Tasarım Metodolojisi -7-

Transkript

1 Tasarım Metodolojisi -7- DÖKÜM, DÖVME VE TOZ METALURJİSİ İLE ŞEKİLLENDİRME Doç.Dr. Ahmet DEMIRER Kaynak: 1)Cürgül İ.,Sınmazçelik T., Makine Tas. Ve Şekillendirme Tek.,Birsen 1 yayınevi, İst GÜLMEZ Turgut, İmal Usulleri Ders notu, İTÜ Makina Fakültesi, İst DÖKÜM YOLUYLA ŞEKİLLENDİRME Model adı verilen bir parçanın bir kalıp içinde oluşturduğu boşluğa dökülen ergimiş metalle gerçekleştirilen üretim şekline genel olarak döküm adı verilir. Üretilen parçadaki delik ve çıkıntılar için modelin oluşturduğu boşluğa maçalar yerleştirilir. Günümüzde kum kalıba döküm, metal kalıba (kokil) döküm, kuyumcu (hassas) dökümü gibi birçok döküm çeşidi vardır. 2 Döküm Yöntemlerinin İki Kategorisi Kum Döküme Genel Bakış 1. Bozulabilir kalıp yöntemleri kalıp, parçayı çıkarmak için dağıtılır Üstünlüğü: daha karmaşık şekiller mümkündür Eksikliği: dökümün kendisinden çok kalıbı yapma süresinin uzunluğu nedeniyle üretim hızı genellikle düşüktür 2. Kalıcı kalıp yöntemleri kalıp metalden yapılır ve çok sayıda döküm için kullanılabilir Üstünlüğü: yüksek üretim hızları Eksikliği: kalıbı açmak gerektiğinden geometriler sınırlıdır 3 Toplam döküm üretiminin önemli bir kısmını oluşturan, en yaygın kullanılan döküm yöntemi Çelik, nikel ve titanyum gibi yüksek sıcaklıkta eriyen hemen tüm alaşımlar kum kalıba dökülebilir Dökülen parça boyut aralığı, küçük boyuttan çok büyük boyutlara kadar uzanır Üretim miktarı bir adetten milyonlarca adede kadardır Şekil 2. Bir hava kompresörü çerçevesine ait, 680 kg ağırlığındaki büyük bir kum döküm 4 1

2 Bunlardan en eskisi olan kum kalıba dökümde kalıp, sıkıştırılmış kumdan yapılır. Kokil dökümde ise, kum yerine çelik kalıp ve çelik maçalar kullanılır. Çelik kalıplarla birlikte kum maçalar kullanılırsa buna yarı kokil döküm adı verilir. Sürekli kokil, püskürtme ve savurma (santrifüj) dökümler de esas itibariyle bir kokil dökümdür. Kuyumcu veya hassas dökümde model, alçak ergime noktalı mum, plastik gibi malzemeden yapılır. Kalıp yapıldıktan sonra ısıtılıp mum model eriyerek kalıptan dışarıya akıtılmak suretiyle kalıbın içerisinde arzu edilen boşluk ortaya çıktığından bu döküm şekline ergime döküm adı da verilmektedir. 5 Dökülecek parçanın şekli, boyutu, ağırlığı ve düşük maliyeti bakımından kum kalıba dökümün sınırı yoktur. Ancak diğer döküm yöntemlerinin buna göre iki önemli üstünlüğü vardır: a)daha hassas yüzeyler ve bunun sonucunda daha az işleme payları gerektirmesi, b)üretim gücünün çok yüksek olması (seri üretim olanağı). Buna karşılık bu yöntemler, özellikle parça boyutları ve ağırlıkları bakımından, sınırlı kalırlar. Döküm yoluyla şekillendirilecek parçaların üretiminde aşağıdaki prensiplerin göz önünde bulundurulması gerekmektedir. 1- Kesit değişiklikleri kademeli olarak yapılmalıdır. Yani ani kesit değişikliklerinden sakınılmalıdır. Keskin köşeler büyük çentik etkileri oluşturacağı gibi soğuma esnasındaki büzülmeden dolayı da çatlamalara sebebiyet verirler. Büyük kavisler ise döküm boşlukları meydana getirir. Şekil 8.1 de ilgili birkaç örnek verilmiştir. 6 Dökümle şekillendirmede prensipler: 1- Kesit değişiklikleri kademeli olarak yapılmalıdır. Yani ani kesit değişikliklerinden sakınılmalıdır. Keskin köşeler büyük çentik etkileri oluşturacağı gibi soğuma esnasındaki büzülmeden dolayı da çatlamalara sebebiyet verirler. Büyük kavisler ise döküm boşlukları meydana getirir. Şekil 8.1 de bu konu ile ilgili birkaç örnek verilmiştir. Dökümle şekillendirmede prensipler: Ayrıca Şekil 8.2 de döküm parçaların çeşitli kesit değişimleri ile ilgili tasarım örnekleri, uygun olup olmama durumuna göre, verilmiştir

