Available via license: CC BY 4.0
Content may be subject to copyright.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi
Pamukkale University Journal of Engineering Sciences
8
Artımlı sac şekillendirme tekniği ile otomobil sac parça üretimi
Automobile sheet metal part production with incremental sheet forming
İsmail DURGUN1*, Ali SAKİN1
1Tofaş Anonim Şirketi, Ar-Ge Bölümü, Bursa, Türkiye.
ismail.durgun@tofas.com.tr, ali.sakin@tofas.com.tr
Geliş Tarihi/Received: 13.01.2015, Kabul Tarihi/Accepted: 08.05.2015
* Yazışılan yazar/Corresponding author
doi: 10.5505/pajes.2015.37980
Araştırma Makalesi/Research Article
Öz
Abstract
Günümüzde küresel problemlerin etkisini hissedilir derecede arttırması,
enerji verimliliği ve sürdürülebilir üretim yöntemlerine olan ilginin
artmasına neden olmaktadır. Ayrıca bu olumsuz şartların sonucu
olarak, ulusal veya uluslararası proje platformları, üretici firmalar ileri
üretim teknikleri kapsamında birçok çalışma yapmakta veya mevcut
çalışmaların iyileştirilmesi konusunda çaba sarf etmektedirler. Bu
çalışma da son zamanlarda yerini ileri üretim teknikleri kapsamında
sürdürülebilir üretim yöntemi olarak bilinen Artımlı Sac Şekillendirme
(ASŞ) metodu kullanılarak sac parça üretimi gerçekleştirilmiştir.
Uygulama olarak araç çamurluk sacı farklı takım yolları ve kalıp setleri
kullanılarak, kalıplı, kalıpsız olarak şekillendirilmiştir. Çalışmanın
sonucunda operasyonda kullanılan yöntem ve parametreler birlikte ele
alınarak değerlendirilmiştir.
Nowadays, effect of global warming is increasing drastically so it leads
to increased interest on energy efficiency and sustainable production
methods. As a result of adverse conditions, national and international
project platforms, OEMs (Original Equipment Manufacturers), SMEs
(Small and Mid-size Manufacturers) perform many studies or improve
existing methodologies in scope of advanced manufacturing techniques.
In this study, advanced manufacturing and sustainable production
method "Incremental Sheet Metal Forming (ISF)" was used for sheet
metal forming process. A vehicle fender was manufactured with or
without die by using different toolpath strategies and die sets. At the end
of the study, Results have been investigated under the influence of
method and parameters used.
Anahtar kelimeler: Artımsal sac şekillendirme, Metal şekillendirme
Keywords: Template incremental sheet metal, Metal forming
1 Giriş
Literatürde prototip imalat ile ilgili önerilmiş birçok yöntem
söz konusudur. Bunlar arasında, seri imalatta kullanılan
kalıplara alternatif olarak farklı (daha ucuz, daha kolay üretilen
ve geri dönüşümü daha az enerji ile gerçekleştirilebilecek olan)
malzemelerle üretilen kalıplar [1]-[3] araştırılmakla birlikte,
özellikle son on yılda giderek artan bir şekilde artımlı sac
şekillendirme yöntemleri belirgin bir şekilde ön plana çıkmaya
başlamıştır [4].
Artımlı sac şekillendirme (ASŞ) yöntemi, hassas bir şekilde
kumanda edilebilen (tercihen bilgisayar kontrollü–CNC) bir
dik/yatay işleme tezgâhına bağlanan sac malzemenin üzerine
bir veya birkaç noktadan baskı uygulanarak ve uygulanan baskı
noktası kontrolü olarak hareket ettirilerek saca şekil verme
işlemi olarak tanımlanabilir [5]. İşlem, deformasyon şekli
olarak sıvama yöntemine benzetilebilir; şu farkla ki, sıvama
işleminde şekillendirilen malzeme hareketli iken
(bir platforma bağlanmış döndürülürken), ASŞ yönteminde
hareketsizdir (tabladan üçüncü eksen hareketi verilen dik
işleme tezgâhları için, tablaya bağlanan malzeme tablanın
x-ekseni doğrultusunda tek yönlü hareket sahibidir) [6].
Malzeme deformasyonu artımlı ve lokal olarak yapıldığından
dolayı süreçte meydana gelen kuvvetler, konvansiyonel
kuvvetlere göre düşüktür [7]. ASŞ yöntemi ile form verme
işleminde, sac sıvama (spinning) ve gerdirmeli form (strecth
forming) verme tekniklerinin kombinasyonuna ilave olarak
eksenel simetrisi olmayan parçalara form verilebilmektedir [8].
Durante ve diğ. [9], AA7075T0 alüminyum plakalar üzerinde,
koni ve piramit geometriler üzerinde farklı takım yapısı, çapı ve
devir parametrelerinin etkisinde şekillendirile bilirlik, yüzey
pürüzlülüğü ve takıma gelen yükleri incelemişlerdir. Sabit uçlu,
takım dönmeden yapılan şekillendirme işleminde yüzey
pürüzlülük değeri en yüksek seviyeye ulaşırken, teflon kaplı
yataklanmış serbest olarak dönebilen küre takım ise en düşük
pürüzlülük değerini vermiştir. Takım çapı ve açısal adımdaki
artışın şekillene bilirliği azaltıcı yönde etkilediği, takım ile sac
arasındaki temas şeklinin ise etkili olmadığını tespit
etmişlerdir.
Hagan ve Jeswiet [10], araç reflektörünü; tek parça ve iki parça
olarak üreterek test etmişlerdir. Reflektör üretiminde, 3D
modelin direk olarak kullanılmasından farklı olarak, z
doğrultusunda modele farklı ölçeklerde çekme vererek ara
operasyonlar oluşturarak kademeli modelleme uygulaması
yapmışlardır. Skjoedt ve diğ. [11] kap modellemesinde
şekillendirme yönünü operasyon bazında aşağıdan yukarıya
veya yukarıdan aşağıya olacak şekilde değiştirerek, kademeli
olarak modelleme stratejisi geliştirmiş olup, aynı geometri için
tek operasyona göre şekillenebilirlikteki artışı göstermişlerdir.
