İmalat Yöntemleri - II Sac Şekillendirme İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 1 SAÇ ŞEKİLLENDİRME SAÇ ŞEKİLLENDİRMEDE GENEL TEST METODLARI ÇEKME TESTİ S Sa aç ç ş şe ek ki il ll le en nd di ir rm me e g ge en ne el l o ol la ar ra ak k k ka ar rm ma aş şı ık k b bi ir r i iş şl le em md di ir r. .B Bü ük km me e, ,g ge er rm me e d de er ri in nç çe ek km me e i iş şl le em ml le er ri i p pa ar rç ça ay ya a b bi ir rl li ik kt te e u uy yg gu ul la an nı ır r. .B Bu u n ne ed de en nl le e , ,s sa ac cı ın n “ “mekanik özelliklerini” ” b be el li ir rl le em me ek k i iç çi in n e en n i iy yi i y yo ol l ç çe ek km me e d de en ne ey yi id di ir r. . HİDROLİK ESNEME TESTİ Bu testte saç, hidrolik yolla tümsekleştirilir.Bunun için kalıp kullanılır. Şekil değiştirmeler ? › 0,7 kadar çıkartılır.Pek çok durumda bu yolla elde edilen akma eğrileri,çekme yolu ile elde edilen eğrilerden epeyce farklı çıkar.Bu sapma,sacın dik yöndeki anizotropisi ile açıklanabilir.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 2 FORMİNG LİMİT DİYAGRAM –FLD- (I) Sacın yüzeyine yuvarlak daireler çizip sacı çeki ve bası yüklerine maruz bıra kalım.Bu işlem sonucu “yuvarlak daireler” ile “doğan gerilme” ler arasında ilişki vardır.Bir seri deney sonucu , max.strain’ler (elipsin büyük eksenine karşılık gelen) min.strain’ler(elipsin küçük ekesenine karşılık gelen) değerler kaydedilsin.Birleşme noktalarından FLD diyagramı çizilir. FLD diyagramı sacın şekillenebileceği bölge ile şekillene miyeceği bölgeyi ayırır.Çizilen strain’ler kritik noktalardır.Bu noktalardaki çatlaklar,şekil verme için “UYGUN” sayılır. “iyi” ve “hasarlı” bölgeler arasında -kritik def. bölgesi- vardır. FORMİNG LİMİT DİYAGRAM -FLD -(II) FLD diyagramı sacın farklı bölgelerinden, yarı-küresel bir zımba ile şeritlere “derin çekme” işlemi uygulama sonucu çizdirilir.Şeritlere çatlak oluşuncaya kadar derin çekme yaptırılır.Her özel saç için bu test tekrarlanmalıdır.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 3 ERİCHSEN TESTİ Sacın tek başına şekillendirilmesinde “ tümsek yüksekliğini” belirlemek için Erichen veya Olsen testi yapılır.Çatlak oluşuncaya kadar saç zorlanır. Derin çekme zımbasının derinliği ( mm olarak ) ölçülür.Detaylı bilgi DIN 50101 ‘ de mevcuttur. SWİFT CUP TESTİ-(I)- Sacın şekillenmesi derin çekmeye benzediği için “Derin çekme oranı sınırı” tayini için swift cup testi yapılır.Çapları gittikçe artan yuvar lak dairesel parçalar derin çekme işlemine tabi tutuluyor.Çatlama durumuna gelen max.çap tayin edilir.Bu değer zımba çapına bölünür Böylece “derin çekme oran sınırı”› ß o = D o max / d o bulunur. SWİFT CUP TESTİ-(II)-Bu test yardımıyla,plastik anizot ropiden dolayı kenar boyunca cidar kalınlığı değişimi olan “KULAK TİPİ ÇIKINTI” özelliği ölçülür.Bu tür bir olaya meyil “Z” ile değerlendirilir.Aşağıda bir şerit’in zayıf olanı ile ,güçlü olanının kulak tipi çıkıntı etkisi görülmektedir. Z= [(h max - h min ) / 0,5 ( h max + h min )] .