirmeden sacın şekillendirme ve geri esneme durumu hakkında bilgi edinilebilir. Böylelikle zamandan ve maliyetten kazanç sağlanılmış olunur. Geri esnemeyi önlemek adına da birçok çalışma yürütülmektedir [6-10]. Sıcak şekillendirme günümüzdeki en efektif çözümlerin başında gelmektedir. Sıcak şekillendirme haricinde kalıp telafisi de kullanılan bir diğer yöntemdir. Sonlu elemanlar analizleri sonucunda elde edilen geri esneme değerlerine göre kalıp negatif yönde yeniden işlenerek malzeme geri esnediğinde istenilen geometriye gelmesi amaçlanmaktadır. Fakat bu iki yöntem de maliyetlidir. Bunun haricinde proses parametrelerinin değiştirilmesi ile de geri esneme azaltılabilmektedir [10-12]. Bu çalışmada yukarıda bahsedilen yöntemlerden kalıp yüzeyi telafisi ve proses parametrelerinin geri esneme üzerine etkisi incelenmiştir. Çalışmada endüstriyel bir uygulama olan tavan destek sacı şekillendirme prosesi incelenmiştir. Şekil-1 de tavan destek sacının görüntüsü verilmiştir. Proseste malzeme olarak çift fazlı çelik grubundan 0.8 mm kalınlığında DP600 çeliği kullanılmıştır. Parçalar Coşkunöz A.Ş. firmasında bulunan preslerde şekillendirilmiştir, şekillendirme sırasında parka tutucu kuvvet 526 kn dur. Şekillendirme sonrasında elde edilen parçaların yüzeyleri Gom Atos sistemi ile taranmış ve bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Taranan parça çalışma için sonlu elemanlar yüzeylerini karşılaştırmak adına referans bir yüzey olacaktır.
Şekil-1: Tavan Destek Sacının Araçtaki Konumu 2. PROSES PARAMETRELERİNİN ETKİSİ Şekillendirme işlemi tamamlandıktan sonra sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar analizlerinde Dynaform yazılımı kullanılmıştır. Sonlu elemanlar analizlerinde ön form verilmiş açınıma şekillendirme prosesi uygulanmış ve geri esneme değerleri tespit edilmiştir. Şekillendirme açık adımlı çözüm yöntemi ile geri esneme ise kapalı adımlı çözüm yöntemi ile analiz edilmiştir. Parça geometrisinde simetri bulunduğundan çözüm süresini kısaltmak adına ½ model kullanılmıştır. Simülasyonda eleman tipi olarak full integrated kabuk elemanlar kullanılmıştır. Sac açınımı ve ağ yapısı Şekil-2 de gösterilmiştir. İntegrasyon nokta sayısı 5, sürtünme katsayısı 0.125 ve kalıp hızı ise 2000mm/s olarak alınmıştır. Parça tutucu kuvvet 263 kn olarak verilmiştir. Şekil-2: Ön Form Verilmiş Sac Açınımı ve Ağ Yapısı İlk sonlu elemanlar analizi tamamlandıktan sonra çıkan yüzeyler, taranan yüzey ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sırasında iki parça arasında yüzey uyumluluk analizine bakılmıştır. Yüzey uyumluluk analizleri Catia yazılımında gerçekleştirilmiştir. Şekil-3 te presten çıkan sac ile sonlu elemanlar analizinden çıkan yüzeylerin yüzey uyumluluk analizi görülmektedir. Bütün yüzey karşılaştırmaları 0.8 mm endüstriyel bant içerisinde yapılmıştır. Yapılan yüzey uyumluluk analizi sonrasında iki yüzey arasında %71.6 uyumluluk olduğu
tespit edilmiştir. Yine ilk sonlu elemanlar analizi sonucu ile kalıp yüzeyi arasında %52.55 oranında uyumluluk olduğu görülmüştür (Şekil 4). İki parça arasındaki uyumluluk oranını arttırmak adına ise deneysel tasarım çalışması gerçekleştirilmiştir. Şekil-3: İlk Sonlu Elemanlar Analizi Yüzeyi İle Deneysel Yüzeyin Karşılaştırılması Şekil-4: İlk Sonlu Elemanlar Analizi Yüzeyi İle Kalıp Yüzeyin Karşılaştırılması Deneysel tasarım çalışması kapsamında bir veri kümesi içerisinden en iyi sonucun elde edildiği parametrelerin belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu çalışmada geri esnemeyi azaltmak adına sürtünme katsayısı (fs) ve parça tutucu kuvvet (bh f) proses parametreleri olarak seçilmiştir. Deneysel tasarım çalışması Ls-Opt yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Proses parametrelerinden, fs, 0.1 ile 0.25 arasında değişken olarak belirlenmiştir, bhf ise uygulanan kuvvetin 0.25 ile 4 katı arasında değişken olarak tanımlanmıştır. En uygun parametrelerini belirlemek için vekil model tabanlı deneysel tasarım yönteminin kullanılmasına karar verilmiş, vekil olarak ikinci dereceden polinom yanıt yüzeyi seçilmiştir. Tasarım noktaları ise D-Optimal yöntemiyle belirlenmiştir. Deneysel tasarım uygulanacak parametre dışında kalan değerler sabit olarak kabul edilerek en uygun parametre seçimi yapılmıştır. Bir diğer sınırlayıcı koşul ise malzemedeki incelme olarak alınmıştır, incelme %10 u geçmeyecek şekilde en uygun parametreler belirlenmiştir. Proses parametreleri için yanıt yüzeyi grafikleri Şekil 5 te verilmiştir. Sonuç olarak deneysel tasarım ile sürtünme
katsayısının 0.19, parça tutucu kuvvetin ise mevcut kuvvetin 2.125 katı olduğu durumun en iyi sonucu verdiği tespit edilmiştir. Bu durumdaki yüzey karşılaştırması Şekil gösterilmiştir. Şekil 6 da ise proses parametrelerinin geri esneme üzerindeki ağılık dağılımları görülmektedir. 5 te Şekil 5: Deneysel Tasarım Yöntemi İle Elde Edilen Yüzeyin Kalıp Yüzeyi İle Karşılaştırılması Şekil-6: Proses Parametrelerinin Geri Esneme Üzerindeki Ağırlık Dağılımı 3. KALIP YÜZEYİ TELAFİSİ Telafi için Catia yazılımı kullanılmıştır. Öncelikle geri esneme yüzeyi ile şekillendirme yüzeyi arasındaki farkı hesaplayan bir program yazılarak telafi için bir fark dosyası oluşturulmuştur. Geri esneme için elde edilen fark dosyası kullanılarak kalıp yüzeyleri geri esnemeye negatif yönde yeniden işlenmiştir. Kalıp telafisinin ardından elde edilen yüzey, Catia yazılımından alınarak tekrar simülasyona sokulmuştur. Yeni simülasyon sonucundaki geri esneme yüzeyi orijinal kalıp yüzeyi ile karşılaştırılmıştır (Şekil 7).
