T.C. ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ HAFİF METAL ALAŞIMLARIYLA OTOMOTİV GÖVDE PARÇALARININ ŞEKİLLENDİRİLMESİ Erkan AYBARAZ YÜKSEK LĠSANS TEZĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI BURSA – 2010 T.C. ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ HAFİF METAL ALAŞIMLARIYLA OTOMOTİV GÖVDE PARÇALARININ ŞEKİLLENDİRİLMESİ Erkan AYBARAZ Yrd.Doç.Dr. Gültekin KARADERE (Danışman) YÜKSEK LĠSANS TEZĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI BURSA – 2010 T.C. ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ HAFİF METAL ALAŞIMLARIYLA OTOMOTİV GÖVDE PARÇALARININ ŞEKİLLENDİRİLMESİ Erkan AYBARAZ YÜKSEK LĠSANS TEZĠ MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI Bu Tez 20 / 10 / 2010 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oybirliği ile kabul edilmiştir. Yrd.Doç.Dr. Gültekin KARADERE Prof.Dr. Emin GÜLLÜ Prof.Dr. Adem DOĞANGÜN Danışman III ÖZET Bu çalıĢmanın ilk bölümünde endüstride en çok tercih edilen hafif ağırlıklı metal alaĢımları olan aluminyum ve magnezyum alaĢımlarının tanımlanması ve sınıflandırılması yapılmıĢtır. Sonrasında bu tür alaĢımlı sacların otomobillerde motor kaputu, kapılar, bagaj kapakları gibi kısımlarda kullanım alanları olduğu görülmüĢtür. Bir sonraki bölümde kullanılan aluminyum ve magnezyum alaĢımlı saclarla oluĢturulan otomobil gövde uygulamaları ile yeni tür otomobil gövdesi olan uzay çatı gövde yapıları incelenmiĢtir. Uzay çatı gövdelerinin avantajları ile dezavantajları araĢtırılmıĢ, yeni nesil gövdelerde aluminyum alaĢımlarının otomobil gövdelerinde kullanım miktarları tespit edilmiĢtir. Hafif ağırlıklı metal alaĢımları oda sıcaklığında düĢük Ģekillendirilebilirlik gösterdiğinden bu metaller için ileri Ģekillendirme süreçlerine gereksinim duyulmaktadır. Ġleri Ģekillendirme yöntemleri olarak 3 yöntem incelenmiĢtir. Bunlardan birinci pot çemberi kuvvet kontrolüdür. Klasik bir derin çekme kalıbı diĢi göbek, erkek göbek ve pot çemberinden oluĢmaktadır. Pot çemberi kuvvet kontrolü için ayrı ayrı kontrol edilebilen azot silindirleri, hidrolik ve yastık silindirleri vb. çeĢitli metotlar kullanılarak aluminyum sacların Ģekillendirilebilirliğinin arttırılabildiği görülmüĢtür. Ġkinci Ģekillendirme yöntemi ise ılık ◦ Ģekillendirmedir. Bu yöntemde derin çekme kalıbında diĢi göbek ve pot çemberi yaklaĢık 250 C ısıtılır. Pot çemberinin üzerine konan sac presin kapanmasıyla öncelikli olarak diĢi göbek ile pot çemberi arasında ısıtılır. Sonrasında su ile soğutulan erkek göbek sacı Ģekillendirir. Bu yöntemle sac parçaların çekme oranlarının çok daha yukarılara çekilebildiği görülmüĢtür. Bir diğer Ģekillendirme yöntemi ise sac hidro Ģekillendirmedir. Bu yöntemde ise derin çekme kalıbında erkek veya diĢi göbek yerine akıĢkan sıvının geçmesiyle sac Ģekillendirilmektedir. Yine bu yöntemle de derin formlara sahip hafif metal alaĢımlı sacların yırtıksız ve kırıĢtırmadan üretimlerinin gerçekleĢtirilebildiği incelenmiĢtir. Tezin son bölümünde ĢekillendirilmiĢ alüminyumlu ve magnezyumlu sac parçaların birleĢtirilme yöntemlerine yer verilmiĢtir. Aluminyumun kaynak yapıldığında akma mukavemetinin %50 ye yakın özelliğini kaybetmesi bu tür alaĢıma sahip parçaların birleĢtirilmesinde yapıĢtırarak birleĢtirme, kendinden delmeli perçinleme, zımbalı perçinleme gibi alternatif yöntemlerin kullanılmaya çalıĢıldığı görülmüĢtür. Anahtar kelimeler: Pot çemberi kuvvet kontrolü, ılık Ģekillendirme, saç hidro Ģekillendirme, kalıp IV ABSTRACT In this study, firstly aluminum and magnesium as lightweight metal alloys defined and classified. Following in automobiles this kind of sheet alloy’s usage area such as hood, doors, and trunk lids is seen. In next chapter body applications which use aluminum and magnesium alloys sheet and space frame body applications investigated. Advantages and disadvantages of space frame bodies investigated and in new generation bodies’ aluminum usage rate evaluated. Lightweight metal alloys show low formability in room temperature. For this alloys advanced forming processes using. As advanced forming processes 3 methods investigated. First one of this is blank holder force control. Conventionally deep drawing die is comprised with blank holder, die and punch. For blank holder force control different methods are using like nitrogen cylinders, cushion pins and with this methods formability of aluminum sheets increased is seen. Second forming method is warm forming. In this method blank holder and die are heated approximately 250 C◦. Blank is put on the blank holder and when die is closed blank is heated. Then punch which is cooled by water forms the sheet. With this method drawing ratio can be raised. Another forming method is sheet hydro forming. In this process in deep drawing die or punch replace with fluid liquid. Also with this method formability of lightweight metal alloy sheets can be form without cracking and wrinkling. In the last part of thesis formed aluminum and magnesium sheet part’s joining processes are given. Yield strength of aluminum in the ratio of % 50 gets lost during welding. Because of this, for this kind of alloys part’s joining process adhesive bonding, self-riveting piercing and pierced riveting selected. Key Words: Blank holder force control, warm forming, sheet hydro forming, die V İÇİNDEKİLER Sayfa TEZ ONAY SAYFASI…………………………………………………………… II ÖZET………………………………………………………………………………III ABSTRACT……………………………………………………………………… IV ĠÇĠNDEKĠLER…………………………………………………………………… V KISALTMALAR DĠZĠNĠ……………………………………………………….. VIII ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ…………………………………………………………… IX ġEKĠLLER DĠZĠNĠ………………………………………………………………. X SĠMGELER DĠZĠNĠ……………………………………………………………… XIII 1. GĠRĠġ............................................................................................................................... 1 2. KAYNAK ARAġTIRMASI............................................................................................ 3 2.1. GiriĢ................................................................................................................. 3 3. MATERYAL VE YÖNTEM.......................................................................................... 6 3.1. GiriĢ................................................................................................................. 6 3.2. Otomobillerde En Çok Tercih Edilen AlaĢımlar............................................. 7 3.2.1. Aluminyum Ve AlaĢımları.............................................................. 7 3.2.1.1. Alüminyumun Özellikleri................................................ 7 3.2.1.2. Alüminyumun Sınıflandırılması...................................... 8 3.2.1.3. Alüminyumun Temper ĠĢaretleri..................................... 8 3.2.1.4. Alüminyumun Isıl ĠĢlem Alt Bölümleri........................... 9 3.2.1.5. Alüminyum Dövme AlaĢımları....................................... 9 3.2.2. Magnezyum Ve AlaĢımları.............................................................. 10 3.2.2.1. Magnezyumun Özellikleri............................................... 11 3.2.2.2. Magnezyumun Kısa GeçmiĢi........................................... 13 3.2.2.3. Magnezyumun Sınıflandırılması..................................... 13 3.2.2.4. Magnezyum Metali Ve Tasarım...................................... 14 3.3. Aluminyum Sacların Otomobillerdeki Kullanım Alanları.............................. 14 3.3.1. GiriĢ................................................................................................. 14 3.4. Hafif Metal AlaĢımları Kullanılarak Otomobil Gövdelerinin OluĢturulması..23 3.4.1. GiriĢ................................................................................................. 23 3.4.2. Gövde Mimarisi............................................................................... 25 VI 3.4.3. Uzay Çatı Teknolojisi...................................................................... 27 3.4.3.1. Uzay Çatı Teknolojisinin Avantajları.............................. 28 3.4.4. Gövde Uygulamaları Ġçin Aluminyum AlaĢımları.......................... 29 3.4.5. Aluminyum Gövdelerin Üretimdeki Avantajları............................. 33 3.4.6. Aluminyum Gövdelerin Üretimdeki Dezavantajları....................... 33 3.4.7. Alüminyumlu Gövde Tiplerine Örnekler........................................ 34 3.5. ġekilllendirme Yöntemleri............................................................................. 36 3.5.1. GiriĢ................................................................................................. 36 3.5.2. Pot Çemberi Kuvvet Kontrolü......................................................... 37 3.5.2.1. Pot Çemberi Kuvvet Kontrol Stratejileri......................... 42 3.5.2.2. Pot Çemberi Kuvveti ÇalıĢma-ġekillendirme Pencere... 46 3.5.3. Ilık ġekillendirme............................................................................ 48 3.5.3.1. Magnezyumun Ilık ġekillendirilmesi.............................. 51 3.5.3.2. Ġleri GeliĢtirme Gereksinimleri........................................ 52 3.5.3.3. Servo Pres Ve Kinematiği............................................... 52 3.5.3.4. Kalıp Tasarımı................................................................. 53 3.5.3.5. Yağlayıcılar...................................................................... 56 3.5.3.6. Açınım Sacının Isıtılması................................................ 56 3.5.4. Sac Hidro ġekillendirme.................................................................. 57 3.5.4.1. Oda Sıcaklığında Sac Hidro ġekillendirme Sistemi........ 58 3.5.4.2. Zımba Ġle Sac Hidro ġekillendirme ( SHġ-Z )................ 59 3.5.4.3. DiĢi Ġle Sac Hidro ġekillendirme ( SHġ-D )................... 61 3.5.4.4. Sac Hidro ġekillendirme Avantajları Ve Dezavantajları. 62 3.5.4.5. Sac Hidro ġekillendirme – Süreç ÇeĢitlilikleri................ 63 3.5.4.6. Sac Hidro ġekillendirme Presleri..................................... 67 3.5.4.7. Kalıp Tasarımı................................................................. 70 3.6. Sacları BirleĢtirme Yöntemleri........................................................................ 70 3.6.1. Punta Direnç Kaynağı Yöntemi....................................................... 71 3.6.2. Clinching (Büzdürme) Teknolojisi.................................................. 73 3.6.2.1. Büzdürme ĠĢlemi Detayları.............................................. 74 3.6.2.2. Büzdürme Teknolojisi Kullanım Örnekleri..................... 74 3.6.3. Perçinler........................................................................................... 75 3.6.3.1. Konvansiyonel Perçin Teknolojisi................................... 76 3.6.3.2. Kendinden Delmeli Perçin Teknolojisi........................... 77 3.6.3.3. Zımbalı Perçin Teknolojisi.............................................. 78 VII 3.6.4. Alüminyumların YapıĢtırarak Tutturulması.................................... 79 3.6.4.1. YapıĢtırarak Tutturmanın Sınıflandırması....................... 80 3.6.4.2. Avantajları....................................................................... 80 3.6.4.3. Dezavantajları.................................................................. 81 3.6.4.4. YapıĢtırarak BirleĢtirme Yapısı....................................... 81 3.6.4.5. Aluminyumun YapıĢtırarak Tutturulmasına Bir Örnek... 82 3.6.5. Kenar Bükerek Kenetleme Teknolojisi........................................... 83 3.6.5.1. Roller Kenetleme............................................................. 83 3.6.5.2. Avantajları....................................................................... 84 4. SONUÇ VE TARTIġMA................................................................................................ 85 KAYNAKLAR................................................................................................................... 89 EKLER………………………………………………………………………………........ 93 ÖZGEÇMĠġ…………………………………........................................................ ............ 96 TEġEKKÜR………………………………………………………………………............ 97 VIII KISALTMALAR DİZİNİ ÇNK Çok nokta kontrollü AÖN Alt ölü nokta ÜÖN Üst ölü nokta SHġ-Z Zımba ile saç hidro Ģekillendirme SHġ-D DiĢi ile saç hidro Ģekillendirme LDHo Çekme yükseklik limiti FLD Form verme limit diyagramı PÇK Pot çemberi kuvveti PÇY Pot çemberi yer değiĢtirmesi A/HSS Yüksek mukavemetli çelik CPF Center for precision forming USCAR United states council for automotive research llc SE Sonlu eleman IX ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 3.1. Dövme alüminyum alaĢım grupları……………………........................... 10 Çizelge 3.2. Saf magnezyum ve alüminyumun fiziksel özelliklerinin karĢılaĢtırılması......................................................................................... 11 Çizelge 3.3. Tasarıma uygunluk açısından magnezyum……………………............... 12 Çizelge 3.4. Avrupa’da araç hafifletme çalıĢmaları………………………………...... 15 Çizelge 3.5. Kuzey Amerika’da aluminyum sacların kullanım alanları……................ 16 Çizelge 3.6. Japonya’daki otomobillerin açılır-kapanır panellerinde aluminyum örnekleri..................................................................................................... 18 Çizelge 3.7. Aluminyumlu sacların otomotiv panellerindeki geliĢim tarihi….............. 20 Çizelge 3.8. Çelik ve aluminyumun özellikleri…………………………..................... 24 Çizelge 3.9. Uzay çatılı gövde………………………………………………………... 25 Çizelge 3.10. Kabuk gövde………………………………………………….................. 26 Çizelge 3.11. Gövdelerin birleĢtirme performanslarındaki durumları………................. 26 Çizelge 3.12. Gövde yapılarının bileĢen sayısına göre karĢılaĢtırılması......................... 27 Çizelge 3.13. A 8 ve AL 2 uzay çatı tasarımlarının karĢılaĢtırılması.............................. 30 X ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa ġekil 3.1. Direnç kuvvetleri....................................................................................... 6 ġekil 3.2. Otomotivdeki aluminyum sac parçaları..................................................... 14 ġekil 3.3. Gövde panellerinde aluminyum uygulaması örneği.................................. 19 ġekil 3.4. Audi A8 de Al gövde ve yarı malzeme dağılımı…................................... 21 ġekil 3.5. S – sınıfı Mercedes’te kullanılan aluminyum parçalar…….……............. 21 ġekil 3.6. Batı Avrupa’da araç baĢına aluminyumun ortalama kullanımı…............. 22 ġekil 3.7. Avrupa’daki bazı araçlarda aluminyumun kullanım oranları…...…......... 22 ġekil 3.8. Yüksek müĢteri taleplerinin etkisi………………….………...…………. 23 ġekil 3.9. Kabuk ve uzay çatılı gövde uygulamaları…………….…………….……25 ġekil 3.10. Uzay çatı………………………………………….................................... 27 ġekil 3.11. Audi ikinci nesil gövde ve yarı malzeme dağılımı.................................... 28 ġekil 3.12. Alcoa – Audi A8 aluminyum ekstrüzyonlu uzay çatılı gövde mimarisi…29 ġekil 3.13. Alcan-Ford yoğun aluminyum kullanılmıĢ olan saç monokok mimarisi...29 ġekil 3.14. Tamamı aluminyum ekstrüzyonlu gövde yapısından oluĢan Audi............ 30 ġekil 3.15. Ferrari F360 aracının aluminyum ekstrüzyonlu uzay çatılı gövde yapısı.. 31 ġekil 3.16. Plymouth Prowler’de yapılan uzay çatı konseptli gövdelere örnekler...... 32 ġekil 3.17. Plymouth Prowler’de yapılan uzay çatı konseptli bir araç........................ 32 ġekil 3.18. Aluminyumdan yapılmıĢ bir gövde örneği................................................ 34 ġekil 3.19. Audi uzay çatı tekniği kullanılan gövde örnekleri..................................... 34 ġekil 3.20. Jaguar - XJ , tamamında aluminyum kullanılan ilk monokok Ģasi............ 35 ġekil 3.21. Audi A8 uzay çatı gövdesi......................................................................... 35 ġekil 3.22. Yeni Audi TT gövdesi............................................................................... 35 ġekil 3.23. Aluminyum alaĢımları ve yumuĢak çeliğin gerilim - uzama eğrisi........... 36 ġekil 3.24. Aluminyum sac ve yumuĢak çeliğin çekme limit yüksekliği ile çekme mukavemeti arasındaki iliĢki……………................................................. 37 ġekil 3.25. Çok noktalı yastık ünitesinin preste bağlantı Ģematiği.............................. 38 ġekil 3.26. Çok noktalı yastık ünitesinin kalıpta bağlantı Ģematiği............................. 39 ġekil 3.27. Optimum pot çemberi kuvveti................................................................... 40 ġekil 3.28. Farklı sac kalınlıkları ve sac kalitesindeki malzemelerin aynı kalıpta sadece PÇK değiĢtirilmesiyle basım sonuçları.......................................... 40 ġekil 3.29. Çekme sürecinde çekme oranının azaltımı................................................ 41 ġekil 3.30. Dikdörtgen bir kalıpta hidrolik silindirler kullanarak pot çemberi kuvvet kontrol kullanımı....................................................................................... 42 XI ġekil 3.31. Pot çemberi kuvvet kontrol stratejileri...................................................... 43 ġekil 3.32. Zımba yer değiĢtirmesiyle pot çemberi kuvveti iliĢkisi............................. 44 ġekil 3.33. Kesit boyunca kalınlık değiĢimi................................................................ 44 ġekil 3.34. Slaytın alt ölü noktasında pozisyonu mekanik stoperlerle tanımlanan bir ÇNK üniteli pres tablası............................................................................ 45 ġekil 3.35. ÇNK ünitesi kullanan benzer bir pres konseptini...................................... 46 ġekil 3.36. PÇK çalıĢma penceresi.............................................................................. 46 ġekil 3.37. PÇK Ģekillendirme penceresi.................................................................... 47 ġekil 3.38. PÇK Ģekillendirme penceresinin 3 temel türü........................................... 48 ġekil 3.39. Ilık Ģekillendirme kalıp sistematiği........................................................... 49 ġekil 3.40. Malzeme ısısı ile uzama oranının akıĢ gerilimine etkisi............................ 50 ġekil 3.41. Dikdortgen kap yüksekliği......................................................................... 51 ġekli 3.42. AIDA servo mekanik pres mekanizmaları................................................ 53 ġekil 3.43. Ilık Ģekillendirme kalıbı Ģematik görünüĢü ve ölçülendirilmesi................ 53 ġekil 3.44. Kalıpta ılık Ģekillendirme süreci................................................................ 54 ġekil 3.45. Servo pres koç hareketi............................................................................. 54 ġekil 3.46. Aida servo preste ılık Ģekillendirme kalıbının görünüĢü........................... 55 ġekil 3.47. 110 ton Aida servo pres............................................................................. 55 ġekil 3.48. Fikstürün üst görünüĢü.............................................................................. 57 ġekil 3.49. Deneyin Ģematik görünüĢü........................................................................ 57 ġekil 3.50. Sıvı ortamı kullanılarak Ģekillendirmenin sınıflandırması........................ 58 ġekil 3.51. Sac hidro Ģekillendirme sisteminin elemanları.......................................... 58 ġekil 3.52. Zımba ile sac hidro Ģekillendirme prosesinin Ģematiği............................. 59 ġekil 3.53. Bir yarıküresel zımba ile sac hidro Ģekillendirme süre Ģematiği............... 60 ġekil 3.54. Hidro mekanik derin çekme süreci Ģematiği..............................................61 ġekil 3.55. DiĢi ile sac hidro Ģekillendirme prosesinin Ģematiği................................. 62 ġekil 3.56. Esnek sistemin elemanları......................................................................... 64 ġekil 3.57. Çift açınımlı sac hidro Ģekillendirme ve çift açınımlı sac hidro Ģekillendirme yöntemiyle üretilmiĢ bazı otomotiv parçaları..................... 65 ġekil 3.58. SHġ-Z yöntemini germe ve derin çekme kombinasyonuyla kullanarak kompleks parçaların daha az operasyonla Ģekillendirilmesi..................... 66 ġekil 3.59. Kauçuk–kalıp veya kauçuk Ģekillendirme prosesi..................................... 