Ilık Derin Çekme Ünitesinin Kurulumu ve Aa5754-o

OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ILIK DERİN ÇEKME ÜNİTESİNİN KURULUMU VE AA5754-O
ALAŞIMININ ILIK ŞEKİLLENDİRME DAVRANIŞININ İNCELENMESİ
M. Hüseyin Çetin*, Mustafa Öncül*, Osman Yiğit**, Hasan Gökkaya*, Erol Arcaklıoğlu*
*
**
Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Karabük
Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Ankara
ÖZET
Ilık derin çekme prosesi, şekillendirilebilme oranlarının arttırılabilmesi için, alüminyum ve magnezyum
alaşımlarının yeniden kristalleşme sıcaklığına kadar (0,3*T e ) ısıtılarak şekillendirildiği plastik şekil verme yönetimidir.
Bu çalışmada ılık derin çekme prosesi için şekillendirme ünitesinin kurulumu ve AA5754-O malzemenin ılık
şekillendirme davranışı incelenmiştir. Proses için kullanılan çift etkili pres üzerine entegre edilen ısıtma sistemi, yalıtım
tabakası ve soğutma sistemi, ünitenin endüstriyel olarak kullanılabilirliğini sağlayacak şekilde değerlendirilmiştir.
Şekillendirme ünitesinin kararlılığının analizi için AA5754-O malzeme ile farklı derin çekme oranlarında ılık derin
çekme deneyleri yapılmıştır. 1.8, 2.0 ve 2.3 derin çekme oranlarında yapılan deneylerde kusur oluşmadan sıcaklık
etkisiyle şekillendirme yapılabilmiştir.
Anahtar kelimeler: Ilık derin çekme, şekillendirme ünitesi tasarımı, AA5754-O alaşımı
CONFIGURATION OF THE WARM DEEP DRAWING UNIT AND INVESTIGATION OF WARM DEEP
DRAWING BEHAVIOUR OF AA5754-O ALLOY
ABSTRACT
Warm deep drawing process is type of plastic forming method in which aluminum and magnesium alloys are
formed by heating till recrystallization temperature (0,3*T m ) for increasing forming ratio limits. In this study,
configuration of forming unit for warm deep drawing process and warm forming behavior of AA5754-O material was
investigated. Heating system, insulation layer and cooling system which were integrated to double action press used for
proses was evaluated by considering usability of unit industrially. For stability analysis of forming unit, deep drawing
experiments were conducted with AA5754-O material in different deep drawing ratios. Forming was conducted without
failure by temperature effect in experiments done at drawing ratios of 1.8, 2.0 and 2.3.
Keywords: Warm deep drawing, designing forming unit, AA574-O alloy
emisyonlarının azaltılması amacıyla alüminyum ve
magnezyum alaşımları kullanılarak daha hafif araçların
üretilmesi ılık şekillendirme prosesinin gelişimine
bağlıdır (2).