3 2-Cidar kalınlıkları parçanın büyüklüğüne göre seçilmelidir. Cidar kalınlığının seçiminde, malzeme türü ve parçanın şekli de önemli faktörlerdir. Bazı malzemeler için önerilen cidar kalınlıkları Cetvel 8.1 de verilmiştir. Cetvel 8.1 Çeşitli döküm parçaların cidar kalınlıkları Kır dökme demir: Malzeme Minimum kalınlık (mm) Küçük parçalar 3-3,5 450 mm ye kadar 6-7 Büyük parçalar Temper döküm: Küçük parçalar 3-3,5 Nispeten büyük parçalar 6-7 Dökme çelik: Küçük parçalar 5 Orta boy parçalar 7 Prinç ve bronz döküm 2,5-3 Alüminyum ve alaşımları 3-3,5 9 3-Döküm yöntemi parça sayısına bağlı olarak seçilmelidir. -Az sayıda ve büyük parçalar için kum döküm, --parça sayısı 500 ün üstüne çıkması halinde kokil döküm ve -parça sayısı 1000 ila 5000 arasında olduğunda püskürtme döküm tercih edilmelidir. Püskürtme dökümde kalıpların ömrü alüminyum için , bakır ve alaşımları için adet civarında olup çinko için bu ömür sonsuz olarak kabul edilir. 4-Döküm parçanın modeli hazırlanırken çekme ve işleme paylan kesinlikle göz önüne alınmalıdır. a)kum dökümün işleme payları: Çelik dökümde : 550 mm parça büyüklüğüne kadar ±1,5 mm, daha büyük parçalarda her 25 mm için ±0,12 mm eklenmelidir. Temper döküm, alüminyum ve magnezyum alaşımlarının dökümünde: 150 mm parça büyüklüğüne kadar ±0,8 mm, daha büyük parçalarda her 25 mm için ±0,08 mm eklenmelidir. Kır dökümde: Çelik dökümden biraz az. Bakır alaşımlarının dökümünde: Çelik dökümden biraz fazla pay bırakılmalıdır. Bu döküm yönteminde açı toleransları 0,5 civarında seçilmelidir. 10 b) Kokil dökümün işleme payları: Kokil dökümde kalıp metal kullanıldığı için maliyet pahalıdır. Bu nedenle boyut ve toleranslar uygun seçilmelidir. Bu döküm yönteminde köşe yuvarlatmalar ve geçiş kavisleri 1,5 mm ile 4,5 mm arasında seçilir. 150 mm ye kadar olan parça büyüklüğü için ±0,25 mm ve 150 mm den büyük parçalar için her 25 mm de ±0,05 mm eklenerek işleme ve çekme payı bırakılmalıdır. c)püskürtme dökümün işleme payları: Bu döküm yöntemi genellikle düşük ergime noktalı malzemelere uygulandığı için, köşe yuvarlatmalar 1,5 mm ve işleme paylan da 0,25 mm kadar alınabilir. 5-Malzeme türüne göre özel önlemler düşünülmelidir. Bunlardan bazıları: a)dökme demir: Basma mukavemeti çekmeye göre daha büyüktür. Bu nedenle dökme demir parçalar mümkün olduğunca basıya zorlanmalıdır. Şekil 8.3 deki konsol buna örnek gösterilebilir. Cetvel 8.1 Çeşitli döküm parçalaruı cidar kalınlıkları Malzeme Minimum kalınlık (mm) Kır dökme demir: Küçük parçalar 450 mm ye kadar 3-3,5 6 7 Büyük parçalar Temper döküm: Küçük parçalar 3-3,5 Nispeten büyük 6 7 parçalar Dökme çelik: Küçük parçalar 5 Orta boy parçalar 7 Prinç ve bronz döküm 2,5-3 Alüminyum ve alaşımları 3-3,

