KÜTLESEL PLASTİK ŞEKİL VERME YÖNTEMLERİ Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, Bölüm 19 12. Kütlesel Plastik Şekil Verme Yöntemleri Mehmet DEMİRKOL 1. Haddeleme 2. Haddelemeye benzer diğer yöntemler 3. Dövme 4. Dövmeye benzer diğer yöntemler 5. Ekstrüzyon 6. Çubuk ve Tel Çekme Kütlesel Plastik Şekil Verme Sac veya levha şeklinde olmayıp üç boyutlu hacme sahip ve kütleli başlangıç malzemesini istenen şekle getirmek için kullanılan yöntemlerdir. Başlangıç geometrileri: Silindirik çubuk ve kütükler, Dörtgen kesitli kütük ve slablar veya benzer şekiller. Bu yöntemler malzemeye yüksek gerilmeler uygulayarak istenilen şekli elde etmek üzere plastik şekil değişimine zorlar. Sıcak, soğuk veya ılık şartlarda uygulanır. Kütlesel Şekil Değiştirmenin Özellikleri Sıcak şekillendirmede çok büyük boyutlarda plastik şekil değişimleri yaratılabilir. Soğuk şekillendirmede pekleşme nedeniyle malzemenin dayanımında artış sağlanır. Az bazı zaman hiç malzeme kaybı meydana gelmez. Bazı yöntemler Net Şekle Yakın veya Net Şekil Verme yöntemleri olarak da tanımlanır. (Yani parçalar şekillendirme sonrası ya hiç ya da çok az talaşlı imalat işlemleri gerektirir) Dört Temel Kütlesel PŞV Yöntemi 1. Haddeleme Kütük, slab veya levhalar birbirine karşı dönen merdaneler arasında ezilerek şekillendirilir. 2. Dövme İş parçası karşılıklı hareket eden kalıplar arasında sıkıştırılarak kalıbın şeklini alması sağlanır. 3. Ekstrüzyon malzeme bir kabın içinde sıkıştırılarak uçtaki kalıbın kesitine sahip olacak şekilde şekil alması sağlanır. 4. Çubuk ve Tel Çekme Çubuk veya telin çapı bir kalıptan geçirildikten sonra çekilerek inceltilmesi sağlanır. 1. Haddeleme Şekil değişimi birbirine karşı dönen iki merdanenin malzemeye baskı uygulamasıyla gerçekleşir. Böylece malzeme kalınlığı incelmiş olur. Malzeme uzarken genişliğinde önemli bir değişme olmaz (Düzlem birim Şekil Değişim Hali?) 1
Hadde Merdaneleri Dönen merdanelerin iki önemli fonksiyonu vardır: 1. Öncelikle sürtünme vasıtasıyla malzemeyi yakalar ve merdane açıklılığına sürükler, 2. Aynı zamanda malzemeyi ezerek teorik olarak kalınlığını merdane arası açıklığın belirlediği değere indirir (yani kesit azaltır). Sert ve dayanıklı malzemelerden yapılır. Soğuk hadde merdaneleri daha parlak, sıcak hadde merdaneleri ise daha pürüzlü bir yüzey görünümüne sahiptir. Eşit hızlarda, birbirine karşı dönecek şekilde yüksek güçlü elektrik motoruyla tahrik edilir. Haddeleme Türleri İş Parçasının geometrisine bağlı olarak: Yassı Haddeleme- Yassı dikdörtgen kesitli malzemelerin kalınlığını azaltmak için kullanılır. Profil Haddeleme- Kare kesit malzemeden değişik kesitlerde profil imal etmek için kullanılır. Çalışma sıcaklığına bağlı olarak: Sıcak Haddeleme Büyük ve kaba şekil değişimlerinin gerektiği hallerde kullanılır. Soğuk Haddeleme Genelde sacların son bitirme pasolarında kullanılır. Haddelenmiş Çelik Ürünler Düz (yassı) Haddelemede Yan Görünüş Yassı Haddeleme Terminolojisi Profil Haddeleme Blum veya kütük malzemeden muhtelif pasolar (malzemeyi haddeden geçirme işlemi) kullanılarak istenilen kesitteki profile sahip ürün elde etmektir. Birden çok pasoda gerçekleştirilir. Bazı Ürünler: Yapı çelikleri, I-Profil, U- profil vb. Raylar Yuvarlak, dörtgen veya hegzagonal (altıgen) kesitli çubuklar. 2
