Döküm deneylerinde kullanılacak model geometrisinin tasarımı bundan sonra yapılacak bütün çalışmaları etkilediğinden oldukça önemlidir. Model tasarımında göz önüne alınan en önemli parametre katılaşma sırasında döküm parça iç kesitinde ölçülebilir oranda çekinti boşluğu oluşumunu sağlanmaktır. Bu amaçla model üzerinde dar boğaz oluşturan kesit olmalı, bu kesitin erken katılaşması ile besleme yolu tıkanan döküm parça iç kesimlerinde yetersiz besleme yüzünden çekinti boşluklarının oranı üzerinden oluşan kritik katı oranının etkisi nicel olarak incelenebilmelidir. Ayrıca kum kalıp, kokil kalıp ve alçak basınçlı döküm yöntemlerinde yapılan döküm deneylerinde elde edilen sonuçların birbirleriyle kıyaslama
51
yapılabilmesine olanak vermesi açısından aynı model geometrisinin bu döküm yöntemlerinin tümüne uygun olması gerekmektedir. Özetle, tasarlanan geometrinin farklı döküm yöntemleri, farklı alaşımlar ve farklı kritik katı oranı değerlerinde belirgin bir gözenek oluşturacak geometride olması amaçlanmıştır.
3.1.1. Model – kalıp geometrisi tasarımı aşamaları
Geometrik tasarım ve çizimler 3 boyutlu bilgisayar destekli çizim programı SolidWorks yardımıyla yapıldıktan sonra döküme uygun şekilde montaj edilerek STL(binary) formatına getirilmiş ve 3 boyutlu modelleme için SolidCast döküm simülasyon programı ortamına alınmıştır. Tasarım çalışmalarına daha önceden bu amaçla yapılan ve EK-3 Şekil 3.1’de verilen geometrilerin denemesiyle başlanmıştır. Döküm deneylerinde oluşması muhtemel farklı şartlarda yapılan modelleme sonuçlarına göre çalışmalara devam edilmiştir. Kullanılan geometriler üzerinde yapılan modellemelerde bütün döküm yöntemlerinde ölçülebilir büyüklükte (makro) gözenek içeren sonuçlar elde edilemediğinden farklı geometri arayışlarına gidilmiştir.
SolidCast simülasyon programı ile yapılan modellemelerin sonuçlarına göre uygun bulunan döküm geometrileri için ahşap model imalatı yaptırılmış ve bu modeller ile deneme dökümleri yapılmıştır. Deneme dökümleri sonuçlarına göre, değişen döküm şartlarında parça iç kısımlarında ölçülebilir nitelikte gözenekler çıkana kadar tasarım ve deneme çalışmalarına devam edilmiştir. Bu kapsamda, tasarımına uygun olarak kum kalıba deneme dökümü yapılan bazı model geometri ve boyutları EK-3 Şekil 3.2’de verilmiştir. EK-3 Şekil 3.2’de görülen modellere uygun kum kalıba döküm çalışmalarından elde edilen döküm sonuçları incelendiğinde nispeten iyi döküm şartlarında parçanın iç kısımlarında ölçülebilir nitelikte hata oluşmadığı ve bazı dökümlerde de döküm parça yüzeylerinde çöküntüler oluştuğu gözlenmiştir. Bu sebeple model tasarımında revizyona gidilmiştir. Nihai olarak farklı alaşımlarla modelleme ve deneme dökümleri yapılan ve uygun sonuçlar elde edilen ve EK-3 Şekil 3.3’de detayları verilen modelin kullanılması uygun görülmüştür.
3.1.2. Model tasarımında esas alınan kriterler
Yapılan deneme dökümleri yüzeyde istenmeyen çöküntülerin azaltılması için daha köşeli bir tasarımın, katılaşmanın başlayacağı daha geniş bir kalıp temas yüzeyine sahip olması açısından gerekli olduğunu göstermiştir. Bu sebeple modelin hata oluşması istenen alt kısmı dikdörtgen prizma şekline getirilmiştir. Üst kısım ise temel besleyici tasarım kriterlerinden olan hacim ve modül kriterlerine göre uygun olacak şekilde bir dizi hesaplamalar sonucu
52
belirlenmiştir. Burada amaç üst kısmı besleyici olarak kullanmak, ancak parçanın besleyici yetersizliğinden değil de besleme yolunun gereken süreden erken katılaşmasından dolayı gözenek oluşmasının sağlanmasıdır. EK-3 Şekil 3.4’de modelin yukarıda belirtilen fonksiyonları yerine getirmek üzere tasarlanmış bölümlerine ait görüntüleri verilmiştir.