4 a)dökme çelik: Dökme demir kadar akıcı değildir. Bu nedenle karışık şekilli parçaların dökümü zordur. Ayrıca elemandaki artık gerilmelerin giderilmesi için döküm sonrası tavlama yapılmalıdır. b)hafif metaller: Elastiklik modülünün küçük olduğu, çentik etkilerine karşı hassaslığı ve ısıl genleşmelerinin nispeten büyük olduğu unutulmamalıdır örneğin magnezyumun elastiklik modülü küçük olduğundan büyük rijitlik istenen parçalarda kesitler büyük tutulmalı; alüminyum alaşımlarının çentik etkilerine olan hassasiyeti nedeniyle zayıf kesitlerden kuvvetli kesitlere geçişte büyük yuvarlatma yarıçapları seçilmelidir. 7-Döküm maliyetini düşürmek ve döküm işlemlerini kolaylaştırmak için parçaların, özellikle gövdelerin, genel şeklinin basit olmasına dikkat edilmelidir. Gerekli durumlarda karışık şekilli parçalar basit kısımlara ayrılarak döküm işlemi gerçekleştirilir ve daha sonra bu parçalar cıvatalar yardımıyla birleştirilebilir (Şekil 8.5). 6-Rijit ve hafif yapıdaki bir tasarım için kaburgalı döküm yolu tercih edilmelidir. Ancak kaburgaların kesişme noktalarında oluşabilecek boşlukları önlemek gerekir (Şekil 8.4) Parçalar dökümden sonra işlenecekse; a) Parçalar tezgaha sıhhatli ve kararlı bir şekilde bağlanmalıdır b) Yüzeylerin tam olarak işlenmesi ve takımın serbest hareketi için işlenecek yüzeylerin uç kısımlarında yeter büyüklükte yer bırakılmalıdır. c)işlenecek yüzeyler aynı düzlemde olmalı ve işleme mümkün olduğu kadar bir bağlamada yapılabilmelidir (Şekil 8.6). 15 d)işlenecek yüzeyler mümkün olduğunca yatay (Şekil 8.7a) ve delik eksenlerine dik (Şekil 8.7b) olmalıdır. 9- Dış maça kullanmaktan olanaklar çerçevesinde kaçınılmalıdır. Bunlar döküm işçiliğinin artmasına neden olur (Şekil 8.8). 10-Modelin kumdan kolay çıkabilmesi için eğimler verilmelidir (Şekil 8.9). Bu eğimler 1:20 ila 1:50 arasında seçilebilir. 16 4

5 Aynı seviyedeki işleme yüzeyleri mümkünse bir tek işleme yüzeyi olacak şekilde seçmelidir. Şekil 8.10a 'daki kapakta cıvata başı oturma yüzeyleri düşey freze ile tek tek yapılabileceği gibi, Şekil 8.10b deki gibi tek bir işlemde tornalama yöntemiyle de yapılabilir. Bu ikinci durumda işçilik çok daha azdır. 13. Büyük oturma yüzeyleri uygun form verilerek azaltılmalıdır (Şekil 8.12). Bu durum hem parçanın daha düzgün oturmasını hem de daha az yüzeyin işlenmesini gerektirir Geometrik basitlik: Döküm, karmaşık parça geometrilerinin oluşturulmasında kullanılabilmesine rağmen, parça tasarımında basitlik, genellikle dökülebilirliği arttırır Gereksiz karmaşıklıktan kaçınılması: Kalıp yapımını basitleştirir Maça ihtiyacını azaltır Dökümün dayanımını arttırır Döküm parçalardaki köşeler: Gerilme odağı olduklarından ve sıcak yırtılma ve çatlamalara neden olabileceklerinden, keskin köşe ve açılardan kaçınılmalıdır İçköşelerde büyük radyüslü köşe dolguları tasarlanmalı ve keskin kenarlar yuvarlaklaştırılmalıdır

