Süleyman Kahraman
Fecon Arge ve Mühendislik Hizmetleri Ltd. Şti. Bursa, Türkiye
www.fe-con.com.tr suleyman.kahraman@fe-con.com.tr
Sac Levhalara Ön İşlemsiz Bağlantı Elemanı Tespit Sistematiğinin Geliştirilmesi ve Modellenmesi
ÖZET
Birçok endüstri alanı artan rekabet koşulları, gelişen malzeme ve imalat teknolojileri, daralan regülasyon şartları gibi unsurların etkileriyle yenilikçi tasarımlar ortaya koymaktadır. Bu amaçla başta otomotiv ve havacılık olmak üzere plastik, kompozit, hafif alaşım ve çelik gibi malzemelerden üretilmiş parçaların bir arada kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bunun sonucu olarak farklı malzemelerden üretilmiş bu parçaların birbirleriyle birleştirilmesi problemi ortaya çıkmaktadır.
Bu çalışma kapsamında orta karbonlu bir çelikten imal edilmiş bir bağlantı elemanının, alüminyum alaşımdan imal edilmiş bir sac levhaya tespit edilmesi için bir yöntem üzerine araştırmalar yapılmıştır. Bu amaçla endüstriyel olarak yenilikçi bir çözüm üretilebilmesi adına belirli tasarım kriterleri belirlenmiş ve bu kriterlere göre sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda modellemeden elde edilen veriler deneysel çalışmalar ile de desteklenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kendinden kenetlemeli bağlantılar, ağırlık azaltma, sızdırmaz bağlantılar
GİRİŞ
Bağlantı elemanları veya teknikleri günlük hayatımızda gördüğümüz hemen hemen her üründe bulunmaktadır. Bağlantı elemanlarının veya tekniklerinin bir ürün üzerindeki fonksiyonu, temel olarak ürüne ait bir veya birden çok bileşenin kalıcı veya çözülebilir olarak birleştirilmesi için olduğu görülmektedir. Bu fonksiyon kullanım amacına göre ürün tasarımcısı veya ürünü geliştirenler tarafından mukavemet, maliyet, üretim metotları vs. dikkate alınarak belirlemektedir.
Yukarıda bahsedilen durumu, alüminyum alaşımdan üretilmiş bir sac levhaya çelikten imal edilmiş olan bir cıvatanın kalıcı olarak birleştirilmesi problemi üzerinden ele almak gerekirse, günümüzdeki genellikle kullanılan birleştirme tekniklerinin ortaya koyduğu çözümler şöyledir:
Özellikle otomotiv sektöründe yoğun olarak kullanılan konvansiyonel ergitme usulü kaynaklı birleştirme yöntemleri, aynı tür malzemelerden imal edilmiş olan parçaların birleştirilmesinde oldukça fazla kullanılmaktadır. Ancak bu durum çelikten imal edilmiş olan bir cıvatanın, alüminyumdan imal edilen bir sac levhaya birleştirmesi durumu söz konusu olunca, bu yöntem çözüm sunamamaktadır. Zira çelik ve alüminyum malzemelerinin ergime noktaları arasındaki farkın yüksek olması kaynak nüfuziyetinin sağlanmasının önüne geçmektedir [1-2]. Bu problemin kaynak ile çözümü için cıvatanın da alüminyumdan üretilmesi gerekmektedir. Bu da birim maliyet açısından oldukça pahalı bir çözüm ortaya koymaktadır. Ayrıca alüminyum alaşımların yüzeyinde oluşan alüminyum oksit tabakası ve kaynak ile ilgili diğer proses parametreleri düşünüldüğünde, kontrollü bir proses açısından, karmaşık bir yapı ortaya çıkmaktadır [3]. Ayrıca kaynak esnasında oluşan ortaya çıkan ısı tesiri altında kalan bölgelerde (ITAB) bazı mekanik problemler de oluşabilmektedir [4].