Modül kriterine göre gerekli besleyici hesaplamaları (Kayıkcı ve Akar, 2009);
Döküm modülü = Döküm hacmi / Döküm yüzey alanı
MD = VD / AD MD = (4,5 x4,5 x 6) / [4 x (4,5 x 6) + 2 x (4,5 x 4,5)]
MD = 121,5 / 148,5 MD = 0,8181 cm
Gerekli Besleyici Modülü = Döküm Modülü x 1,2
MB = MD x 1,2 = 0,8181 x 1,2 MB = 0,9818 cm
Modül kriterine göre tasarımın döküm kısmını beslemek için gerekli besleyici modülünün minimum 0,9818 cm olması gerektiği bulunmuştur. Buna uygun ebatlarda besleyici tasarımı için 6 cm kenar ölçüsüne sahip bir küp prizma besleyici olarak kullanılması tasarlanmıştır. Aşağıda tasarıma uygun besleyici modülüne ait hesaplama sonuçları verilmiştir.
MB = VB / AB (3.1)
MB = (6 x 6 x 6) / [6 x (6 x 6)] MB = 216 / 216 MB = 1 cm
Modül kriterine göre yapılan hesaplamalarda (MB = 1 cm > 0,9818 cm ) olduğundan besleyici modülünün gerekli besleyici modülünü karşıladığı anlaşılmaktadır. Hacim kriterine göre gerekli besleyici hacmini hesaplamak için alaşımın çekinti miktarı, besleyici verimi gibi bilgilere ihtiyaç duyulmaktadır. Alaşım çeşidine göre çekinti miktarı değişeceğinden, hesaplamalarda bütün alaşımlardaki en fazla çekintiyi bile karşılayacak şekilde % 7 gibi toleranslı bir değer alınması uygun olacaktır.
Gerekli Besleyici hacmi = [Alaşımın çekme oranı(%) x Döküm hacmi ] / [ Besleyici verimi – Alaşımın çekme oranı (%)] (Campbell , 2004). (3.2)
53
Buna göre gerekli besleyici hacminin en az 121,5 cm3 olması gerekmektedir. Modül kriterine göre hesaplanan besleyicinin hacmi, hacim kriterine göre gereken besleyici hacmini de rahatlıkla karşıladığı görülmektedir.
Vb = a3 Vb = 63 Vb = 216 cm3 (3.3)
Bu hesaplamalara göre yapılan bir model ile deneme dökümleri sonuçlarının bazı döküm şartlarında çok az ya da hiç hata oluşturmadığından uygun olmadığı görülmüştür. Modelleme programından alınan sonuçlara göre de döküm parça ve besleyici için yapılan klasik hesaplamalarda parçanın besleme yolu ve birbirleriyle olan bağlantısı, ısı transferi ve buna bağlı modül değişimi göz ardı edilmektedir. Ayrıca besleyicinin döküm kısmına doğrudan üstten bağlı olmasından dolayı yer çekiminin de etkisiyle besleyici daha etkin görev yapmakta ve hesaplamalarda tespit edilen değerlerden daha küçük ebatlardaki besleyicilerde yeterli olabilmektedir. Bu sebeple SolidCast döküm simülasyon programıyla bu faktörlerde göz önünde bulundurularak tespit edilen modül ve hacim kriterlerine de uygun yeni bir tasarım daha yapılmıştır. EK-3 Şekil 3.5’de bu yeni tasarım için modelleme programından elde edilen modül değerleri gösterilmektedir.
EK-3 Şekil 3.5’de gösterilen model tasarımındaki besleyici hacmi aşağıdaki şekilde bulunabilir;
Vb = a x b x c Vb = 6 x 6 x 4,5 Vb = 162 cm3 (3.4)
Tasarımda dökümün beslenebilmesi için gerekli besleyici hacminin en az 121,5 cm3 olması gerekiyordu. Hesaplamalarda da görüldüğü gibi bu tasarımında kullanılan besleyici hacmi gerekli besleyici hacmini karşılamaktadır. Bu aşamalardan sonra EK-3 Şekil 3.5’de verilen döküm geometrisi bu çalışmanın tamamında kullanılmak üzere nihai tasarım olarak belirlenmiştir.
3.1.3. Yolluk sistemi ve kalıp dolum tasarımları
Yolluk tasarımında kalıba sıvı metal dolumu esnasında türbilans oluşumunu minimize edecek şekilde, EK-3 Şekil 3.6’da verilen esaslara uygun bir tasarım yapılmıştır. Sıvı metalin düşme yüksekliğinin bütün deneylerde aynı olması için, hazneli yolluk sistemi kullanılmış ve düşey gidicide metalin sürekliliğini sağlamak ve döküm esnasında yolluk sistemini dolu tutmak amacı ile konik gidici kullanılmıştır.