Şekil 7: Kalıp Yüzey Telafisi Sonrasında Sonlu Elemanlar Analizi Yüzeyinin Orjinal Kalıp Yüzeyi İle Karşılaştırılması 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Yapılan çalışmada sac metal şekillendirme prosesi üzerinden geri esneme telafisi yöntemleri incelenmiştir. Çalışmada endüstriyel bir parça olan tavan destek sacı kullanılmıştır. Öncelikle proses parametrelerinin geri esneme üzerine etkisi incelenmiştir. Yapılan deneysel tasarım analizi sonrasında sürtünme katsayısının 0.19 parça tutucu kuvvetin ise mevcut kuvvetin 2.125 katı olması durumunda geri esnemenin yaklaşık %3 oranında telafi edildiği tespit edilmiştir. İkinci bir yöntem olarak ise kalıp yüzeyi telafi edilmiştir. Burada geri esnemiş parça ile kalıp yüzeyi arasındaki fark kullanılarak kalıp yüzeyi geri esnemeye negatif yönde bu fark kadar telafi edilmiştir. Bu işlemim sonucunda ise elde edilen parça ile kalıp yüzeyi arasında yaklaşık %95 oranında bir uyumluluk tespit edilmiştir. Sonuç olarak bu iki yöntem karşılaştırıldığında daha maliyetli olmasına karşın kalıp yüzeyinin telafisi geri esnemeyi azaltmada oldukça etkili bir yöntem olarak öne çıkmıştır. TEŞEKKÜR Bu çalışmada sac metal şekillendirme işlemlerinin gerçekleştirilmesini sağlayan Coşkunöz Metalform fabrikasına ve yine Coşkunöz Metalform dan Mak. Yük. Müh. Mustafa Yenice ve Mak. Müh. Mesut Kaya ya teşekkür ederiz. REFERANSLAR 1. M. Samuel, ( 2000), Experimental and numerical prediction of springback and side wall curl in U-bendings of anisotropic sheet metals, Journal of Materials Processing Technology, Vol.105, pp 382-393. 2. W.D. Carden, L.M. Geng, D.K. Matlock, R.H. Wagoner, (2002), "Measurement of Springback ", International Journal of Mechanical Sciences, Vol.44, pp 79-101.
3. L. Papeleux and J. P. Ponthot (2002), "Finite element simulation of springback in sheet metal forming ", Journal of Materials Processing Technology,Vol.125-126, pp 785-791. 4. W.L. Xu, C.H. Ma, C.H. Li, W.J. Feng, (2004), "Sensitive factors in springback simulation for sheet metal forming", Journal of Materials Processing Technology, Vol.151, pp 217-222. 5. M. Firat, B. Kaftanoglu, O. Eser, (2008), "Sensitive Sheet metal forming analyses with an emphasis on the springback deformation", Journal of Materials Processing Technology, Vol.196, pp 135-148. 6. H. Livatyalı, T. Altan, (2001), Prediction and Elemination of Springback in straight flanging using computer aided design methods, Part 1. Experimental Investigations, Journal of Materials Processing Technology, Vol.117, pp 262-268. 7. H. S. Cheng, J. C., Z. C. Xia (2007), "An accelerated springback compensation method", International Journal of Mechanical Sciences, Vol.49, pp 267-279. 8. T. Meinders, I.A. Burchitz, M.H.A. Bonte, R.A. Lingbeek, (200 8), "Numerical product design: Springback prediction, compensation and optimization", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.48, pp 499-514. 9. G. Cafuta, N. Mole, B. Štok, (20 12), "An enhanced displacement adjustment method: Springback and thinning compensation", Materials and Design, Vol.40, pp 476-487. 10. H. Naceur, Y.Q. Guo, S. Ben-Elechi, (2006), "Response surface methodology for design of sheet forming parameters to control springback effects", Computers and Structures, Vol.84, pp 1651-1663. 11. S. Thipprakmas, W. Phanitwong, (201 1), "Process parameter design of spring-back and spring-go in V-bending process using Taguchi technique", Materials and Design, Vol.32, pp 4430-4436. 12. L. Tang, H. Wang, G. Li, (2013), "Advanced high strength steel springback optimization by projection-based heuristic global search algorithm", Materials and Design, Vol.43, pp 426-437.