Ilık hidromekanik derin çekme

Bu yöntemde araştırmalar daha çok alaşımlı alüminyum ve magnezyum malzemeleri üzerine yoğunlaşmıştır. Bazı deneysel çalışmalarda, malzemelerin şekillendirilebilirliklerinin ılık hidromekanik derin çekme prosesi ile önemli oranda arttığı belirlenmiştir (Çizelge 2.4) (Groche ve ark., 2002; Kurz, 2004; Siegert ve Jager, 2004; Xu ve ark., 2004).

Çizelge 2.4. Ilık hidromekanik derin çekme prosesi ile elde edilen SÇO’lar

Çalışma HDÇ IDÇ IHDÇ

Kurz (2004) - 2.8 3.6

Groche ve ark. (2002) 2.5 2.7 3

Bu çalışmalarda özellikle sıcaklık parametresinin SÇO üzerine etkisi araştırılırken sıvı basıncı, baskı plakası kuvveti ve sürtünme parametreleri ile diğer

geometrik parametrelerin optimum değerleri belirlenmemiştir ve bu parametrelerin farklı performans kriterleri üzerine etkileri araştırılmamıştır. Yalnız Groche ve ark. (2002) sıvı basıncını analiz yardımıyla, analizin her bir zaman adımı için hesaplatarak ıstampa pozisyonuna göre değişken olarak ayarlamışlardır. Diğer deneysel çalışmalarda sıvı basıncı sabit olarak kullanılmıştır (Siegert ve Jager, 2004; Kurz, 2004). Baskı plakası kuvveti ılık hidromekanik derin çekme prosesinde önemli bir parametre iken, baskı plakası kuvvetinin optimizasyonu için henüz deneysel bir çalışma yapılmamıştır.

Şimdiye kadar baskı plakası kuvveti, basınç ve sıcaklık dağılımının optimum değerlerinin birlikte belirlendiği ve bu parametrelerin ılık hidromekanik derin çekme prosesine birleştirilmiş etkisinin ortaya konduğu bir deneysel çalışmaya rastlanmamıştır.

Ilık hidro-şekillendirmeyle ilgili ilk çalışma Groche ve ark. (2002) tarafından gerçekleştirilmiştir. Çalışmada SÇO’yu artırmak için farklı stratejiler önerilmiştir. Bu stratejiler sacın flanş bölgesinin ısıtılması, iş parçası ve ıstampa arasındaki sürtünmenin karşı basınç yardımıyla artırılarak transfer edilen kuvvette artış sağlanması, kalıp köşesindeki sürtünmenin sacın o bölgede sıvı yatağı üzerinden kaydırılması ile azaltılması ve ıstampa ile sac arasındaki soğutma oranının uygulanan karşı basınçla artırılması şeklinde ifade edilmiştir. Bu amaçla geliştirilen deney sistemi Şekil 2.36’de görülmektedir. Çalışmada gerekli proses parametreleri ve optimize edilmiş kalıp boyutları termomekanik FEM simülasyonları ile belirlenmiştir. Simülasyonlar için gerekli veriler olan akma eğrileri, sürtünme katsayıları ve ısı transfer katsayıları deneyler ile belirlenmiştir. Sıvı basıncı üç farklı adımda analizin her bir zaman adımı için hesaplanarak kontrol edilmiştir. Ön analizlerden sonra ılık şekillendirmenin ve ılık hidromekanik derin çekmenin SÇO’ları deneylerle belirlenmiş ve Şekil 2.32’de verilmiş olan sonuçlar elde edilmiştir. SÇO soğuk hidromekanik derin çekmede 2.5 iken ılık hidromekanik derin çekmede 3.0 değerine kadar çıkmıştır. Aynı sıcaklıktaki ılık şekillendirme ve ılık hidro-şekillendirme işlemlerinde ise SÇO 2.7’den 3.0 değerine çıkmıştır. Sonuçlar ılık hidromekanik derin çekmenin SÇO’yu önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Çalışmada sıvı basıncının FEM simülasyonlarında belirli matematiksel formüller kullanılarak hesaplandığı belirtilirken diğer bir önemli parametre olan baskı plakası kuvvetinin değerleri ve nasıl ayarlandığı konusunda bir bilgi verilmemiştir. Ayrıca parametrelerin optimum değerlerinin hangi yöntemlerin