1. GİRİŞ
Hafif metal alaşımlarının şekillendirilebilirliklerini
sıcaklık etkisiyle arttırmak amacıyla ilk çalışmalar
1970’li yıllarda başlamıştır (1). Ilık derin çekme olarak
adlandırılan
proses,
oda
sıcaklığında
şekillendirilebilirlikleri düşük olan veya mümkün
olmayan alüminyum ve magnezyum alaşımlarının
sıcaklık etkisiyle şekillendirilebilirliklerinin arttırıldığı
plastik şekil verme yöntemidir. Özellikle otomotiv
endüstrisinde, yakıt tüketiminin düşürülmesi ve egzoz
Ilık derin çekme prosesinde pres harici bir ünitede
veya prese entegre ısıtma sistemi ile malzemeyi yüksek
sıcaklıklara çıkarabilmek mümkündür. Fakat pres harici
ısıtma sisteminde istenilen sıcaklık değerlerinde ve
malzemenin istenilen bölgelerinde sıcaklık oluşumu ile
şekillendirmenin zor olması sebebiyle prese entegre
1
edilebilen ısıtma sistemlerinin tasarlanması ve imalatı
gerekmektedir. Derin çekme işleminin mekaniği, çekilen
kap duvarının sağlam, flanş bölgesinin ise kolayca
deforme olabilir olmasını gerektirmektedir. Ilık derin
çekmede, flanş bölgesinde oluşan sıcaklık deformasyonu
kolaylaştırmakta fakat metalik malzemelerin yüksek
iletkenlik özellikleri nedeniyle sıcaklık kap duvarı ve
ıstampa radyüsü bölgesine yayılmaktadır. Bu bölgeye
sıcaklığın etkimesi pekliği düşüreceği için malzemede
boyunlaşma ve yırtılma oluşması kaçınılmaz hale gelir
(3). Bu sebeple flanş bölgesi deformasyonun
kolaylaştırılması amacıyla ısıtılırken, kap duvarı ve
ıstampa radyüsü bölgesi de malzemede pekliğin
düşmemesi için soğutulmalıdır (4). Hem ısıtma hem de
soğutma işlemlerini içeren ılık derin çekme prosesi için
pres konstrüksiyonuna ısıtıcı ünite ile beraber kalıp içi
soğutma kanallarının ve soğutucu bir ünitenin entegre
edilmesi derin çekilebilirlik oranının arttırılması ve
hatasız parça üretimi için önemlidir (5-7).
sahiptir. Hidrolik basınçla, kalıpta oluşan şekillendirme
kuvveti arasındaki ilişki Şekil 2’ de verilmiştir. Merkez
silindirin ve baskı levhalarını tahrik eden yan silindirlerin
basınç ayarı için ünitede hat tipi basınç regülatörü
bulunmaktadır. Mekanik olarak kontrol edilebilen basınç
değerleri
ünite
üzerindeki
manometrelerden
okunabilmektedir.
Şekillendirme
hızının
ılık
şekillendirme prosesine etki eden bir parametre olması
sebebiyle hız kontrolü için ünite üzerine 3 yollu hat tipi
kısıcı eklenmiş bu sayede mekanik olarak merkez
silindirin hızı kontrol edilebilir duruma gelmiştir.
Bu çalışmada, ülkemizde teknolojisi mevcut olmayan
ve etkin kullanılabilirliği bilimsel altyapı gerektiren
ısıtma ve soğutma sistemi entegreli ılık derin çekme
ünitesi endüstriyel olarak kullanılabilirliği sağlanacak
şekilde değerlendirilmiş ve global sektörler için büyük
önem taşıyan AA5754-O alaşımının ılık derin çekme
kabiliyeti, sistem kararlığının belirlenmesi amacıyla,
farklı derin çekme oranlarında araştırılmıştır.
2. ILIK DERİN ÇEKME ÜNİTESİNİN KURULUMU
Ilık derin çekme ünitesinin kurulumunda prosesin;
ünitenin rijit elemanlardan oluşması, sisteme sıcaklık ve
kuvvet akışı gibi iki önemli fiziksel büyüklüğün etki
etmesi, baskı levhası yükü, kalıp geometrisi, şekil
değiştirme hızı ve yağlayıcı türü parametrelerinin sistem
üzerinde etkisinin bulunması sebebiyle, kompleks bir
proses olduğu belirlenmiştir. Şekil 1’ de ılık derin çekme
prosesinin şematik görünümü verilmiştir.
Ilık
şekillendirme
ünitesi
tasarımında,
şekillendirilecek malzemenin üzerinde istenilen sıcaklık
dağılımını sağlayabilecek ısıtma sisteminin entegrasyonu
büyük önem taşımaktadır. Bu sebeple ünitenin
tasarımında kalıp matrisi, erkek kalıp, sıcaklık ölçüm ve
kontrol ünitesi gibi temel sistem elemanları tamamen
ısıtma sistemine odaklı olarak tasarlanmalıdır. Ilık
şekillendirme ünitesinin tasarımı pres tasarımı ve kalıpbaskı plakası ve ısıtma sistemlerinin montajı olmak üzere
2 temel adımda gerçekleştirilmiştir.
