Not: Bu makale "MSC Software Kullanıcılar Konferansı 2007"'de sunulmuştur.

Özet:

Bu bildiride, Norm Cıvata A.Ş.'de gerçekleştirilen metal şekillendirme simülasyonlarında, kalıp gerilme analizlerin uygulama yöntemlerine ilişkin örnekler ve kalıp sıkı geçirme işleminin doğru modellenmesi için dikkat edilmesi gereken noktalar anlatılmıştır. Sonlu eleman analizi ile dövme işlemi sırasındaki kalıp gerilim dağılımını görmek için, sürtünme, malzeme karakteristiği gibi parametrelerin yanı sıra, öngerilme işleminin de doğrulukla modellenmesi gerekmektedir. Doğru bir şekilde modellenen dövme kalıp simülasyonları tasarımcılara çok önemli bilgiler vermektedir.

Anahtar Kelimeler: Soğuk Dövme, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Dövme Kalıpları

1. Giriş

Dövme işlemi, son zamanlarda gelişen teknolojiyle birlikte; hızlı üretim, yorulma dayanımı yüksek parçalar, yüksek yüzey kalitesi, çok az miktarda veya sıfır hurda oluşturması gibi avantajları beraberinde getirmesi nedeniyle, tercih edilen bir üretim metodu konumuna gelmiştir. Son zamanlarda şekillendirilme limiti yüksek çeliklerin üretilmesi, kalıp dayanım limitlerinin arttırılması amacıyla yeni teknolojiler ve yeni malzemelerin kullanımı sonucunda dövme metodu ile oldukça karmaşık parçalar üretilmeye başlanmıştır (Şekil 1).

Özellikle soğuk dövme yönteminde, iş parçası - kalıp temas yüzeyindeki basınç sıcak dövmeye göre daha fazla olduğundan, kalıp tasarımı daha da önem kazanmaktadır. Dövme sırasında kalıplardaki gerilme dağılımını incelemek için kullanılacak en etkin yöntem Sonlu Eleman Analizleri'dir.

Bu makalede, soğuk dövme yöntemi ile gerçekleştirilecek üretimler için yapılacak kalıp gerilme analizlerinde izlenmesi gereken metodlar verilecek, ardından Nom Civata A.Ş. de gerçekleştirilmiş kalıp gerilme analizlerinden örnekler sunulacaktır.

Norm Cıvata A.Ş; üretim tasarımı sürecinde sonlu eleman analizlerini kullanmaya 2003 yılında başlamıştır. Malzeme karakterizasyonu ve kalıp - işparçası arasındaki sürtünme katsayısının belirlenmesinin ardından, 2005 yılında başlayan ve halen devam eden TÜBİTAK - TEYDEB projesi kapsamında soğuk dövme simülasyonlarına kalıp gerilme analizleri de eklenmiştir. Kalıp gerilme analizlerinde doğru sonuca ulaşmada ilk adım olan 'sıkı geçme' işleminin modelleme sonuçlarının doğruluğu analitik formüller ve deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır.

Şekil 1 - Soğuk dövme yöntemi ile üretilmiş karmaşık parça örnekleri
(Sakamura, Nichidai Corp.)

2. Kalıp sıkı geçme modellemesi

Bağlantı elemanlarının soğuk dövme metodu ile üretiminde kalıp malzemesi olarak yüksek basma ve aşınma dayanımı ile düşük esneme özelliklerine sahip olan karbür malzemeler kullanılmaktadır. Fakat bu malzemelerin kırılganlıkları fazla ve çekme dayanımları düşüktür. Dövme sırasında oluşan yükler sonunda karbür malzeme üzerinde çekme gerilmelerinin oluşmasını engellemek için yüksek hız çeliklerinden üretilen sıkıştırma çemberleri, karbür çekirdek üzerine sıkı geçirilerek ön gerilme uygulanır (Şekil 2) [1].