Ergitme usulü kaynaklı birleştirme yöntemlerinin çözüm sunamadığı bu problem için kendinden kenetlemeli bağlantı tekniği geliştirilmiştir. Bu teknikte ön delik delinmiş veya ön form verilmiş bir saca, özel geometrilere sahip bir cıvata belirli bir yük altında birleştirilmektedir. Birleştirme esnasında ya sac levha ya da bağlantı elemanı plastik olarak deformasyona uğratılmaktadır. Deformasyon sonucu olarak cıvata sac levhaya kenetlenmekte ve eksenel sökme kuvvetlerine veya döndürme momentlerine karşı koyan bir yapı oluşturulmaktadır [5]. Bu yöntem genel olarak ergitme usulü kaynaklı birleştirmelere göre ilk yatırım ve işletme maliyetleri açısında daha ekonomik bir çözüm sunmaktadır [6]. Bunun yanı sıra ergitme usulü kaynaklı birleştirmelerde ortaya çıkan çevreye zararlı atık gazlar oluşmamakta ve bunun sonucu olarak çevreci bir yaklaşım olarak ortaya çıkmaktadır.
Bu çalışma kapsamında kendinden kenetlemeli bağlantı tekniği prensibine dayalı yeni bir metodun ortaya konması hedeflenmiştir. Geliştirilmesi planlanan bu metodun, mevcut kendinden kenetlemeli bağlantı elemanlarından ayıran özelliği, sac levhaya herhangi bir delik delmeden veya herhangi bir ön operasyon gerektirmeden birleştirmeyi sağlayacak olmasıdır. Bunun yanı sıra tespit sonrası sac levhanın et kalınlığı boyunca belirli bir kesitin sürekli kalması sağlanarak, özellikle sızdırmazlık gerekli bölgeler için, kauçuk veya sıvı conta gibi ek malzeme ihtiyacını ortadan kaldıracak bir yapının geliştirilmesi planlanmıştır. Bu anlamda, patentlenen bu prosesin sonlu elemanlar yöntemi ile geliştirilme süreci bu makale kapsamında ele alınmıştır.
MATERYAL VE METOT
Bu çalışma kapsamında geliştirilmesi hedeflenen bağlantı tekniğinin temel tasarım kriterileri şöyledir: Geliştirilecek olan cıvata geometrisi ve birleştirme tekniği sac levhaya herhangi bir ön delik delinmesi ihtiyacını ortadan kaldıracak bir yapıda olacaktır. Ayrıca tespit sonucu sacın arka yüzeyinde sızdırmaz bir bölge kalacaktır. Tespit edilecek sac levha kalınlığı 2mm ve sac levha malzemesi AA1050A ve H14 ısıl işleme tabi tutulmuş alüminyum alaşım ve cıvata tipi M6 ve malzeme olarak AISI1050 orta karbonlu soğuk çekilmiş çelikten imal edilecektir.
Kendinden kenetlemeli cıvata modeline ait konsept tasarım görselleri Şekil-1’de verilmiştir. Bu tasarımda, bağlantı elemanının sac levha ile temas yüzeyini minimuma indirecek bir taban geometrisi ortaya konmuştur. Ayrıca şekillendirme sonrası sac levhanın bağlantı elemanına yığılarak eksenel sökme kuvvetlerine karşı direnç gösterecek bir yığma boşluğu ön görülmüştür. Benzer şekilde, tespit işleminin ardından cıvatanın çözülebilir bağlantı noktalarından maruz kalacağı eksenel döndürme momentlerine direnç gösterebilmesi adına Şekil-1’de gösterilen kafa geometrisi belirlenmiştir. Bu geometrinin bir diğer fonksiyonu da tespit işlemi için uygulanacak olan yükü karşılaması ve bu yük ile deforme olan sac levhayı eksenel sökme boşluğuna doğru yönlendirmesidir. Bu tespit işlemi sonucu cıvatanın vida kısımları çözülebilir bağlantı noktası için kullanılabilir olacaktır. Bu sayede buraya bağlanacak bir parça, standart somun ile bağlanabilecek ve gerekli olduğu durumlarda somun geri sökülerek parçanın demontaj işlemi gerçekleştirilebilir olacaktır.