67 ġekil 3.60. Müller Weingarten ın kısa kurs silindiri kullanarak yaptığı ardıĢık operasyonlu SHġ-Z presi........................................................................... 68 ġekil 3.61. SHġ-Z kısa kurs presi................................................................................ 69 XII ġekil 3.62. LFU’daki yatay SHġ-D presi Ģematiği...................................................... 70 ġekil 3.63. AlaĢım özellikleri ile yüzey iĢleme metotları arasındaki iliĢki.................. 71 ġekil 3.64. Punta kaynak makinesi temel bileĢenleri ve kaynak bölgesi..................... 72 ġekil 3.65. Clinching (büzdürme) iĢlemi uygulanmıĢ parça........................................ 73 ġekil 3.66. Clinching (büzdürme) iĢleminin prensibi.................................................. 74 ġekil 3.67. 125 adet büzdürme (clinching) birleĢtirmeli BMW 3 serisi açılır tavanı...75 ġekil 3.68. Büzdürme birleĢtirmeli alüminyum motor kaputu Audi A6.................... 75 ġekil 3.69. Kontra kilitli perçinleme............................................................................ 76 ġekil 3.70. Kör perçinleme.......................................................................................... 77 ġekil 3.71. Kendinden delmeli perçinleme detayı....................................................... 77 ġekil 3.72. Kendinden delmeli perçinleme iĢlem adımları.......................................... 78 ġekil 3.73. Zımbalı perçin teknolojisinin prensibinin açıklaması............................... 78 ġekil 3.74. Bir zımbalı perçin birleĢtirmenin kesiti..................................................... 79 ġekil 3.75. Aluminyumun yapıĢtırılarak birleĢtirilmesi............................................... 79 ġekil 3.76. DIN 8580 ve DIN 8593 normuna göre imalat sürecinde yapıĢtırarak birleĢtirmenin sınıflandırılması.................................................................. 80 ġekil 3.77. YapıĢtırarak birleĢtirme yapısı................................................................... 81 ġekil 3.78. Lotus firmasının aluminyum yapıĢtırma metodu ile ürettiği Elise model Ģasisi........................................................................................................... 82 ġekil 3.79. Kenar kıvırma iĢleminin genel görünüĢü................................................... 83 ġekil 3.80. Aluminyum için alternatif kenar bükme tasarımları.................................. 84 ġekil 3.81. Bir robotlu roller kenar bükerek kenetleme örneği.................................... 84 XIII SİMGELER DİZİNİ Al Aluminyum Mg Magnezyum Si Silisyum MPa Megapascal FW Aerodinamik direnç FR Kayma direnci FG Eğim direnci FA Hızlanma direnci m Kütle v Hız a Ġvme α Eğim g Yer çekimi ivmesi k Cisimle hava arsındaki direnç kat sayısı A Aracın dik kesit alanı ρ Havanın yoğunluğu CW Araç direnç katsayısı lbs Libre CO2 Karbondioksit DP Çift fazlı BH Fırında sertleĢen DR1 Ġlk çekme oranı do Açınım sacı dp Erkek zımba geniĢliği DR2 Sonraki çekme oranı d1 ÇekilmiĢ sac geniĢliği FBH Pot çemberi kuvveti FP Zımba kuvveti Pe AkıĢkan basıncı t Sac kalınlığı 1 1. GİRİŞ Otomobil endüstrisinde ortalama araç ağırlıkları müĢterilerin artan lüks, konfor, performans ve güvenlik beklentileriyle yeni modellerde artmaya devam edeceğinden ağırlık azaltımı ayrıntılı olarak önem kazanmaktadır. ABS sistemleri, hava yastıkları gibi güvenlik özellikleri ve artan gövde güvenlik yapıları araç ağırlık artıĢında pay sahibidir. Her ne kadar, otomobil Ģirketleri tasarım ve aktarma organları verimliliğiyle buna cevap verseler de bu çoğalan geliĢtirmeler henüz daha ortalama ağırlık azaltımında büyük miktarlara olanak sağlamamaktadır. Bu sağlandığında, hafif ağırlıklı malzemelerin kullanımlarında ciddi bir artıĢ olacaktır. Pratik olarak %10 luk ağırlık azaltımı yaklaĢık olarak yakıt ekonomisinde % 5.5 lik geliĢmeye eĢit olmaktadır. Bir önemli gerçekte, ağırlık azaltımı yakıt verimliliğinde dalgalanma etkisine sahiptir. Örneğin, ağırlık azaltımı üreticiye, aynı araç performansını daha küçük motorla geliĢtirmeye olanak sağlar ve bu daha küçük motorda daha küçük transmisyon ve daha küçük yakıt tankı kullanımına olanak sağlar. Bu dalgalanma etkisiyle, muhtemel % 10 luk araç ağırlık azaltımı sonucu % 8 – 10 luk yakıt ekonomisini geliĢtirilir. (Miller, Zhuang, Bottema, Wittebrood, Smet, Haszler, Vieregge 2000) MüĢteriler, yaya güvenliği için daha güçlü ve rijit gövdeler konusunda daha fazla özen göstermekteler. Bu geri dönüĢ, araç performansı için daha güçlü motor ve aktarma organları gerektirmekte. Daha güçlü motor, daha ağır Ģasi gereksinime ihtiyaç duymakta ve bu da daha büyük yakıt tankı ve araç gövdesinde daha yüksek rijitlik gerektirmekte. Sonuç olarak, tüm otomobil sınıflarında her bir yeni model daha ağır olmakta. (Carle, Blount 1999) Bu süreçten kaçıĢ için araç üreticileri hafif ağırlıklı kavramlara geçmek üzere aksiyon almaları yönünde zorlanmaktalar. Araç gövdeleri bir aracın toplam ağırlığının %25 ini oluĢturmakta ve bu süreci değiĢtirmek yönünde imkan sunmakta. Hafif metaller, araç gövdelerini hafifletmek için iyi fırsat vermekte. Otomotiv endüstrisindeki aluminyum ve magnezyum gibi metallerin kullanıĢlarındaki artıĢ, geliĢtirme amacı için burada hala daha büyük fırsatlar olduğunu göstermekte. Tahminler, 2000 yılından sonra aluminyumun toplam araç ağırlıklarında %6 dan %10 a çıkacağı yönünde. ġimdilerde genel uygulama alanları Ģasi ve iskelet parçalarındadır. (Carle, Blount 1999) Ağırlık azaltımı hedefini yakalayabilmenin yollarından biri de; yüksek mukavemete karĢı düĢük ağırlık oranlarıyla aluminyum ve magnezyum gibi hafif ağırlıklı alaĢımlardır. Fakat oda sıcaklıklarında düĢük Ģekillendirilebilirliklerinden dolayı ileri düzeyde Ģekillendirme süreçlerine gereksinim duyulmaktadır. (Kaya 2008) Aluminyum ve magnezyum alaĢımları en çok kullanılan çelik ve polimer gibi malzemelerin yerine yüksek mukavemetlerine karĢı düĢük ağırlık oranlarıyla ağırlık azaltımında 2 büyük bir potansiyel sunmaktadırlar. Mühendislik uygulamalarında Al ve Mg alaĢımlarının seçilmesindeki diğer önemli faktör diğer mühendislik malzemelerine karĢı termal özellikleri, sönümleme kapasitesi, yorulma özellikleri, ölçüsel kararlılığı ve kolay iĢlenebilirliğe sahip olmasındandır. Al ve Mg un yanı sıra ağırlık azaltımı, yüksek mukavemetli çelik, paslanmaz çelik gibi çeliklerle ve bunların ileri Ģekillendirme süreçleriyle de sağlanabilir. (Kaya 2008) Konvansiyonel gövde parçaları çekme kalitesindeki çeliklerin preslenmesi prosesi ile yapılmaktadır. Aluminyum alaĢımları, magnezyum alaĢımları gibi hafif ağırlıklı malzemeler, gövde uygulamalarında konvansiyonel çeliklerle karĢılaĢtırıldıklarında yüksek mukavemetlerine karĢın düĢük ağırlık oranlarıyla seçim alternatifleri sunmaktadırlar. Bununla birlikte, hafif ağırlıklı malzemeler konvansiyonel çeliklere oranla düĢük Ģekillendirilebilirlikleri ve farklı özellikleriyle presleme prosesinde gövde parçalarının üretimi için son derece önemli fırsat vermektedir. Hafif ağırlıklı alaĢımdan ĢekillendirilmiĢ parçadaki geri yaylanma (geri dönüĢ- spring back) konvansiyonel çeliğe göre daha fazladır ve buda aracın toplanmasında zorluk çıkartır. Bununla birlikte, hafif ağırlıklı malzemeler gövde uygulamalarında kullanılması sığ parçalarla kısıtlıdır ve bu bir üretim sınırı getirmektedir. (Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan 2007) 3 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Giriş Otomotivde kullanılan hafif metal alaĢımlı sacların Ģekillendirilmesi konusu endüstride yeni bir konu olduğundan literatür çalıĢmaları sınırlı olup genellikle dar kapsamda çalıĢmalar olarak kalmaktadır. Özellikle ülkemizde bu alanda çalıĢan firmalar olmadığından bir bilgi birikimi henüz oluĢmamıĢtır. Konu hakkında bilgilere uluslararası yayın yapan üniversite ve araĢtırma merkezleri ile yurtdıĢındaki otomobil firmalarından ulaĢılmıĢtır. Sakurai ( 2008) yaptığı araĢtırmada Japonya’da ilk kez 1985 yılında Mazda RX-7 modelinde aluminyum alaĢımlı sac gövde panelinde (motor kaputu dıĢ sacı) uygulandığını inceledi. O zamandan bu yana, 1990’ların baĢlarına kadar aluminyum panellerin, daha çok spor ve lüks sedanlar da kullanıldığını Honda Motor’un ise dünyada ilk kez tüm gövdesi aluminyum olan NSX i sunduğunu saptamıĢtır. Sakurai araĢtırmasında Audi’nin ilk kez 1992 yılında tamamı aluminyum gövdeli uzay çatı aracı A8’i sunduğunu ve bu aluminyum panellerin otomobiller için kullanımında önde gelenlerden biri olduğunu incelemiĢtir. Ducker AraĢtırma Ģirketi ( 1999 ) tarafından yayınlanan 1999 Kuzey Amerika Otomotiv ve Hafif Kamyon Üreticileri Aluminyum içerik raporuna göre, tüm otomotiv uygulamalarında kullanılan aluminyumun %75’ini aktarma organları ve eĢanjörler oluĢturmakta. 1999 model yılı için, Kuzey Amerika’da kullanılan otomotiv alüminyumunun miktarı toplam 1.723.651 tondur. Ducker’ın raporuna göre, binek araç ve hafif kamyon içeriklerinin %61,9’u, motor blokları, silindir baĢları ve manifoldlar gibi döküm aktarma organlarından oluĢmakta. Diğer %13, aluminyum radyatör gibi eĢanjörler tarafından kullanılmakta. Diğer uygulamalar ise tekerlek, iç ve dıĢ trim parçaları, Ģasi ve süspansiyonlar; Ģasi kolları, açılır-kapanır paneller, daha ziyade motor kaputları ve gövde yapıları, en çokta radyatör desteklerini kapsayan ekstrüzyonlardır. Aluminyum derneği ( 1999 ) ortalama bir Kuzey Amerika’lı aracın %75’i döküm olmak üzere 113 kg aluminyum içerdiğini tahmin etmektedir. Halen daha büyük oranda yüksek mukavemetli çelik sacın gövde ve açılır-kapanırlarda kullanılmakta iken gövde yapımında kullanılan aluminyum sac ise % 2 ’ nin altında kalmaktadır. Sakurai’nin ( 2008 ) araĢtırmasına göre aluminyum alaĢımlı sacların Ģekillendirilebilmesi, çelik saclara göre, düĢük uzamaları, n-değerleri, r-değerleri ve elastisite modüllerinden dolayı daha azdır. Çelik sacla Ģekillendirilebilen bir geometri, aluminyum alaĢımları ile yırtmadan, kırıĢmasız ve geri dönüĢsüz Ģekillendirilemeyebilir. Bu sebeple, 4 aluminyum alaĢımlı sacların tasarımda düĢük dereceli serbestlikleriyle form vermede kısıtlar getirdiğini saptamıĢtır. Carle ve Blount ( 1999 ) yaptıkları araĢtırmada araç endüstrisinin müĢterilerin artan güvenlik ve performans talepleri karĢısında çok önemli ağırlık problemi ile karĢı karĢıya geldiğini saptamıĢlardır. Tüm sınıflardaki tam donanımlı araçların daha lüks ve konforlu olmasına yol göstericiliği yaptığını Ģimdilerde ise küçük araçların bile sık sık hidrolik direksiyon ve havalandırma sistemlerini standart olarak kullandığını ortaya koymaktadırlar. MüĢteriler, yolcu güvenliği için daha fazla dikkat göstermekte ve daha güçlü, rijit gövdelere önem vermekteler. Bu sırayla, aracın performansını sağlamak amacıyla, daha güçlü motor ve aktarma organları gerektirmektedir. Daha güçlü motor, daha ağır Ģasi ve yine daha büyük yakıt tankı ile beraberinde daha yüksek rijitlikte araç gövdesi gerektirmektedir. Carle ve Blount sonuç olarak, tüm otomobil sınıfında her bir yeni modelin daha ağır olduğunu tespit etmiĢlerdir. CPF ile USCAR konsorsiyumu ( 2004 ) birlikte pot çemberi kuvvetinin nümerik optimizasyon tekniğini geliĢtirdiler. Bununla birlikte düzgün parça için pot çemberi kuvvetinin çok nokta yastıklı sisteminde baĢarılı uygulama tahmininde a) boĢluk/konum ve zaman/kursta sürekli PÇK , b) zaman/kurs ve sürekli boĢluk/konum değiĢkenli PÇK , c) boĢluk/konum ve sürekli zaman/kurs değiĢkenli PÇK , d) boĢluk/konum ve zaman/kurs değiĢkenli PÇK çok noktalı yastık sistemi tek nokta yastık sistem/azot silindirleri gibi dört farklı tür geliĢtirdiler. GeliĢtirilen yöntem bir otomobil parçasının ( en arka tek kapı iskeleti ) AA 6111-T4 aluminyum alaĢımından 1.0mm, DP500 malzemesinden 0.8 mm ve BH210 çelikten 0.8 mm malzemelerinde PÇK tahmininde kullanıldı. Benzer çalıĢma BH210 ve DP500 çelik sacları içinde yapıldı. GeliĢtirilen kuvvet profilleri denemelerde aynı kalıbı kullanıp herhangi bir değiĢiklik yapmadan farklı saclarda denendi. Parçanın üç farklı malzemede ve kalınlıkta kalıpta herhangi bir değiĢiklik yapmadan sadece PÇK uygulanan yastık tijlerini değiĢtirerek elde edildiği gözlendi. En arka kapı iskelet sacının Al 6111-T4 kalitesinden birden çok kez basılmasına karĢın konvansiyonel tek nokta sistemle elde edilemediğine dikkat edilmelidir. Bu çok nokta yastık sistemiyle konvansiyonel kalıpçılıkla otomobil gövde panellerinin hafif ağırlıklı malzemelerle Ģekillendirilebileceğini ortaya koymaktadır. Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes ( 2008 ) yaptıkları çalıĢmada derin çekmede pot çemberi kuvveti ile ilgili bir optimizasyon stratejisi ortaya koymuĢlardır. Bu stratejide, ilk olarak kırıĢıklık oluĢuncaya kadar çok düĢük bir kuvvet uygulanır. Ġkinci aĢamada malzeme akıĢ özelliklerine orantılı olarak kuvvet zımba yer değiĢtirmesiyle orantılı olarak artırılmakta. Önerilen değiĢkenli pot çemberi kuvveti Ģeması parça kalitesini büyük ölçüde geliĢtirdi. Bu çalıĢma modifiye edilmiĢ kırıĢıklık eğiliminde olan saçta gerekli olan pot çemberi kuvvetini 5 belirleyip uygulama yaklaĢımı hakkındadır. KırıĢıklık yüksekliği optimum pot çemberi kuvvetinin kararlaĢtırılmasında en büyük etkendir. Derin çekme simulasyon prosesi esnasında pot çemberinin yer değiĢtirmesi sürekli değerlendirilmekte ve uygun pot çemberi kuvveti uygulanmakta. Derin çekme simulasyonları dairesel bir kap örneği kullanılarak SE kodlarıyla yapıldı. BeĢ farklı zımba yer değiĢtirmesi ile optimum gerekli pot çemberi kuvveti doğrulandı. Bu yöntemle basit ve uygulaması kolay olan özellikle zımba radyüsü gibi kritik yerlerde kalınlık dağılımı sonuçlarında önerilen strateji çok iyi sonuçlar vermektedir. Bolt, Lamboo ve Rozier ( 2001 ) yaptıkları çalıĢmada bir aluminyum alaĢımını farklı ısı değerlerine ısıtıp çekme yüksekliklerini incelemiĢlerdir. Bu çalıĢmaya göre, aluminyum ◦ ◦ ◦ ◦ alaĢımından (5754-O), oda sıcaklığında (20 C ), 100 C , 175 C , 250 C çekilmiĢ dikdörtgen konik bir kap davranıĢları deneysel olarak analiz edilmiĢtir. Maksimum kap yüksekliği, sürtünme olmadan sağlanmıĢ ve bu Ģekilde karĢılaĢtırılmıĢtır. Bu kapların yükseklikleri; 35mm, ◦ ◦ ◦ ◦ 38 mm, 38mm ve 60mm sırasıyla 20 C derece, 100 C , 175 C ve 250 C ısıları içindir. Bu ◦ ◦ çalıĢmanın sonucunda, 20 C ve 175 C kap yüksekliklerinin sadece 3mm çekme yüksekliğini ◦ arttırabildiğini göstermektedir. Bununla birlikte, 250 C de ise kap yüksekliği büyük bir artıĢ göstererek 60 mm ye çıktığını saptamıĢlardır. Müller Weingarten firması ( 1999 ) zımba ile sac hidro Ģekillendirme yöntemini kullanarak 3500 ton basınca sahip hidrolik presler ürettiler. Bu preslerde otomobil gövde parçalarının üretimlerinin yapılabildiğini tespit etmiĢlerdir. 6 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Giriş Araç ağırlığı direkt olarak yakıt tasarrufunu etkilemektedir. Çünkü aerodinamik direnç dıĢında bir aracı hareket ettirebilmek için enerjiye gerek vardır ve bu da ağırlığıyla direkt orantılıdır. ( ġekil 3.1.) Bu yüzden araçlarda hafifletme çalıĢmalarına gidilmektedir. Araçlarda hafifletme konusuna gelindiğinde ise aluminyum ve magnezyum alaĢımlarına sahip parçalardan oluĢan gövdelerin kullanımları söz konusu olmaktadır. Burada öncelikle bu alaĢımların tanımlanması ve sınıflandırılması yapılacaktır. ġekil 3.1. Direnç kuvvetleri Kaynak : European Aluminum Association, Aluminum in cars, 2008 Bir yolcu aracında ortalamada 100 kg lık kütle kazancı : 100 km de 0.35 litre yakıt Araç egzozundan km baĢına 9 gram CO2 Yakıt üretim ve tedarikini de ekleyecek olursak bir yolcu aracında 100 kg lık kütle kazancı: Km baĢına 10 gram CO2 kazancı anlamına gelmektedir. (European Aluminum Association, 2008) 7 3.2. Otomobillerde En Çok Tercih Edilen Alaşımlar Otomobil endüstrisinde en çok tercih edilen alaĢımların baĢında aluminyum ve magnezyum alaĢımları gelmektedir. Bu alaĢımlar düĢük yoğunluklarıyla ön plana 3 3 çıkmaktadırlar. 2.7 gr/cm ile çeliğin üçte biri yoğunluğa sahip aluminyum ile yine 1.74 gr/cm yoğunluk ile çeliğin dört buçukta biri yoğunluğa sahip magnezyum alaĢımlarının kullanımları söz konusudur. 3.2.1. Aluminyum Ve Alaşımları Alüminyumun, yerkabuğundaki yaklaĢık olarak %8 civarındaki içeriğiyle oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan üçüncü element olmasına karĢın, varlığı 1808 yılında Ġngiliz Sir Humpry Davy tarafından tespit edilmiĢ ve ticari anlamda üretim teknolojisi ancak 1886 yılında Paul Louis Toussaint Héroult (Fransa) ve Charles Martin Hall (ABD) tarafından, aynı anda geliĢtirilmiĢtir ve Hall - Héroult adını alan bu temel proses günümüzde halen kullanılmaktadır. (Mathers 2002) Alüminyumun sahip olduğu özelliklerin birleĢimi onu son derece faydalı bir mühendislik malzemesi haline getirir. (Smith 2001) Yüksek saflıkta rafine alüminyumdan, en kompleks alaĢımlara kadar; fiziksel ve mekanik özelliklerdeki geliĢtirilebilen çeĢitlilik olağanüstüdür, bu nedenle alüminyumun kullanım alanları oldukça geniĢtir. (Anonim 2004) Alüminyum yaklaĢık 110 yıl gibi kısa bir sürede, demir-çelikten sonra, çağımızın en çok kullanılan ikinci metali olmuĢtur. (Anonim 2004) Avrupa Alüminyum Birliği alüminyum üreticileri için en büyük kullanım sektörünün taĢımacılık olduğunu bildirmektedir. Burada özellikle otomobiller, hava taĢıtları ve gemi sektörü en önemli kullanım alanlarıdır. 3.2.1.1. Alüminyumun Özellikleri Periyodik cetvelin III-A gurubunda bulunan ve atom numarası 13, atom ağırlığı 26.89 ve +3 değerlikli bir element olan alüminyumun 20 ◦C’taki yoğunluğu 2.7 gr/cm³, ergime noktası 659.8°C, kaynama noktası 2450°C, ısınma ısısı 0.224 Cal/gr (1000°C’ta), erime ısısı 400 Cal/gr, 20 ◦C’taki elektriksel iletkenliği bakırın %65’i, ısıl iletkenliği 0.5, ıĢık yansıtılabilirliği %90 olup; bu özellikler alaĢım elementleri katılarak büyük ölçüde değiĢtirilebilmektedir. (Anonim 2004) 8 DüĢük yoğunluğu nedeniyle, alüminyum özellikle taĢıt parçaları yapımında tercih edilir. Saf haldeki alüminyumun düĢük dayanımına rağmen, alaĢımlandırma ile dayanımı 690 Mpa’ya kadar çıkarılabilir. Böylece demire yakın bir dayanım elde edilerek, bu özellikten ödün vermeden aracın ağırlığını azaltmak ve yakıt tüketimini düĢürmek, buna karĢın yük kapasitesini arttırmak mümkün olmaktadır. (Anonim 2004) Alüminyumu diğer metallerden avantajlı kılan bir diğer özelliği, yüzeyinde meydana gelen sağlam oksit filmi nedeniyle, doğal ortamların çoğuna karĢı iyi bir korozyon direnci göstermesidir. (Anonim 2004) 3.2.1.2. Alüminyumun Sınıflandırılması Alüminyum alaĢımlarını iki ana kategoride incelemek mümkündür. Dövme alaĢımları ve döküm alaĢımları. Her kategorinin kendi içinde sınıflandırılması, malzeme özelliklerinin geliĢtirilmesinin ana mekanizmasına dayanır. Birçok alaĢım, faz çözünürlüğüne bağlı ısıl iĢleme yanıt verir. Bu iĢlemler çözeltiye alma, su verme, ve yaĢlandırmayı içerir. Hem döküm, hem de dövme alaĢımları için, bu tür alaĢımlar ısıl iĢlem uygulanabilir olarak nitelendirilmektedir. Diğer dövme alaĢımlarının çoğunun özelliklerinin geliĢtirilmesi, genellikle çeĢitli tavlama prosedürlerinin takip ettiği, mekanik operasyonlar vasıtasıyla soğuk iĢlenmesine dayanır. Bazı döküm alaĢımları da ısıl iĢleme cevap vermezler ve bunlar ya döküldüğü Ģekilde ya da, çözeltiye alma veya çökelmenin etkilerini sağlamayan bir modifikasyon uygulanmıĢ halde kullanılır. Bu tür alaĢımlara genel olarak ısıl iĢlem uygulanamaz alaĢımlar denilmektedir. (Anonim 2004) Alüminyum alaĢımları için temper iĢaretleri alaĢım tasarımlarını takip eder ve bir tireyle ayrılır (örneğin, 1100-O). Ana temper iĢleminin alt grubu, harfle belirtilen ana temperi izleyen ek rakamlar ile belirtilir (örneğin, 1100-H14). 