Şekil 2 - a) Karbür Kalıp Çekirdeği b) Sıkı geçirilmiş çekirdek ve sıkıştırma çemberi

Bu ön gerilme miktarının düşük olması karbür çekirdek iç yüzeyinde çekme gerilmesi oluşumuna ve ani kırılmalara; fazla olması ise akma limiti düşük olan sıkıştırma çemberi malzemesinin plastik deformasyona uğrayarak sıkıştırma işlevini yerine getirememesine sebep olur. Dolayısıyla ön gerilme miktarının doğru bir şekilde belirlenmesi oldukça önemlidir ve bunun için dövme işlemi sırasında kalıp iç yüzeyindeki basınç değerinin bilinmesi gerekmektedir.

Kalıp sıkı geçirme işlemi için kalıp üretim tesislerinde uygulanan yöntemler şunlardır:
1. Sıkıştırma çemberinin ısıtılarak iç delik çapının genişletilmesi ve kalıp çekirdeği ile birlikte soğumaya bırakılması
2. Temas yüzeylerine konik açı (30' - 2o) verilmiş olan çekirdek ve sıkıştırma çemberinin hidrolik preste çakılması
3. Veya ısıtma ile çakma işleminin birlikte yapılması (sıkılığın fazla olduğu durumlarda)

Kalıp sıkı geçirme işlemini sonlu elemanlar analizinde modellemek için uygulanabilecek yöntemler ise şunlardır:

2.1. Isıtma - Soğutma Yöntemi: Öncelikle sıkıştırma çemberi tek başına modellenir ve uygulanan termal sınır koşulları ile 500oC'ye ısıtılır. Bir sonraki aşama olarak oda sıcaklığındaki kalıp çekirdeği modele eklenerek soğuma işlemi gerçekleştirir. Bu modelin sağlıklı çalışması için kalıp çekirdeği ve sıkıştırma çemberi malzemesi ısı kapasiteleri ve ısı iletim katsayıları doğru bilinmelidir. Sınır koşulu olarak kullanılacak ısı akısı veya sabit yüzey sıcaklığı değerlerinin yanlış girilmesi sonucu aşırı hızlı ısınma veya soğuma, bunun sonucu olarak da kalıplarda gerçekte olmayan plastik deformasyonlar gerçekleşebilir.

2.2. Presle geçime yöntemi: Bu yöntemle temas yüzeyine açı verilmiş olan kalıp çekirdeği, deplasman sınır koşulu veya düzlemsel bir temas elemanı ile sıkıştırma çemberine itilir (Şekil 3). Bu yöntemin sonlu eleman modellenmesinde, sıkıştırma çemberi tabanına 'sıfır deplasman' sınır koşulu verildiğinde, sıkıştırma çemberinin esnemesi kısıtlanmakta, ve kalıp çekirdeğine gerçekte var olandan daha fazla miktarda basınç etki ediyor olarak gözükmektedir. Bu nedenle, bu yöntem kullanılırken Şekil 3'te görüldüğü gibi, sıkıştırma çemberi tabanına sıfır deplasman vermek hatalı sonuçlar ortaya çıkaracaktır. Bunun yerine, sıkıştırma çemberi düz yüzeyi temsil edecek bir doğru üzerine oturtulmalı ve temas ayarları bu şekilde yapılmalıdır.

Pratik uygulamada, kalıp çekirdeğine 1-2 mm. arasında taşlama payı verildiğinden, ve çeperlerine basınç uygulanan kalıp çekirdeği sıkıştırıldığında esneyerek ekseni yönünde uzayacağından, modellenen kalıp montajının dövme işlemlerine uygulanması, ve diğer kalıplarla teması büyük zorluklar doğurmaktadır. Yukarıda anlatılan nedenlerden ötürü, presle geçirme işleminin modellenmesi birçok açıdan sakıncalar içermektedir.