Şekil-1: Kendinden kenetlemeli bağlantı elemanına ait konsept tasarım detayları
Araştırma kapsamında geliştirilen tespit prosesi bileşenleri Şekil-2’de gösterilmiştir. Bunlar; cıvata, sac levha, cıvatanın sac levhaya doğru uygulanan kuvvet ile ilerlemesini ve sac levha deformasyonun yönlendirmeye yarayan zımba, deformasyon esnasında sac levhanın geri yaylanmasının önüne geçmesi için pot çemberi ve tüm proses bileşenlerine referanslandığı alt destek parçasından oluşmaktadır.
Proses temel olarak itici zımbaya Şekil-2’de gösterilen -Z yönünde kuvvet uygulanmasıyla başlamaktadır. Uygulanan kuvvet itici zımba vasıtasıyla cıvatanın kafa kısmına iletilerek cıvatanın sac levhayı deforme etmesini sağlamaktadır. Deforme olan sac levha, pot çemberinin iç çapına doğru yığılmaktadır. Deformasyonun belirli bir adımında deforme olan sac levha, zımba sayesinde cıvatadaki yığma boşluğuna yönlendirilmektedir. Benzer şekilde dönme momentlerine direnç göstermesi için açılan geometrilere de dolmaktadır. Bu operasyonun sonucu olarak hem eksenel sökme kuvvetlerine hem de eksenel döndürme momentlerine direnç gösteren bir tespit operasyonu gerçekleştirilmektedir (Şekil-3). Bu tespit operasyonu sayesinde cıvatanın tespiti için bir ön form veya delik delme gereksinimi ortadan kalkmaktadır. Aynı zamanda da sızdırmazlık gerekli bölgeler için herhangi ek ekipman ihtiyacına da gerek duyulmamaktadır.
Prosesin konsept tasarımının ve alt bileşenelerinin 3 boyutlu olarak datalarının oluşturulmasının ardından, bu prosesin sonlu elemanlar yöntemleri ile validasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaç için MSC Simufact-Forming paket programı kullanılmıştır. Cıvata malzemesi olarak AISI 1050 soğuk çekilmiş orta karbonlu çelik seçilmiş ve sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesindeki malzeme datası oluşturulabilmesi için bu malzeme çekme testine tabii tutulmuştur. Çekme testine tabi tutulan çubuk numunesine ait ölçüler Şekil-4’de verilmiştir. Bu numune üniversal CNC torna tezgahında üretilmiş olup, çekme testi ise 250 kN yük kapasitesine sahip bir elektro mekanik çekme-basma test cihazında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca numune 10-3 1/s gerinim hızında test edilmiştir. Elde edilen veriler SEY modeline aktarılmıştır.
Sac levha malzemesi olarak seçilen AA1050A H14 Alüminyum alaşım malzemesine ait datalar Simufact program kütüphanesinde seçilmiştir. Malzeme datası 20°C sıcaklığında ve 10-2 1/s gerinim hızına göre Tablo-1’de verilen GMT eşitliğine göre belirlenmiştir. Kavramsal tasarımı gerçekleştirilen prosesin MSC Simufact-Forming programı kullanılarak SEY ile modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesine ait bileşenler Şekil-5’te verilmiştir. Buna göre, proses 3 Boyutlu olarak ve simetrik geometriden faydalanarak 90° kesit halinde modellenmiştir. Ayrıca cıvata bileşeninin vida kısımları prosese dahil edilmemiştir. Sac levha ve cıvata bileşenleri katı prizmatik ağ yapısı ile örülmüştür. Sac levhanın özellikle deformasyon altındaki bölgelerinde ağ inceltmesi yapılmıştır (Şekil-5.a). Ayrıca, adaptif ağ algoritması kullanılmıştır. Bu sayede prosesin ilerleyen adımlarında ağ geometrisindeki muhtemel bozulmaların önüne geçilmesi hedeflenmiştir. Zımba, alt destek ve pot çemberi bileşenleri rijit olarak tanıtılmıştır. Bileşenler arası sürtünme Bilineer Coulomb yaklaşımıyla ve 0,04 tolerans aralığında sabit olarak tanımlanmıştır. Tüm SEY modellemesi ve çözdürülmesi Intel I7-8750H işlemciye ve 16GB ram kapasitesine sahip bir bilgisayarda gerçekleştirilmiştir.