6 Yüzey eğimi kılavuzları: Genleşebilen kalıba dökümde yüzey eğimi, modelin kalıptan çıkarılmasını sağlar Eğim = 1 (kum döküm için) Kalıcı kalıba dökümde amaç, parçanın kalıptan çıkarılmasına yardımcı olmaktır Eğim = 2 to 3 (kalıcı kalıba döküm yöntemleri için) Eğer dolu maçalar kullanılıyorsa, benzer eğimler sağlanmalıdır Yüzey Eğim Toleransı Parça tasarımındaki küçük değişiklikler, maça ihtiyacını azaltabilir Şekil Bir maça kullanımına ihtiyacı ortadan kaldıran tasarım değişikliği: (a) orijinal tasarım ve (b) yeni tasarım Boyut Toleransları ve Yüzey Kalitesi: Yönteme bağlı olarak dökümde boyutsal doğruluklarda önemli farklara ve yüzey kalitelerine ulaşılabilir: Kum dökümde kötü boyutsal doğruluklar ve yüzey kalitesi Basınçlı ve hassas dökümde yüksek boyutsal doğruluklar ve yüzey kalitesi Talaş Kaldırma Toleransları: Kum dökümde gerekli boyutlara ve parça özelliklerine ulaşmak için hemen tüm dökümlerin talaşlı işlenmesi gerekir Döküm üzerinde, talaş kaldırmanın gerekli olduğu tüm yüzeylerde, Talaşlı işleme toleransı olarak adlandırılan ilave malzeme bırakılır Kum dökümler için tipik talaşlı işleme toleransları 1.5 ile 3 mm arasındadır

7 DÖVME YOLUYLA ŞEKİLLENDİRME Dövme Yoluyla Şekillendirme Dövme yöntemi ile şekillendirmede göz önünde bulundurulması gereken hususlar aşağıdaki gibi özetlenebilir. 1.Malzeme yığma malzeme dağıtmadan daha zordur. Mümkün olduğunca malzeme yığma işleminden kaçınılmalıdır (Şekil 8.13). Plastik şekillendirme sınırına kadar ısıtılmış olan malzemenin, dövme veya presleme yöntemi ile şekillendirilmesi olayına dövme adı verilir. Dövme işlemi, açık dövme ve kapalı dövme olmak üzere iki şekilde yapılır. Açık dövme işleminde şekillendirilecek parçalara kalınlaştırma, inceltme, bükme, yarma ve kesme gibi işlemler uygulanır. Kapalı dövme işleminde ise şekillendirme işi bir kalıp yardımıyla yapılır. Dövme ile şekillendirme diğer üretim yöntemlerine göre daha pahalıdır. Buna karşılık elde edilen parçaların dayanıklılığı ve darbe mukavemetlerinin daha büyük olması en önemli özelliğidir. Dövme yöntemi ile şekillendirilen parçaların iç yapısı daha homojen olur ve içlerinde boşluk bulunmaz. Aynı zamanda işleme payları daha az olur. 25 Yığma işlemi Dağıtma işlemi 2.Ani kesit değişimleri kırılma ve çatlamalara neden olduğundan köşeler ve geçişler kavisli yapılmalıdır (Şekil 8.14). 26 Dövme Yoluyla Şekillendirme 3.Parçanın kalıp içindeki bölümünün yüzeyi olanaklar ölçüsünde yassı durmalı ve aynı düzlem içerisinde bulunmalıdır (Şekil 8.15). Dövme Yoluyla Şekillendirme 5.İnce cidarlardan kaçınılmalıdır. Çünkü kalın parçaların dövme güçlüğü, ısıl işlem etkisinde ince cidarlı parçalarda da çatlaklar meydana gelebilir. Genel olarak orta büyüklükteki bir parçanın en küçük kalınlığı 3 mm den az olmamalıdır (Şekil 8.17). 4.Parçanın kalıptan kolayca çıkarılabilmesi için yüzeylere gereği kadar eğim ve koniklikler verilmelidir (Şekil 8.16). 6.Dövülmüş parçalarda yeteri kadar işleme payı bırakılmalıdır (Şekil 8.18)

