Mekatronik Mühendisliği Forum


Sıcak Şekillendirme
Değerlendir:
  • 0 Oy - 0 Yüzde
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5


Konu: 3
Mesaj: 5
Cinsiyet: Belirtme
Kıdem: Sep 2014

Özet:

Pres içi sertleştirme olarak da bilinen sıcak metal şekillendirme işlemi endüstride giderek yaygınlaşmaktadır. Çok yüksek dayanıma sahip olan parçaların aynı zamanda düşük ağırlığa sahip olması otomotiv ve havacılık endüstrisinin ilgisini çekmektedir. Fakat, bu üretim işlemi alışılagelmiş şekillendirme yöntemlerine göre çok daha karmaşık olup, hassas simülasyonlara ihtiyaç duymaktadır. İşlemin karmaşıklığından gelen sıcak şekillendirme, su verme ve metalurjik etkiler gibi tüm fiziksel değişkenler aynı şekilde simülasyonda da hesaba katılmalıdır. Bu makalede sıcak metal şekillendirme işleminin sanal ortamda benzetimi ve bu benzetim için nelerin dikkate alınması gerektiğine ait bilgi verilmektedir.

1. Sıcak metal şekillendirme işlemi

Sıcak metal şekillendirme, yüksek rijitliğe sahip parçaların üretimini mümkün kılar iken ve aynı zamanda bu işlem için kullanılan saçın kalınlık ve ağırlığının azaltılmasını sağlayan inovatif bir işlemdir. Böylece bu işlem, otomotiv sektöründe güvenlikle ilgili parçaların rijitliğini artırırken aynı zamanda araçlara ait ağırlığın azaltılmasında önemli rol oynar.

Yüksek mukavemetli parçaların soğuk şekillendirme işleminin aksine, sıcak şekillendirmede parçaların sertleştirilmesi ve ardından soğutulması işlemin bir parçasıdır. Bu sayade başlangıçta dayanımı 500-800MPa arası olan çelikler ısıtma, şekil verme ve soğutma işlemleri sonrasında 1300-1700MPa arası dayanıma ulaşabilmektedirler.

Sıcak şekillendirme işlemi sırasında, malzemeler yüksek ve çok yüksek dayanımlı çeliklere göre daha fazla rijitlik kazanmaktadırlar. Böylece iyi şekil verilebilme karakteristiğine sahip çelik, işlem sonunda yüksek rijitlik özelliğine de Şekil 1’de gösterildiği sahip olabilmektedir.


Şekil 1: Tipik bir sıcak şekillendirme malzemesi (Boron Çeliği) A: İşlemden önce; B: sıcak şekil verme sırasında; C: su vermeden sonra, presten çıkışı

Sıcak şekillendirme işlemi sırasında, yüksek dayanımlı çelikler daha yüksek rijitlik kazanır ve kolay şekillendirme karakteristiği, su verme sırasında yüksek rijitlik özelliği ile birleşir.

Sıcak şekillendirme işlemi Şekil 2’de gösterilen adımları içermektedir.

Saç ruloyu düzleştirme
Saçların kesimi
Saçların 900°C’e kadar fırında ısıtılması
Sıcak saçların kalıba hızlı şekilde transferi (<10sn)
Parçanın hızlı şekilde preslenmesi (<1.5sn)
Şekil verilmiş parçanın kapalı kalıp içerisinde su verilmesi (10-20sn)
Parçanın kalıptan çıkartılarak ortam sıcaklığında soğumaya bırakılması
Şekil 2: Sıcak metal şekillendirme işleminin şematik gösterimi

Sıcak şekillendirme işleminin, alışıla gelmiş yöntemlere göre avantajları, güvenlik ile ilgili otomotiv parçalarının üretiminde önem taşımaktadır. Bu avantajlar,

Daha iyi form verilebilme özelliği
Düşük geri yaylanma
Yüksek dayanımlı parçalar
2. Sıcak Metal Şekillendirme’de Kritik Konular

Su verme fazı yüksek dayanıma ulaşmak için önem arz etmektedir. Bunun için çeliğin faz değişimi kontrol edilmeli ve simülasyon sırasında bu soğutma işlemi de hesaba katılmalıdır. İstenilen dayanımdaki parçaların üretilebilmesi için soğutmanın süresi etkinliği ve konumu simülasyonda doğru bir şekilde hesaplanmalıdır. Bu konuda faz değişimini gösteren grafik Şekil 3’de görülmektedir.
Şekil 3: Soğutma Esnasındaki Faz Değişimi

3. İşlemlerin Simülasyonu

Sıcak şekil verme işleminin doğru bir şekilde simülasyonun yapılması için, tüm fiziksel olaykar ve bu olayların birbiriyle etkileşimleri tüm işlem boyunca doğru modellenmelidir. Şekil 4’deki diagram, sıcak şekillendirme işleminin altında yatan fiziği ve bu etkileşimleri göstermektedir.
Şekil 4: Sıcak Şekil Verme İşlemine Etki Eden Disiplinler ve Birbiri ile Etkileşimleri

Sıcak şekillendirme işlemi karmaşıklığından dolayı birçok farklı disipline ati bilginin kullanılmasını gerektirmektedir. Bu işlemi tasarlayan bir mühendisin

Metalurji
Isı transferi
Soğutma
Akışkanlar Dinamiği
konusunda bilgi sahibi olması gerekmektedir. Ayrıca, bu konuların birbiri ile etkileşimlerini anlayabilmesi gerekmektedir. Bu yüzden, bu işlemi benzetiminde kullanılan herhangi bir simülasyon çözümü yukarıdaki tüm fiziksel olayların etkilerini hesaplamış olmalıdır.