Şekil 3 - Preste kalıp sıkı geçirme işleminin modellenmesi

2.3. Üst üste bindirme yöntemi: MSC. Superform programının bir özelliği olarak kalıp çekirdeği ve sıkıştırma çemberi ağ yapısı istenen sıkılık oranında üst üste modellenip temas ayarları kullanarak sıkılık değeri parçalar arası temas parametresi olarak girildiğinde, yazılım tek adımda sıkı geçirme işlemini yapıp [2], iki parça için de tüm deformasyon ve gerilme analizlerini aynı adımda gerçekleştirmektedir (Şekil 4). Ayrıca, MSC. SuperForm yazılımında bulunan 'hold node' sınır koşulu ile, seçilen yüzeydeki düğüm noktalarının, analiz sonrası gerilme dağılımı değişmeden ilk pozisyonlarına geri dönmesi sağlanır. Bu özellik, kalıplara boyutsal doğruluk getirmektedir (Ör: kalıplar iç yüzeyi sıkı geçirme işleminin ardından taşlanarak son ölçüsüne getirilmektedir. Sonlu Eleman Modelinde, kalıp son ölçüsünde çizilerek ağ yapısı örülür, iç delikte sıkı geçirmeden dolayı meydana gelen büzüşme 'hold node' sınır koşulu ile ilk haline döndürülebilir)

Şekil 4 - Kalıp çekirdeği ile sıkıştırma çemberi arasında sıkı geçme,
ağ yapısının üst üstte getirerek modelleme

Yukarıda anlatılan yöntemlerin deneysel ve teorik sıkı geçme sonuçları ile doğrulanması [3] numaralı referansta detaylı şekilde incelenmiştir.

3. Kalıp Gerilme Analizi Örnekleri

Bu bölümde bağlantı elemanlarının soğuk dövme yöntemi ile üretilmesinde karşılaşılan kalıpla ilgili sorunlar ve çözümlerinde sonlu eleman yönteminin kullanılmasına ilişkin örnekler verilmiştir:

3.1. M12x25 Küre Bijon Kalıp Kırılma Analizi
M12x25 küre bijonların (Şekil 5.a) 3. istasyonda gerçekleştirilen kafa dövme işleminde (Şekil 5.b.) yaşanan kalıp kırılması sebebiyle bu parçaların üretiminde problem yaşanmıştır. Ömürleri yaklaşık 50.000 olan kalıplarda radyus ile kafa altı düzlüğünün birleşme yerinde sürekli olarak radyal kalıp kırılması ile karşılaşılmaktadır (Şekil 6).

Şekil 5 - a) M12x25 küre bijon b) 3. istasyon kafa dövme numunesi

Şekil 6 - Kırılmış örnek kalıplar

C25B malzemeden üretimi yapılan bu parçanın öncelikle tel çekme, ekstrüzyon ve kafa ön hazırlık işlemleri rijit kalıplar ile modellenmiştir. 3. istasyonda kalıpların hassas incelemesinin yapılması için tüm sabit kalıp elemanları sonlu eleman ağıyla örülmüştür (Şekil 7).

Karpit malzemeden üretilen dış çapı 38 mm olan kalıp çekirdekleri öncelikle dış çapı 49 mm olan çelik sıkıştırma çemberine, daha sonra da dış çapı 90 mm olan sıkmalı kovana sıkı geçirilmektedir.

Kalıpların sıkı geçme miktarları; karpit - çember arasında yaklaşık 0.20 mm, çember - kovan arasında ise 0.1mm dir.

Şekil 7 - 3. istasyon kalıp modeli

Dövme işlemi sırasında kalıpta kırılmanın yaşandığı bölgede asal çekme gerilmelerinin 800MPa'a kadar çıktığı görülmektedir. Dövme sırasında çekirdek üzerinde açısal çekme gerilmesi oluşmadığı görülmüş ve kırılmaya asal çekme gerilmelerinin sebep olduğu belirlenmiştir. Ayrıca bu çekme gerilmelerinin yönü Şekil 8'de gösterildiği gibi kalıbın kırılma yönündedir.

Şekil 8 - Kalıp üzerindeki asal çekme gerilme dağılımı

Probleminin nedeninin anlaşılmasının ardından çözüme yönelik olarak, Şekil 9'da görülen kalıp tasarımı düşünülmüştür. Bu tasarımda kalıplar üzerinde herhangi bir çekme gerilmesi görülmemiştir. Kalıbın analizler sonucu sağlıklı bir şekilde çalışacağı öngörülmüş, kalıplar bu şekilde üretilmiş ve üretim kalıp kırılması gerçekleşmeden tamamlanmıştır.

