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.