% 100 Z=[ (h max - h min ) / h min ].%100İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 4 SWİFT CUP TESTİ-(III)- Aşağıda, EN AW-3004 şerit malzemenin sıcaklık ve soğuk def.oranının “kulak tipi çıkıntı” üzerine etkisi gösterilmiştir. HACİMSAL METAL ŞEKİLLENDİRME TEST METODLARI UPSETTİNG TESTİ Bu test,silindirik parçayı iki kalıp arasında döverek eğri çizdirme’dir.Bu deneyden amaç,uygulanan kuvvet ile strain’de fıçılaşmadan dolayı oluşan hatayı görmektir.Çünkü parça ile kalıp arasındaki sürtünme bu hatayı doğurur. BURMA TESTİ Bu test’te , silindirik bir parça,ekseni etrafında hareket eden bir tork ile burulur.Ölçülen tork’tan gerilme hesaplanabilir,burulma açısından’da strain hesaplanır.Deformasyon esnasında,numune geometrisi hemen hemen hiç değişime uğramadan kalır.Strain hızı çeki ve dövme testlerinden daha kolay sabit tutulabilir.Bu yüzden bu test,özellikle yüksek sıcaklıklardaki deformasyon işlemlerinde çok faydalı olur.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 5 PLANE-STRAİN TEST Karşılıklı iki dikdörtgen kalıp,kalın bir parça üzerine bastırılır.Plane-strain şart elde etmek için (b/h) oranı 6’yı geçmelidir.Test esnasında yük altındaki alan sabit kalır.Bu yüzden yükseklik azalmasının deneysel hata sı ,gerilme içine yayılamaz.Ama strain içine yayılır.Çünkü s f (F)=F/(a.b) dir.Kalıp kenarları boyunca gerilme birikimi kırılmanın başlamasına sebep olur. ŞEKİLLENDİRME İŞLEMİNDE AKMA OLAYI Bu bölümde ; • Akma yerinin tanımı, • Akma yerinin niçin önemli olduğu? • Saç metal şekillendirmede anisotropi’nin etkisi, • Akma yerini tayin etmek için kullanılan deneysel metotlar, • Farklı akma kriterlerinin sınırları ve avantajları • Teorik modeller içinde en uygun akma kriterinin hangisi olduğu? • Saç metal şekillendirilme proseslerinin analizi, İle ilgili konular anlatılacaktır. TRESCA AKMA KRİTERİ Bu kritere göre , malzeme elastik halden plastik hale ? max “kritik bir değere” ulaştığı zaman geçer.Bu değer gerilme tipinden bağımsızdır.Genel ifadesi : Max {|? 1 – ? 2 | , |? 2 – ? 3 | , | ? 3 – ? 1 |} = ? ak Burada ? 1 > ? 2 > ? 3 asal gerilme plane strain şartlar için (? 3 = 0) alınırsa o zaman yukarıdaki denklem ; ? 1 – ? 2 = ? ak = 2 k Eğer ? 1 > ? 2 ise ? 2 – ? 1 = ? ak = 2 k Eğer ? 2 > ? 1 ise olur. VON-MİSES AKMA KRİTERİ Bu kritere göre ,hidrostatik basınç malzemenin plastik akmasına sebep olamaz.Yalnızca , “distorsiyon enerjisi” malzemeyi elastik durumdan plastik duruma geçirmede etkili olur.Elastik distorsiyoın enerjisi kritik bir değere erişirse plastik akma başlar.Genel formül ise ; ( ? 1 – ? 2 ) 2 +( ? 2 – ? 3 ) 2 + ( ? 3 - ? 1 ) 2 = 2 ? ak 2 şeklindedir. Plane-strain için ? 3 = 0 alınırsa ; ? 1 2 +? 2 2 - ? 1 .? 2 = ? ak 2 olur. Bu denklem bir elips gösterir.