Jurisevic ve diğ. [12] rijit takım kullanmak yerine su jeti,
Okoye ve diğ. [13] ise elektromanyetik alan oluşturacak bir uç
kullanarak artımlı şekillendirme yöntemi konusunda
çalışmışlardır. Bazı çalışmalarda, şekillendirme, belirli bir
matris yapı içinde istenilen form verilebilen bir seri
şekillendirme ucu ile ve bir pres altında yapılmaktadır. Bu
yönteme değişken kalıplı şekillendirme adı verilir [14].
Değişken kalıplı şekillendirme tekniği, ASŞ yöntemi öncesinde
şekillendirme bölgesine ön form vermek amacıyla da
kullanılmaktadır. Değişken kalıpla ön form verme
stratejisindeki asıl amaç şekillendirme bölgesinde eşit kalınlık
dağılımının sağlanması ve ASŞ işlemi esnasında incelme
kaynaklı yırtılma problemlerinin önlenmesidir. Fan ve diğ. [15],
TiAl 4V alaşımının, ısıtılarak artımlı şekillendirme yöntemi ile
şekillendirmişlerdir.
Sac parçalar, işleme merkezinde oluşturulan takımyolunun
takım tarafından takibi ile şekillendirileceğinden
konvansiyonel yöntemlere göre imalat daha uzun sürmekte ve
bu açıdan yöntem prototip veya düşük adetli üretimler için
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
9
uygun bir yöntemdir. Kalıp üretiminin gerekmemesi, kalıp
stoklamak için gerekli alandan tasarruf edilirken aynı zamanda
imalat süresini kısaltarak ürün geliştirme sürecinde
değişikliklerin hızlı ve maliyetsiz olarak uygulanabilmesine
olanak sağlamaktadır.
Bu çalışma da belirli bir ölçekteki araç ön çamurluk sacının
farklı teknikler kullanarak üretim denemeleri yapılarak
sonuçlar irdelenmiştir.
2 Artımsal şekillendirme yöntemi
Artımlı şekillendirme yöntemi, birçok farklı süreçte
kullanılmaktadır. Bu yaklaşımda malzeme deformasyonu lokal
ve artımlı olarak yapıldığından, şekillendirme kuvvetleri
konvansiyonel süreçlere göre oldukça küçüktür. Artımlı
şekillendirme yönteminde işlem kullanılan malzeme
(sac, titanyum, plastik…) takım (HSS & karbür rijit takım, su
jeti…) ve temas durumunda (tek nokta kontak, iki nokta
kontak…) bağlı olarak farklılıklar göstermektedir.
2.1 Artımlı şekillendirme-tek nokta kontak
(Single point incremental forming-SPIF)
Artımlı sac şekillendirme sürecinde çeşitlilik unsurlarından
biri, saca temas eden nokta sayısıdır. Tek takım kullanıldığında
temas sayısı tek, karşı takım veya destek, alt kalıp
kullanıldığında ise temas noktası iki olabilmektedir. Bu
yöntemlerden ilki SPIF tek noktada kontak esasına dayanan,
kalıp veya destek gerektirmeyen yöntemdir. Tek nokta ile form
verme işlemi, sac sıvama (spinning) ve gerdirmeli form (stretch
forming) verme tekniklerinin kombinasyonuna ilave olarak
eksenel simetrisi olmayan parçalara da form verebilmektedir
[16].
Düz sac, detayları Şekil 1’de gösterilen metal karkas üzerine,
tutucu plaka ile sabitlenir. CNC dik işleme merkezi ya da
frezede, küre uçlu takım kullanılarak form verme işlemi yapılır.
SPIF yönteminde, sac altında destek ya da kalıp
kullanılmadığından en az maliyetli ASŞ sürecidir.
Şekil 1: SPIF-ekipman kesit görünüşü [16].
2.2 Karşı takım kullanarak sayısal kontrollü
şekillendirme (Incremental forming with counter
tool-IFWCT)
Bu yöntemde, tek nokta kontak yönteminden farklı olarak, alt
plaka yerine, üstteki takım ile senkronize hareket eden karşı
takım vardır (Şekil 2). Bu süreçte karşı takım, alt destek kalıbı
ya da alt kalıp görevini yerine getirmektedir. Karşı takım, her
parça için alt kalıp ya da destek gibi kullanılabildiğinden, esnek
kalıp (flexible support) olarak da adlandırılır. Süreçte
şekillendirme iki takımın hareketiyle sağlandığından dolayı,
robot veya ikinci takımın hareketini simule edebilen çok
eksenli işleme merkezleri kullanılır.
Karşı takım kullanarak şekillendirme yönteminde, sac tutucu
plaka Şekil 2’deki gibi Z yönünde hareketli veya sabit konumda
olabilir.
Şekil 2: IFWCT yöntemi ile şekil verme sürecinin şematik
görünümü [17].
2.3 Artımlı şekillendirme-iki nokta kontak
(Two point incremental forming)
İki nokta kontak ile şekillendirmede (TPIF) sac, Z ekseni
yönünde dikey olarak hareket edebilen bir tutucu plaka ile
sabitlenir. Tek nokta ile şekillendirme yöntemine benzer
şekilde, takım dış konturdan başlar, geometrinin üst
yüzeyinden alt yüzeyine doğru hareket eder. İki nokta ile
şekillendirme; alt destek kalıplı (partial die) ve alt kalıplı
(full die) olmak üzere ikiye ayrılır.
