AL 5083 ve AL 5754 Magnezyum Alaşımlı

Araştırma Makalesi / Research Article
AL 5083 ve AL 5754 Magnezyum Alaşımlı Levhaların
Derin çekme ve Bükmenin Teorik ve Deneysel
İncelenmesi
Ahmet KOLERİ
Karabük Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, [email protected]
Adres: Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi-Makine Eğitimi Bölümü
Karabük
Özet:
Bu çalışmada, derin sac çekme işlemi ve bükme işlemi esnasında teorik ve uygulamalı olarak
malzeme üzerindeki değişiklikler incelenmiştir. Numune olarak 2 mm kalınlığında EN AW5083(ISO: Al Mg4) ve EN AW- 5754 (ISO: Al Mg3) sac malzemeler kullanılmıştır. Derin
çekme işleminde kalıp ve zımba arasındaki boşluk(c boşluğu) standartlardan fazla alınmıştır.
Kalıp ve parça arasındaki sürtünmeyi azaltmak için Shell Tellus 68 yağ kullanılmıştır. Et
kalınlığının ölçümü kap üzerinde altı farklı bölgeden yapılmıştır. Bükme işlemi yapıldı ve
kenar katlamaları farklı bir tezgâhta yapılmıştır. Şekillendirmenin teorik modeli Pro/Engineer
Wildfire 5.0 kullanılarak yapılmıştır Şekillendirmenin teorik analizi eksplisit dinamik analiz
kodu kullanan ANSYS/Ls-Dyna yazılımı kullanılarak oluşturulmuş ve model çözümlenmiştir.
Teorik sonuçların ve numunelerden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Anahtar Sözcükler: Derin Çekme, Bükme, Al 5754, Al 5083
Abstract:
In this study, the deep-drawing process of sheet metal and bending the theoretical changes on
the material studied. In used sheet materials as the sample thickness of 2 mm EN AW5083 (O: Al Mg4) and EN AW-5754 (ISO: AlMg3) The gap between mold and staple a
deep drawing process of (c gap) was more thanthe standards. Mould and parts Shell
Tellus 68 oil is used Minimized friction between. Vessel wall thickness measurements were
made on the six different regions. Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 models were also shaping
theory. Theoretical analysis of forming using explicit dynamic analysis code ANSYS / LSDyna model is created and analyzed using software. The conclusion which are gotten from
theoretical results and examples have been compared.
Keywords: deep-drawing, bending Al 5754, Al 5083
Giriş:
Alüminyum malzeme özellikleri yönünden oldukça ilgi çekmektedir.[1]Geçmiş yıllarda
dünyanın farklı yerlerindeki alüminyum gövde panel sacları otomotiv endüstrisinde sadece
özel uygulamalar için kullanılmaktadır. Dünya genelinde ise alüminyum paneller büyük
oranlarda özel araçlar için kullanılmaktadır. Alüminyumun çeliğe nazaran daha hafif olması
aracın toplam ağırlığında %40 ile %60 oranlarında bir geri kazanım sağlamaktadır.[2-3]
Alüminyum alaşımlarının sağladığı tasarrufu ve sonucu olarak sağladığı yakıt tasarrufu
otomotiv endüstrisinde önemli bir kazanım olduğu kabul edilmektedir. Otomotiv
endüstrisinde alüminyum malzemelerin kullanımında birçok avantajlar bulunmaktadır.