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 6 TRESCA VE VON-MİSES AKMA YÜZEYLERİ Aşağıdaki diyagramlarda, Tresca ve Von Mises akma kriterinin uzaydaki grafikle gösterimi görülmektedir.Tresca akma kriteri,polyhedron(çok yüzü olan üç boyutlu) ile gösterilirken,Von Mises akma kriteri bir silindir ile gösterilmiştir.? 1 – ? 2 düzlemleri ile polyhedron kesit kesişmesinden bir “polygon” doğarken, ? 1 – ? 2 düzlemleri ile silindirik yüzeylerin kesişmesinden bir “elips” doğar. ANİSOTROPİ’NİN ÖNEMİ Bu terim, test yapılan yönde malzeme özelliğine bağımlılığı ifade eder Anizotropi’nin üç önemli kaynağı vardır. * Tek kristallerde olduğu gibi doğuştan veya orijinal anizotropi * Plastik deformasyon öncesi veya deformasyona bağlı kazanılmış anizotropi * Son yapısal anizotropi Plastik anizotropi (r) ; sırasıyla genişlik ve kalınlık yönündeki strainlerin oranıdır. Yani : ( r ) = ? 2 / ? 3 Klasik yöntemde (r) uzamanın % 20 si olan durumdur.Normal ( r ) değeri ise sacın üç yönü ile ilgili bir değer olarak (r) =( r 0 + 2.r 45 +r 90 ) / 4 alınır. Planar olarak yönle ilgili (r) in değişimi ise ; (r) =( r 0 + r 90 - 2.r 45 ) / 2 alınır. Anizotropinin üç farklı yönde değişimi Anizotropinin iki farklı yönde değişimi Hadde yönüne dik (t), hadde yönünde (l) strainleri arasındaki oran ( r b ) r b = ( ? t / ? l ) İkieksenli anizotropi katsayısı ‘dır. Burada ? t = ln (dt/d) , ? l = ln (dl /d) dir. İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 7 ŞEKİLLENDİRME MEKANİZMALARI ŞEKİLLENDİRMENİN TANIMI Şekillendirme : Katı bir malzemeye, yeni bir yüzey yapısı,şekli ve özelliği kazandırmak için kontrollu yapılan işleme “şekil verme “ denir. Şekil verme kabiliyeti ; En önemli malzeme özelliklerinden birisidir. Çünkü (Al), şekil verme açısından en önemli metallerden birisi iken dökme demir en kötülerden birisidir.Yüksek mukavemetli olma, şekil verme kabiliyetini düşürür. Şekillendirme çok çeşitli açılardan sınıflandırmaya tabii tutulur. * GERİLME DURUMU yönünden ; Basınç etkisi ile ( Haddeleme , dövme, extrüzyon ) Çeki-bası etkisi ile (Tel çekme,derin çekme,dövme) Germe etkisi ile ( Uzatarak şekil verme) Eğme etkisi ile (Lineer hareket eden takımlarla ve dönel hareket eden takımlarla saç şekillendirme ) * GERİLME DURUMU yönünden ; Kayma etkisi ile (ikiz yolu ile ve deformasyonla şekil verme ) * HAMMADDE DURUMU yönünden ; Saç’lara şekil verme (iki boyutlu - cidar kalınlıkları sabit) Hacimsal parçalara şekil verme (üç boyutlu – cidar kalınlıkları farklı) * ŞEKİL VERME SICAKLIĞI yönünden ; Soğuk şekil verme (Parça ısıtılmaz) Sıcak şekil verme (Parça ısıtılır) * KUVVET UYGULAMA yönünden ; Direkt kuvvet etkisi (Dövme,extrüzyon,) İndirekt kuvvet etkisi (Derin çekme) Çekme kuvveti etkisi (Tel çekme) ŞEKİLLENDİRMENİN SINIFLANDIRILMASIİMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 8 AKMA GERİLMESİ :Bir malzemenin plastik şekil değiştirme ye karşı direncidir, veya tek eksenli çekme gerilmesi altında plastik deformasyon başlatmak, sürdürmek için gerekli olan gerilmedir. Gerçek gerilme : ? g = F/A Mühen. gerilme : ? müh = F/A 0 Hacim sabitliği V 0 = V A 0 .L 0 = A.L den ; (A 0 .L 0 ) / L = A olur. ? g = F / (A 0 .L 0 ) / L ? g = ? müh . (L/ L 0 ) * Uzamalarla ilişki Mühendislik uzaması ? müh = ( L – L 0 ) / L 0 ? müh = L/L 0 - 1 (? müh +1)= L/L 0 olur Gerçek uzama formülü ise ; ? ger = ?