2.3.1 Alt destek kalıbı kullanarak (TPIF-partial die)
artımlı şekillendirme
Tek nokta kontak ile şekillendirmede kullanılan alt plakanın
(sacın çevre kesimini taşıyan plaka) görevini, bu yöntemde
Şekil 3’te gösterildiği gibi sacın altında bulunan destek kalıbı
üstlenir. Alt destek kalıbı olarak kullanılan geometri, üretilen
parçaya spesifik olmaması durumunda, aynı destek kalıbından
farklı parçaların üretiminde faydalanılabilir. Destek kalıbının
kullanılmasındaki amaç, parça geometrisinin desteklenmesi ve
dolayısıyla, tek nokta kontak (SPIF) yöntemine göre daha
hassas geometri elde edilebilmesidir. Süreçte, takım, CAD
dataya göre oluşturulan takım yollarını takip ederek, destek
kalıp ile takım arasında sacın şekillendirilmesi sağlanır. Sac
tutucu plaka, belirli bir katmanda form verme işlemi sona
erdikten sonra, -Z yönünde hareket ederek, yeni katmanın
şekillendirilme işlemine başlanır.
Şekil 3: TPIF (patial die) şematik gösterimi [18].
2.3.2 Alt kalıp kullanarak (TPIF-Full die) artımlı
şekillendirme
Bu yöntemde, alt destek yerine parça formuna göre işlenmiş
kalıp kullanılmaktadır (Şekil 4). Yöntemde alt kalıp
kullanıldığından dolayı, kalıpsız şekillendirme olarak
nitelendirilmemesine rağmen prototip ve düşük adetli üretim
açısından, kalıbın tek tarafına ihtiyaç duyulması nedeniyle
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
10
konvansiyonel yöntemlere göre maliyet ve zaman açısından
avantaj sağlamaktadır. Form verme işleminde sac, kalıp ve
takım arasında kaldığından dolayı, diğer yöntemlere göre
geometri doğruluğu açısından daha hassastır.
Şekil 4: TPIF (full die) [18].
Süreçte, parçaya özel alt kalıp kullanılması, kalıp malzemesi ve
üretimi göz önüne alındığında konvansiyonel yöntemlerdeki
kadar olmasa da ekstra maliyet oluşturmaktadır. İşçilik
maliyetlerinde değişkenlik olmayacağından, kalıp maliyeti,
seçilen kalıp malzemesine göre (çelik, alüminyum, plastik,
ahşap ya da köpük) değişkenlik göstermektedir. Ayrıca üretim
esnekliği, üretilen kalıbın sadece spesifik parça üretiminde
kullanılmasından dolayı diğer yöntemlere (SPIF ve TPIF-partial
die) göre düşüktür.
3 Deney konfigürasyonu ve ekipman
Çalışmada ASŞ yöntemi ile şekillendirme için araç ön
çamurluğu seçilmiştir (Şekil 5). Mevcut CNC dik işleme
merkezinde uygulama yapılabilmesi için çamurluk sacı 0.5
oranında ölçeklendirilerek tabla ebatlarına uygun hale
getirilmiştir.
Şekil 5: Ön çamurluk. (a): Üst görünüş, (b): 3D görünüş.
Şekillendirme işlemi deneysel Şekil 6’da gösterilen Mazak VTC-
300CII dik işleme merkezi kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Kullanılan işleme merkezinin işleme hacmi 1750 x 760 x 660
mm’dir.
Şekil 6: Artımlı şekillendirme operasyonunda kullanılan dik
işleme merkezi.
Artımlı şekillendirme işleminde kullanılan Ø15 ve Ø18 mm HSS
takımlar Şekil 7’de gösterilmiştir. Takım çapı seçiminde parça
minimum radyus değeri referans alınarak iç bükey formları
şekillendirilecek doğrultuda seçim yapılmıştır.
(a)
(b)
Şekil 7: (a): Ø15, (b): Ø18 HSS takımlar.
1 mm kalınlığında, DC04 soğuk haddelenmiş sac malzeme
çamurluğun üretiminde kullanılmıştır. DC04 malzeme
otomotiv parçaları, yapıların dış panelleri, ev aletleri, elektrik-
elektronik eşyalar, mobilya, radyatör gibi çok geniş bir alanda
kullanılan derin çekme sürecine uygun sünek bir malzemedir.
Bu malzeme, iki fazlı veya üç fazlı çeliklerle karşılaştırıldığında
şekillendirile bilirliği oldukça yüksektir. Çekme deneyi
sonucunda elde edilen değerler Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1: DC04 1 mm çekme deneyi sonuçları.
Akma Gerilmesi (MPa)
156.59
Kopma Gerilmesi (MPa)
296.53
Uzama (%)
41.53
Deney için kullanılan yöntem (erkek kalıp, dişi kalıp veya
kalıpsız), takım yolu parametrelerini (ilerleme, devir, takım
çapı…) içeren deney konfigürasyonu Tablo 2’de detaylı bir
şekilde açıklanmıştır.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
11
Tablo 2: Çamurluk üretimi için kullanılan deney konfigürasyonu.
Deney
No
Yöntem
Takım
Çapı (mm)
Takımyolu
Stratejisi
∆Z
(mm)
f
(mm/dk)
n
(dev/dk)
1
TPIF-Dişi Kalıp
Ø18
Z Level profile optimized
0.3
10000
2000
2
SPIF
Ø15
Z Level profile optimized
0.5
36000
2000
3
SPIF
Ø15
Z Level profile optimized
0.5
15000
2000
4
SPIF
Ø18
Z Level profile
0.5
10000
2000
SPIF
Ø18
Z Level profile optimized
0.5
20000
2000
5
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Contour Area - Follow Periphery
0.5
1000
2000
6
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile optimized
0.5
5000
2000
7
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile
0.15
5000
2000
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile optimized
0.3
5000
2000
8
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile
0.3
5000
2000
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile optimized
0.3
5000
2000
9
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Cavity Milling Follow Perihery
1
15000
2000
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Z Level profile
0.5
15000
1000
10
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Area Milling- Follow Periphery
0.05
10000
2000
11
TPIF-Dişi Kalıp
Ø15
Cavity Milling Follow Periphery
0.3
15000
2000
12
TPIF-Erkek Kalıp
Ø18
Z Level profile optimized
0.3
10000
2000
4 Takım yolu stratejileri
Takım yolunun oluşturulması aşamasında, takım yolu stratejisi
(yöntem), işleme payı (stock), derinlik adımı (∆z), devir,
ilerleme, takım çapı ve tip bilgilerinin tanımlanması
gerekmektedir. Takım yolu oluşturma stratejisi, free form
yüzeylerin işlenmesi için CAM programlarında genel olarak
kaba ve finish operasyonlar olmak üzere sınıflandırılır. Birçok
programda benzer stratejiler farklı isim ve alt operasyon
seçenekleri ile birlikte sunulmaktadır.