8 TOZ METALURJİSİ İLE ŞEKİLLENDİRME Metal işleme teknolojileri içerisinde toz metalürjisi, sunduğu çeşitlilik açısından kapsamlı bir şekillendirme ve üretim yelpazesine sahiptir. Toz metalürjisinin tercih edilmesindeki en önemli unsur, yüksek kaliteye sahip ve karmaşık şekilli parçaların istenilen toleranslarda kayıpsız yada çok az kayıpla ekonomik olarak üretilmesidir. Toz metalürjisi; metal tozlarının tek başına veya ön alaşımlanmış (birbirine karıştırılmış) metal tozlarının bağlayıcılarla harmanlanarak uygun pekiştirme yöntemleri ve ısı etkisinde şekillendirilmesi olayıdır. 29 Endüstriyel üretim aşamalarının bir çoğunda uygulanabilir hale getiren zorlayıcı nedenler vardır. Bu nedenler arasında; malzemeden tasarruf edilmesi, üretilen parçaların mikro yapısında homojenizasyon sağlanması, karmaşık şekilli parçaların nispeten ekonomik olarak üretilmesi ve yüksek dayanım performansı gibi faktörler sayılabilir. Üretim aşamalarında şekillendirme, pekiştirme ve ısı etkisinde sinterleme anahtar adımlar olduğundan, toz metalürjisi, düşük enerji tüketimi, düşük maliyet ve yüksek verimde malzeme kullanımını içeren otomasyon üretim süreçlerinden yararlanır. Teknolojide önemli kavramlar olan üçlüsü ile uyum içindedir. Bu nedenlerle toz metalürjisi dünyada giderek yverimlilik, enerji ve hammadde aygınlık kazanmakta ve gerek teknolojik gerekse ekonomik açıdan diğer metalurjik üretim yöntemlerine daima alternatif teşkil etmektedir. Toz metalürjisi, birçok metal için küçük ve ince parçaların üretiminde seri bir yöntemdir. Klasik yöntemlerle alaşım teşkili mümkün olmayan metallerin metalik bileşiklerini ve metal karışımlarını oluşturur, örneğin tungsten karbür ve kobaltın karışımı kesici takım malzemesi olarak kullanılır. Filtre veya yatak malzemesi üretiminde olduğu gibi ürünün gözenek oranı kontrol edilebilir. Ancak toz metalürjisi ile üretimde ilk yatırım maliyeti yüksek olduğundan parça sayısının fazla olması durumunda ekonomik olacağı unutulmamalıdır. 30 Toz metalürjisi ile üretimde; yoğunlaştırma esnasında tozun davranışı, ham parçanın kalıptan çıkarılması ve kalıp setinin üretilmesi aşamalarında birtakım sorunlarla karşılaşılır. 1-Tozun yoğunlaştırma sırasındaki davranışı Döküm esnasında serbestçe akabilen sıvı metalin ve hatta dövüldüğünde şekil değiştirebilen katı metalin tersine, toz metal akıcı değildir. Bu durum ince cidarlı parçaların üretiminin zor olduğu anlamına gelir. Kesit kalınlığındaki değişimler yapının homojen olmamasına neden olur (Şekil 8.19). Parçanın pres doğrultusundaki boyunun çapa oranı 2,5:1 sınırını geçerse, yoğunluk farklılığı oluşacağından, yapı homojen bir şekilde oluşmaz Ham parçanın kalıptan çıkarılması Basınçlı dökümdeki problemlere benzer şekilde, alt ıstampada girinti-çıkıntı olmamalıdır. Çünkü alt ıstampa yukarı doğru hareket ederken parçanın da yukarı doğru çıkabilmesi gerekir. Şekil 8.20 'de görülen yatak gövdesi içine açılan yağ kanalının, parça kalıptan çıkarılırken, eksenel hareketi kısıtlamaması istenir. Benzer şekilde, Şekil 8.21 deki parçanın kalıptan çıkarılması esnasında eksenel harekete uygunluk aranmalıdır. Daha da önemlisi fatura geçiş bölgesinde parçadaki mukavemet düşüşü göz ardı edilmemelidir. 32 8

9 2-Ham parçanın kalıptan çıkarılması Şekil 8.22a da görülen parçanın üst kısmında oluşturulması gereken flenş ve derin kör boşluk nedeniyle bünyede yoğunlaşma olmaz. Hem flenşin hem de kör boşluğun uygun şekilde elde edilmesi için Şekil 8.22b deki veya kör boşluk ile flenşin aynı uçta olma zorunluluğu varsa, Şekil 8.22c deki gibi derinliği daha az kör boşluklu çözüm yöntemi seçilebilir Kalıp üretimi Parça, ıstampanın ve kalıbın ince kesitlere veya keskin köşelere sahip olmayacağı bir şekilde tasarlanmalıdır. Aksi takdirde üretim maliyetinin artması ve aşınma sonucu çalışma ömrünün kısalması kaçınılmaz olur. Şekil 8.23a 'da talaşlı işlem ile kolayca elde edilebilecek bir havşa boşluğu görülmektedir. Eğer bu havşa boşluğunun kalıplama yöntemi ile elde edilmesi yolu seçilirse Şekil 8.23b deki gibi keskin köşeli bir ıstampa gerekir. Buna karşın Şekil 8.24a da görülen havşa boşluğu talaşlı işlemeye uygun değildir. Bunun yerine Şekil 8.24 b deki gibi bir tasarım ise keskin köşeli bir ıstampa gerektirmemektedir. 34 9