CH16: Kütlesel Şekillendirme Yöntemleri

Chapter 16:
Kütlesel Şekillendirme
İşlemleri
DeGarmo‟s Materials and Processes in
Manufacturing
16.1 Giriş




Metal malzemeler, binlerce yıldır şekil
değişimi yardımıyla şekil verilmektedir.
Dövme, haddeleme, tel çekme gibi işlemler
Orta Çağda dahi yapılıyordu.
Sanayi Devrimi, bu işlemlerim daha yüksek
bir seviyede yapılmasına imkan verdi.
Günümüzde, birçok süreç otomatik hale
geldi.
16.2 Şekil Değişimi İşlemlerinin
Sınıflandırılması

Kütlesel şekil verme işlemleri, birincil veya ikincil
işlem olarak iki kısımda sınıflandırılabilir:




Birincil işlemler, döküm malzemeyi slab, levha veya kütük
(ara şekiller) haline getirir.
İkincil işlemler, bu şekilleri yarı-bitmiş veya bitmiş ürün
haline getirir.
Kütlesel şekil verme işlemleri, kalınlığın veya kesit
alanlarının azaldığı veya malzemenin şeklinin büyük
oranda değiştiği işlemlerdir.
Saç şekillendirme işlemleri, malzemenin şekil
değişiminde kalınlığının ve kesit alanının nispeten
sabit kaldığı işlemlerinden oluşur.
16.3 Kütlesel Şekil Verme İşlemleri






Haddeleme (Rolling)
Dövme (Forging)
Ekstrüzyon (Extrusion)
Tel, çubuk ve boru çekme
Soğuk şekil verme, soğuk dövme ve darbeli
ekstrüzyon
Delme (Piercing)
16.4 Haddeleme



Haddeleme, basma kuvveleri sayesinde
malzemenin kalınlığını azaltır veya kesit
alanının şeklini değiştirir.
Genelde malzemenin işlenmiş bitmiş bir
ürüne dönüşmesinde kullanılan ilk işlemdir.
Kalın hammaddeler genellikle haddelenerek,
blum, bilet(kütük), ya da slab şeklini alır.
Başlangıç Malzemeleri


Blum, kare veya dikdörtgen kesite sahiptir.
Billet, blumdan daha küçüktür ve kare veya
dairesel kesite sahiptir.


Birden fazla haddelenerek yapısal şekillere
dönüşebilirler.
Slab, genişliği kalınlığının iki katından büyük
olan dikdörtgen prizma şeklindedir.

Slab, sac üretmek için kullanılır.
Haddelemenin İş Akışı
Figure 16-1 Çeşitli
çelikten üretilmiş mamul
ve yarı mamul biçimlerinin
üretimi için akış şemaları.
Haddeleme işlemlerinin
bolluğuna dikkat edin
(Courtesy of American
Iron and Steel Institute,
Washington, D.C.)
Haddelemenin Temelleri



Metal malzeme zıt
yönde dönen iki
merdanenin arasından
geçirilir.
Sürtünme
kuvveti,malzemeyi ileri
doğru iter.
Metal sıkıştırılır ve kesit
alanı daralır ve bu
16-2 Metalin şekil değişimini ve yeniden
daralmayı telafi etmek Şekil
kristalleşmeni gösteren sıcak haddelemenin şematik
için uzar.
gösterimi
Sıcak Haddeleme ve Soğuk
Haddeleme

Sıcak haddelemede, başarılı bir şekil verme
işlemi için sıcaklık kontrolü gereklidir.




Malzemenin sıcaklığı her noktada aynı olmalıdır.
Sıcaklık tekrar kristalleşme sıcaklığının yaklaşık
50-100 derece üstüne düştüğünde haddeleme
sonlandırılır.
Homojen tane büyüklüğünü sağlar.
Pürüzsüz yüzeylere ve hassas boyutlara sahip
sac, bar, şerit ve çubuk gibi ürünler soğuk
haddeleme ile üretilir.
Haddelemede Merdane Düzenleri
Şekil 16-3
Haddelemede çeşitli
merdane düzenleri
Haddelemede Merdane Düzenleri


Daha küçük çaplı
merdaneler, verilen daralma
için daha küçük temas
uzunluğuna ve neden
olurlar ve şekilde islenilen
değişimi yapmak için daha
az kuvvete gerek vardır.
Daha küçük kesit alanları,
merdanenin katılığını
azaltır.