Alüminyum malzeme olarak çeliğe nazaran farklı karakteristik özellikler sahip olmasına
rağmen alüminyum panellerin taşınması, şekillendirilmesi, kaynaklanması, mamul hale
gelmesine kadarki aşamalarda birçok sistem ve ekipmanların, çelik panellerde kullanılanlar ile
aynı olması büyük bir avantaj olarak görülmektedir[4-5]. Sac levhaların şekillendirilebilirliği,
kimyasal kompozisyona, özelliklerine ve alaşımın yapısına, tane büyüklüğüne ve şekline,
tanelerin homojenliğine, metaller arası partiküllerin büyüklüğüne morfolojisine, mekanik
özelliklerin isotropik değerine ve metalin deformasyon sertleşmesine yaşlanma kapasitesine
bağlı olarak değişir[6-7]. Birçok araştırmacıya göre alüminyum sac levhalardaki tane
büyüklüğü 50 μm geçmemelidir ve 1,5-50 μm sınırlarında olmalıdır[8]. Iri taneli yapı deforme
edilmiş yüzey bölgesinde kaba görüntüye neden olur. Bu durum hem görüntüyü bozar hem de
derin çekme esnasında çatlak oluşumuna neden olur. Optimum değerlere bağlı olarak tane
büyüklüğü artıkça şekil değiştirme direnci ve metalin şekil değişim esnasındaki yaylanması
artar[1]. Metalin yaylanması büyük ölçüde şekillendirilmiş bölgenin hassasiyetini etkiler ve
kalıbın çalışan yüzeyinin aşınmasını arttırır. İyi şekillendirilebilirliğe ilave olarak levha sac
alaşımları yeterli yüksek mukavemete, dispersiyon sertleşmesine ve korozyon direncine sahip
olmalıdır. Bu açıdan akma noktası önemli bir parametredir. Kalıpta gerekli şekillendirilebilme
ve yaylanmayı sağlamak için şekillendirme şartlarından önce akma noktası yeterince düşük
olmalıdır. Şekillendirme ve vernikleme prosesinden hemen sonra uygulanan fırınlama işlemi
parçanın yeterli rijitlik ve presleme direncini sürdürebilmesi için yüksek akma mukavemeti
gerekmektedir[1]. Alüminyum alaşımları düşük yoğunluklu, yüksek mukavemetli ve
mükemmel korozyon dayanımı nedeni ile otomobillerin gövde panel uygulamalarında
oldukça çok ilgi çekmektedir. Gövde panel uygulamalar için alüminyum-bakır, alüminyum
magnezyum, alüminyum-magnezyum-silikon, olmak üzere üç çeşit alüminyum alaşımı
kullanılmaktadır.
5000 (Al-Mg) Serisi Alüminyum Alaşımları:
Otomobil panelleri için kullanılan diğer alaşımlar 5083, 5454 ve 5754 alaşımlarıdır. Bu
alaşımlar aynı zamanda mangan elementi de ihtiva ederler. Bu alaşımlar çökelme sertleşmesi
göstermezler ve ısıl işlem esnasında mukavemetleri de artmaz. Bu alaşımlara şekil verme yolu
ile ilave mukavemet kazandırılabilirler. Fakat bu özelliklerini de fırınlama çevrimi esnasında
kaybederler. Bu nedenle “-O” ısıl işlem özelikleri alaşımın mukavemetinin daha uygun hale
gelmesine yardımcı olur.
5000 alaşımları istisna olarak şekillendirilir ve yüksek korozyon dayanımına sahiptirler. Bu
alaşımlar deformasyon esnasında Lüders bantlarının oluşumuna hassas olmalarından dolayı,
dış gövde panel konstrüksiyonunda tercih edilmezler. Ayrıca 5083 alaşımı yaklaşık %4'ün
üzerinde magnezyum ihtiva ettiklerinden şekillendirme ve daha sonra egzoz ve katalitik
sistem gibi parçalara yakın uygulamalarda uzun süreli 65 °C'nin üzerinde sıcaklığa maruz
kaldıklarından gerilme-korozyon çatlamasına maruz kalabilirler. Gerilme-korozyon
hassasiyeti genellikle gövde panel uygulamaları için pratik görülmemektedir.
Müşteri isteklerini, güvenlik gereksinimlerini ve Pazar rekabetini karşılamak amacıyla yeni
üretim teknolojileri hayata geçirilmiştir. Gelişen teknoloji ile birlikte günümüzde kullanılan
sac metal sekilendirme yöntemlerinden bazıları da derin çekme ve bükmedir.
Bu çalışmada teorik ve numunelerden elde edilen kalınlık değişimleri, kritik bölge ve uzama
gerilme grafiğine bakılarak karşılaştırma yapıldı.
DENEYİN YAPILIŞI:
Bu çalışmada Al 5754 ve Al 5083 levhalarını deri çekme ve bükme işlemlerinin teorik ve
uygulama sonuçlarının karşılaştırılması yapılmıştır.