Paso Tasarımı ve Programı Sıcak yassı haddelemede kullanılan bir hadde tezgahı (Bethlehem Steel Co). I-Profil Paso tasarımı U-Profil Paso Tasarımı Haddelerde Merdane Düzeni Merdane Düzenleri Hadde tezgahları ağır, çok yer tutan ve pahalı ekipmanlardır. Merdane Düzenleri: Tersinir ikili (düo) merdaneler Üçlü (trio) merdaneler Dörtlü (quarto) merdaneler (destek merdaneleriyle) Demet Haddesi Çoklu destek merdaneleriyle küçük merdaneler Tandem Hadde Düzeni arka arkaya sıralanmış ikili merdaneye sahip hadde tezgahları İkili (düo) Üçlü (trio) Merdane Düzenleri (devam) Tandem Hadde Düzeni Birbirinin ardı sıra dizilen hadde tezgahlarından oluşur. İş parçası birinden çıkıp diğerine girer. Haddeleme hızlarının koordinasyonu önemlidir (otomasyon) Dörtlü (Quarto) Demet Haddesi 3
Ovalama (PŞV le cıvata dişi oluşturma) Ovalama Yöntemi İki kalıp (tarak) arasında silindirik parçaların dış yüzeylerine ezerek (bastırarak haddeleme) diş oluşturma işlemi. Özellikle cıvata ve vidaların seri üretiminde çok önemli bir yöntem. Ovalama tezgahlarında gerçekleştirilir. Talaşlı İmalata göre avantajları: Yüksek üretim hızı Daha iyi malzeme kullanımı (hurda yok) Daha kuvvetli diş yapısı ve özellikle daha iyi yorulma performansı Halka Haddeleme Haddeleme Sorunları 1. Merdane Sıçraması: 2. Kapma Açısı: Haddeleme Sorunları (devam) 3. Merdanelerin Ovalleşmesi: 4. Merdanelerin Bükülmesi: 2. Dövme İki kalıp arasında sıkıştırılmak suretiyle malzemeye şekil verme yöntemidir. MÖ 5000 yıllarına dayanan Dünyadaki en eski plastik şekil verme yöntemidir. Ürünler: Motor krank milleri, biyel kolları, dişli taslakları, bazı yapısal uçak parçaları, jet motor parçaları, vb. Büyük parçaların kaba şekillendirilmesinde (örneğin hidro-elektrik santral jeneratör mili) açık kalıpla dövmeden yararlanılır. 4
Dövme Yöntemlerinin Sınıflandırması Sıcak-Soğuk Dövme: Sıcak (bazen ılık) Dövme Büyük deformasyonlar sağlanabildiği için en çok kullanılanıdır. Soğuk Dövme Yüksek dayanımlı (pekleşme) hassas boyutlu ve toleranslı parçaları (tercihan küçük) imal etmeye elverişlidir. Darbeli-Presleyerek Dövme: Darbeli dövme- (genellikle bu kullanılır) kuvveti ani olarak uygular. Presleyerek Dövme- Kuvveti yavaş uygular. Dövme Kalıplarına Göre Sınıflama Açık Kalıpta Dövme- Parça iki düz kalıp arasında sıkıştırılarak şekillendirilir. Malzemenin yayılması kontrol edilemez (zanaat) Kapalı Kalıpta Çapaklı Dövme- Kalıp boşluğunun geometrisi malzemenin o şekli almasını sağlar. Malzeme hareketleri kısıtlandığından kalıbın tam şeklini alması sağlanır malzeme fazlası çapak halinde kalıp dışına çıkar Kapalı Kalıpta Çapaksız Dövme- İş parçası kalıp içinde çapak olmaksızın şekillendirilir. Açık Kalıpta Dövme Kapalı Kalıpta Çapaklı Dövme Kapalı Kalıpta Çapaksız Dövme Açık Kalıpta Dövme Düz kalıplar arasındaki malzemeye basma gerilmesi uygulanır. Silindirik (eksenel simetriye sahip) parçaların basma deneyine benzer tarzda gerçekleştirilir. Deformasyon çapın büyümesine yüksekliğin azalmasına neden olur. Ayrıca Yığma olarak da bilinir. Silindirik bir parçanın yığılmasında deformasyon miktarı h ln o h şeklinde hesaplanır (ho ilk boy, h son boy). 5