Bu çalışmada Unigraphics NX 7.5 sürümü CAM modülü
kullanılarak takım yolları oluşturulmuştur. ASŞ yöntemi,
açısından bakıldığında, takım kesme işlemi yapmadan lokal ve
artımlı deformasyonlar oluşturarak şekillendirme yapması,
programların konvansiyonel talaşlı imalat süreçlerine göre
tasarlanmasından dolayı yöntemlerin farklı sıralamada
uygulanması gerekmektedir.
4.1 Kaba işleme (Cavity milling)
Kaba boşaltma ya da blok işleme olarak ta adlandırılmaktadır.
İşlenecek blok, girilen yanal ve dikey adım parametrelerine
göre aynı z seviyesinde parça ve blok geometrilerinin
kesitlerinin alınması sonucunda arada kalan alanın taranması
için hesaplanan programdır. Her z seviyesinde tüm alanların
taranması ve dikey adım sonrasında aynı işlemlerin
tekrarlamasından dolayı artımlı şekillendirme işlemi için süreç
zamanını oldukça arttıran bir tekniktir. Ön çamurluk üretimi
için oluşturulan cavity mill yöntemi ile elde edilen takım yolu
Şekil 8(a)’da, z=0 (en üst) seviyesindeki takım yolu görüntüsü
verilmiştir. Çalışma kapsamında cavity mill operasyonlarında
yanal adım 0.5 mm olarak alınmıştır. Cavity mill
operasyonunda bu takım yolları her z seviyesi için
tekrarladığından dolayı Şekil 8(b)’de tek bir seviyeye ait takım
yolları hesaplatılmıştır.
(a)
(b)
Şekil 8: Cavity mill yöntemi ile ön çamurluk işlemek için
oluşturulan. (a): Takım yolu, (b): z=0 seviyesindeki takım yolu.
4.2 Contour area-area milling
Yüzey finiş işlemleri için kullanılan klasik yöntemlerden biridir.
İşlenecek alan seçiminin ardından, işleme yöntemi seçilir ve
parça yüzeyine göre takım yolu oluşturulur.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
12
Şekil 9: Contour area. (a): Normal takım yolu, (b): Yanal adım
mesafesi arttırılmış takım yolu, (c): Normal takım yolunun
büyütülmüş görünüşü.
Contour area metodunda elde edilen takım yolu Şekil 9(a)’da
verilmiştir. Takım yolunun daha iyi gösterilebilmesi amacı ile
yanal adım mesafesi arttırılarak Şekil 9(b)’de, tekrar
verilmiştir. Çalışmada contour area metodunda yanal adım,
cavity milling yönteminde olduğu gibi 0.5 mm olarak
seçilmiştir. Contour area metodunda parça üzerindeki takım
yollarının geçişini, parça yüzey formunun süreklilik gösterdiği
lokasyonlarda yapmasından dolayı ASŞ uygulamalarında geri
esneme ve katlanma problemlerine sebep olmaktadır.
Şekil 9(c)’de takım yolunun oluşturduğu, takımın o noktada
köşeli olarak dönüş yaptığı diyagonal hattın, parça çizgileri ile
örtüşmediği açıkça görülmektedir.
4.3 Z level profile
Yüzey finiş için kullanılan alternatif yöntemlerden biridir.
Follow Periphery ile birlikte parçanın dış profiline en uygun
konturları oluşturarak parçanın işlenmesi esasına
dayanmaktadır. ASŞ yöntemi açısından değerlendirildiğinde,
parça formunun dış profilinin parça geometrisine uygun olarak
takım yolunun elde edilmesi ve dıştan içeriye doğru ilerleyerek
parçanın şekillendirilmesi açısından en uygun yöntemdir.
Z Level profile operasyonunda dikey adım sabit olarak
girildiğinde, kullanıcı tarafından belirlenen değer tüm geometri
boyunca aynı olacak şekilde uygulanarak takım yolu
oluşturulur, dolayısıyla yatayla yapılan açı azaldıkça, takım
yolları arasındaki mesafe artacaktır. Dikey adım belirlemede
optimizasyon seçeneğinin kullanılması ile dik duvarlarda
belirtilen maksimum dikey adım değeri hesaplanırken, daha az
açılı duvarlarda takım yolu adımlarını sıklaştırarak, açıdan
kaynaklanan boşlukları önlemektedir.
Z Level profile yönteminde sabit dikey adım ve optimized takım
yolu arasındaki farkın daha net açıklanabilmesi için ön
çamurluk için oluşturulan takım yolunda yanal adım değeri
10 mm için Şekil 10(a)’da takım yolları yüzeyin açısına göre
sıklık gösterirken, optimizasyon dışında aynı parametreleri
kullanarak elde edilen takım yolu Şekil 10(b)’de verilmiştir.