(dL /L ) ? ger = L0 ? L (dL /L ) = L n | L | ? ger = L n L - L n L 0 = L n ( L/L 0 ) ? ger = L n (? müh +1) olur. Homojen olarak şekil değiştirme yapıldığında ilk hacim=son hacim HACMİN SABİTLİĞİ KURALIİMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 9 Homojen olarak şekil değiştirme yapıldığında hacmin sabitliğinin matematiksel ifadesi aşağıdaki gibi çıkartılır. Plastik deformasyon hızı ve ivmesinin etkisi ? Def.miktarını zamana göre türetirsek , hız elde ederiz ; Hız ? ’ = d? /dt olur. Buna dayanarak ; ? ’ h + ?’ b + ?’ l = 0 yazılır. Deformasyon hızı (?’) ile takım hızı (V)’nı birbirinden ayırt etmek gerekir.Homojen bir basma işleminde herhangibir (h) yüksekliğinde ; Bu iki hız arasındaki ilişki ; ?’ = V tak / h şeklindedir. Plastik deformasyon ivmesi : plastik deformasyon hızını zamana göre türetirsek ; ?’’ = d?’/ dt olur Oda sıcaklığında akma eğrileriİMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 10 Yüksek sıcaklıklarda akma eğrileri Ortalama akma eğrileriİMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 11 SÜPER PLASTİSİTE İnce taneli poli-kristalli bir malzeme uzatılarak çekme şartlarında plastik deformasyona maruz bırakıldığında “özel bir sıcaklık” ve “özel bir yükleme “şartlarında kopmadan önce boğum yapmaksızın şekillenebilme kabiliyetine süperplastisite adı verilir.Veya tek eksenli deformasyonlarda uzama % 200 ün üzerinde ise buna süperplastisite denir.Bazı malzemelerde bu uzama % 1000’in bile üzerinde görülmüştür.Şimdiye kadar kaydedilen en büyük uzamalar % 4870-7750 ile Pb-Sn ötektik alaşımı ile % 5500-8000 arasında Al-bronzu’nda gözlenmiştir. SÜPERPLASTİSİTE-TANE BOYUTU – II- Süper plastisitenin şartlarından birisi de malzemede ince taneli yapının olmasıdır.İnce tane için, matrix tane sınırlarında ikinci faz partikül’leri olmalıdır.Bu nedenle pek çok super-plastiklik gösteren malzemeler olarak otektoid (Fe-C gibi),ötektik(Al-Ca gibi),monoötektoid (Zn-Al gibi)bileşikleri esas alınır.İnce tane için termomekanik işlemler uygulanır.Al alaşımlarının çoğu zirkonyum ilavesiyle süperplastik özellik kazanır.Zira (ZrAl 3 ) Çok ince zirkonyum dağılımı tanelerin iri oluşmasını engeller.İkinci fazın mukavemeti matrix yapının ki ile aynı olmalıdır.Eğer 2.ci faz sert olur sa, partikül/matrix arayüzeyinde boşluk oluşabilir.Gerçi bu boşluklar bazı mekanizmalarla sönümlenebilirler. TANE SINIRI KAYMASI- III- Süper plastik def.esnasında hakim olay yüksek açılı tane sınırı kaymalarıdır.Düşük açılı tane sınırı kaymaları sıcak işlem esnasında görülür.Tane sınırı bu olay için oynak değişken olmalıdır.Taneler eşit eksenli olmalı ki tane sınırı kaymalara müsaade etsin.