54
Deneylerde kullanılan yolluk sistemi EK-3 Şekil 3.7’de gösterilmiştir. Dolum süreci SolidCast döküm simülasyon programının bir modülü olan ve hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) esaslarına göre akış ve dolum simülasyonu yapan FlowCast akış modelleme programında modellenerek değerlendirilmiştir. Döküm yöntemlerinin yarı katı bölge geçirgenliğine olan etkisini incelemek için kalıplama tasarımları kum ve kokil kalıp tasarımlarında aynı şekilde yapılmıştır. Kalıplama tasarımına ilave olarak mekanik testler, mikro yapı incelemeleri, kimyasal bileşim kontrollerinin döküm şartları ile birebir yapılabilmesi için EK-3 Şekil 3.7’de görüldüğü gibi test numunesi tasarlanmıştır. Ayrıca sıvı metalin kalıp içerisine dolumu esnasında süzme işlemini yapmak, yabancı maddeleri azaltmak, çalkalanmayı azaltarak sakin ve düzenli bir kalıp dolumu sağlamak için 40mm x 40mm x 15mm ebatlarında seramik köpük filtreler yatay yolluk üzerine yerleştirmiştir (
www.foseco.com.tr, 2014).
Alçak basınçlı döküm yönteminde ise model geometrisi tasarımı diğer döküm yöntemleriyle karşılaştırma yapılabilmesi açısından aynı tutulmuş, ancak kalıplama tasarımında yöntem gereği sıvı metalin dolumu için kalıp ters çevrilmiştir. Bu yöntemde sıvı, kalıba aşağı yönde açık olan besleyiciden doldurulmuştur.
Model tasarımı aşamalarında tasarımın uygunluğu SolidCast döküm simülasyon yazılımı yardımıyla kontrol edilmiştir. Bu amaçla deneylerde kullanılması planlanan döküm alaşımları kum kalıba döküm, kokil kalıba döküm ve alçak basınçlı döküm yöntemlerinde değişik döküm şartlarında muhtemel minimum ve maksimum olduğu düşünülen farklı kritik katı oranı değerlerinde modellemeler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre değişen büyüklüklerde gözenek oluşması beklenmiş ve buna bağlı olarak tasarımın uygunluğu test edilmiştir.
3.1.4. Model geometrisinin farklı ölçeklerde deneme dökümleri
Model geometrisi belirleme çalışmaları yapılırken döküm parça içerisinde oluşan gözenekleşmenin model boyutuna bağlı olarak değişimi ve yüzey çöküntü durumlarını incelemek için aynı geometride orantılı olarak büyütülmüş ve deneme dökümleri yapılmıştır. Aynı geometriye sahip döküm parçanın ebatları orantılı olarak büyütüldüğünde elde edilen sonuçlardaki değişimler ve besleyici boğazının ölçülerin büyümesi ile döküm sonuçlarının nasıl farklılık gösterdiği sonuçlar bölümünde değerlendirilerek döküm sonuçları ve modelleme sonuçlarının birbirleri ile uyumları karşılaştırılmıştır. Farklı boyutlarda tasarlanan model geometrisi görünüşleri ve ölçülendirilmesi EK-3 Şekil 3.8’de verilmiştir.
55 Tablo 3.1 Model ölçüleri.
Model No Döküm Boğaz Besleyici a b C d e f g h i 1 30 22 22 12 10 22 30 22 30 2 45 33 33 18 15 33 45 33 45 3 60 44 44 24 20 44 60 44 60 4 90 66 66 36 30 66 90 66 90 5 120 88 90 48 40 88 120 88 120
Çalışmada geometri olarak EK-3 Şekil 3.8’de görülen model 5 farklı büyüklükte imal edilmiş, döküm ve modelleme çalışmaları her biri için ayrı ayrı yapılmıştır. Tablo 3.1’de modele ait ölçüler görülmektedir. Modeller imal edildikten sonra model plakasına yolluksuz olarak bağlanmış, dökümlerde parça üst besleyici kısmından doğrudan CO2 ile sertleşen kum kalıplara döküm yapılmıştır. Döküm deneylerinde alaşım olarak katılaşma aralığı 575-595 °C gibi diğer alaşımlara göre daha dar bir katılaşma aralığına sahip bir alaşım olan Etial 171 alaşımı kullanılmıştır.