5 Üretim metotları
Ön çamurluk sacının ½ ölçekte ASŞ yöntemi ile üretimi
Tablo 2’de verilen konfigürasyona göre yapılmıştır. Parça
üretiminde temel olarak kalıpsız (SPIF), dişi kalıplı (TPIF) ve
erkek kalıplı (TPIF) olmak üzere 3 farklı yöntem kullanılmıştır.
Bu yöntemlerden farklı olarak geometrinin farklı z seviyeleri
şeklinde işlenmesi, birden fazla operasyon uygulamaları da
gerçekleştirilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 10: Z Level profile. (a): Optimized, (b): Sabit dikey adım.
ASŞ yönteminde seçilen temel yönteme göre konstrüksiyon
gereklilikleri de farklılık göstermektedir. Örnek olarak kalıpsız
(SPIF) olarak şekillendirme işlemi için sadece parça profilini ve
boşluğunu içeren bir alt plakanın modellenmesi ve imalatı
yeterli olmaktadır. Ön çamurluk sacının imalatı için başlangıçta
tekerlek bölgesinin formu değiştirilmeden alt plaka
modellenerek imal edilmiştir (Şekil 11(b)). Yüzey geliştirme
çalışmaları sonucunda daha az dik duvara sahip, ASŞ yöntemi
ile üretim için daha uygun geometri Şekil 11(a)’da
gösterilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 11: Ön çamurluk sacı kalıpsız üretimi içi kullanılan alt
plakalar. (a): Tekerlek bölgesi geliştirme yüzeyine dâhil
edilmiş, (b): Tekerlek bölgesi sabit.
Kalıpsız ASŞ (SPIF) yöntemi için imalatta kullanılan alt plaka
Şekil 12’de gösterilmiştir.
Şekil 12: ASŞ (SPIF) yönteminde kullanılan alt plaka.
ASŞ yönteminde iki noktadan temas esasına dayanan, kalıplı
üretim teknikleri ikiye ayrılmaktadır. ASŞ yönteminde, alt plaka
yerine ağaç, poliüretan veya metalden yapılmış bir dişi kalıp
kullanılarak sac akışının iki nokta arasında daha kontrollü
olarak yapılmaktadır. Ön çamurluk sacının imalatında
kullanılan dişi kalıpların matematik modeli Şekil 13’te, kalıp ise
Şekil 14’te verilmiştir.
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
13
Şekil 13: ASŞ yönteminde kullanılan dişi kalıp. (a): Parçasız,
(b): Kalıp ve parça.
Şekil 14: ASŞ yönteminde kullanılan dişi kalıp.
ASŞ yönteminde erkek kalıp kullanılması durumunda, diğer
yöntemlerden farklı olarak erkek kalıp ve hareketli bir sac
tutucu sistemi kullanılmaktadır. Sac kalıp ve takım arasında iki
nokta temas esasına göre şekillenmektedir. ASŞ yöntemi ile
üretim çalışmalarında kullanılan erkek kalıbın matematik
modeli Şekil 15(a)’da, üretimi gerçekleştirilen ağaç kalıp ve
hareketli tutucu sistemi Şekil 15(b)’de gösterilmiştir. Bu
yöntemde takım ilk seviyede sacı şekillendirdikten sonra,
tutucu plakanın kendi ağırlığından dolayı yerçekiminin
etkisiyle aşağıya doğru hareket etmektedir.
(a)
(b)
Şekil 15: ASŞ Yöntemi erkek kalıplı sistem. (a): 3D geometri,
(b): Erkek kalıp ve hareketli tutucu plaka.
Şekillendirme için kullanılan konstrüksiyondan farklı olarak
kademeli şekillendirme yöntemleri de uygulanabilmektedir.
Kademeli şekillendirme için örnek olarak kalıpsız veya dişi
kalıp kullanılan yöntemde, parça geometrisinin bir defa da
tümünü şekillendirmek yerine belli z seviyelerinde ön form
verme işlemi yapılarak, son operasyonda nihai şekil verme
işlemi uygulanmaktadır. Çalışma kapsamında kademeli
şekillendirme işlemi, dişi kalıp kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Örnek olarak Şekil 16’da, kademeli şekillendirme işlemi için
kullanılan geometriler verilmiştir.
Kademeli şekillendirmede, dişi kalıp üzerindeki sac önce z=55
sonra 30 mm ile elde edilen Şekil 16’da gösterilen forma göre
şekillendirilir. Son olarak parça geometrisi kullanılarak nihai
form verme aşaması tamamlanmış olur.
Şekil 16: Kademeli şekillendirme işleminde kullanılan
geometriler.
6 Sac parça üretimi
Bu bölümde deneme üretimleri yapılan ve detayları
Tablo 2’de verilen deneylerin sonuçları detaylı olarak
görselleriyle birlikte sunulmuştur.
6.1 Deney 1
Dişi kalıp kullanılarak, Ø18 mm takım ile Z level optimized
algoritması kullanılarak sac parça şekillendirilmiştir. Üretim
sonucunda elde edilen parçanın işleme yüzeyi ve dış yüzeyi
Şekil 17’de verilmiştir. Parçada yırtılma oluşmamış olup, orta
bölgesinde takımın geçişleri esnasında geri esnemeden
kaynaklanan lokal deformasyonlar meydana gelmiştir.
Şekil 17: Deney 1 üretim parçası.
6.2 Deney 2
Kalıpsız olarak Ø15 mm takım kullanılarak Z level optimized
algoritması kullanılarak parça üretimi gerçekleştirilmeye
çalışılmıştır. Z=20.5 mm derinlikte yırtılma meydana
geldiğinden üretime devam edilmemiştir. Kullanılan takımyolu
stratejisinde, takım şekillendirme bölgesine yeterli malzemeyi
yığamadığından dolayı incelme ve yırtılma gerçekleşmektedir.
Elde edilen geometri ve yırtılmanın detayları Şekil 18’de
verilmiştir.