3.2.1.3. Alüminyumun Temper İşaretleri F – Üretildiği gibi. Deformasyon sertleĢtirmesinin miktarı üzerinde bir denetim yok; mekanik özellikler sınırlaması yok. O – TavlanmıĢ ve yeniden kristalleĢmiĢ. En düĢük dayanım ve en yüksek süneklik için temperlenmiĢ. H – Deformasyon sertleĢtirmesi yapılmıĢ (aĢağıda verilen alt bölümler kısmına bakınız). T – F ve O' dan baĢka kararlı temperler için ısıl iĢlem görmüĢ (alt bölümler için aĢağıya bakınız). (Anonim 2004) 9 3.2.1.4. Alüminyumun Isıl İşlem Alt Bölümleri T1 – Fabrikasyon sıcaklığından soğutulmuĢ ve doğal olarak yaĢlandırılmıĢ. T2 – Fabrikasyon sıcaklığından soğutulmuĢ, soğuk ĢekillendirilmiĢ ve doğal olarak yaĢlandırılmıĢ. T3 – Çözündürme uygulanmıĢ, soğuk ĢekillendirilmiĢ ve doğal olarak yaĢlandırılmıĢ. T4 – Çözündürme uygulanmıĢ ve doğal olarak yaĢlandırılmıĢ. T5 – Fabrikasyon sıcaklığından soğutulmuĢ ve yapay olarak yaĢlandırılmıĢ. T6 – Çözündürme uygulanmıĢ ve yapay olarak yaĢlandırılmıĢ. T7 – Çözündürme uygulanmıĢ ve aĢırı yaĢlandırma ile kararlı hale getirilmiĢ. T8 – Çözündürme uygulanmıĢ, soğuk ĢekillendirilmiĢ ve yapay olarak yaĢlandırılmıĢ. T9 – Çözündürme uygulanmıĢ, yapay olarak yaĢlandırılmıĢ ve soğuk ĢekillendirilmiĢ. T10 – Fabrikasyon sıcaklığından soğutulmuĢ, soğuk ĢekillendirilmiĢ ve yapay olarak yaĢlandırılmıĢ. (Anonim 2004) 3.2.1.5. Alüminyum Dövme Alaşımları Dövük halde üretilen alüminyum alaĢımları (yani sac, levha, darçıkım, çubuk, tel) içerdikleri ana alaĢım elementlerine göre sınıflandırılır. A.B.D. Alumyum Derneği’ne göre bu alaĢımları tanımlamak için dört rakamlı bir iĢaret kullanılır. Ġlk rakam belirli alaĢım elementlerini içeren alaĢım grubunu belirtir. Son iki rakam alüminyum alaĢımını tanımlar veya 1xxx serisi için alüminyumun saflığını belirtir. Ġkinci rakam baĢlangıçtaki alaĢım üzerinde yapılan değiĢiklikleri veya katıĢık sınırlarını belirtir. Çizelge 3.1.de bu alaĢım grupları görülmektedir. (Anonim 2004) Otomotiv alanında yapılan araĢtırma ve geliĢtirme çalıĢmalarında, taĢıtlardan daha yüksek yakıt verimliliğinin elde edilmesi, enerji tüketiminin azaltılması ve hava kirliliğinin önlenmesi konularındaki çalıĢmalar önem kazanmıĢtır. Zaten dünya enerji kaynaklarının ve ekolojik dengenin korunması da dünya ülkelerinin gündemine girmiĢ olup, bunun için çok sistematik çalıĢmalar yapılmaktadır. Yakıt tüketimini azaltmak için, otomotiv endüstrisinin mutlaka hafif, fakat aynı zamanda güvenilir malzeme kullanması zorunludur. Bu kapsamda özellikle otomobil üretiminde ağırlıktan azalma slogan haline gelmiĢtir. (Anonim 2004) 10 Çizelge 3.1. Dövme alüminyum alaĢım grupları AlaĢım AlaĢım elementleri ve YaĢlandırılabilirlik grubu En az %99.00 içeren saf alüminyum 1xxx YaĢlandırılamaz Ana alaĢım elementi bakır olan, özellikle magnezyum gibi baĢka 2xxx elementlerde içerebilen alaĢımlar YaĢlandırılabilir Ana alaĢım elementi mangan olan alaĢımlar 3xxx YaĢlandırılamaz Ana alaĢım elementi silisyum olan alaĢımlar Mg varsa 4xxx YaĢlandırılabilir Ana alaĢım elementi magnezyum olan alaĢımlar 5xxx YaĢlandırılamaz Ana alaĢım elementleri magnezyum ve silisyum olan alaĢımlar 6xxx YaĢlandırılabilir Ana alaĢım elementi çinko olan, bakır, magnezyum, krom ve zirkonyum 7xxx gibi elementler de içerebilen alaĢımlar YaĢlandırılabilir Kalayı ve bazı lityum bileĢimlerini de içeren çeĢitli bileĢimlerdeki 8xxx alaĢımlar 9xxx Kullanılmayan dizi Kaynak: Anonim 2004 Çevreyi kirletmeden korumanın en etkili yollarından biri kara ve demiryolu taĢımacılığında CO2 emisyonunun azaltılmasıdır. Avrupa ve Kuzey Amerika’ da otomobil üreticileri aldıkları bir kararla 2010 yılı itibariyle yakıt tüketimini % 25 azaltmayı öngörmüĢlerdir. Böylece CO2 emisyonunda da % 30’ luk bir azalma elde edilecektir. (Anonim 2004) 3.2.2. Magnezyum Ve Alaşımları Tüm konstrüksiyon metalleri içinde en hafif olan metal magnezyumdur. Bu malzeme bir plastik kadar hafif, fakat bir metal kadar da mukavemetlidir. Bir malzemenin konstrüksiyon malzemesi olarak kabul edilebilmesi için: 11 — Uygun tasarım özelliklerine sahip olması — Üretilebilir olması — Rekabetçi bir maliyetinin olması gereklidir. Magnezyum dünyada özellikle otomobil endüstrisindeki potansiyeli ile dikkat çekmekte ve magnezyum üretiminde büyük kapasite artıĢları yaĢanmaktadır. Büyük otomobil üreticileri magnezyum üretimi için yeni anlaĢmalar ve yatırımlar yapmaktadır. Magnezyum, üretim sürecindeki problemleri çözüldüğü ve güvenilir bir malzeme olduğu takdirde geleceğin yüksek teknoloji malzemesi olarak konstrüksiyonlarda yerini alacaktır. (Atalay 2006) 3.2.2.1. Magnezyumun Özellikleri Periyodik cetvelin II-A gurubunda bulunan ve atom numarası 12, atom ağırlığı 24.3 ve +2 değerlikli bir element olan magnezyumun 20 ◦C’taki yoğunluğu 1.74 gr/cm3, ergime noktası 650 °C, kaynama noktası 1103 ±8 olup, çelik gibi diğer konstrüksiyon metallerine göre dökümde ve talaĢlı imalatta önemli kolaylıklar sağlamaktadır. Çizelge 3.2. Saf magnezyum ve alüminyumun fiziksel özelliklerinin karĢılaĢtırılması ◦ Özellik (20 C) Magnezyum Aluminyum Atom numarası 12 13 Atom ağırlığı 24.3 26.98 Kafes tipi SPH YMK ◦ Ergime noktası ( C) 650 659 ◦ Kaynama noktası ( C) 1103 ±8 2447 3 Yoğunluk (gr/cm ) 1738 2699 Elektrik iletkenliği (m/ΩK) 22.6 37.6 Isıl iletkenlik (W/m.K) 154 222 Özgül ısı kapasitesi (J/kg.K) 1047 930 ◦ ◦ ◦ Ort.ısıl gen. Kats (μm/m. C)) (0-100 C)26 (0-100 C)23.86 3 2 Elastisite Modülü 10 N/mm 44.5 69.6 Kaynak: Atalay, Magnezyum ve alaĢımlarının konstrüksiyon malzemesi olarak otomotivde kullanımı, 2006 12 Magnezyum alaĢımlarının dayanımları, alüminyum alaĢımları kadar yüksek olmamakla birlikte özgül dayanım oranları daha yüksek olabilmektedir. Malzemelerin özgül dayanım ve özgül rijitlik değerleri hafiflik istenen konstrüksiyonlar için önemlidir. Bir malzemenin özgül dayanım değeri ne kadar yüksek olursa, aynı zorlamayı karĢılamada daha hafif olur. Bir malzemenin özgül rijitlik dayanımı ne kadar büyük olursa, o kadar çok rijit (az esneyebilir) olur. Otomotiv endüstrisinde kullanılabilecek malzemeler arasında plastiklerle karĢılaĢtırıldığında daha katı ve daha çok geri dönüĢümü mümkün, alüminyum ve çelik ile karĢılaĢtırıldığında çok daha hafif ve yeterli dayanıma sahip magnezyum metalinin bazı fiziksel özellikleri Çizelge 3.2. de alüminyum ile karĢılaĢtırmalı olarak verilmiĢtir. Magnezyum alaĢımları, hafif alaĢım olarak rakibi olan alüminyum alaĢımlarına kıyasla tasarım gerekleri bakımından incelendiğinde üstün ve zayıf yönleri Çizelge 3.3. deki gibidir: Çizelge 3.3. Tasarıma uygunluk açısından magnezyum Özellik Mevcut Durum Hafiflik + Özgül dayanım + Rijitlik + Geri dönüĢüm + ĠĢlenebilirlik + Dökülebilirlik + Sönümleme + Elde edilebilirlik + Korozyon Öz. - Sürtünme direnci - Yorulma direnci - TutuĢma - Kaynak: Atalay, Magnezyum ve alaĢımlarının konstrüksiyon malzemesi olarak otomotivde kullanımı, 2006 Magnezyum alaĢımları hafiflikleri, yüksek özgül dayanım ve rijitlikleri, iyi sönümleme, dökülebilme ve iĢlenebilme karakteristikleri sayesinde konstrüksiyon malzemesi olarak kendilerine farklı kullanım alanları bulabilmektedir. AlaĢımların korozyon, sürünme ve yorulma dirençleri ise genel olarak geliĢtirilmesi gereken özelliklerdir. Bunlar içerisinde yorulma direnci üzerinde daha fazla çalıĢılması gereken karakteristik olarak dururken, korozyon ve sürünme 13 özellikleri açısından baĢarılı bazı alaĢımlar geliĢtirilmiĢ olup, otomotivde de kullanılmaktadır. (Atalay 2006) 3.2.2.2. Magnezyumun Kısa Geçmişi Magnezyum uygun karakteristikleri sayesinde birçok sektörde kullanılabilir bir metaldir. Özellikle otomotiv ve havacılık sektöründe hafifliği dolayısıyla tercih edilir. Ancak bu koĢulların sağlanabilmesi de kolay olmamıĢ, alüminyuma göre daha maliyetli olmasından dolayı magnezyumun kabul görmesi uzun zaman almıĢtır. Devamında düĢen maliyetler neticesinde magnezyum da endüstride kendine yer bulmaya baĢlamıĢtır. (Atalay 2006) Magnezyum yeryüzündeki en hafif konstrüksiyon malzemesidir. Ayrıca alüminyum ve demirden sonra en çok bulunan yapı metalidir. Tuzlu su tortuları, tuz gölleri ve okyanusları baz alıp düĢündüğümüzde ise magnezyum büyük bir farkla en çok bulunan metal haline gelir. 1 mil küp deniz suyunda 6 milyon ton magnezyum vardır ve Amerikan AraĢtırma Enstitülerine göre ise dünya üzerinde 330 milyon mil küp deniz suyu bulunmaktadır. Magnezyum bol miktarda bulunan bir metal olmasına karĢın az miktarlarda üretilmektedir. 3.2.2.3. Magnezyumun Sınıflandırılması Genelde magnezyum alaĢımları döküm alaĢımlar ve dövme alaĢımlar olarak ikiye ayrılabilir. Magnezyum döküm alaĢımları kum ve kalıp döküm alaĢımları olarak, dövme alaĢımlar ise Ģerit, plaka ekstrüzyonlar ve dövmeler olarak alt bölümlere ayrılabilir. Bazı alaĢım ürünlerine ısıl iĢlem uygulanırken, diğerlerine uygulanmaz. ABD’ de magnezyum alaĢımları genellikle iki büyük harfi takip eden iki veya üç numara ile tanımlanır. Harfler, alaĢımda iki ana alaĢım elementi ile ilgilidir. Ġlk harf en yüksek konsantrasyonu, ikinci harf ikinci yüksek konsantrasyonu gösterir. Harfleri takip eden ilk numara, ilk harf elementinin ağırlıkça yüzdesi (yalnız iki numara varsa) ve ikinci numara da ikinci harf elementinin ağırlıkça yüzdesidir. A,B gibi harfler numaraları takip ederse bu, genellikle impurite seviyelerinde alaĢım için A, B gibi bir modifikasyonu gösterir. • Örn: AZ91D • Bu tanım magnezyum alaĢımının nominal %9 alüminyum ve %1 çinko içerdiğini göstermektedir ve alaĢım D modifikasyonudur. (Atalay 2006) 14 3.2.2.4. Magnezyum Metali Ve Tasarım Günümüzde konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılan metalik malzemeler içinde magnezyum en hafif olanıdır. Hafiflik bakımından en büyük rakibi de alüminyumdur. Magnezyum, yoğunluğu ve buharlaĢma özellikleri bakımından plastiklere benzetilirken, bu malzeme bir metalin mekanik özelliklerine sahiptir. Magnezyumun 1.74 gr/cm3’ lük yoğunluğu, alüminyuma göre %33, demir ve çeliğe göre %75 daha düĢüktür. Hafiflik aynı zamanda, imalat sırasında parçanın daha kolay taĢınması ve bitmiĢ ürünün daha ucuza sevk edilmesi demektir. 3.3. Aluminyum Sacların Otomobillerdeki Kullanım Alanları 3.3.1. Giriş Bu bölümde Avrupa, Kuzey Amerika ve Japonya ekseninde araçlarda aluminyum alaĢımlı sacların nerelerde kullanıldığını incelenmektedir. Daha sonra araçlarda kullanılan aluminyum parçalara yer verilmiĢtir. ġekil 3.2. Otomotivdeki Aluminyum sac parçaları Kaynak: Aluminum Association At3, Aluminum for automotive body sheet panels, 1998 15 Çizelge 3.4. de Avrupa’da araç hafifletme çalıĢmalarından bir kesit verilirken, Çizelge 3.5. de Kuzey Amerika’da aluminyum sacların kullanım alanları, Çizelge 3.6. da ise Japonya’daki otomobillerin açılır-kapanır panellerinde aluminyum örnekleri gösterilmektedir. Çizelge 3.4. Avrupa’da araç hafifletme çalıĢmaları Aluminyum Oranı Aluminyum Aluminyum Kullanım Uygulaması Avrupa K.Amerika Asya Sebepleri Ağırlık Azaltımı Motor Sürücü 18% 8% 3% Kaputları Dinamikleri Yaya güvenliği Ağırlık Azaltımı Çamurluklar 4% 1% < 1% Yaya güvenliği Ağırlık Azaltımı Kapılar & Sürücü Bagaj 2% 1% < 1% Dinamikleri kaputu Ağırlık Azaltımı Gövde ön 2% 0% 2% Yaya güvenliği burun Ön aks yükü Tavanlar Ağırlık Azaltımı (Açılır Sürücü < 1% 0% < 1% tavanlar Dinamikleri dahil) Kaynak : European Aluminum Association, Aluminum in cars, 2008 Artan KarmaĢıklık 16 Çizelge 3.5. Kuzey Amerika’da aluminyum sacların kullanım alanları NET ARAÇ PARÇA(LAR) ALAġIM PARÇA AĞIRLIGI GM EV1 GÖVDE YAPISI 5754 200 Pounds M.KAPUT PANELĠ VE OLDSMOBILE AURORA 6111 23 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE BUICK RIVIERA 6111 23 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE BUICK PARK AVENUE 6111 25 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE BUICK LESABRE 6111 20 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE CADILLAC DEVILLE 6111 23 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE CADILLAC SEVILLE 6111 23 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE PONTIAC BONNEVILLE 6111 21 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE OLDSMOBILE ANTHEM 6111 20 Pounds ĠSKELETĠ OPEL SINTRA M.KAPUT PANELĠ 6111 6 Pounds OPEL SINTRA M.KAPUT ĠSKELETĠ 2008 11 Pounds OLDSMOBILE SILHOUETTE M.KAPUT PANELĠ 6111 6 Pounds OLDSMOBILE SILHOUETTE M.KAPUT ĠSKELETĠ 2008 11 Pounds PONTIAC TRANS SPORT M.KAPUT PANELĠ 6111 6 Pounds PONTIAC TRANS SPORT M.KAPUT ĠSKELETĠ 2008 11 Pounds CHEVROLET VENTURE M.KAPUT PANELĠ 6111 6 Pounds CHEVROLET VENTURE M.KAPUT ĠSKELETĠ 2008 11 Pounds CHEVROLET/GMC EN ARKA KALKAN KAPI 6111 15 Pounds SUBURBAN PANELĠ CHEVROLET/GMC EN ARKA KALKAN KAPI 5182 9 Pounds SUBURBAN ĠSKELETĠ EN ARKA KALKAN KAPI CHEVROLETTAHOE 6111 15 Pounds PANELĠ EN ARKA KALKAN KAPI CHEVROLETTAHOE 5182 9 Pounds ĠSKELETĠ 17 EN ARKA KALKAN KAPI GMC DENOLI 6111 15 Pounds PANELĠ EN ARKA KALKAN KAPI GMC DENOLI 5182 9 Pounds ĠSKELETĠ PLYMOUTH PROWLER GÖVDE YAPISI 5454 165 Pounds PLYMOUTH PROWLER GÖVDE YAPISI 6022 20 Pounds M.KAPUTU PANELĠ VE PLYMOUTH PROWLER 6022 42 Pounds ĠSKELETĠ PLYMOUTH PROWLER KAPI PANELĠ VE ĠSKELETĠ 6022 15 Pounds TAVAN PANELĠ VE PLYMOUTH PROWLER 6022 28 Pounds ĠSKELETĠ CHRYSLER CONCORDE M.KAPUTU PANELĠ 6111 7.5 Pounds CHRYSLER CONCORDE M.KAPUTU ĠSKELETĠ 6022 7.5 Pounds CHRYSLER LHS M.KAPUTU PANELĠ 6111 7.5 Pounds CHRYSLER LHS M.KAPUTU ĠSKELETĠ 6022 7.5 Pounds M.KAPUT PANELĠ VE LINCOLN LS (DEW 98) 6111 21 Pounds ĠSKELETĠ LINCOLN LS (DEW 98) ÇAMURLUKLAR 6111 3 Pounds TAVAN PANELĠ VE LINCOLN LS (DEW 98) 6111 13 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE LINCOLN TOWN CAR 6111 23 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE FORD F150 TRUCK 6111 22.7 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE FORD F250 6111 22.7 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE FORD RANGER 6111 18.7 Pounds ĠSKELETĠ M.KAPUT PANELĠ VE FORD EXPEDITION 6111 22.7 Pounds ĠSKELETĠ Kaynak: Aluminum Association At3, Aluminum for automotive body sheet panels, 1998 Ford Kuzey Amerika’da Nisan 2010 tarihi itibariyle aĢağıda modelleri belirtilen araçlarda yılda 40 milyon Lbs. den fazla aluminyum gövde sacı kullanmakta. Bunlar : - Lincoln Town : Motor Kaputu - Lincoln LS : Motor Kaputu, Çamurluklar, Bagaj Kaputu 18 - Ranger : Motor Kaputu - F Serisi : : Motor Kaputu - Expedition : Motor Kaputu ( Sherman 2000 ) Çizelge 3.6. Japonya’daki otomobillerin açılır-kapanır panellerinde aluminyum örnekleri Araç üreticisi Model Uygulanan parçalar CROWN Motor Kaputu TOYOTA CROWN MJ Motor Kaputu PRIUS Motor Kaputu, Arka Kapı LS Motor Kaputu TOYOTA GS Motor Kaputu (LEXUS) SC Motor Kaputu, Tavan IS Motor Kaputu DAIHATSU COPEN Motor Kaputu, Tavan FUGA Motor Kaputu, Kapı, Bagaj Kapağı CIMA Motor Kaputu, Bagaj Kapağı NISSAN SKYLINE Motor Kaputu STAGEA Motor Kaputu FAIRLADY Z Motor Kaputu LEGACY Motor Kaputu, Arka kapı SUBARU INPRESSA Motor Kaputu FORESTER Motor Kaputu RX-8 Motor Kaputu, Arka kapı MAZDA ROADSTER Motor Kaputu, Bagaj kapağı Motor Kaputu, Bagaj kapağı, Ön LEGEND HONDA çamurluk S2000 Motor Kaputu LANCHER Motor Kaputu, Tavan, Bagaj Kapağı EVO. MITSUBISHI PAJERO Motor Kaputu AUTORUNDER Tavan Kaynak : SAKURAI, The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, 2008 19 Japonya’da ilk kez 1985 yılında Mazda RX-7 modelinde aluminyum alaĢımlı sac gövde panelinde (motor kaputu dıĢ sacı) uygulandı. O zamandan bu yana, 1990 ların baĢlarına kadar aluminyum paneller, daha çok spor ve lüks sedanlar da kullanıldı. Honda Motor Ltd, dünyada ilk kez tüm gövdesi aluminyum olan NSX i sundu. Daha sonra, ekonomideki çöküĢ, aluminyum panellerin yeni modellerdeki uygulamasını azalttı, fakat 1999 da dünya çapında çevre sorunları yeniden aluminyum panellerin kullanılmasına sebep oldu. Çizelge 3.6. 2006 yılında Japonya’da aluminyum paneller kullanan araç modellerinin listesini vermekte. Çok yakın geçmiĢte, aluminyum paneller, daha geniĢ olarak çeĢitli modellerde Toyota Crown, Toyota Prius, Subaru Legacy, Nissan Fuga (Infiniti M35/M45 ġekil 3.3.) ve Nissan Skyline (Infiniti G35) kullanıldı. Bir çok aluminyum paneller motor kaputları için kullanıldı. En son modeller, aluminyum panelleri bagaj kapağı, arka kapılar ve tavanlar içinde kullanmakta. (Sakurai 2008) ġekil 3.3. Gövde panellerinde Aluminyum uygulaması örneği Nissan Fuga Kaynak : Sakurai, The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, 2008 Avrupa’da otomotivde aluminyumun kullanımı 2000-2002 yılları arasında keskince arttı. Aluminyum alaĢımlı paneller Ģimdilerde, her yıl 2.5 milyondan fazla araçta kullanılmakta. Renault Clio, yüksek üretim miktarına sahip bir model ve motor kaput paneli aluminyum alaĢımdan yapılıyor ve her ay yaklaĢık 40.000 araç üretiliyor. Yüksek üretim miktarına sahip modellere diğer örnekler, Mercedes-Benz E serisi ve BMW 5 serisi dir ve her iki model ayda 20.000 den fazla araç üretmektedir. Ayrıca, aluminyum alaĢımlı panellerin kullanımı bu araçlarda büyümekte. Örneğin BMW 5 serisi, aluminyum gövdesi, panelleri ile ön direğin tamamı aluminyumdandır. Audi 1992 yılında tamamı aluminyum gövdeli uzay çatı yapılı aracı A8’i sundu ve bu aluminyum panellerin otomobiller için kullanımında önde gelenlerden biri olarak sayıldı. (Sakurai 2008) Çizelge 3.7. aluminyum alaĢımlı sacların otomotiv panellerindeki geliĢim tarihini göstermekte. Japonya’da Al-Mg alaĢımlarına çok az Zn eklenmesiyle aluminyum alaĢımlı saclar 20 1985 yılında ilk kez kullanılmaya baĢlandı. AĢağı yukarı aynı zamanda Avrupa Birliği’nde ve BirleĢik Devletlerde herhangi bir 2000 serisi (Al-Cu) alaĢım veya 6000 serisine (Al-Mg-Si) çok az Cu eklenmesiyle alaĢım istenen amaçta kullanıldı. Bugünlerde, gereksinimlerle otomotiv panelleri farklılaĢmakta, 6000 serisi (Al-Mg-Si) alaĢımlar, 5000 serisi (Al-Mg) alaĢımlarının bazıları hariç tüm dünyada büyük bir çoğunlukla kullanıldı. Bu malzeme özellikleri gereksinimleri için Ģimdi sadece mukavemet ve Ģekillendirilebilmeyi değil, korozyon direnci, kenetleme Ģekillenebilirliği, yüzey karakteristikleri ve kaynaklanabilirliği de kapsamalı. (Sakurai 2008) Çizelge 3.7. Aluminyumlu sacların otomotiv panellerindeki geliĢim tarihi 1985 – 1990 1990 – 1998 1999 - 2005 *Al-Mg serisi alaĢım *Al-Mg-Si serisi *Al-Mg serisi alaĢım AA5022, AA5023 alaĢım *Yüksek mukavemet *Yüksek *Yüksek Ģekillendirilirlik *Al-Mg-Si serisi fırınlanabilirlik JAPONYA alaĢım *Yüksek *Yüksek Ģekillendirilebilirlik fırınlanabilirlik *Kenetleme *Yüksek *Al-Mg Serisi alaĢım Ģekillendirilebilirlik *Al-Cu serisi alaĢım *Al-Mg-Si serisi *Al-Mg-Si serisi AA2036, AA2008 alaĢım alaĢım AA6022, AA6016 AA6022, AA6016 A.B.D. & A.B. *Al-Mg-Si serisi alaĢım AA6009, AA6010 *Al-Mg-Si serisi alaĢım AA6111 Kaynak: Sakurai, The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, 2008 21 Ducker AraĢtırma Ģirketi tarafından yayınlanan 1999 Kuzey Amerika Otomotiv ve Hafif Kamyon Üreticileri Aluminyum içerik raporuna göre, tüm otomotiv uygulamalarında kullanılan aluminyumun %75’ini aktarma organları ve eĢanjörler oluĢturmakta. 