Açık Kalıpta Sürtünmesiz Yığma İdeal şartlarda (sürtünmesiz) yığma kuvveti: F = σ. A ile hesaplanır. Burada A gerilmenin dik olarak etkidiği alandır. Açık Kalıpta Sürtünmeli Yığma İş parçasıyla kalıp yüzeyi arasındaki sürtünme malzemenin genişleme hareketini kısıtlayarak Fıçılaşma ya neden olur. Sıcak dövmede bu etki daha fazla hissedilir. Temas eden yüzeylerin soğuması ve malzeme dayanımının bu bölgelerde arması nedeniyle yayılma hareketi iyice kısıtlanır. Yığma kuvveti sürtünme etkisi ve geometrik etki nedeniyle (K katsayısı bunu belirler) artar: F = K. σ. A Açık Kalıpta Sürtünmeli Yığma (devam) Kapalı Kalıpta Çapaklı Dövme Şekillenecek parçanın tersinin işlendiği (kalıp boşluğu) iki kalıp arasında sıkıştırılmak suretiyle gerçekleştirilir. Kalıp boşluğunun dışında fazla metal çapak oluşturur. Çapak daha sonra kesilir ancak parçanın gerektiği gibi şekillenmesinde önemi vardır. Çapak oluşmaya başladığında sürtünme metal akışını kısıtlar ve kalıbın girintilerine metal dolar. Sıcak dövmede kalıba temas eden yüzeylerin soğuması nedeniyle metal akışı daha da kısıtlanır. Kapalı Kalıpta Çapaklı Dövme (devam) Kalıp Tasarımı Kapalı çapaklı dövme kalıplarının tasarımı: 1. Çapak Tasarımı: Çapak açıklığı ne fazla ne de az olmalı. Fazla olursa malzeme önce çapak haznesine dolar parça şekillendirilemez, az olursa malzeme sıkışır büyük basınçlar oluşur kalıp erken zarar görür. 2. Malzeme çekmesi ve tufal kayıpları, 3. Uygun Çapak Hattı (bölüm yüzeyi) seçimi, 4. İç ve dış köşe radyüsleri, 5. Kemerlerin kaburgalardan fazla olması 6. Kaburgalara eğim verilmesi 6
Kalıp Tasarımı (devam) 7. Karmaşık parçalarda kademeli dövme (biyel kolu) Avantajları ve Sınırlamaları Dövmenin Talaşlı imalata göre; Avantajları: Yüksek üretim hızı Az malzeme kaybı Daha yüksek dayanım ve tokluk Uygun tane yönlenmesi ve daha iyi malzeme özellikleri Sınırları: Hassas tolerans elde etmedeki zorluk Ek talaşlı imalata ihtiyaç duyulması Çapaksız Dövme Çapaksız Dövme Uygulaması Dövme Makinaları Çekiçler Dövme işlemlerinde kullanılan makineler şu şekilde bir sınıflamaya tabi tutulurlar: 1. Çekiçler (Şahmerdanlar) a. Serbest Düşmeli Çekiçler b. Güç Düşmeli Çekiçler c. Karşı Vuruşlu Çekiçler 2. Presler a. Mekanik Presler i. Eksantrik (veya kranklı) Presler ii. Friksiyon (vidalı) Presler b. Hidrolik Presler Güç Düşmeli Karşı vuruşlu Çok kullanılır, titreşim problemi Enerji verimi yüksek, eksen problemi, alt kalıp hareketi 7
Mekanik Presler Güç düşmeli çekiç (şahmerdan) (Chambersburg Engineering Company). Enerji kısıtlı, kısa ve küçük parçalar için uygun Çok kullanılır. Enerji kısıtlı Hidrolik Pres Yavaş (sıcak dövmede sorun), kuvvet kontrollü ve yüksek kuvvetlerde basma imkanı Kafa Şişirme (Yığma) Çivi, perçin ve cıvata başlarının şekillendirilmesinde kullanılır. Çubuk şeklindeki malzeme makineye yüklenir. Soğuk ve sıcak yapılabilir. Sıcak şişirme yapılması halinde endüksiyonla ısıtma donanımı kullanılır. Kafa şekillendirildikten sonra ürün boyuna kesilir. Cıvata ve vidaların imalatında bundan sonra ovalama yönteminden yararlanılır. Kafa Şişirme Uygulaması Çapak Kesme Çapaklı kapalı kalıpta dövme sonrası oluşan çapağın kesme kalıbında kesilerek uzaklaştırılması. 8