Al 5083 Mekanik özellikleri
Al 5754 Mekanik özellikleri
Sac levhaların mekanik özellikleri yukarıdaki tablolarda verilmiştir.[9]
Derin çekme esnasında bir takım kuvvetlerin etkisi altında kalmaktadır. Bu kuvvetler,
kavis üzerindeki bükme kuvvetleri; sacın kalıp ve bastırıcı ile sürtünmesinden doğan
kuvvetler; kabın flanş kısmındaki basma gerilmeleri olmaktadır.[10] Bu üç kuvveti yenmek
için çekme kuvveti uygulanmaktadır. Dolayısıyla çekilen kabın cidarları çekme gerilmesi
etkisi altında kalmakta, bu etki ve incelme özellikle dip kavisi yakınında yoğunlaşmaktadır.
Dolayısıyla derin çekme işlemindeki çatlama hataları daha ziyade burada meydana
gelmektedir.[11]
Bükme kalıpları, sac veya şerit malzemelere şekil vermede kullanılırlar. Bükme işlemi
sırasında parça plastik, şekil değişimine uğrar. Parçanın bükme alanında üç boyutta da
gerilmeler meydana gelir. Tarafsız düzlemde gerilimler sıfırdır. Tarafsız düzlemin içinde
basılma dışında çekilme oluşur. Bu nedenle (W) parça genişliği içte artarken dışta azalır,
tarafsız düzlemde ise sabit kalır. Bükme işleminde kalıcı plastik şekil değişimini
sağlayabilmek için parça üzerindeki basma ve çekilme gerilimleri giderilmelidir.[12]
Her iki malzemede Pro-Engineer Wildfire 5.0 programı kullanılarak modellendi, daha sonra
bu modellemelerden yararlanılarak parçaların üretile bileceği kalıpların katı modelleri
çizilmiştir.
a) derin çekme numunesi(Al 5754 ve Al 5083)
c) Derin Çekme Kalıbı
b)bükme numunesi(Al 5754 ve Al 5083)
d)Bükme Kalıbı
Yapılan çalışmada, dinamik eksplisit ANSYS/Ls-Dyna ve alt modülü Lsprepost
kullanılmıştır. Kalıp elemanları 1/1 oranında yüzey (surface) olarak modellenmiştir.
Modellenen parçalar sisteme yerlestirilirken kalıp elemanlarının konumuna ve et
kalınlıklarına dikkat edilmiştir. Teorik analizlerde Al 5083 ve Al 5754 sac malzemelerine
“Bilinear Kinematic” ve “3 Parameter Barlat Anisotropic” malzeme model tanımlamaları
yapılmıştır [13]. Çalışmada SHELL 163 eksplisit element tipi kullanılmıştır. SHELL 163
elementin 11 farklı element formülasyonu vardır. Bunlardan Belytschko-Wong-Chiang
formülasyonu seçilmiştir. Kalıp elemanları, kullanılan element tipi ve malzeme özelliklerine
göre sonlu sayıda bölüntülere bölmek ve daha iyi sonuçlar elde etmek için modellere
mesh(ag) örülmüştür.
a)Derin Çekme kalıbı Yüzey çizimi
c) Derin Çekme Kalıbının Mesh Örülmüş Hali
e) Bükme numune Mesh Örülmüş hali
b)Bükme Kalıbı yüzey çizimi
d) Numunenin Mesh Örülmüş hali
f) Bükme Kalıbı Mesh Örülmüş Hali
Çekme
250mm çapındaki Al 5754 ve Al 5083 sacının şekillendirilmesinin teorik olarak iki
malzeme modeline ait sekilenme sınırları değişimi aşağıda verilmiştir. ANSYS/Ls-Dyna
programında yapılan simülasyonlarda Lsprepost programındaki simülasyonlar sonucu 3
Parameter Barlat’ın Blinear Kinematic’e göre şekillenme sınırı incelendiğinde malzeme tepe
noktasında incelme görülmediği için daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.
Al 5754sekillenme sınırları değişimi
Al 5083sekillenme sınırları değişimi
Çekme derinliği 48 mm olarak elde edilmiştir. Aşağıda kalınlık değişimleri gösterilmiştir.
Al 5754 kalınlık değişimi
Al 5083 kalınlık değişimi
Teorik modelden Al 5754 sacın şekillendiğini incelemek amacıyla teorik modelden
elde edilen sonuçlardan yararlanılarak için aşağıdaki Şekillendirme Sınır Diyagramı (SSD)
oluşturulmuştur. Şekillendirme sınır diyagramı incelendiğinde yan duvarlarda kırışıklık
sekilenmenin emniyetli bölgede gerçekleştiği görülmüştür.