1999 model yılı için, Kuzey Amerika’da kullanılan otomotiv alüminyumunun miktarı toplam 1,723,651 tondur. (http://www.findarticles.com 2010) ġekil 3.4. Audi A8 de Al gövde ve yarı malzeme dağılımı Kaynak : http://www.keytometals.com 2010 Ducker’ın raporuna göre, binek araç ve hafif kamyon içeriklerinin %61.9’u, motor blokları, silindir baĢları ve manifoldlar gibi döküm aktarma organlarından oluĢmakta. Diğer %13, aluminyum radyatör gibi eĢanjörler tarafından kullanılmakta. Diğer uygulamalar, tekerlek, iç ve dıĢ trim parçaları, Ģasi ve süspansiyonlar; Ģasi kolları, açılır-kapanır paneller, daha ziyade gövde yapıları ( ġekil 3.4. ) ve motor kaputları ( ġekil 3.5. ) en çokta radyatör desteklerini kapsayan ekstrüzyonlardır. (http://www.findarticles.com 2010) ġekil 3.5. S – sınıfı Mercedes’te kullanılan aluminyum parçalar Kaynak : http://www.keytometals.com 2010 22 Aluminyum derneği, ortalama bir Kuzey Amerika’lı aracın %75’i döküm olmak üzere 113 kg aluminyum içerdiğini tahmin etmektedir. Halen daha büyük oranda yüksek mukavemetli çelik sacın gövde ve açılır-kapanırlarda kullanılmakta iken gövde yapımında kullanılan aluminyum sac ise % 2 ’ nin altında kalmaktadır. (http://www.findarticles.com 2010) Avrupa otomotiv endüstrisinin, dünya çapında teknik olarak en ileri ve en yenilikçi olduğu bilinmektedir. Son on yılda bilinen sebeplerden dolayı konstrüksiyonlarda ve otomobil tasarımında modifiyeli aluminyumun kullanımı artmıĢtır veya yeni alaĢımlar geliĢtirilmiĢtir. (http://www.findarticles.com 2010) ġekil 3.6. Batı Avrupa’da araç baĢına aluminyumun ortalama kullanımı Kaynak : http://www.keytometals.com 2010 Son on yıl boyunca, Avrupa otomotiv endüstrisinde binek araçlarda aluminyum kullanımı miktarı iki katından fazlasına çıkarıldı ve ( ġekil 3.6. ) gelecek yıllarda bundan daha da fazla olacaktır. ġekil 3.7. Avrupa’daki bazı araçlarda aluminyumun kullanım oranları Kaynak : http://www.keytometals.com 2010 23 2000 yılında batı Avrupa’da 59 kg ı motor parçaları,11 kg ı yapısal parçalar, 6 kg ı Ģasi uygulamaları ve 5 kg ı gövde parçaları olmak üzere (21 kg ı diğerleri) ortalama 102 kg lık aluminyum kullanıldı. Gelecek on yılda, mevcut geliĢmelere göre Avrupa’daki binek araçlarda bu malzemenin yeni nesil modeller ve yenilikçi aluminyum konseptlerle iki katından daha fazla kullanılacağı hesaplanmaktadır. Daha detaylı bir analiz ġekil 3.7. de gösterilmektedir. (http://www.keytometals.com 2010) 3.4. Hafif Metal Alaşımları Kullanılarak Otomobil Gövdelerinin Oluşturulması 3.4.1. Giriş Araç endüstrisi müĢterilerin artan güvenlik ve performans talepleri karĢısında çok önemli ağırlık problemi ile karĢı karĢıya gelmektedir. Bu trend, tüm sınıflardaki tam donanımlı araçların daha lüks ve konforlu olmasına yol göstericiliği yapmaktadır. ġimdilerde, küçük araçlar bile sık sık hidrolik direksiyon ve havalandırma sistemlerini standart olarak kullanmakta. MüĢteriler, yolcu güvenliği için daha fazla dikkat göstermekte ve daha güçlü, rijit gövdelere önem vermekteler. Bu sırayla, aracın performansını sağlamak amacıyla, daha güçlü motor ve aktarma organları gerektirmektedir. Daha güçlü motor, daha ağır Ģasi ve yine daha büyük yakıt tankı ile beraberinde daha yüksek rijitlikte araç gövdesi gerektirmektedir. Sonuç olarak, tüm otomobil sınıfında her bir yeni model ( ġekil 3.8. ) daha ağır olmakta. (Carle, Blount 1999) ġekil 3.8. Yüksek müĢteri taleplerinin etkisi Kaynak: Carle, Blount, The suitability of aluminium as an alternative material for car bodies, 1999 24 Bu kötü çemberden kaçmak için araç üreticileri hafif ağırlıklı konseptlere doğru bir aksiyon almaları konusunda zorlanmaktalar. Araç gövdeleri bir aracın toplam ağırlığının % 25 ini oluĢturmaktadır ve bu çemberi kırmak için uygun bir yoldur. Hafif metallerin, kararlı bir Ģekilde gövde ağırlıklarını azaltmak konusunda gelecek vaat ettikleri görülmektedir. Otomobil endüstrisinde alüminyum ve magnezyum gibi metallerin kullanımındaki artıĢ geliĢtirmeler için hala geniĢ bir faaliyet alanı bulunduğunu göstermektedir. ġimdilerde, genel uygulama alanları Ģasi ve açılır-kapanır saç parçalardadır. Audi A8, Honda NSX veya Lotus Elise gibi bazı araç üreticileri, araç gövdelerini bile tamamen alüminyumdan tasarlamaktadırlar. (Carle, Blount 1999) Gövde, büyük miktarlarda aluminyum kullanımı ile ağırlık azaltımına azami olanak sağlamakta. Son geliĢmeler, çeliğin yerine aluminyum kullanımı ile gövdelerde %50 ye varan ağırlık kazanımı sağlanabileceğini göstermektedir. Diğer azaltım fırsatları da eklendiğinde toplam araç ağırlığının %20-30 arasında azaltılabileceği sonucunu çıkartmaktadır. (Miller, Zhuang, Bottema, Wittebrood, Smet, Haszler, Vieregge 2000) Çizelge 3.8. Çelik ve aluminyumun özellikleri Aluminyum AlaĢımı Çelik (AlMgSi) 2 Elastisite modülü (N/mm ) 190,000 - 220,000 60,000 - 80,000 2 Çekme mukavemeti (N/mm ) 290 - 470 260 - 350 3 Yoğunluk (kg/dm ) 7.85 2.7 Kaynak: Carle, Blount, The suitability of aluminium as an alternative material for car bodies, 1999 Alüminyum bazı özellikleri itibariyle, gövde uygulamalarını ( çizelge 3.8. ) ilgi çekici yapmaktadır. Alüminyumun sac metal panel ve ekstrüzyonlu kesitlerin mukavemeti çelik gövdeli panellerle yaklaĢık olarak aynıdır. Bunun anlamı, panelde kalıcı bir deformasyon sağlayabilmek veya kırmak için aynı kuvvet uygulanmalıdır. (Carle, Blount 1999) Bununla birlikte, alüminyumun rijitliği bu tür çelikten düĢüktür. Bu, bir dereceye kadar alüminyumun elastisite modülünün çeliğin üçte biri olmasındandır. Alüminyum’daki etki, çelikteki aynı kuvvete maruz kaldığında daha yüksek elastik deformasyona sahiptir. Bu parçaların, artan duvar kalınlıkları, fazla çeĢitli form ve Ģekil veriliĢi, optimize edilmesiyle, kesitleriyle ve panellerin deformasyon davranıĢ etkisiyle dengelenebilir ve bu yüzden kaza esnasında araç gövdesinin enerji absorve kabiliyetiyle etki eder. (Carle, Blount 1999) 25 Böyle olunca, çeliği alüminyum panelle basit Ģekilde alüminyumun tüm avantajlarından faydalanmadan yer değiĢtirmek en uygun çözüm değildir. Alüminyumun hafif ağırlıklı bir malzeme olarak tüm avantajlarından faydalanacak Ģekilde bir yol izlenmelidir. Ekstrüzyonlu profiller, saclar veya dökümler Ģeklinde çeĢitli alaĢımlar olarak temin edildiğinden bu yana araç gövde uygulamalarında geniĢ imkanlar sunmaktadır. Bu nedenle, yeni tasarım ve montaj metotları geliĢtirilmesiyle aynı anda daha çok malzeme özellikleriyle birlikte gerçek avantajlar getirebilmektedir. (Carle, Blount 1999) 3.4.2. Gövde Mimarisi Gövde yapılarında kullanılan ana alternatif teknolojiler iki baĢlık altında toplanabilir. ( Ģekil 3.9.) Bunlardan birincisi kabuk gövde, ikincisi ise uzay çatılı gövdedir. Kabuk ve uzay çatılı gövdelerin çelik, aluminyum ve kompozitten oluĢlarına göre birleĢtirme türleri ile bileĢen miktarları çizelge 3.9. ve çizelge 3.10. da verilmektedir. ġekil 3.9. Kabuk ve uzay çatılı gövde uygulamaları Kaynak: Anonim Çizelge 3.9. Uzay çatılı gövde Çelik Aluminyum * Direnç kaynağı, CO2 kaynağı, * Gövde çerçevesinde CO2 Yapısal birleĢtiriciler kaynağı, tutturma, direnç, büzme, perçinleme * AzaltılmıĢ sayıda profilli ve kalıplanmıĢ parçalar ( ~ 100 ) * AzaltılmıĢ sayıda profilli, ekstrüzyonlu, döküm ve kalıplanmıĢ parçalar Kaynak: Anonim 26 Çizelge 3.10. Kabuk Gövde Çelik Aluminyum Kompozit * Direnç punta kaynağı * Direnç kaynağı * Tutturma ve Civatalama * Yüksek sayıda bileĢen ( * Diğer teknolojiler ( Ark * DüĢük sayıda bileĢen ( 400 den fazla ) kaynağı, Yapısal 20 den 50 ye ) yapıĢtırıcılar, büzdürme, perçinler ) * Alt gruplarında entegre olmuĢ bileĢenler * Yüksek sayıda kalıplanmıĢ bileĢen * Döküm bileĢenler Kaynak: Anonim Çizelge 3.11 de gövdelerin birleĢtirme performanslarındaki durumları, çizelge 3.12. de ise gövde yapılarının bileĢen sayısına göre karĢılaĢtırılması verilmektedir. Çizelge 3.11. Gövdelerin birleĢtirme performanslarındaki durumları Direnç CO2 Lazer YapıĢtırıcılar Civatalar Büzdürme Perçinleme kaynağı Kaynağı kaynağı Çelik Kabuk ++++ + + ++ ++ + - Gövde Aluminyum ++ + ++ ++++ +++ ++ ++++ Gövde Kompozit - - - ++++ +++ - - Kabuk Gövde Çelik Uzay Çatı ++ +++ +++ ++ + + - Aluminyum + +++ +++ +++ +++ + ++++ Uzay Çatı + dan ++++ daha iyi duruma geliyor Kaynak: Anonim 27 Çizelge 3.12 Gövde yapılarının bileĢen sayısına göre karĢılaĢtırılması Kaynak: Anonim 3.4.3. Uzay Çatı Teknolojisi Birçok yıldan sonra araĢtırma aktiviteleri sonucu uzay çatı konsepti, alüminyumlu araç uygulamaları konusunda son 10 yılda gelecek vaat eden bir yaklaĢım olduğu ortaya çıkmıĢtır. Bir uzay çatı, temelde, kapalı, düz veya Ģekilli kesit ekstrüzyonlardan meydana ( ġekil 3.10. ) gelmektedir. ġekil 3.10. Uzay Çatı Kaynak: Carle, Blount, The suitability of aluminium as an alternative material for car bodies, 1999 Ekstrüzyonlar, direkt olarak veya döküm elemanlar yardımıyla gövdeye birleĢtirilmektedir. Uzay çatı, ekstrüzyonlu kesitlerde herhangi bir kaynak dikiĢi bulundurmadığından rijitlikte bir kayba neden olmadan her türlü istenilen ölçülerde, maksimum 28 rijitlikte ve burulma direncinde üretime izin verir. Döküm kesitler, genelde yüksek gerilimli köĢelerde ekstrüzyonları uygun ve etkili bağlamayı sağlamak için kullanılmaktadır. Döküm kesitler, destek kiriĢlerinde gövde birleĢim noktalarındaki rijitliği sağlayabilmek için her türlü formda tasarlanabilir. (Carle, Blount 1999) 3.4.3.1. Uzay Çatı Teknolojisinin Avantajları Audi’nin geliĢtirdiği uzay çatı teknolojisinin ikinci nesil gövde uygulamaları A2 modelinde kullanılmaktadır. ( ġekil 3.11. ) - Tasarım olarak: o Amaca daha uygun kuvvet iletim davranıĢı (örneğin çarpmalarda) o Rijitlik dağılımının daha anlamlı olması, bu Ģekilde eğilme ve burulma rijitliklerinin arttırılması o Cihazların bağlanması için tanımlanmıĢ arakesit konumları o Daha az parça - Ġmalat açısından: o Parçalardaki ön imalat yeterliklerinin yükselmesi o Basit geometrili üstün parçalar o Daha iyi tolerans telafisi o Daha uygun maliyetli takımlar ġekil 3.11. Audi ikinci nesil gövde ve yarı malzeme dağılımı Kaynak : Çavdar, Otomobillerde hafif yapılar ve yeni malzemeler, 2006 - Montaj açısından o Daha sabit, hücrelerin arasındaki açıklıklar montaj olayını daha kolaylaĢtırır o Daha basit montaj operasyonları 29 - Onarım açısından: o Daha kolay değiĢtirebilme için daha iyi arakesitler mevcut o Atölyede çalıĢma için kalifiye eleman ihtiyacı var - Gerçekleme: o Tipik küçük seri imalatlar için uygun. ( Çavdar 2006 ) 3.4.4. Gövde Uygulamaları İçin Aluminyum Alaşımları ġimdiye kadar, aluminyumun otomotiv endüstrisindeki büyümesi döküm motorlarda kullanımı, transmisyon ve diĢli uygulamaları ve ısı eĢanjörleri ile oldu. Aluminyumun maliyeti ve değiĢmeyen fiyatı büyük ölçekli sac uygulamalarında kullanımı konusunda en büyük engel olarak kalmakta. Aluminyum endüstrisi, gelecek büyümesi ve bu çabayı desteklemek için önemli kaynaklarla birlikte otomotiv endüstrisini hedeflemekte. ġekil 3.12. Alcoa – Audi A8 aluminyum ekstrüzyonlu uzay çatılı gövde mimarisi Kaynak: Miller, Zhuang, Bottema, Witttebrood, Smet, Haszler, Vieregge, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, 2000 ġekil 3.13. Alcan – Ford yoğun aluminyum kullanılmıĢ olan saç monokok mimarisi Kaynak: Miller, Zhuang, Bottema, Witttebrood, Smet, Haszler, Vieregge, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, 2000 Burada iki çeĢit farklı form felsefesine sahip aluminyum kullanımı söz konusudur. Birinci olarak, ekstrüzyonlu uzay çatı Alcoa-Audi A8 örnek gösterilebilir. ( Ģekil 3.12. ) Diğeri geleneksel saç mimarisinde yoğun olarak en çok çelik gövdede kullanılan aluminyum ağırlıklı 30 Alcan-Ford aracıdır ( Ģekil 3.13. ). Her bir türün faydası vardır. Uzay çatı bazı kalıpları elimine ederek düĢük kalıp maliyetine olanak sağlarken, geleneksel saç mimarisi kurulu proseslerle düĢük parça maliyetlerine olanak sağlamaktadır. Bu iki tür için güncellenen örnekler, Ford P2000 ve Audi AL2’dir. Her ikisi de gövde de yaklaĢık % 40 ağırlık azaltımı prensibini sağlayabilmiĢtir. Audi A8 için geliĢtirilen ekstrüzyonlu uzay çatının düĢük hacimli üretimler için en uygun olduğuna inanılmaktadır. (Miller, Zhuang, Bottema, Wittebrood, Smet, Haszler, Vieregge 2000) ġekil 3.14. Tamamı aluminyum ekstrüzyonlu gövde yapısından oluĢan Audi AL2 Kaynak: Miller, Zhuang, Bottema, Witttebrood, Smet, Haszler, Vieregge, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, 2000 Çizelge 3.13. A 8 ve AL 2 uzay çatı tasarımlarının karĢılaĢtırılması A 8 ( 249 kg ) A 2 ( 153 kg ) Sac 71% 71% Dökümler 15% 8% Profiller 14% 21% Düz 49% 84% 2D 34% 8% 3D 17% 8% Punta kaynağı 500 Yok Büzdürme 178 Yok Kendinden Delmeli Perçin 1100 1500 MIG 70 mt. 20 mt. Lazer Yok 55 mt. Kaynak: Miller, Zhuang, Bottema, Witttebrood, Smet, Haszler, Vieregge, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, 2000 31 AL2’de birkaç aluminyum ( ġekil 3.14. ) döküm bağlantı bulunmaktaydı, bunlar, A8’de yoğun Ģekilde direkt yapıĢtırma ile yer değiĢtirdiler. AL2’deki aluminyum ekstrüzyonlar olabildiğince düzgün Ģekillerde yapıldı. A8 ve AL2 modelleri arasındaki bir karĢılaĢtırma çizelge 3.13. de yapılmaktadır. Bu üretim maliyetini azaltma ve yüksek gelir düzeyli üretim miktarlarında yapılan çabayı göstermekte. Bu, otomotiv Ģirketlerinin aluminyumla daha fazla çalıĢtığını ve düĢük genel maliyetle tasarımı basitleĢtirme sonuçlarını açıklamaktadır. AĢağıdaki birkaç örnek aluminyumun araçlarda yoğun olarak aluminyum gövde komponentlerinin çalıĢmalarını vermektedir: 1. Audi A8’de aluminyumun yoğun olduğu uzay çatıya sahip araçla gövde ağırlığı %40 azaltılmaktadır. 375 kg lık aluminyum komponentin 125 kg ını sac ürünler, 70 kg ını ekstrüzyonlar, 150 kg ını dökümler ve 40 kg ını diğer aluminyum formlar almaktadır. 2. Ford AIV kalıplanmıĢ bir aluminyum gövde yapısına sahiptir. Gövde ve dıĢ panellerle geleneksel çelik modele göre 145 kg gövde yapısı ve 53 kg açılır-kapanır panellerle birlikte 200 kg daha hafiftir. Toplam aluminyum kullanımı 270 kg dır ve toplam ağırlık azaltımı 320 kg dır. 3. Honda NSX de kalıplanmıĢ gövde yapısı ve dıĢ panellerle birlikte 210 kg ağırlığında aluminyuma, yaklaĢık 100 kg aluminyum Ģasi komponentlerine ve 130 kg diğer güç ve aktarma organları komponentlerine sahiptir. 4. BaĢka birkaç Ģirkette yoğun aluminyum prototip gövdeler ve/veya konsept araçlar oluĢturmuĢlardır. Chrysler, Reynolds Metal ile birlikte geleneksel Lite’ye göre 270 kg daha hafif Neon Lite yapmıĢtır. Renault ve Lotus birlikte çelik araca oranla %30-50 arası daha düĢük ağırlıkta Spider tasarlamıĢ ve yapmıĢlardır. Diğer örnekler, Jaguar XJ 220, GM-EV1 vb. (Miller, Zhuang, Bottema, Wittebrood, Smet, Haszler, Vieregge 2000) ġekil 3.15. Ferrari F360 aracının aluminyum ekstrüzyonlu uzay çatılı gövde yapısı Kaynak : Kleiner, Geiger, Klaus, Manufacturing of Lightweight Components by Metal Forming 32 Otomotiv uygulamalarında ekstrüzyonlar kullanılmaya baĢlandı. Özellikle düĢük üretim miktarına sahip araçlarda veya prototiplerde gövdeler uzay çatılı aluminyum ekstrüzyondan yapılmakta ( Ģekil 3.15. ). Bunun sebeplerinden biri de ekstrüzyonun mükemmel kesit tasarımı sunması. Tavan kuĢağı, ön Ģasi kolları gibi konvansiyonel derin çekmeyle üretilen parçalara oranla düz profillerin kalıp maliyeti daha ekonomiktir. ( Kleiner, Geiger, Klaus ) ġekil 3.16. Plymouth Prowler’de yapılan uzay çatı konseptli gövdelere örnekler Kaynak : http://www.psc.edu 2010 BirleĢik Devletlerde aluminyum teknolojisini baĢarı ile kullanan ilk Ģirket olan Prowler Ģirketidir. Dünyanın lider aluminyum Ģirketi Alcoa aluminyumun ne yapabileceğini A8 den bildiğinden Prowler’a geliĢtirme konusunda yardımcı oldu. Her iki araç aluminyum iskelete sahip ―uzay çatı‖ ve buna aluminyum gövde panelleri ( ġekil 3.16. ) birleĢtiriliyor. ( http://www.psc.edu 2010) ġekil 3.17. Plymouth Prowler’de yapılan uzay çatı konseptli bir araç Kaynak : http://www.psc.edu 2010 Aluminyum ekstrüzyonlar oldukça karmaĢık profillerin Ģekilleri izin verilen hafif ağırlıklı tasarım ile entegre edilmiĢ fonksiyonlar sağlayabilir. Avrupa’da bütün yeni ve esnek araç konseptleri (örneğin; uzay çatı, ġekil 3.17.) ve kompleks yapısal gövdeler (örneğin, Ģasi 33 parçaları, kolları, çarpıĢma parçaları, air-bag ler vb.) aluminyum ekstrüzyonlar kullanarak geliĢtirildi. Kompleks tasarım ve fonksiyonel uyum için yüksek potansiyeli yüksek üretim miktarlarında maliyeti en uygundur. Ekstrüzyonlar, Ģasi kolları, çarpıĢma parçaları ve kutularda uygulanmaktadır, bunlar, aluminyum ekstrüzyonları için büyük bir pazardır. Lider bir tedarikçi olarak Hydro Aluminyum yapıları Avrupa’da yılda 6 milyon oranında sadece Ģasi kolları ve crash box lar üretmekte. ( http://www.keytometals.com 2010 ) 3.4.5. Aluminyum Gövdelerin Üretimdeki Avantajları Alüminyum parçalar tasarımdaki üstün özellikleriyle, daha önceden bahsedildiği gibi ekstrüzyonlar ve dökümler gibi çeĢitli dizayn çözümlerinde her türlü yakın Ģekilde bulunabilir. Bir döküm, birkaç çelik panelden oluĢan yakıt depo kapağı gibi, kompleks bir parçanın yerine geçebilir. Bu nedenle, parçaların % 50 ye kadar azaltılması gerçekleĢtirilebilir. Bu tasarım ve imalat prosesinin her aĢamasında tasarım, konstrüksiyon ve üretimin daha az parça ile uğraĢılmasından dolayı daha kolay yapar. Daha az parça daha az kalıp ve aparat demektir ve bu da imalatı daha az karmaĢık yapar ve çalıĢma yerinden kolay bir Ģekilde makul kazanç sağlar ve giderleri azaltır. (Carle, Blount 1999) 3.4.6. Aluminyum Gövdelerin Üretimdeki Dezavantajları DüĢük uzaması ve akma limitleriyle sacların kolayca yırtılabileceğinden kendisini kalıplama için zorlaĢtırmaktadır. Bu kalıp tasarımda ve üretiminde hesaba katılması gereken bir durumdur. Örneğin, kapılarla bagaj kaputunda bükme radyüsü ve kıvırmaların modifiyesini gerektirmektedir. Sacların yüksek esnekliği de tekil parçalarla tüm araç gövdesini kalıplama esnasında toleranslar içerisinde tutmayı zorlaĢtırmaktadır. Kaynaktaki proses parametrelerinin kapsamı çok limitlidir. Çok sıkı kontrol edilmezlerse, kaynak dikiĢleri deliklere form vermeye çalıĢır. Ek olarak, punta kaynakları çatlakları büyütmeye meyillidir ve sonrasında mukavemetini düĢürür. Ayrıca, düzensiz ısı etkisiyle alüminyum ekstrüzyonlar ve döküm kesitlerin önceden kestirilemeyen Ģekilde davranmasıyla kaynak prosesi sonrası gövdeyi toleranslar içerisinde tutmak zordur. Isı büyümesi çelikten bir miktar daha büyüktür, bu nedenle daha yüksek kuvvetlerle baĢa çıkabilmek için tüm fikstürler daha sağlam ve dayanıklı üretilmelidir. Kaynak yapılabilir bir yüzey oluĢturmak için kapsamlı asitleme iĢlemi gereklidir. Boya için de yüzey finiĢi değerlidir ve çok fazla zaman ve bilgi gerektirmektedir saclar çelik 34 panellerdeki muadillerine göre çok kolay çizilmeye eğilimlidir ve sacların yüzeyleri form dalgalarına duyarlıdır. 6000 serisi alüminyum alaĢımları tipik olarak uzay çatılar için seçilmektedir ve istenen mukavemete ulaĢabilmek için ısıl iĢlem gerektirmektedir. Boya atölyesinde konvansiyonel ısı yeteri kadar yüksek olmadığından kurutma prosesinde yeterli değildir. Bu nedenle, araç gövdelerini 30 dakikada 210 ◦ C dereceye kadar ısıtarak alüminyum alaĢımlarını sertleĢtirmek için ek bir ısıl iĢlem hattı kurulması gereklidir. Bu, imalatta kaynak prosesine negatif etki edeceğinden önceden yapılamaz. Kontak korozyonu çok önemli bir rol oynamaktadır, bu alüminyumun korozyonunu hızlandırdığından perçinler, vidalar ve diğer çelik parçalar kaplanmalıdır. Aksi halde, araç gövdesindeki delikler neme maruz kaldığında korozyon kaçınılmaz olur. (Carle, Blount 1999) 3.4.7. Alüminyumlu Gövde Tiplerine Örnekler Bazı alüminyumlu gövdelere örnekler aĢağıdaki ġekiller 3.18-3.19-3.20-3.21-3.22 lerde verilmektedir. ġekil 3.18. Aluminyumdan yapılmıĢ bir gövde örneği Kaynak : European Aluminum Association, Aluminum in cars, 2008 ġekil 3.19 Audi uzay çatı tekniği kullanılan gövde örnekleri Kaynak : Anonim 35 ġekil 3.20. Jaguar - XJ , tamamında aluminyum kullanılan ilk monokok Ģasi Kaynak : Anonim ġekil 3.21 Audi A8 uzay çatı gövdesi Kaynak : Anonim ġekil 3.22. Yeni Audi TT gövdesi Kaynak : http://luxvelocity.typepad.com 2009 36 3.5. Şekillendirme Yöntemleri 3.5.1. Giriş Aluminyum alaĢımlı sacların Ģekillendirilebilmesi, çelik saclara göre, düĢük uzamaları, n-değerleri, r-değerleri ve elastisite modüllerinden dolayı daha azdır. Çelik sacla Ģekillendirilebilen bir geometri, aluminyum alaĢımları ile yırtmadan, kırıĢmasız ve geri dönüĢsüz Ģekillendirilemeyebilir. Bu sebeple, aluminyum alaĢımlı saclar tasarımda düĢük dereceli serbestlikleriyle form vermede kısıtlar getirebilir. ( Sakurai 2008 ) ġekil 3.23. Aluminyum alaĢımları ve yumuĢak çeliğin gerilim - uzama eğrisi Kaynak : Sakurai, The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, 2008 Aluminyum alaĢımlı saclar, çelik saclarla kıyaslandığında, hemen hemen yumuĢak çeliklere eĢdeğer gerilme dayanımı ile çekme dayanımı göstermekte, ama uzamaları çok daha küçüktür. ġekil 3.23. otomotiv panellerinde kullanılan tipik aluminyum alaĢımlı sacların (5000 ve 6000 serisi) gerilme-uzama eğrisini göstermekte. YumuĢak çelik içinde bir eğri vardır. ġekilden görülebileceği gibi, aluminyum alaĢımları maksimum yüklemeden sonra çelikle kıyasladığımızda önemli derecede daha küçük uzamaya (bu dar uzama olarak adlandırılır) ulaĢmakta. Dar uzamadaki farka, aluminyum alaĢımı ve çelik arasındaki farklı Ģekillendirilebilmenin sebep olduğu düĢünülmektedir. ( Sakurai 2008) ġekil 3.24. aluminyum alaĢımları ve çelikler arasındaki çekme yükseklik limiti ile çekme mukavemetini göstermekte. Çekme yükseklik limiti dörtgen düz bir sacın küresel baĢlı bir zımba kullanarak preste Ģekillendirmesinde çatlağın oluĢtuğu yüksekliğe verilen addır. 