48

kullanılarak belirlendiği ve bu parametrelerin değiştirilmesi durumunda prosesin nasıl etkileneceği konusunda çalışmalar yapılmamıştır. Proses sadece flanş sıcaklığının SÇO’ya etkisi üzerinden değerlendirilmiş, kalınlık dağılımı gibi performans kriterlerine parametrelerin etkisi konusunda çalışmalar yapılmamıştır.

Şekil 2.36. Groche ve ark. (2002) çalışmasında kullanılan deney düzeneği

Kurz (2004) çalışılmasında Mg sac metalin ısıtılarak hidromekanik olarak derin çekilmesi prosesini araştırmıştır. Çalışmanın temeli olarak da Mg alaşımlarının oda sıcaklığında sınırlı olan şekillendirilebilirliklerini yüksek sıcaklıklarda şekillendirme yaparak artırma olduğu belirtilmiştir. Özellikle 225 ˚C den sonra şekillenebilirliğin önemli derecede arttığı belirtilmiştir. Bu çalışmanın ana amacı hidro-şekillendirme de şekillenebilirlikte artış sağladığı için hidromekanik derin çekme prosesini kullanarak şekillendirme sıcaklığını düşürmek olarak ortaya konmuştur. Bunun için de sıvı basıncı ve sıcaklığın prosese etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada ince ve geniş yüzeyli Mg parçaların döküm yöntemiyle üretilmesine alternatif olarak sac malzemeden üretilebileceği belirtilmiş böylece daha dayanıklı ve sünek parçalar elde edilmesi hedeflenmiştir. Hegzagonal kafes yapısına sahip olmasından dolayı Mg’nin sünekliğinin düşük olduğu belirtilmiş ve 225 °C’nin üzerine çıkıldığında daha başka kayma düzlemleri aktif hale geldiği için sünekliğin önemli ölçüde arttığı ifade edilmiştir. Çalışmada sıcaklığın ve şekillendirme hızının yanı sıra haddeleme şartlarının da akma eğrisine etkileri verilmiştir. Çalışmada farklı Mg alaşımları için sıcaklıkla birlikte klasik derin çekmedeki SÇO’lar verilmiştir. Sıcaklığın yanında

kimyasal kompozisyonun da önemli derecede SÇO üzerinde etkili olduğu bulunmuştur. Hidro-şekillendirmede daha az incelme olmasının nedeni olarak 1. sırada sac ve ıstampa arasındaki sürtünme, 2. olarak da kalıp radyüsündeki sürtünmenin azaltılması gösterilmiştir. Ayrıca yüksek BŞD’lerin oluştuğu alanlarda bile yüksek basınç sacı ıstampaya doğru bastığı için yırtılmanın oluşmayacağı ifade edilmiştir. Bu çalışmada IHDÇ prosesi, Şekil 2.37’de görülen deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Burada sıvı basıncı pasif olarak sağlanmış yani ıstampanın sacı sıkıştırması ile basınç elde edilmiştir. Basınç ayrıca saca radyal doğrultuda da etki etmiştir. Sacın 225 ˚C’de klasik olarak şekillendirilmesi ile AZ31 malzeme için 2.8 SÇO değeri elde edilmişken, sacın 175 ˚C’de hidroşekillendirilmesi ile 150 bar basınçta 3.6 SÇO değerine ulaşılmıştır. Bu sonuç da IHDÇ ile IDÇ’ye göre daha düşük sıcaklıklarda çok daha fazla SÇO değerlerine ulaşılabildiğini göstermektedir. Çalışmada ayrıca radyal sıvı basıncının SÇO’ya etkisi de araştırılmış ve AZ21 malzeme için IHDÇ prosesinde radyal basınçsız olarak 1.8 SÇO değeri ile elde edilebilirken radyal basınçlı olarak 2.0 değerine ulaşılmıştır.