6.3 Deney 3
Deney 2’de olduğu gibi kalıpsız olarak Ø15 mm takım
kullanılarak Z level optimized algoritması ile parça üretimi
gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Deney 2’den farklı olarak
ilerleme hızı 15000 mm/dk olarak yavaşlatılmıştır. Bu deneyde
de Z=20.5 mm derinlikte yırtılma meydana geldiğinden (Şekil
19) üretim sonlandırılmıştır. Farklı ilerleme hızları Deney 2 ve
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
14
3’te uygulanmasına rağmen yırtılmanın meydana geldiği z
yüksekliğinin değişmemesi, ilerleme hızının şekillendirile-
bilirlik üzerinde önemli bir etkisinin olmadığını
göstermektedir.
Şekil 18: Deney 2 üretim parçası.
Şekil 19: Deney 3 üretim parçası.
6.4 Deney 4
Kalıpsız olarak Ø18 mm takım kullanılarak önce Z level ve ikinci
operasyon olarak aynı algoritmanın daha geniş açılı duvarlarda
daha sık takımyolu oluşturmasını sağlayan Z level optimized
algortiması ile tamamlanmıştır. Z level operasyonu ile ilk
şekillendirme 10000 mm/dk ilerleme ile yapılırken, z level
optimized algoritması için ilerleme 20000 mm/dk olarak
girilmiştir. Bu çalışmada Deney 1’den farklı olarak çamurluk
sacı tekerlek bölgesine form verilmesi üretim aşamasını daha
zorlu kılmaktadır. Geometri Şekil 20’de gösterildiği üzere
tamamen elde edilirken, parçanın üzerinde geri esneme
kaynaklı izler oluşmuştur. Ayrıca parçanın işlem gören
yüzünde takım yolu izleri oldukça belirgin olarak
görülmektedir.
Şekil 20: Deney 4 üretim parçası.
6.5 Deney 5
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Contour area follow
periphery algoritması kullanılarak parça üretimi
gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. İlerleme hızı 1000 mm/dk
olarak diğer denemelere göre daha derin form verilmiştir.
Follow periphery seçeneği, parça dış konturundan başlayarak,
parça merkezine doğru çevresel sürekli konturlar oluşturarak
şekillendirmeyi sağlamaktadır. Z=65 mm derinlikte parçanın
ortasında meydana gelen potluk, şekillendirme esnasında
takımı kırma riski oluşturduğundan operasyon
durdurulmuştur. Oluşan potluk ve köşelerde geri esnemeden
kaynaklanan köşeler Şekil 21’de verilmiştir.
Şekil 21: Deney 5 üretim parçası.
6.6 Deney 6
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Z level optimized
algoritması kullanılarak parça üretimi gerçekleştirilmeye
çalışılmıştır. Deney 5’den farklı olarak algoritmanın dışında
sadece ilerleme değeri 5000 mm/dk olarak girilmiştir. Z=60
mm derinlikte parçanın ortasında meydana gelen potluk,
şekillendirme esnasında takımı kırma riski oluşturduğundan
operasyon durdurulmuştur. Deney 5 ve 6 kıyaslandığında
Deney 5’te form verme işlemi 5 mm daha derin yapılabilirken Z
level optimized algoritmasında ise geri esneme kaynaklı köşe
ve katlanmaların önemli derecede ön plana çıktığı
görülmekledir (Şekil 22).
Şekil 22: Deney 6 üretim parçası.
6.7 Deney 7
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Z level ve Z level
optimized algoritmaları sırasıyla 0.15 ve 0.3 mm dikey adımlar
için sac parça üretimi geçekleştirilmektedir. Deney 4’den farklı
olarak, sac malzeme düz plaka şeklinde iken parçanın son
55 mm derinlikteki form şekillendiriliyor ve devamında komple
form Z level optimized algortiması ile baştan parçanın tamamı
şekillendiriliyor. Parça geometrisi Şekil 23’te verilmiştir.
Parçanın üzerinde detaylı olarak belirtilen kısım dışında lokal
deformasyon meydana gelmemiştir.
Şekil 23: Deney 7 üretim parçası.
6.8 Deney 8
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Z level ve Z level
optimized algoritmaları 0.3 mm dikey adım için sac parça
üretimi gerçekleştirilmektedir. Deney 7’den farklı olarak, dikey
adım değeri ilk operasyonda 0.15 mm yerine 0.3 mm olarak ve
ilk form verme derinliği ise 55 mm yerine 30 mm olarak
ayarlanmıştır. Sac malzeme düz plaka şeklinde iken parçanın
son 30 mm derinlikteki form şekillendiriliyor ve devamında
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
15
komple form Z level optimized algoritması uygulandığında ise
Z=20 mm derinlikte yırtılma meydana geldiğinden operasyona
devam edilmemiştir. Şekil 24’te önceden şekillendirilen z=30
mm derinlik ve yeni operasyon başlangıcı detaylı olarak
gösterilmiştir.
Şekil 24: Deney 8 üretim parçası.
6.9 Deney 9
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Cavity milling follow
periphery ve Z level algoritmaları kullanılarak sırasıyla 1 ve 0.5
mm dikey adım değerleri için sac parça üretimi
gerçekleştirilmiştir. İki operasyonlu şekillendirme
denemelerinden farklı olarak bu deneyde ilk operasyonda kaba
boşaltma olarak tabir edilen Cavity milling algoritmasının
follow periphery yöntemi (pattern) kullanılmış ve 3 mm işleme
payı son operasyon için bırakılmıştır. İlk operasyonda
takımyolları parçanın çevresinden başlayarak parça merkezine
doğru oluşturulmaktadır. Z level operasyonunda z=30 mm’de
yırtılma meydana geldiğinden operasyona devam edilmemiştir.
Şekil 25’te Cavity milling follow periphery yöntemi ile 3 mm
işleme payı şekillendirilen parça ve Z level operasyonu ile
oluşturulan yeni kademe yırtılma seviyesine kadar
gösterilmektedir.