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 12 SÜPERPLASTİSİTDE AKMA GERİLMESİ-IV- Süperplastik malzemelerin akma gerilmesi, def.hızının,sıcaklığın ve tane boyut’unun bir fonksiyonudur.Yani bunlardan etkilenir.Malzeme davranışı da geleneksel malzemelerden farklıdır. Akma gerilmesi ?ak = C.?’ m ile ifade edilir. Burada C›sıcaklığa,mikroyapıya ve numune içindeki kusura bağlı bir malzeme mukavemet katsayısıdır. (m) › ise malzemenin def. Hızı hassasiyet katsayısıdır. I.Bölge : m değerinis beten düşük süperplastik lik açıkça yok II.Bölge :süperplastik lik yalnızca bu bölgede var,hızla beraber gerilme de artar.tane boyutu küçülür. III.Bölge : m değeri nisbeten küçük süperplastiklik açıkça yok. DEFORMASYON HIZI HASSASLIK KATSAYISI-(m değeri)-V- Süperplastisite de (m) önemli bir parametredir. Boğum oluşmasına karşı malzemenin bir direnci anlamına gelir.I.Bölge : (m) nisbeten düşük süperplastiklik açıkça görülmez. II.Bölge : (m) in yükselmesi boğumlaşmaya karşı direnme anlamına gelir.Azalan tane boyutuna karşılık artan sıcaklıkla artar.III.Bölge : (m) düşük süperplastisite açıkça görülmez .İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 13 (THİXOFORMİNG ) YARI KATI-SIVI HALDE SICAK ŞEKİLVERME PROSESİ YARI KATI-SIVI SICAK ŞEKİL VERME Aşağıdaki diyagramda iki farklı alaşımın yarı katı-yarı sıvı halde önce döküm,sonra hangi sıcaklık aralığında dövülerek şekil verildiği gösterilmektedir. YARI KATI-SIVI SICAK ŞEKİL VERMEDE MALZEME YAPISI- Normal aluminyum’un iç yapısı dentrit şeklinde iken,yarı katı-yarı sıvı halde şekil vermede globullar (küresel)i nce taneli yapı oluşmaktadır.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 14 TRİBOLOJİ VE SÜRTÜNME DERİN ÇEKMEDE TRİBOLOJİ Saçların şekillenmesinde takım ile sacın temas noktalarında sürtünme vardır. Sürtünme katsayısı ? = F R / F N şeklinde veya ? = ? R / ? N gibi ifade edilir.Bu ifadeler, yavaş hız,yağsız ve düşük basınçlar için geçerlidir. Oysa pek çok şekil vermede özel yağ, yüksek hız ve basınçlar kullanılır. Sürtünme katsayısı ? ; yağlamadan, saç malzemesi ve kaplamasından, takım malzemesi ve kaplamasından, takım-saç malzeme ikilisinden, normal basma ve derin çekme hızından etkilenir. DERİN ÇEKMEDE SÜRTÜNME BÖLGELERİ Derin çekme işleminde çeşitli noktalarda sürtünme alanları vardır. * Saç tutucu - yağ – sac * Sac – yağ –çekme kalıbı * Sac – yağ –kalıp radyüsü Birbirine temas eden bu yüzeylerde sürtünmenin min. olması arzu edilir.Yüksek sürtünmenin olduğu kısımlar ise ; * Zımba kenar radyüsü –yağ – sac * Zımba kenarı –yağ – sac Çekme kuvvetleri zımba üzerinden şekil verilen alan üzerine doğru transfer edilir.Yani zımba alt kısmında,zımba radyüsünde,zımba yan yüzeylerindeki kuvvetler,simetrik bir parça