Şekil 2.37. Kurz (2004) çalışmasında kullanılan deney düzeneği

Siegert ve Jager (2004b) çalışmasında AZ31 alaşımlı magnezyumun 350 ˚C’ye kadar olan sıcaklıklarda, hidromekanik derin çekme işlemi için kalıp ve sıvı sıcaklığının ulaşılabilen maksimum çekme oranına ve ıstampa altında ulaşılabilen maksimum BŞD değerlerine olan etkisi araştırılmıştır. IHDÇ deneylerinde baskı

50

plakası, kalıp ve karşı basınç kabı ısıtma cihazları ile ısıtılmıştır. Istampanın altı sacın sıvı basıncı ile şişebilmesi için konkav bir şekle sahiptir (Şekil 2.38).

Şekil 2.38. Siegert ve Jager (2004b) çalışmasında deney düzeneği

Çalışmada yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilen hidromekanik derin çekme işlemi için BP ve kalıbı ısıtarak şekillendirme kuvvetinin düşürülebileceği, ıstampa sıcaklığını düşürerek kabın cidar bölgesini soğutma yoluyla transfer edilebilir kuvvetin artırılabileceği ve ıstampanın altında yeterince yüksek BŞD elde edebilmek için şekillendirme sıvısının sıcaklığının mümkün olduğunca yüksek olması gerektiği belirtilmiştir. Bu nedenle BP, kalıp ve sıvı sıcaklıkları aynı alınmıştır. Sızdırmazlık 75 bar basınçta 260 ˚C’ye kadar sağlanabildiği için sıvı basıncı 75 bar alınmıştır. Istampa hızı 5 mm/s olarak alındığı belirtilirken kullanılan BP kuvveti hakkında bir bilgi verilmemiştir. Deneylerde flanş bölgesi sıcaklığı 235 °C’de sabit olarak alınmıştır. Sıvı sıcaklığı 220, 235 ve 250 °C’lerde alınarak ıstampa altındaki BŞD’ye etkisinin az olduğu bulunmuştur. Istampa sıcaklığının söz konusu bölgedeki BŞD’ye etkisini bulmak için ıstampa sıcaklığı 50 ila 220 ˚C arasında değiştirilmiştir ve deney sonuçları ıstampa sıcaklığının BŞD üzerinde önemli bir etkisi olduğunu, sıcaklıkla birlikte ulaşılan BŞD’nin 0.096’dan 0.25’e çıktığı bulunmuştur. Bu denemelerde ulaşılan SÇO da 2.5 olarak verilmiştir. Çalışmada sıvı ve ıstampa sıcaklığının sadece ıstampa altındaki şişirme bölgesinde ulaşılan BŞD’ye etkisi araştırılmıştır. Bu bölgelerdeki sıcaklıkların SÇO’ya etkisi konusunda detaylı sonuçlar verilmemiştir. Sadece bu denemelerdeki SÇO’nun 2.5 olduğu bilgisi çalışmada yer almaktadır. Ayrıca basınç değişiminin, baskı plakası kuvvetinin ve

diğer proses ve geometrik parametrelerin prosese etkisi konusunda bir çalışma da yapılmamıştır.

