RMC Mühendislik

 

rmc@rmc.com.tr

 

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 sacın 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. 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. 

Sac ruloyu düzleştirme

Sacların kesimi

Sacların 900°C’e kadar fırında ısıtılması

Sıcak sacların 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

 

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.

 

3. İşlemlerin Simülasyonu

Sıcak şekil verme işleminin doğru bir şekilde simülasyonun yapılması için, tüm fiziksel olaylar ve bu olayların birbiriyle etkileşimleri tüm işlem boyunca doğru modellenmelidir. Şekil 4’deki diagram, sıcak şekillendirme işleminin altında yatan fiziği ve bu etkileşimleri göstermektedir.

Sıcak şekillendirme işlemi karmaşıklığından dolayı birçok farklı disipline ait 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, emek ve dolayısıyla işletmeye yatırım gerektiren bir işlemin en önemli avantajı, otomotiv endüstrisinde kritik parçaların güvenlik (çarpışma) performasını artırmasıdır. Bu artış, parça üzerinde dayanımı yüksek fakat daha gevrek olan martenzit fazı ile daha düşük 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 işlemi sırasında sıcaklık değişimi izafi olarak küçük olmaktadır. Asıl sıcaklık değişimi, sıcak sac 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 artırmaktadır. Eğer ki uygulanabilirlik analizleri sonucunda uygun bir çözüm sağlandığı görülürse, bir sonraki adıma geçilebilir. Yukarıdaki basitleştirmeleri içeren uygulanabilirlik analizleri ESI QUICKSTAMP yazılımı ile yapılabilmektedir.