Şekil 25: Deney 9 üretim parçası.
6.10 Deney 10
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Area milling follow
periphery algoritması kullanılarak 0.05 mm dikey adımlar
kullanılarak, ilerleme 10000 mm/dk ve devir 2000 dev/dk
takımyolu parametreleri ile parça şekillendirilmeye
çalışılmıştır. Şekil 26’da görüldüğü üzere parçanın iki
bölgesinde meydana gelen geri esneme kaynaklı potluk
oluşmasından dolayı z=65 mm’de takımın kırılmasını önlemek
için şekillendirme işlemi sonlandırılmıştır. Geri esneme
kaynaklı takım ucunun lokal olarak plastik deformasyonu
gerçekleştiremediği noktalarda potluk oluşmakta ve z derinliği
arttıkça pot yüksekliği de artmaktadır.
6.11 Deney 11
Kalıplı olarak Ø15 mm takım kullanılarak Cavity milling follow
periphery algoritması kullanılarak 0.3 mm dikey adım, ilerleme
15000 mm/dk, devir 2000 dev/dk ve yatay adım
3 mm takımyolu parametreleri ile parça şekillendirilmeye
çalışılmıştır. Şekil 27’de görüldüğü üzere parça dişi kalıp içinde
katlanma ya da geri esneme kaynaklı potluk deformasyonları
olmadan başarılı bir şekilde üretilmiştir.
Şekil 26: Deney 10 üretim parçası.
Şekil 27: Deney 11 üretim parçası.
6.12 Deney 12
Erkek kalıp sistemi ve Ø18 mm takım kullanılarak Z level
optimized algoritması kullanılarak 0.3 mm dikey adım
kullanılarak, ilerleme 10000 mm/dk, devir 2000 dev/dk
takımyolu parametreleri ile parça şekillendirilmeye
çalışılmıştır. Sac tutucu plaka erkek kalıp üzerinde kolonlar
aracılığı ile askıda dururken, erkek kalıp üzerinde her
şekillendirme adımında sac tutucu plaka erkek kalıp üzerinde z
yönünde aşağıya doğru hareket etmektedir. Uygulanan bu
yöntemde metal sac tutucu plaka ağırlığından dolayı sac erkek
kalıp üzerinde aşağıya doğru hareketi sağlanmıştır. Şekil 28’de
erkek kalıp kullanılarak başarı ile şekillendirilen sac parça
gösterilmiştir.
Şekil 28: Deney 12 üretim parçası.
7 Sonuçlar
Çalışmada kalıpsız, erkek ve dişi kalıplı olmak üzere farklı
teknikler ve farklı takım yolu parametreleri denenerek araç ön
çamurluk sacının ½ ölçekli geometrisinin üretilmesi
amaçlanmıştır. Kalıpsız şekillendirme deneylerinde
(Deney 2-4), iki operasyon; Z level ve Z level optimized
algoritmalarının kullanılması sonucunda (Deney 4) parça
başarılı bir şekilde üretilebilmiştir. Şekillendirme esnasında
takımın saca tek noktadan teması geri esnemeyi arttırırken, sac
yüzeyinde takım kaynaklı izlerin yoğunlaşması ve parça
üzerinde katlanmalara neden olmuştur. Diğer tek adımlı
algoritmalar ile şekillendirme işleminde başarılı sonuçlar elde
edilememiştir.
Kalıplı şekillendirme denemelerinde ağırlıklı olarak dişi kalıp
ile form verme işlemi çalışılmıştır (Deney 1.5-11).
Kalıplı şekillendirme de sac akışı iki nokta arasında
Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 8-16, 2016
İ. Durgun, A. Sakin
16
gerçekleştirildiğinden, kalıpsız şekillendirmeye göre daha
stabil ve uygun geometri elde edilebilir. Dişi kalıpla yapılan
denemelerde Deney 7 ve Deney 11 başarılı bir şekilde sacın
şekillendirilebilmesi sağlanabilmiştir. Deney 7’de kalıpsız
şekillendirme de olduğu gibi Z level ve Z level optimized
algoritmaları ile iki kademeli uygulanması sonucunda geometri
elde edilmiştir. Üretim sonucunda sac üzerinde lokal bölgelerde
geri esneme kaynaklı katlanma problemleri tespit edilmiştir.
Deney 11’de ise Cavity milling follow periphery algoritması
kullanarak yapılan çalışma da oldukça düzgün takım izlerinin
az olduğu, dişi kalıpla yapılan en iyi seviyede geometri elde
edilmiştir. Bu algoritma tek adımlı olmasına karşın, her z
seviyesini alan olarak taradığından z seviyesinde malzeme
kalınlığı çok fazla incelmeden form verme işlemi
tamamlanabilmektedir. Algoritma kaba boşaltma algoritması
olarak ta bilinmektedir. Diğer Z level algoritmalarına göre işlem
zamanı çok daha uzun sürmektedir.
Deney 12’de ise erkek kalıp sistemi ile parça üretimi
gerçekleştirilmiştir. Bu sistem de sac tutucu plaka üzerine
sabitlenir ve erkek kalıp üzerinde kolonlarla merkezlenir. Sac
her z seviyesi şekillendirildiğinde tutucu plaka ağırlığından
dolayı aşağı yönde hareket etmektedir. Z level optimized
algoritması tek adımlı olarak uygulanmış olup sonuç başarılı
olmuştur ve yine bu yöntemle elde edilen en iyi seviye
geometridir. Tutucu plakanın ağrılığından dolayı sacı erkek
kalıp üzerinde sürekli gerilmiş olması şekillendirme esnasında
geri esneme kaynaklı geometrik bozuklukların önlenmesinde
oldukça etkili olmuştur.