Şekil 1. Ilık şekillendirme prosesinin şematik görünümü
Ilık şekillendirme prosesinde etkili olan diğer bir
faktörde baskı levhası kuvvetidir. Hidrolik basınçla, baskı
levhasında oluşan şekillendirme kuvveti arasındaki ilişki
Şekil 2’de verilmiştir. Baskı levhası silindirleri 40 mm
çalışma alanına sahip olup 300 bar basınçta 7.5 ton yük
uygulayabilme kapasitesine sahiptir. Baskı levhası
kuvvetinin sabit bir değerde kalabilmesi için ünite üzerine
hat tipi basınç kilidi monte edilmiştir. Ayrıca kalıpların
hareketi esnasında merkezleme problemi oluşmaması için
pres şasesi üzerine kılavuz mil ile yataklama yapılmıştır.
Sac şekillendirme prosesi için Karabük Üniversitesi
laboratuvarlarında mevcut bulunan 30 tonluk hidrolik
atölye presi kullanılmıştır. Hidrolik güç ünitesinde 6,5
litre kapasiteli dişli pompa ve pompayı tahrik etmek
üzere 3 kW’ lık (4 Beygir) bir elektrik motoru mevcuttur.
Hidrolik silindir 135 mm çalışma alanına sahip olup 300
bar basınçta 49 ton yük uygulayabilme kapasitesine
2
Seramik kelepçe rezistans taş yünü malzeme ile,
yaprak rezistans ise mika malzeme ile yalıtılmıştır. Pres
gövdesi ve silindirlerin yalıtımı ise 3 mm kalınlıkta
amyant malzeme ve 6 mm kalınlıkta MDF (kompozit
ahşap malzeme) malzeme ile sağlanmıştır.
Şekil 2. Silindirler ile kalıpta ve baskı levhasında
oluşturulan kuvvet değerlerinin basınca bağlı olarak
değişimi
Ilık şekillendirme deneylerini gerçekleştirebilmek için
alt kalıp ve üst kalıp plakalarına ısıtıcı rezistanslar
yerleştirilmiştir. Baskı plakasına 2400 W gücünde
seramik kelepçe rezistans, alt kalıba ise 1100 W gücünde
yaprak rezistans ısıtıcı monte edilmiştir (Şekil 3). Isıtma
elemanlarının pres gövdesine baskı plakası ve kalıp
matrisi ile birlikte montajı Şekil 4’ te detaylı olarak
verilmiştir. Soğutma sistemi için erkek kalıplara soğutma
kanalları açılmış, kapalı sistem soğutma ünitesi ile
kanallarda su dolaşımı sağlanmıştır (Şekil 5).
Şekil 5. Soğutma kanalı açılmış ıstampa görüntüsü
3.AA5754-O ALAŞIMININ ILIK ŞEKİLLENDİRME
DAVRANIŞININ İNCELENMESİ
Ilık derin çekme prosesinin önemli bir bileşeni de
şekillendirilecek
malzemenin
karakteristiğidir.
Alüminyumun düşük yoğunluğu (2643 kg/m3) ve yüksek
mukavemet özelliği otomotiv, elektronik ve savunma gibi
hafif
konstrüksiyon
odaklı
endüstrilerde
ilgi
uyandırmaktadır [6]. Bu sebeple geliştirilen ılık derin
çekme prosesinde iş parçası olarak AA 5754 alüminyum
alaşımı kullanılmış, çeşitli sıcaklık koşullarında yırtılma,
marullaşma vb. üretim kusurları esas alınarak
malzemenin
derin
çekilebilirliğinin
arttırılması
hedeflenmiştir.
Şekil 3. Kalıba monte edilen ısıtıcı rezistansların
görüntüsü
Alüminyum alaşımlarını içerdikleri alaşım elementleri
nedeniyle oda sıcaklığında yüksek çekilebilirlik
oranlarında
şekillendirmek
mümkün
değildir.