Al 5754 sacının S.S.D
Teorik modelden Al 50833 sacın şekillendiğini incelemek amacıyla teorik modelden
elde edilen sonuçlardan yararlanılarak için aşağıdaki Şekillendirme Sınır Diyagramı (SSD)
oluşturulmuştur. Şekillendirme sınır diyagramı incelendiğinde yetersiz elastikiyet hattında ve
sekilenmenin emniyetli bölgede gerçekleştiği görülmüştür.
Al 5083 sacının S.S.D.
Bükme
115*270*410*2 Al 5754 ve Al 5083 sacının şekillendirilmesinin teorik olarak iki
malzeme modeline ait şekillenme sınırları değişimi aşağıda verilmiştir. ANSYS/Ls-Dyna
programında yapılan simülasyonlarda Lsprepost programındaki simülasyonlar sonucu 3
Parameter Barlat’ın Blinear Kinematic’e göre şekillenme sınırı incelendiğinde malzemede
kısmen iyi bir sonuç elde etmiştir.
Al 5754sekillenme sınırları değişimi
Al 5083sekillenme sınırları değişimi
Bükme derinliği 24mm olarak elde edilmiştir. Aşağıda kalınlık değişimleri gösterilmiştir.
Al 5754 kalınlık değişimi
Al 5083 kalınlık değişimi
Teorik modelden Al 5083 ve Al 5754 sacın şekillendiğini incelemek amacıyla teorik
modelden elde edilen sonuçlardan yararlanılarak için aşağıdaki Şekillendirme Sınır Diyagramı
(SSD) oluşturulmuştur. Şekillendirme sınır diyagramı incelendiğinde yetersiz elastikiyet
hattında ve sekilenmenin emniyetli bölgede gerçekleştiği görülmüştür.
Al 5754 sacının S.S.D.
Al 5083 sacının S.S.D.
DENEYİN UYGULAMA KISMI
Derin Çekme:
Al 5754 ve Al 5083 plazma tezgahı ile çap 250mm olacak şekilde ayrı ayrı kesildi oluşan
çapaklar alındı. Levhaların ısıtılıp yağlandı ve çekme kalıbında derin çekme işlemi yapıldı
.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
a):Al 5754 el-plazma tezgahında kesimi b):Al 5083 el-plazma tezgâhında kesimi c): kenar çapakları alınmış numuneler. d): Al 5754 derin
çekme e): Al 5083 derin çekme
Bükme:
Al 5754 ve Al 5083 levhaları giyotin makasında verilen ölçülerde ayrı ayrı kesildi levhalar
ısıtılıp yağlandı basit bükme kalıbında büküldü.
(a)
(c)
(e)
(b)
(d)
(f)
a):Al 5083 giyotin makası tezgahında kesimi b):Al5754 Giyotin makasında kesimi c):Al 5083 bükme kalıbında bükülmesi d): Al 5754
bükme kalıbında bükülmesi e): Al 5083 bükme sonucu f): Al 5754 bükme sonucu
Derin çekme numunesi testere yardımıyla kesildi ve içinden alınan parça üzerinde 6
farklı bölgeden mikro metre yardımıyla kalınlık kontrolü yapıldı.
Al 5754 Kalınlık Değişimi
2,20
2,15
2,10
2,05
2,00
1,95
1,90
1,85
1,80
1,75
0
5
10
15
20
25
30
25
30
Al 5083 Kalınlık Değişimi
2,25
2,20
2,15
2,10
2,05
2,00
1,95
1,90
0
5
10
15
20
Tartışma ve Sonuç
Bu çalışma bükme ve derin çekme sonucunda, elde edilecek kabın fiziksel özelliğindeki
beklentilerin karşılanması bakımından önem arz etmektedir. Derin çekmede elde edilecek
kabın ağız yapısı ve cidar kalınlık dağılımının düzgün olması istenir. Bükmede şekillendirilen
parçanın düzgün ve cidar kalınlık dağılımının düzgün olması beklenir.
Alüminyum malzeme çeliğe nazaran farklı karakteristik özellikler sahiptir. Ancak malzeme
olarak alüminyumun taşınması, şekillendirilmesi kaynaklanması, mamul hale gelmesine kadar
ki işlemlerde kullanılan birçok sistem ve makineler, çelik malzemelerle kullanılanlar ile aynı
olması büyük bir avantaj sağlamaktadır. Otomotiv endüstrisinde alüminyum malzemelerin
kullanımında birçok avantajlar bulunmaktadır. Özellikle otomotiv panel uygulamalarında
alüminyumun etkili ve ekonomik kullanılmasında her bir parçanın özellik ve karakteristiğine
göre optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için alaşımların hem fiziksel hem de mekanik
aynı zamanda sekilendirilebilme ve birleşme özelliklerinin bilinmesi gerekmektedir [14].