37 Çatlak bölüm Ģekil değiĢtirme düzlemi civarındadır. Sonuçlar, aluminyum alaĢımlı sacların gerilebilirliğinin çelik sacların altında olduğunu belirtmektedir. ( Sakurai 2008) ġekil 3.24. Aluminyum sac ve yumuĢak çeliğin çekme limit yüksekliği ile çekme mukavemeti arasındaki iliĢki Kaynak : Sakurai, The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, 2008 3.5.2. Pot Çemberi Kuvvet Kontrolü Kalıpçılıkta, ĢekillendirilmiĢ parçanın kalitesi form verme süresince diĢi boĢluğuna ne kadar malzeme çekildiği ile belirlenir. Fazla malzeme akıĢı kırıĢıklığa neden olurken, az malzemede parçada yırtılmaya sebebiyet vermektedir. DiĢi boĢluğuna malzeme akıĢına pot çemberi kuvveti (PÇK) etkili olmaktadır ve açınım Ģekli kalıp ile sacın arasındaki sürtünme durumuna göre verilmektedir. Konvansiyonel olarak PÇK pot çemberi yüzeyinden direkt uygulanmaktadır ve form verme sürecinde sürekli tutulur. Fakat malzeme akıĢı kalıp çevresi boyunca aynı değildir. Metal düz kenarlardan kolayca akarken köĢelerde ise bu durum sınırlıdır. Bu yüzden, pot çemberi kuvvetini kullanırken malzeme akıĢının düzenli olması için süzdürme çubukları tercih edilir. Süzdürme çubukları geometrisi ve ebatları genellikle pres deneme çalıĢmalarında belirlenmektedir. Üretim süresince çizme aĢınması ( A/UHSS için ) ve yapıĢkanlı aĢınma ( aluminyum alaĢımları için ) sürtünme ortamında süzdürme çubuk geometrisinde değiĢikliğe sebep olmakta. Bundan dolayı, uygun parça üretimi için kalıpların çeĢitli frekanslarda bakıma 38 alınması gereklidir. Süzdürme çubukları deneme esnasında çalıĢılan sac rulosuna göre sonlandırılması gerekmekte ve yine değiĢik gelen rulolara göre çalıĢılması gerekmektedir. Bu yüzden, kalıp deneme çalıĢmalarında süzdürme çubuklarından dolayı rulodan birçok hurda verilmesine neden olur. Dolayısıyla, uzun süreli çalıĢmalarda kalıptaki aĢınma ve yırtılmalarla, gelen rulonun özelliğine bağlı olarak bu süreç yeteri kadar çok sağlıklı olmamaktadır. Derin çekme sürecinde malzemenin akıĢının kontrolü pot çemberi kuvveti ve süzdürme çubukları ile yapılarak bize malzeme özelliklerindeki değiĢikliklere karĢı müdahale için izin verir. Pot çemberi kuvvetini değiĢtirerek rulodan ruloya veya parçadan parçaya oluĢan kalıp bakım sıklığını değiĢtirebilir. Fakat bu pot çemberinde farklı noktalarda farklı pot çemberi kuvveti uygulanmasını gerektirir. Modern presler bazıları bireysel çalıĢabilen silindirlerle olmak üzere çok noktalı yastık sistemli olarak tasarlanmaktadır (Ģekil 3.25.) . Farklı kuvvetler uygulamak için silindirler tekil olarak programlanabilirler. ġimdilerde kurs esnasında değiĢkenli pot çemberi kuvveti uygulayabilmek için kalıp alt veya üst gövdeleri hidrolik veya nitrojen silindirlerle yapılmakta. ( ġekil 3.26.) Bu yüzden daha iyi malzeme akıĢını sağlamak için PÇK farklı yerlerde farklı kurslarla çeĢitlendirilmekte ve böylece malzemelerin Ģekillendirilebilirlikleri ( özellikle hafif ağırlıklı düĢük Ģekillendirilebilirlikli malzemeler ) arttırılmaktadır. Benzer teknoloji paslanmaz lavaboların Ģekillendirilmesinde de çokça kullanılmaktadır. ġekil 3.25. Çok noktalı yastık ünitesinin preste bağlantı Ģematiği Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components, 2007 Fakat bu imkân otomotiv üretimi için gözden geçirilmekte. Bunun nedenleri: a ) kalıp denemesinde her bir tij mili için uygulanacak PÇK ne kadar olacağının tahmin zorluğu b ) konvansiyonel sac malzemeler mevcut metotla sürekli pot çemberi kuvvetiyle Ģekillendirilebilmekte. Hafif ağırlıklı düĢük Ģekillendirilebilirlikli malzemelere verilen önem ve 39 parçaların karmaĢıklığının artıĢı çok nokta yastıklı imkanla malzeme akıĢını kontrol edebilen prosesin kullanılmasını gerekli kılmaktadır. (Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan 2007) ġekil 3.26. Çok noktalı yastık ünitesinin kalıpta bağlantı Ģematiği Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components, 2007 CPF ile USCAR konsorsiyumu birlikte pot çemberi kuvvetinin nümerik optimizasyon tekniğini geliĢtirdiler. Bununla birlikte düzgün parça için pot çemberi kuvvetinin çok nokta yastıklı sisteminde baĢarılı uygulama tahmininde : a) boĢluk/konum ve zaman/kursta sürekli PÇK , b) zaman/kurs ve sürekli boĢluk/konum değiĢkenli PÇK, c) boĢluk/konum ve sürekli zaman/kurs değiĢkenli PÇK, d) boĢluk/konum ve zaman/kurs değiĢkenli PÇK çok noktalı yastık sistemi tek nokta yastık sistem/azot silindirleri gibi dört farklı tür söz konusu olmaktadır. (Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan 2007) 40 GeliĢtirilen metodoloji bir otomobil parçasının ( en arka tek kapı iskeleti ) AA 6111-T4 aluminyum alaĢımından 1.0mm, DP500 malzemesinden 0.8 mm ve BH210 çelikten 0.8 mm malzemelerinde PÇK tahmininde kullanıldı. ġekil 3.27. geliĢtirilen olağan SE simulasyonuyla optimize edilen A6111-T4 aluminyum alaĢımının Ģekillendirme prosesinin PÇK tahminini örneklemekte. ġekil 3.27. Optimum pot çemberi kuvveti Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components, 2007 Benzer çalıĢma BH210 ve DP500 çelik sacları içinde yapıldı. GeliĢtirilen kuvvet profilleri denemelerde aynı kalıbı kullanıp herhangi bir değiĢiklik yapmadan farklı saclarda denendi. Parçanın üç farklı malzemede ve kalınlıkta kalıpta herhangi bir değiĢiklik yapmadan sadece PÇK uygulanan yastık tijlerini değiĢtirerek elde edildiği gözlendi ( ġekil 3.28 ). ġekil 3.28. Farklı sac kalınlıkları ve sac kalitesindeki malzemelerin aynı kalıpta sadece PÇK değiĢtirilmesiyle basım sonuçları Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components, 2007 41 En arka kapı iskelet sacının Al 6111-T4 kalitesinden birden çok kez basılmasına karĢın konvansiyonel tek nokta sistemle elde edilemediğine dikkat edilmelidir. Bu çok nokta yastık sistemiyle konvansiyonel kalıpçılıkla otomobil gövde panellerinin hafif ağırlıklı malzemelerle Ģekillendirilebileceğini ortaya koymaktadır. (Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan 2007) Pot çemberi kuvveti (PÇK) derin çekme prosesinde kırıĢıklığı önlemek ve malzemenin akıĢını kontrol etmekte kullanılmaktadır. Pot çemberi kuvvetinin konvansiyonel uygulamalarında iki problem ortaya çıkmaktadır. Birincisi, sürekli pot çemberi kuvveti Ģekillendirme kursu boyunca çekilmiĢ flanĢta Ģekil 3.29. de gösterildiği gibi çekme oranı azalmasına karĢın uygulanmaktadır. Ġkincisi, ideal tek biçimli pot çemberi kuvveti saca uygulanmasına karĢın bu optimum olmayabilir. FlanĢlarda sıkıĢtırılan kuvvetler sadece malzeme akıĢını engellemez, malzemenin kalınlaĢmasına da neden olur. KalınlaĢmıĢ alanlar, yüksek pot çemberi kuvveti (PÇK) doğurur ve bu da derin çekme prosesi esnasında daha fazla malzeme akıĢını engeller. Pot çemberi kuvvetinin etkisini arttırmak adına, pot çemberi kuvveti uygulamalarında birbirinden ayrı kontrol edilen nitrojen veya hidrolik silindirler kullanılır. Bu metot Ģekil 3.30. da gösterilmektedir. Malzeme akıĢı bu metotla lokal olarak presin kursu boyunca kontrol edilebilir. ( Thomas, Altan, Kaya 2003 ) ġekil 3.29. Çekme sürecinde çekme oranının azaltımı Kaynak : Thomas, Altan, Kaya, Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing 2003 Çift etkili mekanik preslerde, PÇK dıĢ koça konularak ayarlanmasıyla uygulanmaktadır. Normalde, hava veya nitrojen yastıklarında, PÇK gazın sıkıĢmasına bağlı olarak koçun kursuyla artmaktadır. Hidrolik yastıklarda, normalde PÇK koçun kursuna karĢın sabit olmaktadır. 42 ġekil 3.30. Dikdörtgen bir kalıpta hidrolik silindirler kullanarak pot çemberi kuvvet kontrol kullanımı Kaynak : Thomas, Altan, Kaya, Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing 2003 Değişken PÇK Uygulaması Nasıl Konumlandırılmaktadır? Tecrübeli kalıp deneme çalıĢanları kısmi PÇK değiĢtirmek adına kalıp yüzeyini taĢlar veya kalıp kesitlerine ayar sacı koyar veya yastık tijlerini değiĢtirir. ġekil 3.31. de gösterildiği gibi bir sistem kullanmak, taĢlama veya ayar sacı koymaya oranla PÇK uygulamasını kolayca düzeltmeye yardımcı olur. 3.5.2.1. Pot Çemberi Kuvvet Kontrol Stratejileri PÇK presin bir kursu ve süzme çubuğu civarlarında konumlandırılmasının değiĢkenliğinin nasıl olacağı konularında birçok öneriler ve araĢtırmalar bulunmaktadır. Gösterildiği gibi makul zaman değiĢkenli bir PÇK kontrol stratejisi sürekli PÇK değiĢkeninde PÇK yırtık limitinden PÇK kırıĢma limitine kadar nasıl olacağı Ģekil 3.31. b de gösterilmektedir. DeğiĢkenli PÇK için bir diğer ampirik metot yerleĢtirmesi ise, diĢinin uzunluğun, diĢinin geniĢliğine oranlanmasıyla yapılıĢı Ģekil 3.31. (d) de gösterilmektedir. ( Thomas, Altan, Kaya 2003 ) 43 ġekil 3.31. Pot çemberi kuvvet kontrol stratejileri Kaynak : Thomas, Altan, Kaya, Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing 2003 Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes yaptıkları çalıĢmada derin çekmede pot çemberi kuvveti ile ilgili bir optimizasyon stratejisi ortaya koymuĢlardır. Bu stratejide, ilk olarak kırıĢıklık oluĢuncaya kadar çok düĢük bir kuvvet uygulanır. Ġkinci aĢamada malzeme akıĢ özelliklerine orantılı olarak kuvvet zımba yer değiĢtirmesiyle orantılı olarak artırılmakta. Önerilen değiĢkenli pot çemberi kuvveti Ģeması parça kalitesini büyük ölçüde geliĢtirdi. Bu çalıĢma modifiye edilmiĢ kırıĢıklık eğiliminde olan saçta gerekli olan pot çemberi kuvvetini belirleyip uygulama yaklaĢımı hakkındadır. KırıĢıklık yüksekliği optimum pot çemberi kuvvetinin kararlaĢtırılmasında en büyük etkendir. Derin çekme simulasyon prosesi esnasında pot çemberinin yer değiĢtirmesi sürekli değerlendirilmekte ve uygun pot çemberi kuvveti uygulanmakta. Derin çekme simulasyonları dairesel bir kap örneği kullanılarak SE kodlarıyla 44 yapıldı. ġekil 3.32. beĢ farklı zımba yer değiĢtirmesi ile optimum gerekli pot çemberi kuvvetini göstermekte. Strateji optimum pot çemberi kuvvetini aĢağıdaki eĢitlikle pot çemberinin yer değiĢtirmesiyle karar vermekte. (Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes 2008) (1/10) [(PÇY / t)/10] PÇK n+1 = PÇK n ( 1.5 – 1.5e + 1.5e ). ġekil 3.32. Zımba yer değiĢtirmesiyle pot çemberi kuvveti iliĢkisi Kaynak : Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes, An optimization strategy for the blank holder force in deep drawing, 2008 PÇK pot çemberi kuvvetini ifade ederken, PÇY ise pot çemberi yer değiĢtirmesini ifade etmekte, t ise sacın kalınlığını. Bu stratejinin uygulamasıyla optimum pot çemberi kuvvetiyle ĢekillendirilmiĢ parça kalınlık dağılımı ve incelmesi azalma eğiliminin sürekli pot çemberi kuvveti stratejisiyle kıyaslandığında arttığı görülmüĢtür. ġekil 3.33. de bu yöntemle çekilmiĢ parça kesitinde kalınlık dağılımı görülmektedir. Basit ve uygulaması kolay olan önerilen stratejiyle özellikle zımba radyüsü gibi kritik yerlerde kalınlık dağılımı sonuçlarında çok iyi sonuçlar vermektedir. ( Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes 2008 ) ġekil 3.33. Kesit boyunca kalınlık değiĢimi Kaynak : Padmanabhan, Oliveira, Alves, Menezes, An optimization strategy for the blank holder force in deep drawing, 2008 Pot çemberi kuvvet ( PÇK ) kontrolü kalıpçılık prosesinde önemli bir değiĢkendir. Konvansiyonel olarak nitrojen silindirleri, hidrolik / pnömatik silindirler kurs boyunca pot 45 çemberine sürekli kuvvet uygularlar. Bazı kalıp-pres üreticileri çok nokta kontrollü (ÇNK) tek tek programlanabilen hidrolik silindirler veya tijlerden oluĢan sistemler temin etmektedirler. Pres kursu boyunca her bir tijde kuvvetin çeĢitlendirilebiliyor olmasıyla malzemeyi diĢi boĢluğa doğru çekmek geliĢtirebilir. Bu Ģekillendirilen parçada kırıĢıklık ve yırtıkların önüne geçmeye yardımcı olur. ÇNK sisteminin uygulamalarında: PÇK bir kararlılık Ģartı ile uygulanır ve pres slaytından etkilenmez Uygun PÇK dağılımı parça geometrisine göre ayarlanır ġekillendirme kuvvetine bir hidrolik sistem uygulanır ġekil 3.34. de bu fonksiyonları sağlayan bir pres görülmekte. Bu preste slaytın alt ölü nokta (AÖN) pozisyonu mekanik stoperlerle tanımlıdır. Bir ÇNK ünitesi pres tablasının üstünde bulunan kısa kurs silindirlerinden meydana gelmektedir. Çoklu Ģekillendirme elemanları veya zımbalar pres tablasında ayarlanabilir Ģekilde konumlandırılmıĢtır. ġekil 3.34. Slaytın alt ölü noktasında pozisyonu mekanik stoperlerle tanımlanan bir ÇNK üniteli pres tablası Kaynak : Yadav, Multipoint-control die cushion systems for stamping complex parts, 2006 ġekil 3.35. ÇNK ünitesi kullanan benzer bir pres konseptini göstermektedir. Bunun farkı açınım sacı çevresine tek tek PÇK kontrolüne izin vermesidir. Açınımın alt kalıp üzerine konmasından sonra pres slaytı AÖN kadar hareket eder. Kalıp pot çemberi silindirlerini kullanıp kapanarak tüm sac yüzeyi üzerinde tek bir pot çemberi kuvveti uygular. Ġkincil bir hidrolik ortam form alanları yakınlarında kritik alanlarda metalin akıĢını kesin kontrol etmek için PÇK 46 belirli bir noktaya uygular. Parça daha sonra zımba veya form elemanının yukarı doğru hareketiyle Ģekillendirilir. ( Yadav 2006 ) ġekil 3.35. ÇNK ünitesi kullanan benzer bir pres konseptini Kaynak : Yadav, Multipoint-control die cushion systems for stamping complex parts, 2006 3.5.2.2. Pot Çemberi Kuvveti Çalışma - Şekillendirme Penceresi Sac metal parçaların kalıpçılıkta Ģekillendirmesini ifade etmek için kullanılan popüler araç form verme limit diyagramıdır (FLD). Burada major ve minör uzama dağılımı X ve Y eksenli koordinat sisteminde gösterilir. Koordinat sisteminde uzaması hatalı bölgede olan bir eleman, kalıplandığında parçada o bölgede yırtık oluĢur. ġekil 3.36. PÇK çalıĢma penceresi Kaynak : Zhong-qin, Wu-rong, Guan-long, A new strategy to optimize variable blank holder force towards improving the forming limits of aluminum sheet metal forming 2007 47 FLD diyagramının hatalı ve güvenli bölgelerinin genel kavramını kullanarak Ģekil 3.36 PÇK çalıĢma penceresi, Ģekil 3.37 de PÇK Ģekillendirme penceresi olarak tanımlanabilir. PÇK Ģekillendirme penceresinin X ve Y koordinat eksen sistemi zımba kursu ve PÇK ifade etmekte. KırıĢıklık bölgesi zımba kursu aynı iken PÇK kalıpta yeterinden az uygulanmasında parçada kırıĢıklık olacağını gösterir. Yırtık bölgesi zımba kursu aynı iken PÇK kalıpta yeterinden fazla uygulanmasında parçada yırtık olacaktır. Her malzemenin belli bir form verme limiti vardır, hiç biri daha fazla çekilemez, DeğiĢkenli PÇK kullanılsa da kullanılmasa da parça belli bir çekme oranından sonra yırtılacaktır. ġekil 3.36 da gösterilen PÇK çalıĢma penceresi ile Ģekil 3.37 de l ile gösterilen PÇK Ģekillendirme penceresi ortak noktaya sahiptir. Bu kesiĢim noktası form verme limitinde bu malzemenin maksimum çekme yüksekliğini göstermektedir. ġekil 3.37. PÇK Ģekillendirme penceresi Kaynak : Zhong-qin, Wu-rong, Guan-long, A new strategy to optimize variable blank holder force towards improving the forming limits of aluminum sheet metal forming 2007 PÇK Ģekillendirme penceresi Ģekil 3.38 de gösterildiği gibi PÇK yırtık, PÇK kırıĢıklık ve kesiĢim noktası olarak üç kombinasyona sahiptir. ġekil A da parça kırıĢıklık ve yırtık olmadan PÇK güvenli bölgede seçilmesiyle sürekli PÇK ile düzgün bir tasarımla birlikte PÇK Ģekillendirme penceresinde elde edilebilir. Bu malzemenin çekme limiti parça için gerekli çekme yüksekliğinden fazladır. ġekil 3.38. a da kırmızı ile kesik kesik gösterilen çizgi sürekli PÇK olarak tanımlanır. Uygunsuz sürekli PÇK yırtık veya kırıĢıklık Ģeklinde istenilen çekme yüksekliğine ulaĢılamadan ortaya çıkacaktır. B de ise bu malzemenin çekme limiti hala daha bir miktar istenilen parça çekme yüksekliğinden fazla fakat sürekli PÇK yırtık veya kırıĢıklık yapacağından parça sürekli PÇK altında elde edilemeyecektir. Parça sadece değiĢken PÇK altında elde edilebilmektedir. ġekil 3.38 B de kırmızı ile kesik kesik gösterilen çizgi sürekli PÇK altında yırtıksız ve kırıĢıksız çekme limitini vermekte. Diğer sürekli PÇK kırıĢık ve/veya 48 yırtığa neden olurken yeterli çekme yüksekliğine ulaĢılır. C de bu malzemenin çekme limiti istenen parçanın gerekli çekme yüksekliğinden daha az. ġekil 3.38 c de maksimum çekme yüksekliği sürekli veya değiĢken PÇK altında aynı, kesiĢim noktasında. Çekme yüksekliği olarak bilinen geometri bu değiĢken PÇK bile istenilen çekme yüksekliğini sağlayamayacağı anlamına geliyor. Bu durumlarda parça geometrisi revize edilir veya sac malzeme daha iyi Ģekillendirilebilen baĢka malzemeyle yer değiĢtirilir. Buna karĢılık belli olmayan yüksekliğiyle yeni bir tasarım için kesiĢim noktası optimum değiĢkenli PÇK altında mümkün maksimum çekme limitini ifade eder. ( Zhong-qin, Wu-rong, Guan-long 2007 ) ġekil 3.38. PÇK Ģekillendirme penceresinin 3 temel türü Kaynak : Zhong-qin, Wu-rong, Guan-long, A new strategy to optimize variable blank holder force towards improving the forming limits of aluminum sheet metal forming 2007 3.5.3. Ilık Şekillendirme Ilık Ģekillendirme (ġekil 3.39.) malzemenin sıcak ile soğuk Ģekillendirme arasında belli bir ısıda Ģekillendirilmesine verilen isimdir. Normalde, sıcak Ģekillendirme malzemenin erime sıcaklığının hemen altında iken soğuk Ģekillendirme ise oda sıcaklığındadır. Ilık Ģekillendirme ise sıcak Ģekillendirmeye oranla daha az enerji, yalıtım, teknoloji ve lojistik gerektirmektedir ve bu nedenle Ģekillendirilmesi zor olan parçalar için etkileyici bir süreçtir. (Thomas, Altan, Kaya 2003) Ilık Ģekillendirme, aluminyumun Ģekillendirilebilirliğini arttırabilmek adına geliĢtirilmiĢ bir metottur. Hafif ağırlıklı malzemelerin ılık Ģekillendirilme ilgisi, yüzde 6 oranında ◦ magnezyum içeren alüminyumun yaklaĢık 250C derecede toplam yüzde 300 e kadar toplam uzama verebildiğinin keĢfedilmesiyle 1970'lerde baĢladı. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) Aluminyum sac malzemenin sıcaklığının artıĢıyla, Ģekillendirmede birçok avantaj sağlanabilir. ġekil 3.40. da gösterildiği gibi ısı arttığında malzemenin akıĢ gerilimi azalma eğilimi gösterir. Bundan dolayı, form verme yüklemesi de azalır. Ġleri araĢtırmalar, malzeme 49 sıcaklığındaki artıĢ eğiliminin uzama oranı sertleĢtirmesinde artıĢa, luderingde azalma ve Ģekillendirme limit eğrisinde artıĢa neden olduğunu göstermektedir. Malzemenin Ģekillendirilebilmesindeki bu artıĢ, derin formlarda veya karıĢık geometrilerde kullanıĢlı olabilir. Ilık Ģekillendirme, ekipman yatırımı gerektirmektedir. Kalıplamayı sağlamak için, gelen malzemeyi ısıtmak amaçlı bir fırın veya ısıtıcı çekirdekler gerekmektedir. Kalıp ısısını verimli biçimde koruyabilmek adına yalıtım da kullanılmalıdır. ( Thomas, Altan, Kaya 2003 ) ġekil 3.39. Ilık Ģekillendirme kalıp sistematiği Kaynak : Erdin, Aykul, Tunalıoğlu, Forming of high strength / low formability metal sheets at elevated temperatures 2005 Isıtma süreci için iki farklı metot vardır. Konvansiyonel metotta, malzeme fırında ısıtılır ve ısıtma süreci sonrası prese aktarılır. Bu metotla, homojen bir ısıtma ortamı sağlanmalıdır, fakat aktarım sırasında ısı kaybı oluĢacaktır. Ġkinci metot, kalıbın ve sacın elektrikle ısıtılmasıyla gerçekleĢir. Bu metot lokal ısıtıcılarla gerçekleĢtirilebilir. Isıdaki değiĢimin uygulaması, derin çekme prosesine yardımcı bir parametredir. ġekil 3.39. lokal ısıtmayı mümkün kılan bir yapıyı göstermektedir. ( Erdin, Aykul, Tunalıoğlu 2005 ) ◦ Aluminyumun ılık Ģekillendirilmesinde, diĢi ve pot çemberi genellikle 200 ile 300 C arasında ısıtılır. Birçok araĢtırma 5xxx ve 6xxx serilerinde ılık Ģekillendirme kullanıldığında Ģekillendirilebilirliklerinin büyük oranda arttığını göstermektedir. (http://www.thefabricator.com 2009) Derin çekme sürecinde, oldukça karmaĢık olan mekanik deformasyon ısı ve uzama oranının etkisiyle daha da karıĢık bir hal almaktadır. Derin çekmede yükseltilen ısıda, genelde diĢi ve pot çemberi ısıtılır, bununla birlikte erkek soğutulur. Sac, soğuk erkeğe ilk değdiğinde, ısısı azalır ve sacın erkeğe temas eden kısmı, sacın geri kalan kısmına göre daha soğuk olur. Bu 50 Ģu anlama gelir, sac zımba köĢelerinde daha fazla gerilime dayanır ve daha az uzama olacaktır. Deformasyon devam ederken, erkekle temas eden çekilmiĢ kabın bir kısmı soğumaya devam eder. Bununla birlikte, ısıtılmıĢ kalıbın altındaki sac daha yüksek ısıya sahiptir ve bu da malzemenin kolayca akmasına yardım eder. ( Kaya 2008 ) ġekil 3.40. Malzeme ısısı ile uzama oranının akıĢ gerilimine etkisi Kaynak : Thomas, Altan, Kaya, Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing 2003 DiĢi ve pot çemberi, kalıp içerisine yerleĢtirilmiĢ elektrik ısıtma çubukları vasıtasıyla ısıtılır. Malzeme akıĢını kontrol etmede, diĢi köĢeleri önem arz ettiğinden kalıbın diĢi köĢelerine kadar ısıtma gerekmektedir. Birçok durumda kalıbın tamamını ısıtmak gerekmemektedir. Düz kısımlar, su veya yağ yardımıyla soğutulabilir. Bu süzme çubuğuna benzer etki yapar ve malzeme akıĢını azaltır. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) Birçok araĢtırma aluminyum alaĢımlarını, ılık Ģekillendirilmeye yönlendirmektedir. ◦ ◦ ◦ ◦ Örneğin, aluminyum alaĢımından (5754-O), oda sıcaklığında (20 C ), 100C , 175 C , 250 C çekilmiĢ dikdörtgen konik bir kap davranıĢları Bolt tarafından deneysel olarak analiz edilmiĢtir. Maksimum kap yüksekliği, sürtünme olmadan sağlanmıĢ ve bu Ģekilde karĢılaĢtırılmıĢtır. Bu ◦ ◦ ◦ kapların yükseklikleri; 35mm, 38 mm, 38mm ve 60mm sırasıyla 20 C derece, 100 C , 175 C ◦ ve 250 C ısıları içindir. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) ġekil 3.41.a ve 3.41.b ulaĢılabilen 35mm ve 60mm kap yüksekliklerini sırasıyla oda ◦ ◦ ◦ ◦ sıcaklığı 20 C ve 250 C göstermektedir. Bu çalıĢmanın sonucunda, 20 C ve 175 C kap ◦ yüksekliklerinin sadece 3mm arttığını göstermektedir. Bununla birlikte, 250 C , kap yüksekliği büyük bir artıĢ göstererek 60 mm ye çıkmıĢtır. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) 51 Dikdörtgen konik kabın ılık Ģekillendirmesinde, kap duvarı erkeğin üzerinden sacın gerilmesiyle ve flanĢın diĢi ile pot arasında kısmen çekilmesiyle form verilmektedir. Isıtılmadan dolayı flanĢın yumuĢaması, daha fazla malzemenin diĢi boĢluğuna yırtılma veya kırıĢma olmadan çekilmesine izin verir. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) ġekil 3.41. a) Dikdortgen kap yüksekliği 20-100-175 C◦ sadece 3mm artmakta. b) 250 C◦ kap yüksekliği 60mm ye kadar artmakta Kaynak : ( http://www.thefabricator.com 2009 ) Al ve Mg alaĢımlarının ılık Ģekillendirilebilmesinde, mantıklı bir Ar-Ge stratejisi geliĢtirebilmek ve araĢtırma öncelikleri belirlemek için, ılık Ģekillendirme prosesinin bir sistem olduğu dikkate alınmalıdır. Gelen malzeme Ģekli ve özellikleri, Ģekillendirme ısısı, ara yüz Ģartı (sürtünme ve ısı transferi), kalıp ısısı, Ģekillendirme hızı (veya uzama oranı) ve Ģekillendirme ekipmanları, son ürünün Ģekli ve özelliklerinde prosesin ekonomikliği gibi etki etmektedir. Temel anlayıĢ, sistemin, girdi ve çıktı değiĢkenleri arasındaki iliĢkinin sağlam, verimli ve ekonomik bir üretim prosesi geliĢtirilmesi gerekliliğidir. Böylece, sac-metaller için ılık Ģekillendirme prosesinin geliĢtirilmesinde gerekli olan Ģu kritiklikler dikkate alınmalıdır: ( Kaya 2008 ) a) Yükseltilen ısıda, Mg ve Al alaĢım sacının malzeme akıĢ davranıĢı, b) kalıp ve açınım sacında yağlama sisteminin arayüzü, c) ısı kontrolüyle kalıp tasarımı ve d) ılık Ģekillendirme proses tasarımı, sonlu eleman metodu (SEM) kullanarak deney ve nümerik modelleme yapılır. ( Kaya 2008 ) 3.5.3.1. Magnezyumun Ilık Şekillendirilmesi Magnezyumda hafif ağırlıklı bir malzeme olarak otomotiv üretiminde potansiyele sahiptir. Magnezyum alaĢımlarının ılık Ģekillendirilmeleri, hali hazırda dünya üzerinde çeĢitli laboratuarlarda çalıĢılmaktadır. AraĢtırmalar, endüstriyel uygulamalarda magnezyum parçaların derin çekmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Fakat bu alaĢımın otomotiv endüstrisinde 52 daha geniĢ kabul görüp, kullanılabilmesi için Ģekillendirme teknolojisinin geliĢtirilmesi gerekmektedir. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) 3.5.3.2. İleri Geliştirme Gereksinimleri Aluminyum alaĢımlarının ılık Ģekillendirmesi, karmaĢık aluminyum sac ürünlerinin oda sıcaklığında ekstra Ģekillendirme ve birleĢtirme operasyonları olmaksızın çekilebilmesini mümkün kılmaktadır. Ilık Ģekillendirme kalıp maliyetinin, konvansiyonel kalıba göre daha yüksek olmasına karĢın, bu teknolojinin uygun maliyetli olacağı uygulamalar olacaktır. ( http://www.thefabricator.com 2009 ) 3.5.3.3. Servo Pres Ve Kinematiği Servo preslerin sunduğu en büyük avantaj esnek oluĢlarıdır. Bu esneklik tüm hızlarda baĢından sonuna kadar slaytın kursunu sonsuz sayıdaki yollarla hızını ve hareketini programlayabilmeye uygun olmasından gelir. Ilık Ģekillendirme derin çekme prosesinde, servo pres iĢ parçasının kalıpta soğutulmasına izin vermekte. Böyle olunca, sacın ısıtılması ve kalıba transferi ile ilgili gerekli olabilecek ekipmanların kullanılmasına gerek kalmamaktadır. Kaya yaptığı deneysel çalıĢmada Ģematiği Ģekil 3.42. de gösterilen 110 ton AIDA servo pres kullanmıĢtır. Bu tasarımın en önemli özelliği yüksek tork, düĢük RPM li servo motordur. Bu motor, direkt biyel koluna bağlanmakta ve ekstra bağlantı parçalarına gerek duyulmamaktadır. Bu tasarımda, torku artırmak için volan, kavrama ve sürücü motoru mekanizmalarına gerek duyulmamaktadır. Biyel kolu eksantrik sürücü mekanizmasına bağlı ve bu ana diĢlideki sürücüyü hareket ettirmektedir. Eksantrik sürücü mekanizması, üst koçun hareket etmesini sağlamakta. Bir kapasitor stroğun çalıĢmadığı bölümünde enerjiyi depolamakta bu da standart mekanik preslerle kıyaslandığında enerji tüketiminin azaltılmasına yardımcı olmakta. Pres, pot çemberi kuvveti (PÇK) sağlayabilmek için hava ile çalıĢtırılan pot tutma sistemlidir. ( Kaya 2008 ) 53 ġekil 3.42. AIDA servo mekanik pres mekanizmaları Kaynak : Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 3.5.3.4. Kalıp Tasarımı ġekil 3.43. Kaya’nın kullandığı ılık Ģekillendirme kalıbının Ģematiğini, Ģekil 3.44. de tasarlanmıĢ kalıp setli operasyonu göstermekte. Önerilen ardıĢık proseste, ilk olarak açınım sacı pot çemberinin üzerine konur. ġekil 3.43. Ilık Ģekillendirme kalıbı Ģematik görünüĢü ve ölçülendirilmesi (ölçüler mm) Kaynak: Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 54 Üst koç saca değip, sacı sıkıĢtırana kadar aĢağıya doğru hareket eder. Bu sıkıĢtırma zamanında sac, gerekli sıcaklığa ısıtılmıĢ diĢi kalıp ve pot çemberi vasıtasıyla ısıtılır. SıkıĢtırma periyodundan sonra, üst koç aĢağıya erkek zımbaya doğru iner ve sac Ģekillendirilir. Servo motorlu pres ilk olarak süratlice saca dokunmayı, istenilen sürede sıkıĢtırma yapmayı ve son olarak sacı istenilen süratte Ģekillendirebilmeyi programlamak gibi bir çok kolaylık sağlar. ġekil 3.45. de gösterildiği gibi kurs ve zaman profilli ılık derin çekme prosesi kullanılabilir. DiĢi kalıp ◦ ve pot çemberi kartuĢlu ısıtıcılarla ( 310 C dereceye kadar ) ısıtılırken, erkek zımba oda ◦ sıcaklığında içerisinde dolaĢan su ile ( 65 C dereceye kadar ) soğutulur. DiĢi kalıp ve pot çemberi ısısı ölçülür ve kontrol edilir. Cam fiber yalıtıcı üst ve altta kalıp plakasıyla diĢi tutucu göbek arasında konumlanır. Kalıp seti, proses süresince koçtaki ve zımbadaki kuvvet yer değiĢikliklerini yer değiĢtirme transformatörüyle ölçmektedir. ġekil 3.46. ve 3.47. kalıbı servo preste ısı kontrolörü ve zımba soğutma ünitesiyle ayrı ayrı göstermekte. ( Kaya 2008 ) ġekil 3.44. Kalıpta ılık Ģekillendirme süreci ġekil 3.45. Servo pres koç hareketi (ÜÖN:Üst Ölü Nokta, AÖN:Alt Ölü Nokta) Kaynak : Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 55 ġekil 3.46. Aida servo preste ılık Ģekillendirme kalıbının görünüĢü Kaynak : Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 ġekil 3.47. 110 ton Aida servo pres Kaynak : Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 56 3.5.3.5. Yağlayıcılar Kalıp ve saçtaki ısı transferine, kalıbın veya sacın yüzey pürüzlülüğü, yağlayıcı ve basınç miktarları etki ettiği bilinmektedir. Ilık Ģekillendirmede yağlayıcı soğuk Ģekillendirmeye oranla Al. ve Mg. alaĢımlarında daha önemli olmaktadır. Yağlayıcı performansında en çok ◦ Ģekillendirme ısısı belirleyicidir. Genelde 120 C kadar metallerin ılık Ģekillendirilmesinde yağ, ◦ gres yağı, sabun ve vaks kullanılır. Sabun çözümü 230 C ısıya kadar kabul edilebilir. ◦ ġekillendirme ısısı 230 C aĢtığında yağlayıcı seçimi molibden disülfür, grafitin koloidal çözümü ve teflon ile sınırlı olmakta. Bu yağlayıcılar korozyonu engellemek için Mg parçalardan ◦ olabildiğince çabuk temizlenmelidir. Bununla birlikte metallerin ( 300 C kadar ) ılık Ģekillendirilmesinde kullanılmak üzere sınırlı sayıda yağlayıcı mevcuttur. Böyle olunca, bu yağlayıcıların Al. ve Mg. alaĢımlı sacların Ģekillendirilmesindeki performanslarının incelenmesi büyük önem taĢımaktadır. ( Kaya 2008 ) Tatmin edici bir yağlamanın aĢağıdaki ölçütleri karĢılaması beklenmektedir: Sürtünmeyi azaltma için iyi yağlama Operasyon ısısının istikrarı ( dumansız ve sigarasız bir ortam ) Zehirsiz olması Ġyi yapıĢma Uygulamasının rahatlığı UzaklaĢtırmasının rahatlığı DüĢük maliyet ( http://www.thefabricator.com 2009 ) 3.5.3.6. Açınım Sacının Isıtılması Sıcak Ģekillendirmede, ısı transferi ara yüz basıncından etkilenmektedir. Yeterli sıkıĢtırma basınç zamanını ve ara yüz basıncının ısıdaki artıĢa etkisini belirlemek için yapılacak deneylerde kullanmak üzere Kaya bir alüminyum fikstür tasarımı yaptı. Fikstürün dıĢından ortasına doğru her biri 2 mm çapında olan 4 delik delindi. Bu deliklerin derinlikleri 20, 25, 30 ve 40 mm olarak tasarlandı. Fikstürün üst görünüĢü Ģekil 3.48. de görülmekte. 40mm derinliğindeki delikler fikstürün merkezine denk gelmekte. Bu tür deneylerde yaĢanılan zorluklardan biride sacın ısıtılmıĢ üst ve alt kalıba aynı anda temas etmesi olmakta. Bunu en aza indirebilmek adına, servo pres 1 ve 3 noktalarında en yüksek sürati yapmaya programlandı 57 (Ģekil 3.45.). Böyle olunca, sac/fikstür alt kalıba konumlandırıldı. YaklaĢık bir saniye sonra üst ve alt kalıp sıkıĢtırma baĢlamadan önce birbirlerine temas etmekte. Fikstürün merkezinde ısıyı ölçebilmek adına 40 mm derinliğindeki deliğe E tipi termokuple konulmakta. ġekil 3.49. bunun Ģematiğini göstermekte. ġekil 3.48. Fikstürün üst görünüĢü ġekil 3.49. Deneyin Ģematik görünüĢü Kaynak : Kaya, Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, 2008 3.5.4. Sac Hidro Şekillendirme Basınçlı ortam kullanarak sac-metal Ģekillendirme, sac hidro Ģekillendirme olarak adlandırılmaktadır. ( Yadav 2008 ) Saç hidro Ģekillendirme yüksek çekme oranı, iyi parça yüzeyi gibi birçok avantaja sahiptir. Bununla birlikte, aluminyum alaĢımlar, yüksek mukavemetli çelik, paslanmaz çelik ve titanyum alaĢımlar gibi çok yönlü ve muhtelif malzemelerde düĢük hacimlerde uygulanabilir. ( Lang, Zhou, Kristensen, Danckert, Nielsen 2006 ) Sac hidro Ģekillendirme yöntemi, konvansiyonel kalıpçılığın aksine, Ģekillendirme süreci esnasında basınçlandırılmıĢ viskoz sıvı yatağından sacın alt kısmında desteklenmesini gerektirir. Bu dıĢ destek, kalınlıkta sıkıĢtırılan gerilimle çekme dengesizliklerinde Ģekillendirmedeki kırıĢıklığı azaltmada veya yırtılmaları engellemekte kullanılır. (Abedrabbo, Zampaloni, Pourboghrat 2005) Sac hidro Ģekillendirme zımba ile sac hidro Ģekillendirme ( SHġ-Z ) ve diĢi ile sac hidro Ģekillendirme ( SHġ-D ) Ģeklinde iki ana kategoriye ( ġekil 3.50. ) ayrılır. SHġ-Z, ― Hidro mekanik derin çekme ‖ ( HMÇ ) ile eĢ anlamlıdır. Benzer Ģekilde SHġ-D de ― Yüksek basınçla 58 sac hidro Ģekillendirme ‖ ile eĢ anlamlıdır. SHġ-D daha sonra Ģekillendirme prosesinde kullanılan açınım sacının tek ve çift olmasına göre tekli veya çiftli hidro Ģekillendirme Ģeklinde kategorize edilir. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.50. Sıvı ortamı kullanılarak Ģekillendirmenin sınıflandırması Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 3.5.4.1. Oda Sıcaklığında Sac Hidro Şekillendirme Sistemi SHġ-Z ve SHġ-D prosesinin sac hidro Ģekillendirme sisteminde ( Ģekil 3.51. ) baĢarılı bir Ģekilde uygulanabilmesi için dikkat edilmesi gerekli tüm sistem bileĢenleri aĢağıda verilmektedir: ġekil 3.51. Sac hidro Ģekillendirme sisteminin elemanları Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 ( a ) Gelen sacın kalitesi ( b ) Kalıp – iĢ parçası ara yüz kısımları ( sürtünme ve yağlama ) 59 ( c ) Pot çemberi kuvvetinin ( PÇK ) etkin uygulanması ve sızdırmayı engellemek için kalıp tasarımı ( d ) Ġç akıĢkan basıncı ile PÇK arasındaki iliĢki ( e ) Pres ve kalıp ( f ) Hidro ĢekillendirilmiĢ parçanın ölçüselliği ve özelliği ( Yadav 2008 ) 3.5.4.2. Zımba İle Sac Hidro Şekillendirme ( SHŞ-Z ) Zımba ile sac hidro Ģekillendirmede ( SHġ-Z ) normal kalıptan farklı olarak alttaki diĢi yerine basınç kontrollü bir göbek ( ġekil 3.52. ) vardır. SHġ-Z prosesinde sac-metal, akıĢkan basıncı yardımıyla zımba yüzeyine doğru sıkıĢtırılır ve böylece konvansiyonel kalıpçılığa oranla daha yüksek çekilebilirlik göstermektedir. Zımba yüzeyi ile sac arasındaki sürtünmede, sac zımba yüzeyiyle öpüĢür ve bu da daha yüksek çekilebilirlikle birlikte düzgün bir duvar kalınlığı elde edilmesini sağlar. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.52. Zımba ile sac hidro Ģekillendirme prosesinin Ģematiği Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components 2007 ġekil 3.53. yarıküresel bir kabın derin çekmesinde kullanılan SHġ-Z Ģematiğini göstermektedir. Prosesin baĢlangıcında, açınım sacı kalıbın üzerine konur, Ģekil 3.53. (1) . pot çemberi kapatılır ve pot çemberi ile diĢi kalıp arasındaki ayarlanmıĢ boĢluk ( örnek 4 mm ) ayarlanmıĢ olur Ģekil 3.53. (2). Daha sonra sıvı alt odadan enjekte edilir ( zımbanın karĢısından ) basıncı artırılır. Sıvı basıncı artarken, sac yükselir ve pot çemberi karĢısındaki klempler kapanarak üst kalıp odasına çıkmasını engeller. ġekil 3.53. de gösterildiği gibi kama kanalları basınçlı akıĢkan sıvının sistemin içerisinde kalmasını sağlar. Zımba aĢağıya doğru harekete baĢlar, sac diĢi boĢluğuna doğru itilir Ģekil 3.53. (3). Bu süreç boyunca, zımba yer değiĢtirirken diĢi boĢluğunda istenilen profilin elde edilebilmesi için bir regülatör akıĢkan basıncını kontrol 60 eder. Optimum akıĢkan basıncı ile zımba kursu parçanın kırıĢmadan ve yırtılmadan rahatça üretilmesini sağlar. Daha sonra zımbanın istenilen boĢluğa çıkması ve akıĢkanın çekilmesinden sonra ĢekillendirilmiĢ parça kalıptan alınır Ģekil 3.53. (4). (Abedrabbo, Zampaloni, Pourboghrat 2005) ġekil 3.53. Bir yarıküresel zımba ile sac hidro Ģekillendirme süre Ģematiği Kaynak : Abedrabbo, Zampaloni, Pourboghrat, Wrinkling control in aluminum sheet hydroforming, 2005 SHġ-Z prosesi, düĢük çevrim zamanına karĢın, düĢük Ģekillendirilebilirlikli hafif ağırlıklı malzemelerin Ģekillendirilmesinde dikkat çekici bir yöntem olmaktadır. Ayrıca, diĢi 61 kalıba gerek duyulmadığından kalıp maliyetinde de azalma olmaktadır. Bu yüzden SHġ-Z prosesi, otomotiv gövde panellerinin üretiminde göz önünde tutulmaktadır. Örneğin, General Motors, Japon Amino firmasının yardımıyla SHġ-Z prosesini kullanarak Pontiac Solstice modelinin gövde panellerinin üretimini yapmakta. ( Yadav 2008 ) Hafif ağırlıklı yapılar ve çok yönlü üretimlerden dolayı, hidro-mekanik derin çekmeye otomotiv, uzay, havacılık gibi endüstrilerin üretim alanlarında artan bir ilgi duyulmakta. Konvansiyonel sac Ģekillendirme teknolojileriyle karĢılaĢtırıldığında hidro-mekanik derin çekme yüksek çekme oranı, ĢekillendirilmiĢ parçaların iyi yüzeyi, yüksek ölçüsel hassaslık gibi bir çok avantaja sahiptir. ġekillendirme prosesi Ģekil 3.54. de gösterilmektedir. Önce, sac kalıbın üzerine konulur, kalıbın diĢi kısmı yağ ile doldurulur. Daha sonra klemp kuvveti pot çemberine yüklenir ve böylece akıĢkan basıncı diĢi ile pot çemberi arasına sıkıĢır. Zımba aĢağıya inmeden önce, ön ĢiĢme gerçekleĢir. Zımba aĢağıya inerken diĢi boĢluğundaki yağ basıncı arttırılır ve sac, zımba yüzeyi arasına sıkıca konur. Bu metotla, bazı komplike yapılar ve bazı zayıf Ģekillendirilebilen aluminyum alaĢımlı malzemeler gibi Ģekillendirilir. (Lang, Li, Dongyang, Cailou, Danckert, Nielsen 2009) ġekil 3.54. Hidro mekanik derin çekme süreci Ģematiği Kaynak : Lang, Li, Dongyang, Cailou, Danckert, Nielsen, Investigation into hydromechanical deep drawing of aluminum alloy— Complicated components in aircraft manufacturing, 2009 3.5.4.3. Dişi İle Sac Hidro Şekillendirme ( SHŞ-D ) SHġ-D yönteminde sac, Ģekil 3.55 a da gösterildiği gibi akıĢkanın hidrolik basıncı yardımıyla diĢinin karĢısında Ģekillendirilir. ġekillendirme sürecinde, ara plaka flanĢ kısımlarında malzeme akıĢını kontrol etmek için pot çemberi gibi rol oynar ve ortamdaki akıĢkanın sızmasını engeller. SHġ-D yönteminde form verme operasyonu iki bölüme (ġekil 3.55 b) ayrılabilir. ( Yadav 2008 ) 62 Bölüm I , serbest form vermeyi içerir. Burada sac; diĢi ile temasa baĢlayana kadar diĢi boĢluğunda serbestçe ĢiĢer. Bölüm II , sacın diĢi boĢluğu karĢısında istenilen Ģekli almasını içerir. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.55 a) DiĢi ile sac hidro Ģekillendirme prosesinin Ģematiği , b) Form verme operasyonu Kaynak : Palaniswamy, Yadav, Kaya, Altan, New technologies to form light weight automotive components 2007 3.5.4.4. Sac Hidro Şekillendirme Avantajları Ve Dezavantajları Avantajları (1) Daha iyi Ģekillendirilebilirlik - SHġ-Z yönteminde, akıĢkan basıncı sac-metalde yüksek sürtünme kuvveti gösterir. Zımba sac malzemeyle temas ettikten sonra gerilmesinin önüne geçer. Bununla birlikte, normal kalıpçılıkla kıyaslandığında sac-metal kabın duvarları SHġ-Z daki gibi uzama göstermez, düzgün duvar kalınlıkları ve daha yüksek çekme oranı verir. - SHġ-Z prosesinde sacın serbest ĢiĢmesi düzgün bir uzama dağılımı gösterir. Buna karĢın, konvansiyonel kalıpçılıkta zımba köĢe radyüslerinde sacın deformasyonu fazla olmakta. Dolayısıyla, SHġ-Z yöntemi malzemenin Ģekillendirilmesinde etkin olarak kullanılmaktadır. SHġ-D otomotiv yüksek mukavemetli ve Al. alaĢımlı düĢük Ģekillendirilebilirliğe sahip parçalarının üretiminde uygun bir alternatif olabilir. (2) GeliĢtirilmiĢ çökme direnci - SHġ-D prosesinde germe esnasında malzemede pekleĢme artar ve bu da normal kalıplanan parçaya oranla hidro ĢekillendirilmiĢ parçada çökme direncini geliĢtirir. (3) DüĢük kalıp maliyeti - Zımba veya diĢinin olmamasından dolayı yapım süresi kısalır ve kalıp maliyeti azalır. (4) Daha iyi yüzey kalitesi 63 - Sac hidro Ģekillendirmede uygulanan göbek basıncıyla yan duvarlarda kırıĢıklık olmamaktadır ve bu da daha iyi yüzey kalitesi elde etmeye yardımcı olmaktadır. Bu Ģekilde otomotiv gövde panellerinin tasarımlarında kolaylık sağlamaktadır. (5) Az Ģekillendirme operasyonları - Konvansiyonel kalıpçılıkla kıyaslandığında komplike Ģekiller ve özelliklerde bulunan az Ģekil verme iĢlemleri yapılabilmekte ve bu da üretim maliyetlerini azaltmaktadır. SHġ-Z prosesi konvansiyonel kalıpçılıkla da birleĢtirilebilip, operasyon sayıları azaltılabilir. (6) DüĢük üretim adetleri için ekonomiklik - SHġ-Z prosesi Ģimdilerde revaçta olan artan rekabetçilikte kısa ömürlü, düĢük üretim adetlerine sahip üretimler için ekonomik olmaktadır. (7) Yüksek ölçüsel hassaslık (basit simetrik geometriler) - DıĢ panel sacları akıĢkanla temas ettiğinden daha az kalıp izi oluĢacağından daha iyi yüzey kalitesi sağlanacaktır. ( Yadav 2008 ) Dezavantajları (1) Yüksek çevrim zamanları (2) Yüksek üst koç baskısı gerekmektedir / Yüksek pres maliyeti - SHġ-Z yöntemini konvansiyonel kalıpçılıkla kıyaslandığımızda yeterli baskıyı sağlayabilmek için daha yüksek kapasiteli preslere ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla, SHġ-Z presleri pahalı olmakta ve daha yüksek sermaye yatırımı gerektirmektedir. Parça geometrisine, üretim miktarlarına bağlı olarak daha yüksek pres maliyetleri ortaya çıkmakta ve bu da düĢük kalıp maliyetiyle dengelenememektedir. - SHġ-D yönteminde, parçadaki keskin köĢeleri Ģekillendirebilmek için yüksek basınçlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu basınç, sac malzemenin kalınlığına ve kalıbın en küçük köĢe radyüsüne bağlı olmaktadır. (3) Kompleks geometrilerde düĢük ölçüsel hassaslık ( Yadav 2008 ) 3.5.4.5. Sac Hidro Şekillendirme – Süreç Çeşitlilikleri Esnek Şekillendirme Sac-metallerin esnek Ģekillendirme ( ġekil 3.56. ) süreci akıĢkan yardımıyla yapılmaktadır. Zımba yerine pres koçunda yağ ve esnek kauçuk diyafram vardır. Açınım kalıbın 64 üzerinde durur. Hidro Ģekillendirme ünitesi sacı diĢi boĢluğa iter. Yağ ve diyafram formu sarar sacı diĢi boĢluğunun üzerinde tutar. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.56. a) Esnek sistemin elemanları b) BaĢlangıç d) Esnek Ģekillendirme süreci Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 Bu yöntem ilk olarak ASEA tarafından geliĢtirilmiĢtir. Kauçuk diyaframın esnekliğiyle negatifte kalan, keskin hatlar ve hatta farklı kalınlıklar bile Ģekillendirilebilmektedir. Çift Açınımlı Hidro Şekillendirme / Paralel Plakalı Hidro Şekillendirme Ġki düz veya ön ĢekillendirilmiĢ farklı kalınlıklarda olabilen saçların, farklı Ģekilde kaynaklı veya kaynaksız sacların açınımları paralel plakalı hidro Ģekillendirme süreci için bir girdi oluĢturmaktadır. Saclar, açınımın kenarlarında ve basınç ortamında özel bir kenetleme mekanizması kullanılarak tutulur. Saclar, akıĢkan ( Ģekil 3.57. a ) yardımıyla üst ve alt kalıpların karĢısında istenilen Ģekle uygun olarak Ģekillendirilmektedir. ( Yadav 2008 ) Paralel plakalı sac hidro Ģekillendirme, farklı kesitlerde, uzunluklarda, büyük farklara sahip büyüme oranlarıyla karmaĢık geometrilerin Ģekillendirilmesinde boru hidro Ģekillendirme prosesine alternatif olmaktadır. ġekil 3.57. b-c paralel plakalı sac hidro Ģekillendirmeyle üretilen çeĢitli otomotiv parçalarını göstermektedir. Hem paralel plakalı hidro Ģekillendirmede hem de yüksek basınçlı sac hidro Ģekillendirmede sac-metal diĢiye akıĢkan yardımıyla itilerek Ģekillendirildiğinden birbirlerine alternatif olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, paralel plakalı sac hidro Ģekillendirmede iki 65 parça tek bir çevrim süresinde üretilebileceğinden üretimde artıĢ olur. Paralel plakalı hidro Ģekillendirme üst kalıp ile alt kalıbın farklı Ģekillerde olmasına izin verir. Ayrıca, iki farklı kalınlıkta ve kalitede malzemenin bir çevrimde üretilmesine izin vermektedir. Nispeten düĢük üretim miktarlarında paralel plakalı sac hidro Ģekillendirme, konvansiyonel kalıpçılıkla kıyaslandığında daha ekonomik olabilir. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.57. Çift açınımlı sac hidro Ģekillendirme ve çift açınımlı sac hidro Ģekillendirme yöntemiyle üretilmiĢ bazı otomotiv parçaları Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 Normal Kalıp Operasyonlarının SHŞ-Z Süreciyle Birleştirilmesi Bu ―aktif‖ SHġ-Z sürecinde dıĢarıdan bir pompa yardımıyla göbek basıncı sağlanmakta. SHġ-Z prosesinden önce ( bakınız Ģekil 3.58. a ) açınım sacı ilk olarak göbek basıncı yardımıyla yukarıya doğru ĢiĢme yapar. SHġ-Z sürecinden önce bu ön germe veya ön ĢiĢme plastik uzama sağlar ve yüksek çökme direncinde istenilen gerilmeyi oluĢturur. Ön ĢiĢme kırıĢma olmasını engeller ve düzgün kalınlık dağılımı oluĢmasını sağlar ve böylece çekme oranında artıĢ olur. ġekil 3.58. b, SHġ-Z prosesiyle, normal kalıplama birlikteliğinden kompleks parçaların Ģekillendirme operasyonlarının azaltıldığını göstermektedir. ( Yadav 2008 ) 66 ġekil 3.58. SHġ-Z yöntemini germe ve derin çekme kombinasyonuyla kullanarak kompleks parçaların daha az operasyonla Ģekillendirilmesi Kaynak: Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 Kauçuk Diyaframlı Şekillendirme Kauçuk diyaframlı Ģekillendirmede diĢi, tampon tutucu kauçuk tampon yardımıyla yer değiĢtirir. Tampon tutucu aĢağıya inerken kauçuk veya elastomer gelip zımba üzerinden sac / iĢ parçasına oturup öpüĢür. Deformasyona maruz kalan elastomer sac-metal üzerinde bir hidro statik basınç ortaya çıkarır ve zımbanın tam Ģeklini almasını sağlar. Kauçuk Ģekillendirme teknolojisi daha ziyade prototip ve küçük serili iĢlerin üretimleri için uygundur. Kauçuk tamponlu Ģekillendirme prosesi yanında Guerin prosesi ( Ģekil 3.59 a ) küçük üretim miktarlarına uygun en eski ve en basit yöntemdir. ( Yadav 2008 ) Marform prosesi, Guerin prosesini derin çekmede aynı ucuz kalıpları kullanmak üzere geliĢtirilmiĢtir. Guerin prosesiyle kıyaslandığında hidrolik uyarıcılı bir basınç kontrol valfli ( 30-70 MPa ) çelik bir pot çemberiyle desteklenmektedir. Kalıplar, hafif alaĢımlı dökümle, kauçuk tampondan sac-metalin 1.5 ile 2 katı daha kalın olarak yapılmakta. ġekil 3.59 b Marform prosesinin çift etkili aparatta hazırlanıĢını göstermektedir. Koç aĢağıya doğru iner, kauçuk tampon sac-metalde ve pot çemberinde bir baskı oluĢturur. ( Yadav 2008 ) 67 ġekil 3.59 Kauçuk – kalıp veya kauçuk Ģekillendirme prosesi a) Guerin prosesi, b) Marform prosesi Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 3.5.4.6. Sac Hidro Şekillendirme Presleri Zımba İle Sac Hidro Şekillendirme ( SHŞ-Z ) Presleri SHġ-Z yönteminde sayaç basıncına sahip yüksek koç kuvvetli hidrolik presler kullanılır. ġekil 3.60. Müller Weingarten tarafından tasarlanan kısa kurslu SHġ-Z 3500 ton kapasiteli ardıĢık operasyonlu presleri göstermektedir. ( Yadav 2008 ) Üst kalıp, düĢük basınçta yüksek hacimli hidrolik akıĢkan gerektiren, uzun kurslu silindirler vasıtasıyla yukarı aĢağı doğru hareket etmektedir. Koç, alt pozisyonda istenen noktada mekanik kilitlerle sabitlenir. Schnupp Hydraulik SHġ-Z prosesindeki prese yakın kısa kurs silindirli bir konsept ( Ģekil 3.61. ) yaptı. ArdıĢık operasyonlar Müler Weingarten presine ( Ģekil 3.60. ) benzerlik göstermekte. Bununla birlikte, kısa kurslu silindirler pres koçu yerine pres yastığına eklenmiĢtir. SHġ-Z prosesinin son adımında, koç mekanik kilitlerle ayarlanmaktadır.( Yadav 2008 ) 68 ġekil 3.60. Müller Weingarten ın kısa kurs silindiri kullanarak yaptığı ardıĢık operasyonlu SHġ-Z presi Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 Schuler SMG GmbH ve Co Ģirketi ―Aktif Hidro-Mekanik‖ adı verilen bir sac hidro Ģekillendirme prosesi geliĢtirdiler. Proses, SHġ-Z yönteminde olduğu gibi düz açınımın ön ĢiĢmesine izin veriyor. Bu proses, sacın Ģekillendirme esnasında artan uzama sertleĢmesine izin verir ve böylece otomobil gövde panellerinin çökme direncini artırır. Bir çift etkili pres kullanılmakta. Saçtaki ön ĢiĢmeyi sağlamak adına presin dıĢında bulunan hidrolik ünite yardımıyla basınç elde edilir. ( Yadav 2008 ) 69 ġekil 3.61. SHġ-Z kısa kurs presi Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 Dişi İle Sac Hidro Şekillendirme ( SHŞ-D ) Presleri DiĢi ile sac hidro Ģekillendirme ( SHġ-D ) presleri ve kalıpları boru hidro Ģekillendirme için tasarlanmıĢ, üretilmiĢ bir teknolojidir. Fakat SHġ-D yönteminde sacın ve pot çemberinin geniĢ alanını kilitleme mekanizması için daha yüksek kuvvet dikkate alınmalıdır. Dortmund Üniversitesi (LFU) Siempelkamp Pressen Systeme iĢbirliğiyle Ģekil 3.62. de görüldüğü gibi büyük otomotiv parçalarının SHġ-D ile üretimini sağlayacak 100MN lik pres yaptılar. ( Yadav 2008 ) ÇalıĢma ortamı iki adımda sağlanmakta. Ġlk adım 315 barlık yüksek akıĢ oranı sağlayan doldurma silindirlerinden oluĢmakta. Bu adım, çok miktarlardaki parçaları ön Ģekillendirmek için akıĢkanda nispeten düĢük baskılar gerektiğinde elveriĢli olmakta. Bununla birlikte, ikinci adımda parçanın final geometrisi kalibre edilir. ( Yadav 2008 ) 70 3.5.4.7. Kalıp Tasarımı Sac hidro Ģekillendirme kalıp tasarımı normal kalıp tasarımına yakındır. SHġ-Z yönteminde, göbek basınç plakası tüm parçalar için aynı kalırken, zımba ve pot çemberi parça Ģekline göre tasarlanır. SHġ-Z de göbek basınç plakası ve zımba yüksek göbek basıncına dayanabilecek Ģekilde tasarlanır. Göbek basıncında sızdırmazlığı sağlayabilmek için yalıtıma da dikkat edilmelidir. ( Yadav 2008 ) ġekil 3.62. LFU’daki yatay SHġ-D presi Ģematiği Kaynak : Yadav, Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, 2008 3.6. Sacları Birleştirme Yöntemleri Aluminyum birleĢtirilmesi çeliklerin birleĢtirilmesinde kullanılan süreçlerin bir çoğu ile yapılabilmektedir. Bu bölümde en çok kullanılan birleĢtirme yöntemleri olan; elektrik direnç punta kaynağı, büzdürme, perçinleme, kendinden delmeli perçinleme, zımbalı perçin teknolojisi, yapıĢtırarak birleĢtirme, kenar bükerek birleĢtirme konularına değinilecektir. 71 AlaĢımları birleĢtirme yöntemlerinin maliyet ve kalite ekseninde incelemesi Ģekil 3.63. de gösterilmektedir. ġekil 3.63. AlaĢım özellikleri ile yüzey iĢleme metotları arasındaki iliĢki Kaynak : Albu, Cirstoiu 2002 3.6.1. Punta Direnç Kaynağı Yöntemi Otomotiv sektörü, uzay ve uçak teknolojileri, çelik yapılar, çelik eĢya imalatı, hassas cihazların imalatı, elektroteknik, boru üretimi, makine sektörü gibi pek çok alanda kullanılan ince kesitli metal malzemelerin kaynağında yaĢanan sorunlar, farklı kaynak türlerinin geliĢimini sağlamıĢtır. Ġnce kesitli malzemeler yüksek ısı altında kaldıklarında kalıcı Ģekil bozukluklarına neden olur. Bu nedenle kaynaklama iĢleminin asgari ısıda ve en kısa sürede gerçekleĢtirme zorunluluğu ortaya çıkmaktadır. Kaynaklı bağlantıların hızlı bir Ģekilde en az deformasyonla gerçekleĢtirilmesi, ekonomik ve kaynak mukavemetinin yüksek olması istenilen yerlerde, elektrik direnç kaynağı ilk seçim olarak karĢımıza çıkmaktadır. (Mesleki eğitim ve öğretim sisteminin güçlendirilmesi projesi 2007) 72 Elektrik direnç kaynağı, metal parçalardan geçirilen elektrik akımına karĢı, bu parçaların gösterdiği dirençten oluĢan ısı yardımıyla yapılan birleĢtirmedir. Parçalar kısmi olarak ergitilerek kaynak için gerekli kaynak banyosu oluĢturulur. Kaynak banyosunun oluĢumundan itibaren elektrik akımı kesilerek iĢ parçalarına basınç uygulanır ve bu basınç altında soğuma gerçekleĢtirilerek sökülemeyen türden bir birleĢim sağlanmıĢ olur. Bu yöntemle yapılan kaynak iĢleminin genel adı elektrik direnç kaynağı olarak adlandırılır. (Mesleki eğitim ve öğretim sisteminin güçlendirilmesi projesi 2007) Elektrik direnç kaynağı yapılıĢ Ģekillerine ve sektörlerde en fazla kullanım alanlarına göre aĢağıdaki gibi sınıflandırılır. * Punta kaynağı * Kabartılı nokta kaynağı * DikiĢ kaynağı * Direnç alın kaynağı Punta kaynağı, direnç kaynağı türleri içerisinde en çok kullanılan türdür. Kaynatılacak parçalar iki bakır elektrot arasına alınır ve belirli bir baskı uygulanmasıyla elektrik akımının geçiĢi sağlanır. ġekil 3.64.’de, nokta kaynak makinesi temel bileĢenlerini ve kaynak bölgesi kesiti verilmiĢtir. (Mesleki eğitim ve öğretim sisteminin güçlendirilmesi projesi 2007) ġekil 3.64. Punta kaynak makinesi temel bileĢenleri ve kaynak bölgesi Kaynak : Mesleki eğitim ve öğretim sisteminin güçlendirilmesi projesi, Elektrik direnç kaynağı 2007 73 Direnç punta kaynağı konvansiyonel çelik konstrüksiyona sahip iĢ parçalarının birleĢtirilmesinde endüstride en çok tercih edilen yöntemdir ve aluminyum içinde tercih edilmektedir. Aluminyumdaki oksit film tabakası yalıtkandır ve uygunluk elde edebilmek için yüzeyi bazen asitle temizlenmektedir. Aluminyum için çeliğe oranla daha yüksek akım kullanılmaktadır fakat punta için ısıtma süresi kısadır. (Aluminum Association At4 1998 ) 3.6.2. Clinching ( Büzdürme ) Teknolojisi Büzdürme teknolojiyisiyle ( ġekil 3.65.) 6mm kalınlığa kadar metaller, herhangi bir perçin elemanı gibi bir ara eleman olmadan lokal bir deformasyonla birleĢtirebilirler. Çok katmanlı birleĢmiĢ yapılar basma butonuna benzerler ve hem kaplanmıĢ ve ön laklama iĢlemine tabi tutulmuĢ metaller yöntemle yüzeylerinde herhangi bir deformasyon olmaksızın bir araya getirilebilirler. ( Çekiç 2007 ) ġekil 3.65. Clinching (büzdürme) iĢlemi uygulanmıĢ parça Kaynak : www.boellhoff.de 2006 Sistemin avantajları: • Bağlantılar herhangi bir deformasyona sebep olmadan kontrol edilebilir. • Herhangi bir malzeme harcanmaz • DüĢük enerji maliyetleri • BirleĢme bölgesi üzerinde herhangi bir termal yük oluĢmaz • ĠĢ parçası üzerinde bitmiĢ yüzeye herhangi bir hasar oluĢmaz • Film veya bağlayıcının geçici tabakaları çoğu durumda beraber değildir. 74 • Ön veya sonradan yüzey iĢlemi gerektirmez • Çevreye dost iĢ alanı, duman ve gürültü yok • Minimum bakım maliyetleri • Minimum geometri deformasyonu ( Çekiç 2007 ) 3.6.2.1. Büzdürme İşlemi Detayları Clinching (büzdürme) birleĢtirme iĢleminde malzemeler zımba tarafından ilk kuvvet etkisi ile matris içerisinde birleĢeceklerdir. ( ġekil 3.66. ) Matriste bulunan çoğu malzeme bu esnada zımbanın zorlamasıyla yatay olarak aĢağıya doğru akacaktır. Bu nedenlerle hareketli matris kesitleri dıĢa doğru itilecektir ve malzemelerin düğme formuna akmasına izin verilecektir. Zımba sonra ya operatörün veya pnömatik zamanlamacının geri çekme kuvveti ile baĢlangıç noktasına hareket edecektir. BirleĢmiĢ parçalar artık çıkartılabilir ve matrisin yan kısımları yay kuvveti ile geri çekilir. ( Çekiç 2007 ) Bu bağlantılar mevcut pres sistemleri veya herhangi bir uygun makina da kullanılabilir. Bu sistem bir veya birkaç noktada aynı zamanda oluĢturulabilir ve manüel makinalar ve robot sistemleri ile entegre çalıĢabilir. ( Çekiç 2007 ) ġekil 3.66.Clinching (büzdürme) iĢleminin prensibi Kaynak : Norme Renault 2000 3.6.2.2. Büzdürme Teknolojisi Kullanım Örnekleri Otomotiv sanayindeki uygulamaları: 1. Motor kaputu 2. Bagaj kapağı 3. Direksiyon kolonu braketleri 75 4. Kapılar ( Çekiç 2007 ) AĢağıda Ģekil 3.67 ve 3.68. de büzdürme teknolojisi ile birleĢtirilmiĢ parçalara çeĢitli örnekler verilmektedir. ġekil 3.67. 125 adet büzdürme (clinching) birleĢtirmeli BMW 3 serisi açılır tavanı Kaynak : Tschaetsch, Metal forming practise 2005 ġekil 3.68. Büzdürme (clinching) birleĢtirmeli alüminyum motor kaputu Audi A6 Kaynak : www.boellhoff.de 2006 3.6.3. Perçinler Perçinleme bugün endüstride çeĢitli sektörlerde ve hatta ticari araç konstrüksiyonlarında bile yaygın olarak kullanılan bir birleĢtirme metodudur. Uygulamasının güvenli ve kolay 76 oluĢuyla perçinleme montajlarda çok yaygın bir metottur. Makine perçinlemesinin birçok avantajları vardır. (European Aluminum Association, 2005) Bunlar: 1. Yüksek hız : Makine perçinlemesi hidrolik ve pnömatik araçları kullanarak çabuk operasyonlara izin verir. 2. Kontrol kolaylığı: SıkıĢtırma kuvveti daima sistem tarafından daha az sağlanır perçinlemeye herhangi bir zararı olmaz 3. Optik görünüĢ: Makine perçinlemesi perçinin plastik baĢlığıyla birleĢtirilebilir. 4. Tecrübeli operatör çalıĢtırmaya gereksinim duymaz 5. KarıĢık birleĢtirmeler mümkündür: farklı metaller, plastikler sandviç veya petekli paneller (European Aluminum Association, 2005) Perçinleme baĢka metallerde veya metal ile metal olmayan malzemelerin birleĢtirilmesinde de kullanılabilir. (Aluminum Association At3 1998) Perçinler; kendinden delmeli perçinler, zımbalı perçinler ve konvansiyonel perçinler olarak 3 alt gruba ayrılabilir. Bu çalıĢmada ilk olarak konvansiyonel perçinler açıklanacaktır. Diğer perçinleme yöntemleri aĢağıda baĢlık olarak anlatılmaktadır. Konvansiyonel perçinlerde perçinlemeden önce bir deliğe ihtiyaç vardır. Konvansiyonel perçinler kendi arasında 2 gruba ayrılırlar. (European Aluminum Association, 2005) 3.6.3.1. Konvansiyonel Perçin Teknolojisi Kontra Kilitliler Konvansiyonel cıvata bağlantıları gibi görünmektedirler. Fakat konvansiyonel cıvata ve somunların aksine aĢırı titreĢim esnasında bile gevĢemeden çalıĢacaklardır. BirleĢtirmenin her iki tarafı da ulaĢılabilir olduğunda kullanılırlar. ġekil 3.69. Kontra kilitli perçinleme Kaynak : European Aluminum Association, Aluminum in cars, 2005 77 Kontra kilitliler ( ġekil 3.69. ) delik içerisine yerleĢtirilmiĢ pim ve pime konumlandırılmıĢ bir bilezikten meydana gelmektedir. Takım bağlantının üzerinden hareketlendirilir. Pimin baĢı malzemenin karĢısına çekilir, takımın örsü birleĢtirmenin karĢısında bileziği iter bu aĢamada ilk sıkıĢtırma gerçekleĢtirilir. Takım daha sonra bileziği pimin içerisine baskılar. Pim kırılarak iĢlem tamamlanır. (European Aluminum Association, 2005) Kör Perçinler Tek bir taraf ulaĢılabilir durumlarda kullanılır. Kör perçinler ( ġekil 3.70. ) bağlantı sonrası perçin gövdesinin deformasyona uğramasında perçinin kırılma özelliğine sahiptirler. ( Bu nedenle genellikle ―kırılgan gövdeli perçinler‖ olarak adlandırılırlar ) (European Aluminum Association, 2008) ġekil 3.70. Kör perçinleme Kaynak : European Aluminum Association, Aluminum in cars, 2005 3.6.3.2. Kendinden Delmeli Perçin Teknolojisi Kendinden delmeli perçin teknolojisi ( ġekil 3.71. ) mekanik bir birleĢtirme yöntemi olup, bir ara eleman ile yüksek basınç altında parçaların birleĢmesidir ve problemsiz çok katmanlı bağlantılara izin verir. ġekil 3.71. Kendinden delmeli perçinleme kesiti Aluminum Association At3 1998 78 Kendinden delmeli perçinleme mekanik bir clinching(büzdürme) yöntemi olup, özellikle Ģimdiye kadar yaygın olarak kullanılan punta kaynağı ve kör kafalı veya tam perçin yöntemlerine göre umut vermektedir. Punta kaynağının tersine, kendinden delmeli perçin ince cidarlı iĢ parçalarının bitmiĢ yüzeylerinde herhangi bir deformasyona sebep olmaksızın birleĢtirmeye olanak sağlar. ( Çekiç 2007 ) Kendinen delmeli perçinleme iĢlem adımları ġekil 3.72. de gösterilmektedir. ġekil 3.72. Kendinden delmeli perçinleme iĢlem adımları Kaynak : www.boellhoff.de 2006 3.6.3.3. Zımbalı Perçin Teknolojisi ġekil 3.73. dört adımda delmeli bir zımbalı perçin prosesini göstermekte. Önce birleĢtirilecek parçalar ( görünüĢ 1 ) gibi pot çemberi ile sabitlenir. Zımba aĢağıya inerken zımbalı perçin ( görünüĢ 2 ) her iki sac tabakasını zorlar ve hurdayı çıkarır. Zımba ilerlerken perçinin konik baĢ kısmı ( görünüĢ 3 ) üst sac tabakası içerisinde kalmaya baĢlar. BaĢ kısmı tamamıyla içeride kaldıktan sonra kalıp yüzeyinde pozitif olmayan dairesel baskılı gerilimle kaplanmıĢ pozitif bir kilitleme yaratarak ( görünüĢ 4 ) perçin Ģaftında çentik oluĢturur. ( Tschaetsch 2005 ) ġekil 3.73. Zımbalı perçin teknolojisinin prensibinin açıklaması Kaynak : Tschaetsch, Metal forming practise, 2005 79 Farklı sac kalınlıklarını birleĢtirebilmek için perçinde birkaç çentik yapılır. ġekil 3.74. de bir zımbalı perçin birleĢtirmesinde perçin Ģaftındaki çentik görülebilir. ( Tschaetsch 2005 ) ġekil 3.74. Bir zımbalı perçin birleĢtirmenin kesiti Kaynak : Tschaetsch, Metal forming practise, 2005 3.6.4. Alüminyumların Yapıştırarak Tutturulması YapıĢtırarak birleĢtirme ( ġekil 3.75. ) metal olmayan (yapıĢtırıcı) maddeleri kullanarak parçaları birleĢtirme prosesi olarak tanımlanabilir. Burada fiziksel veya kimyasal sertleĢme reaksiyonuyla parçalar birbirlerini çekerek yüzeyden yapıĢır ve oluĢan iç mukavemetle birleĢtirilirler. ( Dorn ) ġekil 3.75. Aluminyumun yapıĢtırılarak birleĢtirilmesi Kaynak : Dorn, Adhesive Bonding YapıĢma, yapıĢtırıcıyla metal yüzey arasında fiziksel bir çekme olabilirken gerçek kimyasal tutturmada yapıĢtırıcı molekülleri ve metal atomları veya mekanik yapıĢtırıcıyla metalin yüzey pürüzlülüğünde kilitlenmesiyle olur. Ġç mukavemet yapıĢtırıcının fiziksel ve/veya kimyasal kuvvetlerin arasında iç gerilimleri sonucudur. ( Dorn ) 80 3.6.4.1. Yapıştırarak Tutturmanın Sınıflandırması DIN 8580 ve DIN 8593 nolu Alman normunda yapıĢtırarak tutturma; ana birleĢtirme grubu, maddelerin birleĢim grubuna ve yapıĢtırarak birleĢtirmenin alt grubu ile birlikte kaynak, lehimleme ile sınıflandırılmaktadır. ( ġekil 3.76. ) ( Dorn ) ġekil 3.76. DIN 8580 ve DIN 8593 normuna göre imalat sürecinde yapıĢtırarak birleĢtirmenin sınıflandırılması Kaynak : Dorn, Adhesive Bonding 3.6.4.2. Avantajları 1. Yükleme dağılımı yükleme doğrultusuna düzgün açıdadır 2. Mikro yapı etkilenmez 3. Çarpılmadan birleĢtirme 4. Farklı malzemeler birleĢtirilebilir 5. Çok ince parçalar birleĢtirilebilir 6. Ağırlık kazancı 7. Isıya duyarlı malzemeler birleĢtirilebilir 8. Farklı elektrokimyasal potansiyele sahip metaller birleĢtirilebilir 9. Diğer birleĢtirme ( vidalı, kaynaklı ) yöntemleriyle kullanılabilir 81 10. Yüksek yorulma mukavemeti ve iyi titreĢim sönümlemesi 3.6.4.3. Dezavantajları 1. Proses özelliklerinde zaman etkisi 2. BirleĢtirilecek yüzeylerde ön iĢlem gerekmektedir 3. Limitli Ģekillendirme istikrarı 4. Proses parametreleri dar aralıkta tutulmalıdır 5. Zamanla özelliklerinde değiĢim ( yapıĢtırıcının yaĢlanması ) 6. Prosesin kontrol karmaĢıklığı 7. DüĢük soyulma mukavemeti 8. Büyük birleĢtirme alanlarında düĢük yapıĢtırma tabakası mukavemeti gereklidir 9. Kısıtlı tamir imkanı 10. Zor mukavemet hesabı ( Dorn ) 3.6.4.4. Yapıştırarak Birleştirme Yapısı ( ġekil 3.77. ) 1. BirleĢtirilecek malzeme 2. Metal yüzey tabakasının yapıĢma mukavemeti ( ana malzemedeki oksit tabakası ) 3. Metal yüzey tabakasının mukavemeti 4. YapıĢkan tutturma mukavemeti 5. Metal yüzeyi tabakası ile birleĢtirme tabakası arasında 6. YapıĢkan tabakası sınır mukavemeti 7. YapıĢkan tabakasının iç mukavemeti ġekil 3.77. YapıĢtırarak birleĢtirme yapısı Kaynak : Dorn, Adhesive Bonding 82 3.6.4.5. Aluminyumun Yapıştırarak Tutturulmasına Bir Örnek Yıllardan bu yana aluminyum Ģaseli araçlar üreten Lotus firması bu araçlardan hiç birinde kaynak kullanmadan üretim yapmaktadır. Parçalar vida ve yapıĢtırıcılar ile birleĢtirilmekte. Lotus 1996 yılında, düĢük üretim miktarına sahip Elise ile bu metodu uygulamaya baĢladı. ( ġekil 3.78. ) ġirket yöneticileri birbirine yapıĢtırılmıĢ araç konusunda endiĢeliydiler, fakat teknik oldukça baĢarılı Ģekilde ( 23.000 den fazla araç hiç hata raporları olmadan üretildi ) gerçekleĢtirildi. Bu giriĢim yeni yüksek üretim miktarına sahip popüler olan araçların temelini oluĢturdu. (http://www.autofieldguide.com 2009) YapıĢtırarak tutturma. ġirket yöneticileri bunu aluminyumun akma mukavemeti bir kez kaynaklandığında yarı yarıya gitmekte Ģeklinde açıklıyor. Böylece, kaynaklanmıĢ aluminyum Ģasi ile aynı mukavemeti elde etmek için iki misli malzeme kullanım miktarı gerektirme. Aluminyum hafif ağırlığı için kullanılmakta buda kendisinin ana faydasını azaltmakta. Bir diğer büyük dezavantajı ise, kaynaklı aluminyum gerilimlerini bir nokta veya bir hat boyunca sınırlayabilir buda malzeme yorulmasını etkileyebilir. Gerilimler, geniĢ geçme parçalarda yapıĢtırma kullanıldığında fazlaca dağıtılır. YapıĢtırma kullanımından tam değer elde etmek için firma özelliğini optimize yapmanın yollarını aradı. Örneğin, parçalar arasında optimum birleĢtirme boĢluğunu 0.2 mm belirlendiğinde soru birleĢtirilmiĢ yüzeyler arasındaki boĢluğu nasıl düzgün bir Ģekilde bakımının yapılacağı olmuĢtu. Cevabı ise parçaların üzerinde onları birbirlerinden tam olarak 0.2 mm ayrı tutacak küçücük çıkıntılar veya yükseklikler tasarlanmasıydı. (http://www.autofieldguide.com 2009) ġekil 3.78. Lotus firmasının aluminyum yapıĢtırma metodu ile ürettiği Elise model Ģasisi Kaynak : http://www.autofieldguide.com 2009 Lotus aluminyuma çok uygun bir proses, ekstrüzyon yöntemini ana Ģasi parçalarını üretmek için seçti. Firma yöneticisi ekstrüzyonun seçilmesinde bir nedenin belirleyici olduğunu bunun da ucuz üretim olduğunu ifade ediyor (kalıbın yaklaĢık 5,000 $ olduğunu tahmin ediyor). 