Alüminyum
alaşımlarının
şekillendirilebilirlik
özelliklerinin arttırılması, malzeme içindeki kayma
bantlarının sıcaklık etkisiyle aktif hale getirilmesiyle
sağlanabilir
(8).
Faz
yapısını
değiştirmeden
şekillendirilebilirliği arttırabilecek olan flanş bölgesinde
ki sıcaklık derecesi, yeniden kristalleşme sıcaklığına
kadar olan ~200°C ile ~400°C (malzemeye bağımlı
olarak 0.3*Tm) sıcaklık aralığıdır (9, 10). Bu sayede
Şekil 4. Ilık derin çekme işlemi için tasarlanan ünitenin
montaj resmi görüntüsü
3
oranları ve şekillendirme hızları Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1’e göre 2.1 limit çekme oranında, oda
sıcaklığında, 50 mm/sn ıstampa hızı değerinde
malzemede herhangi bir kusur oluşmadan malzeme derin
çekilebilmiştir.
malzemenin gerilmeye maruz bölgeleri kuvvet veya
basınç altında daha akıcı hale gelir, malzemenin
şekillendirilebilmesi için gereken enerji de azalır.
Çalışmada kullanılan Al 5754 malzeme H22 temperi
halinde temin edilmiştir. H22 temperi deformasyonla yarı
sertleştirilmiş durumda olan malzemeyi ifade eder.
Çalışmada Al 5754-H22 malzemesi 380°’de 4 saat
tavlandıktan
sonra
oda
sıcaklığında
havada
soğutulmuştur. Böylece deformasyonun etkisi giderilerek
malzemenin sünekliği arttırılmıştır ve malzeme AA5754O konumuna getirilmiştir (11).
Al 5754-0 malzemenin şekillendirme koşullarının
araştırılmasında birincil amaç ılık şekillendirme
ünitesinin güvenilirliğinin test edilmesi, ikincil amaç ise
şekillendirilebilirlik parametrelerinin araştırılmasıdır.
Güvenilirlik çalışmaları için elde edilen deneysel
sonuçlar literatürle kıyaslanmış, elde edilen verilerin
literatür verileriyle uyumlu olduğu görülmüştür (4).
Ayrıca şekillendirilecek malzemenin sıcaklığının
belirlenebilmesi içinde bir çalışma gerçekleştirilmiştir.
Mevcut literatürde şekillendirme sıcaklığı kalıp
sıcaklığına bağlı olarak belirlenmektedir. Bu çalışmada
ise iş parçasından sıcaklık ölçümü için özel tasarlanmış
bir endeks malzeme kullanılmıştır. Bu malzeme
sayesinde şekillendirme sıcaklığı kalıba göre değil de iş
parçasına göre belirlenebilmektedir.
Şekillendirme ünitesinin çalışma prensibi Şekil 6’ da
detaylı olarak anlatılmıştır. Şekil 6’da görüldüğü gibi ilk
işlem olarak 150 mm çapındaki iş parçası dişi matris
üzerine konulmuştur. Dişi matris çapı ≈150+0.2 mm
çapında olacak şekilde işlenmiştir. Bu sayede
malzemenin erkek kalıba göre merkezlenmesi kolayca
sağlanmaktadır. İkinci adımda, baskı levhası, istenilen
basınç değerinde malzemenin flanş bölgesine etki edecek
şekilde iş parçasına kuvvet uygulamaktadır. Bu aşama
hem baskı levhası kuvvetinin sağlandığı aşama hem de
malzemenin ısıtılması aşamasıdır. Baskı levhasına bağlı
kelepçe rezistans ve dişi matrise bağlı yaprak rezistanslar
devreye girerek malzemeyi istenilen şekillendirme
sıcaklığına çıkarmaktadırlar. Sıcaklık kontrolü erkek ve
dişi kalıpların üzerine monte edilmiş termokupullarla
gerçekleştirilmiştir.