Bu kadar bilgi ve emek ve dolayısıyla işletmeye yatırım gerektiren bir işlemin en önemli avantajı, otomotiv endüstrisinde kritik parçaların güvenlik (çarpışma) performasını arttırmasıdır. Bu artış, parça üzerinde dayanımı yüksek fakat daha gevrek olan martenzit fazı ile daha dşük dayananıma sahip fakat daha sünek olan ferritik fazın dağılımını doğru bir şekilde kontrol etmekten geçmektedir. Bu dağılımı kontrol etmek için özellikle, soğutma suyu ile kalıp arasındaki ısı geçişininin doğru ve hassas modellenmesi hayati önem arz etmektedir.

ESI PAM-STAMP yazılımı ile sıcak metal şekillendirme işlemlerindeki aşağıdaki adımlar ve bu adımlar sırasındaki fiziksel olaylar hassas bir şekilde modellenmektedir.

Şekil Verme Simülasyonu
Su Verme Simümasyonu
Faz Değişimi Simülasyonu
4. Temel Uygulanabilirlik Simülasyonları

Şekil verme simülasyonlarından önce, daha erken faz olarak, uygulanabilirlik (feasibility) analizleri yapılması gerekmektedir. Bu final tasarım öncesinde, bazı basitleştirmeler ile, parçanın üretilebilirliğini sorgulamak için yapılmaktadır. Bu basitleştirmeler

Çözücüyü optimize ederek, hassasiyetten ziyade hızlı çözüm yapması sağlanabilir.
Sıcaklığı sabit tutarak analizler yapılabilir. Bilindiği gibi şekil verme işlemsi sırasında sıcaklık değişimi izafi olarak küçük olmaktadır. Asıl sıcaklık değişimi, sıcak saç ile kalıp arasında soğutucu devreye girince olmaktadır.
Faz değişimi hesaba katılmadan sadece şekil alma değerlendirilebilir.
Tüm bu basitleştirmeler, istenilen formun uygun şekilde verilmesinin mümkün olup olmadığını incelemek amacıyla yapılmaktadır. Bu basitleştirmeler, CPU zamanını optimize ederek, yapılan analizlerin iterasyonlarını ve dolayısıyla çözüm alternatiflerini arttırmaktadır. Eğer ki uygualabilirlik analizleri sonucunda uygun bir çözm sağlandığı görülürse, bir sonraki adıma geçilebilir. Yukarıdaki basitleştirmeleri içeren uygulanabilirlik analizleri ESI QUICKSTAMP yazılımı ile yapılabilmektedir.

5. Şekil Verme Simülasyonu
Şekil 5: Örnek Çalışma

Şekil verme simülasyonunu anlatırken örnek parça olarak Şekil 5’de gösterilen AP&T’e ait B-Pillar parçası ve kalıbı seçilmiştir. Kalıba giren malzeme 800°C’e kadar ısıtılmış şerit çeliğidir, kalıbın yüzek sıcaklığının ise 200°C olduğu kabul edilmiştir. Bu malzeme için, Şekil 6’da görüldüğü üzere 4 farklı sıcaklık değeri için 4 farklı sertleşme eğrisi mevcuttur. ESI PAM-STAMP yazılımı bu eğriler arasında otomatik olarak interpolasyon yapmaktadır.

Şekil 6: 4 Farklı Sıcaklık Değeri İçin 4 farklı Sertleşme Eğrisi

Isıtılmış durumda, iyi şekil verilebilme özelliğini gösterebilmek için, normal soğuk şekillendirme ile karşılaştırma yapılmıştır. ESI PAM-STAMP 2G kullanılarak, simülasyonu yapılan parçada, oda sıcaklığında şekil verilmeye çalışıldığında parçanın yırtıldığı açıkça görülmektedir. Fakat, aynı şekil verme işlemi sıcak şekilde yapıdığında parçanın üretilebildiği aşağıdaki şekilde görülebilmektedir. Bu bize, sıcak şekil verme için yapılan yatırımın, böyle bir parçada üretim adımlarını azaltarak geri döndüğünü göstermektedir.

Şekil 7: Sıcak ve Soğuk Form Verme Arasındaki Farklılıklar
Şekil 8: Tasarım ve Analiz Adımlar

6. Soğutma Simülasyonları

Şekil 9: Soğutma Analizi için Kesit Model

Soğutma simülasyonlarında soğutucu sıvı; 27°C’de 50l/dk debiye sahip su olarak seçilmiştir. Sıcak olarak şekil verilmiş sacın sıcaklığı 800°C olarak kabul edildir. Çoklu ağ yapı kullanılarak oluşturulan modelde hem katı ve hem sıvı elemanlar kullanılmıştır. Yapılan analizin kesit görünümü Şekil 10’da verilmiştir.
Şekil 10: Analizin Kesit Görünü

CFD analizlerinin sonucu, saçtan kalıba ve kalıptan soğutucu sıvıya ısı akışı ve sıcaklık dağılımı Şekil 11’de gösterilmiştir.

Şekil 11: Parçada Isı Akışı ve Sıcaklık Dağılımı

Sıcaklık dağılımından elde edilen değerler, sıcak şekil verme işleminin son aşaması olan faz değişimi simülasyonuna girdi olarak tanımlanmakta ve bu sayede parçanın üzerindeki faz değişimleri ve son dağılımını aşağıdaki şekilde görmek mümkün olmaktadır.
muratmakina, üyesi Mekatronik Mühendisliği Forum forumlarına Sep 2014 tarihinde katılmıştır.

Cevapla
Teşekkür Edenler
(Bu mesajı son düzenleyen: 23-09-2014, 11:46 AM muratmakina.) .


Foruma atla:


Konuyu görüntüleyenler: 1 Misafir

Türkçe Çeviri : MyBB Türkiye
MyBB, © 2002-2017 MyBB Group.