Sadece uçlarından
desteklendiği için
merdaneler, elastik olarak
esnemeye eğilimli olabilir
Şekil 16-4 Verilen bir daralma için, merdane
çapının temas uzunluğuna etkisi.
Sürekli (Tandem) Haddeleme


Billet, blum, ve slablar
ıstılır ve entegre çalışan
tersine dönmeyen
merdane serisi boyunca
ilerler.
Merdanelerin
sekronizasyon
problemleri, sorunlar
yaratabilir.
Figure 16-5 Typical roll-pass sequences used in
producing structural shapes.
Haddelenmiş Ürünlerinin Özellikleri


Sıcak haddelenmiş ürünlerin özelliklerinde
yöne bağımlılık azdır.
Sıcak haddelenmiş ürünlerin özellikleri
benzerdir ve güvenebilinir bir kaliteye
sahiptirler.



Yüzeyler pürüzlü olabilir ve yüzeyde oksit
bulunabilir.
Boyutsal toleranslar, metal cinsine ve ürünün
büyüklüğüne göre değişir.
Soğuk haddelenmiş ürünler, üstün yüzey
özellikleri ve boyutsal hassasiyet gösterirler
Yassılık ve Merdane Kusurları


Merdaneler, mükemmel
düzlükte parçalar
üretilecek şekilde
düzenli aralıklarla
yerleştirilir.
Bazen “yassılık”
istenebilir.
Figure 16-7 (above) (a) Loading on a rolling mill
roll. The top roll is pressed upward in the center
while being supported on the ends. (b) The
elastic response to the three-point bending.
Figure 16-8 Use of a “crowned” roll to compensate for
roll flexure. When the roll flexes in three-point bending,
the crowned roll flexes into flatness.
Termo-mekanik İşlemler ve Kontrollü
Haddeleme




Isı, kuvvetleri azaltmak veya plastik şekil
vermeyi kolaylaştırmak için kullanılabilinir.
Fakat ısıl işlemler genellikle daha sonra
gerçekleştirilen işlemlerdir.
Termomekanik işlem, istenilen özelliklere
sahip tek bir parça elde etmek için, şekil
değişimini ve ısıl işlemi birleştirir.
Bilgisayar ile kontrol gerektirir.
Önemli enerji tasarufu sağlar.
16.5 Dövme




Kalıplar vasıtasıyla, yerel sıkıştırma
kuvvetlerinin plastik şekil değişime neden
olduğu işlemlerdir.
Bilinen en eski metal şekillendirme
yöntemidir.
Üretilen parçalar çok çeşitli boyutlarda
olabilir.
Yöntemler



Uzatma
Yığma
Kalıpla dövme
Açık Kalıpla Dövme (Serbest Dövme)




Bir demirci/nalbant „ın yaptığı dövme
işleminin aynısıdır. Fakat mekanik ekipman
işlemi geçleştirir.
Darbe, bazı mekanik çekiçler tarafından
oluşturulur.
En basit endüstriyel çekiç, yerçekimiyle
çalışan düşüm makinalarıdır.
Bilgisayar kontrollü çekiçler değişken
darbeler sağlayabilir.
Açık Kalıpla Dövme
Şekil 16-9 (Solda) Çift-çerçeve bir düşüm
şahmerdanı (Courtesy of Erie Press Systems,
Erie, PA.) (Sağda) Bir dövme şahmerdanının
şematik gösterimi
Şekil 16-10 (Üstte)
Açık kalıp dövmede
malzemenin serbest
akışı. Fıçılaşma, kalıp
ve malzeme
arasındaki
sürtünmeden
kaynaklanır. (Ortada)
Değişik çaplara sahip
bir şaftın açık kalıpta
dövülmesi. (Allta)
Açık kalıp yöntemi ile
kesintisiz halka
dövme.(Courtesy of
Forging Industry
Association,
Cleveland, OH.)
Kapalı Kalıp Dövme



Kalıplar, metalin akışını kontrol etmek için tasarlanır.
Üst parça çekice ve alt parça örse bağlanır.
Metal akar ve kalıbı tamamen doldurur.
Şekil 16-11 Kapalı kalıp
dövmenin şematik gösterimi.
Malzemenin kalıbı tamamen
doldurması ve merkez düzlemde
çapak oluşumu.
Kapalı Kalıp Dövme

Fazla metal, sıkışarak kalıbın dışına taşabilir.