Son
aşamada
şekillendirme
aşamasıdır. İstenilen şekillendirme hızına ayarlanan erkek
kalıp malzeme yüzeyine temas ederek malzemenin
kalıbın içine doğru akmasını sağlamaktadır.
Şekil 6. Ilık şekillendirme prosesi
Deneysel çalışmamızda ilk olarak Al 5754-0 malzeme
için oda sıcaklığı koşullarında derin çekilebilirlik
araştırılmıştır. Literatür referans alınarak (4) 1.8 ve 2.0
çekme oranlarında (DR - Drawing ratio) oda sıcaklığında
deneyler gerçekleştirilmiştir. 1.8 ve 2.0 DR değerlerinde
malzemelerde görsel olarak herhangi bir kusura
rastlanmamıştır. 1.8 ve 2.0 DR deneylerinde pres
tezgahının maksimum hızı olan 7.6 mm/sn zımba hızında
çalışılmıştır. Maksimum zımba hızında malzemelerde
herhangi bir kusur oluşmadığı için şekillendirme hızı
sabit parametre olarak belirlenerek deneylere devam
edilmiştir. AA 5754-0 malzeme 1.8 ve 2.0 DR
değerlerinde soğuk şekillenebilmesine rağmen, bu
değerlerde
ılık
şekillendirme
deneyleri
de
gerçekleştirilmiştir.
Deney setinin güvenilirliğinin belirlenmesi, yapılacak
çalışmalar açısından önem taşımaktadır. Güvenilirlik
kriteri, literatürdeki benzer çalışmalardan elde edilen
verilerin elde edilmesi şeklinde belirlenmiştir. Kaya ve
arkadaşları (4) yaptıkları çalışmada Al 5754-0 ve Mg
AZ31-0 malzemenin ılık derin çekilebilirliğini
araştırmışlardır. Deneylerde yağlayıcı olarak PTFE
(teflon) yağlayıcı kullanmışlardır. Al 5754-0 malzeme
için sıcaklığa bağlı olarak ulaşabildikleri derin çekme
Oda sıcaklığı ve ılık çekme koşulları arasındaki
farkların belirlenebilmesi için teorik kap yükseklik
değerleri ile deneysel çalışmalardan elde edilen kap
4
yükseklik değerleri kıyaslanmış, bu değerlerden malzeme
kalınlığında oluşan incelme oranlarına göre analiz
yapılmıştır (Tablo 2). Teorik kap yüksekliği değeri
Denklem 1’de verilmiştir. Denklem 1’de d t malzeme
taslak çapını, d z ıstampa çapını, h maks maksimum kap
yükseklik değerini ifade etmektedir.
Şekil 7. Şekillendirilmiş malzeme resimleri (a. 1.8 DR
Oda sıcaklığında, b. 2.0 DR Oda sıcaklığında, c. 2.3 DR
Ilık şekillendirme koşullarında)
(1)
Tablo 1. Al 5754-0 malzeme için şekillendirilebilirlik
değerleri (4)
5. SONUÇ
Ülkemizde ılık şekillendirme kalıplarının imalatı ve
tasarımı
konusunda
yeterli
akademik
çalışma
bulunmamaktadır. Bu çalışmada ılık sac şekillendirme
prosesi için pres, kalıp, ısıtma ve soğutma ünitesi tasarımı
ve imalatı değerlendirilmiş, AA5754-O malzemenin
farklı
çekme
oranlarında
şekillendirilmesi
ile
şekillendirme ünitesinin güvenilirliği test edilmiştir. Bu
çalışma ülkemiz de ılık sac şekillendirme konusunda
çalışacak akademisyen ve sanayiciler için bilgi ve tecrübe
sağlayabilecek niteliktedir.
KAYNAKLAR
1. Shehata, F., Painter, M. J., Pearce, R., 1978,
“Warm forming of aluminium/magnesium alloy
sheet”,
Journal
of
Mechanical
Working
Technology, Vol. 2, pp. 279-290.