Oluşturulan SEY modeli MSC Marc programı ile çözdürülmüştür. Proseste lineer pres tanıtılmış ve pres hızı 1 mm/s olarak seçilmiştir. Bu hız benzer şekilde deneysel çalışmalarda da kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar 250kN yük kapasitesine sahip elektro mekanik basma-çekme test cihazında gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar esnasında yük ve strok grafikleri kayıt edilmiştir. Elde edilen bu kayıtlar SEY modelinden elde edilen sonuçlar ile mukayese edilmiştir. Aynı zamanda deneysel çalışmalardan elde edilen numunelerden kesitler alınarak SEY modeli ile karşılaştırılması yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucu SEY modelinin deneysel veriyi desteklemesi sağlanmıştır. Bunun dışında prosesin diğer bileşenleri olan alt destek, zımba ve pot çemberi için DIN 1.2379 kalıp çeliği seçilmiştir. Bu bileşenler ve cıvata numuneleri talaşlı imalat yöntemleri ile üretilmiştir.
BULGULAR VE SONUÇLAR
Cıvata imalatında kullanılan AISI 1050 çeliğine ait gerçek gerilme uzama grafikleri Şekil-6’da verilmiştir. Ayrıca malzemelere ait mekanik değerleri Tablo-2’de özetlenmiştir. Buna göre cıvata malzemesinin mekanik özellikleri incelendiğinde akma dayanımın 595 MPa ve çekme dayanımın 610 MPa, kopma uzamasının ise %15 olduğu anlaşılmıştır (Tablo-2). Bu değerler söz konusu çeliğin hem yeterli mukavemet hem de süneklik ve tokluk sergilediğini göstermektedir. Bu duruma göre, AISI 1050 malzemesinin mekanik özelliklerinin hem talaşlı imalat yöntemlerinde hem de dövme gibi kütlesel metal şekillendirme yöntemlerinde kullanılmasına müsaade eder nitelikte olduğu söylenebilir. Ayrıca söz konusu çeliğin sağlamış olduğu mekanik mukavemet değerleri ISO 898 standardında belirtilen cıvata mukavemet sınıflarında 8.8 sınıfına yakın olduğu anlaşılmaktadır. Sac levha malzemesi olan AA1050A H14 için MSC Simufact-Forming programının malzeme kütüphanesinden bulunan veri GMT fonksiyonundan 20°C için seçilerek SEY modeline aktarılmıştır. Elde edilen bu grafik Şekil-7’de verilmiştir.
Şekil-2’de belirtilen konsept proses tasarımı ve bu tasarıma ait bileşenler talaşlı imalat yöntemleri ile imal edilmiştir. İmal edilen bu prototip bileşenlerde meydana gelen ölçüsel sapmalar tespit edilmiştir. 3 Boyutlu datalar elde edilen sapmalara göre revize edilmiştir. Revize edilen datalar Şekil-5’te gösterilen SEY modeline aktarılarak analiz koşturulmuştur. Aynı şekilde Şekil-2’de gösterilen proses bileşenlerine göre deney düzeneği hazırlanmıştır. Hazırlanan bu deney düzeneğinde tespit işlemleri gerçekleştirilmiştir. Tespit işlemleri esnasında yük strok grafikleri elde edilmiştir. Elde edilen yük strok grafikleriyle SEY modelinin benzeşimi sağlanmıştır. Bunun için ağ boyutu, sürtünme katsayısı gibi SEY model parametrelerinde çeşitlendirmeler yapılarak deneysel veri datalarına benzeşimi sağlanmıştır.