Bu metala çapak (flash) denir.
Çapaksız dövme, metalin tam bir sınırlandırma
getirilmiş bir kalıp boşluğunda şekil değişimi ile
gerçekleşebilir.
Pek çok dövme ürünü, bir boşluklar dizisi ile üretilir.



İlk basılar, uç şekillendirme adını alır.
Ara basılar, metali yaklaşık olarak nihai şekle sokar.
En son şekil, final dövme işlemi ile verilir.
Şekil 16-12 Kapalı
kalıpla dövme ve her
basıda meydana gelen
ürünler. Bitmiş ürün ve
tanelerin akış yönü
(Courtesy of Forging
Industry Association,
Cleveland, OH.)
Çekiç ve Örs Düzenine Alternatifler


İki çekiç, iş parçasını şekillendirebilir.
İmpaktörler, daha az gürültü ve titreşimle çalışırlar.
Figure 16-13 Schematic diagram of an impactor in the striking and returning modes. (Courtesy of
Chambersburg Engineering Company, Chambersburg, PA)
Pres Dövme


Pres dövme, büyük ve kalın ürünler için
kullanılır.
Yavaş sıkıştırma hareketi, metalin tamamen
içine girer.




Daha homojen bir şekil değişimi ve akış üretir.
Kalıp ve iş parçası arasındaki temas daha uzun
Kalıplar ısıtılabilinir. (izotermal dövme)
Presler, mekanik veya hidrolik olarabilir.
Kapalı Kalıp Dövme İşleminin Tasarımı
ve Yardımcı Araçlar


Dövme kalıpları, genellikle yüksek alaşımlı veya
takım çeliğinden yapılır.
Daha iyi ve daha ekonomik parçalar için kurallar :







Kalıplar, düzgün tek bir düzlemden ayrılmalıdır veya parçanın
şeklini takip etmelidir.
Ayırma yüzeyi, dövme merkezinden geçen bir düzlem olmalıdır.
Gerekli koniklik
Uygun köşeler ve radyüsler
Çeşitli kesitler dengeli olmalıdır
Lif akış çizgilerinin tüm avantajları kullanılmalıdır.
Boyut toleransları gerekli olandan daha yakın olmamalıdır.
Kapalı Kalıp Dövme

Önemli tasarım ayrıntıları





Ara işlemlerin sayısı
Her adımda meydana gelecek ürün
Kalıbı dolduracak metal miktarı
Her adımdaki çapak boyutları
İyi boyutsal hassasiyet.
Figure 16-15 A forged-andmachined automobile
engine crankshaft. Forged
steel crankshaft provide
superior performance
compared to those of
ductile cast iron. (@ Sergiy
Goruppa/iStockphoto)
.
Orbital Dövme
Yığma (Upset Forging)



Boyunun sıkıştırılmasıyla bir malzemenin çapının büyümesi
Hem soğuk hem sıcak yığma
Yığmanın üç kuralı:



1. Zararlı burkulmanın olmaması için, bir darbede yığılacak
malzemenin desteklenmeyen kısmının uzunluğu, malzemenin
çapının üç katıyla sınırlandırılmalıdır.
2.Çalışma parçasının desteklenmeyen kısmının uzunluğu, çapının üç
katından büyük olduğu durumlarda, yığmanın çapı çalışma
parçasının çapından 1.5 katından fazla olmadığında başarılı bir
yığma gerçekleşebilir.
3.Çalışma parçasının uzunluğunun çapının 3 katından fazla olan ve
kalıp boşluğunun çapının, çalışma parçasının çapının 1.5 katından
küçük (2. kural) olduğu yığma işlemlerinde, kalıptan taşan
desteklenmeyen malzemenin boyu, malzemenin çapından fazla
olmamalıdır
Yığma(Upset Forging)
Şekil 16-18 Yığmanın üç kuralının şematik gösterimi. (Courtesy of National Machinery
Company, Tiffin, OH.)
16.6 Ekstrüzyon