ANSYS/Ls-Dyna yazılımı kullanarak uygun parametreler bulunmaya çalışılmıştır. Al 5754
alaşımının akma dayanımı Al 5083 alaşımının akma dayanımından düşük olduğu için gözle
görülemeyen kırışıklıklar diğerine göre daha fazla olduğu bilgisayar analizi sonucu(ANSYS)
görülmüştür. Al 5083 alaşımının akma dayanımı Al 5754 alaşımından fazla olduğu için
kalınlık değişimi daha fazla olduğu görülmüştür. Buna bağlı olarak Bükme deneyinde yetersiz
gerilim hattı fazla oluşmuştur. Böylece kaliteli bölge fazla olduğu analiz sonucunda
görülmüştür.
Kaynakça
[1]
N.,Fridlyander,.,V.G.,Sister, O.E.,Grushko, V:V.,Berstenev, L.M.,Sheveleva,
L.A.,Ivanova1, ““Aluminum Alloys: Promising Materials In The Automotive Industry”, Metal
Science and Heat Treatment, Translated from Metallovedeniei Termicheskaya Obrabotka Metallov,
No.9,pp.3-9, September, 2002.
[2] F.,Rosch, “Aluminum-Its Suitability and Performance in Light Weight Automobile
Structure”, Automotive Technology for Improving Fuel economy, Germany, SEA Technical Paper
eries 937397, 1993.
[3] H.,Wallentowitz, J.,Leyers, T.,Parr, “Materials For Future Automotive Body Structures”,
A Report, Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ÝKA), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule
(RWTH) Aachen, and Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbH Aachen, Business Briefing:Global
Automotive Manufacturing & Technology, 2003.
[4] F.,Ostermann, “Aluminum Materials Technology For Automobile Construction,” English
translation by Row Woodward, Mechanical Engineering Publication Limited, London, 1993.
[5] The Automotive Future in Aluminum, Corus Aluminum NV, Belgium, www.corusgroupduffel.com
[6] S.J.,Harris, B.,Noble, D.G.,McCartney, et al., “Controlling The Formability and Strength
of AlMgSi alloys”, in: Aluminium Alloys, ICAA-6, July 510, 1998, Japan, pp.383388.
[7] R.,Mahmudi, W.T.,Roberts, D.V.,Vilson, et al., Mechanical Properties and Formability Of
The Grained Aluminum Alloys sheets”, Aluminium, No.1, pp.6266, 1987.
[8]TR1.2.16472000, “Fabrication of Sheets from AV-Type Alloys with Fine-Grained
Recrystallized Structure for Cold Forming”, Technol. Recommend, VIAM, Moscow, 2000
[9] Murat Dündar, Canan İnel, Soner Akkurt, Otomotiv Sektöründe Kullanılmak Amacıyla
Sürekli Döküm Tekniğiyle Üretilmiş 5XXX Serisi Al-Mg Alaşımlarının Mekanik Karekterizasyonu
[10]
Mehmet Karalı, Silindirik Kapların Derin Çekilmesinde Farklı Baskı Plakası
Kuvvetlerinin Ve Uygulama Yöntemlerinin Kulaklaşmaya Olan Etkilerinin İncelenmesi Trakya Univ J
Sci, 9(1): 41-46, 2008
[11] Cebeli ÖZEK ve Muhammet BAL, Derin Çekme Kalıplarında Matris-Zımba Radyüsü Ve
Çekme Oranının Et Kalınlığı Üzerindeki Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 24, No 1, 33-41,
2009
[12] Megep ,Meslekî Eğitim Ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi, Makine
Teknolojisi, Bükme Kalıpları-1 Ankara 2006
[13] Release 12.0 Documentation for ANSYS .
[14] Bed_R F., Durak E., Del_Kanlı K. Alüminyum alasımlarının otomotiv endüstrisinde
uygulanılabilirligi ve mekanik özellikleri, Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Mühendisligi
Bölümü, Mühendis ve Makine, 47: 555, 37-46