Xu ve ark. (2004) yaptıkları çalışmada sıcaklığın SU304 paslanmaz çeliğin IHDÇ prosesindeki etkisini SÇO’lar yardımıyla belirlemişlerdir. 30 ila 150 ˚C arasında gerçekleştirilen çekme deneylerinde malzemenin şekillenebilirliğinin önemli oranda arttığı tespit edildikten sonra 30, 60, 90 ve 120 ˚C sıcaklıklarda IHDÇ deneyleri yapılmıştır. Şekillendirme sıvısı olarak viskozitesini 120 ˚C’ye kadar kaybetmeyen, böylece gerekli basıncı sağlamada sorun çıkartmayan silikon kullanılmıştır. Malzemenin SÇO 30 ˚C’de 2.95 iken 90 ˚C’de 3.3 ve 120 ˚C’de 3.2 bulunmuştur (Şekil 2.39). Ayrıca 2.95 SÇO’ya sahip olacak şekilde aynı sıcaklıklarda derin çekilen parçaların kalınlık dağılımları da karşılaştırılmıştır. En az incelme ve homojen kalınlık dağılımı 90 ˚C’de şekillenen parçada gözlemlenmiştir. SÇO’nun 90 ˚C’de maksimuma ulaşmasının nedeni, o sıcaklıktaki n ve r değerlerinin derin çekme için daha uygun olması olarak belirtilmiştir. Çalışmada deneylerde kullanılan sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti değerleri hakkında bir bilgi verilmemiştir. Diğer deneysel çalışmalarda önerildiği gibi ıstampanın soğutulma işlemi yapılmamıştır. SÇO değerlerine sıcaklık dışında başka bir parametrenin etkisi incelenmemiştir.

Şekil 2.39. Xu ve ark. (2004) çalışmasında Su304 paslanmaz çelik malzeme için ulaşılan SÇO değerleri

IHDÇ prosesiyle ilgili deneysel çalışmalarda genellikle sıcaklığın SÇO’ya etkisi araştırılmıştır. Proses üzerinde en etkili parametrelerden olan sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti ile diğer parametrelerin prosese etkilerinin araştırıldığı ve optimum değerlerinin belirlendiği kapsamlı bir deneysel çalışmaya rastlanmamıştır. Yalnız Choi ve ark. (2007a) tarafından gerçekleştirilen araştırmada sıcaklıkla birlikte sıvı basıncı ve BPK’nin prosese olan etkisi ve optimum değerleri araştırılmış ancak bu çalışma sayısal olarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmada optimum sıvı basıncı ve baskı

52

plakası kuvveti profilleri Bölüm 2.1.3’de anlatıldığı gibi kalıpların önceden belirlenmiş optimum sıcaklık şartlarında adaptif SEA ile eş zamanlı çalışan bulanık mantık kontrol algoritmasıyla belirlenmiştir. Kalınlık, ıstampaya temas ve buruşma kriterlerine göre sıvı basıncı ve baskı plakası kuvveti optimize edilmiştir. Belirlenen optimum profillerin prosesteki başarı ya da hatanın yanIsıra kalınlık, gerilme ve BŞD ile sıcaklık dağılımına etkisi verilmiştir. Istampa hızının da şekillendirilebilirliğe ve optimum yükleme profillerine etkisi ortaya koyulmuştur. Çalışmanın sonucunda adaptif SEA ile eş zamanlı çalışan kural tabanı matrisli bulanık mantık kontrol algoritması ile tek bir analizde, hızlı bir şekilde optimum yükleme profillerinin belirlenebildiği gösterilmiştir. Fakat elde edilen sonuçların doğruluğunun ve uygulanabilirliğinin deneysel olarak sınanmadığı, ileride bu çalışmanın planlandığı ifade edilmiştir. Ancak yapılan literatür araştırmasında henüz planlanan doğrultuda bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu tez çalışmasında araştırmacıların eksikliğini belirttikleri bu çalışma tamamlanmış ve baskı plakası kuvveti, basınç ve sıcaklık dağılımının optimum değerleri birlikte belirlenmiş ve bu parametrelerin ılık hidromekanik derin çekme prosesine birleştirilmiş etkileri deneysel olarak ortaya konmuştur.