Metal sıkıştırılır ve sabit bir
kesite sahip bir ürün
meydana getirmek üzere
şekillendirilmiş bir kalıp
içinden akmaya zorlanır.
Sıcak veya soğuk
gerçekleştirilir.
Bir ıstampa kalıbın bir
ucundan ilerler ve kalıp
boyunca metalin plâstik bir
şekilde akamasına neden
olur.
Yaygın olarak kullanılan
metaller: alüminyum,
magnezyum, bakır ve
Şekil 16-26 Direk ekstrüzyon ve kullanılan
ekipmanlar. (Courtesy of Danieli Wean United,
Cranberry Township, PA.)
Ektrüzyon Ürünler
Figure 16-27 Ekstrüzyonla elde edilen şekiller. (Solda) Alüminyum ürünler. (Courtesy of
Aluminum Company of America, Pittsburgh, PA.) (Sağda) Çelik ürünler. (Courtesy of Allegheny
Ludlum Steel Corporation, Pittsburgh, PA.)
Ekstrüzyonun Avantajları





Haddeleme ile üretilmesi mümkün olmayan
birçok şekil üretilebilinir.
Konikliğe ihtiyaç yoktur.
Bir tek adımda meydana gelecek kesit
alanındaki daralma miktarı kullanılan
ekipmana bağlıdır, malzemeye veya tasarıma
bağlı değildir.
Kalıplar nispeten ucuzdur.
İstenilen bir şekil küçük miktarlarda ekonomik
olarak üretilebilinir.
Ekstrüzyon Yöntemleri

Direkt ekstrüzyon



Istampa, bileti itekler ve kalıptan çıkmasını sağlar.
Sürtünmeyi yenecek güç sağlanmalı
Endirekt ekstrüzyon

Boşluklu bir ıstampa, kalıbı sabit bilete doğru itekler.
Figure 16-28 Direkt ve endirekt ekstrüzyon. Direkt ektrüzyonda, hem ıstampa ve hem bilet hareket
eder ve bilet ve kalıp arasındaki sürtünme, bu harekete karşıdır. Endirekt ekstrüzyonda, bilet sabittir.
Bilet-oda arasında sürtünme yoktur.
Ekstrüzyonda Kuvvetler


Yağlama, sürtünmeyi
önlemek için önemlidir
ve ısıl bariyer olarak
davranır.
Ekstrüzyonda metal
akışı



Akış karmaşık olabilir.
Yüzey çatlakları, iç
çatlaklar ve akış kaynaklı
çatlakların izlenmesi
gereklidir.
Süreç kontrolü önemlidir.
Figure 16-29 Diagram of the ram force versus ram
position for both direct and indirect extrusion of the
same product. The area under the curve corresponds
to the amount of work (force x distance) performed.
The difference between the two curves is attributed to
billet-chamber friction.
Boşluklu Şekillerin Ekstrüzyonu

Mandreller, oyuklu veya
birden fazla
uzunlamasına
boşluklara sahip
şekillerin üretilmesi için
kullanılabilirler.
Figure 16-31 Mandrel kullanılarak boşluklu şekil üretilen iki yöntem. (a) Mandrel ve ıstampa
birbirinden bağımsız hareket eder. (b) Birlikte hareket ederler.
Hidrostatik Ekstrüzyon

Yüksek basınçlı sıvı iş
parçasını çevriler ve
ekstrüzyon için gerekli
kuvveti uygular.




Bilet-kovan arasındaki
sürtünmeyi engeller.
Yüksek verimlilik
Sıcaklıklar, sıvı bir
soğutucu olarak davradığı
için sınırlıdır.
Contalar sızıntıyı önleyecek
şekilde tasarlanmalıdır.
Şekil 16-33 Comparison of conventional (left)
and hydrostatic (right) extrusion. Note the
addition of the pressurizing fluid and the O-ring
and miter-ring seals on both the die and ram.
Sürekli Ekstrüzyon

Conform process




Malzeme sürekli olarak bir
yivli tekerlek içine beslenir
ve birleştirici bir kalıp
bölümü tarafından
oluşturulan bir odaya
sürtünme kuvveti yardımıyla
iletilir.
Malzeme odaya uygun
olarak yığılır.
Malzeme katı, metal tozu,
punchouts veya talaş
olabilir.
Metalik ve metalik olmayan
tozlar iyice karıştırılmış
olabilir.
Figure 16-34 Cross-sectional schematic of the
Conform continuous extrusion process. The
material upsets at the abutment and extrudes.
Section x-x shows the material in the shoe.
16.7 Tel, Çubuk, ve Boru Çekme