Deneysel çalışmalardan elde edilen yük strok grafikleriyle SEY modelinden elde edilen en uygun grafik Şekil-8’de gösterilmiştir. İlgili grafik incelendiğinde prosesin temel olarak 3 farklı eğri grafiği sergilediği gözlemlenmiştir. 0-0,5mm arasında özellikle deneysel grafiğin bileşenler arası boşluk ve elastik deformasyon nedeniyle lineerlikten saparak bir miktar düzgünsüzlük sergilediği görüşmüştür. 0,5-1,0 mm arasında yük artışının azaldığı görülmektedir. 1,0 mm’den sonra eğri eğimini artarak yük artışının da arttığı ve aynı zamanda SEY modeli ile deneysel grafikleri arasında eğim farkının olduğu anlaşılmıştır.
Deneysel ve SEY modelinden elde edilen tespit edilmiş cıvata ve sac levha ikisine ait numunelerden kesitler alınmıştır. Elde edilen bu kesitlerin yüzeyleri incelenmiş ve bu iki veri birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma Şekil-9’da verilmiştir. Buna göre deformasyon sonucu sac levhanın cıvata geometrisinde bulunan eksenel sökme boşluğuna dolum profilleri her iki durumda da büyük oranda benzeşim sergilendiği görülmüştür. Cıvatanın yük iletimi bölgesinde bir miktar eğilme ve bu eğimenin sacın son dolum noktasında denk gelen bölgede deformasyona neden olduğu her iki durumda da görülmektedir.
Söz konusu prosesin sac levhaya tespit işlemi için herhangi bir ön delik delme veya ön operasyon işlemine gerek kalmadığı hem deneysel hem de SEY çalışmalarıyla desteklenmiştir. Buna ek olarak bir sac levhada birden fazla uygulanması durumunda sacda herhangi bir geri yaylanma meydana gelmediği görülmüştür (Şekil-10). Yani geliştirilen proses tekrarlı tespit işlemlerine de olanak sağladığı anlaşılmaktadır. Bu sayede endüstriyel olarak hızlı bir şekilde tespit sistemine imkân sağlayacak bir alt yapıya sahip olduğu görülmektedir.
TARTIŞMALAR ve ÖNERİLER
Çalışma kapsamında bir sac levhaya çözülebilir bağlantı noktası oluşturulması için kendinden kenetlemeli bir bağlantı tekniği geliştirilmiştir. Geliştirilen bu tekniğin mevcut çözümlere göre sağlamış olduğu en büyük avantaj, sac levhaya herhangi bir ön işlem (delik delmek veya ön form oluşturmak gibi) yapmadan tespit işlemine olanak sağlamasıdır ve sızdırmazlık gerekli olan uygulamalar için ek malzeme ihtiyacını ortadan kaldırmasıdır. Söz konusu tespit prosesinin SEY ile modellenmesi gerçekleştirilmiş ve aynı zamanda bu model deneysel çalışmalar ile valide edilmiştir.
Yapılan çalışmalardan elde edilen yük ve strok grafikleri incelendiğinde prosesin temel olarak 3 farklı karakter sergilediği gözlemlenmiştir (Şekil-8). Buna göre grafiğin son eğim karakteristiği gösterdiği bölgede (strok >1 mm) yük artış hızının eğrinin diğer noktalarına nazaran daha yüksek oranda arttığı görülmektedir. Bu durum neticesinde, prosesin nihai tespit stroğunun ve yükünün önemli olduğu ortaya çıkmaktadır. Zira tespit için deforme edilen malzemenin dolum noktasında sonra akabileceği hacim sınırlı kalmaktadır. Bu durum neticesinde deformasyon esnasında hidrostatik gerilmenin yükseldiği ve buna istinaden kayma gerilmesinin azaldığı düşünülmektedir. Bunun sonucu olarak sac levhada ölü metal bölgeler (death metal zone) oluşumu görülebilir.
Deneysel ve SEY modelinden elde edilen yük strok grafiklerinin son bölgesinde eğri eğimlerinde farklılık olduğu gözlemlenmiştir. Bu duruma artan deformasyon ile malzeme pekleşmesinin SEY modelinde birebir yansıtılamamasından kaynaklanıyor olabileceği düşünülmektedir. Dolayısıyla malzeme datası ve malzemeye ait mekanik değerler ile ilgili testler gerçekleştirilerek, söz konusu durum tekrar incelenebilir.