Yapılan çalışma sonucunda kalıpsız şekillendirme çalışmasının
geliştirilmesi, daha az geri esneme sağlanması dolayısıyla
katlanma ve oluşan lokal deformasyonların giderilmesinde
faydalı olacaktır. Dişi kalıpla yapılan çalışmada z seviyesini
komple tarayarak diğer z seviyesine geçen ve kaba boşaltma
olarak tabir edilen cavity millin algoritması parçanın başarılı
bir şekilde şekillendirilmesine olanak sağlamıştır. Bunun
nedeni ise komple z seviyesinde malzemenin taranması ve
diğer z seviyesine kalınlık dağılımı uniform malzemenin
transfer edilmesidir.
Erkek kalıp ile yapılan çalışmada ise sacın sürekli olarak gergin
olması, her z seviyesinden sonra sac tutucu plakanın ağırlığı ile
aşağı yönde hareketi sayesinde parça başarı bir şekilde
üretilmiştir. Elde edilen geometri oldukça iyi seviyededir. Dişi
kalıpla şekillendirme ile karşılaştırıldığında ise, z level
algoritmasının bu yöntem için kullanılması üretim süreleri
açsısından önemli derecede avantaj sağlamaktadır. Erkek kalıp
ile şekillendirme yöntemi z level algoritmasının kullanımı için
oldukça uygun bir mekanizma sunmaktadır. Ayrıca kalıp
hareketinin z yönündeki kontrolünü CNC dik işleme merkezi ile
entegre edilerek daha hassas bir yapı elde edilebilir. ASŞ
yöntemi, farklı teknik ve takımyolu parametreleri kullanarak
sac parça üretimi için ileri üretim teknikleri kapsamında
geliştirmeye açık, sürdürülebilir üretim yöntemleri açısından
gelecek vaat eden teknikler arasında yer alacaktır.
8 Kaynaklar
[1] Kleiner M, Curbach M, Tekkaya AE, Ritter R, Speck K,
Trompeter M. “Development of Ultra High Performance
Concrete Dies for Sheet Metal Hydroforming”. Production
Engineering Research and Development, 2, 201-208, 2008.
[2] Sladojevic J, Müller H. “Rapid Tooling Approaches for
Small Lot Production of Sheet-Metal Parts”. Journal of
Materials Processing Technology, 115(1), 97-103, 2001.
[3] Bate PS, Shaw GR, Hancock MA, Jones S, Barrett D,
McDonagh, VN, Ponton CB. “Superplastic Forming with
Ceramic Lost-Wax Dies”. Journal of Materials Processing
Technology, 47(3-4), 361-373, 1995.
[4] Emmens WC, Sebastiani G, van den Boogaard AH. “The
Technology of Incremental Sheet Forming-a Brief Review
of the History”. Journal of Materials Processing Technology,
210, 981-997, 2010.
[5] Lamminen L, Wadman B, Küttner R, Svinning T.
“Prototyping and Low Volume Production of Sheet Metal
Components”. Nordic Industrial Fund, Norway, Research
Report, 03028, 2004.
[6] Dai K, Wang ZR, Fang Y. “CNC Incremental Sheet Forming
of an Axially Symmetric Specimen and the Locus of
Optimization”. Journal of Materials Processing Technology,
102, 164-167, 2000.
[7] Sakin A, Durgun İ. “Sac Parça Üretiminde Sayısal Kontrollü
Şekillendirme Yönteminin İncelenmesi”. Mühendis ve
Makine Dergisi, 52(615), 62-68, 2011.
[8] Câmara J. Single Point Incremental Forming. MSc. Thesis,
Technical University of Lisbon, Lisbon, Spain, 2009.
[9] Durante M, Formisano A, Langella A. “Observations on the
Influence of Tool-Sheet Contact Conditions on an
Incremental Forming Process”. Journal of Materials
Engineering and Performance, 20(6), 941-946, 2011.
[10] Hagan E, Jeswiet J. “A Review of Conventional and Modern
Single-Point Sheet Metal Forming Methods”. Journal of
Engineering Manufacture, 217(2), 213-225, 2003.
[11] Skjoedt M, Bay N, Endelt B, Ingarao G. “Multi Stage
Strategies for Single point Incremental Forming of a Cup”.
Journal of Material Forming, 1(1), 1199-1202, 2008.
[12] Jurisevic B, Kuzman K, Junkar M. “Water Jetting
Technology: an Alternative in Incremental Sheet Metal
Forming”. Journal of Advanced Manufacturing Technology,
31, 18-23, 2006.
[13] Okoye CN, Jiang JH, Hu ZD. “Application of
Electromagnetic-Assisted Stamping (EMAS) Technique in
Incremental Sheet Metal Forming”. International Journal
of Machine Tools & Manufacture, 46(11), 1248-1252, 2006.
[14] Li MZ, Cai ZY, Sui Z, Yan QG. “Multi-Point Forming
Technology for Sheet Metal”. Journal of Materials
Processing Technology, 129(1-3), 333-338, 2002.
[15] Fan G, Sun F, Meng X, Gao L, Tong G. “Electric Hot
Incremental Forming of Ti-Al-4V Titanium Sheet”.
International Journal of Advanced Manufacturing
Technology, 49, 941-947, 2010.
[16] Franzen V, Kwiatkowski L, Neves J, Martins PAF,
Tekkaya AE. “On the Capability of Single Point Incremental
Forming for Manufacturing Polymer Sheet Parts”.
ICTP2008, 9th International Conference on Theory of
Plasticity, Gyeongju, Korea, 7-11 September 2008.
[17] Tizsa M, Panity I, Kovàcs PZ. “Experimental and Numerical
Study of a Milling Machine-Based Dieless Incremental
Sheet Forming”. Journal of Material Forming, 3(1),
971-974, 2010.
[18] Shankar R, Jadhav S, Goebel R, Homberg W, Kleiner M.
“Incremental Sheet Metal Forming of Preformed Sheets”.
Proceedings of the 8th International Conference on
Technology of Plasticity, Verona, Italy, 9-13 October 2005.