83 Bu da aynı zamanda aluminyumun yüksek malzeme maliyetini dengelemeye yardım etmektedir. (http://www.autofieldguide.com 2009) 3.6.5. Kenar Bükerek Kenetleme Teknolojisi Kenar bükerek kenetleme ( ġekil 3.79. ) bir dıĢ sacı iç sacı üzerine, kenardan 6 mm uzakta olacak Ģekilde farklı ekipmanlarla kapatılması iĢlemidir. ( Çekiç 2007 ) ġekil 3.79. Kenar kıvırma iĢleminin genel görünüĢü Kaynak : Çekiç, Otomobillerde gövde birleĢtirme teknolojileri ve bir uygulama, 2007 Kenar bükerek kenetleme sistemleri araç üretiminde birleĢtirme tekniklerinde büyük öneme sahiptir. Açılır-kapanır ( kapılar, motor kaputu ve bagaj kapıları ) parçalara ek olarak bu teknik açılır tavanlarda güvenilir bir kenetleme tekniği olarak kullanılmaktadır. (http://www.drauznothelfer.com 2009) ġekil 3.80. de aluminyum için alternatif kenar bükme tasarımları verilmektedir. Kenar bükerek kenetleme manüel, robotlu, rollerla, kalıp yöntemleriyle yapılabilir. 3.6.5.1. Roller Kenetleme Robot veya roller kenar bükerek kenetleme ( ġekil 3.81. ) açılır-kapanır parçaların imalatlarında özellikle esnek bir çözümdür. DıĢ panel kalıptan çıktığında 90 derece bükülüdür ve kenet kısmı düz olan iskelet sacı bunun içerisindedir. Bu teknikle dıĢ sac iskelet sacının üzerine kenetlenir. Bu teknikle aluminyum ve magnezyum gibi çeĢitli paneller küçük adetlerde ekonomik olarak imal edilebilir. ( www.Eurotradeglobal.com 2010) 84 ġekil 3.80. Aluminyum için alternatif kenar bükme tasarımları Kaynak : Thomas, Altan, Kaya, Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing 2003 3.6.5.2. Avantajları Kenetleme prosesinin maliyeti azaltılır Denemelerdeki çaba azaltılır Panel değiĢiklikleri esnek ve ekonomikçe uyarlanabilir DüĢük bakım maliyeti getirir Esnek üretim ( www.Eurotradeglobal.com , 2010) ġekil 3.81. Bir robotlu roller kenar bükerek kenetleme örneği Kaynak : www.Eurotradeglobal.com 2010 85 4. SONUÇ VE TARTIŞMA Hafif metal alaĢımlarının otomotiv endüstrisinde kullanımlarının günden güne arttığı görülmektedir. Tamamı hafif metal alaĢımların kullanılmasıyla yapılan ilk gövde olan Audi A8 modeli uzay çatı gövde yönteminin baĢlangıç noktası olmuĢtur. Uzay çatı gövdelerde ekstrüzyonlar, direkt olarak veya döküm elemanlar yardımıyla gövdeye birleĢtirildiğinden uzay çatı, ekstrüzyonlu kesitlerde herhangi bir kaynak dikiĢi bulundurmamakta ve bu da rijitlikte bir kayba neden olmadan her türlü istenilen ölçülerde, maksimum rijitlikte ve burulma direncinde üretime izin verdiği saptanmıĢtır. Bunun dıĢında uzay çatılı gövdelerin getirdiği diğer avantajlar olarak daha az bileĢen sayısına sahip olması, basit geometrili parçalar, daha uygun kalıp maliyetleri sayılabilmektedir. Çelik uzay çatı ile aluminyumlu uzay çatı gövdeler karĢılaĢtırıldığında ise ağırlıkları yarı yarıya azalırken aluminyum uzay çatılı gövdelerde bileĢen sayılarının da yarı yarıya azaltılabildiği görülmüĢtür. Uzay çatıya sahip gövde yapılarının tercih edilmesi için bir diğer neden ise, düĢük uzamasından dolayı konvansiyonel yöntemlerle Ģekillendirmenin zor olduğu saç parçalar ( Ģasi kolları vb. ) yerine ekstrüzyonla kolayca Ģekillendirilen boru profiller kullanılabilmektedir. Aluminyum alaĢımlı sacların Ģekillendirilebilmesi, çelik saclara göre, düĢük uzamaları, n-değerleri, r-değerleri ve elastisite modüllerinden dolayı daha azdır. Çelik sacla Ģekillendirilebilen bir geometri, aluminyum alaĢımları ile yırtmadan, kırıĢmasız ve geri dönüĢsüz Ģekillendirilemeyebilir. Bu sebeple, aluminyum alaĢımlı saclar tasarımda düĢük dereceli serbestlikleriyle form vermede kısıtlar getirebilmektedir. Aluminyum alaĢımlı saclar, çelik saclarla kıyaslandığında, hemen hemen yumuĢak çeliklere eĢdeğer gerilme dayanımı ile çekme dayanımı göstermekte, ama uzamaları çok daha küçüktür. Bu nedenle saçtan yapılan kapı, kapı iskeletleri gibi aluminyumlu parçalar için ise ileri Ģekillendirme yöntemlerine gereksinim duyulmaktadır. Bunun dıĢında otomobillerde kullanılan aluminyum ve magnezyumlu alaĢımların genellikle aktarma organları ile ısı eĢanjörlerde kullanıldığı görülmüĢtür. Hafif metal alaĢımlı saclar otomobil panellerinde daha çok motor kaput panelleri ile bagaj kaputlarında kullanılmaktadır. Bunun dıĢında diğer panellerdeki uygulamalar sınırlı sayıda kalmaktadır. Saclarda da hafif metallerin çeliklerin yerini alabilmesi için Ģekillendirme yöntemlerinde ileri yöntemlerin kullanılmasını gerektirmektedir. Ġleri Ģekillendirme yöntemleri olan pot çemberi kuvvet kontrolü, ılık Ģekillendirme ve sac hidro Ģekillendirme yöntemleri konvansiyonel kalıplarla kıyaslandığında yüksek amortisman maliyetleri getirdiğinden henüz bu yöne bir kayma en azından ülkemizde gerçekleĢmemiĢtir. 86 Konvansiyonel olarak pot çemberi kuvveti, pot çemberi yüzeyinden direkt uygulanmaktadır ve form verme sürecinde sürekli tutulur. Fakat malzeme akıĢı kalıp çevresi boyunca aynı değildir. Metal düz kenarlardan kolayca akarken köĢelerde ise bu durum sınırlıdır. Bu yüzden, pot çemberi kuvvetini kullanırken malzeme akıĢının düzenli olması için süzdürme çubukları tercih edilir. Süzdürme çubukları geometrisi ve ebatları genellikle pres deneme çalıĢmalarında belirlenmektedir. Üretim süresince çizme aĢınması ve yapıĢkanlı aĢınma sürtünme ortamında süzdürme çubuk geometrisinde değiĢikliğe sebep olmaktadır. Bundan dolayı, uygun parça üretimi için kalıpların çeĢitli frekanslarda bakıma alınması gereklidir. Süzdürme çubukları deneme esnasında çalıĢılan sac rulosuna göre sonlandırılması gerekmekte ve yine değiĢik gelen rulolara göre çalıĢılması gerekmektedir. Bu yüzden, kalıp deneme çalıĢmalarında süzdürme çubuklarından dolayı rulodan birçok hurda verilmesine neden olduğu görülmüĢtür. Uzun süreli çalıĢmalarda kalıptaki aĢınma ve yırtılmalarla, gelen rulonun özelliğine bağlı olarak bu süreç yeteri kadar çok sağlıklı olmamaktadır. Derin çekme sürecinde malzemenin akıĢının kontrolü pot çemberi kuvveti ve süzdürme çubukları ile yapılarak bize malzeme özelliklerindeki değiĢikliklere karĢı müdahale için izin verir. Farklı pot çemberi kuvvetleri kullanarak, pot çemberi kuvvetini değiĢtirmek rulodan ruloya veya parçadan parçaya oluĢan kalıp bakım sıklığını değiĢtirebilmektedir. Ġleri Ģekillendirme yöntemlerinden bir diğeri olan ılık Ģekillendirme aluminyumun Ģekillendirilebilirliğini arttırabilmek adına geliĢtirilmiĢ bir metottur. Hafif ağırlıklı malzemelerin ◦ ılık Ģekillendirilme ilgisi, yüzde 6 oranında magnezyum içeren alüminyumun yaklaĢık 250C derecede toplam yüzde 300 e kadar toplam uzama verebildiğinin keĢfedilmesiyle 1970'lerde baĢlamıĢtır. Ilık Ģekillendirme malzemenin sıcak ile soğuk Ģekillendirme arasında belli bir ısıda Ģekillendirilmesine verilen isimdir. Normalde, sıcak Ģekillendirme malzemenin erime sıcaklığının hemen altında iken soğuk Ģekillendirme ise oda sıcaklığındadır. Ilık Ģekillendirme ise sıcak Ģekillendirmeye oranla daha az enerji, yalıtım, teknoloji ve lojistik gerektirmektedir ve bu nedenle Ģekillendirilmesi zor olan parçalar için etkileyici bir süreçtir. Aluminyum sac malzemenin sıcaklığının artıĢıyla, Ģekillendirmede birçok avantaj sağlanabilir. Isı arttığında malzemenin akıĢ gerilimi azalma eğilimi gösterir. Bundan dolayı, form verme yüklemesi de azalır. Ġleri araĢtırmalar, malzeme sıcaklığındaki artıĢ eğiliminin uzama oranı sertleĢtirmesinde artıĢa, luderingde azalma ve Ģekillendirme limit eğrisinde artıĢa neden olduğunu göstermektedir. Malzemenin Ģekillendirilebilmesindeki bu artıĢ, derin formlarda veya karıĢık geometrilerde kullanıĢlı olabilir. Kalıplamayı sağlamak için, gelen malzemeyi ısıtmak amaçlı bir fırın veya ısıtıcı çekirdekler gerekmektedir. Bundan dolayı ılık Ģekillendirme, donanım yatırımı gerektirmektedir. 87 Sac hidro Ģekillendirme olarak adlandırılan yöntemde ise basınçlı ortam kullanarak sac- metal Ģekillendirilmektedir. Saç hidro Ģekillendirme yüksek çekme oranı, iyi parça yüzeyi gibi birçok avantaja sahiptir. Bununla birlikte, aluminyum alaĢımlar, yüksek mukavemetli çelik, paslanmaz çelik ve titanyum alaĢımlar gibi çok yönlü ve muhtelif malzemelerde düĢük hacimlerde uygulanabilir. Sac hidro Ģekillendirme yöntemi, konvansiyonel kalıpçılığın aksine, Ģekillendirme süreci esnasında basınçlandırılmıĢ viskoz sıvı yatağından sacın alt kısmında desteklenmesini gerektirir. Bu dıĢ destek, kalınlıkta sıkıĢtırılan gerilimle çekme dengesizliklerinde Ģekillendirmedeki kırıĢıklığı azaltmada veya yırtılmaları engellemekte kullanılır. Zımba ile sac hidro Ģekillendirmede normal kalıptan farklı olarak alttaki diĢi yerine basınç kontrollü bir göbek vardır. Sac-metal, akıĢkan basıncı yardımıyla zımba yüzeyine doğru sıkıĢtırılır ve böylece konvansiyonel kalıpçılığa oranla daha yüksek çekilebilirlik göstermektedir. Zımba yüzeyi ile sac arasındaki sürtünmede, sac zımba yüzeyiyle öpüĢür ve bu da daha yüksek çekilebilirlikle birlikte düzgün bir duvar kalınlığı elde edilmesini sağlar. DüĢük çevrim zamanına karĢın, düĢük Ģekillendirilebilirlikli hafif ağırlıklı malzemelerin Ģekillendirilmesinde dikkat çekici bir yöntem olmaktadır. Ayrıca, diĢi kalıba gerek duyulmadığından kalıp maliyetinde de azalma olmaktadır. Bu yüzden bu yöntem, otomotiv gövde panellerinin üretiminde göz önünde tutulmaktadır. Bu yöntemin dezavantajlarından bazıları ise 3500 tonlara kadar yüksek tonajlara ihtiyaç duyulması ve bu yöntem için özel tip preslere ihtiyaç duyulması ve maliyetlerinin yüksek olması, yüksek çevrim zamanları, karmaĢık geometrilerde düĢük ölçüsel hassaslıklar sayılabilmektedir. Hafif metallerin birleĢtirilmelerinde de yeni yöntemler söz konusudur. Bunun nedeni ise, aluminyumun akma mukavemeti bir kez kaynaklandığında yarı yarıya azalmasından dolayıdır. KaynaklanmıĢ aluminyum Ģasi ile aynı mukavemeti elde etmek için iki misli malzeme kullanım miktarı gerektirmektedir. Buda araç hafifletme çalıĢmalarına tamamen ters düĢmektedir. Bir diğer büyük dezavantajı ise, kaynaklı aluminyum gerilimlerini bir nokta veya bir hat boyunca sınırlayabilir buda malzeme yorulmasını etkileyebilmektedir. Bu sebeplerden dolayı hafif metal alaĢımlı gövdelerde konvansiyonel gövde birleĢtirilmesinde tercih edilen direnç punta kaynağı, MIG kaynakları yerine yeni yöntemler olarak büzdürme, kendinden delmeli perçinleme, yapıĢtırarak tutturma, zımbalı perçin metotları gibi yeni yöntemler tercih edilmektedir. Yeni yöntemler olarak bahsedilen yöntemlerin maliyetleri konvansiyonel birleĢtirme yöntemlerine göre birbirlerine yakın olurken yeni yöntemler daha fazla kalite sunmaktadırlar. Yukarıda bahseldidiği gibi Ģekillendirme yöntemlerinin maliyetlerinin yüksek oluĢu, bu alanda literatür anlamında da çalıĢmalar yapılmasına çok fazla olanak sağlanamamaktadır. Her 88 türlü olumsuzluklara karĢın bu alanda yapılacak çalıĢmaların ileride araç hafifletme çalıĢmalarına yapacağı katkının büyük olduğu yadsınamazdır. Devletlerin ve uluslararası birliklerin, araç üreticilerini zorlamaları ile birlikte önümüzdeki yıllarda üretilecek otomobillerin çevreye daha az karbondioksit bırakacak araçlar üretmeleri gerekeceğinden araç hafifletmeye olan ilginin artacağı açıktır. Bunun sonucunda hafif metal alaĢımlarının otomobil endüstrisinde daha çok tercih edileceği kesindir. 89 KAYNAKLAR MILLER, W.S., ZHUANG L., BOTTEMA, J., WITTEBROOD, A.J., DE SMET, P., HASZLER, A., VIEREGGE, A. 2000. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, Materials Science and Engineering A280 (2000) 37–49. CARLE, D., BLOUNT, G., 1999. The suitability of aluminium as an alternative material for car bodies, Materials and Design 20 (1999) 267-272. KAYA, S., 2008. Improving the formability limits of lightweight metal alloy sheet using advanced processes, Ph.D. Thesis (published), The Ohio State University, p.1-207. PALANISWAMY, H., YADAV, A., KAYA, S., ALTAN, T., 2007. New technologies to form light weight automotive components, 4th International conference and exhibition on design and production of machines and dies/molds, June 21-23 , 2007, p.1-10. MATHERS, G., 2002. The welding of aluminium and its alloys, TWI Ltd., UK, p.248. SMITH, W.F., 2001. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, (Çev. N. G. Kınıkoğlu), Literatür Yayıncılık, s.855. ATALAY, O., 2006. Magnezyum ve alaĢımlarının konstrüksiyon malzemesi olarak otomotivde kullanımı, Yüksek lisans tezi, Ġstanbul Teknik Üniversitesi, s.81. THE ALUMINUM ASSOCIATION AT 3, 1998. Aluminum for automotive body sheet panels p.56. EUROPEAN ALUMINUM ASSOCIATION, 2008. Aluminum in cars p.20. SHERMAN, A., M., 2000. Trends in Automotive Applications for Aluminum, The 7th International Conference on Aluminum Alloys, April 10, 2000 p.34. SAKURAI, T., 2008. The Latest Trends in Aluminum Alloy Sheets for Automotive Body Panels, p. 7. 90 http://www.keytometals.com/Article137.htm, EriĢim tarihi : 25.08.2010. Konu : Automotive Trends in Aluminum, The European Perspective: Part Two. http://www.keytometals.com/Article135.htm, EriĢim tarihi : 25.08.2010. Konu : Automotive Trends in Aluminum, The European Perspective: Part One. http://findarticles.com/p/articles/mi_qa5348/is_199911/ai_n21448064/, EriĢim tarihi : 18.04.2010. Konu : Ducker report reviews aluminum automotive applications. KLEINER, M., GEIGER, M., KLAUS A. Manufacturing of Lightweight Components by Metal Forming p. 22. http://www.psc.edu/science/Chu/chu.html, EriĢim tarihi : 20.02.2010. Konu : Computational Modeling of Aluminum Automobile Components at ALCOA. ÇAVDAR, K., 2006. Otomobillerde hafif yapılar ve yeni malzemeler, ders notu, s. 92. http://luxvelocity.typepad.com/luxvelocity/2008/12/lightweight-des.html#more, EriĢim tarihi : 20.09.2009. Konu : Lightweight Design – It’s an Art : The Audi ASF Design Principle. THOMAS, W. T., ALTAN, T., KAYA, S., 2003. Handbook of Aluminum Volum 2 Alloy Production and Materials Manufacturing, p. 837-880. ALTAN, T., PENTER, L., 2010. Application of Modern Cushion Systems to Improve Quality and Productivity in Sheet Metal Forming, CIRP Conference on Machine-Process Interactions, June 10, 2010, p.19. PADMANABHAN, R., OLIVEIRA, M. C., ALVES, J. L., MENEZES, L. F., 2008. An optimization strategy for the blank holder force in deep drawing, 8th. World Congress on Computational Mechanics, June 30 – July 5, 2008, p. 2. YADAV, A., 2006. Multipoint-control die cushion systems for stamping complex parts, Stamping Journal Magazine, p.32-33. 91 ZHONG-QIN, L., WU-RONG, W. GUAN-LONG, C., 2007. A new strategy to optimize variable blank holder force towards improving the forming limits of aluminum sheet metal forming, Journal of Materials Processing Technology 183 (2007) 339–346 http://www.thefabricator.com/article/toolanddie/warm-forming-of-aluminum-alloys, EriĢim tarihi : 20.04.2009. Konu : Warm forming of aluminum alloys. ERDĠN, M. E., AYKUL, H., TUNALIOĞLU, M. ġ., 2005. Forming of high strength / low formability metal sheets at elevated temperatures, Mathematical and Computational Applications, Vol. 10, No. 3, pp. 331-340, 2005. ABEDRABBO, N., ZAMPALONI, M. A., POURBOGHRAT, F., 2005. Wrinkling control in aluminum sheet hydroforming, International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005) 333–358 ÇEKĠÇ, Ġ., 2007. Otomobillerde gövde birleĢtirme teknolojileri ve bir uygulama, Yüksek Lisans Tezi, Uludağ Üniversitesi, s.104. http://www.boellhoff.de, EriĢim tarihi : 10.03.2010. Konu : Assembly systems. NORME RENAULT, 2000. Clinchage, definition, conception, utilisation ( 01 - 52 - 103 / - - A ) p.15. TSCHAETSCH, H., 2005. Metal forming practise, p.251-257. EUROPEAN ALUMINUM ASSOCIATION, 2005. Aluminum in commercial vehicles p.162. DORN, L., Adhesive Bonding – Terms and Definitons, TALAT Lectures, p.20. http://www.autofieldguide.com/articles/040408.html, EriĢim tarihi : 10.02.2009, Konu : Lotus bonds with aluminum. http://www.drauznothelfer.com/eng/hlights02.htm, EriĢim tarihi : 10.02.2009, Konu : Hemming technology. http://www. Eurotradeglobal.com, EriĢim tarihi : 25.04.2010, Konu : Robot hemming. 92 ALBU, L., CIRSTOIU, A., 2002. The technology design of aluminum alloys carbodies, Design de Produs, p.4. YADAV, A., 2008. Process analysis and design in stamping and sheet hydroforming, Ph.D. Thesis (published), The Ohio State University, p.1-223. LANG, L., Li, T., ZHOU, X., KRISTENSEN, B. E., DANCKERT, J., NIELSEN, K. B. 2006. Optimized constitutive equation of material property based on inverse modeling for aluminum alloy hydro forming simulation, Trans. Nonferrous Met. SOC. China 16(2006) 1379-1385, p.7. LANG, L., Li, T., DONGYANG, A., CAILOU, C., DANCKERT, J., NIELSEN, K. B. 2009. Investigation into hydromechanical deep drawing of aluminum alloy— Complicated components in aircraft manufacturing, Materials Science and Engineering A 499 (2009) 320– 324, p.5. ABEDRABBO, N., ZAMPALONI, M. A., POURBOGHRAT, F. 2005. Wrinkling control in aluminum sheet hydroforming, International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005) 333– 358, p.26. MESLEKÎ EĞĠTĠM VE ÖĞRETĠM SĠSTEMĠNĠN GÜÇLENDĠRĠLMESĠ PROJESĠ, 2007. Elektrik direnç kaynağı, s.37. THE ALUMINUM ASSOCIATION AT 4, 1998. Practices for the repair of automotive sheet aluminum, p.25. 93 Ek - 1 Aluminyum gövde sac alaşımlarının kimyasal kompozisyon limitleri Diğer AA AlaĢımı Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Diğer Toplam 5182 0,20 0,35 0,15 0.20-0.50 4.0-5.0 0,10 0,25 0,10 0,05 0,15 5454 0,25 0,40 0,10 0.50-1.0 2.4-3.0 0.05-0.20 0,25 0,20 0,05 0,15 5754 0,40 0,40 0,10 0,50 2.6-3.6 0,30 0,20 0,15 0,05 0,15 6009 0.60-1.0 0,50 0.15-0.60 0.2-0.8 0.4-0.8 0,10 0,25 0,10 0,05 0,15 6022 0.8-1.5 0.05-0.20 0.01-0.11 0.02-0.10 0.45-0.7 0,10 0,25 0,15 0,05 0,15 6111 0.6-1.1 0,40 0.5-0.9 0.10-0.45 0.50-1.0 0,10 0,15 0,10 0,05 0,15 94 Ek – 2 Aluminyum gövde sac alaşımlarının mekanik deneysel özellikleri Maksimum Çekme Akma Mukavemeti 50 mm de Maksimum Kesme Gerilim ve SıkıĢtırma Mukavemeti (0.2% ofset) uzama Mukavemeti için Elastisite Modülü 3 AlaĢım&Temper MPa (ksi) MPa (ksi) % MPa (ksi) GPa (ksi) 10 5182-O 275 40 130 19 24 165 24 71 10,3 5454-O 250 36 115 17 22 160 23 70 10,2 5754-O 220 32 100 14 26 130 19 71 10,3 6009-T4 220 32 125 18 25 130 19 69 10,0 6009-T62 300 43 260 38 11 180 26 69 10,0 6111-T4 280 42 150 22 26 170 25 69 10,0 6111-T62 360 52 320 46 11 215 31 69 10,0 6022-T4 255 37 150 22 26 155 22 69 10,0 6022-T62 325 47 290 42 12 195 28 69 10,0 95 Ek – 3 Aluminyum gövde sac alaşımlarının özelliklerinin karşılaştırılması Genel korozyona Döküm Kaynak AlaĢım ġekillendirilebilirlik Punta Kaynak Yapılabilirliği karĢı direnç Yapılabilirliği 5182-O A A A C 5454-O A B A B 5754-O A A A C 6009-T4 A B B A 6022-T4 A B B A 6111-T4 A B B A NOT: A: En Ġyi, B: Daha Ġyi, C: Ġyi 96 ÖZGEÇMİŞ Erkan Aybaraz 1979 yılında Bursa’da doğdu. Ġlk ve orta öğrenimini Bursa’da tamamladı. Lise eğitimini Bursa Tophane Endüstri Meslek Lisesi Kalıp Bölümünde 1996 yılında bitirdi. 2000 yılında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Kalıpçılık Öğretmenliği Bölümünden lisans derecesini aldı. 2000 – 2003 yılları arasında CoĢkunöz A.ġ. de Kalıp Tasarım Uzmanı olarak çalıĢtı. 2004 yılında Askerlik hizmetini tamamladı. 2004 – 2006 yılları arasında CoĢkunöz A.ġ. de Kalıp Proje Lideri olarak görev yaptı. 2006 yılından bu yana TOFAġ A.ġ. de Kalıp Proje Sorumlusu olarak çalıĢmakta. Aybaraz, kuruluĢu 2007 yılından bu yana Gazi Üniversitesi Kalıp Öğretmenliği Mezunları Derneğinin Yönetim Kurulu BaĢkanlığını sürdürmektedir. 97 TEŞEKKÜR Yüksek lisans eğitimimde desteklerini esirgemeyen değerli öğretim üyesi Yrd.Doç.Dr.Gültekin Karadere’ye teĢekkürü bir borç bilirim. Gerek iĢ hayatımda gerek okul hayatımda hep yanımda olup, çalıĢmalarımda beni sürekli destekleyen, gösterdiği sabır ve anlayıĢla bu tezin ortaya çıkmasında büyük katkısı olan biricik eĢim Bengü Aybaraz’a, her zaman yanımda olan annem Nesrin Aybaraz, babam Talat Aybaraz, ablam Ebru Aybaraz ve yeğenim Ġrem Karçiga’ya teĢekkür ederim.