Bir kalıp içinden çekilerek bir malzemenin
kesit alanı azaltılır.
Ekstrüzyona benzer, fakat buradaki kuvvet
çekme kuvvetidir.
Figure 16-35 Çubuk çekme işleminin sistematik
gösterimi
Figure 16-37 Soğuk çekme ile geniş borudan,
dar bir boru elde etme. Hareketsiz mandrel iç
çap boyutlarını, kalıp da dış boyutları ayarlar.
Boru ve Tel Çekme

Mandrel kullanılmayan
yöntem

Iç çap hassassiyeti
maliyete feda edilir ve bir
yüzer fiş kullanılır.
Şekil 16-38 (yukarıda) yüzer fiş ile boru
çekme.
Figure 16-39 Schematic of wire drawing with a
rotating draw block. The rotating motor on the
draw block provides a continuous pull on the
incoming wire.
Figure 16-40 Cross section
through a typical carbide
wire-drawing die showing the
characteristic regions of the
contour.
Figure 16-41 Schematic of a multistation synchronized wire-drawing machine. To prevent
accumulation or breakage, it is necessary to ensure that the same volume of material passes through
each station in a given time. The loops around the sheaves between the stations use wire tensions
and feedback electronics to provide the necessary speed control.
16.8 Soğuk Şekillendirme, Soğuk Dövme
ve Darbeli Ekstrüzyon


Yüksek hassasiyetli
bitmiş parçalar üretmek
için, işlenmemiş
malzeme bir kalıp
boşluğuna sıkıştırılır
veya kalıptan geçirilir.
Soğuk kafa şişirme,
yığmanın bir şeklidir.

Çubuk ve tellerin
ucundaki genişletilmiş
bölümleri (çivi, cıvata
kafası gibi) yapmak için
Figure 16-42 Typical steps in a shearing and coldheading operation.
Darbeli Ekstrüzyon



Kalıp boşluğuna
yerleştirilen metal
malzemeye tek bir
darbe ile vurulur.
Metal ileri, geri ya da
bunların kombinasyonu
şeklinde akar.
Zımba şeklin içini
kontrol ederken, kalıp
şeklin dışını kontrol
eder.
Şekil 16-44 Açık ve kapalı kalıplar ile geriye ve
ileriye ekstrüzyon.
Soğuk Ekstrüzyon
Figure 16-45
(a) Reverse
(b) forward
(c) combined
forms of cold
extrusion.
(Courtesy the
Aluminum
Association,
Arlington, VA.)
Figure 16-46
(Right) Steps in
the forming of a
bolt by cold
extrusion, cold
heading, and
thread rolling.
(Courtesy of
National
Machinery Co.
Tiffin, OH.)
Şekil 16-47 Soğuk Şekillendirme. sequence
involving cutoff, squaring, two extrusions, an upset,
and a trimming operation. Also shown are the
finished part and the trimmed scrap. (Courtesy of
National Machinery Co., Tiffin, OH.)
Şekil 16-48 Yığma ve ilgili işlemlerle üretilmiş
parçalar.
16.9 Delme (Piercing)



Kalın cidarlı dikişsiz boru döner delme ile
üretilebilinir.
Isıtılan bilet (kütük), büyük, dışbükey konik iki
merdane arasındaki boşluğa beslenir.
Kütük, dönen bir elips şeklinde bir şekil değişimine
zorlanır.
Figure 16-51 (Left)
Principle of the
Mannesmann process of
producing seamless tubing.
(Courtesy of American
Brass Company,
Cleveland, OH.) (Right)
Mechanism of crack
formation in the
Mannesmann process.
16.11 Şekil Değiştirme İşlemleri ile Yüzey
İyileştirme



Şekil değiştirme işlemleri, metal yüzeyini itileştirmek
ve değiştirmek amacıyla kullanılabilinir.
Peening- (yüzey işleme) yuvarlak uçlu bir aletle
vurularak yapılan mekanik yüzey işlemi.
Burnishing- Baskı takımı veya makarası ile
perdahlama, çapak temizleme.

Roller burnishing- içi ve dışı silindirik veya konik
yüzeylerin boyutsal tolaransını ve yüzey kalitesini
geliştirmek için kullanılır.
Özet




Çok çeşitli kütlesel şekillendirme yöntemi
mevcuttur.
Temel yöntemler haddeleme, dövme,
ekstrüzyon ve çekmedir.
Her yöntemin belli bir limiti ve avantajı
bulunmaktadır.
En doğru yöntem istenilen şekle, yüzey
kalitesine , üretim miktarına, vb bağlıdır.

Download Report