2. Greene, D.L., DiCicco, J., 2000, “Engineeringeconomic Analyses of Automotive Fuel Economy
Potential in the United States”, ORNL/TM2000/26, Oak Ridge National Laboratory, Oak
Ridge, TN.
3. Zhang, S. H., Zhang, K., Xu, Y. C., Wang, Z. T.,
Xu, Y., Wang, Z. G., 2007, “Deep-drawing of
magnesium alloy sheets at warm temperatures”,
Journal of Materials Processing Technology, Vol.
185, pp. 147-151.
4. Kaya, S., Spampinato, G., Altan, T., 2008, “An
experimental study on nonisothermal deep
drawing
process
using
aluminum
and
magnesium alloys”, Journal of Manufacturing
Science and Engineering, Vol. 130/ 061001.
5. Doege, E., and Dröder K., 2001, “Sheet metal
forming of magnesium wrought alloys –
Formability on a process technology”, Journal of
Materials Processing Technology, Vol. 115, pp. 1419.
6. Toros, S., Ozturk, F., Kacar, I., 2008, “Review of
warm forming of aluminum-magnesium alloys”
”, Journal of Materials Processing Technology, Vol.
207, pp. 1-12.
7. Li, D., Ghosh, A. K., 2004, “Biaxial warm forming
behaviour of aluminium sheet alloys”, Vol. 145,
Tablo 2. Maksimum çekme derinliği değerleri
Mevcut deneysel çalışmamızda 2.0 değerine kadar
malzemeler oda sıcaklığında çekilmiş, bu limit çekme
oranından sonra malzemeler de ıstampa radyüsü
bölgesinden yırtılmıştır. Bu sebeple 2.3 derin çekme
oranında ılık şekillendirme prosesine geçilmiş, Al 5754
malzeme
için
ılık
şekillendirme
parametreleri
araştırılmıştır. 2.3 şekillendirme oranında sıcaklıkla
beraber yağlayıcının proses üzerinde yüksek etkisi olduğu
görülmüştür. Şekil 7’ de oda sıcaklığında 1.8, 2.0 ve ılık
şekillendirme koşullarında 2.3 oranında çekilmiş
malzeme resimleri görülmektedir. Elde edilen sonuçlar ile
literatürde elde edilen sonuçlar benzerlik göstermektedir
(4, 12, 13). Bu sonuçlar deney tezgâhının güvenilir
sonuçlar verdiğini kanıtlamaktadır.
5
8.
9.
10.
11.
12.
13.
pp. 281-293.
Mahabunphachai, S., Koç, M., 2010, “Investigation
on forming of aluminum 5052 and 6061 sheet
alloys at warm temperatures”, Materials and
Design, Vol. 31, pp. 2422-2434.
Takata, K., Ohwue, T., Saga, M., Kikuchi, M.,
2000, “Formability of Al–Mg alloy at warm
temperature”, Mat. Sci. Forum, 331–337, 631–636.
Van den Boogaard, A.H., Bolt, P.J., Werkhoven,
R.J., 2001, “Aluminum sheet forming at elevated
Temperatures”, In: Mori, K.-I. (Ed.), Simulation
of Materials Processing: Theory, Methods and
Applications. A.A. Balkema, Lisse, pp. 819–824.
Türköz, M., 2009, “Al 2024 ve Al 5754 Alaşımlı
Alüminyum
Sacların
Şekillendirilebilme
Kabiliyetinin Araştırılması” , Yüksek Lisans Tezi,
Selçuk Üniversitesi, Konya, Türkiye.
Moon, Y. H., Kang, Y. K., Park, J. W., Gong, S. R.,
2001, “Tool temperature control to increase the
deep drawability of aluminum 1050 sheet”,
Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.
41/1283-1294.
Naka, T., Yoshida, F., 1999, “Deep drawability of
type 5083 aluminum-magnesium alloy sheet
under various conditions of temperature and
forming speed”, Journal of Materials Processing
Technology, Vol. 89-90, pp. 19-23.
6

Download Report