Şekil 9 - Parçalı çekirdek üzerinde asal gerilme dağılımı

3.2. Ø12.9 Rotil Kalıp Hasarının Üretim Öncesinde Tahmin Edilmesi

Dövme istasyon tasarımları Şekil 10'da gösterilen Ø12.9 Rotilin üretiminde, konik açının yüksek olması sebebiyle şekillendirme sırasında kalıp sorunu yaşanabileceği öngörülmüştür. Olası problemlerin önceden tespit edilebilmesi için bilgisayar analizleri ile dövme işlemi simüle edilmiştir. Öncelikle istasyon tasarımı yapılarak malzeme akışı incelenmiş daha sonra kritik istasyonlar olan 2. ve 3. istasyonlarda kalıp analizleri gerçekleştirilmiştir.

Şekil 10 - Soğuk dövme istasyon şekilleri

2. istasyonda gerçekleştirilen konik ekstrüzyon ile kafa hazırlık işlemi deforme olabilen kalıplar ile modellenerek incelenmiştir. Bu istasyonda ekstrüde edilen parça öncelikle konik kısımda akmaya başlamakta ve daha sonra kafa hazırlık formu oluşturulmaktadır. Fakat konik bölgenin tam olarak dolduğu aşamada kalıp iç yüzeyine yüksek basınç etki etmektedir. Bu da eksenel çekme gerilmelerinin oluşmasına sebep olmaktadır (Şekil 11). 3. istasyondaki durumdan farklı olarak istenmeyen gerilme dağılımı dövme işleminin ortasında oluşmakta ve prosesin sonuna kadar devam etmektedir. Bu durum 2. istasyon kalıplarının düşük adetlerde kırılmasına yol açacak ve kalıp sarfiyatını arttıracaktır. Analitik çözümleme yöntemleri ile kovana çakma ve çift sıkıştırma çemberi uygulama yöntemleri de incelenmiş fakat çekme gerilmelerinin ortadan kaldırılamayacağı tespit edilmiştir.

Şekil 11 - 2. istasyon kalıplarında açısal gerilme dağılımı

2. istasyona düşen yükü azaltmak amacıyla, kafa bölgesindeki şişirme işleminin kaldırıldığı yeni bir istasyon dövme sırası tasarlanmıştır (Şekil 12). Ancak yapılan kalıp analizleri kalıp çekirdeğinde çekme gerilmelerinin yok edilemediğini göstermiştir.

Şekil 12 - 2. istasyon şekli değiştirilen dövme adımları ve 2. istasyon kalıplarında açısal gerilmeler (MPa)

Bu sonuç üzerine üretimde kullanılmak üzere yurtdışından yüksek basınca dayanıklı, ileri teknoloji ürünü kalıplar getirtilmiştir. Analiz sonuçlarını sağlamak amacıyla da firmamız içerisinde kırılması beklenen kalıplar üretilmiş ve üretim sırasında denenmişlerdir. Kalıplar 1300 üretim adedinde, öngörüldüğü şekilde kırılmıştır (Şekil 13).

Şekil 13 - Kırılan 2. istasyon kalıbı

3. Sonuçlar

Metal şekillendirme simülasyonları malzeme akışının yanı sıra, dövme kalıplarındaki gerilmeleri hesaplayabilmeleri nedeniyle firmalara önemli kazançlar sağlar. Ancak analizlerin doğru sonuç vermesi, doğru malzeme karakteristiklerinin elde edilmesi, kalıpların teknik resimlere uygun yapılması ve kalıp sıkı geçme modellemesinin doğru tekniklerle yapılmasına bağlıdır. Sıkı geçmenin doğru modellenmesi ile, kalıp hasarları önceden tahmin edilebilir ve iyileştirme önerileri bilgisayar ortamında denenebilir.

4. Referanslar

[1] Önder C.: "Analysis of Bolt Production by Metal Forming"; Yüksek lisans tezi; Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Ankara, 2004
[2] MSC. SuperForm Command Reference, 2004
[3] "Kalıp Gerilme Analizlerinin Sonlu Elemanlar Yöntemi Kullanılarak Yapılan Soğuk Dövme Simülasyonlarına Uyarlanması"; Aygen M.; Önder, C.;MSC. Software Kullanıcı Konferansı; Haziran 2006.
[4] Lange, K.: "Handbook of Metal Forming"; Society of Manufacturing Engineers; 1985