derin çekilirken iş parçasına aktarılır.Bu yüzden takım-iş parçası arasındaki sürtünme,olabildiğince yüksek olur. SÜRTÜNME MEKANİZMALARI-I-İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 15 SÜRTÜNME MEKANİZMALARI-II- Saç metalin derin çekilmesinde aynı anda sıvı, katı ve sınır sürtünmeler oluşabilir. * Sıvı sürtünme’de ; hidrodinamik basınç, yağın hidrostatik basıncı ile örtüşebilir.Yağ , normal basıncın saç yüzeyine geçmesine izin verir. * Sınır sürtünme’de ; yağ filmi, çok sıkı şekilde basılır, öyle ki yüzeyler temas etmez.Bazen akma gerilmesine ulaşıldığında iş parçası yüzeyi düzgün şekilde çıkar.Sıvı ve sınır sürtünmenin aynı zamanda oluşumu, karışık sürtünme olarak adlandırılır. * Eğer saç ve takım arasındaki yağ filmi kırılırsa, “adhesive” aşınma doğar. Ara yüzey basınçları yüksek iken,kayma hızları nispeten düşük olduğundan metal şekillenmesi esnasında sürtünmenin hidrodinamik haline ulaşılamaz.Bu karışık sürtünmenin en genel halidir. YÜZEY YAPILARI Saç yüzeylerin yağlanmasını iyileştirmek için, sac üzerine özel mikroyapılar oluşturulur.Bu işlem haddede son paso verilirken yapılır.Aşağıda bitiş haddesinde oluşturulan yüzey yapıları görülmektedir. HADDE - BİTİŞ YÜZEYİ – EDT YÜZEYİ Standart saç hadde –bitiş yüzeyinde yöne bağlı pürüzlülük doğar,o takdirde hadde yönünde ve ona dik yönde sürtünme davranışları farklı olur. Eğer, saç son bitiş yüzeyi EDT (electro discharge texture) prosesi ile yüzey yapısı oluşturulursa ; * İyi bir derin çekme özelliği kazandırılmış olunur(yağlar hapsolduğu ve tutulduğu için), ayrıca boyama sonrası cezbedici bir görünüş elde edilir.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 16 Şekil verme takımlarının yüzeylerinin kaplanması Şekil verecek takımların yüzeylerini kaplatmadaki amacımız, kaplamanın aşınmaya karşı koruma sağlaması, esas metalin ise mekanik gerilmeleri kaplama tahrip olmadan karşılamasıdır. Aşağıda takım yüzey kaplama şeması görülmektedir. Triboloji’de viskozite-basınç-sıcaklık ilişkisi Yağlamanın viskozitesi, sıcaklıkla düşer basınçla hafifçe artar.Sadece atmosfer basıncında 20 0 C , veya 40 0 C gibi özel bir sıcaklıkta yağlama viskozitesinin değeri verilir.Yandaki grafikte alaşımsız M100 mineral bir yağın çeşitli sıcaklık ve basınçlardaki viskozite ölçümleri görülmektedir.İMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 17 Viskozite’nin etkisi : Yatay eksende pot çember basınçları artarken,pot çemberi altındaki malzeme akışının kontrolü ancak ? ye sahip bir yağlama ile mümkün olur.AL2F yağı ile arayüzey basıncı 8 N/mm 2 ye kadar olan işlemler yapılır.Normal basınçlarda AL2N yağı kullanılır. ?’ sü oldukça düşük durumlarda AL2D yağı tercih edilir. Diyagramdan,sürtünme kuvvetlerinin artan viskozite ile azaldığı görülmektedir.Ara yüzey basınçları artarken ? azaldığından AL2D yağları daha faydalı olur. Kuru yağlamaİMALAT YÖNTEMLERİ II Prof.Dr. İrfan AY 18