3. Ekstrüzyon Basma gerilmeleri ile malzemenin sıkıştırılması ve bir kalıptan o kalıbın şeklini alarak akmaya zorlanması ile gerçekleştirilen şekillendirme işlemidir. Diş macunu tüpüne uygulanan basınç ile diş macununun akıtılması işlemine benzer. Belirli bir kesite sahip malzemenin uzun boylarda malzeme yettiğince sürekli üretilmesini sağlar. Başlıca iki türü vardır: a. Direk Ekstrüzyon (ileri) b. Endirek Ekstrüzyon (geri) Direk (İleri) Ekstrüzyon Direk (İleri) Ekstrüzyon Direk Ekstrüzyon (devam) İçi Boş Profillerin Ekstrüzyonu İşlem sıcak veya soğuk yapılabilir. Yuvarlak kesite sahip ham madde olan takoz kalın cidarlı silindirik bir kap olan kovan içine yerleştirilir. Takoz bir ıstampa vasıtasıyla ileri doğru ittirilir, ürün yönü ve ıstampa yönü aynıdır. Mamulün kesit özelliklerini kalıp belirler. Ekstrüzyon işlemi sırasında takoz sonuna kadar basılmaz ve kovan içinde bir miktar artık malzeme kalır. Direk ekstrüzyonda dolu ve boş kesitli (boru gibi) ürünler elde edilebilir. Endirek (Geri) Ekstrüzyon Hidrostatik Ekstrüzyon Kalıp/kovan sürtünmesinden kurtulmak için hidrostatik ekstrüzyon kullanılır. Sıvı kovan ile takoz arasında bulunur. İşlemi sıcak yapılamaz. Yüksek kuvvetler gerekir. Şekil verme miktarı sınırlıdır. Ayrıca sızdırmazlık gerekir. 9
Ekstrüzyonun Üstünlükleri 1. Muhtelif şekillerde ancak uniform kesite sahip uzun yarı-mamullerin üretimi için çok uygundur, 2. Soğuk ekstrüzyonla dayanım arttırmak mümkündür, 3. Mamul boyutlarında yeterli hassasiyeti sağlamak daha kolaydır, 4. Üretim sırasında zayiat ve hurda kaybı daha azdır. Ayrıca; Sıcak ekstrüzyon uzun, sürekli ve karmaşık kesitli mamul üretimine uygundur. Soğuk ekstrüzyonla kısa ve tekil parçalar üretilir. Darbeli Ekstrüzyon hızlı yapılan soğuk ekstrüzyona verilen isimdir. Ekstrüzyonda Şekil Değişimi Miktarı Ekstrüzyonda Kompleks Kesit Ekstrüzyon Presleri Çoğunlukla yatay hidrolik presler kullanılır. Ekstrüzyonla üretilen ve Isı kanadı olarak kullanılan bir profil (Aluminum Company of America) Ekstrüzyon Kusurları 4. Çubuk ve Tel Çekme Kalıp boşluğundan geçirilmiş bir çubuk veya tele ucundan çekerek kesit küçültülmesi işlemidir. Ekstrüzyonun uygulanan kuvvet anlamında tersi gibidir. (Basma-Çekme). Her ne kadar çekme uygulansa da aslında kalıp malzemeye endirekt olarak basma gerilmeleri uygular ve şekillendirme bunun sonucunda gerçekleşir. 10
Çubuk Çekme Çubuk Çekme Tezgahı Tel Çekme Tel çekme işleminde ise işlemin arka arkaya gerçekleştirildiği çok tamburlu (4 ile 12 arasında ardı ardına sıralanan kalıp sistemlerine uygun) ırgat (bocurgat) sistemleri kullanılmaktadır. Boru Çekme Çubuk/Tel Çekme Matrisleri (kalıpları) Kalıp Açısının Önemi Çekme işleminde matris ile malzeme arasında çok büyük sürtünme gerilmeleri oluşur. Hidrodinamik yağlama yapılır. Matrisler içinde yağlayıcı sıvı bulunan kutularda bulunur. Matris malzemesi olarak sinterlenmiş sert metal kullanılır. Kalıp açısı çekme kuvvetini düşük tutmak açısından önemlidir. Küçük açı sürtünme kaynaklı kuvvet artışına, büyük açı ise deformasyon işinden kaynaklanan kuvvet artışına neden olur. 11
Malzemenin Çekme İşlemine Hazırlanması 1. Tavlama (Isıl İşlem) Malzeme (genelde filmaşin olarak isimlendirilir) sünekliğini veya şekillendirilebilme özelliği kazanması için tavlanır. 2. Yüzey Temizleme Isıl işlem sonrası veya uzun bekletilme sonrasında yüzeyde oluşan tufal ve pas temizlenir. Asidik banyolar ve/veya kum püskürtme uygulanır. Temizleme sonrası yüzeylere kireç kaplanır (yağ emmesi için). 3. Malzeme ucunun kesitini küçültme Malzemenin kalıp boşluğundan geçmesi için uç dövme, tornalama gibi yöntemler kullanılabilir. 12